台湾某高校的离心泵讲义

一、泵的分类
               1.泵(pump)：也称泵浦、唧筒，是一种提供流体能量，使流体获得压力、
                                    速度的机械。
                  2.泵在管路系统的功能有若人体的心臟促使血液循环般的重要。
                  3.泵的型式很多，依其工作原理，可分成离心泵、正位移泵及特殊泵等三大类，
                    如下表：
                                                       表1.6.1   泵的分类
分类 

 型式  

 特点 

 
动能式  

 离心泵

 输送率大，价廉，低扬程
正位移式   

 往复泵

 產生高压 
旋转泵

 输送高黏性液体 
特殊式  

 酸蛋

 输送腐蚀性、危险性液体  

气升泵 

 输送腐蚀性、危险性液体0

二、离心泵的分类
             1.离心泵的型式有许多种，视实际需要而设计。
                 2.依叶轮型式分类，如下表：
                                                    表1.6.2  离心泵的叶轮型式

型式  特点 叶片形状
径流式
(radial flow type)  流体从叶轮的直径方向流出。流量较小，扬程较高。   图1.6.1
 
轴流式  5 \% K# c* D2 l) _- u# j
(axial flow type) 叶片的方向呈螺旋桨状，使流体从叶轮的轴心方向流出。流量较大，扬程较低。   图1.6.2
 
混流式  , R* _+ H$ n" `+ @: ~
(mixed flow type)
 介於径流式与轴流式之间的型式。  图1.6.3

3.依主轴方向可分為垂直式与水平式，如图1.6.4。
                 4.依叶轮数目可分為单级式与多级式。
                 5.依吸入口的不同可分為单吸式与双吸式。
三、离心泵的原理
             1.离心泵由一组含有三至六片叶片的叶轮(impeller)，置於一扁圆形的
                       外壳(casing)内构成。
                 2.离心泵的叶轮与马达连接作高速旋转。液体自叶轮的中心处吸入泵内，
                    随叶轮转动而获得动能后，复因离心力被叶片扫入涡形室。涡形室是叶
                    轮与外壳间的空隙，其空隙愈近出口处愈大，使液体的流速愈小，但是
                    压力则愈大，如图1.6.5。
                 3.一般型式的离心泵称為涡形泵(volute pump)，其能量的转换是由动能转变
                   成压力，依流体力学的原理归类為动力式泵(kinetic pump)。
                 4.涡形泵的涡流损失较大，改进的方法是在叶轮的外围装置一导流器(diffuser)，
                    引导流体有秩序的进入涡形室，称為导流泵(diffuser pump)，如图1.6.6。
　
四、离心泵的基本构件
                离心泵的基本构件包括叶轮、外壳、主轴、填料箱、轴承及外架等，如图1.6.7，
                  其功能及材料如下表：
                       表1.6.3  离心泵的基本构件
构件名称 功能 材料
叶轮 带动液体作高速转动，以產生离心力使流体获得动能。 青铜、不锈钢(316SS)、镍合金  ' B8 V5 e0 k8 J3 b/ c- X  L
 
外壳 扁圆形，与叶轮间空隙為涡形室，引导流体流动，并使流体的动能转变成压力。 铸铁
主轴
 连接马达及叶轮，使马达带动叶轮转动 不銹钢
填料箱(是防止液体渗漏的构件) 衬垫(packing) 為最简单的防渗组件，适用於水泵等渗漏时无危险性者。 石棉、特夫纶(teflon)  
格兰板(gland)0 K 将衬垫加压使主轴紧密。 不锈钢  " @3 F: v+ s3 _6 ~
 
水封或油封 此种密封的内部有通孔连接水或密封油，这些密封液体压力高过泵的输送液体，所以可阻止渗漏。 
机械密封 活动式的机械组件，原理是接触主轴的一面随轴转动，另一面则静止不动。是最有效的轴封装置。 
轴承 减少主轴的摩擦，并且使主轴的位置精确的固定。 钢质球轴承 
外架 将泵的各部分构件，牢固的固定在基地上。 碳钢  

五、离心泵的特性
                1.离心泵的扬程

                    （1）泵浦的扬程(head)：也称為水头、高差，是泵浦对每单位重量流体
                              所作的功，单位是公尺。
                    （2）泵浦的扬程可分為两种：
                                 (a)理论扬程(virtual head)：由叶轮的转速，依物理公式计算出的扬程。
                                 (b)发生扬程(developed head)：理论扬程扣除泵浦内部的摩擦，亦即
                                                                                    实际為流体所获得的扬程。
                    （3）扬程与流体的密度无关。若一泵浦具有20公尺的扬程，则在不考虑
                              摩擦损失的情况下，可将任何流体输送至20公尺高。

                 2. 离心泵的泵输送率

                    （1）泵输送率：单位时间泵所输送的流量。
                    （2）输送率的单位
                                        公制：立方公尺/小时(m3/h)或公升/秒(L/s)
                                        英制：加仑/分(gal/min，GPM)。
                    （3）离心泵的输送率：与叶片宽度及叶轮转速成正比。
   
                 3. 离心泵的功率
                    （1）功率(power)：每单位时间所作的功。
                    （2）流体功率(fluid power,Pf)：或称流体马力(fluid horsepower)，是泵对流
                                                                          体作功，而為流体实际获得的功率。
                                                                         流体功率是发生扬程与质量输送率的乘积。
                    （3）制动功率(brake power,Pb)：或称為制动马力(brake horsepower)，是电动
                                                                             机(马达)施加给泵浦的功率。
                    （4）制动功率扣除泵浦内部因摩擦造成的功率损失，即為流体功率。
                    （5）泵效率(pump efficiency，ηp)：流体功率与制动功率的比值。
                                                            ηp = Pf / Pb                                               [1.6.1]
                 4. 吸入扬程
                    （1）吸入扬程(suction head)：泵的入口处的总能量(压力能与动能)。
                              当离心泵的叶轮转动时，一方面将叶片间的液体赶入涡形室，另一
                              方面则在吸入眼处造成真空。此时若入口附近管子内的液体拥有较
                              高的能量(压力能与动能)，则液体可顺利的被吸入泵内。但是，若入
                              口处液体的压力更低於液体的蒸汽压时，则泵内液体将激烈气化，產
                              生许多成气泡，使液体无法顺利的吸入泵内，称為空动现象(cavitation)。
                              空动现象不但无法使泵浦正常运转，且因气泡在快速移动时破裂而撞
                              击叶轮，使叶轮表面受冲蚀(erosion)而產生麻点，严重者会使叶片破裂。
                    （2）一泵浦要正常抽吸时，最少需具有的入口处扬程，称為净正吸扬程需
                              求值(net positive suction head required,NPSHR)，其理论值可由蒸汽压推算，
                              但实际值则需视泵浦的摩擦及渗漏情况，而须增多数公尺。
                 5. 离心泵的特性曲线
                    （1）泵浦的特性曲线，是将发生扬程、制动马力、泵效率与所需的净正吸
                              扬程对泵输送率的关系绘成的图形。
                    （2）离心泵的特性曲线，如图1.6.8。
六、离心泵的操作原则
                 1.  离心泵内部若有空气积存时会使叶轮空转，而无液体输出，称為气结现象
                      (air binding)，这是因為气体的密度太小(约液体的数百分之一)，无法產生足
                       够压力将液体排出的缘故。离心泵若长久空转，会因摩擦所產生的热量无法
                       藉由排水散热，而造成泵浦的损坏。排解积存空气的操作称為引动(priming)，
                       是将泵浦上方的透气阀打开，灌水赶出空气；也可连接一自动引动管路将空
                       气排除。
                 2.  离心泵的啟动顺序是，先将出口阀关闭，入口阀啟开，待起动马达后再将出
                      口阀慢慢啟开，调到适当流量。停止离心泵则按相反次序，先关闭出口阀，
                      再关马达电源。
七、流体的性质对离心泵的影响
             1.  黏性液体：由於离心泵為动力式泵浦，对黏度大於40cP的流体会有扬程降低、
                                           马力增大及流量减少的不良影响。而若黏度更大於100cP则影响非
                                          常严重，而不适合输送，此时应改用旋转泵。
                 2.  挥发性流体：汽油、煤油、酒精等挥发性液体的蒸气压很高，必须考虑是否会
                                              发生空洞现象。
                 3.  悬浮性固体粒子的液体：為避免悬浮固粒与泵壳之间发生摩擦而损坏，一般以
                                                                 橡皮被覆的方式，将泵壳与叶轮之表面包覆。
                 4  腐蚀性液体：酸硷等腐蚀性液体须选用镍合金、石墨或碳化硅内衬的离心泵。