新-常见泵的分类及工作原理

第十六章常见泵的分类和工作原理

泵是输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体、气体混合物以及含悬浮固体物的液体。水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等；根据不同的工作原理可分为容积水泵、叶片泵等类型。容积泵是利用其工作室容积的变化来传递能量；叶片泵是利用回转叶片与水的相互作用来传递能量，有离心泵、轴流泵和混流泵等类型。

第一节泵的分类及在电厂中的应用

一、泵的分类

（一）按照泵的工作原理来分类，泵可分为以下几类

1、容积式泵

容积式泵是指靠工作部件的运动造成工作容积周期性地增大和缩小而吸排液体，并靠工作部件的挤压而直接使液体的压力能增加。

容积泵根据运动部件运动方式的不同又分为：往复泵和回转泵两类。

按运动部件结构不同有：活塞泵和柱塞泵，有齿轮泵、螺杆泵、叶片泵和水环泵。

2、叶轮式泵

叶轮式泵是靠叶轮带动液体高速回转而把机械能传递给所输送的液体。

根据泵的叶轮和流道结构特点的不同，叶轮式泵又可分为：

离心泵（centrifugal pump）

轴流泵（axial pump）

混流泵（mixed-flow pump）

旋涡泵（peripheral pump）

喷射式泵（jet pump）

（二）其它分类

1、泵还可以按泵轴位置分为：

（1）立式泵（vertical pump）

（2）卧式泵（horizontal pump）

2、按吸口数目分为：

（1）单吸泵 (single suction pump)

（2）双吸泵 (double suction pump)

3、按驱动泵的原动机来分：

（1）电动泵（motor pump ）

（2）汽轮机泵（steam turbine pump）

（3）柴油机泵（diesel pump）

（4）气动隔膜泵（diaphragm pump

如图16－1 为泵的分类

图16－1 泵的分类二、各种类型泵在电厂中的典型应用

第二节离心泵的理论基础知识

离心泵主要包括两个部分：1.旋转的叶轮和泵轴（旋转部件）。2.由泵壳、填料函和轴承组成的静止部件。正常运行时，叶轮高速旋转，在惯性力的作用下，位于叶轮中心的流体被甩向外周并获得了能量，使流向叶轮外周的液体的静压强提高，流速增大。液体离开叶轮进入蜗壳内，在蜗壳内液体的部分动能会转换成静压能。于是较高压强的液体从泵的排出口进入排出管路，被输送到所需的管路系统。同时，叶轮中心由于液体的离开而形成真空，如果管路系统合适，则外界的液体会源源不断地吸入叶轮中心，以满足水泵连续运行的要求。如图16－2所示。

图16－2 离心泵的工作原理

一、离心泵的性能参数

（一）流量指泵在单位时间内能抽出多少体积或质量的水。体积流量一般用m3/min、m3/h 等来表示。

（二）扬程又称水头，是指被抽送的单位质量液体从水泵进口到出口能量增加的数值，除以重力加速度，用H表示，单位是m。

（三）功率是指水泵在单位时间（S）内所作功的大小，单位是KW。水泵的功率可分为有效功率和轴功率。

1、有效功率又称输出功率:指泵内水流实际所得到的功率，用符号P0表示。

2、轴功率:轴功率又称输人功率，是指动力机传给泵轴的功率，用符号P表示。

轴功率和有效功率之差为泵内的损失功率，其大小可用泵的效率来计量。

（四）效率反映了水泵对动力机传来动力的利用情况。它是衡量水泵工作效能的一个重要经济指标，用符号 表示。

（五）转速指泵轴每分钟旋转的次数，用符号n表示，单位是r/min.

（六）汽蚀余量

汽蚀余量是指在泵吸入口处单位重量液体所具有的超过汽化压力的富余能量。单位用m标注，用NPSH表示。

二、离心泵的性能曲线

泵的性能曲线，标志着泵的性能。泵各个性能参数之间的关系和变化规律，可以用一组性能曲线来表达。对每一台泵来讲，当一台泵的转速一定时，通过试验的方法，可以绘制出相应的一组性能曲线，即水泵的基本性能曲线。性能曲线一般以流量为横坐标，用扬程、功率、效率和汽蚀余量为纵坐标来绘制曲线。

（一）流量与扬程曲线

图16－3 离心泵的流量与扬程的曲线

如图16－3所示，水泵作为一种通过管道来提升或移动流体的机械。水泵能提升流体到达垂直管道的A点，即流量为零，泵的作功只是与流体的重力与质量相等。（即流体的势能）因此，A点也被称为关断水头（SHUTOFF-HEAD）；如果想象转动出水管从A点到F点，则水管变为水平管，则泵出的流体的势能变为零而流量变为最大值。可以看出，调整出水管道的倾斜角度（即调整出水管道的阻力），即可得到我们想要的流量和扬程。

(二)流量与效率曲线

如图16－4所示，离心泵效率曲线可以看作是一条弹道曲线，其效率表现为从其最高效率点（BEP）向两侧下降的变化趋势。即泵的效率随流量的增加而增加，到达高效点后，其效率随着流量的增加而减少。

图16－4泵的流量与效率曲线

(三)流量与功率曲线

一般来讲，离心泵的轴功率随流量的增加而逐渐增加，曲线有上升的特点。（但在一些特殊的泵中，其功率会保持直线甚至会随流量的增加而下降）当流量为零时，轴功率最小。因此，为便于离心泵的启动和防止超载，启动时，应将出水管路上的阀门关闭，启动后再逐渐打开。轴流泵的启动与离心泵相反。如图16－5所示。

图16－5离心泵的流量与功率的曲线

(四)流量与汽蚀余量曲线

NPSHr(the Net Positive Suction Head required)-即泵的必需汽蚀余量，它代表了泵的最低运行要求，如果泵的入口压力未达到规定的NPSHr，则泵就会发生汽蚀不能运行。

离心泵的汽蚀余量曲线一般设计为：当流量从零和高效区之间变化时，其NPSHr几乎是一条直线或有很小的变化，但是通过高效区的范围后，则其NPSHr会以指数变化剧增。如图16－6所示。

图16－6 离心泵的流量与NPSHr的关系

图16－7离心泵的性能曲线

总结：如图16－7为离心泵的性能曲线。

（1）当泵运行在“A”点时，其对应的流量为“Q”，扬程为“H”；此时泵的效率最高，其能耗也在中间水平，同时其必需汽蚀余量也处于将要剧升的边缘。

（2）当泵运行到“B”点时，其流量减少而压头升高。泵运行在高效率区的左边，其效率下降损失增加。但其功率相应减少，NPSHr也相应减少。但是，由于效率的下降和流量的减少，泵开始振动并加热泵内的流体。当热量不能被流体带走时，温度就会升高，达到对应的饱和温度后，液体开始汽化，引起泵的振动和损坏。

（3）当泵运行在“C”点时，其流量增加而压头降低。同时泵的效率也下降。泵的功率会升高甚至会过负荷。而泵的NPSHr迅速增加，离开泵的流量大于进入泵的流量，泵内压力变低，当达到对应压力、温度下的饱和状态时，泵内的液体开始汽化沸腾，泵开始发生汽蚀，引起泵的损坏。如图16－8所示。

图16－8泵的叶轮因汽蚀损坏图

图16－9泵的运行区域图

总之，对于泵的运行来讲，正常运行时泵应运行在“A”区，如图16－9所示。此时泵的效率最高，能耗利用率最好。为了避免泵的损坏，泵的运行要避开“C”“D”区。而可以短时间运行在“B”区。“B”区在“A”区的左边，即在高效区的左边，此时泵的效率较差，损失较多。同时其轴向推力也较大，易造成推力轴承的损坏。所以为了保证泵的运行安全，可以按照泵的相似定律来对泵进行改造或改变泵的转速，以达到在保证泵的安全运行的前提下，满足系统流量和压力的要求。对于运行人员，我们要熟悉泵的运行曲线并熟练地应用它们，只要泵运行在高效区内并很好地作好维护工作，它就能保证安全长期运行。

三、泵在系统中的运行

所有泵的设计都是为了满足系统运行要求的。这个要求即是系统的总动力水头(TDH)（Total Dynamic Head).泵的运行状态随着系统的改变而改变。如系统所需的流量改变，则对应的泵的工作点也会改变，即泵的压头、效率、NPSHr都随着变化。如果变化太大，则就会影响泵的安全经济运行。

(一)系统的总动力水头(TDH)包括以下四个方面：

1.Hs-静压头（the static head)。是指泵送液体的来源和目的地之间的高度差，当泵入口的液体表面位置不同时，其静压头是不同的。

2.Hp-压力水头（the pressure head) 。它表示液体表面的压力之差。

3.Hv-速度水头（the velociyt head)。它表示液体流过系统时的能量消耗。Hv=v2

.式中

2g

v-液体流经管道时的速度。

g-重力加速度。

4.Hf-摩擦水头（friction head).它表示液化流经系统时的摩擦损失。

（1）对于管道：

Hf=Kf×L

（16－1）100

式中：Kf-每种材料直径管道每一百米的摩擦常数。（可通过查表获得）

L-实际管道的长度

（2）对于阀门和异型件：

Hf=K×Hv

（16－2）100

式中：K-各种阀门及异型件的摩擦常数。（可通过查表获得）

综上所述：总动力水头(TDH)= Hs+ Hp+ Hv+ Hf

（二）泵的工作点

如图16－10所示：当泵在一个系统中正常运行时，泵对液体的耗功与系统对液体的总动力水头（TDH）是相平衡的。但是强调的是，随着系统的变化，如阀门的开闭，由TDH也发生的变化，其平衡就会打破，泵的工作点也就发生了变化。所以在设计之初，我们必须计算好系统的TDH，并选择合适的泵，使总动力水头（TDH）与最高效率点（BEP）相匹配。

图16－10泵的运行曲线

四.泵的相似定律与变转速运行

在电力生产中，变转速的泵随处可见，如由液力偶合器带的给水泵或由小汽轮机接带的水泵、风机等等。特别是近年来变频装置的成熟与普及，使得变速泵的运行越来越多。它可以减少管道的节流损失，更加节能。所以我们应掌握变频泵的运行规律。

（一）泵的相似定律的前提条件：

1.几何相似 — 两台水泵在结构上完全相仿，对应尺寸的比值相同，叶片数、对应角相等；

2.运动相似 — 两台水泵内对应点的液体流动相仿，速度大小的比值相同、方向一致（即速度三角形相似）；

3.动力相似 — 两台水泵内对应点的液体惯性力、黏性力等的比值相同

(二) 符合相似条件的两台水泵，以下各式成立：

Q2Q1=n2n1(D2D1

)3 （16－3） H2H1

=(n2n1)2 (D2D1)2 （16－4） P2P1=(n2n1)3(D2D1)5(ρ2ρ1) （16－5）

式中 :

Q1，Q2 — 泵1、泵2的流量；

n1，n2 — 泵1、泵2的泵轴转速；

D1、D2 — 泵1、泵2叶轮外径；

P1，P2 — 泵1、泵2、的轴功率；

ρ1、ρ2 — 泵1、泵2、输送介质的密度

（两相似泵可以近似地认为容积率、水力效率、机械效率相等。）

对于同一台泵来讲，相似定律则可写成：

Q2Q1

=n2n1 （16－6） H2H1=(n2n1

)2 （16－7） P2P1=(n2n1)3

（16－6） 式中：

Q----泵的流量，m 3

/s

H----泵的扬程,m

P----泵的功率,kw

n----泵的转速,r/min

从上式看出，对于变转速泵，其流量的变化与转速的一次方而正比；扬程与转速的二次方成正比；功率与转速的三次方成正比。

当叶轮的直径变化时，流量与直径的三次方成正比；扬程与直径的二次方成正比；功率与直径的五次方成正比。此时也叫切削定律。

当泵转速在20%左右变化时，其效率可认为变化不大。

相似定律同样适用于离心式风机。

（三）泵与风机的曲线群

知道了某一转速下的泵的性能曲线，根据相似定律，我们可以得到不同转速下的泵的性能曲线，也能得到不同叶轮直径下的泵的性能曲线。如图16－11，16－12所示。

图16－11不同直径下泵的特性曲线

图16－12不同转速下泵的性能曲线

五、泵与风机的运行调整

当泵与风机运行在系统中的时候，其主要有两个任务，一个是要满足系统的要求，保证系统所需要的流量和压力。同时为了保证自身的运行安全，需要对泵的运行区域进行设定，防止泵的损坏。主要包括：泵的入口有保证足够的有效汽蚀余量（NPSHa）>必须汽蚀余量（NPSHr）；泵应该运行在高效区域内；泵的流量不能小于最小流量；泵的流量不能高于泵的最大流量。而当系统的需求变化时，系统所需的流量、压力发生了变化，为了保证泵的运行安全和满足系统需要，要求我们要对泵的工作点进行调整。

（一）定转速泵的运行调整

如图16－13所示，只需改变泵的性能曲线或者改变系统曲线，就能改变泵的工作点。对于定转速泵来讲，改变泵的性能曲线较难，一般改变系统的曲线来改变泵的工作点。系统的总动力水头(TDH)=静压头（Hs）+压力水头（Hp）+速度水头（Hv）+摩擦水头（Hf).

从上式看出，只要改变四个水头中任意一个，即可改变系统曲线，从而调整泵的工作点。1.调整管道的阀门来调整流量

当运行泵为定转速时，通过调整阀门的开度，即使系统的阻力损失发生变化（即调整了摩擦水头），改变了系统的曲线，从而使泵的工作点发生的转移，流量、压力发生变化。如图16－13所示。系统的流量由Q1调整为Q2，使泵的工作点由a变为b，同时由于阀门的节流损失及泵偏离高效区，使得泵的效率下降，能耗增加。如果继续调小流量的话，还有可能进入泵的最小流量区内，造成泵的汽化，使泵损坏，所以节流调整必须在一定的范围内进行。

同时，对于离心泵来讲，为了防止发生汽蚀，节流调整一般放在泵的出口管道进行研究。因为入口管道节流后，会使泵的有效汽蚀余量NPSHa

图16－13 调整阀门开度后泵性能的变化

2、泵的汽蚀调整，也叫泵的自动调整。即通过改变系统的入口水面的水位，即通过改变静压头（Hs）的方法，也可使泵的工作点转移。

例如：凝结水泵的汽蚀调节就是把水泵出门水门开足，当汽轮机负荷变化(凝汽量相应变化)时，通过凝汽器水位(即凝结水泵的倒灌高度发生变化)来调节泵的出水量，使其和汽轮机的排汽量相平衡

3、改变泵的性能曲线来进行调整。如有的泵与风机可在运行中改变叶片的角度，从而改变了泵与风机的性能曲线，以此也可调整泵与风机的工作点。

4、如果泵的正常工作点远离系统的要求，长期使泵处于低效区甚至影响泵的安全。可以通过切削定律，在泵停运后对泵的叶轮直径进行调整，以期调整泵的工作区到高效区。（二）变转速泵的运行调整。

如图16－14所示，通过调整泵的转速之后，通过相似定律即可得到泵的变转速性能曲线，而系统曲线未发生变化。这样泵的工作点由“a”转移至“c”，实现了泵流量的变化。泵的变转速调整有如下特点：

1.变转速调整没有阀门的节流损失，较为节能。

2.变转速调整由于泵的性能曲线变化，使得泵的工作点脱离高效区不远，效率较高。

3.变转速调整后，根据相似定律，泵的功率与转速的三次方成正比，使泵的功率大大降低。

4.变转速调整可以实现转机的柔性启动，提高的转机的安全性。

5.变转速后的NPSHr大大降低，提高了泵的抗汽蚀能力。

6.变转速泵的调整需要特殊的原动机或电气变频装置，投资较高。甚至会带来振动、轴承

润滑不良等问题。

图16－14 离心泵的变转速调整

六、泵的并联与串联运行

（一）泵的并联运行

为了提高系统运行的灵活性、可靠性及经济性。一般电厂水泵设置两台同样泵与风机为并联运行方式。如凝结水泵、循环水泵、送风机、引风机等。

图16－15泵的并联运行简图

如图16－15，16－16所示，由于并联运行泵的管路是为两台泵运行设计的，当一台泵运行时，其工作点是在泵的性能曲线高效区的右边，易发生汽蚀。即同样压力下，单独运行时其流量会偏大一些。

图16－16 相同性能泵并联运行时的工作曲线

1.相同性能泵并联运行的特点

（1）两台泵并联运行时，其在同样转速下的流量要较泵单独运行时流量之和较小。（2）对于并联运行系统，当只有一台泵运行时，其易受到汽蚀的威胁，应引起注意。（3）由于泵单独运行时其工作点在BEP的右边，意味着此时泵的功率较大，易引起过负荷，应引起注意。

2.不同性能泵的并联运行特点

不同性能泵并联运行时，出力较低（如变频泵）的泵，则其在启动或者运行中，有可能打不开出口逆止阀，造成泵的流量为零，长期运行会造成泵的汽化而损坏。所以此种情况下运行，系统的总的流量不能太低，并且在启动时，应优先启动出力较低的水泵。

如图16－17所示。

图16－17两台不同性能泵运行曲线

（二）泵的串联运行

图16－18 泵的串联运行

图16－19同性能泵的串联运行性能曲线

有些场合，为了得到较高压力的液体，会使用串联泵运行。同理，对于多级离心泵来讲，也相当于单级泵的串联运行。如图16－19

1.同性能泵的串联运行

（1）如图16－18，串联泵运行后，将得到两倍左右的扬程（但较单独泵运行时扬程的两倍较小）；同时流量基本是单独泵运行时的流量（较单独泵运行时的流量较小）。（2）串联泵运行时，如果有一台泵跳闸，由于较高的阻力，易使运行泵工作点左移，泵易造成汽化而损坏。

2.不同性能泵的串联

将不同性能泵的性能曲线迭加，即可得到其运行性能曲线。如图16－20所示，在这种情况下，当流量增加到一定范围，则只有一台泵出力，另一台泵处于相对大流量工况，其NPSHr会剧增，引起泵的汽蚀。

图16－20不同性能泵串联运行性能曲线

3.定速泵与变速泵的串联

图16－21 定速泵与变速泵的串联

如图16－21所示，在一些高压、大流量的场合，为了实现上述目的，常采用定速泵与变速泵相结合的方式上水，如锅炉给水泵。定速泵置于变速泵之前，这样定速泵可以为变速泵提供足够的汽蚀余量，变速泵改变转速为变化的系统提供稳定供水。

4. 变速给水泵的工作区

为了保证给水泵的运行和系统的供水安全，在任何工况下，给水泵应运行在工作区范围内，如图16－22所示，其主要包括六条曲线：

（1）泵的最高转速曲线n max。即泵的机械性能决定的最高转速性能曲线。

（2）泵的最低转速曲线n min。即泵的机械性能决定的最低转速性能曲线。

（3）泵的上限特性曲线。即由不同转速下泵的最小流量点形成的曲线，正常运行时，泵

只能运行在上限特性曲线的右侧。如运行在其左侧，则将使泵的流量不足冷却泵产生的热量，从而引起泵的汽化，造成泵的损坏。目前，为防止在低流量，高压力时泵的工作点落入上限特性曲线之右，设计了泵的再循环管道，当泵的工作点接近上限特性曲线时，再循环管道上的阀门打开，以增加给水流量。当工作点向左远离上限特性曲线后，其阀门关闭。

（4）泵的下限特性曲线。即由不同转速下泵的最大流量点形成的曲线，正常运行时，泵只能运行在下限特性曲线的左侧。如超过下限，则泵的在某一转速下的流量太大，超过了泵的最高效率区范围，使泵效率下降；同时，泵的NPSHr大增，泵易发生汽蚀，造成出力下降和泵的振动等故障。故在泵运行在大流量、低压头工况时，适当关小泵的出口调节阀，抬高泵的出口压力，使泵重新回到工作区内。

（5）系统的最低给水压力Pmin。即变速给水泵还必须满足系统对水压的最低要求，防止系统里的设备出故障。如对于锅炉如果上水压力太低，则会造成水循环的破坏，造成水冷壁的爆破。

（6）系统的最高给水压力Pmax。即变速泵还必须满足系统对水压的最高要求。如对于锅炉来讲，如果压力过高，会造成安全门启动，甚至管道破裂。

图16－22 变速给水泵的工作区

第三节各种泵的设备结构及工作原理

一、离心泵

（一）离心泵的结构

离心泵的结构型式多种多样，分类方式也较多，表16－1中列出了离心泵的基本结构型式，

表16-1离心泵的结构型式

1、单级离心泵

单级离心泵是指只有一级叶轮的离心泵，其主要由以下零部件组成(见图16－23)：

(1)泵壳

泵壳有轴向剖分式和径向剖分式两种。大多数单级离心泵的壳体都是蜗壳式的，多

级泵径向剖分壳体一般为环形壳体或圆形壳体。一般蜗壳式泵壳内腔呈螺旋型流道，用以收集从叶轮中流出的液体，并引向扩散管至泵出口。泵壳承受全部的工作压力和液体的热负荷。

(2)叶轮

如图16－23所示，叶轮是唯一的做功部件，泵通过叶轮对液体做功。叶轮的结构型式有闭式、开式、半开式三种。闭式叶轮由叶片、前盖板、后盖板组成。半开式叶轮由叶片和后盖板组成。开式叶轮只有叶片，无前后盖板。闭式叶轮效率较高，开式叶轮效率较低。

图16－23 叶轮的形式

(3)密封环

密封环的作用是防止泵的内泄漏和外泄漏．由耐磨材料制成的密封环，镶于叶轮前后盖极和泵壳上，磨损后可以更换。

(4)轴和轴承

泵轴一端固定叶轮，一端装联轴器。根据泵的大小，轴承可选用滚动轴承和滑动轴承。按作用力方向可分为径向轴承和推力轴承。

(5)轴封

轴封一般有机械密封和填料密封两种。一般泵均设计成既能装填料密封，又能装机

械密封。

单级离心泵结构示意图，如图16－24所示。