泵的种类及发展

篇名

介紹泵的種類及發展

作者

國立東港高級海事水產職業學校

輪三甲

張家豪郭志源黃金川

一、前言

一般而言，泵常用在居家、工廠、船舶上，例如船舶，船舶常需要使用各種不同的液體，如海水、淡水、燃油及滑油等，作為熱力機械（heat engine）的工作介質，或協助此機械運轉。這些液體隨時都在流動，因而隨時有壓力變化，隨時都遭受摩擦阻力。如果從高處向低處流動，可以靠本身的重量，高壓往低壓移動，可以藉本身的蓄壓能。然而從低處提身到高處，或由低壓區送往高壓區，就得依靠泵（pump）了。一般而言，泵是用來舉高液體或是提高液體壓力的機械。其目的在於完成輸送一體的任務。(註四)

傳用泵運轉之驅動動力機械，有往復式蒸汽機、蒸氣渦輪機、柴油機、電動機及電動液壓等，但泵使用何種動力機械，通常需要配合船舶的船型、噸位大小及主機類別而定。例如主機為蒸氣機船舶、大部分泵隻動力機械為蒸氣機；主機為柴油機之船舶，泵之動力機械偏向電動機。除此之外，驅動方式可分附屬機械運轉及獨立運轉兩種。前者大部分在小型機器上，其優點設置方便、佔空間小及不需要特別管理；缺點為缺乏彈性，同時泵出口量區與主機轉速作為適當調配，若離心泵及旋轉泵還要特別考慮其轉向問題。獨立運轉方式大部分用於中大型機器上，最大優點是運轉彈性、部受機器是否運轉及運轉快慢的影響，同時更有利於手動或自動操作

二、正文

泵是將電動機所輸入的機械能轉變為液體壓力能。通過它向液壓系統輸送一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執行機構（液壓缸或液壓馬達），驅動負載時，所需要的能量要求。

讓我們來介紹常見到的泵的種類，及介紹：

(一)往復式泵：往復式泵浦又可三種基本類型為：活塞式、柱塞（plunger）式及隔膜（diaphragm）式。手壓式家庭汲水用泵就是立式活塞泵中之最簡單者。臥式活塞泵又可分為蒸汽直接作用泵（steam direct acting pump）與馬達驅動之動力泵（power pump）兩種。活塞式與柱塞式皆可再分為單衝程與雙衝程，又按汽缸數多寡可再分為單缸、雙缸與多缸。隔膜泵藉著橡皮或特殊材質做的膜片作往復運動來發生泵送作用，是一種無軸封泵（glandless pump），可以完全防止洩漏，所以多用於化學和藥液等腐蝕性強液體之輸送。又因它沒有摩耗和堵塞的問題，故亦適用於汲取含有砂粒或泥漿性液體。

(1)柱塞式：工作原理與活塞泵相同。兩者區別在於柱塞是穿過裝在泵缸上的固定填料密封件在泵缸內運動，其密封性較活塞的好。此外，柱塞推動液體作往復運動，其端面推著整個泵缸內的液體運動，所以柱塞的受力狀況比活塞好得多。同時柱塞直徑也比活塞直徑小，所以柱塞泵可用於更高壓力和更小流量。(註一)

圖一、柱塞式泵

(2)活塞式：由泵缸﹑活塞﹑吸入閥﹑排出閥和驅動機構組成。當活塞向右運動時，泵缸工作容積增大缸內壓力降低，單向吸入閥開啟，液體進入泵缸內當活塞向左運動(回行程)時，工作容積縮小，缸內壓力昇高，單向吸入閥封閉，液體沖開單向排出閥向外排出。活塞上裝有密封填料，以阻止液體向活塞另一側泄漏。

圖二、活塞式泵

3. 隔膜泵工作原理與活塞泵類似，但它是依靠夾緊在泵缸之間的平隔膜和筒形隔膜，在柱塞通過液壓油的推動下使泵缸工作容積交替發生變化，並通過排出閥和吸入閥的啟閉來輸送液體的。隔膜靠靜密封將輸送的液體與外部嚴密隔開﹐所以隔膜泵不會泄漏。按操作方式不同隔膜泵分為機械操作和液壓(或氣壓)操作兩種。前者靠直接與隔膜相連的柱塞形推杆的往復運動使隔膜產生交替的運動﹔後者則靠由外部供入壓力油或壓縮空氣或者通過柱塞作用於液壓腔中液壓油產生脈衝壓力使隔膜交替運動。

圖三、隔膜式泵

(二)旋轉式泵：旋轉式泵浦是繼往復式泵浦之後一種進步的產品。它同前者一樣也是排量式泵浦，具有一固定之外殼，內含齒輪、凸輪、活塞、葉瓣與螺旋等轉動機件，而無吸入與排出閥。在動作時係以產生很小的餘隙空間，將液體捕住之後壓送出去，其排出之流量與離心式泵浦相似是十分平穩的，排出之壓力亦相當高，可以達到1000磅／平方吋左右。此種泵浦之特點為無需起動注給之自吸式，適用於黏度大的液體，如重油、食品與塗料等之泵送，又因其體形比較靈巧，只需甚小之空間，容易安裝在機械設備內，遂導致油壓與自動化機械工業之蓬勃發展。旋轉式泵浦主要分為外接齒輪（external-gear）泵、內接齒輪（internal-gear）泵、螺旋（screw）泵、葉瓣（lobe）泵與輪葉（vane）泵等數種。

圖四、內接齒輪泵

圖五、外接齒輪泵

(三)離心式泵：正如其名稱所意謂的，此種泵浦是利用離心力來作用的。雖然設計的構造細節會變化，它們都是藉著旋轉的葉輪所產生之離心力將液體自靠近軸心之進口吸入，而後順著葉翼形成之通路流至外周，這一過程中泵液已獲得速度

與壓力，最後再經渦形泵殼或擴散導翼將部分速度能儘量地變為壓力能後，自泵浦出口流出。當葉輪內之液體被壓出時，葉輪內部原為液體所充滿之空間即呈真空，此時吸入源頭液面上之壓力（如係暴露在大氣中，則為大氣壓力）將液體壓入葉輪，填充被壓出之液量。由於葉輪不斷地旋轉，液體亦不斷地被吸入與壓出。離心式泵浦的吸水作用通常係由大氣壓力產生，故理論上最大吸入揚程應為10.3公尺水柱高度，但實際上泵浦吸水時在吸入管與葉輪內有摩擦阻力，同時水流動即需消耗一部分能量（速度能），且水溫有蒸氣壓力，係一種反應力。此外，由於種種構造上之因素，無法造成絕對真空，故一般離心泵浦之實際最大揚程約僅5公尺水柱高度。離心式泵浦不能乾吸，開車前必須先將泵殼與吸入管注滿泵液，這就是所謂的「起動注給」（priming）。又離心式泵浦的打水能力與吸水能力不一樣，如認為增加葉輪的級數就無論水源距離泵浦多遠或多深都可將水吸上來，那是不對的，因為增加葉輪級數，僅不過是加大泵浦打水能力的一種方法罷了。

離心式泵浦由於具有用途廣泛、轉速高、流量大、多級葉輪組合時壓力增減容易、構造成本低廉、拆裝維護容易等許多優點，雖然起步較晚，但能取代大部分往復式及旋轉式泵浦的地位，終於占據泵浦市場的70～80％，而成為現今工業上的寵兒。普通依葉輪出口水流方向區分為：徑流（radial flow）式、混流（mixed flow）式與軸流（axial flow）式等三種。前兩種又可再分為單吸（single suction）或雙吸（double suction）、自吸（self-priming）或非自吸、單級或多級（single or multistage），其葉輪可分為密閉（closed）、半開放（semi-open）或開放（open）等三型。而軸流泵僅有單吸，可再分為單或多級，其葉輪僅分為密閉或開放二型。混流與軸流之開放型葉輪又可分為固定翼（fixed-pitch blade）或可動翼（variable-pitch blade）。按開放與半開放葉輪都是吸入側設有側板，而輪轂側的側板為完全的稱做「半開放」，不完全的、止於最小限度的就叫「開放」，兩者皆用於泵液中混有固形雜物的情形下。可動翼泵設計製造皆複雜，僅限於豎軸單級式之大型排水泵，其優點為可在運轉中配合所需抽水量之大小，隨時調整葉輪翼角，使在廣大範圍之流量或揚程變化情況下得以連續運轉，而且保持高效率之性能，並可在一定軸動力之情況下使用，而令原動機不致於超過額定負荷。

圖六、離心泵的作動原理