第六章《矿山流体机械》课件

第六章离心式水泵的结构

本章学习要点离心式水泵的主要部件矿山常用离心式水泵离心式水泵的轴向推力及其平衡本章小结第一节离心式水泵的主要部件如右图所示，离心式水泵的主要部件包括转动部分、固定部分、密封部分和轴承部分等四大部分。一、转动部分

（一）泵轴泵轴常用45号钢锻造加工而成，其主要作用是把电动机的扭矩传递给叶轮，并支承装在它上面的转动部件。为了防止泵轴锈蚀，泵轴与水接触的部分装有轴套，轴套锈蚀和磨损后可以更换，这样可以延长泵轴的使用寿命。

（二）叶轮

叶轮是水泵的主要零件，其作用是将电动机的机械能传递给液体，使液体的压力能和速度能均得到提高。叶轮的尺寸、形状和制造精度对水泵的性能有决定性的影响，因此，叶轮在传递能量的过程中流动损失应该最小。

叶轮一般由前盖板、后盖板、叶片和轮毂组成。如下图（a）所示为封闭式叶轮，其效率较高，但要求输送的介质较清洁；如下图（b）所示为半开式叶轮，它无前盖板，适宜输送含有杂质的液体；如下图（c）所示为开式叶轮，它只有叶片和轮毂，而无前、后盖板，适宜输送含有较大、较多颗粒杂质的液体，但其效率较低，一般不采用。

叶轮叶片的数目一般为6～10片。叶片数目太多，会增加水在叶轮中的摩擦阻力；太少，容易产生环流，这两种情况都会降低水泵的效率。（三）平衡盘平衡盘的作用是平衡水泵的轴向推力，常用灰铸铁制造。平衡盘的结构如左图所示。它通过键与泵轴连接，盘背面有拆卸用的螺丝孔。二、固定部分固定部分主要包括进水段（前段）、中段和出水段（后段），用拉紧螺栓将它们连接在一起。水泵的吸水口位于进水段，为水平方向；出水口位于出水段，为垂直向上。（一）进水段进水段的作用是以最小的阻力损失，将液体从吸水管路引入叶轮，并使叶轮进水口处的流速尽可能均匀分布。在进水段中，吸水管法兰至叶轮进水口前的空间过流部分称为吸入室。吸入室的结构主要有直锥形、环形、弯管形和半螺旋形等四种。1．直锥形吸入室如下图所示为直锥形吸入室的结构示意图。直锥形吸入室的流动阻力损失较小，液体能在其中逐渐加速，速度分布较为均匀，且结构简单，制造方便，因此，主要用于单级悬臂式离心泵中。

2．环形吸入室如下图所示为环形吸入室的结构示意图。环形吸入室各轴面内的断面形状和尺寸均相同，结构对称、紧凑、简单，轴向尺寸较小；但由于泵轴穿过环形吸入室，所以液流绕流泵轴时，会在轴的背面产生旋涡，从而引起叶轮进水口流速分布不均匀，流动阻力损失较大。环形吸入室主要用于多级泵中。3．弯管形吸入室如左图所示为弯管形吸入室的结构简图。弯管形吸入室是大型离心泵和大型轴流泵经常采用的形式，它在叶轮前有一段直锥形收缩管，因此具有直锥形吸入室的优点。4．半螺旋形吸入室

如右图所示为半螺旋形吸入室的结构简图。半螺旋形吸入室能保证叶轮进水口处的液流速度均匀，且泵轴后面没有旋涡；但因液流进入叶轮前已有预旋，扬程会略有下降。半螺旋形吸入室主要用于双吸式泵和多级中开式泵中。（二）中段由于多级分段式水泵的液流是由前一级叶轮流入次一级叶轮内的，故在水泵中必须装置中段，中段一般由导水圈和返水圈组成。导水圈的叶片数与叶轮的叶片数应互为质数，否则会出现叶轮叶片和导水圈叶片重叠的现象，造成流速脉动，产生冲击和振动。导水圈和返水圈的叶片组成导叶，导叶主要有径向式与流道式两种。如下图所示为径向式导叶，它由螺旋线、扩散管、过渡区和反导叶组成，其中，螺旋线与扩散管合称为正导叶。AB部分为螺旋线，其作用是收集液体；BC部分为扩散管，其作用是将液体的部分速度能转换成压力能；CD部分为为过渡区，其作用是改变液体流向；DE部分为反导叶，其作用是液体在过渡区里沿轴向转180°后，沿着反导叶进入次一级叶轮的入口。如左图所示为流道式导叶。在流道式导叶中，正反导叶是连续的整体，即反导叶是正导叶的继续，所以从正导叶进口到反导叶出口间会形成单独的小流道，各个小流道内的液流互不相混。这与径向式导叶不同。因此，流道式导叶的流动阻力比径向式导叶小，但结构复杂，铸造加工较麻烦。（三）出水段出水段的作用是将高速液体汇集起来，并将液体中的部分动能转变成压力能，最后将液体引向出水口。在出水段中，排水管法兰至导水圈前的空间过流部分称为压水室。压水室的结构主要有螺旋形和环形两种。1．螺旋形压水室如右图所示，蜗壳体收集从叶轮中流出的液体，在流动方向上，蜗壳体的截面面积不断增大，这样液体在其各截面上的平均流速相等。扩散管能使液体的部分动能转变为压力能，减少流动损失，扩散角θ一般取8°～12°。2．环形压水室如右图所示，环形压水室的流道断面面积相等，所以液流在流动中会不断加速。这样从叶轮中流出的均匀液流与压水室内速度较高的液流相遇，彼此会发生碰撞，损失很大。因此，环形压水室的效率低于螺旋形压水室；但它加工方便，主要用于多级泵中。泵舌与叶轮外径的间隙不能太小，否则在大流量工况下，泵舌处容易产生汽蚀，而且也容易引起液流阻塞，产生噪声与振动；但间隙也不能太大，否则会引起旋转的液体环流，消耗能量，降低泵的容积效率。螺旋形压水室制造方便，效率高，一般用于单级泵、单级双吸泵及多级泵中。三、密封部分

离心式水泵各固定段之间的静止结合面采用纸垫密封；转动部分与固定部分的间隙靠密封环及轴封来密封。

（一）密封环

叶轮的进水口与水泵固定部分之间、叶轮尾端轮毂与中段导叶内孔之间都存在环形缝隙。为了减少缝隙的泄漏量，在保证叶轮正常转动的前提下，应尽可能减小缝隙。为此，在每个叶轮前后的环形缝隙处都安装有磨损后便于更换的密封环。其中，装在叶轮进水口处的密封环为大口环；装在叶轮尾端轮毂处的密封环为小口环，如右图所示。

密封环一般为圆柱形，用螺栓固定在泵壳上，它承受着与转子的摩擦，是水泵的易损件之一。当密封环被磨损到一定程度后，水在泵腔内将发生大量窜流，使水泵的排水量和效率显著下降，故应及时更换。（二）轴封泵轴穿过泵壳，使转动部分和固定部分之间存在间隙，泵内液体会从间隙中泄漏至泵外。为了减少泄漏，一般在间隙处装有轴端密封装置，简称轴封。目前采用的轴封主要有填料密封、机械密封、浮动环密封及迷宫密封等。这里主要介绍在泵中应用非常广泛的填料密封。如右图所示，填料密封由填料（盘根）、水封环（盘根环）、填料箱（盘根箱）、填料压盖、压盖螺栓和螺母组成。水泵一般用石墨油浸石棉绳做填料。将填料弯成圆形后，一圈一圈填入填料箱内。填料箱的中部还装有一个水封环，它是带有四个径向小孔的金属圆环，由水泵中段引来的压力水通过小孔进入环内而形成水封，增加填料装置的密封效果，同时还能起到一定的润滑和冷却作用。

正常工作时，填料由填料压盖压紧。由于填料与轴套表面直接接触，因此填料压盖的压紧程度应该合理。如压得过紧，填料在腔室中被充分挤紧，虽然可以减少泄漏，但填料与轴套表面的摩擦迅速增加，严重时发热、冒烟，甚至将填料和轴套烧坏；如压得过松，则泄漏增加，泵效率下降。填料压盖的压紧程度应该以有少量滴状的液体向外泄漏为宜。四、轴承部分

水泵转子部分支承在泵轴两端的轴承上。轴承一般包括两种形式：滑动轴承和滚动轴承。其中，滑动轴承常用于大型泵；滚动轴承常用于小型泵。例如，D型水泵采用单列向心滚柱轴承，用黄油润滑。为防止水进入轴承，在泵轴两侧采用O形耐油橡胶密封圈和挡水圈。这种轴承允许有少量的轴向位移，有利于平衡装置改变间隙，以平衡轴向推力；同时，由于采用了滚动轴承，减少了静阻力距和机械摩擦损失。

第二节矿山常用离心式水泵一、D型泵

D型泵为单吸多级分段式离心泵。它可输送水温低于80℃的清水或物理性能类似于水的液体，其流量和扬程范围较大，目前多用作矿山的主排水泵。D型泵经过多年的发展已形成系列，下面以D280–

43×3型泵为例来进行说明。D280–

43×3型号的意义：D－单吸、多级、分段式；280－额定流量为280m3/h；43－单级额定扬程为43m；3－3级。

如左图所示，D280–

43×3型泵的泵体由八根拉紧螺栓将进水段、两个装有导叶的中段和出水段三大部分连接而成。进水段采用环形吸入室，出水段采用螺旋形压水室。吸水口位于水平面上，出水口垂直向上。泵轴上装有三个叶轮和一个平衡盘，在轴的两端用单列向心轴承支承。为了改善吸水性能，第一级叶轮的进水口直径比其他几级大些。为了提高容积效率，在泵体上装有大、小口环。泵轴两端有两个填料箱，吸水侧填料箱内设置有水封环，以封住轴隙，阻止空气进入水泵吸水口，保证吸水口的真空度；排水侧填料箱内没有设置水封环，其他与吸水侧相同。填料箱内的填料为石墨油浸石棉绳填料或聚四氟乙烯填料。二、B型泵

B型泵为单吸单级悬臂式离心泵，它可输送水温低于80℃的清水或物理性质与水相似的液体。其体积小，质量轻，结构简单，流量和扬程范围大，常用作矿山的辅助供排水设备。6B33A型号的意义：6－吸水口直径为6英寸；B－单吸、单级、悬臂式；33－扬程为33m；A－该泵更换直径较小的叶轮。

如下图所示6B33A型泵主要由泵体、泵盖、叶轮、泵轴、轴承和轴承支架等组成。泵体内有逐渐扩散至水泵出水口的螺旋形流道，并与出水口法兰铸成一体。它可根据安装需要旋转90°、180°或270°，以改变泵出口的方向。在出水口法兰盘上，有安装压力表用的接口。泵体上下各有一螺孔，分别用于排气和放水。泵盖与泵体的结合面间有纸垫，以防漏水。泵盖内装有填料密封，以防空气窜入和水渗出。泵轴左端装有叶轮，右端通过联轴器与电动机相连。叶轮前后盖和泵体之间装有密封环，叶轮后盖上开有平衡孔。三、IS型泵IS型泵为单吸单级悬臂式清水泵，它可输送水温低于80℃的清水或物理性质与水相似的液体。其流量和扬程范围大，适用于工矿企业和城市给水、排水，也可用于农业排灌。

IS100–80–125型号的意义：IS－单吸、单级、悬臂式；100－吸水口直径为100mm；80－出水口直径为80mm；125－叶轮的名义直径为125mm。如左图所示，IS型泵主要由泵体、泵盖、叶轮、泵轴、密封环和轴承等组成。它的泵体与泵盖是从叶轮背面处剖分的，即后开门结构形式，检修方便。叶轮、泵轴和滚动轴承等为泵的转子。悬架轴承部件支承着泵的转子部件。在叶轮前、后盖板处均设有密封环。为了平衡泵的轴向力，后盖处开有平衡孔。滚动轴承承受泵的径向力和残余轴向力。泵的密封为带水环封的填料密封。为避免泵轴磨损，在泵轴通过填料腔的部位装有轴套保护。为防止进气或漏水，轴套和轴之间装有O形密封圈。第三节离心式水泵的轴向推力

及其平衡一、轴向推力产生的原因水泵工作时，叶轮与导水圈之间有一定的间隙，高压水会从此间隙流入叶轮的左右两侧，但两侧的液流压强却不等，如下图所示。在大口环处以外，叶轮右侧的压强与叶轮左侧的压强可近似相等，互相抵消。但在大口环处以内，由于叶轮左侧进水口处的压强p1小于大气压，而叶轮右侧的压强p2（即出水口处的压强）大于大气压，因此，右侧的压强大于左侧的压强，其压差乘以面积的积分就是作用在单个叶轮上的轴向力，其方向指向进水口一侧。二、轴向推力的危害水泵的总轴向力与叶轮级数成正比，多级水泵的总轴向力有时可达几十千牛，这个力将会使整个转子向吸水侧窜动。如不加以平衡，会使高速旋转的叶轮与固定的泵体相碰，造成破坏性的磨损；另外，过量的轴向窜动，会使轴承发热，电动机负荷加大；同时使互相对正的叶轮出水口与导水圈的导叶进水口发生偏移，引起冲击和涡流，使水泵效率大大降低，严重时使水泵无法工作。三、轴向力的平衡方法（一）平衡孔法如下图所示，在叶轮后盖板上对着进水口处钻数个小孔，使叶轮两侧贯通；同时在叶轮后盖板上装一个与进水口外径相同的密封环K，则K与叶轮轮毂间必形成一小室E。K与泵体上的固定环配合工作，将阻止外侧高压水向小室E泄漏，则小室E内的压强与进水口处基本相等，降低了叶轮两侧的压强差，从而使轴向推力大大减小。采用平衡孔法，结构简单，并可减小轴封压力，但会增加泄漏，干扰叶轮进水口处液体流动的均匀性，降低水泵的效率。因此，平衡孔法一般只用在小型的单级泵上。（二）平衡（背）叶片法如下图所示，在叶轮的后盖板外侧安置4～6片平衡（背）叶片。没有背叶片时，叶轮右侧压力分布如图中曲线AGF所示；安置背叶片后，背叶片强迫叶轮背面液体旋转，使其离心力增大，从而使叶轮背面的压力显著下降，其分布曲线如图中AGK所示。背叶片除了能平衡轴向力外，还能减小轴封处的液体压力，并可防止杂质进入轴封，所以背叶片常用在输送杂质的泵上。（三）双吸式叶轮法

如下图所示，双吸式叶轮由于左、右结构对称，理论上可使产生的轴向力互相抵消。但由于制造上的误差或两侧密封环磨损不同使泄漏程度不同等原因，仍会产生较小的轴向力。双吸式叶轮一般用在流量较大的单级离心泵上。

（四）叶轮对称布置法

如下图所示，多级泵中，可以将叶轮对称布置，使其产生的轴向推力相等反向，互相抵消。叶轮数为偶数时，叶轮正好对半布置；叶轮数为奇数时，则首级叶轮可以采用双吸式叶轮，其余叶轮仍对半反向布置。此方法简单，但增加了外回流管道，造成泵壳笨重，同时也增加了级间泄漏。叶轮对称布置主要用于蜗壳式多级泵和分段式多级泵上。

（五）平衡装置法

为平衡轴向力，在多级泵上通常安装平衡盘、平衡鼓或平衡盘与平衡鼓的联合装置、双平衡鼓装置等。

1．平衡盘如右图所示，在多级水泵末级叶轮的后面，装配一平衡盘，并用键将其固定在泵轴上，使其随轴一起旋转。泵体上固定有支承环和平衡环。平衡盘右侧经回水管与水泵吸水口或大气相通。

设末级叶轮出水口液体的压强为p2，平衡盘间隙δ0前的液流压强为p3，水泵正常工作时，p3≈p2，可认为是不变的。当水流过径向间隙δ0后，由于水力损失的存在，A腔内的压强降为为p4。当水流过轴向间隙δ'后，压强再下降为p5，p5≈p1，也认为是不变的。这样平衡盘前后产生压差为p4－p5。该压差乘以平衡盘的平衡面积，就得到平衡盘所产生的平衡力F'。平衡力F'的方向与轴向推力F的方向相反。当平衡力F'与轴向推力F大小相等时，水泵便处在平衡状态下运转。

当水泵的工况变动时，叶轮产生的轴向推力F也会发生变化。如果轴向推力F变大，则转子会向左移动，轴向间隙δ'将减小，通过间隙δ'的泄漏量也将减少，A腔内压强p4将增大，由于p5基本不变，故平衡盘前后的压差增大，平衡力F'也相应增大。当平衡力F'增大到与轴向推力F相等时，达到平衡。但是，由于惯性，运动的转子不会在新的平衡位置立刻停下，而是继续向左移动，轴向间隙δ'继续减小，平衡力F'超过轴向推力F继续增大，直到转子停止。而转子停止的位置并不是平衡位置，此时，F'＞F，转子向右移动，又开始了从不平衡到平衡的运动。离心式水泵在工作中，工况经常变化，轴向推力F也随之变化，转子就会在轴向移动的过程中得到新的平衡。因此，平衡盘的工作状态是动态的。工况改变时，转子会自动地移动到另一平衡位置上去。由于平衡盘具有这种自动平衡轴向推力的特点，因此，被广泛地应用在多级泵中。平衡盘可以平衡全部的轴向力，并可以避免泵动、静部分的碰撞与磨损。但是泵在启、停时，由于平衡盘的平衡力不足，引起泵轴向吸水口方向窜动，平衡盘与平衡环之间会产生碰撞与摩擦，造成磨损。为减少从平衡盘中流出的水量，应使平衡盘与平衡环之间的轴向间隙δ'在0.5～1mm之间。

2．平衡鼓如下图所示，平衡鼓是装在泵轴末级叶轮后的一个圆柱体，它与泵轴一起旋转。平衡鼓外缘与泵体的平衡鼓套间形成径向间隙δ，平衡鼓右侧与水泵吸水口相连。

平衡鼓前的液体来自末级叶轮的出口，径向间隙δ前的液体压强为p3，径向间隙δ后的液体压强为p4。平衡鼓前后产生的压差（p3－p4）与作—用面积