流体力学应用/A26：潜水泵

您可能听说过潜水泵，特别是在我们的家中，如果水箱里的水用完了，我们会要求打开潜水泵。它也用于工业，特别是在炼油厂中，用来抽取液体或气体原料。您可能也见过气体或液体通过长距离输送，特别是在液化石油气的情况下。潜水泵基本上是一种离心泵。在本章中，我们将了解这种流体或气体的传输是如何进行的，以及在这个过程中涉及哪些参数。

泵是一种机器或装置，用于提升、压缩或输送流体，流体可以是液体或气体。离心泵是一种将机械能转换为液压能的装置，它利用液体上的离心力来移动液体通过管道系统。

组成部分

离心泵有两个主要组成部分

1. 固定部件：泵体，泵盖和轴承
2. 旋转部件：叶轮，轴

零件

• 泵体 

泵体保护整个组件，防止其受到损坏以及来自泵排出的流体的力的影响，并将流体的速度转换为压力。泵体设计不影响总扬程 (TDH)，但对于减少摩擦损失至关重要。它支撑轴承，承受旋转叶轮的离心力和由压力推力不平衡引起的轴向载荷。

• 叶轮 

泵的性能取决于叶轮的直径和设计。泵的 TDH 主要由叶轮的内径和外径决定，而泵的流量由叶轮叶片的宽度决定。

• 轴 

轴连接叶轮和传动装置。传动装置在大多数情况下是电动机，但也可以是燃气轮机。它通常由泵体中压力力不平衡引起的径向力和叶轮前后压力差产生的轴向力激活。

• 轴承 

轴承将轴固定在适当的位置，以确保径向和轴向间隙。

• 密封 

为了防止流体进入轴承并防止泄漏，在泵体中安装了多个密封件。

工作原理

离心泵是一种旋转动力泵，它利用旋转叶轮来提高流体的压力。流体从旋转轴附近进入泵，并流入旋转叶轮。叶轮由一个旋转的圆盘组成，圆盘上附着着几个叶片。通常叶片向后倾斜，远离旋转方向。当流体以一定的速度进入叶轮时，由于吸入系统的作用，流体被旋转叶轮叶片捕捉。流体通过叶轮叶片的曲率从叶轮中心（眼）向外传递脉冲而加速。它在叶轮外径处达到最大速度，然后离开叶轮进入扩散器或蜗壳室。

因此，离心力帮助加速流体粒子，因为粒子进入的半径小于单个粒子离开叶轮的半径。现在，流体的能量被转换为静压，这得益于扩散器或蜗壳室的形状。流体机械中能量转换过程遵循伯努利原理（公式 1），该原理指出，沿流线的各种能量之和在路径的两个点上是相同的。泵系统中的总水头能量是势头能量、静压水头能量和速度水头能量的总和。

${v_{1}^{2} \over 2}+gz_{1}+{p_{1} \over \rho }={v_{2}^{2} \over 2}+gz_{2}+{p_{2} \over \rho }$

(公式 1 - 伯努利方程)

由于离心泵中流体速度的增加，它本质上是一台速度机器。流体离开叶轮后，它以更高的速度从一个小面积流入一个面积增加的区域。因此，速度降低，因此压力增加，如伯努利原理所解释的那样。结果是泵排放侧压力增加。由于流体在泵的排放侧被排出，因此为了在吸入侧补充流体，需要吸入更多流体，从而引起流动。

泵的分类

• 根据叶轮的弯曲叶片

1. 开式叶轮 - 它由连接到其中心的叶片组成。
2. 半开式叶轮 - 它们由一个安装在叶片一侧的圆盘组成。
3. 封闭式叶轮 - 它们在叶片的两侧都安装有圆盘。

• 根据泵中流体可以进入的点的数量

1. 单吸叶轮 - 它们允许流体只从一侧进入其中心。
2. 双吸叶轮 - 它们允许流体同时从两侧进入。

• 根据流体经过的级数

1. 单级泵 - 它只配备了一个叶轮。
2. 双级泵 - 它由两个或多个叶轮组成，这些叶轮安装在同一个轴上，在一个泵体中。

• 根据功能

1. 再生涡轮泵 - 泵叶轮的边缘两侧都有叶片，在泵体中旋转。
2. 端吸泵 - 单级泵，其泵体在一端吸入，从顶部排出。
3. 多级可叠加泵 - 多个腔室连接在一起，允许流体从第一个腔室进入，并在压力增加的地方离开。
4. 分体式泵 - 泵体分成两个腔室，与直线式或端吸泵不同。

泵参数和选择

• 总扬程 (TDH)

一般来说，扬程用于定义泵传递给液体的能量，以长度单位表示。在没有速度的情况下，它等于静止液柱的高度，该液柱由基准点处的压力支撑。总动压头 (TDH) 是总动排放扬程和总动吸入扬程之间的差值（公式 2.1）。
总动排放 (吸入) 扬程实际上是排放 (吸入) 法兰处压力表读数转换为长度单位，并校正到泵中心线加上压力表所在点的速度扬程（公式 2.2）。这两个值代表了流体在泵的排放和吸入法兰处的总能量。从数学上讲，它是排放 (吸入) 静压头和排放 (吸入) 法兰处速度的总和减去排放 (吸入) 管路中的总摩擦扬程。这两个值的差值给出了 TDH，它代表了添加到流体中的能量。TDH 不依赖于输送流体的密度。更高的密度只会增加压力，因此在恒定的流量下所需的功率也会增加。

${TDH}={h_{d}-h_{s}}$

(公式 2.1-TDH)

${TDH}={(z_{2}-z_{1})+{(p_{2}-p_{1}) \over \rho g}+{(v_{2}^{2}-v_{1}^{2}) \over 2g}}$

(公式 2.2-TDH)

• 流量 (Q)

(体积) 流量是单位时间内流经泵的流体体积。它是通过面积乘以流体速度来计算的（公式 3）。它取决于叶轮的几何形状和转速。

${Q}={A_{1}v_{1}}={A_{2}v_{2}}$

(公式 3-流量)

• 功率和效率 (P, η)

泵执行的工作是 TDH、流量和流体比重的函数。泵输入 (P) 或制动马力 (bhp) 是实际传递到泵轴的功率。泵输出 $(P_{hydr})$ 或水力马力 (whp) 是每单位时间传递给流体的能量（公式 4）。由于泵的机械和水力损失，$(P_{hydr})$ 始终小于 P。因此效率定义为 $(P_{hydr})$ 除以 P（公式 5）。
叶轮几何形状经过优化，可以在给定直径的最佳效率点 (BEP) 处以特定速度提供最高流量。如果在 (BEP) 之外操作泵，由于湍流增加和再循环造成的损失会增加并降低效率。这些影响是由泵的设计流量与实际流量不匹配造成的。随着远离 BEP，进气叶片角度和进气流角度之间的差值也会增加，叶轮叶片出口和扩散器之间的损失也会增加。其结果是叶轮护罩和外壳之间的流量增加。

${P_{hydr}}={\rho .g.Q.TDH}$

(公式 4-功率)

${\eta }={P_{hydr} \over P}={\rho .g.Q.TDH \over P}$

(公式 5-效率)

泵的问题

• 汽蚀 - 汽蚀发生在流体中的静压低于流体蒸汽压时，主要由高速度引起。根据伯努利定律，当速度增加时，静压会降低。如果发生这种情况，流体局部开始沸腾并形成气泡，气泡比流体占据的空间更大。在离心泵的叶轮中，气泡移动到压力降低的区域。如果压力现在超过蒸汽压，气体会在气泡的内表面凝结，并迅速坍塌。这种气泡的内爆会导致高达数千巴的高暂态压力波动。由于流体从高压流向低压，这种流动会导致周围流体的射流，这可能会击中表面。这些高能微射流会导致高压缩应力，从而削弱材料。最后，会产生称为汽蚀坑的陨石坑状变形和孔洞。汽蚀的其他原因可能是流体温度升高、吸入侧压力低或输送高度增加。离心泵中的汽蚀主要发生在叶轮前缘，但也发生在叶轮叶片、磨损环和推力平衡孔处。为避免汽蚀，重要的是要提供足够的 NPSH 并保持流体温度低。如果泵开启以保持压力，但没有流体被抽出，则可能会出现高流体温度。
• 腐蚀 - 腐蚀是由于材料与其周围环境发生化学或电化学反应而导致材料基本性能下降。腐蚀类型有很多，并且受许多因素影响，例如流体温度、所含元素和 pH 值。泵中最常见和最危险的腐蚀是所谓的均匀腐蚀。这是腐蚀性液体对金属的整体攻击。流体和金属表面之间的化学反应导致湿润表面上的均匀金属损失，称为腐蚀性磨损。为了最大程度地减少腐蚀性磨损，重要的是选择耐腐蚀的泵材料。

参考文献

1. ITT – Goulds Pumps http://www.gouldspumps.com
2. Light my Pump http://www.lightmypump.com/pump_glossary.htm
3. 径向和轴向泵（作者：A.J. Stephanoff）
4. 离心泵的基本原理和应用（作者：Alfred Benaroya）
5. 离心泵，技术设计（作者：Stephan Näckel）
6. 劳伦斯泵 - 运行时间（作者：Dale B. Andrews）
7. 世界泵（作者：Joseph R. Askew）
8. 泵用户手册（作者：Heinz P. Bloch、Allan R. Budris）
9. 基于功能的泵分类