什么是泵?

[拼音]：beng

[外文]：pump

输送液体或使液体增压的机械。它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体使液体能量增加。泵主要用来输送液体包括水、油、酸碱液、乳化液、悬乳液和液态金属等，也可输送液体和气体混合物，含悬浮固体物的液体。有些泵可用作液压泵，主要作用是产生高压液体。

水的提升对于人类生活和生产都十分重要。古代就已有各种提水器具，例如埃及的链泵（公元前17世纪），中国的桔槔（公元前17世纪）、辘轳（公元前11世纪）和水车 (公元1世纪)。比较著名的还有公元前3世纪阿基米德发明的螺旋杆，可以平稳连续地将水提至几米高处，其原理仍为现代螺杆泵所利用。

公元前200年左右，古希腊工匠克特西比乌斯发明的灭火泵是一种最原始的活塞泵，已具备典型活塞泵的主要元件，但活塞泵只是在出现了蒸汽机之后才得到迅速发展。1840～1850年，美国H.R.沃辛顿发明泵缸和蒸汽缸对置的蒸汽直接作用的活塞泵，标志着现代活塞泵的形成。19世纪是活塞泵发展的高潮时期，当时已用于水压机等多种机械中。然而随着需水量的剧增，从20世纪20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐渐被高速的离心泵和回转泵所代替。但是在高压小流量领域，往复泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵独具优点，应用日益增多。

回转泵的出现与工业上对液体输送的要求日益多样化有关。早在1588年就有了关于4叶片滑片泵的记载，以后陆续出现了其他各种回转泵，但直到19世纪回转泵仍存在泄漏大、磨损大和效率低等缺点。20世纪初，人们解决了转子润滑和密封等问题并采用高速电动机驱动，适合较高压力、中小流量和输送各种粘性液体的回转泵才得到迅速发展。回转泵的类型和适宜输送的液体种类之多为其他各类泵所不及。

利用离心力输水的想法最早出现在列奥纳多·达芬奇所作的草图中。1689年，法国物理学家D.帕潘发明了4 叶片叶轮的蜗壳离心泵。但更接近于现代离心泵的则是1818年在美国出现的具有径向直叶片、半开式双吸叶轮和蜗壳的所谓马萨诸塞泵。1851～1875年，带有导叶的多级离心泵相继发明，使发展高扬程离心泵成为可能。尽管早在1754年，瑞士数学家L.欧拉提出了叶轮式水力机械的基本方程式，奠定了离心泵设计的理论基础，但直到19世纪末高速电动机的出现，使离心泵获得理想动力源之后，它的优越性才得以充分发挥。在英国的O.雷诺和德国的K.普夫莱德雷尔等许多学者的理论研究和实践的基础上，离心泵的效率大大提高，它的性能范围和使用领域也日益扩大，已成为现代应用最广、产量最大的泵。

泵通常按工作原理分类。

泵除按工作原理分类外，还可按其他方法分类和命名。例如，按驱动方法分为电动泵和水轮泵等；按结构分为单级泵和多级泵等；按用途分为锅炉给水泵和计量泵等；按输送液体的性质分为水泵、油泵和泥浆泵等。

依靠工作元件在泵缸内作往复或回转运动，使工作容积交替地增大和缩小以实现液体的吸入和排出。容积式泵的吸入侧与排出侧严密隔开。工作元件作往复运动的容积式泵称为往复泵，作回转运动的称为回转泵。前者的吸入和排出过程在同一泵缸内交替进行，并由吸入阀和排出阀加以控制(图1a)。后者则是通过齿轮(图1b)、螺杆、叶形转子（图1c）或滑片等工作元件的旋转作用迫使液体从吸入侧转移到排出侧。它们不需要吸入阀和排出阀。径向回转柱塞泵（图1d）和轴向回转柱塞泵（图1e）分别依靠径向和轴向配置在转子上的多个柱塞在转子回转过程中各自在泵缸内作往复运动来完成吸排作用，它们可被看作是特殊类型回转泵。

靠快速旋转的叶轮对液体的作用力将机械能传递给液体使其动能和压力能增加，再通过泵缸将大部分动能转换为压力能而实现输送。动力式泵又称叶轮式泵或叶片式泵。离心泵（图1f）是最常见的动力式泵。

以另外的方式传递能量的一类泵。例如，射流泵是依靠高速喷射出的工作流体将需要输送的流体吸入泵内，并通过两种流体混合进行动量交换来传递能量。水锤泵是利用流动中的水被突然制动时产生的能量，使其中的一部分水压升到一定高度。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。气体升液泵（图1g）通过导管将压缩空气或其他压缩气体送至液体的最底层处，使之形成较液体轻的气液混合流体，再借管外液体的压力将混合流体压升上来。

泵的性能参数主要有流量和扬程，此外还有轴功率、转速和必需汽蚀裕量(见离心泵)。流量是单位时间内通过泵出口输出的液体量，一般采用体积流量。扬程是单位重量输送液体从泵入口至出口的能量增量。对于容积式泵，能量增量主要体现在压力能增加上，所以通常以压力增量代替扬程来表示。泵的效率不是一个独立性能参数，它可以由别的性能参数例如流量、扬程和轴功率（三者均须通过试验测量得出）按公式计算求得。反之，已知流量、扬程和效率，也可求出轴功率：


。对于容积式泵来说，


。式中P为轴功率（千瓦）；qV为流量（米3/秒）；H为扬程(米)；p为压力增量（帕）；ρ为输送液体的密度（千克/米3）；g为自由落体加速度(米/秒2)；η为效率(％)。

泵的各个性能参数之间存在着一定的相互依赖变化关系，可以通过对泵进行试验分别测得和算出参数值并画成曲线来表示，这些曲线称为泵的特性曲线。例如，动力式泵有H-qV、P-qV和η-qV等曲线，容积式泵有qV-p、P-p和η-p等曲线（图2）。它们分别表示在一定的转速下，泵的扬程、轴功率和效率随流量改变或泵的流量、轴功率和效率随压力改变的情况。每一台泵都有它自己特定的特性曲线，由泵制造厂提供。通常在工厂给出的特性曲线上还标明推荐使用的性能区段，称为该泵的工作范围。泵的实际工作点由泵的H-qV曲线（或qV-p曲线）与泵的装置特性曲线（也称管路特性曲线，即与泵连接的外部装置系统的阻力随流量或压力变化的关系曲线）的交点来确定。选择和使用泵，应使泵的工作点落在工作范围内，以保证运转经济性和安全（图3）。泵工作时，如果工作点流量不是所期望的值，则可采用各种调节方法使工作点移动到需要的位置上。例如：在泵的排出管路上用阀门节流，亦即改变装置特性曲线（对动力式泵）或从泵的出口回流一部分液体至吸入管路（但此时仅改变外输流量，泵本身流量未变）；还有改变叶轮叶片的安装角（对轴流泵）、改变活塞的行程长度（对往复泵）以及改变转速或往复次数等。后 3种方法实质是改变泵的特性曲线，从而使泵工作点移动。此外，同一台泵输送粘度不同的液体时，其特性曲线也会改变。通常，泵制造厂所给的特性曲线大多是指输送清洁冷水时的特性曲线。对于动力式泵，随着液体粘度增大，扬程和效率降低，轴功率增大，所以工业上有时将粘度大的液体加热使粘性变小，以提高输送效率。

动力式泵和容积式泵除了原理上有所不同以外，在工作特性和应用上也有较大的差异。

动力式泵的主要特点是：

（1）一定的泵在一定转速下所产生的扬程有一限定值。工作点流量和轴功率取决于与泵连接的装置系统的情况(位差、压力差和管路损失)。扬程随流量而改变（图2）。

（2）工作稳定，输送连续，流量和压力无脉动。

（3）一般无自吸能力，需要将泵先灌满液体或将管路抽成真空后才能开始工作。

（4）离心泵在排出管路阀门关闭状态下启动，旋涡泵和轴流泵在阀门全开状态下启动，以减少启动功率。

（5）离心泵适合于用高速电动机和汽轮机等直接驱动，结构简单，制造成本低，维修方便。

（6）适用性能范围广，离心泵的流量可以从几到几十万米3/时，扬程可以从数米到数千米；轴流泵一般适用于大流量和低扬程（20米以下）。离心泵和轴流泵的效率一般在80％以下，高的可达90％。

（7）适宜输送粘度很小的清洁液体（例如清水），特殊设计的泵可输送泥浆、污水等或水输固体物。动力式泵主要用于给水、排水、灌溉、流程液体输送、电站蓄能、液压传动和船舶喷射推进等。

容积式泵的主要特点是：

（1）一定的泵在一定转速或往复次数下的流量是一定的，几乎不随压力而变。工作点压力和轴功率取决于与泵连接的装置系统的情况，因此当泵在排出管路不通（相当于系统阻力无限大）的情况下运转时，其压力和轴功率会增大到使泵或原动机破坏，所以必须设置安全阀来保护泵（蒸汽直接作用或压缩空气驱动的泵例外）。

（2）往复泵的流量和压力有较大脉动，需要采取相应的消减脉动措施；回转泵一般无脉动或只有小的脉动。

（3）具有自吸能力，泵启动后即能抽除管路中的空气吸入液体。

（4）启动泵时必须将排出管路阀门完全打开。

（5）往复泵是低速机械，尺寸大，制造和安装费用也大；回转泵转速较高，可达3000转／分。

（6）往复泵适用于高压力(有高达350兆帕的)和小流量（100米3／时以下）；回转泵适用于中小流量（400米3／时以下）和较高压力（35兆帕以下）。总的来说，容积泵的效率高于动力式泵，而且效率曲线的高效区较宽。往复泵的效率一般为70～85％，高的可达90％以上。

（7）往复泵适宜输送清洁的液体或气液混合物，有的泵如隔膜泵可输送泥浆、污水等，主要用于给水、提供高压液源和计量输送等。回转泵适宜输送有润滑性的清洁的液体和液气混合物，特别是粘度大的液体，主要用于油品、食品液体的输送和液压传动方面。

参考书目

H.Schulz， Die Pumpen， 13 neubearbeite Auflage， Springer-Verlag，Berlin，1977.

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