第六章《礦山流體機械》課件

第六章離心式水泵的結構

第六章離心式水泵的結構1本章學習要點離心式水泵的主要部件礦山常用離心式水泵離心式水泵的軸向推力及其平衡本章小結本章學習要點離心式水泵的主要部件2第一節(jié)離心式水泵的主要部件如右圖所示，離心式水泵的主要部件包括轉(zhuǎn)動部分、固定部分、密封部分和軸承部分等四大部分。第一節(jié)離心式水泵的主要部件如右圖所示，3一、轉(zhuǎn)動部分

（一）泵軸泵軸常用45號鋼鍛造加工而成，其主要作用是把電動機的扭矩傳遞給葉輪，并支承裝在它上面的轉(zhuǎn)動部件。為了防止泵軸銹蝕，泵軸與水接觸的部分裝有軸套，軸套銹蝕和磨損后可以更換，這樣可以延長泵軸的使用壽命。

（二）葉輪

葉輪是水泵的主要零件，其作用是將電動機的機械能傳遞給液體，使液體的壓力能和速度能均得到提高。葉輪的尺寸、形狀和制造精度對水泵的性能有決定性的影響，因此，葉輪在傳遞能量的過程中流動損失應該最小。

一、轉(zhuǎn)動部分（一）泵軸泵軸常用45號鋼鍛造4葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片和輪轂組成。如下圖（a）所示為封閉式葉輪，其效率較高，但要求輸送的介質(zhì)較清潔；如下圖（b）所示為半開式葉輪，它無前蓋板，適宜輸送含有雜質(zhì)的液體；如下圖（c）所示為開式葉輪，它只有葉片和輪轂，而無前、后蓋板，適宜輸送含有較大、較多顆粒雜質(zhì)的液體，但其效率較低，一般不采用。

葉輪一般由前蓋板、后蓋板、葉片和輪轂組成。如5葉輪葉片的數(shù)目一般為6～10片。葉片數(shù)目太多，會增加水在葉輪中的摩擦阻力；太少，容易產(chǎn)生環(huán)流，這兩種情況都會降低水泵的效率。（三）平衡盤平衡盤的作用是平衡水泵的軸向推力，常用灰鑄鐵制造。平衡盤的結構如左圖所示。它通過鍵與泵軸連接，盤背面有拆卸用的螺絲孔。葉輪葉片的數(shù)目一般為6～10片。葉片數(shù)目太多6二、固定部分固定部分主要包括進水段（前段）、中段和出水段（后段），用拉緊螺栓將它們連接在一起。水泵的吸水口位于進水段，為水平方向；出水口位于出水段，為垂直向上。（一）進水段進水段的作用是以最小的阻力損失，將液體從吸水管路引入葉輪，并使葉輪進水口處的流速盡可能均勻分布。在進水段中，吸水管法蘭至葉輪進水口前的空間過流部分稱為吸入室。吸入室的結構主要有直錐形、環(huán)形、彎管形和半螺旋形等四種。二、固定部分固定部分主要包括進水段（前段）71．直錐形吸入室如下圖所示為直錐形吸入室的結構示意圖。直錐形吸入室的流動阻力損失較小，液體能在其中逐漸加速，速度分布較為均勻，且結構簡單，制造方便，因此，主要用于單級懸臂式離心泵中。

1．直錐形吸入室如下圖所示為直錐形吸入室的結82．環(huán)形吸入室如下圖所示為環(huán)形吸入室的結構示意圖。環(huán)形吸入室各軸面內(nèi)的斷面形狀和尺寸均相同，結構對稱、緊湊、簡單，軸向尺寸較小；但由于泵軸穿過環(huán)形吸入室，所以液流繞流泵軸時，會在軸的背面產(chǎn)生旋渦，從而引起葉輪進水口流速分布不均勻，流動阻力損失較大。環(huán)形吸入室主要用于多級泵中。2．環(huán)形吸入室如下圖所示為環(huán)形吸入室的結構示93．彎管形吸入室如左圖所示為彎管形吸入室的結構簡圖。彎管形吸入室是大型離心泵和大型軸流泵經(jīng)常采用的形式，它在葉輪前有一段直錐形收縮管，因此具有直錐形吸入室的優(yōu)點。4．半螺旋形吸入室

如右圖所示為半螺旋形吸入室的結構簡圖。半螺旋形吸入室能保證葉輪進水口處的液流速度均勻，且泵軸后面沒有旋渦；但因液流進入葉輪前已有預旋，揚程會略有下降。半螺旋形吸入室主要用于雙吸式泵和多級中開式泵中。3．彎管形吸入室如左圖所示為彎管形吸入室的結10（二）中段由于多級分段式水泵的液流是由前一級葉輪流入次一級葉輪內(nèi)的，故在水泵中必須裝置中段，中段一般由導水圈和返水圈組成。導水圈的葉片數(shù)與葉輪的葉片數(shù)應互為質(zhì)數(shù)，否則會出現(xiàn)葉輪葉片和導水圈葉片重疊的現(xiàn)象，造成流速脈動，產(chǎn)生沖擊和振動。導水圈和返水圈的葉片組成導葉，導葉主要有徑向式與流道式兩種。（二）中段由于多級分段式水泵的液流是由前一級葉輪流11如下圖所示為徑向式導葉，它由螺旋線、擴散管、過渡區(qū)和反導葉組成，其中，螺旋線與擴散管合稱為正導葉。AB部分為螺旋線，其作用是收集液體；BC部分為擴散管，其作用是將液體的部分速度能轉(zhuǎn)換成壓力能；CD部分為為過渡區(qū)，其作用是改變液體流向；DE部分為反導葉，其作用是液體在過渡區(qū)里沿軸向轉(zhuǎn)180°后，沿著反導葉進入次一級葉輪的入口。如下圖所示為徑向式導葉，它由螺旋線、擴散管、12如左圖所示為流道式導葉。在流道式導葉中，正反導葉是連續(xù)的整體，即反導葉是正導葉的繼續(xù)，所以從正導葉進口到反導葉出口間會形成單獨的小流道，各個小流道內(nèi)的液流互不相混。這與徑向式導葉不同。因此，流道式導葉的流動阻力比徑向式導葉小，但結構復雜，鑄造加工較麻煩。如左圖所示為流道式導葉。在流道式導葉中，正反導13（三）出水段出水段的作用是將高速液體匯集起來，并將液體中的部分動能轉(zhuǎn)變成壓力能，最后將液體引向出水口。在出水段中，排水管法蘭至導水圈前的空間過流部分稱為壓水室。壓水室的結構主要有螺旋形和環(huán)形兩種。1．螺旋形壓水室如右圖所示，蝸殼體收集從葉輪中流出的液體，在流動方向上，蝸殼體的截面面積不斷增大，這樣液體在其各截面上的平均流速相等。擴散管能使液體的部分動能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽瑴p少流動損失，擴散角θ一般取8°～12°。（三）出水段出水段的作用是將高速液體匯集起142．環(huán)形壓水室如右圖所示，環(huán)形壓水室的流道斷面面積相等，所以液流在流動中會不斷加速。這樣從葉輪中流出的均勻液流與壓水室內(nèi)速度較高的液流相遇，彼此會發(fā)生碰撞，損失很大。因此，環(huán)形壓水室的效率低于螺旋形壓水室；但它加工方便，主要用于多級泵中。泵舌與葉輪外徑的間隙不能太小，否則在大流量工況下，泵舌處容易產(chǎn)生汽蝕，而且也容易引起液流阻塞，產(chǎn)生噪聲與振動；但間隙也不能太大，否則會引起旋轉(zhuǎn)的液體環(huán)流，消耗能量，降低泵的容積效率。螺旋形壓水室制造方便，效率高，一般用于單級泵、單級雙吸泵及多級泵中。2．環(huán)形壓水室如右圖所示，環(huán)形壓水室的流道斷15三、密封部分

離心式水泵各固定段之間的靜止結合面采用紙墊密封；轉(zhuǎn)動部分與固定部分的間隙靠密封環(huán)及軸封來密封。

（一）密封環(huán)

葉輪的進水口與水泵固定部分之間、葉輪尾端輪轂與中段導葉內(nèi)孔之間都存在環(huán)形縫隙。為了減少縫隙的泄漏量，在保證葉輪正常轉(zhuǎn)動的前提下，應盡可能減小縫隙。為此，在每個葉輪前后的環(huán)形縫隙處都安裝有磨損后便于更換的密封環(huán)。其中，裝在葉輪進水口處的密封環(huán)為大口環(huán)；裝在葉輪尾端輪轂處的密封環(huán)為小口環(huán)，如右圖所示。

三、密封部分離心式水泵各固定段之間的靜止結合16密封環(huán)一般為圓柱形，用螺栓固定在泵殼上，它承受著與轉(zhuǎn)子的摩擦，是水泵的易損件之一。當密封環(huán)被磨損到一定程度后，水在泵腔內(nèi)將發(fā)生大量竄流，使水泵的排水量和效率顯著下降，故應及時更換。（二）軸封泵軸穿過泵殼，使轉(zhuǎn)動部分和固定部分之間存在間隙，泵內(nèi)液體會從間隙中泄漏至泵外。為了減少泄漏，一般在間隙處裝有軸端密封裝置，簡稱軸封。目前采用的軸封主要有填料密封、機械密封、浮動環(huán)密封及迷宮密封等。這里主要介紹在泵中應用非常廣泛的填料密封。密封環(huán)一般為圓柱形，用螺栓固定在泵殼上，它承受17如右圖所示，填料密封由填料（盤根）、水封環(huán)（盤根環(huán)）、填料箱（盤根箱）、填料壓蓋、壓蓋螺栓和螺母組成。水泵一般用石墨油浸石棉繩做填料。將填料彎成圓形后，一圈一圈填入填料箱內(nèi)。填料箱的中部還裝有一個水封環(huán)，它是帶有四個徑向小孔的金屬圓環(huán)，由水泵中段引來的壓力水通過小孔進入環(huán)內(nèi)而形成水封，增加填料裝置的密封效果，同時還能起到一定的潤滑和冷卻作用。

如右圖所示，填料密封由填料（盤根）、水封環(huán)（盤18正常工作時，填料由填料壓蓋壓緊。由于填料與軸套表面直接接觸，因此填料壓蓋的壓緊程度應該合理。如壓得過緊，填料在腔室中被充分擠緊，雖然可以減少泄漏，但填料與軸套表面的摩擦迅速增加，嚴重時發(fā)熱、冒煙，甚至將填料和軸套燒壞；如壓得過松，則泄漏增加，泵效率下降。填料壓蓋的壓緊程度應該以有少量滴狀的液體向外泄漏為宜。正常工作時，填料由填料壓蓋壓緊。由于填料與軸套19四、軸承部分

水泵轉(zhuǎn)子部分支承在泵軸兩端的軸承上。軸承一般包括兩種形式：滑動軸承和滾動軸承。其中，滑動軸承常用于大型泵；滾動軸承常用于小型泵。例如，D型水泵采用單列向心滾柱軸承，用黃油潤滑。為防止水進入軸承，在泵軸兩側采用O形耐油橡膠密封圈和擋水圈。這種軸承允許有少量的軸向位移，有利于平衡裝置改變間隙，以平衡軸向推力；同時，由于采用了滾動軸承，減少了靜阻力距和機械摩擦損失。

四、軸承部分水泵轉(zhuǎn)子部分支承在泵軸兩端的軸20第二節(jié)礦山常用離心式水泵一、D型泵

D型泵為單吸多級分段式離心泵。它可輸送水溫低于80℃的清水或物理性能類似于水的液體，其流量和揚程范圍較大，目前多用作礦山的主排水泵。D型泵經(jīng)過多年的發(fā)展已形成系列，下面以D280–

43×3型泵為例來進行說明。D280–

43×3型號的意義：D－單吸、多級、分段式；280－額定流量為280m3/h；43－單級額定揚程為43m；3－3級。第二節(jié)礦山常用離心式水泵一、D型泵21

如左圖所示，D280–

43×3型泵的泵體由八根拉緊螺栓將進水段、兩個裝有導葉的中段和出水段三大部分連接而成。進水段采用環(huán)形吸入室，出水段采用螺旋形壓水室。吸水口位于水平面上，出水口垂直向上。泵軸上裝有三個葉輪和一個平衡盤，在軸的兩端用單列向心軸承支承。如左圖所示，D280–43×3型泵的泵體由22為了改善吸水性能，第一級葉輪的進水口直徑比其他幾級大些。為了提高容積效率，在泵體上裝有大、小口環(huán)。泵軸兩端有兩個填料箱，吸水側填料箱內(nèi)設置有水封環(huán)，以封住軸隙，阻止空氣進入水泵吸水口，保證吸水口的真空度；排水側填料箱內(nèi)沒有設置水封環(huán)，其他與吸水側相同。填料箱內(nèi)的填料為石墨油浸石棉繩填料或聚四氟乙烯填料。為了改善吸水性能，第一級葉輪的進水口直徑比其他23二、B型泵

B型泵為單吸單級懸臂式離心泵，它可輸送水溫低于80℃的清水或物理性質(zhì)與水相似的液體。其體積小，質(zhì)量輕，結構簡單，流量和揚程范圍大，常用作礦山的輔助供排水設備。6B33A型號的意義：6－吸水口直徑為6英寸；B－單吸、單級、懸臂式；33－揚程為33m；A－該泵更換直徑較小的葉輪。二、B型泵B型泵為單吸單級懸臂式離心泵，24

如下圖所示6B33A型泵主要由泵體、泵蓋、葉輪、泵軸、軸承和軸承支架等組成。泵體內(nèi)有逐漸擴散至水泵出水口的螺旋形流道，并與出水口法蘭鑄成一體。它可根據(jù)安裝需要旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°，以改變泵出口的方向。在出水口法蘭盤上，有安裝壓力表用的接口。泵體上下各有一螺孔，分別用于排氣和放水。如下圖所示6B33A型泵主25泵蓋與泵體的結合面間有紙墊，以防漏水。泵蓋內(nèi)裝有填料密封，以防空氣竄入和水滲出。泵軸左端裝有葉輪，右端通過聯(lián)軸器與電動機相連。葉輪前后蓋和泵體之間裝有密封環(huán)，葉輪后蓋上開有平衡孔。三、IS型泵IS型泵為單吸單級懸臂式清水泵，它可輸送水溫低于80℃的清水或物理性質(zhì)與水相似的液體。其流量和揚程范圍大，適用于工礦企業(yè)和城市給水、排水，也可用于農(nóng)業(yè)排灌。

IS100–80–125型號的意義：IS－單吸、單級、懸臂式；100－吸水口直徑為100mm；80－出水口直徑為80mm；125－葉輪的名義直徑為125mm。泵蓋與泵體的結合面間有紙墊，以防漏水。泵蓋內(nèi)裝26如左圖所示，IS型泵主要由泵體、泵蓋、葉輪、泵軸、密封環(huán)和軸承等組成。它的泵體與泵蓋是從葉輪背面處剖分的，即后開門結構形式，檢修方便。如左圖所示，IS型泵主要由泵體、泵蓋、葉輪、27葉輪、泵軸和滾動軸承等為泵的轉(zhuǎn)子。懸架軸承部件支承著泵的轉(zhuǎn)子部件。在葉輪前、后蓋板處均設有密封環(huán)。為了平衡泵的軸向力，后蓋處開有平衡孔。滾動軸承承受泵的徑向力和殘余軸向力。泵的密封為帶水環(huán)封的填料密封。為避免泵軸磨損，在泵軸通過填料腔的部位裝有軸套保護。為防止進氣或漏水，軸套和軸之間裝有O形密封圈。葉輪、泵軸和滾動軸承等為泵的轉(zhuǎn)子。懸架軸承部28第三節(jié)離心式水泵的軸向推力

及其平衡一、軸向推力產(chǎn)生的原因水泵工作時，葉輪與導水圈之間有一定的間隙，高壓水會從此間隙流入葉輪的左右兩側，但兩側的液流壓強卻不等，如下圖所示。第三節(jié)離心式水泵的軸向推力

及其平衡一29在大口環(huán)處以外，葉輪右側的壓強與葉輪左側的壓強可近似相等，互相抵消。但在大口環(huán)處以內(nèi)，由于葉輪左側進水口處的壓強p1小于大氣壓，而葉輪右側的壓強p2（即出水口處的壓強）大于大氣壓，因此，右側的壓強大于左側的壓強，其壓差乘以面積的積分就是作用在單個葉輪上的軸向力，其方向指向進水口一側。在大口環(huán)處以外，葉輪右側的壓強與葉輪左側的壓30二、軸向推力的危害水泵的總軸向力與葉輪級數(shù)成正比，多級水泵的總軸向力有時可達幾十千牛，這個力將會使整個轉(zhuǎn)子向吸水側竄動。如不加以平衡，會使高速旋轉(zhuǎn)的葉輪與固定的泵體相碰，造成破壞性的磨損；另外，過量的軸向竄動，會使軸承發(fā)熱，電動機負荷加大；同時使互相對正的葉輪出水口與導水圈的導葉進水口發(fā)生偏移，引起沖擊和渦流，使水泵效率大大降低，嚴重時使水泵無法工作。二、軸向推力的危害水泵的總軸向力與葉輪級數(shù)31三、軸向力的平衡方法（一）平衡孔法如下圖所示，在葉輪后蓋板上對著進水口處鉆數(shù)個小孔，使葉輪兩側貫通；同時在葉輪后蓋板上裝一個與進水口外徑相同的密封環(huán)K，則K與葉輪輪轂間必形成一小室E。K與泵體上的固定環(huán)配合工作，將阻止外側高壓水向小室E泄漏，則小室E內(nèi)的壓強與進水口處基本相等，降低了葉輪兩側的壓強差，從而使軸向推力大大減小。采用平衡孔法，結構簡單，并可減小軸封壓力，但會增加泄漏，干擾葉輪進水口處液體流動的均勻性，降低水泵的效率。因此，平衡孔法一般只用在小型的單級泵上。三、軸向力的平衡方法（一）平衡孔法如下圖32（二）平衡（背）葉片法如下圖所示，在葉輪的后蓋板外側安置4～6片平衡（背）葉片。沒有背葉片時，葉輪右側壓力分布如圖中曲線AGF所示；安置背葉片后，背葉片強迫葉輪背面液體旋轉(zhuǎn)，使其離心力增大，從而使葉輪背面的壓力顯著下降，其分布曲線如圖中AGK所示。背葉片除了能平衡軸向力外，還能減小軸封處的液體壓力，并可防止雜質(zhì)進入軸封，所以背葉片常用在輸送雜質(zhì)的泵上。（二）平衡（背）葉片法如下圖所示，在葉輪的33（三）雙吸式葉輪法

如下圖所示，雙吸式葉輪由于左、右結構對稱，理論上可使產(chǎn)生的軸向力互相抵消。但由于制造上的誤差或兩側密封環(huán)磨損不同使泄漏程度不同等原因，仍會產(chǎn)生較小的軸向力。雙吸式葉輪一般用在流量較大的單級離心泵上。

（三）雙吸式葉輪法如下圖所示，雙吸式葉輪由于34（四）葉輪對稱布置法

如下圖所示，多級泵中，可以將葉輪對稱布置，使其產(chǎn)生的軸向推力相等反向，互相抵消。葉輪數(shù)為偶數(shù)時，葉輪正好對半布置；葉輪數(shù)為奇數(shù)時，則首級葉輪可以采用雙吸式葉輪，其余葉輪仍對半反向布置。此方法簡單，但增加了外回流管道，造成泵殼笨重，同時也增加了級間泄漏。葉輪對稱布置主要用于蝸殼式多級泵和分段式多級泵上。

（四）葉輪對稱布置法如下圖所示，多級泵中，可35（五）平衡裝置法

為平衡軸向力，在多級泵上通常安裝平衡盤、平衡鼓或平衡盤與平衡鼓的聯(lián)合裝置、雙平衡鼓裝置等。

1．平衡盤如右圖所示，在多級水泵末級葉輪的后面，裝配一平衡盤，并用鍵將其固定在泵軸上，使其隨軸一起旋轉(zhuǎn)。泵體上固定有支承環(huán)和平衡環(huán)。平衡盤右側經(jīng)回水管與水泵吸水口或大氣相通。

（五）平衡裝置法為平衡軸向力，在多級泵上通常36設末級葉輪出水口液體的壓強為p2，平衡盤間隙δ0前的液流壓強為p3，水泵正常工作時，p3≈p2，可認為是不變的。當水流過徑向間隙δ0后，由于水力損失的存在，A腔內(nèi)的壓強降為為p4。當水流過軸向間隙δ'后，壓強再下降為p5，p5≈p1，也認為是不變的。這樣平衡盤前后產(chǎn)生壓差為p4－p5。該壓差乘以平衡盤的平衡面積，就得到平衡盤所產(chǎn)生的平衡力F'。平衡力F'的方向與軸向推力F的方向相反。當平衡力F'與軸向推力F大小相等時，水泵便處在平衡狀態(tài)下運轉(zhuǎn)。

設末級葉輪出水口液體的壓強為p2，平衡盤間隙37當水泵的工況變動時，葉輪產(chǎn)生的軸向推力F也會發(fā)生變化。如果軸向推力F變大，則轉(zhuǎn)子會向左移動，軸向間隙δ'將減小，通過間隙δ'的泄漏量也將減少，A腔內(nèi)壓強p4將增大，由于p5基本不變，故平衡盤前后的壓差增大，平衡力F'也相應增大。當平衡力F'增大到與軸向推力F相等時，達到平衡。但是，由于慣性，運動的轉(zhuǎn)子不會在新的平衡位置立刻停下，而是繼續(xù)向左移動，軸向間隙δ'繼續(xù)減小，平衡力F'超過軸向推力F繼續(xù)增大，直到轉(zhuǎn)子停止。而轉(zhuǎn)子停止的位置并不是平衡位置，此時，F(xiàn)'＞F，轉(zhuǎn)子向右移動，又開始了從不平衡到平衡的運動。當水泵的工況變動時，葉輪產(chǎn)生的軸向推力F也會38離心式水泵在工作中，工況經(jīng)常變化，軸向推力F也隨之變化，轉(zhuǎn)子就會在軸向移動的過程中得到新的平衡。因此，平衡盤的工作狀態(tài)是動態(tài)的。工況改變時，轉(zhuǎn)子會自動地移動到另一平衡位置上去。由于平衡盤具有這種自動平衡軸向推力的特點，因此，被廣泛地應用在多級泵中。平衡盤可以平衡全部的軸向力，并可以避免泵動、靜部分的碰撞與磨損。但是泵在啟、停時，由于平衡盤的平衡力不足，引起泵軸向吸水口方向竄動，平衡盤與平衡環(huán)之間會產(chǎn)生碰撞與摩擦，造成磨損。為減少從平衡盤中流出的水量，應使平衡盤與平衡環(huán)之間的軸向間隙δ'在0.5～1mm之間。

離心式水泵在工作中，工況經(jīng)常變化，軸向推力F392．平衡鼓如下圖所示，平衡鼓是裝在泵軸末級葉輪后的一個圓柱體，它與泵軸一起旋轉(zhuǎn)。平衡鼓外緣與泵體的平衡鼓套間形成徑向間隙δ，平衡鼓右側與水泵吸水口相連。

平衡鼓前的液體來自末級葉輪的出口，徑向間隙δ前的液體壓強為p3，徑向間隙δ后的液體壓強為p4。平衡鼓前后產(chǎn)生的壓差（p3－p4）與