【正文】 1 第一章 泵的基礎(chǔ)知識(shí) 第一節(jié) 泵的 用途和 分類 一 、泵的 用途 泵是一種提水工具，如古代所創(chuàng)造的水車、轆轤等等，這是水泵的雛形。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，這些原始的提水工具就發(fā)展成為現(xiàn)代的水泵。 以前，泵只用于輸送常溫清水，所以常把泵稱為水泵，這并不確切。現(xiàn)代泵除了輸送常溫清水外，還可輸送溫度達(dá) 600℃高溫液體、液態(tài)金屬；溫度在零下 200℃的液態(tài)氫、氧、氦、氮等低溫液體；還可輸送含固體顆粒的液體。 現(xiàn)在，泵作為一種通用機(jī)械，廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中。如農(nóng)業(yè)灌溉和排澇，城市給水和排水，還有動(dòng)力工程、礦山、石油、 化學(xué)工業(yè)及交通運(yùn)輸?shù)确矫娑茧x不開(kāi)泵。另外，泵還在人體臟器中得到應(yīng)用，如血液輸送泵等。 二 、泵的分類 通常把能提升液體、輸送液體、使液體增加壓力的機(jī)器稱為泵。 泵的種類很多，按其作用原理可分為如下三大類： 葉片式泵 這種泵是 利用葉輪的葉片和液體相互作用，連續(xù)不斷地給液體施加能量來(lái)輸送液體。 如離心泵、混流泵、軸流泵等。 容積式泵 在這種泵中，通過(guò)封閉而充滿液體容積的 周期性變化，不連續(xù)地給液體施加能量來(lái)輸送液體 。 如活塞泵、柱塞泵、隔膜泵、齒輪泵、螺桿泵等。 其他類型泵 這些泵的 作用原理各異，如射流泵、水錘泵、電磁泵等。 三 、泵在火力發(fā)電廠的應(yīng)用 如圖 1－ 1 所示， 發(fā)電是一個(gè)汽水循環(huán)過(guò)程 ，鍋爐把水燒成蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其中， 從加熱器向鍋爐供水用的是鍋爐給水泵。從汽輪機(jī)出來(lái)的廢汽到冷凝器凝結(jié)成水，需要冷凝泵將冷凝水打入加熱器進(jìn)行再次循環(huán)。冷凝器用的冷卻循環(huán)水是由循環(huán)水泵供給的。鍋爐排灰用的泵為灰渣泵。 圖 11 泵在火力發(fā)電廠的應(yīng)用 2 第二節(jié) 葉片泵的工作原理 原動(dòng)機(jī)通過(guò)泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，對(duì)液體做功，使其能量增加，從而使需要數(shù)量的液體，由吸水池經(jīng)泵的過(guò)流 部件輸送到要求的高處或要求壓力的地方。 離心泵 —— 泵在離心力的作用下抽吸液體。 軸流泵 —— 葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片翼形產(chǎn)生升力 ， 在升力作用下抽吸液體。 混流泵（斜流泵） —— 在一部分離心力和一部分升力作用下抽吸液體。 如圖 12 所示，是簡(jiǎn)單的離心泵裝置。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，將水從 A 處吸入泵內(nèi)，排送到 B 處。泵中起主導(dǎo)作用的是葉輪，葉輪中的葉片強(qiáng)迫液體旋轉(zhuǎn)，液體在離心力的作用下向四周甩出。這種情況和轉(zhuǎn)動(dòng)的雨傘上的水滴向四周甩出去的道理一樣。泵內(nèi)的液體甩出去后，新的液體在大氣壓力下進(jìn)到泵內(nèi)，如此連續(xù)不斷地從 A 處向 B 處供水。 泵在開(kāi)動(dòng)前，應(yīng)先灌滿水。如不灌滿水，葉輪只 能帶 圖 12 離心泵工作的裝置簡(jiǎn)圖 動(dòng) 空氣旋轉(zhuǎn)，因空氣的單位體積的質(zhì)量很小，產(chǎn) 生的離心 1－調(diào)節(jié)閥 2－排出管路 力 甚小，無(wú)力把泵內(nèi)和排水管路中的空氣排 出，不能在泵 3－壓水室 4－葉輪 內(nèi) 造成一定真空，水也就吸不上來(lái)。 5－底閥 6－吸水管 第三節(jié) 泵的基本參數(shù) 表征泵主要性能的參數(shù)有以下幾個(gè)： 一 、流量 Q 流量是泵在單位時(shí)間內(nèi)輸送出去的液體量（體積或質(zhì)量）。 體積流量 (通常使用的流量 )用 Q 表示，單位是： sm3 ， hm3 ， sl 等。體積流量與輸送的液體性質(zhì)無(wú)關(guān)。 質(zhì)量流量用 mQ 表示，單位是： ht ， skg 等。 質(zhì)量流量和體積流量的關(guān) 系為 m ?? 式中 ? —— 液體的密度 （ 3mkg ， 3mt ） ，常溫清水 31000 mkg?? 。 二 、揚(yáng)程 H 揚(yáng)程是泵所輸送的單位重量液體從泵進(jìn)口處（泵進(jìn)口法蘭）到泵出口處（泵 出 口法蘭） 3 能量的增值。也就是一牛頓液體通過(guò)泵獲得的有效能量。其單位是 mNmN ?? ，即泵抽送的液柱高度，習(xí)慣簡(jiǎn)稱為米。 泵的揚(yáng)程只表征泵本身的性能，只和泵進(jìn)、出口法蘭處的液體能量有關(guān)，而和泵裝置無(wú)直接關(guān)系。但是，利用能量方程，可以用泵裝置中液體的能量表示泵的揚(yáng)程。 根據(jù)定義，泵的揚(yáng)程可以寫為 sd EEH ?? 式中 dE —— 在泵出口處單位重量液體的能量（ m ）； sE —— 在泵進(jìn)口處單位重量液體的能量 （ m ） 。 單位重量液體的能量在水力學(xué)中稱為水頭，通常由壓力水頭gp?（ m ） 、 速度水頭gv22 （ m ） 和位置水頭 z（ m ）三部分組成，即 dddd zgvgpE ??? 22? ssss zgvgpE ??? 22? 因此 圖 13 計(jì)算泵揚(yáng)程的簡(jiǎn)圖 )(2 22 sdsdsd zzg vvg ppH ?????? ? 式中 dp 、 sp —— 泵出口、進(jìn)口處液體的靜壓力； dv 、 sv —— 泵出口、進(jìn)口處液體的速度； dz 、 sz —— 泵出口、進(jìn)口到任選的測(cè)量基準(zhǔn)面的距離。 三 、轉(zhuǎn)速 n 轉(zhuǎn)速是泵軸單位時(shí)間的轉(zhuǎn)數(shù)，用符號(hào) n 表示，單位是 minr （ rpm ） 。 四 、汽蝕余量 NPSH 汽蝕余量又叫凈正吸頭，是表示汽蝕性能的主要參數(shù)，汽蝕余量國(guó)內(nèi)曾用 h? 表示。 五 、功率和效率 泵的功率通常指輸入功率，即原動(dòng)機(jī)（如電機(jī)）傳到泵軸上的功率，故又稱軸功率，用 P （或 N ） 表示。 泵的有效功率又稱為輸出功率，用 eP （或 eN ） 表示。它是單位時(shí)間內(nèi)從泵中輸送出去的液體在泵中獲得的有效能量。 因?yàn)閾P(yáng)程是泵輸出 的單位重量液體從泵中獲得的有效 能量，所以揚(yáng)程和質(zhì)量流量及重力加速度的乘積，就是單位時(shí)間內(nèi)從泵中輸出去的液體所獲得的有效能量 —— 泵的有效功率。 gQHgHQP me ??? (W ) 或 1000gQHPe ?? (kW ) 4 式中 ? —— 泵輸送液體的密度 （ 3mkg ） g —— 重力加速度（ 2sm ）（通常取 smg ? ） Q —— 體積流量（ sm3 ） H —— 泵的揚(yáng)程（ m ） 軸功率 P 和有效 功率 eP 之差為泵內(nèi)的損失功率，其大小用泵的效率 來(lái)計(jì)量。 泵 的 效率為 有效功率和軸功率比 ，用 ? 表示，即 PPe?? 第四節(jié) 泵的特性曲線 用曲線的形式表示泵性能參數(shù)之間的關(guān)系，稱為泵的性能曲線（也叫特性曲線）。通常用橫坐標(biāo)表示流量 Q ，縱坐標(biāo)表示揚(yáng)程 H 、效率 ? 、軸功率 P 、汽蝕余量 NPSH 等，如圖 14 所示。 圖 14 泵特性曲線 泵特性曲線全面、綜合、直觀地表示了泵的性能，因而有多方面的用途。用戶可以根據(jù)特性曲線選擇要求的泵，確定泵的安裝高度，掌握泵的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。制造廠在泵制造完了以后，通過(guò)試驗(yàn)作出特性曲線，并根據(jù)特性曲線形狀的變化，分析泵幾何參數(shù)對(duì)泵性能的 5 影響，以便設(shè)計(jì)制造出符合要求性能的泵。 在曲線上，對(duì)任一 Q 點(diǎn)，都可以找出與其對(duì)應(yīng)的 H 、 ? 、 P 、 NPSH 。通常把這一組相應(yīng)的參數(shù)稱為工況點(diǎn)，一般把最高效率點(diǎn)稱為最佳工況點(diǎn)（也就是設(shè)計(jì)點(diǎn)）。在實(shí)際生產(chǎn)中，必須參照泵的性能曲線來(lái)選擇泵的工況點(diǎn)，這樣才能使泵經(jīng)常在高效區(qū)運(yùn)行，可調(diào)泵（ 轉(zhuǎn)速 n 可調(diào)，葉片角度可調(diào)）的目的就是使泵常年在高效區(qū)運(yùn)行。 第五節(jié) 比轉(zhuǎn)數(shù) 在相似定律的基礎(chǔ)上，可以推出對(duì)一系列幾何相似的泵，性能之間的綜合數(shù)據(jù)。如果各泵 的這個(gè)數(shù)據(jù)相等，則這些泵是幾何相似和運(yùn)動(dòng)相似的。這個(gè)綜合數(shù)據(jù)就是比轉(zhuǎn)數(shù)，也稱比轉(zhuǎn)速或簡(jiǎn)稱比速，是泵的相似準(zhǔn)則，用 sn 表示。 43HQnns ? 我國(guó) 規(guī)定計(jì)算 sn 的單位是： Q —— sm3 （對(duì)雙吸泵取 2Q ） ； H —— m （對(duì)多級(jí)泵取單級(jí)揚(yáng)程）； n —— minr 。 關(guān)于比轉(zhuǎn)數(shù)的說(shuō)明 ： 同一臺(tái)泵在不同工況下具有不同的 sn 值，作為相似準(zhǔn)則的 sn 是指對(duì)應(yīng)最高效率點(diǎn)工況下的值。 按比轉(zhuǎn)數(shù)從小到大，泵分為離心泵、混流泵和軸流泵。低比轉(zhuǎn)數(shù)泵意味著高揚(yáng)程小流量，高比轉(zhuǎn)數(shù)泵意味著低揚(yáng)程大流量。 第六節(jié) 泵汽蝕現(xiàn)象概 述 一 、汽化壓力 液體在某一溫度下，當(dāng)壓力降至某一壓力值時(shí)，液體會(huì)汽化，我們稱這一壓力值為液體在該溫度下的汽化壓力。 二 、泵內(nèi)汽蝕的過(guò)程 泵在運(yùn)轉(zhuǎn)中，若其過(guò)流部分的局部區(qū)域（通常是葉輪葉片進(jìn)口稍后的某處），因?yàn)槟撤N原因，抽送液體的絕對(duì)壓力下降到當(dāng)時(shí)溫度下的汽化壓力時(shí)，液體便在該處開(kāi)始汽化，產(chǎn)生蒸汽、形成氣泡。這些氣泡隨液體向前流動(dòng)，至某高壓處時(shí)，氣泡周圍的高壓液體，致使氣泡急驟地縮小以至破裂（凝結(jié)）。在氣泡凝結(jié)的同時(shí)，液體質(zhì)點(diǎn)將以高速填充空穴， 6 發(fā)生互相撞擊而形成水擊。這種現(xiàn)象發(fā)生在固體壁上將使 過(guò)流部件受到腐蝕破壞。上述產(chǎn)生氣泡和氣泡破裂使過(guò)流部件遭到破壞的過(guò)程就是泵中的汽蝕過(guò)程。 三 、泵產(chǎn)生汽蝕時(shí)的現(xiàn)象 產(chǎn)生噪聲和振動(dòng) 由于泵汽蝕時(shí)，氣泡在高壓區(qū)連續(xù)發(fā)生突然破裂，以及伴隨的強(qiáng)烈水擊，而產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，可以聽(tīng)到像爆豆似的劈劈啪啪的響聲。根據(jù)噪聲可以檢測(cè)汽蝕的初生。 但是，把這種汽蝕噪聲和周圍環(huán)境的噪聲以及機(jī)器內(nèi)部因水流沖擊而產(chǎn)生的噪聲區(qū)別開(kāi)來(lái)，定量地確定其程度是相當(dāng)困難的。 過(guò)流部件的腐蝕破壞 泵長(zhǎng)時(shí)間在汽蝕條件下工作時(shí)，泵過(guò)流部件的某些地方會(huì)遭到腐蝕破壞。這是因?yàn)闅馀菰谀Y(jié)時(shí)金屬表 面受到像利刃似的高頻（ 600～ 25000Hz）強(qiáng)烈沖擊，壓力達(dá) 49MPa，致使金屬表面出現(xiàn)麻點(diǎn)以至穿孔。嚴(yán)重時(shí)金屬晶粒松動(dòng)并剝落而呈現(xiàn)出蜂巢狀。汽蝕破壞除機(jī)械力作用外還伴有電解、化學(xué)腐蝕等多種很復(fù)雜的作用。 實(shí)踐證明，汽蝕腐蝕破壞的部位，正是氣泡消失之處。所以常常在葉輪出口和壓水室進(jìn)口部位發(fā)現(xiàn)破壞痕跡。泵內(nèi)部流動(dòng)方向急劇變化，液流角度和葉片角度不一致或斷面突然變化處，如產(chǎn)生局部汽蝕，則在此稍后部位往往出現(xiàn)汽蝕破壞。 在葉片進(jìn)口低壓部分發(fā)生的氣泡，并不在稍后處消失，一般在葉輪出口處以至殼體中破裂。 圖 15 汽蝕破壞 a)離心泵汽蝕破壞部位 b)混流泵汽蝕破壞部位 c) 軸流泵汽蝕破壞部位 d)金屬材料的汽蝕破壞 性能下降 泵汽蝕時(shí)葉輪內(nèi)液體的能量交換受到干擾和破壞，在外特性上的表現(xiàn)是 HQ? 曲線、PQ? 曲線、 ??Q 曲線下降。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使泵中的液流中斷，不能工作。應(yīng)當(dāng)指出，泵發(fā)生汽蝕的初生階段，特性曲線并無(wú)明顯變化，有時(shí)因產(chǎn)生的氣泡覆蓋過(guò)流部分表面，形成光滑層而使泵效率稍有提高。泵的 特性曲線出現(xiàn)明顯變化時(shí)，汽蝕已發(fā)展到一定程度。 7 四 、關(guān)于幾種汽蝕余量的概念 NPSHa —— 裝置汽蝕余量又叫有效的汽蝕余量，是由吸入裝置提供的， NPSHa 越大泵越不容易發(fā)生汽蝕； NPSHr —— 泵汽蝕余量又叫必需的汽蝕余量，是規(guī)定泵要達(dá)到的汽蝕性能參數(shù)， NPSHr 越小，泵的抗汽蝕性能越好； NPSHt —— 試驗(yàn)汽蝕余量， 是汽蝕試驗(yàn)時(shí)算出的值，試驗(yàn)汽蝕余量有任意多個(gè)，但對(duì)應(yīng)泵性能下降一定值的試驗(yàn)汽蝕余量只有一個(gè)，稱為臨界汽蝕余量，用 NPSHc 表示。 ? ?NPSH —— 許用汽蝕余量，這是確定泵使用條件（如安裝高度）用的汽蝕余量，它應(yīng)大于臨界汽蝕余量，以保證泵運(yùn)行時(shí)不發(fā)生汽蝕。 這些汽蝕余量有如下關(guān)系： ? ? N P S H aN P S HN P S H rN P S H c ??? 五 、 NPSHr 的物理意義 NPSHr 的物理意義表示液體在泵進(jìn)口部分壓力下降的程度 。所謂必需的汽蝕余量，是指要求吸入裝置必須提供這么大的 汽蝕余量 ， 方能補(bǔ)償壓力降，保證泵不發(fā)生汽蝕。NPSHr 是因流速變化和水力損失引起的，影響它的主要因素是泵吸入室的幾何形狀和流速，而與吸入管路系 統(tǒng) ，液體的性質(zhì)等參數(shù)無(wú)關(guān)，它只與泵結(jié)構(gòu)有關(guān)，確切地說(shuō)，它只與葉輪形狀及進(jìn)、出口形狀有關(guān)； NPSHr 和 NPSHa 是兩個(gè)性質(zhì)不同的參數(shù) ， NPSHr 由泵本身的特性決定，是表示泵本身抗汽蝕性能的參數(shù)， NPSHr 越大，泵的汽蝕性能越差，反之越好，而 NPSHa 是由外界的吸入裝置特性決定的。 泵產(chǎn)生汽蝕的界限 NPSHrNPSHa ? NPSHrNPSHa ? ， 泵開(kāi)始汽蝕 ； NPSHrNPSHa ? ， 泵嚴(yán)重汽蝕 ； NPSHrNPSHa ? ， 泵無(wú)汽蝕 。 六 、裝置汽蝕余量的計(jì)算方法 汽蝕余量計(jì)算式 gpgvgpNP SH vss ?? ??? 22 式中 gps?—— 換算到基準(zhǔn)面上的 泵 進(jìn)口壓力水頭（ m ），即根據(jù)具體情況，降泵在進(jìn)口測(cè)得的壓力水頭加（當(dāng)基準(zhǔn)面在泵進(jìn)口中心線下面時(shí)）或減去（當(dāng)基準(zhǔn)面在泵進(jìn)口中心線上面時(shí)）進(jìn)口中心線到基準(zhǔn)面的垂直距離； gvs22 —— 測(cè)量壓力 sp 斷面的液體平均速度頭 （ m ） ； gpv?——