汽车发动机冷却水泵叶轮结构型式对性能影响研究

摘 要：本文针对同一性能要求水泵分别选取不同叶片数、叶片结构形状及叶轮型式通过CFD流体计算分析对水泵性能进行模拟，从而得出最优叶轮。分析水泵叶轮型式的发展趋势。

关键词：汽车发动机水泵；叶轮型式；闭式叶轮；扭曲叶片；水泵效率；DOE

冷却水泵是水冷式发动机冷却系统的核心部件，其主要作用是泵送冷却液，使冷却液在发动机冷却水道内快速循环流动，以带走发动机工作产生的热量，从而保证发动机在最佳工作温度下稳定工作。

一、概述

汽车发动机冷却水泵由于安装空间限制和性能要求，具有体积小、制作简便，利于批量生产等特点。冷却水泵一般由泵体、叶轮、轴连轴承、水封、皮带轮等主要零部件组成。

泵体压水室根据发动机缸体结构的不同可以集成设计在发动机缸体上，也可以单独配置，叶轮是水泵的核心功能部件、其直径、出口宽度、叶片的结构形状等参数及结构设计直接决定冷却水泵的性能。

冷却水泵的结构种类很多，按叶轮材料不同，可分为铸铁叶轮、冲压叶轮和塑料叶轮；按叶轮有无盖板可分为开式叶轮和闭式叶轮；按叶轮叶片形状的不同，又可分为直叶片叶轮、单曲率叶片叶轮和空间扭曲形叶片叶轮。

随着科学技术的不断发展，目前市场上的冷却水泵中只有在卡车、大客车等重型车辆及少数自主品牌乘用车上仍采用铸铁叶轮，日系乘用车现多采用冲压叶轮，欧美等先进国家多采用塑料叶轮，国内自主品牌车三种叶轮均有应用，但随着国外新技术的引进，在新开发的机型中也开始使用塑料叶轮，冷却水泵工作时， 冷却液在叶轮里的运动情况如下图所示。液体一方面随着叶轮一起旋转，同时又从转动着的叶轮里向外流出。

液体随着叶轮的旋转运动称为圆周运动，其速度称为圆周速度u。

液体从旋转状态的叶轮里向外流出的运动称为相对运动，其速度称为相对速度w。

液体相对于泵体的运动称为绝对运动，其速度称为绝对速度v。

绝对运动是圆周运动和相对运动的合成运动。

由此可见，不管是哪种型式叶片的叶轮，在水泵工作时，叶轮叶片都对内部液体产生一定的阻力，因此降低了水泵的效率。

相对于闭式叶轮而言，开式叶轮优点是：结构简单，容易成型制造；缺点是：对壳体配合要求较高，这就增加了泵体流道表面的加工精度要求，同时也增加了水泵总成装配精度要求，且效率相对较低，不利于节能。

扭曲叶片叶轮虽然在工业用泵上早已大量采用，但汽车水泵叶轮由于其结构尺寸较小，叶轮成型困难，至今仍更多的采用圆柱形叶片叶轮。

随着科技的发展及油价节节攀升，对汽车节能降耗的呼声与日俱增，发动机冷却系统效率的提高主要从新材料的应用和新结构设计两个方面来实现，现在欧美等先进国家都开始采用塑料闭式叶轮，一方面转子重量大大减轻，且零件表面光洁度大大提高，从而降低发动机的能耗；另一方面，葉轮一次注塑成型，不需要二次加工，降低了制造成本。大众公司在近两年新开发的项目上也开始采用扭曲型叶片叶轮设计，这种结构型式的叶片，更符合液体的流动规律，降低液体流阻，泵效进一步提高。

应用举例：

某客户一发动机配套水泵，要求水泵性能参数：

流量Q=175L/min；

泵送压力 P2=2.6bar；

转速n=7000rpm；

系统最大压力P=3.7bar；

温度范围 -40℃～140℃。

针对这一案例笔者运用试验设计（DOE）原理分别做了4种不同型式叶片叶轮方案，并进行CFD模拟计算分析，以进一步研究叶轮结构型式对水泵性能的影响。

首先在相同的进出口叶轮直径及相同的叶轮出口宽度的情况下选定影响水泵性能的叶轮参数—叶轮型式（开式、闭式）、叶片数（5片、6片）及叶片形状（圆柱形、扭曲型）三个因子，每个因子选取2个水平，利用正交矩阵表对其进行排列，最终选取以下4种叶轮方案：

1）闭式圆柱形5片叶片叶轮；

2）闭式扭曲6片叶片叶轮；

3）开式圆柱形6叶片叶轮；

4）开式扭曲5叶片叶轮。

对上述4方案边界条件设置相同，然后采用pumplinx软件分别进行CFD分析计算，其结果如下表所示：

运用试验设计分析方法将上述模拟计算结果进行分析整理：

用Yj1表示第I列因素一水平所对应各号试验的试验指标之和，Yj1为其平均值。

通过Yj1、Yj2….的比较，就可找到该因素最优水平，各因素的最优水平组合起来，就是对试验结果最有利的条件。

结果显示，本列中各因素的最优水平为A1、B2、C2，所以对试验结果来说最优条件是A1 B2 C2。

在Yj1、Yj2…..中数值最大者与最小者之差，即因素的极差，Rj表示。它反映了各因素水平变动时，试验指标变动的幅度。

极差越大，说明这个因素对指标的影响越大，所以根据极差的大小就可以排出因素主次的顺序：A、B、C。

综合以上分析，我们通过本次试验得出以下结论：对该水泵性能影响最大的因素分别为：叶轮型式、叶片形状及叶片数；叶轮型式闭式为宜、叶片形状扭曲形为宜、叶片数6片为宜。

二、结论

由此可见，在不改变其他零件结构的基础上，叶轮由开式直叶片叶轮改为闭式空间扭曲叶片叶轮时，泵的效率提高了11.46%，可见叶轮结构形式对水泵效率具有举足轻重的作用。但此种结构叶轮国内尚无先例，加工制造较为困难，加大了模具的设计难度。

为此，该种型式叶轮未被广泛采用。但大众公司在EA211发动机项目上开始使用了此种设计的叶轮，经过国内同行的技术攻关，模具经过多轮设计调试，最终采用多方位滑块抽芯方法，现在已能开发出叶轮注塑模具，借鉴该叶轮模具的设计经验，可以将此方案推广到更多的产品设计中去。

参考文献：

[1] 关醒凡.现代泵技术手册.宇航出版社，1998.

[2] 中国农业机械化科学研究院.叶片泵设计手册.机械工业出版社，1983.

[3] 离心泵设计基础.机械工业出版社，1974.

[4] 文放怀.新产品开发管理体系DOE工具应用指南.海天出版社，2011.

作者简介：杨欣叶（1978-），女，满族，河北青龙人，学士，中级职称研究方向：发动机冷却水泵设计。