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水泵原理詳細(xì)介紹
點擊次數(shù)：600 發(fā)布時間：2009-10-31
借動力設(shè)備和傳動裝置或利用自然能源將水由低處升至高處的水力機(jī)械。廣泛應(yīng)用于農(nóng)田灌溉、排水以及農(nóng)牧業(yè)、工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)供水、排水等方面。用于農(nóng)田排灌、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)過程中的水泵稱農(nóng)用水泵，是農(nóng)田排灌機(jī)械的主要組成部分之一。
類型
根據(jù)不同的工作原理可分為容積、葉片泵等類型。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量，主要有活塞泵、柱塞泵、齒輪泵、隔膜泵、螺桿泵等類型。葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有離心泵、軸流泵和混流泵等類型。潛水電泵的泵體部分是葉片泵。其他類型的水泵有射流泵、水錘泵、內(nèi)燃水泵等，分別利用射流水錘和燃料爆燃的原理進(jìn)行工作。水輪泵則是水輪機(jī)與葉片泵的結(jié)合。上述各類水泵中以下列各式較具代表性。
離心泵是利用離心力的作用增加水體壓力并使之流動的一種泵。由泵殼、葉輪、 轉(zhuǎn)軸等組成。動力機(jī)帶動轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸帶動葉輪在泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn)，泵內(nèi)水體被迫隨葉輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生離心力。離心力迫使液體自葉輪周邊拋出，匯成高速高壓水流經(jīng)泵殼排出泵外，葉輪中心處形成低壓，從而吸入新的水流，構(gòu)成不斷的水流輸送作用。葉輪具有逆旋轉(zhuǎn)方向彎曲的葉片，其結(jié)構(gòu)型式有封閉式、半封閉式和敞開式3種,農(nóng)用的多為封閉式葉輪，葉片兩側(cè)由圓盤封閉。泵體沿出水管方向逐漸擴(kuò)張成蝸殼形。水流自葉輪一面吸入的稱單吸離心泵，自葉輪兩面吸入稱雙吸離心泵。為增加揚程，可將多個葉輪裝在同一軸上成為多級離心泵。由前一葉輪排出的水進(jìn)入后一葉輪的進(jìn)水口，增壓后再從后一葉輪排出，因而葉輪數(shù)愈多，壓力愈高。有的離心泵帶有能自動排除吸水管和泵體內(nèi)空氣的裝置，在起動前無需向泵體灌水，稱自吸離心泵，但其效率常低于一般離心泵。
離心泵在農(nóng)田排灌和農(nóng)牧業(yè)供水中應(yīng)用zui廣。多用于揚程高而流量小的場合。單級離心泵的揚程為5～125米，排出的流量均勻,一般為6.3～400米3/小時,效率約可達(dá)86～94％。
軸流泵
由泵殼、葉輪和轉(zhuǎn)軸等機(jī)件構(gòu)成。也稱螺槳泵。葉輪上有螺旋槳狀的葉片若干，當(dāng)葉輪隨轉(zhuǎn)軸一起被動力機(jī)械驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，各葉片將水推向一端，同時又在另一端從水源吸取水，使水產(chǎn)生沿著平行于轉(zhuǎn)軸方向的連續(xù)流動，達(dá)到不斷輸送水流的目的。水流壓力因葉輪轉(zhuǎn)動作用而提高。由葉輪出來的旋轉(zhuǎn)水流通過固定導(dǎo)葉后，消除了旋轉(zhuǎn)分速度，并由于擴(kuò)散作用而使其部分動能轉(zhuǎn)換成壓力能,推動泵殼內(nèi)的水流沿軸向上升,由出水管流出。軸流泵多用于揚程低而流量大的場合，揚程范圍1～25米左右；流量2.7～60.0米3/秒，效率可達(dá)85～90.5％。安裝方式有立式、臥式和斜式3種,其中以立式軸流泵應(yīng)用較多（圖2）。 大型軸流泵葉輪輪轂上的旋槳葉片的安裝角度可以調(diào)節(jié)，或借液壓傳動的轉(zhuǎn)軸在運行中隨時間調(diào)節(jié)，以適應(yīng)揚程及流量變化的要求，獲得較高的生產(chǎn)率，故稱可調(diào)式軸流泵。
貫流泵是臥式軸流泵的一種。由電動機(jī)、減速裝置和水泵組成一整體，裝設(shè)在水下堤壩內(nèi)部的機(jī)坑內(nèi)，其進(jìn)出水流道位于一條直線上，近似直圓筒形，水力損失少，提水效率高，且結(jié)構(gòu)緊湊，安裝、檢修方便，泵站工程簡單。圬工泵是一種低揚程軸流泵，除葉輪及其外圍的泵殼用金屬材料制成以外，進(jìn)水流道和出水流道均采用磚石或混凝土結(jié)構(gòu)，其揚程在2米以下,流量大、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、效率高。適用于低洼地區(qū)的排澇和灌溉。
混流泵
構(gòu)造和工作原理兼有離心泵和軸流泵兩種類型的特點的一種水泵。葉輪被動力機(jī)械帶動旋轉(zhuǎn)時，葉片一方面推動著水體，同時又驅(qū)使水體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心作用。水體在葉片的推力和離心力的作用下產(chǎn)生流動和提高壓力。水流由軸向流入葉輪后沿葉片斜向流出，常用于輸送排量較大而壓力中等的場合。通常有蝸殼式和導(dǎo)葉式兩種類型。蝸殼式混流泵的結(jié)構(gòu)同離心泵相似，利用蝸殼形流道將水流通過葉輪后獲得的動能轉(zhuǎn)換為壓力能，一般中、小型混流泵多采用蝸殼式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉式混流泵也稱斜流泵，其結(jié)構(gòu)與軸流泵相似，具有徑向尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單輕便等特點。大型混流泵以導(dǎo)葉式居多，其葉片的安裝角度一般也能調(diào)節(jié)?；炝鞅玫膿P程范圍一般為 3～10.5米，起動功率較低，能適應(yīng)水位的變化,流量為0.1～50米3/秒；效率可達(dá)64～86％。20世紀(jì)70年代以來，大型混流泵的發(fā)展速度較快，在許多場合有取代大型軸流泵的趨勢。
長軸深井泵
多數(shù)是一個立式單吸離心泵，其葉輪裝在井中動水位以下，動力機(jī)設(shè)置在井上，通過傳動長軸驅(qū)動葉輪在導(dǎo)流殼內(nèi)旋轉(zhuǎn)，水流沿導(dǎo)流殼與葉輪之間的流道，經(jīng)輸水管向上提升到地面。揚程高時可采用多個葉輪串聯(lián)的多級離心泵。由于傳動長軸的制造和安裝精度要求較高，效率隨井深的增加而顯著降低，因而一般只用于不超過100米的深井。
潛水電泵
泵體葉輪和驅(qū)動葉輪的電機(jī)都潛入水中工作的一種水泵，有深井用和作業(yè)面用兩種。深井用潛水電泵通過伸入井中的電纜向電機(jī)供電，免去了傳動長軸，因而結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,安裝、使用和轉(zhuǎn)移方便，在有電源地區(qū)有取代長軸深井泵的趨勢，但對含沙量大的水井和無電源地區(qū)不適用。潛水電泵用的電動機(jī)有干式（電機(jī)全部密封）、半干式（電機(jī)的定子密封，而轉(zhuǎn)子在水中運轉(zhuǎn)）、充油式（電機(jī)內(nèi)部充油以防水分侵入繞組）和濕式（電機(jī)內(nèi)部充水，定子和轉(zhuǎn)子都在水中運轉(zhuǎn)）等類型。前3種都需要密封且制造安裝精度要求較高,因而農(nóng)用深井潛水電泵通常采用濕式電動機(jī)，其定子繞組采用耐水絕緣導(dǎo)線或在定子繞組端部及槽內(nèi)澆注合成樹脂，水進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部影響不大,密封結(jié)構(gòu)可大大簡化,只要求防砂。有的深井潛水電泵揚程高達(dá)1400米，zui大流量達(dá)1.4米3／秒。
射流式深井泵
通常是由射流泵和離心泵配以相應(yīng)套管組成。用于從30米以內(nèi)的深井中提水。射流泵的工作原理是使壓力通過噴嘴噴射到喉管的入口處，由于射流的橫向紊動擴(kuò)散作用，帶走吸水管內(nèi)的空氣，使管內(nèi)形成真空，井水被吸入并與射流水在喉管內(nèi)混合，進(jìn)行能量交換。在喉管的出口處二者的流速趨近一致，再通過擴(kuò)散管將大部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能，使水壓進(jìn)一步提高，zui后從排水管排出。
射流式深井泵有兩種組合類型：①將射流泵同離心泵并聯(lián)，離心泵通過管路將壓力水送入射流泵，射流泵將這部分水與被吸水一同向上提升，從而使小流量的高壓水轉(zhuǎn)換成大流量的低壓水，主要用于地面灌溉和渠道清淤等；②將射流泵和離心泵串并聯(lián)，使射流泵給離心泵加壓，提高其吸程，而將離心泵的出水量分出一部分提供給射流泵,其余部分送入壓水池或壓力管路,其出水壓力較高，主要用于噴灌設(shè)備和農(nóng)牧業(yè)供水。同潛水電泵和長軸深井泵相比，射流式深井泵具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、制造方便、成本低等特點；但效率較低，相同工況下的電耗較高。
螺桿泵
依靠螺桿轉(zhuǎn)動時泵腔容積的變化吸入和輸送水體的一種容積泵。有單螺桿、雙螺桿和多螺桿等類型。在農(nóng)業(yè)中使用的是單螺桿泵，其泵腔由鋼制螺桿和固定安裝在泵殼內(nèi)的橡膠套管組成。具有單螺距的螺桿在具有雙螺距內(nèi)螺旋的套管內(nèi)轉(zhuǎn)動，兩者間形成的空腔由吸入端移動到出口端，從而形成連續(xù)的水流。由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、拆裝容易、工作可靠，自吸性能好，多用于移動式噴灌系統(tǒng)。
手動隔膜泵
用于低揚程、小流量的提水作業(yè)，由泵體、 進(jìn)出水管、進(jìn)出水閥門、 隔膜和推拉桿等組成。泵體可由一個或兩個泵腔組成。具有兩個泵腔的隔膜泵，其隔膜設(shè)置在泵體的*，或兩個隔膜分別裝在分隔的兩個泵腔外側(cè)。工作時由兩人用手操縱與隔膜相連的推拉桿，推動隔膜作壓進(jìn)和張開的往復(fù)運動，使兩個泵腔的容積交替擴(kuò)大和縮小。當(dāng)泵腔擴(kuò)大時，壓力減小，進(jìn)水閥開啟出水閥關(guān)閉，水從進(jìn)水管流入泵腔；當(dāng)泵腔縮小時，壓力加大，進(jìn)水閥關(guān)閉，出水閥開啟，泵腔內(nèi)的水從排水管流出，兩個泵腔交替吸水和排水，每小時可提水10～20噸。
拉桿式活塞泵
由畜力原動機(jī)、風(fēng)力機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等驅(qū)動，常在放牧場上從井中提水時使用。由泵缸、活塞、進(jìn)出水管、進(jìn)出水閥門、拉桿和傳動裝置等組成?；钊窟B接在它上面的拉桿帶動，在泵缸內(nèi)作上下往復(fù)運動。當(dāng)活塞向上運動時，進(jìn)水閥開啟，進(jìn)水管中的水進(jìn)入泵缸,同時出水閥關(guān)閉,活塞上面的水被帶動向上提升；當(dāng)活塞向下運動時，進(jìn)水閥關(guān)閉，出水閥開啟，泵缸內(nèi)的水由出水閥升到活塞上面，如此反復(fù)進(jìn)水和提升，使水不斷從排水管排出。
性能參數(shù)
衡量水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、揚程、軸功率、水功率、效率等;對葉片式水泵來說,還有轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù)。
①吸程。即水泵的吸水高度。指由泵體中心至水源水平面的垂直距離，利用泵體內(nèi)真空度抽吸水流時,容許吸程一般不大于7.5米。
②揚程。即水泵的提水高度。指單位重量的水通過水泵后，能量增加的數(shù)值。一般將抽水站進(jìn)、出水池水面的高度差稱為實際揚程； 加上抽水站管路及其附件（如底閥、彎頭、閘閥等）的水頭損失稱為總揚程。水泵銘牌上所標(biāo)的揚程,是指水泵在一定轉(zhuǎn)速條件下效率zui高時的揚程，是實際揚程和損失揚程之和。
③流量。指水泵在單位時間內(nèi)輸水的數(shù)量,也稱輸水量。常用的流量單位有升/秒、米3/秒、米3/小時、千克/秒、噸/小時等幾種。
④軸功率。指動力機(jī)械輸送給水泵軸的功率，即水泵的輸入功率。
⑤水功率。又稱有效功率。指單位時間內(nèi)水泵用于輸水的實際功率，即水泵的輸出功率。
⑥效率。水功率與軸功率的比值即為水泵效率，通常以百分?jǐn)?shù)表示。它是用來衡量動力機(jī)械傳送給水泵的能量利用情況的指標(biāo)，反映出水泵效能的優(yōu)劣。
⑦比轉(zhuǎn)數(shù)。表示水泵特性的綜合性參數(shù)。通常用nS來表示。nS=3.65nQ1/2H-3/4。式中n為轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分），Q為流量（米3/秒）,對雙吸式水泵應(yīng)以Q/2代入式內(nèi);H為揚程（米）。水泵的比轉(zhuǎn)數(shù)與水泵的各項參數(shù)密切相關(guān)。一般離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)較小,因其葉輪直徑大,出口寬度窄,揚程高而流量??；而軸流泵的比轉(zhuǎn)數(shù)較大,因而揚程低而流量大；混流泵則介于兩者之間。常用離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)為30～300,混流泵為300～600,軸流泵為500～1800。兩臺幾何相似的葉片泵,其比轉(zhuǎn)數(shù)必然相等。因而可以利用幾何相似模型的試驗數(shù)據(jù)來預(yù)測大型泵的性能參數(shù)。
水泵的配套功率
水泵與動力的合理配套對保證水泵的正常運行，以獲得率和低能耗具有重要的意義。配套動力機(jī)的功率根據(jù)水泵的揚程H（米）和流量Q（米3/秒）按下式計算：（千瓦）。揚程H 由幾何揚程Hj和管路損失HS兩項組成，在初步選型時可按HS=（0.1～0.2）Hj估算。 管路確定后根據(jù)管道和接頭的類型或尺寸按流體力學(xué)方法計算或查表求得。式中K 為功率儲備系數(shù),常用K=1.05～1.3,功率大時取小值;η1為傳動效率，當(dāng)動力機(jī)與水泵直接聯(lián)結(jié)時η1=1；η2為水泵效率，根據(jù)泵型和工況確定。
進(jìn)出水管與水池
水泵配套的進(jìn)出水管道直徑D根據(jù)下式選用 = 1.13Q1/2V-1/2（米）,式中V 為管內(nèi)流速,一般進(jìn)水管V ≤2米/秒，出水管V ≤3米/秒。如采用直徑變化的漸變管時,其漸變部分的長度應(yīng)大于平均直徑的5～7 倍。離心泵和軸流泵的進(jìn)水管口設(shè)在進(jìn)水池水面以下距離h1處,h1=（1.4～1.6）D1,D1為進(jìn)水管直徑。軸流泵的葉輪中心線設(shè)在進(jìn)水池水面以下距離h3處,h2≥（0.75～D）D0,D0為葉輪直徑。進(jìn)水管口離池底的高度h0=（0.5～1）D0。單臺水泵的進(jìn)水池寬度為（2～3）D1。安裝多臺水泵的進(jìn)水池中，相鄰進(jìn)水管的間距為（3～3.5）D1。進(jìn)水管至進(jìn)水池后壁的距離為（1～1.5）D1。為避免浪費揚程，通常將出水管裝在出水池水面以下。中小型水泵出水管下緣至池底的距離約為10～20厘米；出水管上緣至水面的垂直距離為（1～2）V娤/2g，v2為出水流速（米/秒）；出水池長度為（6～12）D2。D2為出水管直徑;出水管與池壁的距離為0.2～0.5米。
發(fā)展趨勢
對發(fā)展農(nóng)用水泵的要求是提率、降低能耗和充分利用自然能源。用一臺大泵代替多臺小泵可提高機(jī)組效率、節(jié)約材料、降低能耗和工程造價，且便于實現(xiàn)自動化管理。因此，各種大型軸流泵和混流泵發(fā)展較快,zui大葉輪直徑分別達(dá)到4.6米和6.2米,配套功率zui高達(dá)1.25萬千瓦，混流泵有取代部分高揚程軸流泵和低揚程離心泵的趨勢。在深井提水方面主要發(fā)展?jié)撍姳?其zui大口徑已達(dá)1米,有的采用6000伏高壓電機(jī),zui大功率達(dá)2500千瓦。水輪泵、風(fēng)力拉桿泵、螺桿泵、各種人畜力驅(qū)動的隔膜泵、活塞泵和于同噴灌設(shè)備配套的水泵等，在中國和其他一些國家也受到不同程度的重視。
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