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第13章 泵

泵是一种人们所熟悉的机械,它主要用来输送液体或使液体增压。泵输送液体的原理是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。泵主要用来输送的液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等,也可用来输送液体和气体混合物以及含悬浮固体物的液体。

泵的历史

水的输送对人类生活和生产有十分巨大的影响。古代就已有各种提水的器具,例如埃及的链泵,中国的桔槔、辘轳和水车。除这些之外,比较著名的还有公元前3世纪阿基米德制造的螺旋杆,螺旋杆可以平稳连续地将水提至几米高处,其原理仍为现代螺杆泵所利用。

公元前200年左右,古希腊工匠发明了灭火泵,这是一种最原始的活塞泵,已具备标准活塞泵的主要元件,然而活塞泵开始并未推广,只是在出现了蒸汽机之后才得到迅速发展。

1840~1850年,美国沃辛顿发明了泵缸和蒸汽缸相对的、蒸汽直接作用的活塞泵,这个活塞泵的发明标志着现代活塞泵的形成。19世纪,活塞泵的发展逾演逾烈,当时活塞泵已广泛应用于水压机等多种机械中。20世纪20年代,工业和生活需水量逐渐增加,低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的离心泵和回转泵所代替,但是在高压小流量领域,往复泵仍有很大的应用空间,尤其是隔膜泵、柱塞泵独具优点,应用日益增多。

随着工业上对液体输送的要求日益多样化,回转泵出现了。1588年有了关于四叶片滑片泵的记载,以后陆续出现了其他各种回转泵,但直到19世纪回转泵仍存在泄漏大、磨损大和效率低等缺点。20世纪初,人们解决了转子润滑和密封等问题,并采用高速电动机驱动,这样适合较高压力、中小流量和各种粘性液体的回转泵得到迅速发展。回转泵的类型和适宜输送的液体种类之多为其他各类泵所不及。

列奥纳多·达·芬奇在其绘制的草图中提出了利用离心力输水的想法。1689年,法国物理学家帕潘发明了四叶片叶轮的蜗壳离心泵,但是1818年在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的所谓马萨诸塞泵更接近现代离心泵。1851~1875年,带有导叶的多级离心泵相继被发明,使得发展高扬程离心泵成为可能。

1754年,瑞士数学家欧拉提出了叶轮式水力机械的基本方程式,奠定了离心泵设计的理论基础,但直到19世纪末,高速电动机的发明使离心泵获得理想动力源之后,离心泵的优越性才得到大家的重视。在英国的雷诺和德国的普夫莱德雷尔等许多学者的理论研究和实践的基础上,离心泵的效率大大提高,它的性能范围和使用领域也日益扩大,已成为现代社会应用范围最广的泵。

泵的种类

按工作原理可将泵分为容积式泵、动力式泵和其他类型泵,如射流泵、水锤泵、电磁泵、气体升液泵。泵除了可以按工作原理分类外,还有很多种分类方法。例如,按驱动方法可将泵分为电动泵和水轮泵等;按结构可将泵分为单级泵和多级泵;按用途可将泵分为锅炉给水泵和计量泵等;按输送液体的性质可将泵分为水泵、油泵和泥浆泵等。

容积式泵是最常见的一种泵,它依靠工作元件在泵缸内做往复或回转运动,使工作容积交替地增大或缩小,从而使液体的吸入和排出得以进行。工作元件做往复运动的容积式泵称为往复泵,做回转运动的称为回转泵。往复泵的吸入和排出过程在同一泵缸内交替进行,并由吸入阀和排出阀加以控制;回转泵则是通过齿轮、螺杆、叶形转子或滑片等工作元件的旋转作用,迫使液体从吸入侧转移到排出侧。

容积式泵的状态相当稳定,在一定转速或往复状态下的流量是固定的,流量几乎不随压力而改变;往复泵的流量和压力有较大脉动,需要采取相应的消减脉动措施;回转泵一般无脉动或只有小的脉动,它具有自吸能力,泵启动后即能清除管路中的空气然后吸入液体,启动泵时必须将排出管路阀门完全打开。往复泵适用于高压力和小流量的工作;回转泵适用于中小流量和较高压力的工作。总的来说,容积式泵的效率很高,一般超过动力式泵的效率。

动力式泵靠快速旋转的叶轮对液体产生作用力,并将机械能传递给液体,使其动能和压力能增加,最后再通过泵缸,将大部分动能转换为压力能而实现对液体的输送。动力式泵又叫叶轮式泵或叶片式泵,离心泵是最常见的动力式泵。

动力式泵具有很多优点:在一定转速下产生的扬程有一个限定值,扬程随流量而改变;工作稳定,输送连续,流量和压力无脉动;一般无自吸能力,需要将泵先灌满液体或将管路抽成真空后才能开始工作;适用性能范围广;适宜输送粘度很小的清洁液体,特殊设计的泵可输送泥浆、污水。动力式泵主要用于给水、排水、灌溉、流程液体输送、电站蓄能、液压传动和船舶喷射推进等。

除动力式泵外,还有其他类型的泵,这些泵指的是以另外的方式传递能量的一类泵。例如射流泵依靠高速喷出流体,然后将需要输送的流体吸入泵内,并通过两种流体混合进行动量交换来传递能量;水锤泵利用流动中的水被突然制动时产生的能量使其中的一部分水压升到一定高度;电磁泵使通电的液态金属在电磁力作用下产生流动而实现输送;气体升液泵通过导管将压缩空气或其他压缩气体送至液体的最底层处,使之形成比液体轻的气液混合流体,再借管外液体的压力将混合流体压升上来。

泵的性能指数

流量、扬程、轴功率和转速等是泵的性能参数。流量是指单位时间内通过泵出口输出的液体量,一般采用体积流量;扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量,对于容积式泵,能量增量主要体现在压力能增加上,所以通常以压力增量代替扬程来表示。泵的效率不是一个独立的性能参数,按公式可以由别的性能参数例如流量、扬程和轴功率计算求得它。反之,已知流量、扬程和效率也可求出轴功率。泵的各个性能参数之间存在着一定的关系,因而可以通过对泵进行试验,分别测得和算出各个参数值,并画成曲线来表示,这些曲线称为泵的特性曲线。每一台泵都有自己的特性曲线,这个特性曲线由泵制造厂提供。通常工厂在给出特性曲线的同时还标明推荐使用的性能区段,这个性能区段即泵的工作范围。

泵到底该在哪个点工作呢?这由泵的曲线与泵的装置特性曲线的交点来确定。因此选择和使用泵,应使泵的工作点落在工作范围内,这样才能保证运转的经济性和安全性。此外,同一台泵输送不同的液体时,特性曲线也会有所改变。通常,泵制造厂所提供的特性曲线大多是指输送干净的凉水时的特性曲线。一般来说动力式泵在使用时,随着液体粘度的增大,效率就会降低,轴功率增大,所以工业上有时将粘度大的液体加热使粘性变小,以提高输送效率。

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