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泵形式及原理简介
2017-07-12 10:10:34

泵形式及原理简介

借动力设备和传动装置或利用自然能源将水由低处升至高处的水力机械。广泛应用于农田灌溉、排水以及农牧业、工矿企业、城镇供水、排水等方面。用于农田排灌、农牧业生产过程中的水泵称农用水泵,是农田排灌机械的主要组成部分之一。

类型

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,主要有活塞泵、柱塞泵、齿轮泵、隔膜泵、螺杆泵等类型。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。潜水电泵的泵体部分是叶片泵。其他类型的水泵有射流泵、水锤泵、内燃水泵等,分别利用射流水锤和燃料爆燃的原理进行工作。水轮泵则是水轮机与叶片泵的结合。上述各类水泵中以下列各式较具代表性。

离心泵是利用离心力的作用增加水体压力并使之流动的一种泵。由泵壳、叶轮、 转轴等组成。动力机带动转轴,转轴带动叶轮在泵壳内高速旋转,泵内水体被迫随叶轮转动而产生离心力。离心力迫使液体自叶轮周边抛出,汇成高速高压水流经泵壳排出泵外,叶轮中心处形成低压,从而吸入新的水流,构成不断的水流输送作用。叶轮具有逆旋转方向弯曲的叶片,其结构型式有封闭式、半封闭式和敞开式3种,农用的多为封闭式叶轮,叶片两侧由圆盘封闭。泵体沿出水管方向逐渐扩张成蜗壳形。水流自叶轮一面吸入的称单吸离心泵,自叶轮两面吸入称双吸离心泵。为增加扬程,可将多个叶轮装在同一轴上成为多级离心泵。由前一叶轮排出的水进入后一叶轮的进水口,增压后再从后一叶轮排出,因而叶轮数愈多,压力愈高。有的离心泵带有能自动排除吸水管和泵体内空气的装置,在起动前无需向泵体灌水,称自吸离心泵,但其效率常低于一般离心泵。

离心泵在农田排灌和农牧业供水中应用广泛。多用于扬程高而流量小的场合。单级离心泵的扬程为5~125米,排出的流量均匀,一般为6.3~400米3/小时,效率约可达86~94%。

轴流泵

由泵壳、叶轮和转轴等机件构成。也称螺桨泵。叶轮上有螺旋桨状的叶片若干,当叶轮随转轴一起被动力机械驱动旋转时,各叶片将水推向一端,同时又在另一端从水源吸取水,使水产生沿着平行于转轴方向的连续流动,达到不断输送水流的目的。水流压力因叶轮转动作用而提高。由叶轮出来的旋转水流通过固定导叶后,消除了旋转分速度,并由于扩散作用而使其部分动能转换成压力能,推动泵壳内的水流沿轴向上升,由出水管流出。轴流泵多用于扬程低而流量大的场合,扬程范围1~25米左右;流量2.7~60.0米3/秒,效率可达85~90.5%。安装方式有立式、卧式和斜式3种,其中以立式轴流泵应用较多(图2)。 大型轴流泵叶轮轮毂上的旋桨叶片的安装角度可以调节,或借液压传动的转轴在运行中随时间调节,以适应扬程及流量变化的要求,获得较高的生产率,故称可调式轴流泵。

贯流泵是卧式轴流泵的一种。由电动机、减速装置和水泵组成一整体,装设在水下堤坝内部的机坑内,其进出水流道位于一条直线上,近似直圆筒形,水力损失少,提水效率高,且结构紧凑,安装、检修方便,泵站工程简单。圬工泵是一种低扬程轴流泵,除叶轮及其外围的泵壳用金属材料制成以外,进水流道和出水流道均采用砖石或混凝土结构,其扬程在2米以下,流量大、结构简单、造价低、效率高。适用于低洼地区的排涝和灌溉。

混流泵

v构造和工作原理兼有离心泵和轴流泵两种类型的特点的一种水泵。叶轮被动力机械带动旋转时,叶片一方面推动着水体,同时又驱使水体旋转产生离心作用。水体在叶片的推力和离心力的作用下产生流动和提高压力。水流由轴向流入叶轮后沿叶片斜向流出,常用于输送排量较大而压力中等的场合。通常有蜗壳式和导叶式两种类型。蜗壳式混流泵的结构同离心泵相似,利用蜗壳形流道将水流通过叶轮后获得的动能转换为压力能,一般中、小型混流泵多采用蜗壳式结构。导叶式混流泵也称斜流泵,其结构与轴流泵相似,具有径向尺寸较小,结构简单轻便等特点。大型混流泵以导叶式居多,其叶片的安装角度一般也能调节。混流泵的扬程范围一般为3~10.5米,起动功率较低,能适应水位的变化,流量为0.1~50米3/秒;效率可达64~86%。20世纪70年代以来,大型混流泵的发展速度较快,在许多场合有取代大型轴流泵的趋势。

长轴深井泵

多数是一个立式单吸离心泵,其叶轮装在井中动水位以下,动力机设置在井上,通过传动长轴驱动叶轮在导流壳内旋转,水流沿导流壳与叶轮之间的流道,经输水管向上提升到地面。扬程高时可采用多个叶轮串联的多级离心泵。由于传动长轴的制造和安装精度要求较高,效率随井深的增加而显著降低,因而一般只用于不超过100米的深井。

潜水电泵

泵体叶轮和驱动叶轮的电机都潜入水中工作的一种水泵,有深井用和作业面用两种。深井用潜水电泵通过伸入井中的电缆向电机供电,免去了传动长轴,因而结构紧凑,重量轻,安装、使用和转移方便,在有电源地区有取代长轴深井泵的趋势,但对含沙量大的水井和无电源地区不适用。潜水电泵用的电动机有干式(电机全部密封)、半干式(电机的定子密封,而转子在水中运转)、充油式(电机内部充油以防水分侵入绕组)和湿式(电机内部充水,定子和转子都在水中运转)等类型。前3种都需要密封且制造安装精度要求较高,因而农用深井潜水电泵通常采用湿式电动机,其定子绕组采用耐水绝缘导线或在定子绕组端部及槽内浇注合成树脂,水进入电机内部影响不大,密封结构可大大简化,只要求防砂。有的深井潜水电泵扬程高达1400米,流量达1.4米3/秒。

射流式深井泵

通常是由射流泵和离心泵配以相应套管组成。用于从30米以内的深井中提水。射流泵的工作原理是使压力通过喷嘴喷射到喉管的入口处,由于射流的横向紊动扩散作用,带走吸水管内的空气,使管内形成真空,井水被吸入并与射流水在喉管内混合,进行能量交换。在喉管的出口处二者的流速趋近一致,再通过扩散管将大部分动能转换为压力能,使水压进一步提高,从排水管排出。

射流式深井泵有两种组合类型:①将射流泵同离心泵并联,离心泵通过管路将压力水送入射流泵,射流泵将这部分水与被吸水一同向上提升,从而使小流量的高压水转换成大流量的低压水,主要用于地面灌溉和渠道清淤等;②将射流泵和离心泵串并联,使射流泵给离心泵加压,提高其吸程,而将离心泵的出水量分出一部分提供给射流泵,其余部分送入压水池或压力管路,其出水压力较高,主要用于喷灌设备和农牧业供水。同潜水电泵和长轴深井泵相比,射流式深井泵具有结构简单、工作可靠、制造方便、成本低等特点;但效率较低,相同工况下的电耗较高。

螺杆泵

依靠螺杆转动时泵腔容积的变化吸入和输送水体的一种容积泵。有单螺杆、双螺杆和多螺杆等类型。在农业中使用的是单螺杆泵,其泵腔由钢制螺杆和固定安装在泵壳内的橡胶套管组成。具有单螺距的螺杆在具有双螺距内螺旋的套管内转动,两者间形成的空腔由吸入端移动到出口端,从而形成连续的水流。由于其结构简单、体积小、拆装容易、工作可靠,自吸性能好,多用于移动式喷灌系统。

手动隔膜泵

用于低扬程、小流量的提水作业,由泵体、 进出水管、进出水阀门、 隔膜和推拉杆等组成。泵体可由一个或两个泵腔组成。具有两个泵腔的隔膜泵,其隔膜设置在泵体的zhongyang,或两个隔膜分别装在分隔的两个泵腔外侧。工作时由两人用手操纵与隔膜相连的推拉杆,推动隔膜作压进和张开的往复运动,使两个泵腔的容积交替扩大和缩小。当泵腔扩大时,压力减小,进水阀开启出水阀关闭,水从进水管流入泵腔;当泵腔缩小时,压力加大,进水阀关闭,出水阀开启,泵腔内的水从排水管流出,两个泵腔交替吸水和排水,每小时可提水10~20吨。

拉杆式活塞泵

由畜力原动机、风力机或内燃机等驱动,常在放牧场上从井中提水时使用。由泵缸、活塞、进出水管、进出水阀门、拉杆和传动装置等组成。活塞靠连接在它上面的拉杆带动,在泵缸内作上下往复运动。当活塞向上运动时,进水阀开启,进水管中的水进入泵缸,同时出水阀关闭,活塞上面的水被带动向上提升;当活塞向下运动时,进水阀关闭,出水阀开启,泵缸内的水由出水阀升到活塞上面,如此反复进水和提升,使水不断从排水管排出。

性能参数

衡量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;对叶片式水泵来说,还有转速和比转数。   ①吸程。即水泵的吸水高度。指由泵体中心至水源水平面的垂直距离,利用泵体内真空度抽吸水流时,容许吸程一般不大于7.5米。   ②扬程。即水泵的提水高度。指单位重量的水通过水泵后,能量增加的数值。一般将抽水站进、出水池水面的高度差称为实际扬程; 加上抽水站管路及其附件(如底阀、弯头、闸阀等)的水头损失称为总扬程。水泵铭牌上所标的扬程,是指水泵在一定转速条件下效率时的扬程,是实际扬程和损失扬程之和。   ③流量。指水泵在单位时间内输水的数量,也称输水量。常用的流量单位有升/秒、米3/秒、米3/小时、千克/秒、吨/小时等几种。   ④轴功率。指动力机械输送给水泵轴的功率,即水泵的输入功率。   ⑤水功率。又称有效功率。指单位时间内水泵用于输水的实际功率,即水泵的输出功率。   ⑥效率。水功率与轴功率的比值即为水泵效率,通常以百分数表示。它是用来衡量动力机械传送给水泵的能量利用情况的指标,反映出水泵效能的优劣。   ⑦比转数。表示水泵特性的综合性参数。通常用nS来表示。nS=3.65nQ1/2H-3/4。式中n为转速(转/分),Q为流量(米3/秒),对双吸式水泵应以Q/2代入式内;H为扬程(米)。水泵的比转数与水泵的各项参数密切相关。一般离心泵的比转数较小,因其叶轮直径大,出口宽度窄,扬程高而流量小;而轴流泵的比转数较大,因而扬程低而流量大;混流泵则介于两者之间。常用离心泵的比转数为30~300,混流泵为300~600,轴流泵为500~1800。两台几何相似的叶片泵,其比转数必然相等。因而可以利用几何相似模型的试验数据来预测大型泵的性能参数。

水泵的配套功率

水泵与动力的合理配套对保证水泵的正常运行,以获得良好效率和低能耗具有重要的意义。配套动力机的功率根据水泵的扬程H(米)和流量Q(米3/秒)按下式计算:(千瓦)。扬程H 由几何扬程Hj和管路损失HS两项组成,在初步选型时可按HS=(0.1~0.2)Hj估算。 管路确定后根据管道和接头的类型或尺寸按流体力学方法计算或查表求得。式中K 为功率储备系数,常用K=1.05~1.3,功率大时取小值;η1为传动效率,当动力机与水泵直接联结时η1=1;η2为水泵效率,根据泵型和工况确定。

进出水管与水池

水泵配套的进出水管道直径D根据下式选用= 1.13Q1/2V-1/2(米),式中V 为管内流速,一般进水管V ≤2米/秒,出水管V ≤3米/秒。如采用直径变化的渐变管时,其渐变部分的长度应大于平均直径的5~7 倍。离心泵和轴流泵的进水管口设在进水池水面以下距离h1处,h1=(1.4~1.6)D1,D1为进水管直径。轴流泵的叶轮中心线设在进水池水面以下距离h3处,h2≥(0.75~D)D0,D0为叶轮直径。进水管口离池底的高度h0=(0.5~1)D0。单台水泵的进水池宽度为(2~3)D1。安装多台水泵的进水池中,相邻进水管的间距为(3~3.5)D1。进水管至进水池后壁的距离为(1~1.5)D1。为避免浪费扬程,通常将出水管装在出水池水面以下。中小型水泵出水管下缘至池底的距离约为10~20厘米;出水管上缘至水面的垂直距离为(1~2)V娤/2g,v2为出水流速(米/秒);出水池长度为(6~12)D2。D2为出水管直径;出水管与池壁的距离为0.2~0.5米。

发展趋势

对发展农用水泵的要求是提升效率、降低能耗和充分利用自然能源。用一台大泵代替多台小泵可提高机组效率、节约材料、降低能耗和工程造价,且便于实现自动化管理。因此,各种大型轴流泵和混流泵发展较快,叶轮直径分别达到4.6米和6.2米,配套功率达1.25万千瓦,混流泵有取代部分高扬程轴流泵和低扬程离心泵的趋势。在深井提水方面主要发展潜水电泵,其口径已达1米,有的采用6000伏高压电机,功率达2500千瓦。水轮泵、风力拉杆泵、螺杆泵、各种人畜力驱动的隔膜泵、活塞泵和专用于同喷灌设备配套的水泵等,在中国和其他一些国家也受到不同程度的重视。   转载请注明出自水泵技术论坛——水泵人网上技术交流平台。

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