汽车发动机水泵设计论文

第一章绪论

§1.1 泵的概述

1．1．1水泵的功用

随着各式各样的汽车类型层出不穷，什么轻快敏捷的轿车、环城的公交车以及载货跑长途的重型卡车等等。所有的车都有一个相同的特点，都必须有一个完整的冷却系统。因为发动机转动提供功率的同时，一定产生相当大的热量，使机体升温，当温度过高时就会影响机器的性能。必须将温度降下来。一般采用的方法都是通过发动机带动水泵进行水循环进行冷却的。那么水泵的功用就是对冷却液加压，保证其在冷却循环中循环流动。

1．1．2水泵的基本结构及工作原理

汽车发动机广泛采用离心式水泵如下图。其基本结构由水泵壳体、水泵轴及轴承、水泵叶轮和水封装置等零件构成。

发动机通过皮带轮带动水泵轴转动，水泵轴带动叶轮转动，水泵中的冷却液被叶轮带动一起旋转，并在离心力的作用下被甩向水泵壳体的边缘，同时产生一定的压力，然后从出水管流出。再叶轮的中心处由于冷却液被甩出而压力降低，散热器中的冷却液在水泵进口与叶轮中心的压差作用下经水管流入叶轮中，实现冷却液的往复循环如图（1-1）。

支撑水泵轴的轴承用润滑脂润滑，因此要防止冷却液泄漏到润滑脂造成润滑脂乳化，同时还要防止冷却液的泄漏。如上图水泵防止泄漏的密封措施。密封圈与轴通过过盈配合装在叶轮与轴承之间使密封座紧紧的靠在水泵的壳体上已达到密封冷却液的目的。

水泵壳体上还有泄水孔，位于水封之前。一旦有冷却液漏过水封，可从泄水孔泄出，已防止冷却液进入轴承破坏轴承润滑。如果发动机停止后仍有仍有冷却液漏出，则表明水封已经损坏。

水泵的驱动，一般由曲轴通过V带驱动。传动带环绕在曲轴带

轮和水泵带轮之间，曲轴一转水泵也就跟着转。

叶轮由铸铁或塑料制造，叶轮上通常有6~8个径向直叶片或后弯叶片。水泵的壳体由铸铁或铸铝制成，进、出水管与水泵壳体铸成一体。

因为汽车发动机上的水泵是采用离心式的，所以设计时完全可以按照离心泵的设计方法来设计。

§1.2 离心泵的基本理论知识

离心泵依靠旋转叶轮对液体的作用把原动机的机械能传递给液体。由于离心泵的作用液体从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排出的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这时，叶轮进口处因液体的排出而形成真空或低压，吸水池中的液体在液面压力（大气压）的作用下，被压入叶轮的进口，于是，旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出液体。

流量在5—20000米3/时，扬程在8—2800米的范围内，使用离心泵是比较合适的。因为在此性能范围内，离心泵具有转速高、体积小、重量轻、效率高、流量大、结构简单、性能平稳、容易操作和维修等优点。国内外生产实践表明，离心泵的产值是泵类产品中最高的。

离心泵有其长处，但是也有它的短处。离心水泵的实际使用效率低，还有实际使用时流量随压力而变、对转速要求严格、单级扬程较低、起动前泵内要灌满液体，而且液体黏度对泵性能也有很大的影响，只能用于精度近似于水的液体，对于某一定流量的离心泵，有一个相应的黏度极限，如果液体超过了这个黏度极限，泵的效率会迅速降低，甚至无法工作。

1．2．1离心泵的主要零部件

离心泵结构型式虽然很多，但是由于作用原理相同，所以主要

零部件的形状是相近的。其主要部件有以下几种：

1．叶轮

叶轮是将来自原动机的能量传递给液体的零件，液体流经叶轮后能量增加。叶轮一般由前盖板、后盖板叶片和轮毂组成。这种叶轮叫闭式叶轮；如果叶轮没有前盖板，就叫半开式叶轮，如图。

2．吸入室

吸入室的作用是使液体以最小的损失均匀地进入叶轮。吸入室主要有三种结构形式：锥形管吸入室、圆环形吸入室和半螺旋形吸入室。

3．压出室

压出室的作用是以最小的损失，将从叶轮中流出的液体收集起来，均匀地引至泵的吐出口或次级叶轮，在这个过程中，还将液体的一部分动能转变成为压力能。压出室主要有以下几种结构类型：螺旋形涡室、环形压出室、径向导叶、流道式导叶和扭曲叶片式导叶等。

离心泵的叶轮、吸入室、压出室以及泵的吸入和吐出称为泵的过流部件。过流部件形状和材质的好坏是影响泵性能、效率和寿命的主要因素之一。

图（1-2）

4．密封环

由于叶轮旋转时将能量传递给液体，所以在离心泵中形成了高压区和低压区。为了减少高压区液体向低压区流动，在泵体和叶轮上分别安装了两个密封环。装在泵体上的叫泵体密封环，装在叶轮上的叫叶轮密封环。常用的密封环如图（1-3）。

5．轴封机构

在泵轴伸出泵体外，旋转的泵轴和固定的泵体之间有轴封机构。离心泵的轴封机构有两个作用：减少有压力的液体流出泵体外和防止空气进入泵体内。离心泵中常用的轴封机构有四种结构形式：有骨架的橡胶密封、填料密封、机械密封和浮动环密封等。

6．轴向力平衡机构

泵在运行中由于作用在转子上的力不对称就产生了轴向力。单级泵主要采用平衡孔或者平衡管来平衡轴向力；多级泵一般用平衡鼓或平衡盘平衡轴向力。

离心泵除了以上几中主要零部件以外，还有泵轴、中段、轴承体、托架、支架、联轴器等主要零部件。

§1．2．2 离心泵的结构形式

离心泵的结构形式基本上可以按轴的位置分为卧式和立式两大

c)

图1－3 密封环的形式

a)普通圆柱形 b)迷宫形 c)锯齿形

a)

b)

类，再根据压出室形式，吸入方式和叶轮级数又分为：

??????????

??????????????????????????????????????????????????????????多级级：深井泵、潜水单级：作业面潜水泵导叶式）双吸单吸单级：（数量多级级：立式船用、大型立式泵大单级：屏蔽泵、水轮泵单吸涡壳式立式级泵第一级用双吸叶轮双吸多级吸多级：高速泵单吸多级：分段式多级导叶式第一级一级用双吸多级级：高速大型多级单级：双吸单级泵双吸二级级悬臂多级级：涡壳式多级泵等蔽泵泵、自吸泵、水轮单级：单吸单级泵、屏单吸涡壳式卧式离心泵 泵的结构型式甚多，现将上表中最常遇到的几种结构型式简述如下：

1．单吸单级泵

单吸单级泵的用途很广泛，在工农业各个部门均有采用，一般流量在5.5~300m 3/h 、扬程在8~1500m 范围内都用这种泵。泵轴的一端在托架内用轴承支承，另一端悬出称为悬臂泵。轴承可以用机油润滑，也可以用黄油润滑。轴封机构可以采用机械密封，也可以采用填料密封和浮动环密封。对于较小的泵还可以采用有骨架的橡胶密封。在叶轮上，一般均有平衡孔以平衡轴向力。这种泵结构简单，工作可靠，零部件少，易于加工，产量也比较大。

2．双吸单级泵

双吸单级泵在工业和农业各部门使用也比较广泛，产量也比较大。双吸单级泵实际上等于将两个相同的叶轮背靠背地装在一根轴上，并联地工作，所以，这种泵不但流量比较大，而且能自动平衡轴向力。双吸单级泵一般采用半螺旋形吸水室，泵体水平中开，大泵一般采用滑动轴承，小泵采用滚动轴承。轴承装在泵的两侧，工作可靠，维修方便，打开泵盖后即可将整个转子取出。我国的双吸单级泵，一般流量在120~20000m 3/h ，扬程在10~110m 范围内。

3．涡壳式多级泵

采用螺旋形压出室的泵俗称涡壳泵。把几个涡壳泵装在一根轴上，串联地工作，就叫涡壳式多级泵，这种泵一般采用半螺旋形吸水室，每个叶轮均有相应的螺旋形压出室，泵体水平中开，吸入口和吐出口都铸在泵体上，检修时非常方便，不用拆卸吸入和吐出管路，只要把上泵体取下，即可取去整个转子，将备用转子放入即可工作。另一方面，由于叶轮对称布置，自动平衡轴向力，所以一般涡壳式多级泵不需要平衡机构。缺点是：涡壳式多级泵较同性能的分段式多级泵体积大，铸造和加工的技术要求也比较高。这种泵主要用于流量较大扬程较高的城市给水，矿山排水和输油管线等，其性能范围一般流量为450~1500 m3/h时，扬程为100~150 m。吐出压力高的涡壳式多级泵，压力可达18MPa左右。

7．皮带轮；皮带轮在水泵中是一个很重要的零件，它主要的作用是带动水泵的运转，使水泵正常的工作。在这次的设计中，我使用的是梯形皮带带动方式，梯形横切面镶嵌在V型皮带轮中，随着皮带轮的转动，V型皮带会被卡在皮带轮中，从而通过强大的摩擦来传递动力。这样设计的好处是运转起来没有噪音，而且便于更换。

8，中心轴，中心轴与皮带轮的带动方式我采用的是销子，固定方式则是螺母固定，这样的的带动以及固定方式减少了对皮带轮的加工，切削，有力的保证了皮带轮坚固性，也加强了皮带轮的安装稳定性。使水泵的运转更加稳定以及可靠。

1．2．3离心泵的主要性能参数

1．流量

流量又叫做排量、扬水量，是泵在单位时间内排出液体的数量，有体积单位和重量单位两中表示法。

体积流量用Q表示，单位为米3/秒、米3/时和升/秒等。

重量流量用G表示，单位为吨/小时、千克/秒等

重量流量G和体积流量Q的关系为：

G=γQ

式中γ——液体重度（kg/m3）

2．扬程

单位重量液体通过泵后所获得的能量俗称为扬程，又叫总扬程或全扬程，用H表示，其单位为米液柱（m），简称米。

对于高压泵，有时也近似地用泵的出口和入口的压力差（P 2-P 1）表示扬程的大小，此时扬程的表达式为：

γ)

(10124p p H -=

式中 2p ——泵的出口压力 （kg/cm 2）

1p ——泵的入口压力 （kg/cm 2）

3．转速

离心泵的转速是指泵轴每分钟的转数，用n 表示单位为 r/min 。

4．功率

离心泵的功率是指离心泵的轴功率，即原动机传给泵的功率，用N 表示，单位用千瓦，有时也用马力。

泵的重量流量和扬程的乘积称为泵的有效功率，以N e 表示，单位（kg*m/s ），其表达式为：

N e =GH=γQH

有效功率的单位以千瓦表示时，上式应改写为：

102

QH N e γ= 离心泵的轴功率N 与有效功率Ne 之差是在泵内损失的功率，其大小可以用效率来衡量。离心泵的效率即为有效功率Ne 与轴功率N 之比值，用η表示，即：

η=N

N e 知道泵的有效功率和效率后，可求出泵的轴功率Ne （千瓦）：

η

γ102QH N = 如果轴功率的单位为马力，则上式应改写为：

η

γ75QH N = 5．比转数

在离心泵的水力设计中，常常是根据给定的设计参数Q 、H 、n 来

选择模型泵的，两台相似的泵，将在相似工况下的性能参数代入公式：

4/34/3)()(m m m p p

p H Q n H Q n =

计算出来的数值是相同的。通常把这个数值称为离心泵的比转数，以q n 表示：

4/3H Q

n n q =

q n 有这样的性质，对于一系列几何相似的泵，在相似工况下的q n 值都相等。所以，就可以用最佳工况的q n 值作为这一系列几何相似泵的特征数，或者说判别数。

比转数的概念最初在水轮机中应用，为了使离心泵的比转数与水轮机的比转数一致，经过单位换算后，得：

4/365.3H Q

n n s =

显然，s n =3.65q n ，s n 和q n 在本质上没有区别，只是在数值上相差3.65倍而已。离心泵上习惯用s n 表示比转数。

1.2.4 离心泵的汽蚀问题

1．离心泵中汽蚀现象的发生过程

如果泵在运行中产生了噪音和振动，并伴随有流量、扬程和效率的降低，有时甚至不能工作，当检修这台泵时，常常可以发现在叶片入口边靠近前盖板处和叶片入口边附近有麻点或蜂窝状破坏。严重进整个叶片和前、后盖板都有这种现象，甚至叶片和盖板被穿透，这就是由于汽蚀所引起的破坏。在实现运行中，有很多泵是由

于汽蚀所损坏的。

汽蚀又称为空蚀，它是在一定条件下由于液体和气体的相互作用而引起的。

泵通过旋转的叶轮对液体作功，使液体能量(包括动能和压能)增加，在相互作用过程中，液体的速度和压力是变化的。通常，离心泵叶轮入口处是压力最低的地方。如果这个地方液体的压力等于或低于在该温度下液体的汽化压力Pv，就会有蒸汽及溶解在液体中的气体从液体中大量逸出，形成许多蒸汽与气体混合的小气泡。

这些小气泡随液体流到高压区时，由于气泡内是汽化压力，而气泡周围大于汽化压力，产生了压差，在这个压差作用下，气泡受压破裂而重新凝结。在凝结过程中，液体质点从四周向气泡中心加速运动，在凝结的一瞬间，质点互相撞击，产生很第一名在局部压力。这些气泡如果在金属表面附近破裂而凝结，则体质点就象无数小弹头一样，连续打击在金属表面上。在压力很大，频率很高的连续打击下，金属表面逐渐因疲劳而破坏，通常把这种破坏称为剥蚀。在所产生的气泡中还杂有一些活泼气体(如氧等)，借助气泡凝结时所放出的热量，对金属起化学腐蚀作用。化学腐蚀与机械剥蚀的共同作用，就更加快了金属损坏速度，这种现象就叫做汽蚀破坏现象。

离心泵在严重的汽蚀状态下运转时，发生汽蚀部位很快就被破坏成蜂窝或海绵状。离心泵开始发生汽蚀时，汽蚀区域较小，对泵的正常工作没有明显的影响，在泵的正常工作没有明显的影响，在泵性能曲线上也没有明显的反映。但当汽蚀发展到一定程度时，气泡大量产生，影响液体的正常流动，甚至造成液流间断、发生振动和噪音，同时泵的流量、扬程和效率明显下降，在泵性能曲线上也有明显表现。

汽蚀不但使泵的性能下降，产生噪音和振动，而且使泵的寿命缩短，严重时使泵无法工作。所以，研究汽蚀过程的客观规律，提高离心泵抗汽蚀性能，以及研究抗汽蚀破坏的材料，是离心泵技术发展的重要研究项目之一。

2．吸上真空度H

s

对一般中小型卧式离心泵来说，泵轴心线距液面的垂直高度叫几何吸上高度，或称几何安装高度，以H g表示。

泵的几何吸上高度不可能无限制地提高，从离心泵的工作原理可

知，泵能把低处液体吸到高处，是因为液体在叶轮离心力的作用下被甩出叶轮，而在叶轮吸入口处造成真空度，贮水池中的液体在液面压力作用下经吸入管路进入泵内。因此，泵的吸上高度与泵吸入口处真空度、液面压力、吸入管路的速度、阻力及被抽液体的重度等因素有关。

3．汽蚀余量Δh

泵的允许吸上真空度[H s ]是随泵使用地点的大气压，吸入管路中的阻力和流速，以及所抽送液体的性质和温度的不同而变化的。所以使用时不太方便，需引进一个表示泵汽蚀性能的参数，这就是汽蚀余量Δh 。

汽蚀余量分为装置汽蚀余量或称为必需的汽蚀余量和泵的汽蚀余量或称为有效的汽蚀余量。

装置汽蚀余量的意义表示：泵吸入口处单位重量的液体所具有的超过汽化压力的富余能量。而这富余能量包括压力能和动能，由于动能较小，所以主要是压力能。装置汽蚀余量单位以米液柱高度表示。装置汽蚀余量越大，说明泵吸入处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量越大，这样使泵不容易产生汽化，水泵不会发生汽蚀。

装置汽蚀余量并不能表示泵的汽蚀性能的好坏。因为装置汽蚀余量仅指液体从吸水池吸入口处所具有的超过汽化压力的能量，而泵吸入口处的液体压力并不是泵内液体压力的最底处。因为液体自泵的吸入口流到叶轮的过程中还有能量损失，压力还要降低。因而要表示泵的性能需要的是泵的汽蚀余量。

4．汽蚀比转数c

在设计离心泵时，除了考虑水泵的参数（扬程、流量、功率、效率、转速）以外，还需要有一个能表示泵的汽蚀性能，而又与泵的设计参数有联系的综合性参数，作为比较泵汽蚀性能和选择模型泵的依据。最小汽蚀余量的大小与泵入口几何形状及液体流动情况密切有关。利用水力学中相似原理，引出一个新的参数c 来表示离心泵的最小汽蚀余量Δh min 与泵设计参数间的关系：

43min 62.5h Q n c ?=