水泵原理

第八章水泵1 离心泵
1.1 离心泵的工作原理
离心泵是叶片泵的一种。

当叶轮在泵壳
内高速旋转时，叶片带动水一起高速旋
转；旋转运动使水产生离心力，水在离
心力的作用下，以很高的速度甩出叶轮，
飞向泵壳蜗室的汇流槽中，这时的水具
有很大的冲击动能；由于蜗室汇流槽断
面面积是逐渐扩大的，汇集在这里的水流速度逐渐降低，压力逐渐增高，使泵的压力高于水泵出水管路压力；水总是由高压区流向低压区，所以水通过水泵获得能量后，便源源不断的流向水管路，得到输送。

叶轮中的水受离心力的作用被迫甩向叶轮周边区域的同时，叶轮中心部位由于水的损失形成一个负压区，水泵吸水池的液面在大气压力作用下从水泵吸入管进入叶轮中心，填补叶轮中心部位的真空，这样就实现了吸水的过程。

离心泵的工作过程就是离心泵不断出水和吸水的过程，把叶轮高速旋转的机械能转化为被输送水的动能和势能的过程，从而实现水泵的连续输水。

离心泵出水压力的高低与叶轮直径的大小、叶轮转速的高低有直接关系。

叶轮直径大、
图16-1 单级单吸入式离心泵工作原理示意图1-叶轮 2-叶片 3-泵壳 4-吸水管 5-出水管6-轴 7-底阀 8-莲蓬头 9-闸阀
转速高产生的离心力就大，水泵的出口压力就高。

离心泵的工作原理如图16-1。

1.2 离心泵的性能参数
每一台水泵都有一个铭牌，标明水泵的型号和水泵的工作能力指标。

1.2.1 流量
流量是单位时间内水泵输送液体的数量，有体积流量和重量流量二种表示方法。

体积流量用Q表示，单位m3/h、m3/s、l/s；重量流量用G表示，单位t/h、kg/s。

重量流量与体积流量的关系：G=rQ 式中r为液体的质量密度（kg/m3）。

1.2.2 扬程
水泵的扬程是单位重量液体，通过泵后所获得的能量，也叫总扬程或全扬程。

用H表示，单位m，也可用压力表示，如kg/m2、MPa等。

铭牌上所标的扬程是在额定转速、额定流量下的扬程，水泵工作时的实际扬程是变化的。

计算水泵的扬程不能只计算最低水位至最高水位的垂直距离，还应计算管道的阻力损失，如图16-2所示水泵的扬程为：
H = H
实 + h
吸损
+ h
压损
1.2.3 功率
功率是指单位时间内所做的功。

一般水泵的功率是指轴功率，单位为kW。

水泵
图16-2 水泵扬程示意图
还有有效功率、配套功率和输入功率等
指标。

a.有效功率：单位时间内，水泵对排除
液体所做的功，即把机械能无损失全
部变为液体的内能。

b.轴功率：电机传给水泵轴的功率，用
N表示，单位kW。

因水泵工作
c.时总存在各种损失，所以传给水泵轴的功率不能全部转变为有效功率，因此，
轴功率比有效功率大。

表示，单位kW，配套功率d.配套功率：配套功率是水泵选配电机功率，用N
配
应比轴功率大。

表示，单位e.输入功率：输入功率是水泵工作时，电机实际消耗的功率，用N
入kW。

使用时，输入功率尽量不要超过配套功率，否则电机可能发热。

1.2.4 效率
水泵的效率是有效功率与轴功率的比值，用η表示。

因水泵工作时内部存在各种损失，所以水泵的效率始终小于1。

1.2.5 转速
水泵的转速是指泵轴每分钟的转数，用n表示，单位为转/分。

1.2.6 允许吸上真空高度和汽蚀余量
a.允许吸上真空高度：水泵在标准状况下（水温20℃，表面压力为一个大气压）
运转时，水泵进口允许（所谓允许是水泵不发生汽蚀现象的情况下运转）的最大真空度，用Hs表示，单位为m。

b.汽蚀余量：是指水泵进口处单位质量
液体所具有超过饱和蒸汽压力的富
余能量，用△h表示，单位是m。

1.3离心泵的主要部件
1.3.1 叶轮
叶轮是离心泵的主要零件，也是离心泵的过流部分的核心。

因此，叶轮内表面应光滑，以减少液体流动的阻力。

叶轮在泵壳内高速旋转把机械能传给液体，使液体的内能增加。

a. 叶轮的结构：叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片组成。

按吸入方向可分为单吸式和双吸式（如图16-3）；按盖板形式可分为闭式、开式和半开式（如图16-4）。

b. 叶轮的材料：由于叶轮高速旋转，受力较大，且有汽蚀作用。

所以叶轮的材料应具有较高的强度，抗汽蚀，耐冲刷的性能。

一般采用铸铁或球墨铸铁、铸钢、不锈钢、青铜等金属材料，小型的酸碱泵也有用塑料的。

由于叶轮是高速旋转，所以，叶轮装配前要做静平衡试验，特别是较大叶轮，否则会引起水泵的振动。

c. 叶轮的损坏形式：多是密封环部位的磨损，其次是汽蚀损坏。

源水泵由于砂石较多，叶片磨损较严重或打坏。

1.3.2 泵壳
泵壳是泵的过流部分，包括吸入室和压出室。

吸入室把液体均匀
地以最小的损失引入叶轮进口，其结构如图16-5、16-6所示；压
出室把叶轮甩出的液体收集起来，在扩散段使流速降低压力升高，从
泵口排出。

a. 拆装应注意事项：泵盖与泵件的连接一般是双头螺栓，螺母
应有垫片，保护泵盖孔的端面。

螺栓露出螺母部分应保护好，
不能涂油漆。

否则，不易把螺栓拧出，经常这样，容易把泵体
的螺牙损坏，修复螺牙是很麻烦的。

所以拆泵盖一定要把螺母
拧出，不要把螺栓拧出。

图16-5 直锥形吸入室
图16-4 叶轮盖板形式 a.开式叶轮 b.半开式叶轮 c.闭式叶轮 图16-3 叶轮的类型 a.单吸式叶轮 b.双吸式叶轮
b. 泵壳的材料：一般是铸铁，若是腐蚀性液体，泵壳可采用不
锈钢或塑料等耐腐蚀材料。

c. 泵壳的损坏形式：泵壳一般不易损坏，只有源水泵由于水质
含砂较多，对泵壳摩擦造成磨损。

1.3.3 泵轴
泵轴是把原动机的旋转扭矩传递给叶轮，使叶轮高速旋转，不断的把液体吸入和增大压力并排入管路。

a. 泵轴的结构和材料：一般采用碳钢或不锈钢，应具有足够的强度和钢度，并通过平键来与叶轮连接传递转矩，通过轴套及轴套螺母来固定工作叶轮的位置。

b. 装配要点及注意事项：泵轴表面比较光滑，拆装时应注意保护，不要碰伤，特别是轴承位置。

轴端的顶针孔也应保护好，它是用来检查轴弯曲的基准，拆装叶轮不能用铁锤直接敲打轴端，应垫上硬木保护好。

c. 泵轴的损坏形式：多是轴承位置因拆装次数多
而松动，变成动配合，造成轴与轴承内圈相对
运动，磨损泵轴，并使水泵振动，其次是腐蚀、
弯曲、扭断等形式。

1.3.4 密封环
密封环一般装在叶轮进水口处配合的泵壳上，是
保持叶轮进口外缘与泵壳之间有适宜的转动间
隙，同时减少液体由高压区向低压区的泄漏。

图16-6
环状吸入图16-7 密封环结构 a.单环型 b.单环带转角型 c.双环型 1-泵壳 2-镶在泵壳上的密封环 3-叶轮 4-镶在叶轮上的轴承磨环 图16-8 滚动轴承的基本构造 a.球形滚动体 b.圆柱形滚动体 1-外圈 2-内圈 3-滚动体 4-保持体
a. 密封环的结构和材料：结构有单环型、单环带
转角型、双环型等，如图16-7所示。

材料一
般用铸铁、钢、不锈钢等，而镶于叶轮进口段
的摩擦面一般采用青铜。

b. 装配要点及注意事项：密封环与叶轮进口的间隙既不能过大，也不能过小。

间隙过大时，容积损失也加大；间隙过小时，叶轮与口环之间可能产生摩擦，增大机械损失，有时还会引起振动及设备故障。

根据不同泵型，密封间隙保持在0.25～1.10mm 之间为宜，磨损较大的密封环应进行更换。

c. 密封环损坏形式：多数是磨损，及时更换磨损过多的密封环，可有效提高容积效率，节省用电量。

1.3.5 轴承体
轴承体包括轴承和轴承座。

a. 轴承座：是用来固定轴承的。

安装
在泵体上，用螺栓连接并用定位销
固定其位置，保障拆装后位置不
变，因此拆装时应存放好定位销，
以免丢失。

b. 轴承：是用于支承水泵的运转部
分，保证其转动灵活、平稳。

根据
水泵的大小和结构不同，轴承可分
为滚动轴承和滑动轴承，如图
16-8、16-9所示。

1.3.6 轴封装置
轴封装置的作用是防止泵内液体朝泵外泄漏。

对双吸式泵，当泵轴高于进水面时可防空气进
入泵内。

常用的有填料式密封和机械密封。

a. 填料密封：由填料套、填料、水封管、填料环、压盖等零件组成，如图
16-10图16-9 滑动轴承组合 1-轴承座 2-油标孔 3-挡油环 4-油环 5-油杆 6-轴瓦 7-排油塞
所示。

由于填料有可塑性，当压盖压紧填料时，使填料与轴套表面紧密接触防止液体泄漏；同时，由于填料混有石墨、黄油之类的润滑剂，可以起润滑作用；另外，填料环可以从高压区引来冷却水，均匀分布到填料的圆周上，进行冷却和润滑。

b. 填料种类很多，有石墨石棉纤维填料，石棉黄油填料，还有较耐磨损的合成纤维填料聚四氯乙烯等。

c. 填料密封结构简单、使用方便、成本低、适用性广，但使用寿命短，摩擦阻力较大，密封效果不太理想。

d. 机械密封：由动环和静环的光洁、精密的平面（此两个零件是经研磨而成，不能互换），在液体的压力和弹簧的压力作用下，相互紧贴并相对旋转而构成的动密封装置。

动环和静环安装时还用橡胶垫片和橡胶圈对液体进行密封。

如图16-11所示。

e. 机械密封与填料密封相比有许多优
点：使用寿命长，而且不会泄漏或
很少泄漏，维修周期长。

一般情况
可免去日常维修，磨损阻力小（一
般只有填料密封方式的10%～
50%），轴和轴套不受磨损，是目前
泵轴密封的发展方向，但机械密封
结构较为复杂，加工精度和安装要
求高，因此成本较贵。

1.3.7 联轴器
联轴器把电机轴与水泵轴连接起来传递功率。

在安装时，两轴的中心线要尽可能对中，从而提高传动效率。

但要做到完全对中是很困难的，因此一般采用弹性联轴器来补偿不同轴度的误差。

同时，弹性联轴器也有缓冲、减振作用。

常用的弹性连轴器有弹性圈柱销连轴器，爪形弹性连轴器，尼龙柱销联轴器，齿式连轴器等。

图16-10 压盖填料型填料盒 1-填料 2-填料套 3-水封管 4-填料环 5-压盖
a. 弹性圈柱销联轴器：由两个半联轴器、弹性橡胶圈、柱销、档圈等组成，如图16-12所示。

弹性橡胶圈起补偿两轴的不同轴度及缓冲、减振作用，磨损后可更换。

大中型水泵常用这种联轴器。

b. 爪形弹性联轴器：由两个端面带爪形的半联轴器，中间装个星形橡胶圈构成，如图16-13所示。

这种联轴器结构简单，装卸方便，弹性好，外形尺寸小，能承受冲击载荷。

中小型水泵常用它。

c. 尼龙柱销联轴器：结构与弹性圈柱销连接器相似，只是用尼龙柱销代替橡胶圈与柱销，如图16-14所示。

这种联轴器结构简单，制造容易，维修方便，外形尺寸小，有一定的缓冲，吸振能力，但尼龙对温度较敏感，工作温度在-20～70℃范围。

d. 齿式联轴器：由两个带外齿的内套筒分别与主动轴和从动轴连接，中间套一个内齿外套筒组成。

外齿齿顶制成球面，内外齿具有较大侧隙，
故这种联轴器图16-11 机械密封结构原理 1-防转销 2-静环密封圈 3-静环 4-动环 5-动环密封圈 6-弹簧 图16-12 弹性圈柱销联轴器 1.4-半联轴器 2-弹性橡胶圈 3-柱销
图16-13 爪型弹性联轴器
1.2-爪型联轴器 3-星型橡胶圈
图16-14 尼龙柱销联轴器 1.2-半联轴器 3-尼龙柱销 4-挡环
允许两轴间有较大的综合位移，外形尺寸较小，传送扭矩大。

大型水泵常采用
这种联轴器。

e.联轴器的安装要求：虽然弹性联轴器允许两个半联轴器存在偏差，但允许值很小，对于较大型机泵，应在运行中实测电机轴线升高值，并予以调整，以保证电机和水泵在运行中达到同心。

联轴器间允许公差如右表。

f.联轴器的损坏形式：一般不会损坏，但如果柱销螺母松动，则容易把柱销和它配合的销孔损坏；如果安装时水泵轴与电机轴对中偏差较大时，容易磨损橡胶弹性圈，若发现联轴器下的地面上有许多碎胶片，则说明对中不好，应重新调整。

1.4 离心泵的能量损失及提高水泵效率的措施
离心泵的效率不可能等于1，也就是说轴功率大于有效功率，大的那部分就是泵内损失，有些泵的效率已超过90%，但使用中很少泵能达到这个水平。

因供水的耗电量大，降低水泵的能量损失，提高水泵的效率，有着重要的经济意义。

1.4.1 离心泵的能量损失
离心泵的能量损失，可分为：机械损失、容积损失、水力损失三部分。

a.机械损失：即运动件之间摩擦造成的损失。

在水泵中，轴封、轴承及叶轮与水的摩擦都要消耗功率，这些即为机械损失。

①轴封和轴承的摩擦损失。

采用填料密封时，填料压板压得太紧，摩擦损失会增加，甚至发热烧毁。

合理压紧填料是十分重要的，修理后的水泵，试机前填料压盖不能太紧，待试机时进行调节。

目前许多泵采用机械密封，摩擦系数只有0.1，甚至更小，其润滑性好，安全可靠，耐磨，寿命长，是极好的轴封零件，也是发展方向。

②圆盘摩擦损失。

离心泵叶轮在充满液体的泵内旋转时，叶轮前后盖板外表面与液体产生摩擦造成的损失，称圆盘摩擦损失。

用提高转速的方法，提高水
扬程，比用增加叶轮直径的方法提高水泵扬程较合理。

b. 容积损失：由于结构
上的需要，叶轮与泵
体存在间隙，高压区
的液体通过密封环间
隙流回到低压区，这
部分液体虽然经过叶
轮获得能量，但没能
利用，而是在泵内循
环流动时因克服间隙
的阻力而消耗获得的
能量，这种能量损失
称容积损失。

容积损
失还包括单吸式泵和
多级泵平衡轴向力所
消耗的液体和从填料
滴水消耗的液体（如
图16-15，16-16所
示）。

c. 水力损失：离心泵工作时，液体与泵壁面有摩擦损失；液体在流动中由于速度不同，有内部摩擦损失；液体流动方向改变时的漩涡、冲击等都会造成损失。

这些能量损失称水力损失。

离心泵的水力损失大小与叶轮形状，泵壁面的粗糙度和液体的粘度有关。

1.4.2 提高水泵效率的措施
a. 降低机械损失
① 降低轴封损失措施。

选用机械密封，既耐用，又安全、可靠、摩擦损失少；选用质量好的填料，如化学纤维填料，其摩擦系数较小且耐用；安装填料按规程操
作，压盖压力适中，滴水正常，防止填料发热；采用新型注入式密封填料，这种图16－17 注入式密封填料安装简图 1-泵体 2-静止层 3-加料接头 4-压盖 5-填料套 6-轴套 7-旋转层 8-泵轴 9-密封端环 10-轴套螺母 图16－16 带平衡盘的多级泵的容积泄漏
图16－15 泵内液体的泄漏
填料不需冷却，对轴套无磨损，运动发生在其本身，摩擦系数小。

这种填料是胶泥状混合物，填料处的补充是用注入枪从泵水封管入口处打进去，如图16－17所示。

② 降低轴承摩擦损失的措施。

经常检查润滑油的质量和耗量，及时添加，定时更换润滑油，轴承损坏及时更换。

③ 降低圆盘摩擦损失措施。

在给定扬程情况下，提高转速；圆盘损失与叶轮前后盖板外表面和泵壳内表面的粗糙度有关，降低粗糙度可减少摩擦损失；铸铁泵壳的粗糙表面涂漆后，泵的效率提高2%～3%；叶轮和后盖板及泵壳内表面用砂轮磨光后，泵的效率提高2%～4% 。

叶轮圆盘损失还与叶轮和泵体之间的侧隙大小有关，如图16－18所示。

对于一般离心泵来说B/D=2%～5%范围内叶轮圆盘损失比较小。

b. 降低容积损失的措施。

增加液体通过密封环的阻力；减少密封环的间隙（当间隙由0.5mm 减少到0.3mm ，水泵的效率可提高4%～4.5%）；减少其它方面的容积损失，如填料。

c. 降低水力损失的措施。

设计时合理选择各种参数及流道几何形状；液体在过流部件的速度合适，速度变化平缓；避免流道内出现死水区；合理选择叶轮叶片入口角和出口角；避免流道内存在尖角及突然转变的情况；流道表面应尽量光滑，不得有粘砂、飞边、毛刺等铸造缺陷。

国产泵较为粗糙，定期检修时用手提砂轮将流道及叶轮与叶片之间的流道打磨光滑，水泵效率可提高3%，另，贝尔佐纳公司有一种超光滑涂料1341
涂在泵壳和叶轮上，水泵的效率可
图16－18 叶轮和泵体间的侧隙
图16－19 水泵并联Q-H 曲线
提高2%～4.8% 。

1.5 离心泵的并联和串联
1.5.1 离心泵的并联工作
水泵的并联工作是指几台泵同时向一条水管供水，目的是增加供水量，调节供水压力。

并联工作的总供水量小于并联所用各单台水泵铭牌出水量之和。

a.可用开停泵的办法，调节供水的流量和压力，达到节能和安全供水的目的。

并联后，流量、扬程曲线比原来单台流量、扬程曲线平坦；在并联工作中，若某台泵出现故障，可另换一台；并联提高了运行调度的灵活性、可靠性。

b.并联工作后的流量与压力变化。

不同型号的
泵并联工作时，低扬程泵关死扬程必须大于并联后的扬程，否则会造成并联后的流量反比开单台泵小的现象，此种并联模式下水泵流量-扬程曲线如图16－19所示。

相同型号水泵并联工作时，并联台数越多，平均单台流量就越小，扬程就越高，此种并联模式下水泵流量-扬程曲线如图16－20、16－21所示。

c.并联工作对水泵的要求。

水泵并联台数不能太多，一般4～6台；不同型号水泵并联时扬程不能相差太多。

1.5.2 离心泵串联工作
水泵串联工作是指第一台泵的出水口与第二台的进水口连接，第三台泵的进水口与第二台泵的出水口连接……依次连接进行
工作，目的是增加扬程、调节流量，如图16
－22所示。

水泵串联工作应注意以下事项：
a.
参加串联的水泵扬程之和应达到需要扬
图16－21 同型号，同水位，对称布置的两台水泵并联
图16－20 五台同型号水泵并联
程，各台泵的流量应相同，进出口直径相同；如流量大小各异，则大流量泵应排在前，否则，后面的泵吸水不足会造成汽蚀，损坏水泵。

b. 如果轴流泵与离心泵串连，则轴流泵应放在前，离心泵放在后。

c. 串连工作时，只有最后一台泵安装止回阀，其它各泵不要安装止回阀。

d. 串联水泵可放在一起首尾连接进行工作，但排在后面的泵的泵壳耐压应满足要求，否则泵壳容易被压裂。

e. 串联水泵开机时，先开第三级，次开第二级，再开第一级。

这样依次进行。

停机时则先停第一级，然后依次向后停。

f. 如果第二级是轴流泵，必须注意在开停机时第一级出水阀不能全关，否则轴流泵的功率会增加。

2.水泵常见故障的分析与解决办法
图16－22 水泵并联工作
2.11 填料密封的故障及解除方法
2.12 水泵维修计划表。