第1章 泵的基礎知識

1.1 泵的定義和分類

1.1.1 泵的定義

泵是流體機械中的一種工作機，它的工作就是把原動機的機械能或其他外加的能量，轉換成流經其內部液體的動能和勢能。由于一般不考慮液體工作介質的可壓縮性，所以，通常也稱其為水力機械。泵作為一種通用類流體機械被廣泛地應用于國民經濟各個行業。作為能量載體的介質為水體時即稱為水泵。

1.1.2 泵的分類

泵用途廣泛，品種系列繁多，對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：通過帶有葉片的轉子旋轉運動，將能量傳遞給連續繞流葉片液體的泵。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；7—軸封

（2）容積泵：通過泵體工作腔容積的周期性變化，將能量傳遞給流經其內部液體的泵。改變泵體工作腔容積有往復和回轉兩種運動方式，如圖1.3所示為往復式活塞泵。常見的回轉式容積泵有齒輪泵 （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，見圖1.6。

圖1.2 軸流泵、導葉式混流泵構造示意圖

（a）軸流泵；（b）導葉式混流泵

1—葉輪；2—泵軸；3—導軸承；4—喇叭管；5—葉輪外殼；6—導葉體；7—填料函

圖1.3 往復式活塞泵構造示意圖

1—進水管；2—進水單向閥；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 齒輪泵構造示意圖

1—主動齒輪；2—工作室；3—出流管；

4—從動齒輪；5—泵殼；6—入流管

葉片泵具有適用范圍寬且覆蓋面廣、工作穩定可靠且效率高、性能均勻且其參數緊密相關、結構緊湊重量輕占地小且啟動迅速驅動方便和運行狀況調節控制容易等很多優點，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是葉片式水泵，因此，本書僅對葉片式水泵及其裝置進行分析和討論。

圖1.5 單螺桿泵結構示意圖

1—出料腔；2—拉桿；3—螺桿套；4—螺桿軸；5—萬向節總成；6—吸入管；7—連節軸；8—填料壓蓋；

9—填料壓蓋；10—軸承座；11—軸承蓋；12—電動機；13—連軸器；

14—軸套；15—軸承；16—傳動軸；17—底座

圖1.6 射流泵、氣升泵、水錘泵構造及工作原理圖

（a）射流泵；（b）氣開泵；（c）水錘泵

1.1.3 葉片泵的分類與型號

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械設備。由于應用場合、性能參數、輸運介質和使用要求的不同，其品種及規格繁多，結構也呈各種各樣的型式。根據不同的要求，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 （級）數可分為單級泵和多級泵等。

綜合以上方法，葉片泵可按如圖1.7所示的方法進行分類。

圖1.7 葉片泵分類圖

葉片泵的結構型式名稱一般是由幾個描述該泵結構類型的術語來命名的。常用的葉片泵都可在上述的分類中找到自己所隸屬的結構類型，如臥式單級單吸蝸殼式離心泵、立式多級導葉式混流泵等結構型式名稱。

1.1.3.2 葉片泵的型號

葉片泵型號表明了泵的結構形式、規格和性能。在泵樣本及使用說明書中，均有對該泵型號的組成及含義的說明。表1.1給出了部分泵型號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構或結構特征的漢字拼音字母的第一個注音字母。但有些按國際標準設計或從國外引進的泵，其型號除少數為漢語拼音字母外，一般為該泵某些特征的外文縮略語。如IS表示符合有關國際標準 （ISO）規定的單級單吸懸臂式清水離心泵；IH表示符合有關國際標準的單級單吸式化工泵等。

泵的型號中除有上述字母外，還用一些數字和附加的字母來表示該泵的規格及性能。例如，水泵型號IS200150400的型號意義如下。

IS——符合ISO國際標準的單級單吸懸臂式清水離心泵；

200——水泵進口直徑，mm；

150——水泵出口直徑，mm；

400——葉輪名義直徑，mm。

又如，水泵型號S150 78A的型號意義如下。

S——單級雙吸臥式離心泵；

150——水泵進口直徑，mm；

78——水泵揚程，m；

A——葉輪外徑被車削的規格標志 （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

在一個圓筒形容器里按一定的旋轉方向攪動其中的液體，就可以看到如圖1.8所示整個容器內的液面形成一個拋物線形凹面的現象。如果圓筒的半徑r越大、旋轉攪動的角速度ω越大，則液面上升的高度就會越大，邊壁A點處所受的靜壓也就越大。設想用高速旋轉的葉輪代替被旋轉攪動的圓筒形容器，圓筒里的液體為水，從葉輪中心點處連接管路和水源 （進水池）相通，如圖1.9所示，葉輪中心點處的水由于受到旋轉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進水管被送到葉輪中心。葉輪連續不停地高速旋轉，葉輪中心的水就會連續不斷地被甩出，又源源不斷地被補充，被葉輪甩出的水則流入泵體蝸殼內，在將一部分動能轉換成壓能后，從泵出口流進出水管道，從而將水源的水連續不斷地送往高處或遠處。由上述可知，離心泵是利用葉輪的高速旋轉，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前要求葉輪室內充滿水，旨在能產生較大的離心力，有利于在進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泵體內。

圖1.8 旋轉圓筒內的液面升高

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，它主要是利用旋轉葉輪上的葉片對液體產生的升力使通過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，當葉輪旋轉液體繞過葉片時，葉片上表面上的流速小于葉片下方流速，由流體力學可知，葉片下表面的壓力就比上表面的壓力小。因此，水流對葉片的作用力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，軸流泵內的水流沿軸向流進和流出葉輪，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

混流泵內水流既受離心力作用也受升力作用，水流沿軸向流進葉輪，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。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內容。