第1章 泵的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 泵的定義和分類

1.1.1 泵的定義

泵是流體機(jī)械中的一種工作機(jī)，它的工作就是把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外加的能量，轉(zhuǎn)換成流經(jīng)其內(nèi)部液體的動(dòng)能和勢(shì)能。由于一般不考慮液體工作介質(zhì)的可壓縮性，所以，通常也稱其為水力機(jī)械。泵作為一種通用類流體機(jī)械被廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)。作為能量載體的介質(zhì)為水體時(shí)即稱為水泵。

1.1.2 泵的分類

泵用途廣泛，品種系列繁多，對(duì)它的分類方法各不相同。按其工作原理，泵一般可分為以下3大類：

（1）葉片泵：通過(guò)帶有葉片的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，將能量傳遞給連續(xù)繞流葉片液體的泵。例如離心泵、軸流泵和混流泵等，如圖1.1和圖1.2所示。

圖1.1 單級(jí)單吸懸臂式離心泵 （IS型）

1—葉輪；2—泵軸；3—軸承；4—吸入室；5—壓水室；6—口環(huán)；7—軸封

（2）容積泵：通過(guò)泵體工作腔容積的周期性變化，將能量傳遞給流經(jīng)其內(nèi)部液體的泵。改變泵體工作腔容積有往復(fù)和回轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)方式，如圖1.3所示為往復(fù)式活塞泵。常見(jiàn)的回轉(zhuǎn)式容積泵有齒輪泵 （圖1.4）和螺桿泵 （圖1.5）。

（3）其他類型泵：除葉片泵和容積泵以外的泵。例如射流泵、氣升泵、水錘泵等，見(jiàn)圖1.6。

圖1.2 軸流泵、導(dǎo)葉式混流泵構(gòu)造示意圖

（a）軸流泵；（b）導(dǎo)葉式混流泵

1—葉輪；2—泵軸；3—導(dǎo)軸承；4—喇叭管；5—葉輪外殼；6—導(dǎo)葉體；7—填料函

圖1.3 往復(fù)式活塞泵構(gòu)造示意圖

1—進(jìn)水管；2—進(jìn)水單向閥；3—工作室；4—排水單向閥；5—壓水管；6—活塞；7—活塞桿；8—活塞缸；

9—十字接頭；10—連桿；11—皮帶輪

圖1.4 齒輪泵構(gòu)造示意圖

1—主動(dòng)齒輪；2—工作室；3—出流管；

4—從動(dòng)齒輪；5—泵殼；6—入流管

葉片泵具有適用范圍寬且覆蓋面廣、工作穩(wěn)定可靠且效率高、性能均勻且其參數(shù)緊密相關(guān)、結(jié)構(gòu)緊湊重量輕占地小且啟動(dòng)迅速驅(qū)動(dòng)方便和運(yùn)行狀況調(diào)節(jié)控制容易等很多優(yōu)點(diǎn)，特別是葉片泵可劃分成各種系列，以滿足不同流量和壓力的需要。在水利工程中所采用的泵絕大多數(shù)是葉片式水泵，因此，本書僅對(duì)葉片式水泵及其裝置進(jìn)行分析和討論。

圖1.5 單螺桿泵結(jié)構(gòu)示意圖

1—出料腔；2—拉桿；3—螺桿套；4—螺桿軸；5—萬(wàn)向節(jié)總成；6—吸入管；7—連節(jié)軸；8—填料壓蓋；

9—填料壓蓋；10—軸承座；11—軸承蓋；12—電動(dòng)機(jī)；13—連軸器；

14—軸套；15—軸承；16—傳動(dòng)軸；17—底座

圖1.6 射流泵、氣升泵、水錘泵構(gòu)造及工作原理圖

（a）射流泵；（b）氣開(kāi)泵；（c）水錘泵

1.1.3 葉片泵的分類與型號(hào)

1.1.3.1 葉片泵的分類

葉片泵是一種使用面廣且量大的通用流體機(jī)械設(shè)備。由于應(yīng)用場(chǎng)合、性能參數(shù)、輸運(yùn)介質(zhì)和使用要求的不同，其品種及規(guī)格繁多，結(jié)構(gòu)也呈各種各樣的型式。根據(jù)不同的要求，葉片泵一般可分為如下幾類：

（1）按其工作原理可分為離心泵、混流泵和軸流泵。

（2）按泵軸的工作位置可分為臥式泵、立式泵和斜式泵。

（3）按壓水室的形式可分為蝸殼式泵和導(dǎo)葉式泵。

（4）按葉輪的吸入方式可分為單吸式泵和雙吸式泵。

（5）按葉輪的個(gè) （級(jí)）數(shù)可分為單級(jí)泵和多級(jí)泵等。

綜合以上方法，葉片泵可按如圖1.7所示的方法進(jìn)行分類。

圖1.7 葉片泵分類圖

葉片泵的結(jié)構(gòu)型式名稱一般是由幾個(gè)描述該泵結(jié)構(gòu)類型的術(shù)語(yǔ)來(lái)命名的。常用的葉片泵都可在上述的分類中找到自己所隸屬的結(jié)構(gòu)類型，如臥式單級(jí)單吸蝸殼式離心泵、立式多級(jí)導(dǎo)葉式混流泵等結(jié)構(gòu)型式名稱。

1.1.3.2 葉片泵的型號(hào)

葉片泵型號(hào)表明了泵的結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格和性能。在泵樣本及使用說(shuō)明書中，均有對(duì)該泵型號(hào)的組成及含義的說(shuō)明。表1.1給出了部分泵型號(hào)中某些字母通常所代表的含義。

該表中的字母皆為描述泵結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)特征的漢字拼音字母的第一個(gè)注音字母。但有些按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)或從國(guó)外引進(jìn)的泵，其型號(hào)除少數(shù)為漢語(yǔ)拼音字母外，一般為該泵某些特征的外文縮略語(yǔ)。如IS表示符合有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) （ISO）規(guī)定的單級(jí)單吸懸臂式清水離心泵；IH表示符合有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的單級(jí)單吸式化工泵等。

泵的型號(hào)中除有上述字母外，還用一些數(shù)字和附加的字母來(lái)表示該泵的規(guī)格及性能。例如，水泵型號(hào)IS200150400的型號(hào)意義如下。

IS——符合ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的單級(jí)單吸懸臂式清水離心泵；

200——水泵進(jìn)口直徑，mm；

150——水泵出口直徑，mm；

400——葉輪名義直徑，mm。

又如，水泵型號(hào)S150 78A的型號(hào)意義如下。

S——單級(jí)雙吸臥式離心泵；

150——水泵進(jìn)口直徑，mm；

78——水泵揚(yáng)程，m；

A——葉輪外徑被車削的規(guī)格標(biāo)志 （若為B、C則表示葉輪外徑被車削得更小）。

1.1.4 葉片泵的工作原理

1.1.3.1 離心泵的工作原理

在一個(gè)圓筒形容器里按一定的旋轉(zhuǎn)方向攪動(dòng)其中的液體，就可以看到如圖1.8所示整個(gè)容器內(nèi)的液面形成一個(gè)拋物線形凹面的現(xiàn)象。如果圓筒的半徑r越大、旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)的角速度ω越大，則液面上升的高度就會(huì)越大，邊壁A點(diǎn)處所受的靜壓也就越大。設(shè)想用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪代替被旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)的圓筒形容器，圓筒里的液體為水，從葉輪中心點(diǎn)處連接管路和水源 （進(jìn)水池）相通，如圖1.9所示，葉輪中心點(diǎn)處的水由于受到旋轉(zhuǎn)葉輪離心力的作用被甩向葉輪的外緣，于是葉輪中心處就形成了真空。這樣，水源水在大氣壓力的作用下通過(guò)進(jìn)水管被送到葉輪中心。葉輪連續(xù)不停地高速旋轉(zhuǎn)，葉輪中心的水就會(huì)連續(xù)不斷地被甩出，又源源不斷地被補(bǔ)充，被葉輪甩出的水則流入泵體蝸殼內(nèi)，在將一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成壓能后，從泵出口流進(jìn)出水管道，從而將水源的水連續(xù)不斷地送往高處或遠(yuǎn)處。由上述可知，離心泵是利用葉輪的高速旋轉(zhuǎn)，水沿軸向流入葉輪后在離心力作用下沿徑向被甩出葉輪。所以把這種泵稱為離心泵。如圖1.9所示的正吸程離心泵啟動(dòng)前要求葉輪室內(nèi)充滿水，旨在能產(chǎn)生較大的離心力，有利于在進(jìn)水池水面與葉輪入口之間形成較大的壓差而讓水源源不斷地流進(jìn)泵體內(nèi)。

圖1.8 旋轉(zhuǎn)圓筒內(nèi)的液面升高

圖1.9 離心泵工作原理圖

1—底閥；2—葉輪入口；3—葉輪；4—泵殼；5—出水管

1.1.3.2 軸流泵的工作原理

軸流泵的工作原理與離心泵不同，它主要是利用旋轉(zhuǎn)葉輪上的葉片對(duì)液體產(chǎn)生的升力使通過(guò)葉輪的液體獲得能量的。由于軸流泵葉輪葉片背面 （凸表面）的曲率半徑比工作表面（凹表面）的大，當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)液體繞過(guò)葉片時(shí)，葉片上表面上的流速小于葉片下方流速，由流體力學(xué)可知，葉片下表面的壓力就比上表面的壓力小。因此，水流對(duì)葉片的作用力Pdown的方向垂直向下，此力即為軸向水推力。由牛頓第三定律可得，葉片對(duì)水流的作用力Pup的方向垂直向上，水在此力作用下增加了能量，被提升到一定的高度，如圖1.10所示。與離心泵不同的是，軸流泵內(nèi)的水流沿軸向流進(jìn)和流出葉輪，故稱這種泵為軸流泵。

圖1.10 軸流泵工作原理示意圖

1—葉輪；2—導(dǎo)葉；3—泵軸；4—出水彎管；5—吸水喇叭管

1.1.3.3 混流泵的工作原理

混流泵內(nèi)水流既受離心力作用也受升力作用，水流沿軸向流進(jìn)葉輪，而以斜向 （處于軸向與徑向之間）流出葉輪。可以看出，混流泵兼有離心泵和軸流泵的工作特點(diǎn)。因此，以下的分析討論均以離心泵和軸流泵為主，兼顧敘述混流泵的有關(guān)內(nèi)容。