離心泵與容積泵選擇問題淺析
發(fā)布時(shí)間：2024-05-20
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由于占主流的工業(yè)泵均為離心泵，所以許多人會(huì)首先考慮離心泵。離心泵的成本通常低于容積泵，而且也是在許多情況下應(yīng)使用的正確泵型。每種泵均以各自不同的方式來(lái)攪拌流體，而且每種泵均擁有各自不同的運(yùn)行特性和曲線。但重要的是，離心泵會(huì)影響液體的流速，從而導(dǎo)致排放口處存在一定的壓力。而與之相反的是，容積泵攪拌液體時(shí)，會(huì)先獲取特定數(shù)量的液體并將這些液體從吸入口處送至排放口。對(duì)于離心泵來(lái)說，是先形成壓力，后導(dǎo)致流動(dòng)的產(chǎn)生。對(duì)于容積泵來(lái)說，則是先形成流動(dòng)，后導(dǎo)致壓力的出現(xiàn)。
?性能
為了能夠從各類泵中挑選出的類型，重要之處在于理解這兩種泵的工作特性差異。在查看其工作性能表（圖1a）時(shí)，您可看到其工作原理有著多么大的不同。離心泵存在著取決于壓力（或壓頭）的可變流量現(xiàn)象，而容積泵則存在著與壓力無(wú)關(guān)的或多或少較為恒定的流量現(xiàn)象。
?粘度
粘度在泵的機(jī)械效率方面發(fā)揮著重要的作用。由于離心泵運(yùn)行在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下，所以其效率會(huì)隨著泵機(jī)內(nèi)摩擦損失的加大所導(dǎo)致的粘度增加而下降。請(qǐng)注意，隨著粘度增加，離心泵的效率下降速率會(huì)很快（圖1b）。
另一項(xiàng)主要差別在于粘度對(duì)泵容量的影響。在流量表（圖1c）中您會(huì)注意到，離心泵會(huì)在粘度上升時(shí)出現(xiàn)流量下降的現(xiàn)象，而容積泵實(shí)際上會(huì)隨之而產(chǎn)生流量的增加。這是由于較高粘度的液體填充了容積泵內(nèi)的空隙，從而導(dǎo)致較高的容積效率。圖1c只表示了粘度對(duì)泵流量的影響。請(qǐng)牢記，系統(tǒng)內(nèi)還會(huì)出現(xiàn)管道損失量加大的現(xiàn)象。這意味著離心泵內(nèi)的流量將隨著泵差壓的增加而進(jìn)一步下降。
?效率
在考慮差壓對(duì)泵機(jī)械效率的影響問題時(shí)，動(dòng)能泵和容積泵也表現(xiàn)出各自不同的特性。圖1d所示為，泵機(jī)效率是如何受到隨之增加的壓力的影響的。對(duì)于容積泵來(lái)說，隨著壓力的增加，效率實(shí)際上會(huì)有所提升，而離心泵則存在著一個(gè)效率點(diǎn)（BEP）。在此點(diǎn)的兩側(cè)，綜合泵效率會(huì)大幅度下降。
?入口條件
這兩種類型的泵對(duì)于入口條件的要求也有相當(dāng)大的不同點(diǎn)。離心泵需要泵內(nèi)預(yù)先有一定量的液體，以便形成壓差。無(wú)液體的干燥的泵是不能自行起動(dòng)的。而一旦起動(dòng)操作后，離心泵就需要符合制造廠商所建議的明確的入口壓力要求。
由于容積泵是通過液體容積的膨脹和收縮作用來(lái)攪拌液體的，入口處將會(huì)形成負(fù)壓情況，所以容積泵能夠自行起動(dòng)灌注。在某些情況下，這點(diǎn)是是否選擇容積泵或離心泵的決定要素。
【總結(jié)】
總的來(lái)說，在粘度超過150 cP時(shí)，必須能夠在較廣范圍內(nèi)預(yù)測(cè)流量，或者在希望泵機(jī)能夠自行起動(dòng)灌注時(shí)，可以考慮選用容積泵。在離心泵與容積泵之間進(jìn)行選擇時(shí)，還要考慮到能耗問題，因?yàn)檫@兩種泵在能耗方面可能會(huì)存在著相當(dāng)大的差別。這一點(diǎn)對(duì)于流量低于100加侖/分的情況是特別重要的，在這種情況下，離心泵工作效率的下降幅度會(huì)更大。
?容積泵
即使已經(jīng)決定采用容積泵，也還有許多可供考慮的方案。在詳細(xì)敘述每種泵送操作的詳細(xì)情況前，我們先來(lái)回顧一下一些容積泵的共同運(yùn)行特性。正如上文所述，旋轉(zhuǎn)式容積泵能夠在軸的每次旋轉(zhuǎn)時(shí)排出相同容積的液體。這意味著所排出的液體的流量與轉(zhuǎn)速成正比。換句話說，只需簡(jiǎn)單地改變泵機(jī)的轉(zhuǎn)速即可控制流量。對(duì)于粘度較高的液體來(lái)說，只需計(jì)測(cè)軸的轉(zhuǎn)數(shù)即可對(duì)泵進(jìn)行計(jì)量。
容積泵的結(jié)構(gòu)要求采用配合嚴(yán)密的內(nèi)部部件以及一定的運(yùn)行間隙。由于這種間隙的存在，某些液體會(huì)從排放端回流至吸入端。這種現(xiàn)象被稱為“滑漏（slip）”。滑漏部分液體量的大小取決于液體的粘度、壓力差和泵的內(nèi)部間隙。較低粘度通常會(huì)導(dǎo)致更多的滑漏量，而較為粘稠的液體，滑漏量會(huì)小一些。
由于容積泵總會(huì)盡力排放出同等數(shù)量的液體，所以在系統(tǒng)內(nèi)配備一些必要的過壓保護(hù)裝置是很重要的。在容積泵發(fā)生排放堵塞的現(xiàn)象時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致壓力上升，這種壓力上升的現(xiàn)象只有在以下情況時(shí)才會(huì)停止下來(lái)：負(fù)荷超過了電動(dòng)機(jī)的限值；系統(tǒng)內(nèi)某些部件破裂而釋放了此壓力；或泵發(fā)生了故障。以上這些情況均屬于不安全的情況。容積泵需要一種能夠釋放壓力的途徑。
要達(dá)到壓力釋放的效果，有若干種途徑可以選擇。采用壓力釋放閥是常見的一種，但也可以采用在排放管路內(nèi)配備爆破盤的方式。由于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與容積泵內(nèi)部的差壓直接相關(guān)，所以也可以使用轉(zhuǎn)矩限制型的聯(lián)軸器。但要點(diǎn)在于，需要牢記容積泵內(nèi)有可能會(huì)發(fā)生相當(dāng)高的壓力積聚的現(xiàn)象，在排放堵塞或部分堵塞情況時(shí)，必須對(duì)這種現(xiàn)象做出限制。
容積泵可以分成許多種類型。美國(guó)水力學(xué)會(huì)是一家由泵制造廠商組建的組織，水力學(xué)會(huì)出版了一些涉及泵機(jī)類型和泵機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的出版物，其中，將旋轉(zhuǎn)式容積泵分成了如下類別：葉輪式、活塞式、凸輪式、齒輪式、圓環(huán)活塞式以及螺桿式。此外，還在每一種泵類別設(shè)有子類別，這意味著存在著許多類型的容積泵。而這些容積泵都具備相同的功能，即輸送液體，那么，我們?nèi)绾蝸?lái)選擇適合的容積泵呢？絕大多數(shù)的容積泵均可以通過改造以適應(yīng)大范圍的應(yīng)用，但針對(duì)給定的環(huán)境來(lái)說，某些類型的泵使用起來(lái)比其它類型更好。幸運(yùn)的是，對(duì)于基本液體的輸送來(lái)說，有少數(shù)泵已經(jīng)取得了超出其它類型。在以下章節(jié)內(nèi)，我們將敘述內(nèi)齒輪泵和外齒輪泵，以及葉輪泵的性能特點(diǎn)。
?內(nèi)齒輪泵
內(nèi)齒輪泵包含一個(gè)被稱為轉(zhuǎn)子的外齒輪部件，轉(zhuǎn)子用于驅(qū)動(dòng)惰輪的內(nèi)齒輪（圖2）。惰輪比轉(zhuǎn)子小一些，運(yùn)行時(shí)繞著一個(gè)固定不動(dòng)的銷子旋轉(zhuǎn)，并在轉(zhuǎn)子內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)這些部件從嚙合狀態(tài)分離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的空隙空間，而液體就會(huì)流入泵內(nèi)。當(dāng)這些部件進(jìn)入嚙合狀態(tài)時(shí)，空間的容積會(huì)逐漸減少，從而強(qiáng)制液體從排放口流出。液體可通過轉(zhuǎn)子的齒輪及泵頭的下凹處流入正在擴(kuò)張中的空腔內(nèi)。此類泵設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵部件是月牙形擋體，這個(gè)月牙形擋體與泵頭是一體化的。月牙形擋體通過將處于惰輪與輪子齒間的一定體積的液體圍堵起來(lái)，起到了吸入口與排放口之間的密封作用。
轉(zhuǎn)子齒輪固定在一根齒輪軸上，齒輪由軸頸或減磨軸承來(lái)支持（圖3）。惰輪齒輪組件中也包含了一個(gè)位于泵送液體內(nèi)的，并圍繞著一根固定銷轉(zhuǎn)動(dòng)的軸頸軸承。根據(jù)軸封的布置方式，轉(zhuǎn)子軸支撐軸承可以運(yùn)行在泵送的液體之內(nèi)。在輸送腐蝕性液體時(shí)，要對(duì)這方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮，因?yàn)楦g性液體會(huì)腐蝕支撐軸承。
此類泵的實(shí)際壓力限值取決于轉(zhuǎn)子軸支撐軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。絕大多數(shù)的內(nèi)齒輪泵的差壓額定值均為200 psi，盡管它們可以在正確的應(yīng)用情況下用于更高的壓力。
內(nèi)齒輪泵的轉(zhuǎn)速比起離心泵來(lái)說相對(duì)較慢。一般來(lái)說高為1150 rpm，但有些小型設(shè)計(jì)方案可達(dá)到3450 rpm。由于內(nèi)齒輪泵可以在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，所以能夠很好地適用于高粘度流體的輸送，盡管也能非常成功地應(yīng)用于稀薄液體。內(nèi)齒輪泵已經(jīng)可以成功地泵送粘度超過1000000 cSt的液體以及粘度非常低的液體，諸如液態(tài)丙烷和氨水。
此類泵機(jī)的流量范圍從0.5加侖/分到1500加侖/分。材質(zhì)包括鑄鐵和一系列不同的耐腐蝕合金，包括哈合金。
內(nèi)齒輪泵在制造過程中采用了緊公差設(shè)計(jì)，氏會(huì)在泵送較大的固體時(shí)發(fā)生損壞。此類泵機(jī)可以在腐蝕性應(yīng)用環(huán)境下輸送體積較小的懸浮顆粒，但會(huì)發(fā)生磨損且導(dǎo)致性能逐漸下降。在腐蝕性應(yīng)用環(huán)境下，通過選擇耐腐蝕性材質(zhì)，可以大幅度地延長(zhǎng)泵的使用壽命。在這種情況下，碳化鎢、硬化鋼或多種涂層均能起到很好的效果。
內(nèi)齒輪泵的應(yīng)用范圍非常寬廣，甚至可以很好地應(yīng)用于對(duì)剪切敏感的液體。應(yīng)用領(lǐng)域包括：廢水、聚合物、對(duì)剪切敏感的油漆、瀝青乳液以及某些食品，例如蛋黃醬。使用此類泵時(shí)，任何時(shí)刻都只有非常少量的液體會(huì)受到剪切力作用。而且在必要時(shí)，可以對(duì)間隙和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，以便更大程度地減小剪切力的影響。
?外齒輪泵
外齒輪泵在泵送動(dòng)作上與內(nèi)齒輪泵有著相似之處，也是通過兩個(gè)齒輪的進(jìn)入和脫離嚙合來(lái)帶動(dòng)液體流動(dòng)的（圖4）。但是，外齒輪泵采用了兩個(gè)相互嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)的完全一致的齒輪。每個(gè)齒輪均由一根齒輪軸支撐，每個(gè)齒輪兩側(cè)均有軸承。在典型情況下，這四個(gè)軸承均工作于所泵送的液體內(nèi)。
由于齒輪的兩側(cè)都得到了支撐，所以外齒輪泵可適用于高壓應(yīng)用領(lǐng)域，例如液壓裝置內(nèi)。設(shè)計(jì)用于液壓供應(yīng)的泵可以承受每平方英寸數(shù)千磅的壓力。工業(yè)輸送泵可以承受更高的壓力，但液體的特性有可能對(duì)壓力范圍產(chǎn)生限制。較稀薄的液體可以達(dá)到數(shù)百psi，而較粘稠的液體可以接近液壓泵的壓力。通常情況下，小型的外齒輪泵應(yīng)運(yùn)行在1750~3450 rpm的范圍內(nèi)，較大型的外齒輪泵運(yùn)行在640rpm的轉(zhuǎn)速下。
外齒輪泵的流量范圍從極低（每分鐘若干滴）至相當(dāng)高的1500加侖/分。外齒輪泵可以采用多種原材料來(lái)進(jìn)行制造，包括高端合金。
外齒輪泵的設(shè)計(jì)可以采用比內(nèi)齒輪泵更緊的緊公差。但外齒輪泵對(duì)于所泵送液體內(nèi)的顆粒物體的容忍能力不夠好。由于齒輪兩端均有間隙，從而無(wú)法針對(duì)磨損現(xiàn)象做出端部的間隙調(diào)整。在外齒輪泵出現(xiàn)磨損后，必須重新組裝或更換。
只要轉(zhuǎn)速設(shè)置正確，特別是對(duì)于粘稠度較高的液體，外齒輪泵可以處理粘性和水性的液體。由于粘性液體需要一定的時(shí)間才能填滿齒輪齒間的空間，所以在泵送粘性液體時(shí)，泵的轉(zhuǎn)速必須大幅降低。其粘度限值實(shí)際上與內(nèi)齒輪泵相同，均為1000000 cSt。
外齒輪泵在臨界抽吸條件下性能并不理想，特別是對(duì)于揮發(fā)性液體來(lái)說。揮發(fā)性液體往往會(huì)在齒間空間快速擴(kuò)大時(shí)出現(xiàn)局部蒸發(fā)現(xiàn)象。
?葉輪泵
滑片泵的工作原理與其它容積泵的擴(kuò)張收縮容積在理論上是相同的，但卻采用了不同的機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)這一理論（圖6）。對(duì)于葉輪泵來(lái)說，令人感興趣的是，一方面它集兩臺(tái)泵機(jī)于一身。泵送動(dòng)作是由葉輪、轉(zhuǎn)子與泵殼之間的容積擴(kuò)張而產(chǎn)生的，而較不明顯的泵送動(dòng)作產(chǎn)生于葉輪下的區(qū)域內(nèi)。在此區(qū)域內(nèi)，無(wú)論葉輪進(jìn)入、或是離開轉(zhuǎn)子槽都會(huì)形成泵送動(dòng)作，這個(gè)泵送動(dòng)作實(shí)際上占據(jù)了總泵排量的約15%。在典型情況下，這一區(qū)域是通過葉輪內(nèi)側(cè)或轉(zhuǎn)子內(nèi)部的開槽處進(jìn)行通氣的。重要之處在于要掌握這一情況，特別是在處理較粘稠的液體時(shí)，因?yàn)檎吵硪后w流入和流出葉輪之間的區(qū)域會(huì)更加困難。所以，推薦適用于此類泵的介質(zhì)粘度約為25000 cSt。
葉輪是吸入口與排放口之間的主要密封部件，通常采用非金屬?gòu)?fù)合材料制造。由于不存在金屬間的接觸，所以葉輪泵頻繁應(yīng)用于低粘度無(wú)潤(rùn)滑作用的液體，諸如丙烷、氨水等。由于葉輪與泵殼之間會(huì)直接接觸，以及內(nèi)部間隙控制在狀態(tài)下，所以可使稀薄液體的轉(zhuǎn)差特性達(dá)到。
絕大多數(shù)輸送葉輪泵均將壓力限制在125 psi，盡管有些額定值為200 psi。葉輪泵的壓力限值在很大程度上取決于葉輪的強(qiáng)度。
由于采用非金屬的葉輪以及非常小的運(yùn)行間隙，葉輪泵可以非常良好地實(shí)現(xiàn)灌注操作的起動(dòng)。在泵進(jìn)行起動(dòng)灌注操作時(shí)，泵必須要排放空氣，而且排出的是非常稀薄的流體。由于葉輪泵能夠很好地做到這點(diǎn)，所以，有時(shí)會(huì)將其當(dāng)作真空泵來(lái)使用。
葉輪泵通常由軸套或減磨軸承在轉(zhuǎn)子的兩側(cè)進(jìn)行支撐。如果使用了軸套軸承，則軸套軸承會(huì)在液體內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。如果使用了減磨軸承，則要求使用泵內(nèi)密封件以便讓軸承運(yùn)轉(zhuǎn)在潤(rùn)滑油或潤(rùn)滑脂內(nèi)。這種設(shè)計(jì)要求采用兩個(gè)機(jī)械密封件，在轉(zhuǎn)子每一側(cè)各一個(gè)。
葉輪泵通常運(yùn)行在1000~1750 rpm的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，流量可以達(dá)到高至2000加侖/分。而在處理高粘度液體時(shí)要求的轉(zhuǎn)速會(huì)大大減少，以便讓液體進(jìn)入到葉輪下方。而在處理高粘度液體的應(yīng)用中，要求采用強(qiáng)度更高的葉輪材料，以防止葉輪發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。常見的葉輪泵構(gòu)造材質(zhì)為鑄鐵或球墨鑄鐵。一些生產(chǎn)廠商會(huì)在必須處理稀薄、腐蝕性液體的泵中采用不銹鋼材料。
葉輪泵可以用來(lái)處理一些侵蝕性物質(zhì)，但不能處理固體。對(duì)于侵蝕性物質(zhì)泵送應(yīng)用來(lái)說，在如何正確選擇葉輪和密封材料的問題上必須謹(jǐn)慎。葉輪泵在轉(zhuǎn)子和葉輪的兩端均存在著固定端間隙，這一點(diǎn)與外齒輪泵相似。一旦發(fā)生磨損，這種間隙就不能夠得到調(diào)整，不過，某些生產(chǎn)廠商已經(jīng)提供了可以更換或掉轉(zhuǎn)的端蓋。采用泵殼內(nèi)襯也是一種在發(fā)生磨損時(shí)恢復(fù)泵性能的方式。
【總結(jié)】
掌握各種泵機(jī)的工作原理是針對(duì)給定應(yīng)用環(huán)境下正確選定機(jī)型的良好開端。雖然各種選擇方案之間的區(qū)別并不一定十分清晰分明，運(yùn)行和容量上的基本區(qū)別便可以用于指導(dǎo)選型。
內(nèi)齒輪泵可以應(yīng)用的領(lǐng)域范圍較廣，但通常運(yùn)轉(zhuǎn)速度較其它泵機(jī)要慢一些。選用內(nèi)齒輪泵可能會(huì)導(dǎo)致略高一些的成本，但與運(yùn)行速度較慢的泵相比，其使用壽命往往會(huì)更長(zhǎng)一些。
外齒輪泵擁有非常良好的壓力處理能力和精確的流量控制特性，但不能用于處理含固體或侵蝕性介質(zhì)。外齒輪泵的制造成本較低，所以其是在要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域中的一種經(jīng)濟(jì)合理的選擇方案。
葉輪泵在輸送稀薄液體時(shí)表現(xiàn)優(yōu)越，但在處理粘稠液體時(shí)必須降速運(yùn)行。葉輪泵同樣也無(wú)法處理固體物料。
不正確的泵機(jī)選型往往會(huì)導(dǎo)致較高的費(fèi)用。具體來(lái)說，會(huì)在停機(jī)時(shí)間、損失生產(chǎn)量、維護(hù)費(fèi)用以及能耗方面造成不良影響。而多花些時(shí)間在正確的系統(tǒng)內(nèi)選用正確的泵可在上減少多余的費(fèi)用開銷.
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