水泵的选型与设计

泵属于流体机械的一种，流体机械是指以流体为工作介质和能量载体的机械设备。

流体机械根据能量传递的方向不同，可分为原动机(水轮机、汽轮机)和工作机（泵、风机、压缩机）。泵属于工作机，即消耗能量的机械。

泵的分类：

1）工作原理可分为又分为叶片式、容积式和其它形式。

①叶片式泵，依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的动能（为主）和压力能增加，随后通过压出室将动能转换为压力能，又可分为离心泵、轴流泵、部分流泵和旋涡泵等。

②容积式泵，依靠包容液体的密封工作空间容积的周期性变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加至将液体强行排出，根据工作元件的运动形式又可分为往复泵和回转泵。

③其他类型的泵，以其他形式传递能量。如射流泵依靠高速喷射的工作流体将需输送的流体吸入泵后混合，进行动量交换以传递能量；水锤泵利用制动时流动中的部分水被升到一定高度传递能量；电磁泵是使通电的液态金属在电磁力作用下产生流动而实现输送。另外，泵也可按输送液体的性质、驱动方法、结构、用途等进行分类。

2)按工作叶轮数目来分类：

① 单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。

② 多级泵：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。

3)按工作压力来分类：

① 低压泵：压力低于100米水柱；

② 中压泵：压力在100～650米水柱之间；

③ 高压泵：压力高于650米水柱。

4)按叶轮进水方式来分类：

① 单侧进水式泵：又叫单吸泵，即叶轮上只有一个进水口；

② 双侧进水式泵：又叫双吸泵，即叶轮两侧都有一个进水口。它流量比单吸式泵大一倍，可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。

5)按泵壳结合缝形式来分类： ① 水平中开式泵：即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。

② 垂直结合面泵：即结合面与轴心线相垂直。 6)按泵轴位置来分类：

① 卧式泵：泵轴位于水平位置。

② 立式泵：泵轴位于垂直位置。 7)按叶轮出来的水引向压出室的方式分类：

① 蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。

② 导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进下一级或流入出口管。（常用于多级泵和轴流泵）

泵的操作原理、构造：

由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。叶轮紧固于泵轴上，泵轴与电机相连，可由电机带动旋转。吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装一止逆阀。泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。

离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。

离心泵的工作过程：

开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。

开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很高的速度流入泵壳。在泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道。泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。

离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作。为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。

基本部件和构造：

1）叶轮：将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。

2）泵壳：汇集液体，作导出液体的通道；

使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。

3）轴封装置：为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。

填料密封和机械密封的比较：

工作压力和密封：

填料密封水泵：最大工作压力4-5 bar.(标准规格)

机械密封水泵：

水泵最大工作压力＜10bar时：不平衡机械密封(标准)

水泵最大工作压力＞10bar时：平衡机械密封(额定值与密封的结构有关)

流量：

扬程：

总静压：

摩擦阻力：

水泵性能曲线：

运行图：

并联运行：

系统阻力曲线：

多台水泵并联的阻力曲线：

工作压力：

水泵承压：

工作压力＜最大工作压力 (PN)：

相似定律：

Q1/Q2 = N1/N2，H1/H2 = (N1/N2)2，P1/P2 = (N1/N2)3。

注意：如果叶轮直径改变或水泵转速改变，NPSH将发生变化。

举例：

流量 200 l/s,扬程37.5m，选用水泵型号ASP200B，叶轮直径360mm，转速 1450RPM，效率 87% 工况点轴功率 84.5kW。

如果转速变为1000RPM，根据相似定律此时流量和扬程及功率为多少？

N1=1450RPM，N2 = 1000RPM；

Q1=200l/s，Q2=Q1×N2/N1= 200×1000/1450=138l/s

H1=37.5m，H2=H1×(N2/N1)2=37.5×(1000/1450)2 = 17.8m

P1=84.5kW，P2=P1×(N2/N1)3 = 84.5×(1000/1450)3 =27.7kW。

水泵轴功率计算：

选择电机时要考虑：安全系数，水泵单台运行与并联运行。

切削定律：

计算方法：

从零点与已知最大叶轮直径点相交，计算公式。

D =要求的工作点叶轮直径；D1=已知叶轮直径；

H =要求的工作点的扬程；

H1=从零点与D1直径曲线交点处扬程。

选型依据：

我们要选择什么样的泵，需要哪些条件依据？

水泵流量；运行水泵台数及备用水泵台数；

水泵扬程；水泵吸入口压力；

水泵数量；供货范围；

供电条件 (频率,电压…)；

是否配有变频设备；

介质类型(如：清水or乙二醇？冷冻水？冷却水？河水？海水？…)；介质温度。

尽可能按照买方要求的参数、型式、材料等选型，其他的解决方法可做为选择。

如果买方对水泵的转速和噪音要求不高，那么综合考虑扬程、流量、NPSH值满足的情况下选择最便宜的和高转速的泵型。

选择的水泵应在高效区范围内工作 。

选型时注意设计扬程与实际运行扬程差异，可以适当微调(下调)设计扬程值，至水泵的高效点，这样更安全。

泵的选型：

1、介质的特性：介质名称、密度、粘度、腐蚀性、毒性等。 a.介质名称：清水、污水、石油等。当介质含气量>75%时，最好选用齿轮泵或者螺杆泵。 b.密度：

离心泵的流量与密度无关；离心泵的扬程与密度无关；离心泵的效率不随密度改变；

当密度≠1000Kg/m3时，电机的功率应该为一般功率与介质相对清水密度比的乘积，以防电机过载超流 。 c.粘度：介质的粘度对泵的性能影响很大，粘度过大时，泵的压头（扬程）减小，流量减小，效率下降，泵的轴功率增大。

当粘度增加时，泵的扬程曲线下降，最佳工况的扬程和流量均随之下降，而功率则随之上升，因而效率降低。一般样本上的参数均为输送清水时的性能，当输送粘性介质时应进行换算。

d.腐蚀性：介质有腐蚀时，采用抗腐蚀性能好的材料。 e.毒性：考虑密封方式，可采用干气密封等。

2、介质中所含固体的颗粒直径、含量多少。根据颗粒直径、含量多少，可选择采用单流道、双流道、多流道形式的叶轮。颗粒含量>60%时，考虑采用渣浆泵。 3、介质温度：（℃）高温介质需考虑密封材料的选择及材料的热膨胀系数。介质温度偏低时，考虑采用低温润滑油和低温电机。 4、所需要的流量（Q） a、如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。 b、如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。 c、如果基本数据只给质量流量，应换算成体积流量。 5、扬程：水泵的扬程大约为提水高度的1.15～1.2倍（使用于补水泵只给出系统图需要计算扬程的状况）。如遇到只给出最小流量、最大流量及相对应的扬程，应尽可能按大流量选择。 因为： a、高扬程的泵用于低扬程，便会出现流量过大，导致电机超载，若长时间运行，电机温度升高，甚至烧毁电机 。 b、小流量泵在大流量下运行时，会产生汽蚀，泵长时间汽蚀，影响水泵过流部件的寿命。

泵的并联：

1.两台泵的吸入、排出管路相同—管路特性曲线相同；

2.两台泵的流量、压头相同—泵的特性曲线相同； 3.对于“泵”的特性曲线，同一压头下，两台并联泵的流量等于并联中单台泵的两倍；（注意：对于单位重量的流体，在各泵中获得的能量是相等的。） 4.并联后总流量增大，但低于原独立的单台泵流量的两倍。

泵的串联：

1.两台泵的流量、压头相同—泵的特性曲线相同； 2.对于“泵”的特性曲线，同一流量下，两台串联泵的压头等于并联中单台泵的两倍；（注意：流过两台泵的流量是相同的。）

3.串联后总流量、总压头增大，但压头低于原独立的单台泵压头的两倍。

泵的汽蚀：

1、汽蚀形成：泵在运转中，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的该液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，形成气泡，当含有大量气泡的液体流进叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁击穿 。

2.汽蚀的危害： a、叶轮上留下打击状的坑；影响叶轮的使用寿命。 b、设备产生振动。 c、增加噪音。 d、轻微的汽蚀只会造成水泵效率或扬程的降低。低比转速泵；随汽蚀性能下降明显，高比转速泵，当汽蚀达到一定程度时，性能开始下降。 e、严重的汽蚀会产生很强的噪音，并缩短水泵的使用寿。 f、估算来讲，损失最大占设计扬程的3%。 g、对于多级水泵, 汽蚀只会对第一级叶轮产生影响。

3、泵汽蚀的基本关系式为： NPSHc≤NPSHr≤[NPSH]≤NPSHa 式中：NPSHa—装置汽蚀余量又叫有效汽蚀余量，是指在现场条件下的汽蚀余量。它可也根据系统的设计图纸计算出来，越大越不易汽蚀； NPSHr—泵汽蚀余量，又叫必需的汽蚀余量，是指水泵的一个特性数据，它是由水泵制造厂商提供的。该数值在水泵的性能图表中已经被标示出来，越小泵抗汽蚀性能越好； NPSHc—临界汽蚀余量，是指对应泵性能下降一定值的汽蚀量； [NPSH]—许用汽蚀余量，是确定泵使用条件用的汽蚀余量。

为保证系统的安全运行： 实际汽蚀余量值（NPSHa）必须要高于设计汽蚀余量值(NPSHr)。即：NPSHa＞NPSHr。

5.实际汽蚀余量（NPSHa)的计算公式： NPSHa=(Hz-Hf)+(Hp–Hvp) 其中： Hp = 水泵入口处液体表面的绝对压力 (m) Hz = 液体距离水泵中心线的静态高差 (m) 注：对于立式水泵 以第一级叶轮的中心线为准。 Hf =管路系统入口处摩擦和入口损失包括动压头。(m) Hvp= 在水泵工作温度下的液体蒸汽压力。(m)

如果NPSHA数值很小，建议选择：更大一些型号的水泵或转速更慢一些的水泵。

4、防止汽蚀的措施

防止泵发生汽蚀从两方面考虑，即增大NPSHa和减小NPSHr，常用的以下几种方法。

a、减小几何吸上高度hg（或增加几何倒灌高度）；

△h=10m- NPSH-∑h

∑h：管路阻力，也叫安全系数，取：0.5～1.0m水柱

△h：吸程

b、增加管径，尽量减小管路长度，弯头和附件等； c、尽量调小流量，防止泵长时间在大流量下运行； d、在同样转速和流量下，采用双吸泵，因减小进口流速、泵不易发生汽蚀； e、加诱导轮或增加叶轮进口处的光洁度。

f、对于在苛刻条件下运行的泵，为避免汽蚀破坏，可使用耐汽蚀材料。

常见及需要注意的问题：

1、电机的选择：电机的选择要留有一定的安全余量。

国内厂家经验做法：

2、离心泵启动时要关闭出口阀，轴流泵启动时要打开出口阀。

因离心泵启动时，泵的出口管路内还没水，因此还不存在管路阻力和提升高度阻力，在泵启动后，泵扬程很低，流量很大，此时泵电机（轴功率）输出很大（据泵性能曲线），很容易超载，就会使泵的电机及线路损坏，因此启动时要关闭出口阀，才能使泵正常运行。

离心泵在零流量时，轴功率为额定工况下轴功率的30％～90％。

轴流泵在零流量时，轴功率为额定工况下轴功率的140％～200％。

所以轴流泵要开阀启动。

3、泵启动前要检查泵轴运动是否正常，是否有卡死想象。点动电机，看运转方向是否正确。

4、泵安装时，泵进出口管路上不能承重。泵轴对中要在注满水的条件下进行。

5、潜水排污泵长期不用时，应清洗并吊起置于通风干燥处，注意防冻。若置于水中，每15天至少运转30min（不能干磨），以检查其功能和适应性。

决定机械密封寿命长短的关键点：

水泵设计(轴是否偏移，轴承负载和轴承座的同心度…)

安装(轴对中是否保持… )

工作点(是否在高效区，如在可延长机械密封寿命)

表面材料(适合介质，碳化硅、碳化钨）

密封润滑(润滑不好可缩短密封寿命)

应用场合(如果在高温、高压场合, 密封寿命缩短)

轴承：

决定轴承寿命长短的关键点：

轴承荷载在设计点；

水泵是否在高效区工作（在高效区工作可延长轴承寿命)；

安装/水泵轴对中/泵室；

由汽蚀或其他系统原因引起水泵振动将缩短轴承寿命。

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