水泵原理詳細介紹

借動力設(shè)備和傳動裝置或利用自然能源將水由低處升至高處的水力機械,。廣泛應用于農(nóng)田灌溉,、排水以及農(nóng)牧業(yè),、工礦企業(yè)、城鎮(zhèn)供水,、排水等方面,。用于農(nóng)田排灌、農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)過程中的水泵稱農(nóng)用水泵,，是農(nóng)田排灌機械的主要組成部分之一,。

類型 　

根據(jù)不同的工作原理可分為容積水泵、葉片泵等類型,。容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量,，主要有活塞泵、柱塞泵,、齒輪泵,、隔膜泵、螺桿泵等類型,。葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量,，有離心泵、軸流泵和混流泵等類型,。潛水電泵的泵體部分是葉片泵,。其他類型的水泵有射流泵、水錘泵,、內(nèi)燃水泵等,，分別利用射流水錘和燃料爆燃的原理進行工作。水輪泵則是水輪機與葉片泵的結(jié)合,。上述各類水泵中以下列各式較具代表性,。

離心泵是利用離心力的作用增加水體壓力并使之流動的一種泵。由泵殼,、葉輪,、 轉(zhuǎn)軸等組成。動力機帶動轉(zhuǎn)軸,，轉(zhuǎn)軸帶動葉輪在泵殼內(nèi)高速旋轉(zhuǎn),，泵內(nèi)水體被迫隨葉輪轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生離心力。離心力迫使液體自葉輪周邊拋出,，匯成高速高壓水流經(jīng)泵殼排出泵外,，葉輪中心處形成低壓，從而吸入新的水流,，構(gòu)成不斷的水流輸送作用,。葉輪具有逆旋轉(zhuǎn)方向彎曲的葉片，其結(jié)構(gòu)型式有封閉式、半封閉式和敞開式3種,農(nóng)用的多為封閉式葉輪,，葉片兩側(cè)由圓盤封閉,。泵體沿出水管方向逐漸擴張成蝸殼形。水流自葉輪一面吸入的稱單吸離心泵,，自葉輪兩面吸入稱雙吸離心泵,。為增加揚程，可將多個葉輪裝在同一軸上成為多級離心泵,。由前一葉輪排出的水進入后一葉輪的進水口,，增壓后再從后一葉輪排出，因而葉輪數(shù)愈多,，壓力愈高,。有的離心泵帶有能自動排除吸水管和泵體內(nèi)空氣的裝置，在起動前無需向泵體灌水,，稱自吸離心泵,，但其效率常低于一般離心泵。

離心泵在農(nóng)田排灌和農(nóng)牧業(yè)供水中應用最廣,。多用于揚程高而流量小的場合。單級離心泵的揚程為5～125米,，排出的流量均勻,一般為6.3～400米3/小時,效率約可達86～94％,。

軸流泵 　

由泵殼、葉輪和轉(zhuǎn)軸等機件構(gòu)成,。也稱螺槳泵,。葉輪上有螺旋槳狀的葉片若干，當葉輪隨轉(zhuǎn)軸一起被動力機械驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時,，各葉片將水推向一端,，同時又在另一端從水源吸取水，使水產(chǎn)生沿著平行于轉(zhuǎn)軸方向的連續(xù)流動,，達到不斷輸送水流的目的,。水流壓力因葉輪轉(zhuǎn)動作用而提高。由葉輪出來的旋轉(zhuǎn)水流通過固定導葉后,，消除了旋轉(zhuǎn)分速度,，并由于擴散作用而使其部分動能轉(zhuǎn)換成壓力能,推動泵殼內(nèi)的水流沿軸向上升,由出水管流出。軸流泵多用于揚程低而流量大的場合,，揚程范圍1～25米左右,；流量2.7～60.0米3/秒，效率可達85～90.5％,。安裝方式有立式,、臥式和斜式3種,其中以立式軸流泵應用較多(圖2)。 大型軸流泵葉輪輪轂上的旋槳葉片的安裝角度可以調(diào)節(jié),，或借液壓傳動的轉(zhuǎn)軸在運行中隨時間調(diào)節(jié),，以適應揚程及流量變化的要求,，獲得較高的生產(chǎn)率，故稱可調(diào)式軸流泵,。

貫流泵是臥式軸流泵的一種,。由電動機、減速裝置和水泵組成一整體,，裝設(shè)在水下堤壩內(nèi)部的機坑內(nèi),，其進出水流道位于一條直線上，近似直圓筒形,，水力損失少,，提水效率高，且結(jié)構(gòu)緊湊,，安裝,、檢修方便，泵站工程簡單,。圬工泵是一種低揚程軸流泵,，除葉輪及其外圍的泵殼用金屬材料制成以外，進水流道和出水流道均采用磚石或混凝土結(jié)構(gòu),，其揚程在2米以下,流量大,、結(jié)構(gòu)簡單、造價低,、效率高,。適用于低洼地區(qū)的排澇和灌溉。

混流泵 　

構(gòu)造和工作原理兼有離心泵和軸流泵兩種類型的特點的一種水泵,。葉輪被動力機械帶動旋轉(zhuǎn)時,，葉片一方面推動著水體，同時又驅(qū)使水體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心作用,。水體在葉片的推力和離心力的作用下產(chǎn)生流動和提高壓力,。水流由軸向流入葉輪后沿葉片斜向流出，常用于輸送排量較大而壓力中等的場合,。通常有蝸殼式和導葉式兩種類型,。蝸殼式混流泵的結(jié)構(gòu)同離心泵相似，利用蝸殼形流道將水流通過葉輪后獲得的動能轉(zhuǎn)換為壓力能,，一般中,、小型混流泵多采用蝸殼式結(jié)構(gòu)。導葉式混流泵也稱斜流泵,，其結(jié)構(gòu)與軸流泵相似,，具有徑向尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡單輕便等特點。大型混流泵以導葉式居多,，其葉片的安裝角度一般也能調(diào)節(jié),。混流泵的揚程范圍一般為 3～10.5米,，起動功率較低,，能適應水位的變化,流量為0.1～50米3/秒；效率可達64～86％,。20世紀70年代以來,，大型混流泵的發(fā)展速度較快，在許多場合有取代大型軸流泵的趨勢,。

長軸深井泵 　

多數(shù)是一個立式單吸離心泵,，其葉輪裝在井中動水位以下，動力機設(shè)置在井上,，通過傳動長軸驅(qū)動葉輪在導流殼內(nèi)旋轉(zhuǎn),，水流沿導流殼與葉輪之間的流道，經(jīng)輸水管向上提升到地面,。揚程高時可采用多個葉輪串聯(lián)的多級離心泵,。由于傳動長軸的制造和安裝精度要求較高，效率隨井深的增加而顯著降低,，因而一般只用于不超過100米的深井,。

潛水電泵 　

泵體葉輪和驅(qū)動葉輪的電機都潛入水中工作的一種水泵，有深井用和作業(yè)面用兩種,。深井用潛水電泵通過伸入井中的電纜向電機供電，免去了傳動長軸,，因而結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,安裝,、使用和轉(zhuǎn)移方便，在有電源地區(qū)有取代長軸深井泵的趨勢,，但對含沙量大的水井和無電源地區(qū)不適用,。潛水電泵用的電動機有干式（電機全部密封）、半干式（電機的定子密封,，而轉(zhuǎn)子在水中運轉(zhuǎn)）,、充油式（電機內(nèi)部充油以防水分侵入繞組）和濕式(電機內(nèi)部充水，定子和轉(zhuǎn)子都在水中運轉(zhuǎn))等類型,。前3種都需要密封且制造安裝精度要求較高,因而農(nóng)用深井潛水電泵通常采用濕式電動機,，其定子繞組采用耐水絕緣導線或在定子繞組端部及槽內(nèi)澆注合成樹脂，水進入電機內(nèi)部影響不大,密封結(jié)構(gòu)可大大簡化,只要求防砂,。有的深井潛水電泵揚程高達1400米,，最大流量達1.4米3／秒。

射流式深井泵 　

通常是由射流泵和離心泵配以相應套管組成。用于從30米以內(nèi)的深井中提水,。射流泵的工作原理是使壓力通過噴嘴噴射到喉管的入口處,，由于射流的橫向紊動擴散作用，帶走吸水管內(nèi)的空氣,，使管內(nèi)形成真空,，井水被吸入并與射流水在喉管內(nèi)混合，進行能量交換,。在喉管的出口處二者的流速趨近一致,，再通過擴散管將大部分動能轉(zhuǎn)換為壓力能，使水壓進一步提高,，最后從排水管排出,。

射流式深井泵有兩種組合類型：①將射流泵同離心泵并聯(lián)，離心泵通過管路將壓力水送入射流泵,，射流泵將這部分水與被吸水一同向上提升,，從而使小流量的高壓水轉(zhuǎn)換成大流量的低壓水，主要用于地面灌溉和渠道清淤等,；②將射流泵和離心泵串并聯(lián),，使射流泵給離心泵加壓，提高其吸程,，而將離心泵的出水量分出一部分提供給射流泵,其余部分送入壓水池或壓力管路,其出水壓力較高,，主要用于噴灌設(shè)備和農(nóng)牧業(yè)供水。同潛水電泵和長軸深井泵相比,，射流式深井泵具有結(jié)構(gòu)簡單,、工作可靠、制造方便,、成本低等特點,；但效率較低，相同工況下的電耗較高,。

螺桿泵 　

依靠螺桿轉(zhuǎn)動時泵腔容積的變化吸入和輸送水體的一種容積泵,。有單螺桿、雙螺桿和多螺桿等類型,。在農(nóng)業(yè)中使用的是單螺桿泵,，其泵腔由鋼制螺桿和固定安裝在泵殼內(nèi)的橡膠套管組成。具有單螺距的螺桿在具有雙螺距內(nèi)螺旋的套管內(nèi)轉(zhuǎn)動,，兩者間形成的空腔由吸入端移動到出口端,，從而形成連續(xù)的水流。由于其結(jié)構(gòu)簡單,、體積小,、拆裝容易,、工作可靠，自吸性能好,，多用于移動式噴灌系統(tǒng),。

手動隔膜泵 　

用于低揚程、小流量的提水作業(yè),，由泵體,、 進出水管、進出水閥門,、 隔膜和推拉桿等組成,。泵體可由一個或兩個泵腔組成。具有兩個泵腔的隔膜泵,，其隔膜設(shè)置在泵體的中央,，或兩個隔膜分別裝在分隔的兩個泵腔外側(cè)。工作時由兩人用手操縱與隔膜相連的推拉桿,，推動隔膜作壓進和張開的往復運動,，使兩個泵腔的容積交替擴大和縮小。當泵腔擴大時,，壓力減小,，進水閥開啟出水閥關(guān)閉，水從進水管流入泵腔,；當泵腔縮小時,，壓力加大，進水閥關(guān)閉,，出水閥開啟,，泵腔內(nèi)的水從排水管流出，兩個泵腔交替吸水和排水,，每小時可提水10～20噸,。

拉桿式活塞泵 　

由畜力原動機、風力機或內(nèi)燃機等驅(qū)動,，常在放牧場上從井中提水時使用。由泵缸,、活塞,、進出水管、進出水閥門,、拉桿和傳動裝置等組成,。活塞靠連接在它上面的拉桿帶動,，在泵缸內(nèi)作上下往復運動,。當活塞向上運動時,，進水閥開啟，進水管中的水進入泵缸,同時出水閥關(guān)閉,活塞上面的水被帶動向上提升,；當活塞向下運動時,，進水閥關(guān)閉，出水閥開啟,，泵缸內(nèi)的水由出水閥升到活塞上面,，如此反復進水和提升，使水不斷從排水管排出,。 　　

性能參數(shù) 　

衡量水泵性能的技術(shù)參數(shù)有流量,、吸程、揚程,、軸功率,、水功率、效率等;對葉片式水泵來說,還有轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)數(shù),。

①吸程,。即水泵的吸水高度。指由泵體中心至水源水平面的垂直距離,，利用泵體內(nèi)真空度抽吸水流時,容許吸程一般不大于7.5米,。

②揚程。即水泵的提水高度,。指單位重量的水通過水泵后,，能量增加的數(shù)值。一般將抽水站進,、出水池水面的高度差稱為實際揚程,； 加上抽水站管路及其附件(如底閥、彎頭,、閘閥等)的水頭損失稱為總揚程,。水泵銘牌上所標的揚程,是指水泵在一定轉(zhuǎn)速條件下效率最高時的揚程，是實際揚程和損失揚程之和,。

③流量,。指水泵在單位時間內(nèi)輸水的數(shù)量,也稱輸水量。常用的流量單位有升/秒,、米3/秒,、米3/小時、千克/秒,、噸/小時等幾種,。

④軸功率。指動力機械輸送給水泵軸的功率,，即水泵的輸入功率,。

⑤水功率,。又稱有效功率。指單位時間內(nèi)水泵用于輸水的實際功率,，即水泵的輸出功率,。

⑥效率。水功率與軸功率的比值即為水泵效率,，通常以百分數(shù)表示,。它是用來衡量動力機械傳送給水泵的能量利用情況的指標，反映出水泵效能的優(yōu)劣,。

⑦比轉(zhuǎn)數(shù),。表示水泵特性的綜合性參數(shù)。通常用nS來表示,。nS=3.65nQ1/2H-3/4,。式中n為轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/分)，Q為流量(米3/秒),對雙吸式水泵應以Q/2代入式內(nèi);H為揚程(米),。水泵的比轉(zhuǎn)數(shù)與水泵的各項參數(shù)密切相關(guān),。一般離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)較小,因其葉輪直徑大,出口寬度窄,揚程高而流量小,；而軸流泵的比轉(zhuǎn)數(shù)較大,因而揚程低而流量大,；混流泵則介于兩者之間。常用離心泵的比轉(zhuǎn)數(shù)為30～300,混流泵為300～600,軸流泵為500～1800,。兩臺幾何相似的葉片泵,其比轉(zhuǎn)數(shù)必然相等,。因而可以利用幾何相似模型的試驗數(shù)據(jù)來預測大型泵的性能參數(shù)。

水泵的配套功率 　

水泵與動力的合理配套對保證水泵的正常運行,，以獲得高效率和低能耗具有重要的意義,。配套動力機的功率根據(jù)水泵的揚程H(米)和流量Q（米3/秒）按下式計算：（千瓦）。揚程H 由幾何揚程Hj和管路損失HS兩項組成,，在初步選型時可按HS=(0.1～0.2)Hj估算,。 管路確定后根據(jù)管道和接頭的類型或尺寸按流體力學方法計算或查表求得。式中K 為功率儲備系數(shù),常用K=1.05～1.3,功率大時取小值;η1為傳動效率,，當動力機與水泵直接聯(lián)結(jié)時η1=1,；η2為水泵效率，根據(jù)泵型和工況確定,。

進出水管與水池

水泵配套的進出水管道直徑D根據(jù)下式選用 = 1.13Q1/2V-1/2(米),式中V 為管內(nèi)流速,一般進水管V ≤2米/秒,，出水管V ≤3米/秒。如采用直徑變化的漸變管時,其漸變部分的長度應大于平均直徑的5～7 倍,。離心泵和軸流泵的進水管口設(shè)在進水池水面以下距離h1處,h1=(1.4～1.6)D1,D1為進水管直徑。軸流泵的葉輪中心線設(shè)在進水池水面以下距離h3處,h2≥(0.75～D)D0,D0為葉輪直徑,。進水管口離池底的高度h0=(0.5～1)D0,。單臺水泵的進水池寬度為(2～3)D1,。安裝多臺水泵的進水池中，相鄰進水管的間距為(3～3.5)D1,。進水管至進水池后壁的距離為(1～1.5)D1,。為避免浪費揚程，通常將出水管裝在出水池水面以下,。中小型水泵出水管下緣至池底的距離約為10～20厘米,；出水管上緣至水面的垂直距離為(1～2)V娤/2g，v2為出水流速(米/秒),；出水池長度為(6～12)D2,。D2為出水管直徑;出水管與池壁的距離為0.2～0.5米。

發(fā)展趨勢 　

對發(fā)展農(nóng)用水泵的要求是提高效率,、降低能耗和充分利用自然能源,。用一臺大泵代替多臺小泵可提高機組效率、節(jié)約材料,、降低能耗和工程造價,，且便于實現(xiàn)自動化管理。因此,，各種大型軸流泵和混流泵發(fā)展較快,最大葉輪直徑分別達到4.6米和6.2米,配套功率最高達1.25萬千瓦,，混流泵有取代部分高揚程軸流泵和低揚程離心泵的趨勢。在深井提水方面主要發(fā)展?jié)撍姳?其最大口徑已達1米,有的采用6000伏高壓電機,最大功率達2500千瓦,。水輪泵,、風力拉桿泵、螺桿泵,、各種人畜力驅(qū)動的隔膜泵,、活塞泵和專用于同噴灌設(shè)備配套的水泵等，在中國和其他一些國家也受到不同程度的重視,。