水泵与水泵站教学要点.doc

第一章 绪论
第一节 水泵与泵站在给水排水事业中的作用和地位
1.水泵与泵站的应用
水泵与泵站主要应用于市政以及采矿、冶金、电力、石油、化工、农林等系统的给水和排水工程（主要用途为水的输送）。
2.水泵与泵站在城市给排水系统中应用举例
城市给排水系统典型工艺流程举例：
流程一:原水由取水泵站从水源地送至水厂，净化后的合格用水由送水泵站输送到城市管网中去。
流程二:城市中排泄的生活污水和工业废水，经排水管渠系统汇集后，也必须由排水泵站将污水抽送至污水处理厂，经过处理后的污水再由另一个排水泵站(或用重力自流)，排放入江河湖海中去，或者排入农田作为灌溉之用。
第二节 水泵定义及分类
1. 水泵的定义
泵不能简单地理解为一种将低处的水送至高处的机器，要用能量的观点解释。即能把原动机的能量（如机械能）传递转换至被输送的水，使水的能量（位能、压能、或动能）得到增加的设备，称作“泵”或“水泵”。
2.水泵的分类
泵的分类方法很多，通常按结构、工作原理分类。
(1)按结构分类，通常有以下几种分类方法：
a) 依叶轮进水方式，分单吸式和双吸式；
b) 依叶轮个数，分单级和多级泵；
c) 依泵体检修拆装情况，分水平中开式和垂直剖分式；
d) 依泵轴装置形式，分立式、斜式和卧式。
(2)按工作原理通常可分为三类:
a) 叶片式水泵：离心泵、轴流泵、混流泵等。
b) 容积式水泵：往复泵等。
c) 其它类型水泵：螺旋泵、射流泵、等。
其中,叶片式水泵在实际应用中最为广泛。
3.叶片式水泵中各种泵的基本特征
离心泵流量较小、扬程较高;轴流泵大流量、低扬程;混流泵的特征界于离心泵和轴流泵之间。
4.水泵的发展趋势
(1) 大型化、大容量化
(2) 高扬程、高转速
(3) 系列化、通用化和标准化
(4) 叶片式水泵
第一节 离心泵的工作原理与基本构造
1. 离心泵的工作原理
离心泵在启动前应该排气充水。当电动机通过泵轴带动叶轮高速旋转时，叶轮中的水由于受到离心力的作用，由叶轮中心甩向叶轮外缘，并汇集到泵体内，获得能量增量的水在泵体内被导向出水口，沿出水管被输送至出水池。与此同时，叶轮进口处产生真空或低压状态，进水的压强与进口处产生的真空或低压状态形成压强差，进水池中的水便在此压强差的作用下，通过进水管吸入叶轮。叶轮不停的旋转，水被源源不断的送出和吸入，构成连续的工作状态。
第二节 离心泵的主要零件
1.离心泵的组成
以给水排水工程中常用的单级单吸卧式离心泵为例,离心泵的三个主要部分构件——静止部分（泵壳、泵座）、转动部分（叶轮、泵轴）、动静结合部（轴封装置、减漏环、轴承座）及联轴器和轴向力平衡装置
2.离心泵各个零件的基本作用
(1)叶轮
叶轮是离心泵的主要零件，叶轮的作用就是高速旋转,传递能量.选择叶轮材料时，除了要考虑离心力作用下的机械强度以外，还要考虑材料的耐磨和耐腐蚀性能。目前多数叶轮采用铸铁、铸钢和青铜制成。叶轮一般可分为单吸式叶轮与双吸式叶轮两种。
(2)泵轴
泵轴是用来旋转泵叶轮的，常用材料是碳素钢和不锈钢。泵轴应有足够的抗扭强度和足够的刚度，其挠度不超过允许值；工作转速不能接近产生共振现象的临界转速。
(3)泵壳
泵壳的作用一是把水引向叶轮,二是汇集叶轮当中流出的水.泵壳通常铸成蜗壳形，其过水部分要求有良好的水力条件。泵壳顶上设有充水和放气的螺孔，以便在水泵起动前用来充水及排走泵壳内的空气。
(4)泵座
泵座的作用就是固定连接,泵座上有与底板或基础固定用的螺栓孔。
(5)轴封装置
轴封装置是对应泵轴与泵壳之间存在间隙而采取的措施.应用较多的轴封装置有填料密封和机械密封.
（6）减漏环
叶轮吸入口的外圆与泵壳内壁的接缝处存在一个转动接缝，容易发生水的回流，产生容积损失。减漏环的主要作用就是减漏及另一作用是用来承磨的。
（7）轴承座
轴承座是用来支承轴的。常用的轴承有滚动轴承和滑动轴承。
（8）联轴器
电动机的出力是通过联轴器来传递给水泵的。
第三节 叶片泵的主要性能参数
1.叶片泵的主要性能参数
表征水泵性能的参数是：流量Q、扬程H、轴功率N(及有效功率Nu)、效率η、转速n、允许吸上真空度（Hs）及允许气蚀余量（Hsv）。在学习该部分内容时，目前特别要注意体会和掌握前五个基本参数的定义、常用单位及其相互关系。
第四节 离心泵的基本方程式
1. 叶轮主要结构参数
叶轮主要结构参数有：叶轮进口直径D1，叶轮出口直径D2, 出口宽度b2,叶片进出口安装角度，叶片数，叶片包角等。这些参数对泵的性能产生重要影响。
2.叶轮中液体质点运动的速度三角形
叶轮中的液体存在三种运动，它们是圆周运动（圆周速度U）、相对运动（相对速度W）和绝对运动（绝对速度C）。它们满足
C=U+W
由圆周速度、相对速度、绝对速度构成的图形，称为速度三角形。绝对速度C在切向和径向上的投影，分别称为切向分速和径向分速。欲描述叶轮中任一水流质点的运动状态，可绘出该点水流速度三角形。
3. 离心泵的基本方程式及修正
基本方程式：

由于假定条件与实际应用不符，必须进行修正：（1）.叶槽中，液流实际不均匀一致；（2）.考虑泵壳内水力损失。修正公式为：

第五节 离心泵装置的总扬程
（1）离心泵装置的总扬程运转状态下计算

为压力表读数，为真空表读数，一般水泵运行中，其（）值较小可忽略（要根据

要求），因此，粗略计算水泵运行的扬程只要把运行中的水泵装置的真空表和压力表读数相加，即可得出该水泵的工作扬程。
（2）水泵扬程也可用管道中水头损失及扬升液体高度来计算

可以看出，水泵的扬程在实际工作中，用于两方面：一是将水提升的几何高度（即静扬程），二是消耗在克服管路中的水头损失。
第六节 离心泵的特性曲线
1.离心泵的特性曲线
在一定转速下，离心泵的扬程、功率、效率等随流量的变化关系称为特性曲线。一般以流量Q为横坐标，，用扬程H、功率N、效率η和允许吸上真空度Hs为纵坐标，绘Q～H、Q～N、Q～η、Q～ Hs曲线。
它反映泵的基本性能的变化规律，可做为选泵和用泵的依据。各种型号离心泵的特性曲线不同，但都有共同的变化趋势。
2. 泵内各种损失及效率
泵在工作中总是伴随着各种损失。泵内损失有三种，他们是：机械功率损失、容积损失和水力损失。泵轴从原动机获得轴功率以后，首先要克服机械损失（圆盘摩擦、轴承摩擦、和填料密封摩擦损失），将剩下的功率传给液体（称为液体功率），扣除泵内容积泄漏即容积损失、泵内水力损失后，才是泵的有效功率。
泵内各种损失通常用相应的效率来表示，它们分别是：
(1)水力效率ηh：泵体内两部分（摩擦损失和冲击损失）水力损失必然要消耗一部分功率，使水泵的总效率下降。

(2)容积效率ηv：在水泵工作过程中存在着泄漏和回流问题，存在容积损失。

(3)机械效率ηM：机械性的摩擦损失

总效率

该部分要能够分析泵内各种能量损失，知道这些损失发生的部位以及形成的原因，弄清上述公式的意义，能从中指出提高泵效率的途径。并应了解理论特性曲线Q～H的推证绘制过程(即QT～HT→Q～H)。
3. 实测特性曲线的讨论
(1) Q～H曲线是下降的曲线，即随流量Q的增大，扬程H逐渐减少。水泵的高效段是不低于最高效率点10%左右对应的区段。
(2) 离心泵的轴功率随流量增加而逐渐增加，Q～N曲线有上升的特点。
当流量为零时（如出口闸阀关闭），轴功率最小。因此，为便于离心泵的轻载启动及防止动力机超载，启动时，应将出水管路上的出口闸阀关闭，启动后，再将闸阀逐渐打开，即离心泵要求闭阀启动。
(3) 效率曲线Q～η为从最高点向两侧下降的变化趋势。最高效率值对应各曲线的参数，即水泵铭牌上所列的相应数据(额定参数)。
(4) 离心泵流量与允许吸上真空度曲线Q～ Hs是一条下降的曲线。而离心泵流量与汽蚀余量(HSV或Δh)曲线是一条上升的曲线。水泵的实际吸水真空值必须小于Q—HS曲线上的相应值，否则，水泵将会产生气蚀现象。
(5) 水泵所输送液体的粘度越大，泵体内部的能量损失愈大，水泵的扬程(H)和流量(Q)都要减小，效率要下降，而轴功率却增大，也即水泵特性曲线将发生改变。
第七节 离心泵装置定速运行工况
1.工况点的概念
水泵运行时，其流量、扬程、轴功率、效率及吸上真空高度等称水泵实际工况点，也称瞬时工况点，它表示了该水泵在此时的实际工作能力。
2.工况点的影响因素
离心泵装置工况点主要取决于泵本身性能以及装置性能两个方面。泵的性能主要受水泵本身型号和实际转速的影响，可以用泵的性能曲线来表示，由于泵内水流复杂多变，它的性能曲线都是通过试验得到的。装置性能取决于输配水管路系统的布置以及水池、水塔(高地水池)的水位值和变动等边界条件。
3. 离心泵装置工况点的求解
将离心泵装置的特性用曲线和水泵的性能曲线画在同一图上，两曲线的交点即为水泵的工况点，也即为能量供需的平衡点，该点决定泵的实际工作状态。有两种方法求离心泵装置工况点：
（1）、图解法：简明、直观，工程中应用广泛。
解法：a、绘水泵性能曲线Q～H；
b、绘管道系统特性曲线+Q～∑h；

c、两曲线相交点M称为水泵装置工况点（工作点），此时，M点对应横坐标Q和纵坐标H分别为水泵装置的出水量和扬程。
（2）、数解法（抛物线法）
原理：拟合Q-H曲线，与管道系统特性曲线联立求解工况点。

4.离心泵工作点的校核
离心泵在此工作点工作是否正常，主要从以下几点进行校核：
a) 流量和扬程是否满足使用要求；
b) 水泵是否在高效区工作；
c) 水泵不超载或空载；
d) 水泵不发生汽蚀
5. 水泵工况点的变化
水泵工况点随泵性能以及装置性能的变化而改变。实际运用中或是因上下水箱（池）水位改变（或压力变化），或是因阀门开启度减小（或管路其他损失增大）等，或是因水泵转速改变等都可能使水泵工况点的变化。
6. 离心泵装置工况点的调节方法
泵的工作点由两条特性曲线所决定，因而改变其中之一或者同时改变即可实现流量的调节。
常用的方法有变速调节、变径调节、（即通过改变泵的转速、车削叶轮外径来改变水泵性能曲线状态），偶尔也采用变阀调节（减少管路上的阀门开度，增大阻力损失，改变装置特性曲线），使水泵工作点落在高效区或使水泵达到理想运行状态。
变阀调节即改变装置特性曲线形状。关小闸阀增大水头损失，只能使能量损耗增加，尽管有时可达到提高水泵效率的目的，但对装置效率而言，只能下降，经济上不够合理。优点是调节流量，简便易行，可连续变化，小范围或临时输水状态下有时使用。
第八节 离心泵装置调速运行工况
1. 叶轮相似定律
几何相似：两个叶轮主要过流部分一切相对应的尺寸成一定比例，所有的对应角相等。

b2、b2m ——实际泵与模型泵叶轮的出口宽度；
D2、D2m ——实际泵与模型泵叶轮的外径；
——比例。
运动相似的条件是：两叶轮对应点上水流的同名速度方向一致，大小互成比例。也即在相应点上水流的速度三角形相似。

在几何相似的前题下，运动相似就是工况相似。
2.叶轮相似定律有三个方面：
a) 第一相似定律——两台在相似工况下运行水泵的流量之间的关系。

(在两叶轮大小及转速相差不大的情况下容积效率近似相等)

b) 第二相似定律——两台在相似工况下运行水泵的扬程之间的关系。

(在两叶轮大小及转速相差不大的情况下水力效率近似相等)

c) 第三相似定律——两台在相似工况下运行水泵的轴功率之间的关系。

(在两叶轮大小及转速相差不大的情况下机械效率近似相等)

3.相似定律的特例——比例律
把相似定律应用于以不同转速运行的同一台叶片泵，则可得到比例律：

变速调节，计算公式是以相似律(比例律)为基础。改变转速,可生成新的相应的水泵特性曲线,在作变速调节计算时，必须弄清什么是相似工况点，什么是工作点，两者不能混淆。只有确认两点是彼此相似工况点时（位于同一条相似工况点抛物线上），才能使用比例律进行换算。
4. 相似准数—比转数(ns)
（１）

注： Q和H是指水泵最高效率时的流量和扬程(额定参数);
Q和H是指单吸、单级状态的流量和扬程,计算时应注意(如计算单级双吸泵比转数, Q的取值应用额定参数流量的二分之一);
比转数不是无因次数，它的单位是“r／min”。
（2）对比转数的讨论
当转速n一定时，比较而言:ns大，水泵的流量大，扬程低。ns小，水泵的流量小，扬程高。
叶片泵叶轮的形状、尺寸等随比转数而变的。用比转数ns可对叶片泵进行分类。
另:要注意了解相对性能曲线的性质与应用
5. 调速途径及调速范围
（1）、调速途径
实现变速调节的途径一般有两种方式。
一种方式是电机转速不变， 用中间偶合器（变速箱）以达到改变转速的目的。属于这种调速方式的常见有液力偶合器，它是用油作为传递力矩的介质，是属于滑差传动的一种。
另一种方式是电机本身的转速可变。属于这种调速方式的有改变电机定子电压调速，改变电机定子极数调速，改变电机转子电阻调速，串级调速以及变频调速等多种。
（2）、在确定水泵调速范围时，应注意如下几点：
a) 调速水泵安全运行的前提是调速后的转速不能与其临界转速重合、接近或成倍数。
b) 水泵的调速一般不调高转速。下调转速通常控制不超过额定转速30%。（在并联运行中要合理配置调速泵与定速泵台数的比例）
c) 水泵调速的合理范围应使调速泵与定速泵均能运行于各自的高效段内。
第九节 离心泵装置换轮运行工况
1. 车削律

注意：车削律是建于大量试验资料的基础上。如果叶轮的车削量控制在一定限度内时，则切削前后水泵相应的效率可视为基本不变。此车削限量与水泵的比转数有关。
换轮运行即变径调节，计算公式是以车削律为基础。改变叶轮外径,可生成新的相应的水泵特性曲线,在作变径调节计算时，必须弄清什么是对应点，什么是工作点，两者不能混淆。只有确认两点是彼此对应点时（位于同一条车削抛物线上），才能使用车削律进行换算。
2.应用切削律应注意的几个问题
（1） 水泵叶轮的车削应有一定的限量；
（2） 对于不同构造的叶轮车削时，应采取不同的方式。低比转数的叶轮，车削量对叶轮前后两盖板和叶片都是一样的；对于高比转数离心泵叶轮，则切削量不同，后盖板的车削量应大于前盖板；
（3） 离心泵叶轮车削后，其叶片的出水舌端就显得比较厚。如能沿叶片弧面在一定的长度内锉掉一层，则可改善叶轮的工作性能。
（4） 叶轮车切削是解决水泵类型、规格的有限性与供水对象要求的多样性之间矛盾的一种方法，它使水泵的使用范围扩大。
注：对型谱图的理解。
第十节 离心泵并联及串联运行工况
1. 水泵并联工作的特点
(1)可以增加供水量，输水干管中的流量等于各台并联水泵并联运行时出水量之总和；
(2)可以通过开停水泵的台数来调节泵站的流量和扬程，以达到节能和安全供水的目的。例如：河水取水泵站在设计时，流量是按城市中最大日平均时的流量来考虑的，扬程是按河道中枯水位来考虑的。因此，在实际运行中，由于河道水位的变化，城市管网中用水量的变化等，会涉及取水泵站机组开停的调节问题。另外，送水泵站机组开停的调节就更显得必要了；
(3)当并联工作的水泵中有一台损坏时，其它几台水泵仍可继续供水，因此，水泵并联输水提高了泵站运行调度的灵活性和供水的可靠性，是泵站中最常见的一种运行方式。
(4)水泵并联应在各泵扬程范围比较接近的基础上进行。
2.水泵并联运行工况点的求法
这种运行方式,利用图解法求水泵工作点,从原理到方法都不难掌握.要注意不同状态的并联模式（含调速泵因素）及等能量下流量叠加的原则，关键在于并联运行的水泵,当并联点以前管路损失不能忽略时,求解水泵工作点时必须采用折引曲线法,在最后推求水泵工作点时必须计入开始扣除的损失.这点容易被忽视,必须引起充分的注意。了解数解法水泵并联运行工况分析的基本内容。
3. 水泵串联工作
各水泵串联工作时，其总和（Q-H）性能曲线等于同一流量下扬程的叠加。水泵串连工作时应注意各台水泵的额定流量应是接近的，否则就难以保证两台泵都在较高的效率下运行。了解数解法水泵串联运行工况分析的基本内容
第十一节 离心泵吸水性能
1.汽蚀现象及汽蚀机理
当泵内某点最低压力Pk低于被抽送液体对应温度下的汽化压力Pva时，液体开始汽化（沸腾），带有汽泡的水流到达高压区，汽泡受压破灭，产生局部水击，对泵叶轮有物理、化学等破坏作用；由于叶轮中液体存在汽泡（二相流），叶轮内水流正常的能量转换规律遭到破坏，叶轮不能稳定地向水流施加能量，水泵性能变坏。
汽蚀机理比较复杂。一般认为，汽泡产生的原因除与水流压力、液体温度有关外，还与流道形状、表面粗糙度和外界条件（如机械振动、压力波动等）有关。研究还进一步表明，汽泡的产生还与液体的含气量、含杂质量等多种因素有关。材料破坏的原因目前比较统一的看法是机械剥蚀与热力学和电化学腐蚀作用的综合结果。
2．气蚀的危害
a) 造成水泵性能（流量、扬程、效率）下降；
b) 导致水泵过流断面发生破坏；
c) 水泵机组产生强烈的振动和噪音。
3．注：临界气蚀余量；允许气蚀余量；实际气蚀余量概念。
临界吸上真空高度；允许吸上真空高度；实际吸上真空高度概念。
4．离心泵的最大安装高度
水泵的最大安装高度标准状况（大气压为10．33mH20，水温为20℃）下计算公式：

由于水泵样本给的曲线是在大气压为10．33mH20，水温为20℃时，由专门的气蚀试验求得的。它是该水泵吸水性能的一条限度曲线Q～ Hs。在使用时，要注意Hs值是个条件值，与当地大气压及抽升水的温度有关，当水泵的使用条件不在标准状况下时，应进行水温、海拔高度修正。

Hs 的修正公式：

4．防止水泵汽蚀的措施
（1）改善泵的吸入装置，增加有效汽蚀余量。
a) 适当降低水泵的安装高度；
b) 减少吸水管水力损失；
（2）改善泵的设计与制造工艺，减少泵的动压降。
a) 改善水泵叶轮进口的几何形状
b) 在离心泵中装置诱导轮
c) 采用耐汽蚀材料
第十二节 离心泵机组的使用、维护及更新改造
1.离心泵机组的正确启动
做好启动前的准备工作（盘车和灌泵）后，即可启动水泵。启动时，工作人员与机组不要靠得太近，待水泵转速稳定后，即应打开真空表与压力表上的阀门，此时，压力表上读数应上升至水泵零流量的空转扬程，表示水泵已经上压，可逐渐打开压水管闸阀，此时，真空表读数逐渐增加，压力表读数应逐渐下降。水泵在闭闸情况下，运行时间一般不应超过2 ～3min ，如时间太长，则泵内液体发热会造成事故，应及时停车。
2.水泵运转与维护过程中应注意的事项
（1） 在开车及运转过程中，必须注意观察仪表读数、轴承发热、填料漏水及泵的振动和杂音等是否正常，如发现异常情况，应及时处理。
（2） 联轴器处轴承，每半年至少加一次纳基润滑脂。
（3） 设备停用如环境温度低于零度，应将泵及水箱、水池内水放出，以免冻裂。
（4） 水泵的停车应先关出水闸阀，实行闭闸停车。
3. 机泵的更新改造
改造目的： 一是节能，二是工作可靠。从改造从电动机和水泵两方面着手。
第十三节 轴流泵及混流泵
1.轴流泵的基本构造
轴流泵由喇叭口、叶轮、导叶、泵轴、出水弯管、轴承、填料盒及叶片角度的调节机构等组成。
2.轴流泵的工作原理
轴流泵是利用叶轮在水中旋转时产生的推力将水推挤上升的。
3.轴流泵的性能特点
a) 扬程随流量的减小而急剧增大 ；
b) Q—N曲线是陡降曲线，轴流泵应“开闸启动”；
c) Q—η曲线呈驼峰形 。
4.混流泵
混流泵根据其压水室的不同，通常可分为蜗壳式和导叶式两种。蜗壳式与单吸式离心泵相似。导叶式与立式轴流泵相似。其工作原理：介于离心泵和轴流泵之间。

第十四节 给水排水工程中常用的叶片泵
给水排水工程中，常用的叶片泵计有：
1.IS系列单级单吸式离心泵
特点：
a) 性能分布合理(Q=6.3～400m3／h，H=5～125m)
b) 标准化程度高，泵的效率达到国际水平。
2.Sh(SA、S)系列单级双吸式离心泵
城镇给水、农田排灌、防洪排涝等方面应用较广泛
特点：
a) Q=90～20000m3／h，H=10～100m
b) 泵检修方便。
3.D(DA)系列分段多级式离心泵
将几个叶轮同时安装在一根轴上串联工作。轴上叶轮的个数就代表泵的级数。
4.JD（J）系列深井泵
5.潜水泵
6.污水泵、杂质泵
第三章 其它水泵
第一节 射流泵
1.了解射流泵的构造、工作原理、工作性能参数和计算方法