《水泵及水泵站》教材总结.docx

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《水泵及水泵站》教材总结

第一章、前言

本课程的特点和学习要点

本课程是一门专业基础课，对给排水工程专业而言，一方面是学生学习的基础课的向专业课的延伸，另一方面是学生学习专业课的基础。

在该课程中学生初步接触到工程方面的概念，并进行第一个课程设计。

因此，本课程的教学既要注重基本理论，又要强调工程实践。

引导学生建立理论学习是工程实践的基础，工程实践是理论学习的目的。

本课程以水力学、电工学、机械零件等课程为基础，在教学过程中，对涉及到相关课程的知识点进行复习和延伸，以巩固和拓展学生的知识面。

本课程一方面要注重理论体系的学习，又要培养学生建立工程方面的意识，强调理论知识是进行工程实践的基础，只有将理论和实践紧密结合，才能成为一名出色的工程技术人员。

教学重点

让学生了解水泵及水泵站在给排水工程中的作用和地位

在工程术语中，水泵站是为大家所熟悉的名词。

这是由于水泵是属于通用性的机械类而广泛应用于国民经济的各个部门。

随着现代工业的发展，采矿、冶金、电力、石油、化工、市政以及农林等部门中，各种形式的泵站很多，其投资和规模越来越大，功能分类愈来愈细。

在给排水工程中，水泵及水泵站是必不可少的部分，城市给水的取水工程、管网的压力调节、废水处理、水处理的加药系统等，都离不开水泵及水泵站。

在城市排水中，有雨水排水泵站、污水排水泵站。

从经济的角度看，城市供水企业一般都是用电大户。

在整个给水工程的用电中，95%~98%的电量是用来维持水泵的运转，其它的2%~5%用在制水过程中的辅助设备上。

以一般的城镇水厂而言，泵站消耗的电费，通常占制水成本的40%~70%，甚至更多。

就全国水泵机组的电能消耗而言，它占全国电能总耗的21%以上。

因此，通过科学调度优化，提高机组设备的运行效率；采用调速电机，扩大水泵机组的高效工作段；对设备陈旧的机泵，及时采取更新改造等措施，都是降低泵站电耗的重要途径。

由于水泵在给排水工程应用的广泛性和泵站在制水成本中占有较高的比例，因此学好《水泵及水泵站》这门课程是相当必要的。

第二章、叶片式水泵

叶片式水泵在水泵中是一个大类，其特点是依靠叶轮的高速旋转以完成其能量的转换，将机械能转化为水的动能和势能，达到输送水的目的。

在城镇及工矿企业的给排水工程中，大量使用的水泵是叶片式水泵，其中以离心泵最为普遍。

本章将以离心泵为重点，进行详细介绍和说明。

教学重点：

离心泵工作原理和构造、离心泵的基本方程式、离心泵装置的总扬程、离心泵的特性曲线、离心泵的定速运行工况、离心泵的调速运行工况、

离心泵并联与串联运行工况、离心泵的吸水性能。

教学难点：

离心泵的基本方程式、离心泵并联与串联运行工况。

2.1、离心泵的工作原理

通过对敞口容器中，绕圆筒中心作等速旋转运动时，圆筒内水压的分布来揭示离心泵工作的基本原理，如图1所示。

图1旋转圆筒中的水流运动

取如图所示的坐标系，以顶点O为坐标原点，应用流体的全微分方程，

dP=ρ（Xdx+Ydy+Zdz）

X、Y、Z—分别为流体在x，y，z方向上的加速度

X=ωx2Y=ωy2Z=-g

则：

dp=ρ（ωx2dx+ωy2dy-gdz）

积分得：

P=

在O点时P=Pa，z=0，x=0，y=0，r=0，解得：

C=Pa

∴

显然，容器内最小压强位于原点O处，其值等于大气压Pa，最大压强位于容器底部的边缘，r=0.5D、z=-H处，即为：

离心泵就是基于这一原理来工作的，所不同的是离心泵的叶轮、泵壳都是经过专门的水力计算和设计来完成的。

2.2、离心泵的构造

离心泵是由许多零件组成的。

下面以给排水工程中常用的单级离心泵为例，来说明各零件的作用、材料和组成。

离心泵的结构图见教材P5。

在离心泵的零件中，叶轮和泵轴是离心泵中的转动部件，泵壳和泵座是离心泵中的固定部件，此二者之间存在着3个交接部分，它们是：

泵轴与泵壳之间的轴封装置为填料盒；叶轮与泵壳内壁接缝处的减漏装置为减漏环；以及泵轴与泵座之间的转动连接装置为轴承座。

（1）叶轮

叶轮是离心泵的主要零件。

叶轮的形状和尺寸是通过水力计算来决定的。

选择叶轮材料时，除了考虑离心力作用下的机械强度以外，还要考虑材料的耐磨和耐腐蚀性能。

目前多数叶轮采用铸铁、铸钢和青铜制成。

叶轮一般分为单吸式与双吸式两种。

叶轮按其盖板情况又可分为封闭式叶轮、敞开式叶轮和半开式叶轮三种形式。

（2）泵轴

泵轴是用来旋转叶轮的，常用材料是碳素钢和不锈钢。

泵轴应有足够的强度和足够的刚度。

叶轮和轴用键来联结。

（3）泵壳

离心泵的泵壳通常铸成涡壳形，其过水部分要求有良好的水力条件。

叶轮工作时，沿涡壳的渐扩断面上，流量是逐渐增大的，为了减少水力损失，在水泵设计中应使沿蜗壳渐扩断面流动的水流速度是一常数。

水由蜗壳排出后，经锥形扩散管而流入压水管。

蜗壳上锥形扩散管的作用是降低水流的速度，使流速水头的一部分转化为压力水头。

泵壳的材料选择，除了考虑介质对过流部分的腐蚀和磨损外，还应使泵壳体具有作为耐压容器的足够的机械强度。

（4）泵座

泵座上有与底板或基础固定用的法兰孔。

泵壳上设有充水和放气的螺孔，以便在水泵启动前用来充水及排走泵壳内的空气。

在水泵吸水和压水锥管的法兰上，开设有安装真空表和压力表的测压螺孔，以便在水泵停车检修时用来放空积水。

（5）轴封装置

泵轴在穿出泵壳时，在轴与壳之间存在着间隙，如不采取措施，间隙处就会有泄漏。

为此，需在轴与壳之间的间隙处设置密封装置，称之为轴封。

目前，应用较多的轴封装置有填料密封、机械密封。

（6）减漏环

叶轮吸入口的外圆与泵壳内壁的接缝处存在一个转动接缝，它正是高低压交界面，且具有相对运动的部位，很容易发生泄漏。

为了减少泵壳内高压水向吸水口的回流量，一般在水泵构造上采用两种减漏方式：

减小接缝缝隙；增加泄露通道中的阻力等。

在实际应用中通常加装减漏环。

（7）轴承座

轴承座是用来支轴承的。

轴承装于轴承座内作为转动体的支持部分。

水泵中常用的轴承为滚动轴承和滑动轴承。

（8）联轴器

电动机的出力是通过联轴器传递给水泵的。

联轴器又称“靠背”轮，有刚性和柔性两种。

（9）轴向力平衡措施

单级离心泵，由于其叶轮缺乏对称性，离心泵工作时，叶轮工作两侧作用的压力不相等。

因此，在水泵叶轮上作用有一个推向吸入口的轴向力。

这种轴向力特别对于多级式的离心泵来讲，数值相当大，必须采用专门的轴向力平衡装置来解决。

对于单级单吸离心泵而言，一般采用在叶轮的后盖板上钻开平衡孔，并在后盖板上加装减漏环。

压力水经此减漏环时压力下降，并经平衡孔流回叶轮中去，使叶轮后盖板上的压力与前盖板相接近，这样就消除了轴向推力。

2.3、叶片泵的基本性能参数

水泵的基本性能，通常由6个性能参数来表示：

（1）流量（抽水量）—Q，水泵在单位时间内所输送的液体数量。

常用单位是：

m3/h、L/s、t/h。

（2）扬程—H，水泵对单位重量（1kg）液体所作之功，也即单位重量液体通过水泵后其能量的增量。

其单位为kg·m/kg，也可折算成抽送液体的液柱高度（m）表示。

（3）轴功率—N，泵轴得自原动机所传递的功率称为轴功率，单位kW。

（4）效率—η，水泵的有效功率与轴功率之比值。

单位时间内流过水泵的液体从水泵那里得到的能量叫做有效功率，以Nu表示，Nu=γQH（kg.m/s）

（5）转速—n，水泵叶轮的转动速度，通常以每分钟转动的次数来表示，单位为r/min。

（6）允许吸上真空高度（Hs）及气蚀余量（Hsv）

允许吸上真空高度（Hs）—指水泵在标准状况下（20℃、1atm）运转时，水泵所允许的最大吸上真空高度。

单位为mH2O。

水泵厂一般常用Hs来反映水泵的吸水性能。

气蚀余量（Hsv）—指水泵进口处，单位重量的液体所具有超过饱和蒸汽压力的富裕能量。

水泵厂一般常用Hsv来反映轴流泵、锅炉给水泵的吸水性能。

单位为mH2O。

2.4、离心泵的基本方程式

离心泵是靠叶轮的旋转来抽送水的，那么，工作水流在旋转的叶轮中究竟是如何运动的？

一个旋转的叶轮能够产生多大的扬程？

对于这些运动规律，将借助于离心泵的基本方程式的推导和分析，逐一得到进一步的了解。

（1）叶轮中液体的运动情况

图2所示为离心泵闭式叶轮的平面及剖面。

水流从吸水管沿着泵轴的方向以绝对C0自叶轮进口处流入，液体质点在进入叶轮后，就经历着一种复合圆周运动。

因此，研究液体质点在叶轮中的流动时，存在着两个坐标系统：

旋转着的叶轮是动坐标系统；固定不动的泵壳或泵座是静坐标系统。

水流在叶槽中以速度W沿叶片而流动，这是液体质点对动坐标系统的运动，称为相对运动，其相对速度为W。

在这同时，水流又有随叶轮一起作旋转运动的一个圆周速度u，此速度可看作叶轮这个动坐标系统对泵壳这个静坐标系统的运动速度，称为牵连速度。

上述两个速度的合成，即为液体质点对泵壳的绝对速度C。

水流在叶轮中的复合运动可用速度平行四边形来表示，图中速度C1与u1和C2与u2的夹角，称为α1和α2角，W1与-u1和W2与-u2间的夹角，称为β1和β2角，在水泵的设计中β1又被称为叶片的进水角，β2被称为叶片的出水角。

图2离心泵叶轮中水流速度

β2角的大小反映了叶片的弯度，是构成叶片形状和叶轮性能的一个重要数据。

当β2<90°时，为后弯式；当β2>90°时，为前弯式；当β2=90°时，为径向式。

实际工程中使用的离心泵叶轮，大部分是后弯式叶片。

后弯式叶片的流道比较平缓，弯度小，叶槽内水力损失小，有利于提高泵的效率。

一般前弯式叶片，槽道短而弯度大，叶轮中水流损失大，水力效率低。

一般离心泵中常用的

β2值为20°~30°之间。

（2）速度三角形及其相关公式

在速度三角形中存在下列关系：

C2u=C2cosα2=u2-C2rctgβ2

C2r=C2sinα2

图3速度三角形

W22=u22+C22-2u2C2cosα2

C22=u22+W22-2u2W2cosβ2

QT=F2C2r=πD2b2C2sinα2=πD2b2C2sinα2

QT=F1C1r=πD1b1C1sinα1=πD1b1C1sinα1

（3）基本方程式的推导

研究了叶轮中液体的运动以后，可以利用动量矩定理来推导叶片式水泵的基本方程式。

为了简化分析推理，对叶轮的构造和液流性质先作3点假定：

液体是恒定流；叶槽中，液流均匀一致，叶轮同半径处液流的同名速度相等；液体为理想流体。

也不显示粘滞性，不存在水头损失，这时，扬程为的理论扬程HT，而且密度不变。

（3.1）动量矩定理

动量矩：

质点的矢径r￣与其动量mv的矢积定义为质点的动量mv对O点之矩。

动量矩定理：

质点动量mv对空间某固定点之矩对时间的变化率等于作用于质点上的力对同一点力矩之和。

（3.2）推导过程

如图3所示为离心泵某一叶槽内水流上的作用力。

在时间t=0时，这段水流居于abcd的位置，经过dt时段后，这段水流位置变为efgh。

在dt时段内，有很薄的一层水abef流出叶槽，这层水的质量，用dm表示。

根据前述假定可知，在dt时段内，流入叶槽的水cdgh也具有质量dm，而且，叶槽内的那部分水流abgh的动量矩可认为在dt时段内没有发生变化。

因此，叶槽所容纳的整股水流的动量矩变化等于质量dm的动量矩变化。

根据流动均匀一致的假定，应用动量矩定理可写出：

式中ΣM—作用在叶槽内整股水流上的所有外力矩；

R1、R2—分别为叶轮进口和出口至轴中心的半径。

组成ΣM的外力有：

叶片迎水面和背水面作用于水的压力P2及P1；作用在ab与cd面上的水压力P3及P4，它们都沿着径向，所以对转轴没有力矩；作用在水流的摩擦阻力P5及P6，但由于是理想液体，故不予考虑。

图4叶槽内水流作用力

把上式推广应用到流过叶轮的全部叶槽的水流时，式中的ΣM可以用下式表示：

式中QT—通过叶轮的理论流量

又根据假设，叶轮是在无水力损失下运