泵的基础知识与水泵选型及空调水泵的变频控制

贵州循环系统为您讲解泵的基础知识与水泵选型及空调水泵的变频控制

泵属于流体机械的一种，流体机械是指以流体为工作介质和能量载体的机械设备。流体机械根据能量传递的方向不同，可分为原动机(水轮机、汽轮机)和工作机（泵、风机、压缩机）。泵属于工作机，即消耗能量的机械。

从泵的性能范围看，巨型泵的流量每小时可达几十万立方米以上，而微型泵的流量每小时则在几十毫升以下；泵的压力可从常压到高19.61Mpa(200kgf/cm2)以上；被输送液体的温度最低达-200摄氏度以下，最高可达800摄氏度以上。泵输送液体的种类繁多，诸如输送水（清水、污水等）、油液、酸碱液、悬浮液、和液态金属等。

在化工和石油部门的生产中，原料、半成品和成品大多是液体，而将原料制成半成品和成品，需要经过复杂的工艺过程，泵在这些过程中起到了输送液体和提供化学反应的压力流量的作用，此外，在很多装置中还用泵来调节温度。

泵的操作原理、构造及分类

1）工作原理可分为又分为叶片式、容积式和其它形式。

①叶片式泵，依靠旋转的叶轮对液体的动力作用，把能量连续地传递给液体，使液体的动能（为主）和压力能增加，随后通过压出室将动能转换为压力能，又可分为离心泵、轴流泵、部分流泵和旋涡泵等。

②容积式泵，依靠包容液体的密封工作空间容积的周期性变化，把能量周期性地传递给液体，使液体的压力增加至将液体强行排出，根据工作元件的运动形式又可分为往复泵和回转泵。

③其他类型的泵，以其他形式传递能量。如射流泵依靠高速喷射的工作流体将需输送的流体吸入泵后混合，进行动量交换以传递能量；水锤泵利用制动时流动中的部分水被升到一定高度传递能量；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。另外，泵也可按输送液体的性质、驱动方法、结构、用途等进行分类。

2)按工作叶轮数目来分类

① 单级泵：即在泵轴上只有一个叶轮。

② 多级泵：即在泵轴上有两个或两个以上的叶轮，这时泵的总扬程为n个叶轮产生的扬程之和。

3)按工作压力来分类

① 低压泵：压力低于100米水柱；

② 中压泵：压力在100～650米水柱之间；

③ 高压泵：压力高于650米水柱。（多级离心泵可达2800m）

4)按叶轮进水方式来分类

① 单侧进水式泵：又叫单吸泵，即叶轮上只有一个进水口；

② 双侧进水式泵：又叫双吸泵，即叶轮两侧都有一个进水口。它流量比单吸式泵大一倍，可以近似看作是二个单吸泵叶轮背靠背地放在了一起。

5)按泵壳结合缝形式来分类

① 水平中开式泵：即在通过轴心线的水平面上开有结合缝。（最常见的水平中开泵是双吸泵）

② 垂直结合面泵：即结合面与轴心线相垂直。

6)按泵轴位置来分类

① 卧式泵：泵轴位于水平位置。

② 立式泵：泵轴位于垂直位置。

7)按叶轮出来的水引向压出室的方式分类

① 蜗壳泵：水从叶轮出来后，直接进入具有螺旋线形状的泵壳。

② 导叶泵：水从叶轮出来后，进入它外面设置的导叶，之后进下一级或流入出口管。（常用于多级泵和轴流泵）

一、操作原理

由若干个弯曲的叶片组成的叶轮置于具有蜗壳通道的泵壳之内。叶轮紧固于泵轴上，泵轴与电机相连，可由电机带动旋转。吸入口位于泵壳中央与吸入管路相连，并在吸入管底部装一止逆阀。泵壳的侧边为排出口，与排出管路相连，装有调节阀。

离心泵之所以能输送液体，主要是依靠高速旋转叶轮所产生的离心力，因此称为离心泵。

离心泵的工作过程：

开泵前，先在泵内灌满要输送的液体。

开泵后，泵轴带动叶轮一起高速旋转产生离心力。液体在此作用下，从叶轮中心被抛向叶轮外周，压力增高，并以很高的速度流入泵壳。在泵壳中由于流道的不断扩大，液体的流速减慢，使大部分动能转化为压力能。最后液体以较高的静压强从排出口流入排出管道。泵内的液体被抛出后，叶轮的中心形成了真空，在液面压强（大气压）与泵内压力（负压）的压差作用下，液体便经吸入管路进入泵内，填补了被排除液体的位置。

离心泵启动时，如果泵壳内存在空气，由于空气的密度远小于液体的密度，叶轮旋转所产生的离心力很小，叶轮中心处产生的低压不足以造成吸上液体所需要的真空度，这样，离心泵就无法工作。为了使启动前泵内充满液体，在吸入管道底部装一止逆阀。此外，在离心泵的出口管路上也装一调节阀，用于开停车和调节流量。

二、基本部件和构造

1）叶轮

将电动机的机械能传给液体,使液体的动能有所提高。

2）泵壳 

汇集液体，作导出液体的通道；

使液体的能量发生转换，一部分动能转变为静压能。

3）轴封装置

为了防止高压液体从泵壳内沿轴的四周而漏出，或者外界空气漏入泵壳内。

工作压力和密封

填料密封水泵：最大工作压力 4-5 bar。(标准规格)

机械密封水泵：

水泵最大工作压力 <10 bar 时:不平衡机械密封 (标准)

水泵最大工作压力>10bar时: 平衡机械密封(额定值与密封的结构有关)

泵的基本参数

流量、扬程、性能曲线、最大工作压力 (NP)、轴功率、相似定律、功率计算公式。

举例：

流量 200 l/s,扬程37.5m ,选用水泵型号ASP200B ,叶轮直径360mm 转速 1450RPM,效率87% 工况点轴功率 84.5kW. 

如果转速变为1000RPM，根据相似定律此时流量和扬程及功率为多少？

N1 = 1450RPM,  N2 = 1000RPM

Q1= 200l/s Q2 = Q1 x N2/N1 = 200×1000/1450= 138l/s

H1 = 37.5m H2 = H1 x (N2/N1)2 =37.5 ×(1000/1450)2 = 17.8m

P1 = 84.5kW P2 = P1 x (N2/N1)3= 84.5×(1000/1450)3 = 27.7kW

泵的选型

选型依据：我们要选择什么样的泵，需要哪些条件依据 ?

1、介质的特性：介质名称、密度、粘度、腐蚀性、毒性等。

a. 介质名称：清水、污水、石油等。当介质含气量>75%时，最好选用齿轮泵或者螺杆泵。贵州循环系统

b. 密度：

离心泵的流量与密度无关；

离心泵的扬程与密度无关；

离心泵的效率不随密度改变；

当密度≠1000Kg/m3时，电机的功率应该为一般功率与介质相对清水密度比的乘积，以防电机过载超流。

c. 粘度：

介质的粘度对泵的性能影响很大，粘度过大时，泵的压头（扬程）减小，流量减小，效率下降，泵的轴功率增大。

当粘度增加时，泵的扬程曲线下降，最佳工况的扬程和流量均随之下降，而功率则随之上升，因而效率降低。一般样本上的参数均为输送清水时的性能，当输送粘性介质时应进行换算。

d. 腐蚀性：介质有腐蚀时，采用抗腐蚀性能好的材料。

e. 毒性：考虑密封方式，可采用干气密封等。

2、介质中所含固体的颗粒直径、含量多少。

根据颗粒直径、含量多少，可选择采用单流道、双流道、多流道形式的叶轮。颗粒含量>60%时，考虑采用渣浆泵。

3、介质温度：（℃）

高温介质需考虑密封材料的选择及材料的热膨胀系数。介质温度偏低时，考虑采用低温润滑油和低温电机。

4、所需要的流量（Q）

a、如果生产工艺中已给出最小、正常、最大流量，应按最大流量考虑。

b、如果生产工艺中只给出正常流量，应考虑留有一定的余量。

c、如果基本数据只给质量流量，应换算成体积流量。 

5、扬程：

水泵的扬程大约为提水高度的1.15～1.2倍（使用于补水泵只给出系统图需要计算扬程的状况） 。

如遇到只给出最小流量、最大流量及相对应的扬程，应尽可能按大流量选择。

因为：

a、高扬程的泵用于低扬程，便会出现流量过大，导致电机超载，若长时间运行，电机温度升高，甚至烧毁电机。

b、小流量泵在大流量下运行时，会产生汽蚀，泵长时间汽蚀，影响水泵过流部件的寿命。

泵的汽蚀

1、汽蚀形成

泵在运转中，抽送液体的绝对压力降低到当时温度下的该液体汽化压力时，液体便在该处开始汽化，形成气泡，当含有大量气泡的液体流进叶轮内的高压区时，气泡周围的高压液体致使气泡急剧地缩小以至破裂。在气泡破裂的同时，液体质点以很高的速度填充空穴，在此瞬间产生很强烈的水击作用，并以很高的冲击频率打击金属表面，冲击应力可达几百至几千个大气压，冲击频率可达每秒几万次，严重时会将壁击穿。

2.汽蚀的危害

a、叶轮上留下打击状的坑；影响叶轮的使用寿命。

b、设备产生振动。

c、增加噪音。

d、轻微的汽蚀只会造成水泵效率或扬程的降低。低比转速泵随汽蚀性能下降明显，高比转速泵，当汽蚀达到一定程度时，性能开始下降。 

e、 严重的汽蚀会产生很强的噪音，并缩短水泵的使用寿。

f、 估算来讲，损失最大占设计扬程的3%。

g、 对于多级水泵, 汽蚀只会对第一级叶轮产生影响。

3、泵汽蚀的基本关系式为：

NPSHc≤NPSHr≤[NPSH]≤NPSHa

式中：

NPSHa—装置汽蚀余量又叫有效汽蚀余量，是指在现场条件下的汽蚀余量。它可也根据系统的设计图纸计算出来，越大越不易汽蚀；

NPSHr—泵汽蚀余量，又叫必需的汽蚀余量，是指水泵的一个特性数据，它是由水泵制造厂商提供的。该数值在水泵的性能图表中已经被标示出来，越小泵抗汽蚀性能越好；

NPSHc—临界汽蚀余量，是指对应泵性能下降一定值的汽蚀量；

[NPSH]—许用汽蚀余量，是确定泵使用条件用的汽蚀余量。

为保证系统的安全运行：实际汽蚀余量值（NPSHa）必须要 高于 设计汽蚀余量值(NPSHr)。即：NPSHa > NPSHr。

5.实际汽蚀余量（NPSHa)的计算公式 ：NPSHa = (Hz-Hf) +(Hp–Hvp)

其中：

Hp = 水泵入口处液体表面的绝对压力 (m)

Hz = 液体距离水泵中心线的静态高差 (m) 

注: 对于立式水泵 以第一级叶轮的中心线为准。

Hf = 管路系统入口处摩擦和入口损失包括动压头。(m)

Hvp = 在水泵工作温度下的液体蒸汽压力。(m)

如果NPSHA数值很小，建议选择：

更大一些型号的水泵或转速更慢一些的水泵。

4、防止汽蚀的措施

防止泵发生汽蚀从两方面考虑，即增大NPSHa和减小NPSHr，常用的以下几种方法。

a、减小几何吸上高度hg（或增加几何倒灌高度）；

△h=10m- NPSH-∑h

∑h：管路阻力，也叫安全系数，取：0.5～1.0m水柱

△h：吸程

b、增加管径，尽量减小管路长度，弯头和附件等；

c、尽量调小流量，防止泵长时间在大流量下运行；

d、在同样转速和流量下，采用双吸泵，因减小进口流速、泵不易发生汽蚀；

e、加诱导轮或增加叶轮进口处的光洁度。

f、对于在苛刻条件下运行的泵，为避免汽蚀破坏，可使用耐汽蚀材料。

常见及需要注意的问题

1、电机的选择

电机的选择要留有一定的安全余量。国内厂家经验做法：

2、离心泵启动时要关闭出口阀，轴流泵启动时要打开出口阀。

因离心泵启动时，泵的出口管路内还没水，因此还不存在管路阻力和提升高度阻力，在泵启动后，泵扬程很低，流量很大，此时泵电机（轴功率）输出很大（据泵性能曲线），很容易超载，就会使泵的电机及线路损坏，因此启动时要关闭出口阀，才能使泵正常运行。

离心泵在零流量时，轴功率为额定工况下轴功率的30％～90％。

轴流泵在零流量时，轴功率为额定工况下轴功率的140％～200％。

所以轴流泵要开阀启动。

3、泵启动前要检查泵轴运动是否正常，是否有卡死想象。点动电机，看运转方向是否正确。

4、泵安装时，泵进出口管路上不能承重。泵轴对中要在注满水的

条件下进行。

5、潜水排污泵长期不用时，应清洗并吊起置于通风干燥处，注意防冻。若置于水中，每15天至少运转30min（不能干磨），以检查其功能和适应性。

决定机械密封寿命长短的关键点

水泵设计 (轴是否偏移, 轴承负载和轴承座的同心度…)

安装  (轴对中是否保持… )

工作点 (是否在高效区, 如在可延长机械密封寿命)

表面材料 (适合介质，碳化硅、碳化钨）

密封润滑 (润滑不好可缩短密封寿命)

应用场合 (如果在高温、高压场合, 密封寿命缩短)

轴承

轴承寿命与其承受负荷有关。

通常情况下轴承寿命为 50,000 hrs (大约6年 24 x 7)

高负荷轴承设计寿命可达10万小时

决定轴承寿命长短的关键点

轴承荷载在设计点

水泵是否在高效区工作 （在高效区工作可延长轴承寿命).

安装/水泵轴对中/泵室

由汽蚀或其他系统原因引起水泵振动将缩短轴承寿命

空调水泵的变频控制原理

(1) 定压差控制：控制供、 回水干管压差保持恒定的控制方法称为定压差控制。供、 回水干管压差不变时水泵提供的扬程保持恒定，故定压差控制又称为定扬程控制。此做法是：根据冷热水循环泵前后的集水器和分水器的静压差，控制冷热水循环泵的转速，使此静压差始终稳定在设定值附近。

(2) 定末端压差控制：控制末端(最不利)环路压差保持恒定的控制方法称为末端压差控制。此做法是：根据空调水系统中处于最不利环路中空调设备前后的静压差，控制冷热水循环泵的转速，使此静压差始终稳定在设定值附近。

(3) 最小阻力控制：最小阻力控制是根据空调冷热水循环系统中各空调设备的调节阀开度，控制冷热水循环泵的转速，使这些调解阀中至少有一个处于全开状态的控制方法。

(4) 温差控制：控制供、回水干管水温差保持恒定的控制方法，称为温差控制。当负荷下降时，如流量保持不变，则回水温度下降，温差相应变小，要保持温差不变，可通过控制温差控制器、变频器来降低水泵转速，减少水流量，此时水泵能耗以转速三次方的关系递减。贵州循环系统