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離心泵與離心風機,離心泵的結構,離心泵的性能

*節 泵與風機的部件結構

一） 離心泵的主要部件
盡管離心泵型號繁多，但由于作用原理基本相同，因而它們的主要部件大體類同。現在分別介紹如下：

1、葉輪（impeller）
葉輪是將原動機輸入的機械能傳遞給液體，提高液體能量的核心部件。葉輪有開式（open impeller）、半開式（semi-open impeller）及閉式葉輪（closed impeller）三種，如圖所示。開式葉輪沒有前盤和后盤而只有葉片，多用于輸送含有雜質的液體，如污水泵的葉輪就是采用開式葉輪的。半開式葉輪只設后盤。閉式葉輪既有前盤也有后盤。單級單吸清水離心泵的葉輪都是閉式葉輪。離心式泵的葉輪都采用后向葉型

葉輪的運行方式：（以開式為例）

2、軸和軸承（shaftbearing）
軸是傳遞扭矩的主要部件。軸徑按強度、剛度及臨界轉速定。中小型泵剛度和臨界轉速確定多采用水平軸，葉輪滑配在軸上，葉輪間距離用軸套定位。近代大型泵則采用階梯軸，不等孔徑的葉輪用熱套法裝在軸上，并利用漸開線花鍵代替過去的短鍵。此種方法，葉輪與軸之間沒有間隙，不致使軸間竄水和沖刷，但拆裝困難。

軸承一般包括兩種形式:滑動軸承（Sleeve bearing）和滾動軸承（Ball bearing）。
滑動軸承用油潤滑。一種潤滑系統包括一個貯油池和一個油環，后者在軸轉動時在軸表面形成一個油層使油和油層不直接接觸。另一種系統就是利用浸滿油的填料包來潤滑。大功率的泵通常要用專門的油泵來給軸承送油。

滾動軸承通常用冷凍油潤滑，有些電機軸承是密封而不能獲得潤滑的。滾動軸承通常用于小型泵。較大型泵可能即有滑動軸承又有滾動軸承。而滑動軸承由于運行噪音低而被推薦用于大型泵。

3、吸入室（ suction room）
離心泵吸入管法蘭至葉輪進口前的空間過流部分稱為吸入室。其作用為在zui小水力損失下，引導液體平穩的進入葉輪，并使葉輪進口處的流速盡可能均勻的分布。
按結構吸入室可分為直錐角吸入室、彎管形吸入室、環形吸入室、半螺旋形吸入室幾種：
（1）直錐形吸入室 這種形式的吸入室水力性能好，結構簡單，制造方便。液體在直錐形吸入室內流動，速度逐漸增加，因而速度分布更趨向均勻。直錐形吸入室的錐度約7o～8o。這種形式的吸入室廣泛應用于單級懸臂式離心水泵上。

（2）彎管形吸入室 圖所示，是大型離心泵和大型軸流泵經常采用的形式，這種吸入室在葉輪前都有一段直錐式收縮管，因此，它具有直錐形吸入室的優點。

（3）環形吸入室 圖所示，吸入室各軸面內的斷面形狀和尺寸均相同。其優點是結構對稱、簡單、緊湊，軸向尺寸較小。缺點是存在沖擊和旋渦，并且液流速度分布不均勻。環形吸入室主要用于節段式多級泵中。

4）半螺旋形吸入室 圖所示，主要用于單級雙吸離心泵、水平中開式多級泵、大型的節段式多級泵及某些單級懸臂泵上。半螺旋形吸入室可使液體流動產生旋轉運動，繞泵軸轉動，致使液體進入葉輪吸入口時速度分布更均勻，但因進口預旋會致使泵的揚程略有降低，其降低值與流量是成正比的。
相比較而言，直錐形吸入室使用zui為普遍。

4、機殼（casing）
機殼收集來自葉輪的液體，并使部分流體的動能轉換為壓力能，zui后將流體均勻地引向次級葉輪或導向排出口。機殼結構主要有螺旋形和環形兩種。螺旋形壓水室不僅起收集液體的作用，同時在螺旋形的擴散管中將部分液體動能轉換成壓能。螺旋形壓水室具有制造方便，效率高的特點。它適用于單級單吸、單級雙吸離心泵以及多級中開式離心泵。單級離心式泵的機殼大都為螺旋形蝸式機殼。環形壓水室如圖所示，在節段式多級泵的出水段上采用。環形壓水室的流道斷面面積是相等的，所以各處流速就不相等。因此，不論在設計工況還是非設計工況時總有沖擊損失，故效率低于螺旋形壓水室。有些機殼內還設置了固定的導葉，就是所謂的導葉式機殼。

5、密封裝置（sealing instrument）
密封裝置主要用來防止壓力增加時流體的泄漏。密封裝置有很多種類型，用得zui多的是填料式密封和機械式密封。
填料密封是將一些松軟的填料用一定壓力壓緊在軸上達到密封目的。填料在使用一段時間后會損壞，所以需要定期檢查和置換。這種密封形式使用中有小的泄漏是正常且有益的。

而機械密封裝置有兩個硬質且光滑的表面，一個靜態一個旋轉。這種密封裝置可以達到很好的密封要求，但他們不能用于含雜質流體輸送系統，因為其光滑表面會被破環而失去密封作用。這種密封裝置在液體循環系統中非常普遍，因為他不需要維護運行很多年。

傳統的平墊密封裝置

（二） 軸流泵的主要部件

軸流泵的主要部件，如圖所示。

軸流泵的特點是流量大，揚程低。其主要部件有：葉輪、軸、導葉、吸入喇叭管等，現分述如下。
1．葉輪
葉輪的作用與離心泵一樣，將原動機的機械能轉變為流體的壓力能和動能。它由葉片、輪轂和動葉調節機構等組成。葉片多為機翼型，一般為4～6片。輪轂用來安裝葉片和葉片調節機構。輪轂有圓錐形、圓柱形和球形三種。小型軸流泵（葉輪直徑300mm以下）的片和輪轂鑄成一體，葉片的角度不是固定的，亦稱固定葉片式軸流泵。中型軸流泵（葉輪直徑300mm以上）一般采用半調節式葉輪結構，即葉片靠螺母和定位銷釘固定在輪轂上，葉片角度不能任意改變，只能按各銷釘孔對應的葉片角度來改變，故稱半調節式軸流泵。大型軸流泵（葉輪直徑在1600mm以上），一般采用球形輪轂，把動葉可調節機構裝于輪轂內，靠液壓傳動系統來調節葉片角度，故稱動葉可調節式軸流泵。

2．軸
對于大容量和葉片可調節的軸流泵，其軸均用碳素鋼做成空心，表面鍍鉻，既減輕軸的質量又便于裝調節機構。
3．導葉
軸流泵的導葉一般裝在葉輪出口側。導葉的作用是將流出葉輪的水流的旋轉運動轉變為軸向運動，同時將部分動能轉變為壓能。
4．吸入管
吸入管與離心泵吸入室的作用相同。中小型軸流泵多用喇叭形吸入管；大型軸流泵多采用肘形吸入流道。
（三）、混流泵

混流泵內液體的流動介于離心泵和軸流泵之間，液體斜向流出葉輪，即液體的流動方向相對葉輪而言即有徑向速度，也有軸向速度。其特性介于離心泵和軸流泵之間。
混流泵具有渦殼式和導葉式兩種。如左圖所示為單級、單吸、立式結構的可潛式蝸殼混流泵，適用于輸送清水或物理及化學性質類似于水的其他液體 （包括輕度污水）。被輸送介質溫度不超過50℃。也可用于農田排灌、市政工程、工業過程水處理、電廠輸送循環水、城市給排水等多種領域，使用范圍十分廣泛。
如圖右所示為單級、導葉混流式潛水泵，適用于抽送清水或在輕度污水場合下使用，輸送介質溫度不超過50℃。本泵為機泵合一的結構，可潛入水中運行，故可在水位變化大，揚程較高的工況下工作，特別適用于城市排水、市政建設、工礦、船塢升降水位以及水位漲落大的江湖地區農田排灌之用。

二、風機主要部件
（一）離心式風機的構造特點
離心式風機輸送氣體時，一般的增壓范圍在9.807Kpa（1000mH2O）以下根據增壓大小，離心風機又可分為：
（1）低壓風機：增壓值小于l000Pa（約100mmH2））；
（2）中壓風機：增壓值自l000至3000Pa（約100至300mmH2O）
（3）高壓風機：增壓值大于3000Pa（約300mmH2O以上）。
低壓和中壓風機大都用于通風換氣，排塵系統和空氣調節系統。高壓風機則用于一般鍛冶設備的強制通風及某些氣力輸送系統。
我國還生產許多專門用于排塵、輸送煤鍋爐引排酸霧和防腐的各種風機。

zui近同類又推出了一種外轉子離心風機，它相當于將電動機的轉子固定，定子直接嵌裝于風機葉輪而轉動，這樣就把電機裝入風機機殼內了。
離心式風機的整機構造可以參考圖2-14所示的分解圖。

根據用途不同，風機各部件的具體構造也有所不同，分別介紹如下
1、吸入口和進氣箱
吸入口可分圓筒式、錐筒式和曲線式數種。吸入口有集氣的作用，可以直接在大氣中采氣，使氣流以損失zui小的方式均勻流入機內。某些風機的吸入口與吸氣管道用法蘭直接連接。
進氣箱的作用是當進風口需要轉彎時才采用的，用以改善進口氣流流動狀況，減少因氣流不均勻進入葉輪而產生的流動損失。進氣箱一般用在大型或雙吸入的風機上。
2、葉輪
葉輪的構造曾在前面泵的主要部件中有所介紹。如前所述，它由前盤、后盤、葉片和輪轂所組成。還曾指出葉片可分為前向、徑向和后向三種類型。
防爆風機是由有色金屬制成的，防腐風機則以塑料板材為材料。
3、機殼
中壓與低壓離心式風機的機殼一般是阿基米德螺線狀的。它的作用是收集來自葉輪的氣體，并將部分動壓轉換為靜壓，zui后將氣體導向出口。
機殼的出口方向一般是固定的。但新型風機的機殼能在一定的范圍內轉動，以適應用戶對出口方向的不同需要。
4、導流器
導流器又稱為進口風量調節器。在風機的入口處一般都裝置有導流器。運行時，通過改變導流器葉片的角度（開度）來改變風機的性能，擴大工作范圍和提高調節的經濟性。

（二）軸流式風機的主要部件

軸流式風機的主要部件有：葉輪、集風器、整流罩、導葉和擴散筒等。如圖2-19所示。近年來，大型軸流式風機還裝有調節裝置和性能穩定裝置。

1．葉輪
葉輪由輪轂和葉片組成，其作用和離心式葉輪一樣，是實現能量轉換的主要部件。
輪轂的作用是用以安裝葉片和葉片調節機構的，其形狀有圓錐形、圓柱形和球形三種。
葉片多為機翼形扭曲葉片。葉片做成扭曲形，其目的是使風機在設計工況下，沿葉片半徑方向獲得相等的全壓。為了在變工況運行時獲得較高的效率，大型軸流風機的葉片一般做成可調的，即在運行時根據外界負荷的變化來改變葉片的安裝角。如上海鼓風機廠與西德TLT公司聯合制造的TLT型送引風機和一次風機均是動葉可調的。
2．集風器
集風器的作用是使氣流獲得加速，在壓力損失zui小的情況下保證進氣速度均勻、平穩。
集風器的好壞對風機性能影響很大，與無集風器的風機相比，設計良好的集風器風機效率可提高10％～15％。集風器一般采用圓弧形。
3．整流罩和導流體
為了獲得良好的平穩進氣條件，在葉輪或進口導葉前裝置與集風器相適應的整流罩，以構成軸流風機進口氣流通道。
4．導葉
軸流式風機設置導葉有幾種情形：①葉輪前僅設置前導葉，②葉輪后僅設置后導葉，③葉輪前后均設置有導葉。
前導葉的作用是使進入風機前的氣流發生偏轉，把氣流由軸向引為旋向進入，且大多數是負旋向（即與葉輪轉向相反），這樣可使葉輪出口氣流的方向為軸向流出。
后導葉在軸流式風機中應用zui廣。氣體軸向進入葉輪，從葉輪流出的氣體速度有一定旋向，經后導葉擴壓并引導后，氣體以軸向流出。
5．擴散筒（difusser section）
擴散筒的作用是將后導葉出來的氣流動壓部分進一步轉化為靜壓，以提高風機靜壓。
6．性能穩定裝置
近年來，大型軸流風機上加裝了性能穩定裝置，又稱KSE裝置（該裝置由前蘇聯的伊凡諾夫發明）。這種性能穩定裝置主要是用來抑制葉輪邊緣流體失速倒流而產生的不穩定現象的。
第二節 泵與風機的葉輪理論

一、 離心式泵與風機的葉輪理論
離心式泵與風機是由原動機拖動葉輪旋轉，葉輪上的葉片就對流體做功，從而使流體獲得壓能及動能。因此，葉輪是實現機械能轉換為流體能量的主要部件。
（一）流體在葉輪中的運動及速度三角形
為討論葉輪與流體相互作用的能量轉換關系，首先要了解流體在葉輪內的運動，由于流體在葉輪內的運動比較復雜，為此作如下假設：①葉輪中葉片數為無限多且無限薄，即流體質點嚴格地沿葉片型線流動，也就是流體質點的運動軌跡與葉片的外形曲線相重合；②為理想流體，即無粘性的流體，暫不考慮由粘性產生的能量損失；⑧流體作定常流動。
流體在葉輪中除作旋轉運動外，同時還從葉輪進口向出口流動，因此流體在葉輪中的運動是一種復合運動。
當葉輪帶動流體作旋轉運動時，流體具有圓周運動（牽連運動）。其運動速度稱為圓周速度，其方向與圓周切線方向一致，大小與所在半徑r及轉速n有關。流體沿葉輪流道的運動，稱為相對運動，其運動速度稱為相對速度，其方向為葉片的切線方向、大小與流道及流道形狀相關。流體相對靜止機殼的運動，稱為運動，其運動速度稱速度，它是以上兩個速度的向量和 。

（三）離心式葉輪葉片型式對HT∞的影響
一般葉片的型式有以下三種：
葉片的彎曲方向與葉掄的旋轉方向相反，稱為后彎式葉片。
葉片的出口方向為徑向，稱。
葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉方向相同，稱為前彎式葉片。
前彎式葉片產生的能頭zui大，徑向式次之，后彎式zui小。
對流體所獲得的能量中動能和壓能所占比例的大小比較可知：后彎式葉片時，流體所獲得的能量中，壓能所占的比例大于動能；徑向式葉片做功時，壓能和動能各占總能的一般；前彎式葉片做功時,總能量中動能所占的比例大于壓能。
那么，對離心泵而言，為什么一般均采用后彎式葉片，而對風機則可根據不同情況采用三種不同的葉片形式，其原因如下：
由以上分析可知，在轉速n、葉輪外徑D2、流量qv（qv＝A ）及入口條件均相同的條件下，前彎式葉片產生的速度比后彎式葉片大，而液體的流動損失與速度的平方成正比。因此，當流體流過葉輪及導葉或蝸殼時，其能量損失比后彎葉片大。同時為把部分動能轉換為壓能，在能量轉換過程中，必然又伴隨較大的能量損失，因而其效率遠低于后彎式葉片。反之，前彎式葉片有以下優點：當其和后彎式葉片的轉速、流量及產生的能頭相同時，可以減小葉輪外徑D2。因此，可以減小風機的尺寸，縮小體積，減輕質量。又因風機輸送的流體為氣體，氣體的密度遠小于液體，且摩擦阻力正比于密度，所以風機損失的能量遠小于泵。鑒于以上原因，在低壓風機中可采用前彎式葉片。

二、 軸流式泵與風機的葉輪理論
（一）、概述
軸流式和離心式的泵與風機同屬葉片式，但從性能及結構上兩者有所不同。軸流式泵與風機的性能特點是流量大，揚程（全壓）低，比轉數大，流體沿軸向流入、流出葉輪。其結構特點是：結構簡單，重量相對較輕。因有較大的輪轂動葉片角度可以作成可調的。動葉片可調的軸流式泵與風機，由于動葉片角度可隨外界負荷變化而改變，因而變工況時調節性能好，可保持較寬的工作區。鑒于以上特點，目前同類大型制冷系統中普遍采用軸流式風機作為鍋爐的送引風機、軸流式水泵作為循環水泵。今后隨著容量的提高，其應用范圍將會日益廣泛。
（二）、軸流式泵與風機的葉輪理論
1、 翼型和葉柵的概念
由于軸流式泵與風機的葉輪沒有前后蓋板，流體在葉輪中的流動，類似飛機飛行時，機翼與空氣的作用。因此，對軸流式泵與風機在研究葉片與流體之間的能量轉換關系時，采用了機翼理論。為此下面介紹翼型，葉柵及其主要的幾何參數。
翼型 機翼型葉片的橫截面稱為翼型，它具有一定的幾何型線，和一定的空氣動力特性。翼型見圖：

葉柵 由相同翼型等距排列的翼型系列稱為葉柵。這種葉柵稱為平面直列葉柵。

第三節 泵與風機的性能
一、泵與風機的主要性能參數

風機、泵的主要性能參數有下列幾個：
（一）、流量（flow guantity）
單位時間內輸送的流體數量。可以用體積流量qv表示，也可以用質量流量qm表示。
（二）、壓力、揚程（pressure，head）
1、通風機全壓
單位體積的氣體在通風機內所獲得總能量叫通風機全壓。單位為：毫米水柱，牛／米2。
2、離心泵揚程
單位重量的液體在泵內所獲得總能量叫泵的揚程。單位為：米液柱。
（三）、轉速（rotary rate）
葉輪每分鐘旋轉周數叫轉速。單位為：轉／分。
（四）、功率和效率（powerefficiency）
通風機和泵之功率有鈾功率、有效功率和原動機效率之分。
1、軸功率P
原動機傳給通風機、泵軸上的功率，叫通風機、泵的軸功率，又稱輸入功率，通常用P表示。單位：千瓦。
2、有效功率Pe
有效功率是指單位時間內通過泵與風機的流體獲得的功率，即泵與風機的輸出功率，用符號Pe表示，單位為KW。
3、原動機功率Pg
原動機的輸出功率即為原動機功率，用Pg表示，單位為KW。
軸功率和有效功率之差是泵與風機內部損失功率。泵與風機的效率為有效功率和軸功率之比。 由于原動機機軸與泵與風機的軸連接存在機械損失，用傳動效率ηtm表示，所以通常原動機功率比軸功率大。

二、 泵與風機的性能曲線
泵與風機的主要的性能參數有流量qV、揚程H或全壓p、功率P和效率η0，對泵而言，還有汽蝕余量△h。這些參數變化關系的曲線，稱為性能曲線（performance curve）。性能曲線通常是指在一定轉速下，以流量為基本變量，其他各參數隨流量改變而改變的曲線。因此，通常的性能曲線為qv－H（p）、qv－P、qv－η、qv－△h等曲線。該曲線直觀的反映了泵與風機的總體性能。性能曲線對泵與風機的選型，經濟合理的運行都起著非常重要的作用。
對風機而言，因為有全壓p和靜壓pst，所以對應的效率也有全壓效率（qv）及靜壓效率（qv-ηst）曲線。
性能曲線是制造廠通過實驗得到的。載入泵與風機樣本，供用戶使用。以風機為例，實際使用中，為方便起見，一般將上述曲線按同一比例畫在一張圖中，如右圖所示，不同型號的風機，其性能曲線也不同。從圖中可以看出，在轉速不變的情況下，當風量發生改變時，風壓隨風量的增大而減小；功率隨風量的增大而增大；風機效率存在一個zui高值。相應于zui率下的風量、風壓和軸功率稱為通風機的*工況。在選擇風機或風機運行時，應使其實際運轉效率不低于zui率的90％。這也就確定了一臺風機其風量的允許調節范圍。

4、離心泵與風機性能曲線的分析
（1）當閥門全關時，工況為空轉狀態。這時候，空載功率Po主要消耗在機械損失上，而這會導致局部水溫迅速升高以致汽化。因此，為防止汽化，一般不允許在空轉狀態下運行（除特殊注明允許的外）。
（2）離心泵與風機，在空轉狀態時，軸功率zui小，一般為設計軸功率的百分之三十左右，為避免啟動電流過大，原動機過載，所以離心式的泵與風機要在閥門全關的狀態下啟動，待運轉正常后，在開大出口管路上的調節閥門，使泵與風機投入正常的運行。
（3）由qv－P性能曲線可見，后彎式葉輪和前彎式葉輪有著明顯的差別。后彎式葉輪的qv－P性能曲線，隨著流量的增加功率變化緩慢，而前彎式葉輪隨著流量的增加，功率急劇上升，因此原動機容易超載。所以，對前彎式葉輪的風機在選用原動機時，容量富余系數應取的大些。
（4）前彎式葉輪效率遠低于后彎式。所以一般現在的風機為了節能大多采用率的后彎式葉片。
（5）前彎式葉輪的實際qv－H性能曲線是一具有較寬不穩定工作段的駝峰形曲線，如果風機在不穩定工作段工作，將導致喘振。因此，不允許在此段工作。
（二）、軸流式泵與風機的性能曲線

在一定的轉速下，對葉片安裝角固定的軸流式泵與風機，試驗所測得的典型性能曲線如圖2-35所示，和離心式泵與風機性能曲線相比有顯著的區別。qv－H（P）曲線，隨流量qv減小，揚程（全壓）先是上升，當減小到qvc時，揚程（全壓）開始下降，流量再減小到qvb時，揚程（全壓）又開始上升直到流量為零時的zui大值。
軸流式泵與風機性能曲線歸結起來有以下特點：
（1） qv－H（P）性能曲線，在小流量區域內出現駝峰形狀，在c點的左邊為不穩定工作區段，一般不允許泵與風機在此區域工作。
（2） 軸功率P在空轉狀態（qv=0）時zui大，隨流量的增加隨之減少，為避免原動機過載，對軸流式泵與風機要在閥門全開狀態下啟動。如果葉片安裝角是可調的，在葉片安裝角小時，軸功率也小，所以對可調葉片的軸流式泵與風機可在小安裝角時啟動。
（3） 軸流式泵與風機區窄。但如果采用可調葉片，則可使在很大的流量變化范圍內保持率。這就是可調葉片軸流式泵與風機較為突出的優點。

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文章由專業的離心泵原創。