第1章 泵的基础知识

1.1 泵的定义和分类

1.1.1 泵的定义

泵是流体机械中的一种工作机，它的工作就是把原动机的机械能或其他外加的能量，转换成流经其内部液体的动能和势能。由于一般不考虑液体工作介质的可压缩性，所以，通常也称其为水力机械。泵作为一种通用类流体机械被广泛地应用于国民经济各个行业。作为能量载体的介质为水体时即称为水泵。

1.1.2 泵的分类

泵用途广泛，品种系列繁多，对它的分类方法各不相同。按其工作原理，泵一般可分为以下3大类：

（1）叶片泵：通过带有叶片的转子旋转运动，将能量传递给连续绕流叶片液体的泵。例如离心泵、轴流泵和混流泵等，如图1.1和图1.2所示。

图1.1 单级单吸悬臂式离心泵 （IS型）

1—叶轮；2—泵轴；3—轴承；4—吸入室；5—压水室；6—口环；7—轴封

（2）容积泵：通过泵体工作腔容积的周期性变化，将能量传递给流经其内部液体的泵。改变泵体工作腔容积有往复和回转两种运动方式，如图1.3所示为往复式活塞泵。常见的回转式容积泵有齿轮泵 （图1.4）和螺杆泵 （图1.5）。

（3）其他类型泵：除叶片泵和容积泵以外的泵。例如射流泵、气升泵、水锤泵等，见图1.6。

图1.2 轴流泵、导叶式混流泵构造示意图

（a）轴流泵；（b）导叶式混流泵

1—叶轮；2—泵轴；3—导轴承；4—喇叭管；5—叶轮外壳；6—导叶体；7—填料函

图1.3 往复式活塞泵构造示意图

1—进水管；2—进水单向阀；3—工作室；4—排水单向阀；5—压水管；6—活塞；7—活塞杆；8—活塞缸；

9—十字接头；10—连杆；11—皮带轮

图1.4 齿轮泵构造示意图

1—主动齿轮；2—工作室；3—出流管；

4—从动齿轮；5—泵壳；6—入流管

叶片泵具有适用范围宽且覆盖面广、工作稳定可靠且效率高、性能均匀且其参数紧密相关、结构紧凑重量轻占地小且启动迅速驱动方便和运行状况调节控制容易等很多优点，特别是叶片泵可划分成各种系列，以满足不同流量和压力的需要。在水利工程中所采用的泵绝大多数是叶片式水泵，因此，本书仅对叶片式水泵及其装置进行分析和讨论。

图1.5 单螺杆泵结构示意图

1—出料腔；2—拉杆；3—螺杆套；4—螺杆轴；5—万向节总成；6—吸入管；7—连节轴；8—填料压盖；

9—填料压盖；10—轴承座；11—轴承盖；12—电动机；13—连轴器；

14—轴套；15—轴承；16—传动轴；17—底座

图1.6 射流泵、气升泵、水锤泵构造及工作原理图

（a）射流泵；（b）气开泵；（c）水锤泵

1.1.3 叶片泵的分类与型号

1.1.3.1 叶片泵的分类

叶片泵是一种使用面广且量大的通用流体机械设备。由于应用场合、性能参数、输运介质和使用要求的不同，其品种及规格繁多，结构也呈各种各样的型式。根据不同的要求，叶片泵一般可分为如下几类：

（1）按其工作原理可分为离心泵、混流泵和轴流泵。

（2）按泵轴的工作位置可分为卧式泵、立式泵和斜式泵。

（3）按压水室的形式可分为蜗壳式泵和导叶式泵。

（4）按叶轮的吸入方式可分为单吸式泵和双吸式泵。

（5）按叶轮的个 （级）数可分为单级泵和多级泵等。

综合以上方法，叶片泵可按如图1.7所示的方法进行分类。

图1.7 叶片泵分类图

叶片泵的结构型式名称一般是由几个描述该泵结构类型的术语来命名的。常用的叶片泵都可在上述的分类中找到自己所隶属的结构类型，如卧式单级单吸蜗壳式离心泵、立式多级导叶式混流泵等结构型式名称。

1.1.3.2 叶片泵的型号

叶片泵型号表明了泵的结构形式、规格和性能。在泵样本及使用说明书中，均有对该泵型号的组成及含义的说明。表1.1给出了部分泵型号中某些字母通常所代表的含义。

该表中的字母皆为描述泵结构或结构特征的汉字拼音字母的第一个注音字母。但有些按国际标准设计或从国外引进的泵，其型号除少数为汉语拼音字母外，一般为该泵某些特征的外文缩略语。如IS表示符合有关国际标准 （ISO）规定的单级单吸悬臂式清水离心泵；IH表示符合有关国际标准的单级单吸式化工泵等。

泵的型号中除有上述字母外，还用一些数字和附加的字母来表示该泵的规格及性能。例如，水泵型号IS200150400的型号意义如下。

IS——符合ISO国际标准的单级单吸悬臂式清水离心泵；

200——水泵进口直径，mm；

150——水泵出口直径，mm；

400——叶轮名义直径，mm。

又如，水泵型号S150 78A的型号意义如下。

S——单级双吸卧式离心泵；

150——水泵进口直径，mm；

78——水泵扬程，m；

A——叶轮外径被车削的规格标志 （若为B、C则表示叶轮外径被车削得更小）。

1.1.4 叶片泵的工作原理

1.1.3.1 离心泵的工作原理

在一个圆筒形容器里按一定的旋转方向搅动其中的液体，就可以看到如图1.8所示整个容器内的液面形成一个抛物线形凹面的现象。如果圆筒的半径r越大、旋转搅动的角速度ω越大，则液面上升的高度就会越大，边壁A点处所受的静压也就越大。设想用高速旋转的叶轮代替被旋转搅动的圆筒形容器，圆筒里的液体为水，从叶轮中心点处连接管路和水源 （进水池）相通，如图1.9所示，叶轮中心点处的水由于受到旋转叶轮离心力的作用被甩向叶轮的外缘，于是叶轮中心处就形成了真空。这样，水源水在大气压力的作用下通过进水管被送到叶轮中心。叶轮连续不停地高速旋转，叶轮中心的水就会连续不断地被甩出，又源源不断地被补充，被叶轮甩出的水则流入泵体蜗壳内，在将一部分动能转换成压能后，从泵出口流进出水管道，从而将水源的水连续不断地送往高处或远处。由上述可知，离心泵是利用叶轮的高速旋转，水沿轴向流入叶轮后在离心力作用下沿径向被甩出叶轮。所以把这种泵称为离心泵。如图1.9所示的正吸程离心泵启动前要求叶轮室内充满水，旨在能产生较大的离心力，有利于在进水池水面与叶轮入口之间形成较大的压差而让水源源不断地流进泵体内。

图1.8 旋转圆筒内的液面升高

图1.9 离心泵工作原理图

1—底阀；2—叶轮入口；3—叶轮；4—泵壳；5—出水管

1.1.3.2 轴流泵的工作原理

轴流泵的工作原理与离心泵不同，它主要是利用旋转叶轮上的叶片对液体产生的升力使通过叶轮的液体获得能量的。由于轴流泵叶轮叶片背面 （凸表面）的曲率半径比工作表面（凹表面）的大，当叶轮旋转液体绕过叶片时，叶片上表面上的流速小于叶片下方流速，由流体力学可知，叶片下表面的压力就比上表面的压力小。因此，水流对叶片的作用力Pdown的方向垂直向下，此力即为轴向水推力。由牛顿第三定律可得，叶片对水流的作用力Pup的方向垂直向上，水在此力作用下增加了能量，被提升到一定的高度，如图1.10所示。与离心泵不同的是，轴流泵内的水流沿轴向流进和流出叶轮，故称这种泵为轴流泵。

图1.10 轴流泵工作原理示意图

1—叶轮；2—导叶；3—泵轴；4—出水弯管；5—吸水喇叭管

1.1.3.3 混流泵的工作原理

混流泵内水流既受离心力作用也受升力作用，水流沿轴向流进叶轮，而以斜向 （处于轴向与径向之间）流出叶轮。可以看出，混流泵兼有离心泵和轴流泵的工作特点。因此，以下的分析讨论均以离心泵和轴流泵为主，兼顾叙述混流泵的有关内容。