1.2 叶片泵的主要部件与典型结构
1.2.1 离心泵的主要部件
离心泵 (图1.1)的主要部件包括叶轮、泵轴、轴承、吸入室、压水室、口环和轴封等。现将它们的典型构造和主要作用分述如下。
1.2.1.1 叶轮
叶轮又称工作轮或转轮。它的作用是通过其叶片的高速旋转运动对液体做功,将原动机机械能传递给工作液体。叶轮是离心泵的核心部件,通常由盖板、叶片和轮毂等组成。
按其结构形式,叶轮通常可分为闭式、半开式和开式3种形式,如图1.11所示。
图1.11 离心泵的叶轮形式
(a)闭式叶轮;(b)半开式叶轮;(c)开式叶轮
闭式叶轮由前、后盖板 (轮盘)、叶片 (一般为6~12片)及轮毂组成。相邻叶片和前后盖板的内壁构成的一系列弯曲槽道,称为叶槽。闭式叶轮一般用于输送清水的离心泵,具有泄漏少、效率高等优点。开式叶轮是前后两侧都没有盖板的叶轮,通常用于抽送浆粒状液体或污水,可避免叶轮在工作时的淤积和堵塞。半开式叶轮是只有后盖板的叶轮,通常适宜输送介于上述两种液体介质的流体。
按照叶轮进水方式的不同,闭式叶轮又可分为单吸式和双吸式两种。如图1.12所示为单吸式叶轮,只有单侧前盖板中间的一个进水口。
单吸式叶轮工作时,若前后两侧所受压力不一致就会使叶轮受到轴向力的影响,以闭式叶轮为例,我们来分析该叶轮工作时轴向力的产生及影响。
图1.12 单吸式叶轮
图1.13 叶轮两侧压力分布
叶轮工作时,尽管前后两侧承受的压强相等,但由于前后盖板的承压面积不一样,致使作用在后盖板外侧表面上的力Pback比前盖板表面上的力Pfront大,由于该压力差(Pback—Pfront)形成的作用力方向与泵轴平行,故称为轴向力 (图1.13)。由上述分析可知,轴向力由后盖板指向前盖板,其方向与叶轮入流方向相反,且轴向力的大小与叶轮的尺寸及水泵扬程的高低有关,泵尺寸愈大、扬程愈高,轴向力的值也愈大。显然,由于轴向力的作用,势必使叶轮和泵轴一起向进水侧移动,导致叶轮与泵壳间的摩擦加剧,轻则泵的寿命缩短,重则使泵不能工作。因此,为了减轻轴向力的危害作用,单级单吸泵通常采用专门的措施以平衡该轴向力:①在对应叶轮入口部位的后盖板上钻若干个平衡孔,使叶轮后侧的压力水可经过这些小孔流向进水侧,以减轻轴向力对叶轮正常工作的危害作用,但这种措施一般会使泄漏损失增加,导致泵效率下降2%~5%;②在叶轮后盖板上,加设若干条径向凸起的平衡肋筋,随着叶轮高速旋转的同时,这些径向肋筋就迫使叶轮后侧的液体随之旋转。由流体力学的动水压强理论可知,随着该处液体旋转加快,该处压力也将会显著下降,从而达到减轻或平衡轴向力的目的。
对于多级单吸式泵,由于随着叶轮级数的增加,轴向力也随之增大,故多级泵通常设有专门的平衡轴向力的装置,称为平衡盘。
如图1.14所示的双吸式叶轮则在叶轮前、后盖板中间各有一进水口。双吸式叶轮由于前后形状对称,液体从叶轮两侧同时进入,因此该轴向力可自动平衡。
图1.14 双吸式叶轮
叶轮作为泵传递能量的主要部件,它的形状、大小及制造工艺等都直接关系到泵的工作性能。
1.2.1.2 泵轴
泵轴的作用是支承和连接叶轮成为泵的转动部分,并带动叶轮旋转。因此泵轴必须具有足够的抗扭和抗弯强度,通常用优质碳素钢制成。一般泵轴上装有轴套,以避免泵轴的磨损与腐蚀,因为轴套磨损与腐蚀后更换的代价比更换泵轴要小得多。泵轴、叶轮和其他转动部件 (合称转子)必须经过静、动平衡试验,以免运转时机组振动过大。
泵轴和叶轮是用键来连接的,因此泵轴和叶轮上都设有键槽,键在叶轮转动中仅起传递扭矩的作用。而叶轮的轴向位置是依靠相应的轴向台阶 (或轴套)来定位,由反旋螺母紧固。
1.2.1.3 轴承
轴承是泵的固定部分和转动部分的连接部件。它的作用有支承转动部件的重量,承受一定的轴向力和减小转动部件工作时的转动摩擦阻力,以提高传递能量的效率。
常用的轴承有滑动轴承和滚动轴承两种结构。滑动轴承具有转动摩擦力较大,但能承受较大径向力的特点;滚动轴承具有转动摩擦力较小,但不能承受较大径向力。通常,我国制造的单级离心泵泵轴的直径在60mm以下的均采用滚动轴承;泵轴的直径在75mm以上的均采用滑动轴承。
图1.15 锥形吸入室图
1—吸入室;2—叶轮
1.2.1.4 吸入室
吸入室是泵壳体内腔低压区部分,其主要作用是保证水流在叶轮进口前有较均匀的流态分布,以最小的水力损失引导液体平稳地流入叶轮。吸入室一般采用以下3种形式:①锥形吸入室,形似锥管 (锥角一般为7°~8°) (图1.15),它具有结构简单、流速分布均匀等优点,常被单级单吸式离心泵所采用;②半螺旋形吸入室,形为半螺旋状(图1.16),该吸入室的水力损失最小,室内流速分布也较均匀,但会在叶轮进口前引起水流的预旋,该种吸入室常为单级双吸式离心泵所采用;③环形吸入室,其断面形状为环形 (图1.17),其优点是结构简单、轴向尺寸小,但水力损失较大,流速分布也不太均匀,一般为单吸分段式多级离心泵所采用。
图1.16 半螺旋形吸入室
图1.17 环形吸入室
图1.18 压水室
(a)导叶式压水室;(b)螺旋形压水室1—叶轮;2—导叶;3—蜗壳;4—出水管
1.2.1.5 压水室
压水室是泵壳体内腔高压区部分,其主要作用是收集流出叶轮的水流,并将水流引入出水管。常见的压水室有螺旋形和导叶式两种,如图1.18所示。螺旋形压水室,又称蜗壳,不仅起收集水流的作用,同时还具有将水流的大部分动能转化成压能,以降低液流在输运过程中的能量损失的作用。它具有结构简单、制造方便和效率高的特点,常为单级双吸式离心泵和水平中开式多级离心泵所采用。导叶式压水室具有与环形吸入室相同的特点,一般在分段多级泵采用。
吸入室、压水室以及泵座一起组成泵壳,一般用铸铁制成。其结构型式可分为端盖式、中开式和节段式3种。
通常,泵壳的进口和出口法兰盘上设置有安装用于监测泵工作时进、出口压力的压力表计螺孔接口。为便于泵启动前充水 (或抽真空),泵壳顶部设有充水 (或排气)螺孔接口。泵壳底部设置的放水螺孔接口可放空泵内的积水,以防止水泵在较长时间不使用时的锈蚀与寒冬季节的冻裂。
1.2.1.6 口环
口环在叶轮吸入口的外缘与泵壳内壁的接缝处存在着一个转动交接缝隙,而缝隙两侧正是高低压区,这个缝隙偏大,泵壳内的高压水就会通过这个缝隙泄漏到叶轮进口处的低压区,从而降低水泵流量及效率。但偏小时,叶轮转动时就会和泵壳内壁发生摩擦,导致机械磨损加剧。通常在该间隙处镶嵌上金属环,该环既起到减少高压水泄漏的作用,又起到可承受磨损的作用,故又称为减漏环、承磨环。口环与叶轮进口外缘的间隙一般在0.1~0.5mm之间。通常口环的接缝面多做成折线形,目的是为了延长渗径,增大泄漏阻力,减少泄漏量。口环的结构型式如图1.19所示。
图1.19 口环的结构型式
(a)单环型;(b)双环型;(c)双环迷宫型
1—泵壳;2—叶轮;3—镶在叶轮上的口环;4—镶在泵壳上的口环
1.2.1.7 轴封
轴封是用来密封泵轴穿过泵壳处的间隙,以阻止高压液流在该间隙处的大量泄漏或防止空气进入泵内。轴封有填料函与机械密封两种型式。
(1)填料函由水封环、填料、底衬环和压盖等组成,其构造如图1.20所示。
填料又称盘根,一般它是用石棉、棉纱和合成树脂 (如聚四氟乙烯树脂)纤维等编织成方形或圆形,再按用途经石墨、润滑脂等浸透后而成。若干根填料箍在泵轴或轴套上,放置在填料腔内。填料的中间部位装有带若干个小孔的水封环。水封环的作用是将泵内高压水通过水封管进入水封环上的小孔,使高压水渗入填料箍间进行水封,以加强填料间缝隙的密封作用。同时还可起到冷却和润滑泵轴的作用。因此安装水泵时应使水封环的位置对准水封管。
图1.20 填料函构造示意图
1—底衬环;2—填料;3—水封管;4—水封环;
5—填料压盖;6—填料腔
底衬环和压盖通常用铸铁材料制成,它们套在位于填料腔两端的泵轴上,用来压紧填料。压盖端部设有松紧螺丝,可调节填料的压紧程度。若填料压得过紧,不但会使水封环的水无法渗漏到填料间,而且还会使填料与泵轴间的摩擦力增大,造成填料发热、冒烟,严重时甚至烧毁,导致缩短填料使用寿命,同时,还会引起水泵轴功率的增加;若填料压得过松,则会降低密封的效果,使漏水量或漏气量增大,也会降低水泵运行的效率。一般以每分钟从填料中渗出40~60滴水为适宜的填料压紧程度。
图1.21 单端面机械密封
1—静环;2—动环;3—辅助
密封;4—弹簧及冲件
填料函具有结构简单、价格低廉和拆装方便等优点,故在供排水离心泵的轴封机构中普遍使用。但是由于填料本身易磨损变质,使用寿命短,且需要经常更换及密封性能较差等缺点,所以国内外已采用一些新的轴封方法,如机械密封等技术。
(2)机械密封又称端面密封,其结构如图1.21所示。它是在弹簧及冲件4和密封腔内液体压力的共同作用下,靠静环1和动环2在泵轴线垂直的端面上紧密贴合实现动密封,依靠辅助密封3分别进行动环与轴、静环与泵壳体之间的静密封。
与填料函相比,机械密封的结构要复杂些,但它具有泄漏量极少、使用寿命长、轴几乎无磨损和功率损失小等优点,故机械密封现在已愈来愈多地被采用。
1.2.2 轴流泵的主要部件
轴流泵的主要部件包括叶轮、泵轴、轴承、吸入室、叶轮室、压水室和填料函等。以下将分述它们的典型构造和作用。
1.2.2.1 叶轮
如图1.22所示,轴流泵的叶轮均为开敞式叶轮,通常由叶片 (一般为2~6片)、轮毂等部分组成。中、小型轴流泵的导水锥是连接在轮毂的前端和叶轮一起转动的。大型轴流泵的导水锥往往是和叶轮分离,作为固定部件被安装轮毂的前端。轴流泵的叶片呈空间扭曲状,是通过叶片转动轴插入轮毂与其相连接的。根据叶片在轮毂上的定位方式可将轴流泵分为固定式、半调节式和全调节式3种。固定式叶轮的轮毂表面是圆柱形,可调节式叶轮的轮毂表面是球形。如图1.22所示水泵厂家会根据叶片调节的需要把设计位置相对标记为叶片的0°安放角,在此叶片安放角下,水泵一般具有最高的效率。并在轮毂上逆时针率定标记正安放角刻度线,顺时针率定标记负安放角刻度线。所谓半调节式必须停机拆卸叶片,重新调整好合适的叶片安放角后再把叶片和轮毂连接定位。全调节式则可以根据生产需求在轴流泵运行中调节叶片安放角。中、小型轴流泵通常为固定式和半调节式,叶片和轮毂之间是靠定位销和叶片螺母相对固定的。大型全调节轴流泵的叶轮轮毂里面设置有曲柄连杆机构。
图1.22 轴流泵叶轮
1—叶片;2—轮毂;3—导水锥;4—刻度线
1.2.2.2 泵轴
泵轴用来传递扭矩,一般由优质碳素钢制成。中、小型轴流泵的泵轴多为实心的,而大型全调节式轴流泵的泵轴是空心的,以便于在空心轴内设置调角的压力油管或机械操作杆等调角机构的设施。
1.2.2.3 轴承
轴流泵的轴承有推力轴承与导轴承两种类型。
推力轴承承受立式泵机组转动部件的重量以及轴向水推力,并维持转动部件的轴向位置。中、小型立式轴流泵的推力轴承,可作为电动机的部件设在电动机机座内,也可作为水泵的部件设在水泵轴端传动装置内。大型立式轴流泵的推力轴承装在立式同步电动机机座内,由推力头、绝缘垫、推力瓦块、镜板和抗震螺栓组成。
导轴承仅承受径向力,并起径向定位作用。中、小型立式轴流泵通常采用橡胶导轴承 (图1.23),有上、下导轴承之分。上导轴承设在泵轴穿过泵壳 (出水弯管)处,下导轴承设在导叶毂内。橡胶导轴承均以水作润滑剂。值得注意的是:立式轴流泵的上导轴承一般位于进水池水面以上,因此上导轴承必须在泵启动前至泵进入正常运行的这个时段内专门供水润滑,否则极易因干摩擦而烧毁。大型立式轴流泵通常只设下导轴承,而上导轴承设在电动机机座内,且以油作为润滑剂。
图1.23 橡胶导轴承
1—橡胶;2—轴承外壳
1.2.2.4 吸入室
喇叭管是中小型立式轴流泵的吸入室,其作用是使水流以最小的水力阻力损失且均匀平顺地流入叶轮。大型轴流泵不用喇叭管,而采用肘形、钟形或簸箕形进水流道。
1.2.2.5 叶轮室
叶轮室为叶轮做功提供的空间,也被称作叶轮的外壳,俗称动叶外壳。叶片安放角固定的叶轮室内表面为圆柱面,叶片安放角可调的轴流泵其叶轮外壳的内表面为球面。
1.2.2.6 压水室
轴流泵压水室最常见的是导叶体 (图1.24),由导叶、导叶毂和泵壳等组成。导叶体安装在紧接叶轮出口的后方,呈圆锥形,其扩散角δ一般不大于8°~9°,内有5~12片导叶。导叶的进口方向与液体流出叶轮的方向一致,以减少液流的冲击损失。导叶的主要作用是迫使叶轮中流出的水流由呈旋转的螺旋运动改变为轴向的直线运动,并促使水流在圆锥形导叶体内随着断面的不断扩大而逐渐降低流速,将部分动能转换成为压能,以减少水力损失。
图1.24 轴流泵导叶体简图
(a)导叶体;(b)水在导叶体中的流向
1—导叶;2—泵壳;3—导叶毂;
4—叶轮;5—出水弯管
1.2.2.7 填料函
填料函安装在轴流泵出水弯管的轴孔处,其构造与离心泵的填料函相类似,但不设水封环和水封管。泵启动时,与上导轴承一样,必须有专门的供水以润滑填料,否则极易因干摩擦而增大启动力矩和增加启动功率、烧毁填料等现象。待泵启动结束且进入正常运行后,方可由泵内的压力水代替,以起到润滑冷却填料的作用。
1.2.3 机电排灌常用泵的典型结构
我国幅员辽阔,机电排灌工程的特点是排灌流量大、涉及范围广、用泵类型多、发展速度快。随着国民经济的综合实力不断增长,大量的机电排灌工程已经建成和正在建成,或运筹规划中。从工程规模而言多属于中、小型,但也不乏如 “南水北调”等超大型跨流域的调水工程。这些工程的核心设备就是水泵,而且几乎都是叶片泵。因此,我们仍以叶片泵的三大泵类——离心泵、轴流泵及混流泵为核心,介绍机电排灌工程中常用叶片泵的典型结构。
1.2.3.1 离心泵的典型结构型式
离心泵从结构特点上,可按液体进入叶轮的方式分为单吸式和双吸式离心泵,按叶轮的个数可分为单级和多级离心泵。
因此,常见的离心泵典型结构型式有单级单吸式、单级双吸式和多级式3种。
(1)单级单吸离心泵。如图1.1所示为单级单吸悬臂式离心泵。单级单吸泵的特点是流量较小,通常小于400m3/h;扬程较高,为20~125m。
(2)单级双吸式离心泵。多数单级双吸式离心泵均采用双支承结构,即支承转子的轴承位于叶轮两侧,且一般都靠近轴的两端。如图1.25所示的 “S”型泵即为双支承结构的单级双吸卧式离心泵。它的转子为一单独装配部件。泵体转动部分用位于泵体两端的轴承体内的两个轴承呈双支承型式支承。“S”型泵是侧向吸入和压出的,并采用水平中开式的泵壳,即泵壳沿通过轴心线的水平面 (中开面)剖分开。它的两个半螺旋吸水室及螺旋形压水室都是由泵盖8和泵体9在中开面处对合而成的。泵的进口和出口均与泵体铸为一体。用这种结构的优点是在检修水泵时无需拆卸进水管和出水管,也不必移动电机,只要揭开泵盖即可检修零部件;再者由于工作叶轮两侧吸入形状对称,且同时双向进水,有利于运行时轴向力的平衡。
双吸泵的特点是流量较大,通常为160~18000m3/h,扬程较高,为12~125m。
(3)多级泵。多级泵是指泵轴上串装两个以上叶轮的泵,叶轮个数即为泵的级数,它的结构比单级泵复杂。如图1.26所示为节段式多级泵,泵体分为吸入段、中段 (叶轮部分)和压出段等。该泵在叶轮8、中段7及导叶9的两端分别装有吸入段5和压出段12,然后用拉紧螺栓11将这些部件紧固成整体。泵运行时液体从第一级叶轮排出后经导叶进入第二级叶轮,再从第二级叶轮排出后经导叶进入第三级叶轮,依此类推,直至由压出段出口流出。由于这种泵的单吸式叶轮只能依次按一个方向布置,因此叶轮级数愈多,压力也愈高,产生的轴向推力也愈大,故多级泵在末级叶轮后面设有平衡盘14,以平衡轴向推力。
图1.25 单级双吸式离心泵 (“S”型)
1—叶轮;2—泵轴;3—轴承;4—吸入室;5—压水室;
6—口环;7—填料函;8—泵盖;9—泵体
图1.26 卧式节段式离心泵 (D型)
1—联轴器;2—泵轴;3—滚动轴承;4—填料压盖;5—吸入段;6—密封环;7—中段;8—叶轮;
9—导叶;10—密封环;11—拉紧螺栓;12—压出段;13—衬环;14—平衡盘;15—泵盖
如图1.27所示为一提取深层地下水的深井多级泵,亦称长轴井泵。
多级泵的特点是流量较小,一般为6~450m3/h,扬程则特别高,一般都在数十米至数百米范围内,高压多级泵甚至高达数千米。
图1.27 深井多级泵
1.2.3.2 轴流泵的典型结构型式
轴流泵是一种低扬程、大流量的泵型,按其泵轴的工作位置可分为卧式、斜式和立式3种结构型式。
卧式轴流泵对泵房高度的要求较立式机组低,具有安装方便,检修容易,适宜在水源水位变幅不大的场合。
斜式轴流泵的特点是适宜于安置在斜坡上。根据这一特点,对于水源水位变化大的场合,可将整个水泵机组安置于沿斜坡铺设的滑道上。
立式轴流泵 (图1.2)的特点有:占地面积小;轴承磨损均匀;叶轮淹没在水下,启动前不需要充水;能按水位变化的情况可适当调整传动轴的长度,从而可将电机安置在较高的位置上,既有利于通风散热,又可免遭洪水淹浸等。因此我国生产的大多数轴流泵都采用立式结构。
轴流泵的流量范围很大,为700~100000m3/h,扬程一般在15m以下。
1.2.3.3 混流泵的典型结构型式
混流泵的结构型式可分为蜗壳型 (图1.28)和导叶型[图1.2(b)]两种。低比转数的混流泵多为蜗壳型,且其结构与蜗壳型离心泵相似;高比转数的混流泵多为导叶型,而且其结构与轴流泵相似。混流泵也有卧式与立式之分,按其叶片可否调节的状况,也可分为固定式、半调节式和全调节式等型式。蜗壳式混流泵一般都采用单级单吸的悬臂结构。
图1.28 蜗壳式混流泵 (HW型)
1—叶轮;2—泵轴;3—轴承;4—吸入室;5—压水室;6—口环;7—轴封
混流泵是介于离心泵与轴流泵之间的一种叶片泵,其叶轮出流方向及泵的性能等也均有与此相应的特点,其结构型式同样介于离心泵和轴流泵两者之间,是一种中等扬程泵型。
1.2.3.4 潜水泵的典型结构型式
潜水泵是水泵和电动机同轴联成一体并潜入水下工作的抽水装置。根据叶轮型式的不同潜水泵有潜水离心泵、潜水轴流泵和潜水混流泵之分,如图1.29和图1.30所示。
图1.29 潜水离心泵结构图
1—口环;2—泵壳;3—叶轮;4—轴密封;5—油室;6—轴承;
7—监测装置;8—泵/电机轴;9—冷却;10—电动机
由于机电一体潜水工作,潜水泵具有以下主要特点:
(1)水泵叶轮和电动机转子安装在同一轴上,结构紧凑,重量轻。
(2)对水源水位变化的适应性强,尤其适用于从水位涨落大的水源取水的场合。
(3)安装简单、方便,省去了传统水泵安装过程中耗工、耗时、复杂的对中、找正的安装工序。
图1.30 潜水轴流泵和潜水混流泵结构图
(a)潜水轴流泵;(b)潜水混流泵
1—叶轮;2—轴密封;3—油室;4—防转装置;5—轴承;6—泵/电动机轴;
7—电动机;8—冷却;9—监测装置
(4)新型潜水泵内装有齐全的保护、监控装置,对泵实施实时监控保护,可大大提高运行可靠性。
(5)无需庞大的地面建筑,泵站结构简单,可大大减少工程土建投资。
1.2.3.5 贯流泵的典型结构型式
贯流泵是指水流沿泵轴通过泵内流道,没有明显转弯的轴流泵和混流泵。其结构的主要特征是泵轴无需穿过泵壳。贯流泵没有蜗壳,流道由圆锥形管组成。通常采用卧轴式布置,从流道进口到尾水管出口,水流沿轴向几乎呈直线流动,避免了水流拐弯形成的流速分布不均导致的水流损失和流态变坏,水流平顺,水力损失小,水力效率高。贯流泵主要有3种型式,即灯泡贯流式、轴伸贯流式和竖井贯流式,其中灯泡贯流式的流道水力损失最小。灯泡贯流泵叶轮可以是叶片固定式,也可以是叶片可调式。灯泡贯流泵有两种结构形式:一是机电一体结构,如图1.31所示的是电动机装于叶轮后方的灯泡形泵体内,电动机与叶轮直联;二是如图1.32所示的机电分体结构,这种结构电动机安装在泵体外,采用锥齿轮正交传动机构与叶轮相连,因此,电动机可采用普通立式电机,泵内结构紧凑,密封和防渗漏问题易于解决,检修方便,运行可靠。
贯流式水泵具有以下明显特点:
(1)贯流式结构流道平直、水力损失小,因此水泵装置效率较高 (2%~3%),工程年运行费少,特别是在低扬程情况下,其装置效率明显高于立式轴流泵。
图1.31 灯泡贯流泵 (机电一体)结构图
1—叶轮;2—轴密封;3—监测装置;4—泵/电机轴;5—过水流道;
6—冷却;7—电动机;8—轴承
图1.32 灯泡贯流泵 (机电分体)结构图
1—叶轮;2—轴密封;3—泵/齿轮轴;4—传动机构;5—过水流道;6—轴承;7—中间轴;8—电动机
(2)贯流式水泵的汽蚀性能和运行稳定性也优于轴流式水泵,其汽蚀系数相对较小,机组可靠性高,运行故障率低,可用率高,检修时间缩短,检修周期延长。
(3)贯流机组设备运输和安装重量较轻,施工和设备安装方便,可缩短建设工期,便于管理维护。
(4)贯流式水泵组结构紧凑,布置简洁,泵站结构简单,土建工程量较小,可节省土建投资。