泵

　　輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體使液體能量增加。泵主要用來輸送液體包括水、油、酸堿液、乳化液、懸乳液和液態金屬等，也可輸送液體和氣體混合物，含懸浮固體物的液體。有些泵可用作液壓泵，主要作用是產生高壓液體。

　　簡史　水的提升對於人類生活和生產都十分重要。古代就已有各種提水器具，例如埃及的鏈泵（西元前17世紀），中國的桔槔（西元前17世紀）、轆轤（（公元前11世紀）和水車(公元1世紀)。比較著名的還有公元前3世紀阿基米德發明的螺旋桿，可以平穩連續地將水提至幾米高處，其原理仍為現代螺桿泵所利用。

　　公元前200年左右，古希臘工匠克特西比烏斯發明的滅火泵是一種最原始的活塞泵，已具備典型活塞泵的主要元件，但活塞泵隻是在出現瞭蒸汽機之後才得到迅速發展。1840～1850年，美國H.R.沃辛頓發明泵缸和蒸汽缸對置的蒸汽直接作用的活塞泵，標志著現代活塞泵的形成。19世紀是活塞泵發展的高潮時期，當時已用於水壓機等多種機械中。然而隨著需水量的劇增，從20世紀20年代起，低速的、流量受到很大限制的活塞泵逐漸被高速的離心泵和回轉泵所代替。但是在高壓小流量領域，往復泵仍占有主要地位，尤其是隔膜泵、柱塞泵獨具優點，應用日益增多。

　　回轉泵的出現與工業上對液體輸送的要求日益多樣化有關。早在1588年就有瞭關於4葉片滑片泵的記載，以後陸續出現瞭其他各種回轉泵，但直到19世紀回轉泵仍存在泄漏大、磨損大和效率低等缺點。20世紀初，人們解決瞭轉子潤滑和密封等問題並采用高速電動機驅動，適合較高壓力、中小流量和輸送各種粘性液體的回轉泵才得到迅速發展。回轉泵的類型和適宜輸送的液體種類之多為其他各類泵所不及。

　　利用離心力輸水的想法最早出現在列奧納多·達芬奇所作的草圖中。1689年，法國物理學傢D.帕潘發明瞭4 葉片葉輪的蝸殼離心泵。但更接近於現代離心泵的則是1818年在美國出現的具有徑向直葉片、半開式雙吸葉輪和蝸殼的所謂馬薩諸塞泵。1851～1875年，帶有導葉的多級離心泵相繼發明，使發展高揚程離心泵成為可能。盡管早在1754年，瑞士數學傢L.歐拉提出瞭葉輪式水力機械的基本方程式，奠定瞭離心泵設計的理論基礎，但直到19世紀末高速電動機的出現，使離心泵獲得理想動力源之後，它的優越性才得以充分發揮。在英國的O.雷諾和德國的K.普夫萊德雷爾等許多學者的理論研究和實踐的基礎上，離心泵的效率大大提高，它的性能范圍和使用領域也日益擴大，已成為現代應用最廣、產量最大的泵。

　　分類　泵通常按工作原理分類。

　　泵除按工作原理分類外，還可按其他方法分類和命名。例如，按驅動方法分為電動泵和水輪泵等；按結構分為單級泵和多級泵等；按用途分為鍋爐給水泵和計量泵等；按輸送液體的性質分為水泵、油泵和泥漿泵等。

　　容積式泵　依靠工作元件在泵缸內作往復或回轉運動，使工作容積交替地增大和縮小以實現液體的吸入和排出。容積式泵的吸入側與排出側嚴密隔開。工作元件作往復運動的容積式泵稱為往復泵，作回轉運動的稱為回轉泵。前者的吸入和排出過程在同一泵缸內交替進行，並由吸入閥和排出閥加以控制(圖1a)。後者則是通過齒輪(圖1b)、螺桿、葉形轉子（圖1c）或滑片等工作元件的旋轉作用迫使液體從吸入側轉移到排出側。它們不需要吸入閥和排出閥。徑向回轉柱塞泵（圖1d）和軸向回轉柱塞泵（圖1e）分別依靠徑向和軸向配置在轉子上的多個柱塞在轉子回轉過程中各自在泵缸內作往復運動來完成吸排作用，它們可被看作是特殊類型回轉泵。

　　動力式泵　靠快速旋轉的葉輪對液體的作用力將機械能傳遞給液體使其動能和壓力能增加，再通過泵缸將大部分動能轉換為壓力能而實現輸送。動力式泵又稱葉輪式泵或葉片式泵。離心泵（圖1f）是最常見的動力式泵。

　　其他類型泵　以另外的方式傳遞能量的一類泵。例如，射流泵是依靠高速噴射出的工作流體將需要輸送的流體吸入泵內，並通過兩種流體混合進行動量交換來傳遞能量。水錘泵是利用流動中的水被突然制動時產生的能量，使其中的一部分水壓升到一定高度。電磁泵是使通電的液態金屬在電磁力作用下產生流動而實現輸送。氣體升液泵（圖1g）通過導管將壓縮空氣或其他壓縮氣體送至液體的最底層處，使之形成較液體輕的氣液混合流體，再借管外液體的壓力將混合流體壓升上來。

　　性能參數　泵的性能參數主要有流量和揚程，此外還有軸功率、轉速和必需汽蝕裕量(見離心泵)。流量是單位時間內通過泵出口輸出的液體量，一般采用體積流量。揚程是單位重量輸送液體從泵入口至出口的能量增量。對於容積式泵，能量增量主要體現在壓力能增加上，所以通常以壓力增量代替揚程來表示。泵的效率不是一個獨立性能參數，它可以由別的性能參數例如流量、揚程和軸功率（三者均須通過試驗測量得出）按公式計算求得。反之，已知流量、揚程和效率，也可求出軸功率：

。對於容積式泵來說， 。式中 P為軸功率（千瓦）； q _V為流量（米 ³/秒）； H為揚程(米)； p為壓力增量（帕）； ρ為輸送液體的密度（千克/米 ³）； g為自由落體加速度(米/秒 ²)； η為效率(％)。

　　特性曲線　泵的各個性能參數之間存在著一定的相互依賴變化關系，可以通過對泵進行試驗分別測得和算出參數值並畫成曲線來表示，這些曲線稱為泵的特性曲線。例如，動力式泵有H-q_V、P-q_V和η-q_V等曲線，容積式泵有q_V-p、P-p和η-p等曲線（圖2）。它們分別表示在一定的轉速下，泵的揚程、軸功率和效率隨流量改變或泵的流量、軸功率和效率隨壓力改變的情況。每一臺泵都有它自己特定的特性曲線，由泵制造廠提供。通常在工廠給出的特性曲線上還標明推薦使用的性能區段，稱為該泵的工作范圍。泵的實際工作點由泵的H-q_V曲線（或q_V-p曲線）與泵的裝置特性曲線（也稱管路特性曲線，即與泵連接的外部裝置系統的阻力隨流量或壓力變化的關系曲線）的交點來確定。選擇和使用泵，應使泵的工作點落在工作范圍內，以保證運轉經濟性和安全（圖3）。泵工作時，如果工作點流量不是所期望的值，則可采用各種調節方法使工作點移動到需要的位置上。例如：在泵的排出管路上用閥門節流，亦即改變裝置特性曲線（對動力式泵）或從泵的出口回流一部分液體至吸入管路（但此時僅改變外輸流量，泵本身流量未變）；還有改變葉輪葉片的安裝角（對軸流泵）、改變活塞的行程長度（對往復泵）以及改變轉速或往復次數等。後3種方法實質是改變泵的特性曲線，從而使泵工作點移動。此外，同一臺泵輸送粘度不同的液體時，其特性曲線也會改變。通常，泵制造廠所給的特性曲線大多是指輸送清潔冷水時的特性曲線。對於動力式泵，隨著液體粘度增大，揚程和效率降低，軸功率增大，所以工業上有時將粘度大的液體加熱使粘性變小，以提高輸送效率。

　　特點和應用　動力式泵和容積式泵除瞭原理上有所不同以外，在工作特性和應用上也有較大的差異。

　　動力式泵的主要特點是：①一定的泵在一定轉速下所產生的揚程有一限定值。工作點流量和軸功率取決於與泵連接的裝置系統的情況(位差、壓力差和管路損失)。揚程隨流量而改變（圖2）。②工作穩定，輸送連續，流量和壓力無脈動。③一般無自吸能力，需要將泵先灌滿液體或將管路抽成真空後才能開始工作。④離心泵在排出管路閥門關閉狀態下啟動，旋渦泵和軸流泵在閥門全開狀態下啟動，以減少啟動功率。⑤離心泵適合於用高速電動機和汽輪機等直接驅動，結構簡單，制造成本低，維修方便。⑥適用性能范圍廣，離心泵的流量可以從幾到幾十萬米³/時，揚程可以從數米到數千米；軸流泵一般適用於大流量和低揚程（20米以下）。離心泵和軸流泵的效率一般在80％以下，高的可達90％。⑦適宜輸送粘度很小的清潔液體（例如清水），特殊設計的泵可輸送泥漿、污水等或水輸固體物。動力式泵主要用於給水、排水、灌溉、流程液體輸送、電站蓄能、液壓傳動和船舶噴射推進等。

　　容積式泵的主要特點是：①一定的泵在一定轉速或往復次數下的流量是一定的，幾乎不隨壓力而變。工作點壓力和軸功率取決於與泵連接的裝置系統的情況，因此當泵在排出管路不通（相當於系統阻力無限大）的情況下運轉時，其壓力和軸功率會增大到使泵或原動機破壞，所以必須設置安全閥來保護泵（蒸汽直接作用或壓縮空氣驅動的泵例外）。②往復泵的流量和壓力有較大脈動，需要采取相應的消減脈動措施；回轉泵一般無脈動或隻有小的脈動。③具有自吸能力，泵啟動後即能抽除管路中的空氣吸入液體。④啟動泵時必須將排出管路閥門完全打開。⑤往復泵是低速機械，尺寸大，制造和安裝費用也大；回轉泵轉速較高，可達3000轉／分。⑥往復泵適用於高壓力(有高達350兆帕的)和小流量（100米³／時以下）；回轉泵適用於中小流量（400米³／時以下）和較高壓力（35兆帕以下）。總的來說，容積泵的效率高於動力式泵，而且效率曲線的高效區較寬。往復泵的效率一般為70～85％，高的可達90％以上。⑦往復泵適宜輸送清潔的液體或氣液混合物，有的泵如隔膜泵可輸送泥漿、污水等，主要用於給水、提供高壓液源和計量輸送等。回轉泵適宜輸送有潤滑性的清潔的液體和液氣混合物，特別是粘度大的液體，主要用於油品、食品液體的輸送和液壓傳動方面。

參考書目

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