发动机水泵论文

发动机水泵论文（精选4篇）

发动机水泵论文 第1篇

笔者以Fluent软件为平台，对某特种发动机离心式水泵进行了模拟计算，获得了额定转速时不同流量的水泵扬程、扭矩、轴功和效率等指标，绘制了水泵性能曲线，最后分析了水泵设计工况的速度场和压力场分布情况，为水泵性能优化提供了理论基础。

1 几何造型与网格生成

某特种发动机离心式水泵采用了前倾后弯叶片、环形蜗壳。使用PRO/E软件进行泵体和叶轮的三维造型，为保证模拟精度，保留了叶轮平衡孔、叶轮与蜗壳间隙以及倒角等特征。

好的网格可以提高计算收敛速度，减少计算时间。为降低网格生成难度，提高网格生成质量，将水泵三维流体模型分为进口区域、旋转区域和蜗壳区域分别划分网格。

使用ICEM对三个区域分别进行网格划分，旋转部分进行了网格细化，保证网格能较好地反映模型的特征，最后将三部分网格在ICEM中合并输出，生成的网格见图1，很好地反映了流体区域的特征。

2 数学模型

基于连续性方程和动量守恒建立流场控制方程，采用Under-Relaxation法对离散后方程进行求解，压力速度耦合求解采用SIMPLE算法，动量方程、湍动能方程和湍流耗散率方程的离散采用二阶迎风格式。

采用κ-εRNG湍流模型模拟充分发展的流场，通过修正湍动粘度，考虑了平均流动中的旋转及旋流流动情况，在ε方程中增加了一项，从而反应了主流的时均应变率Eij，能更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。

采用标准壁面模型模拟近壁区的流动。

3 边界条件

a.进口边界选用速度进口边界条件。假定叶轮进口处是轴对称流动，速度方向垂直于进口面。进口的湍动能和湍动能耗散根据湍动强度和特征长度来计算。

b.出口边界采用出流(OUTFLOW)边界，它适用于出口流动完全发展，求解前压力和速度未知的情况，出口处所有变量(压力除外)，其梯度都是0。

c.固体壁面边界默认为无滑移边界条件，也就是说固体壁面与液体的相对速度为0，叶轮面设置为移动边界。

选择旋转部分的运动方式为运动参考坐标系(MRF)，旋转速度为水泵额定转速。运动参考坐标系将非稳态的水泵旋转问题转化为一个稳态问题来求解，从而减少了计算量，求解的仅仅是周期性转动在某一瞬时的情况，求解出的是一个充分发展的流场，再以一定的速度运动就得到当前叶轮位置的实际流场。

4 仿真结果及分析

4.1 水泵内流场压力云图

水泵模拟计算获得了各工况的内部流场，图2、图3分别为设计工况水泵截面的静压云图和动压云图。

从截面压力云图可以看到，泵内流体静压从入口到出口呈现上升趋势，水泵入口处静压最低，由于叶轮做功，流场截面上静压随流动方向逐渐增大。叶轮进口的背面存在低压区，是容易发生气蚀的部位;叶轮进口处流体流速较小，因此动压较小。流体进入蜗壳后，动能转化成压能，因而流体动压很小，静压逐渐增大，水泵出口处静压最高。

4.2 水泵内流场速度云图

图5和图6分别为设计工况水泵截面和叶轮相对速度云图。

从相对速度云图可以看到：叶轮进口到叶轮出口相对速度逐渐增大，叶轮工作面末端相对速度最大，蜗壳中流体的流速逐渐下降，并逐步趋于均匀。

4.3 水泵性能预测

水泵性能研究即对于水泵转速、流量、扬程、扭矩、轴功率、有效功率、效率几个性能参数之间的相互关系的研究，根据伯努利方程，可以根据水泵进口总压和出口总压预测水泵的扬程：

式中，pout为出口总压，pin为进口总压。

叶轮的水力效率可以由下式定义：

式中，Q为流量，ω为水泵转速，M为叶轮表面受到绕Z轴的力矩之和。

其中pout,pin和M可以通过Fluent后处理功能获得。

通过后处理得到了水泵额定转速时不同流量下的扬程、扭矩和效率等参数，预测了水泵的性能曲线，见图7。

从图7可以看出，随着流量的增大，扬程平缓下降，但全工况预测性能都在35 m以上，满足发动机的需求;随流量的增大，效率先增大后减小，在流量为27 kg/s时达到最大，最大效率约为48%。因为计算模型并未考虑各种摩擦损失和容积损失，因此水泵的实际扬程和效率将比模拟值略小，但仍超过设计工况时扬程30 m的要求。设计工况点时，效率为小于36%，能量损失高，效率较低。

水泵流量覆盖范围广，适合在柴油机多工况的条件下使用。

4.4 优化设计方向

通过对水泵性能预测，可以看出水泵全工况效率不高，还存在进一步优化改进的空间，建议优化叶轮叶片的叶型和蜗壳流道，以提高设计点的水力效率，并缩小叶轮和蜗壳直径以减小高效率点流量。

5 结论

使用κ-εRNG湍流模型和标准壁面模型对特种车辆发动机用离心式水泵进行了数值模拟计算，获得了水泵内流场压力和相对速度分布，并对设计流量下的内流场进行了分析，预测了水泵的性能，指出了水泵性能优化的方向，对工程设计有较大的指导意义。

参考文献

[1]Dupont P,Cugal M.CFD in Pump Design Expertise ImprovesProducts.Sulzer Technical Review,2006,88(2):22-25.

[2]王福军.计算流体动力学分析[M].北京:清华大学出版社,2004.

[3]韩占忠.Fluent流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[4]牟介刚,张生昌.CFD技术在离心泵设计工作中的应用[J].水泵技术,2006(,2):29-31.

[5]唐辉,何枫.离心泵内流场的数值模拟[J].水泵技术,2002,(3):3-8.

发动机水泵论文 第2篇

由于渐开线圆柱形叶轮具有良好的水力性能, 可以克服低比转速提高叶轮的水力效率[2]。发动机水泵叶轮基本都是采用渐开线生成。介绍通过新型的渐开线对发动机水泵叶轮进行参数化重构。

1 发动机水泵叶轮结构分析

1.1 水泵叶轮成品

该水泵叶轮成品如图1所示。

1.2 水泵叶轮拔模分析

利用CATIA自带的拔模分析命令, 可以得出叶轮叶片带有小角度拔模, 约为0.3°。如图2所示。

2 新型渐开线参数化定义

2.1 渐开线的形成过程

当一直线BK沿一圆周作纯滚动时, 直线上任意点K的轨迹AK就是该圆的渐开线 (involute) 。该圆称为渐开线的基圆 (base circle) , 它的半径用rb表示;直线BK称为渐开线的发生线 (generating line) ;角θk称为渐开线上K点的展角 (evolving angle) [3]。如图3所示。

2.2 CATIA中渐开线函数一般参数化定义

为了使渐开线具备参数化, 渐开线在CATIA软件中的精确数学定义如下, 其中 (1) 、 (2) 中的公式均是以xy平面坐标系的原点为公式原点的:

1) 渐开线基本三角函数方程

2) CATIA中完整的三角函数方程

式中:x、y为length型变量, t为real型变量;n为渐开线走过的圈数;0<=t<1, t为变量;PI为CATIA中的常量π;渐开线起始角:a, 单位rad。鉴于式中a后面*1rad, 此处定义a为实数。

2.3 CATIA中新型渐开线参数化定义

新型渐开线函数方程构造。在传统参数化定义的基础上, 引入X2+Y2=Z2, 渐开线公式变为:

上式可以看出, 这是一个空间函数方程。构造方法:先做出空间曲线, 然后再投影到平面上, 得出渐开线。其基圆圆心为xyz坐标系原点。

2.4 CATIA建模环境设置

CATIA建模环境设置如图4所示。

2.5 公式和规则定义

利用知识工程里的f (x) 和fog对渐开线的参数和曲线的规则进行定义。如图5所示。 (此时x, y的参数类型为长度类型, t为实数类型。)

2.6 新型渐开线绘制过程

利用上面已经建立的规则在空间中拟合出X与Z和Y与Z的曲线, 混合后形成空间渐开线, 最后投影到XY面得到平面渐开线, 该渐开线为精确渐开线。如下图6所示。

3 发动机水泵叶轮参数化重构

3.1 根据新型渐开线反向拟合成品

用XY面切割成品, 切割线则为实际的渐开线 (被拟合) ;通过X、Y的定义规则线混合成空间渐开线, 并投影到XY面, 再经过平移和旋转达到预拟合位置。经过拟合精度检查, 在实际的取样段新型渐开线与拟合目标间隙为0 mm, 拟合满足要求。

3.2 水泵叶轮轮廓重构

通过新型渐开线拉深包围形成叶轮的基本轮廓, 拉伸面与叶轮切割得到叶轮轮廓, 并扫略, 切割再生成断面线, 依此方法再构造其余三个轮廓, 三个轮廓扫略形成三个包络体, 包络体之间切割形成单个叶轮片, 阵列得到整个叶轮。如图8所示。

3.3 水泵叶轮重构精度评价

水泵叶轮重构精度评估需要考虑两个问题:1) 重构后得到的参数化模型和成品模型之间的误差大小;2) 重构后的数学模型在工程实际应用中是否能够接受实践检验[4]。

重构精度:该数模重构经测量最小误差0mm, 最大误差0.05mm。满足建模阈值, 认为是合格的。如下图9所示。

CAE模拟:经过应用CFD进行计算[5], 重构的叶轮型线符合液体的流动规律, 出口回流现象无差异, 液流从轴向到径向平稳过渡, 水流从叶轮进入泵壳中, 叶轮对水流充分做功, 叶轮的机械能转化为水的动能, 效率很高。证明该重构模型可以实现工程应用。

3.4 叶轮重构中实现参数化

在叶轮重构中不仅新型渐开线的生成可以实现参数化, 而且反向拟合的各种轮廓也可以实现参数化, 具体的数据可以来自pumplink计算出的各种尺寸。然后套入参数化重构的过程, 就可以实现整个发动机水泵叶轮参数化设计。

4 结论

采用一种新型渐开线对发动机水泵叶轮非参模型进行参数化重构, 解决了水泵缺失参数造成的修改和后续叶轮优化过程中不易编辑的问题。同有的农业机械市场进行有效了解, 以及法律法规都要充时该参数化重构过程也可以作为水泵叶轮正向设计参考, 不仅提高建模效率, 而且可以使水泵叶轮精准建模。

摘要：采用构造的新型渐开线对发动机水泵叶轮进行参数化重构, 解决了国外设计公司所提供的无参数叶轮模型国产化过程中进一步延伸开发和优化面临的编辑不便的问题。介绍了通过新型渐开线对成品模型进行反向拟合重构出参数化模型的具体过程, 并探讨重构模型的精度评价和对工程应用的影响。

关键词：水泵叶轮,CATIA,重构,参数化

参考文献

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[2]张婷婷, 袁寿其, 刘建瑞, 等.基于CFD的汽车冷却系统水泵叶轮设计与实验[J].机械研究与应用, 2013, 26 (2) :89-91.

[3]孙桓, 陈作模, 葛文杰.机械原理[M]第7版.北京:高等教育出版社, 2009:177-178.

[4]纪小刚, 龚光容.增压器叶轮三维重构实现技术研究[J].机械科学与技术, 2006, 25 (3) :321-326.

发动机水泵论文 第3篇

汽车发动机冷却水泵的运行依据能量守恒定律, 即发动机曲轴输出的机械能通过轮系传递给水泵, 又通过水泵传递给冷却液, 使机械能转化为冷却液的液压能, 冷却液从外界获得能量后就产生了速度、压力。叶轮是水泵的重要组成部分, 它是一个过流部件。叶轮的精度、结构对水泵的性能具有决定性的作用。

叶轮的结构可分为三类:闭式叶轮、开式叶轮、半开式叶轮。

如图1所示:

2 图纸标注理解

叶轮图纸设计时, 叶片锥面标注大多会给出锥角和锥面某一截面的高度尺寸, 如图2所示。这两个尺寸遵守独立原则, 要分项测量, 每个尺寸合格, 则认为叶片合格。

164�形成一个锥面, 其实际角度由圆锥角公差带控制。叶片为曲线形式 (也有设计为直线形叶片) , 检验时必须观察叶片锥面全貌。

叶片锥面相对于A基准要求对称, 同时往往还要规定叶片锥面的跳动量。

A基准尺寸和�100处的29尺寸也会对锥面产生影响。

100称为叶轮测量圆。

半开式叶轮设计图纸 (主视图) 如图2所示:

本文阐述的是对图2中的角度尺寸即164�设计专用检具。

3 164�的测量方法

图纸标注为角度尺寸, 实际为多叶片形成的锥面顶角。多叶片组成锥面, 锥面不连续, 加工过程中形成断续切屑, 在数控设备上加工, 锥面是由插补命令自动走刀形成, 每个叶片角度偏差都不一样。叶片锥面有三种偏差结果:一种是单个叶片锥角整体偏大, 另一种是单个叶片整体偏小, 最后一种是在单个叶片上锥角由大到小 (或从小到大) 过渡。在实际的批量生产中, 三种叶片锥角偏差往往交差存在, 多数是由于生产过程中刀具的磨损和更换、设备固有变差造成。必须对每个叶片的角度都进行检验, 叶片在要求的角度范围内, 则认为叶片锥角合格, 以此综合评定叶片锥角。

单件或小批量试制生产时, 通常采用三坐标测量;

大批量生产时, 为提高检测效率, 必须设计专用检具。

4 专用检具测量方法

专用检具通常采用比较测量, 即约定一个理想锥面, 用叶轮锥面与之比较, 观察间隙是否均匀, 依靠测量间隙数值判定角度是否超差, 即把锥角角度公差转化为叶轮锥面法向距离偏差。设计的要点在于每个叶片都可检测, 同时必须使用A基准模拟实际锥面对称中心, 还要配合标准直径的测棒 (或塞尺) 来检查叶片与检具形成的间隙。这里使用测棒 (或塞尺) 的原因是测棒 (或塞尺) 与检具和叶片是线接触, 可较准确测出叶片与检具体形成的间隙。

5 检具方案

假设:164�在实际生产中按164�±1.5�控制。

检具整体方案如图3所示:

检具由三个零件组成:用于模拟A基准的定位芯轴, 模拟理想锥面的检具体, 判定锥角是否超差的测棒 (或塞尺) 。

设计图纸如图4所示:

(2) 检具体的主要作用是模拟理想圆锥面, 形成基准参照。检具体设计的要点在于:1、基准圆锥面要尽量精确, 锥角公差带应控制在叶轮锥角公差的0.1以内;2、应能检测每个叶片的角度情况;

如图5所示:164�±15’作为基准圆锥面, 用于检查叶轮叶片与检具体形成的间隙是否均匀;在检具体上做出一条曲线, 这条曲线与叶轮叶片具有相同的形状;其作用为可检查每个叶片的锥角情况。必须注意, 检具体上的曲线一定要与叶片形状一致, 否则不能观察叶片全貌。

在检具体的叶片形状曲面上, 分别以:�70、�100、�130、�145圆与叶片形状曲面的交线处刻度, 用于判别叶片特征圆处的锥面角度情况。如图5所示:

(3) 定位芯轴与叶轮A基准孔小间隙配合, 模拟叶轮A基准。检具体模拟164�基准圆锥。检具体上开设与叶片一致的曲线面, 用于观察每个叶片锥面情况;在曲线面上开设有特征圆刻度, 用于判定叶片锥面角度变化。如图6所示:

6 测棒直径 (或塞尺厚度) 的选择

假设图纸标注的164�按164�±1.5�控制, 则该尺寸最大极限尺寸为:165.5�, 最小极限尺寸为:162.5�。两个极限尺寸与基准角度164�比较, 与基准锥面上形成最大间隙处, 在基准锥面法向方向形成的距离为0.5mm.如图7所示:

由于检具的制造、装配误差的不可消除, 测棒直径 (或塞尺厚度) 取理论间隙的0.7, 即0.35。

7 判定原测

叶轮安装在检具上, 用手用力按住叶轮大面, 使叶轮叶片部分高点与检具体接触。旋转叶轮, 使叶片与检具体上的检测曲面对应。观察叶片与检具体形成的间隙是否均匀。观察最大间隙在什么地方。用0.35厚度的塞尺轻轻塞最大间隙处。塞尺不过即为合格。塞尺通过为不合格。

为了防止误收, 也可采用内缩安全裕度的方式。内缩的安全裕度为理论测棒直径的0.1, 即如果理论测棒直径为0.35, 则验收时采用0.35-0.35X0.1=0.315≈0.3的测棒直径。

参考文献

[1]黄云清.公差配合与测量技术[K].-北京:机械工业出版社, 2001 (03) .

[2]陈家瑞.汽车构造 (上册) [K].-3版.-北京:机械工业出版社, 2009 (02) .

发动机水泵论文 第4篇

发动机水泵作为汽车冷却系中的一个重要部件, 其作用是强制冷却水在冷却系中循环流动, 以提高发动机冷却效能。如果水泵漏水, 将直接关系到发动机的工作效能, 严重时可能导致发动机烧缸垫甚至发动机损坏事故的发生。因此, 发动机水泵的密封性检测对专业制造厂商提高产品质量, 保证发动机正常使用要求中起着十分重要的作用。

随着发动机水泵铸件质量、加工质量和装配质量的提升, 以及在线气密性检漏技术的日益成熟, 发动机水泵漏水问题已得到较好的控制, 因此, 发动机质量也相应有了比较可靠的保证。在发动机水泵生产制造过程中增加在线气密检漏测试, 可以有效避免将不合格的水泵装配至发动机上, 从而可以减少不必要的损失。泄漏测试即密封性试验的目的, 在于以最经济的手段解决某一特定的问题, 为此, 一方面要确定适当的密封性指标, 另一方面选择最适合的检测方式。

二、气密性检测方法

气密性检测是保证产品质量, 生产安全的重要工序, 在生产制造过程中已得到广泛的认可, 且应用领域越来越广, 气密性检测从以前的汽车制造业各大总成逐步发展到汽车零部件大部分产品。常见气密性测试方法如下。

1. 水浸法或表面喷涂法 (目测方式)

给被测物充气后将被测物进入某种液体 (水为最常见) 中或是将肥皂水涂抹于被测物上, 操作人员根据目测液体中的气泡或肥皂泡来判断被测物是否存在泄漏。这种方法主要取决于操作人员的判断, 其优点为直观和相对可靠, 但它很难定量地测出被测物的具体泄漏量。同时测试环境及操作者自身的状态对检测结果也有很大影响。用这种检查方法后必须对被测物进行清洁、干燥及防锈处理等直接影响测试结果。

2. 置压式检测 (保压方式)

给被测物充气后用压力表、U型管或压力传感器直接测量被测物内部的压力变化, 进而推算出被测物的泄漏量。其优点在于测试系统的结构简单, 然而当测试环境复杂 (如温度影响等) , 精度要求高且泄漏量很小, 或为节省时间提高效率时, 这种检测方式对压力表或压力传感器的精度要求相当高, 使得这种检测方式成本相当高, 甚至难于实现。

3. 差压比较方式

向被测物内充入一定压力的压缩空气, 保持一定时间, 通过压力传感器检测压力的变化, 将这种变化与标准样件 (密封性完好合格) 在同样工况条件下的压力值进行比较, 以判断被测物是否存在泄漏。通过检漏仪器根据压力的变化定量地检测出被测物的泄漏量, 并与事先设定的泄漏参数进行比较, 进而判断被测物的气密性检测是否合格。该方法因具有可执行性好、更易辨别密封性、不损伤污染工件、测试过程易于实现自动化等优点, 逐步得到普遍的应用。

三、ATEQ F520检漏仪测试原理及应用

ATEQ F520检漏仪是用于生产线上进行气密性检查的气/气型泄漏检测仪器, 测试工作原理 (图1) :先对两工件充入一定压力的气体, 待压力稳定后再测量两工件之间的压力差, 这两个工件分别为无泄漏的标准件和被测工件, 这个微压差变化是由安装在工件之间的压差传感器进行测量的。

以一台ATEQ F520检漏仪为核心, 配备一些机械单元、气动单元和电控系统组成一台水泵气密性专用检测装置, 在生产线中负责完成水泵总成的气密性测试工作。该装置主要由F520检测仪器、密封夹具、旋转单元、汽缸及电磁阀系统、PLC控制系统五部分组成。可通过手动和自动两种操作方式完成对水泵的气密性检测全过程。

(1) 手动检测:放入工件压紧封堵1封堵2底缸封堵电机上升F520仪器启动测试完成电机关电机下降底缸退回封堵2退封堵1退放松取出工件。

(2) 自动检测:将操作旋钮置于“自动”双手按下启动按钮夹具开始工作 (汽缸压下侧汽缸和下汽缸封堵到位后封堵到位) 仪器启动自动测试合格后打标头自动达标, 合格指示灯亮, 汽缸复位 (不合格时, 不合格指示灯亮, 按复位按钮汽缸才能复位) 。

ATEQ F520自动测试在一个循环中具体包括仪器启动、工件充气、压力平衡、测试工件、工件排气、结束循环六个主要过程。该气密性检测仪操作简单, 无需专门培训, 在设定其有关参数以后, 用户只须按运行键便可自动得到检测数据及合格、不合格指示。

(3) ATEQ F520检漏仪测试模式及主要参数设定。该测试仪具有泄漏测试、堵塞测试、减敏模式测试和操作者模式测试共四种测试模式选择, 其中堵塞测试模式是利用回压来概略测试流量, 标准压力上下限用来区分结果的好坏。需设定的参数如下: (1) 夹定时间; (2) 充气时间, 是设定被测件的加压时间, 不可太长 (浪费时间) 或太短 (由于温度改变所造成的压力下降, 组件内的压力有存在不足的风险) ; (3) 稳定时间, 用于平衡测试件和标准组件之间的压力, 其中接管不同和容积不同是容易造成不平衡的两个现象; (4) 测试时间, 视设定的允收标准和测试模式而定; (5) 排气时间, 预设定为0, 经过几次测试后再定; (6) 压力上限/下限值; (7) 测试件允收值, 设定限制水准, 低于此水准的测试件为不合格件; (8) 标准件允收值, 设定限制水准, 低于此水准的标准件为不合格件。

四、结束语

在发动机水泵的制造过程中, 气密性测试对保证产品的质量起着至关重要的作用, 也是控制产品质量的一个重要指标, 因此, 制造商要做到100%测试, 100%合格。

在实际生产中, 经气密试漏测试及相关分析发现, 不合格产品出现泄漏的主要原因是毛坯铸造质量上存在缺陷, 如局部组织有疏松、砂眼、针孔、裂纹、裂隙、应力集中和弯折等, 有时也会因加工工艺不合理、结构不合理、安装不合理等原因造成。为此, 对铸件供应商提出了更高的要求, 同时在加工工艺和安装等过程中采取了相应的措施, 使产品不合格率不断下降, 从而提高企业效益。

摘要：介绍法国ATEQ公司泄漏检测仪的基本原理及其在汽车发动机水泵气密性测试工作中的应用。