离心泵的分类及工作原理
时间：2013-10-24 阅读：2269
（1）叶片式：叶片式泵有叶轮，叶轮上均布置有叶片。它对流体的压送是靠装有叶片的叶轮高速旋转完成的。叶片式泵有离心式、轴流式、混流式之分。
（2）容积式：它对流体的压送是靠泵体工作室容积的改变来完成的。一般使工作室容积改变的方式有往复运动和回转运动两种。往复式泵主要有活塞式、柱塞式等类型；回转式泵主要有齿轮泵和螺杆泵等类型。
（3）其他类型：这类型是指除叶片式和容积式以外的特殊类型。属于这一类的主要有螺旋泵、射流泵（又称水射器）、水锤泵、水轮泵以及气升泵（又称空气扬水机）等。其中除螺旋泵是利用螺旋推进原理来提高液体的位能以外，上述各种水泵的特点都是利用高速液流或气流的动能或动量来输送液体的。在给水排水工程中，结合具体条件应用这类特殊水泵来输送水或药剂（混凝剂、消毒药剂等）时，常常能起到良好的效果。
上述各种类型泵的使用范围是很不相同的。图3-1为常用的几种类型泵的总型谱图，可作为选择泵时的参考。由图可见，目前定型生产的各类叶片式水泵的使用范围是相当广泛的，而其中离心泵、轴流泵、混流泵和往复泵等的使用范围各具有不同的性能。往复泵的使用范围侧重于高扬程、小流量。轴流泵和混流泵的使用范围侧重于低扬程、大流量。而离心泵的使用范围则介于两者之间，工作区间zui广，产品的品种、系列和规格也zui多。
以城市给水工程来说，一般水厂的扬程在20~100m之间，单泵流量的使用范围一般在50~10000m³/h之间。要满足这样的工作区间，由总型谱图可以看出，使用离心泵装置是十分合适的。即使某些大型水厂，也可以在泵站中采取多台离心泵并联的工作方式来满足供水量的要求。从排水工程来看，城市污水、雨水泵站的特点是大流量、低扬程，扬程一般在2~12m之间，流量可以超过10000m³/h，这样的工作范围，一般采用轴流泵比较合适。
图3-1常用几种水泵的总型谱图
综上所述，可以认为：在城镇及工业企业的给水排水工程中，大量、普遍使用的水泵是离心式和轴流式两种。
目前，水泵发展的总趋向可归结为：
（1）大容量化、高扬程化。泵容量增加后，可减少设备并降低建造费用，节约能源。便于管理和采用自动化，同时还可提高机组的技术经济指标和运行可靠性。
国产300MW机组配套两台锅炉给水泵，每台的驱动功率为5500kw。国外1300MW机组只用一台给水泵，其驱动功率5000kw；1800MW机组给水泵的功率为55000kw；甚至还有驱动功率高达75000kw的给水泵。给水泵的出口压力也从超高压13.7~15.7MPa，亚临界压力17.7~20MPa，发展到超临界压力25.6~29.4MPa。日前，国外正准备发展下一代超临界机组，其给水泵出口压力将高达50MPa以上。
（2）高速化。20世纪60年代，由于汽浊和材料问题，泵的转速一般仅为3000r/min，近年来，随着科学技术的不断发展，泵的转速越来越高。对泵而言，提高转速可提高泵的单级扬程。因此，在总扬程相同时，可减少泵的级数，缩短泵轴的长度，减小体积，减轻重量、节约原材料和制造成本。如美国660MW机组的给水泵，当转速从3000r/min提高到7500r/min时，单级扬程可达1143m，级数从5级减少到2级，重量减轻了3/4。由此可见，转速提高后所带来的经济效益是十分显著的。
（3）率。泵为通用机械产品，其耗电量是可观的。为此，提高泵效率对节约能源具有十分重要的意义。我国早在20世纪70年代就开始对效率低的泵，如离心泵、轴流泵效率低于60%的产品进行技术改造、更新，使改进后的给水泵效率达到79%左右。80年代我国又分别引进了德国KSB（凯士比）公司、英国WEIR（韦尔）公司和法国SUIZER（苏尔寿）公司的技术，生产了第三代高压锅炉给水泵，其效率均在82%以上。
值得注意的是：1995年，全国泵的运行状况调查结果表明，我国离心泵的实际运行效率比发达国家低10%~30%。为此，除提高泵自身的效率外，还需要提高其在系统中的运行效率。
（4）高可靠性。由于泵向大容量、高转速方向发展，因此对可靠性的要求越来越高。因为只追求率而忽略可靠性，则在运行中的能量节省费用远远抵消不了由于泵事故停机所造成的经济损失。为此，在提率的同时，可靠性应放在首要地位。
泵的可靠性从设计、制造到安装运行等方面都应加以保证。
（5）低噪声。噪声污染如同空气污染、水污染一样，对人们健康是有害的。
目前，许多国家对噪声控制的机理，噪声检测技术，以及对噪声限制标准等方面都作了大量的研究，并形成了一门新兴的学科。
（6）自动化。随着计算机技术和网络技术的发展与应用，现在在300MW以上机组已全部实现了计算机网络监测控制的DCS（DistributedControlSystem），即分散式计算机控制系统或简称集散控制系统。国外已经把火电厂电气部分监测控制均纳入DSC系统，从而实现整个火电厂的计算机网络系统监测控制和管理，成为自动化的火电厂。在DCS系统中，泵已不再是单级控制，而是网络监测控制。能够实现泵的自动启停，在线实现流量、压力、温度等参数的实时监测、显示与控制，以及在线故障自动诊断、自动连锁与保护。
离心泵的工作原理与基本构造
在水力学中我们知道，当一个敞口圆筒绕中心轴作等角速旋转时，圆筒内的水面便呈抛物线上升的旋转凹面，如图3-2所示。圆筒半径越大，转得越快时，液体沿圆筒壁上升的高度就越大。离心泵就是基于这一原理来工作的（见图3-2），所不同的是离心泵的叶轮、泵壳都是经过专门的水力计算和设计来完成的。
图3-3是给水排水工程中常用的单级单吸式离心泵的基本构造。水泵包括蜗壳形的泵壳1，和装于泵轴2上旋转的叶轮3。蜗壳形泵壳的吸水口与水泵的吸水管4相连接，出水口与水泵的压水管5相连接。水泵的叶轮一般是由两个圆形盖板所组成，盖板之间有若干片弯曲的叶片，叶片之间的槽道为过水的叶槽，如图3-4所示。叶轮的前盖板上有一个大圆孔，这就是叶轮的进水口，它装在泵壳的吸水口内，与水泵吸水管路相连通。离心泵在启动之前，应先用水灌满泵壳和吸水管道，然后，驱动电机，使叶轮和水作高速旋转运动，此时，水受到离心力作用被甩出叶轮，经蜗形泵壳中的流道而流入水泵的压力管道，由压水管道而灌入管网中去。在这同时，水泵叶轮中心由于水被甩出而形成真空，吸水池中的水便在大气压力作用下，沿吸水管而*地流入叶轮吸水口，又受到高速转动叶轮的作用，被甩出叶轮而输入压水管道。这样，就形成了离心泵的连续输水。
由上所述可知，离心泵的工作过程，实际上是一个能量的传递和转化的过程，它把电动机高速旋转的机械能转化为被抽升液体的动能和势能。在这个传递和转化过程中，就伴随着有许多能量损失，这种能量损失越大，该离心泵的性能就越差，工作效率就越低。
下面通过两种具有代表性的离心泵结构来介绍离心泵的总体构造。
1）单级单吸悬臂泵
这种泵的结构特点从其名称上即可知道，单级指这种泵只有一个叶轮，单吸指水流只能从叶轮的一面进入，即只有一个吸入口。所谓悬臂指的是泵轴的支承轴承装在泵轴的一端，泵轴的另一端装叶轮，状似悬臂。单级单吸悬臂泵一般为卧式。我国设计生产的单级单吸悬臂泵类型主要有：BA型、B型、IS型等。B型泵是BA型泵的改进型，B型泵目前在我国的使用量较大，而IS型泵是20世纪80年代初根据标准设计制造的，将用来取代B型和BA型泵，下面分别介绍B型泵和IS型泵的基本结构。
图3-5为B型单级单吸横轴悬臂泵结构。这种泵在国内生产较早，它的叶轮由叶轮螺母、止动垫圈和键固定在泵轴的右端，泵轴的左端通过联轴器与动力机轴相连，在泵轴穿出泵壳处设有轴封，以防止泵内液体泄漏，这类泵的轴封一般采用填料式密封。泵轴用两个单列向心球轴承支承。从图中可以看出，该泵的泵脚与托架铸为一体，泵体悬臂安装在托架上，故该泵属于托架式悬臂泵。这种泵的优点是：泵体相对于托架可以有不同的安装位置，以便根据实际需要，使泵出口朝上、朝下、朝前或朝后。但检修这种泵时，必须将吸入管路和压出管路与泵体分离，比较麻烦。此外，这种泵的全部重量主要靠托架承受，托架较笨重，故国内近年来生产的单级单吸离心泵已不太使用托架式悬臂结构。
B型泵共有17种型号，39种规格，6种口径（zui大进口直径200mm），适用范围为：扬程10~100m，流量45~360m³/h。
图3-6为IS型单级单吸横轴悬臂泵结构。该泵的大致结构与B型泵差不多，所不同的是将托架式改为悬架式，即泵脚与泵体铸为一体，轴承置于悬架内。同时将各部件的厚度均相应减薄，减小了泵的重量，整台泵的重量主要由泵体承受，支架仅起辅助支承作用。此外，增设了加长联轴器（即在泵轴和电机轴端法兰间加一段两端带联轴器的短轴）。
由于IS泵的泵盖位于泵体右端（见图3-6中6），且结构上采用悬架式，加上增设了加长联轴器，故只要卸下连接泵体和泵盖的螺栓，叶轮、泵盖和悬架等零部件就可以一起从泵体内拆出。这样，检修时就不需拆卸吸入管路和压出管路，也不需移动泵体和动力机，只需拆下加长联轴器的中间连接件，即可拆出泵转子部件。其不足之处是机组长度增加，强度有所降低。
与B型泵相比，IS型泵的效率约高2%~4%；IS泵的零部件标准化、通用化程度较高；IS泵的适用范围较大，共有29个品种，51规格；进水口径为50~200m，扬程为5~125m，流量可达6.3~400m³/h。
单级单吸离心泵由于流量小，扬程高，多用于地势较高而水源不足的丘陵地区。
在单级单吸离心泵中，还有一种直联式系，其结构特点是泵与动力机同轴或加一连接轴（见图3-7）。由于这种泵采用直联式，使得泵结构简单紧凑，外形尺寸小，质量小，拆装方便，适用于工作场地经常更换的情况。
2）单级双吸泵
单级双吸泵具有一个叶轮，两个吸入口。这种泵一般采用双支承结构，即支承转子的轴承位于叶轮两侧，且靠近轴的两端。图3-8所示的S型泵全称为单级双吸横轴双支承泵。双吸式叶轮叶轮靠键、轴套和轴套螺母固定在轴上形成转子，是一个单独装配的部件。装配时，可用轴套螺母调整叶轮在轴上的轴向位置。泵转子用位于泵体两端的轴承体内的两个轴承实现双支承。因在联轴器处有径向力作用在泵轴上时，远离联轴器的左端轴承所受的径向载荷较小，故应将它的轴承外围进行轴向紧固，以便让它承受转子的轴向力。
S型泵是侧向吸入和压出的，泵的吸入口和压出口与泵体铸为一体，并采用水平中开式泵壳，即泵壳沿通过轴心线的水平面剖成上部分的泵盖和下部分的泵体，螺旋形压水室和两个半螺旋形吸水室由泵体和泵盖对合构成。这种结构，检修时只要揭开泵盖即可，无需拆卸进、出水管路和动力机，非常方便。泵盖的顶部设有安装抽气管用的螺孔，泵壳下部设有放水用的螺孔。在叶轮吸入口的两侧都设置轴封。该轴封也为填料式密封，由填料套、填料、填料环和填料压盖等组成，轴封所用的水封压力水是通过泵盖中开面上开出的凹槽，从压水室引到填料环的。有的中开式双吸泵要通过专设的水封管将水封压力水送入填料环。
与悬臂泵相比较，双支承泵虽因泵轴穿过叶轮进口而使水力性能稍受影响，且泵零件较多，泵体形状较复杂，使工艺性较差，但双支承泵泵轴的刚度比悬臂泵好得多；此外，对双吸泵来讲，采用双支承结构可使叶轮两侧吸入口处形状对称，有利于轴向力的平衡，故为了提高泵运转可靠性，尺寸较大的双吸泵均采用双支承结构。
目前国内生产的单级双吸泵型号有：SH型、SA型、S型。其中SH型用的较多，口径有150~800mm，扬程10~140m，流量0.35~1.5m³/s。SA型为SH型的改进型，共有13个品种，45种规格，口径150~800mm。S型为20世纪80年代研制，用于替代SH型和SA型的产品，共41种规格，目前只有部分规格投产。S型泵与SH型、SA型泵相比，在结构上和性能上均有所改进和提高。如取消外设水封管，改用水封槽；泵壳厚度减薄，减小质量；节省材料，提高吸程和效率等。