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離心泵和容積泵

     離心泵和容積泵
 
泵通常分為兩個基本的類別:動能泵(其中最龐大的類型是離心泵)和正排量(PD)泵。據(jù)美國商務(wù)部的數(shù)據(jù)顯示,在全部泵的銷售額中約有70%為動能泵,其余30%為容積泵。在選擇泵時,第一步就是確定,在離心泵和容積泵中選擇哪一種才更適合您的需要。
   由于占主流的工業(yè)泵均為離心泵,所以許多人會首先考慮離心泵。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,會先獲取特定數(shù)量的液體并將這些液體從吸入口處送至排放口。對于離心泵來說,是先形成壓力,后導(dǎo)致流動的產(chǎn)生。對于容積泵來說,則是先形成流動,后導(dǎo)致壓力的出現(xiàn)。
•性能
     為了能夠從各類泵中挑選出最適合的類型,重要之處在于理解這兩種泵的工作特性差異。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)行在電動機(jī)轉(zhuǎn)速下,所以其效率會隨著泵機(jī)內(nèi)摩擦損失的加大所導(dǎo)致的粘度增加而下降。請注意,隨著粘度增加,離心泵的效率下降速率會很快。
   另一項(xiàng)主要差別在于粘度對泵容量的影響。離心泵會在粘度上升時出現(xiàn)流量下降的現(xiàn)象,而容積泵實(shí)際上會隨之而產(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。請牢記,系統(tǒng)內(nèi)還會出現(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
   在考慮差壓對泵機(jī)械效率的影響問題時,動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。對于容積泵來說,隨著壓力的增加,效率實(shí)際上會有所提升,而離心泵則存在著一個最佳效率點(diǎn)(BEP)。在此點(diǎn)的兩側(cè),綜合泵效率會大幅度下降。
•入口條件
   這兩種類型的泵對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。無液體的干燥的泵是不能自行起動的。而一旦起動操作后,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攪拌液體的,入口處將會形成負(fù)壓情況,所以容積泵能夠自行起動灌注。在某些情況下,這點(diǎn)是是否選擇容積泵或離心泵的唯一決定要素。
【總結(jié)】
  總的來說,在粘度超過150 cP時,必須能夠在較廣范圍內(nèi)預(yù)測流量,或者在希望泵機(jī)能夠自行起動灌注時,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,還要考慮到能耗問題,因?yàn)檫@兩種泵在能耗方面可能會存在著相當(dāng)大的差別。這一點(diǎn)對于流量低于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,只需簡單地改變泵機(jī)的轉(zhuǎn)速即可控制流量。對于粘度較高的液體來說,只需計(jì)測軸的轉(zhuǎn)數(shù)即可對泵進(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。較低粘度通常會導(dǎo)致更多的滑漏量,而較為粘稠的液體,滑漏量會小一些。
   由于容積泵總會盡力排放出同等數(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,往往會導(dǎo)致壓力上升,這種壓力上升的現(xiàn)象只有在以下情況時才會停止下來:負(fù)荷超過了電動機(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。采用壓力釋放閥是最為常見的一種,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,必須對這種現(xiàn)象做出限制。
   容積泵可以分成許多種類型。美國水力學(xué)會是一家由泵制造廠商組建的組織,水力學(xué)會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)绾蝸磉x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,但針對給定的環(huán)境來說,某些類型的泵使用起來比其它類型更好。幸運(yùn)的是,對于基本液體的輸送來說,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)齒輪泵包含一個被稱為轉(zhuǎn)子的外齒輪部件,轉(zhuǎn)子用于驅(qū)動惰輪的內(nèi)齒輪。惰輪比轉(zhuǎn)子小一些,運(yùn)行時繞著一個固定不動的銷子旋轉(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,會產(chǎn)生一定的空隙空間,而液體就會流入泵內(nèi)。當(dāng)這些部件進(jìn)入嚙合狀態(tài)時,空間的容積會逐漸減少,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)的最后一個關(guān)鍵部件是月牙形擋體,這個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,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支持。惰輪齒輪組件中也包含了一個位于泵送液體內(nèi)的,并圍繞著一根固定銷轉(zhuǎn)動的軸頸軸承。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,要對這方面進(jìn)行重點(diǎn)考慮,因?yàn)楦g性液體會腐蝕支撐軸承。
  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)速比起離心泵來說相對較慢。一般來說最高為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),氏會在泵送較大的固體時發(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)用于對剪切敏感的液體。應(yīng)用領(lǐng)域包括:廢水、聚合物、對剪切敏感的油漆、瀝青乳液以及某些食品,例如蛋黃醬。使用此類泵時,任何時刻都只有非常少量的液體會受到剪切力作用。而且在必要時,可以對間隙和轉(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
   外齒輪泵在泵送動作上與內(nèi)齒輪泵有著相似之處,也是通過兩個齒輪的進(jìn)入和脫離嚙合來帶動液體流動的。但是,外齒輪泵采用了兩個相互嚙合轉(zhuǎn)動的完全一致的齒輪。每個齒輪均由一根齒輪軸支撐,每個齒輪兩側(cè)均有軸承。在典型情況下,這四個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)行在最高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,從而無法針對磨損現(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間才能填滿齒輪齒間的空間,所以在泵送粘性液體時,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,特別是對于揮發(fā)性液體來說。揮發(fā)性液體往往會在齒間空間快速擴(kuò)大時出現(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)制來實(shí)現(xiàn)這一理論(圖6)。對于葉輪泵來說,令人感興趣的是,一方面它集兩臺泵機(jī)于一身。第一個泵送動作是由葉輪、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作產(chǎn)生于葉輪下的區(qū)域內(nèi)。在此區(qū)域內(nèi),無論葉輪進(jìn)入、或是離開轉(zhuǎn)子槽都會形成泵送動作,這個泵送動作實(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,因?yàn)檎吵硪后w流入和流出葉輪之間的區(qū)域會更加困難。所以,推薦適用于此類泵的最大介質(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,通常采用非金屬復(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)用于低粘度無潤滑作用的液體,諸如丙烷、氨水等。由于葉輪與泵殼之間會直接接觸,以及內(nèi)部間隙控制在最小狀態(tài)下,所以可使稀薄液體的轉(zhuǎn)差特性達(dá)到最佳。
 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。在泵進(jìn)行起動灌注操作時,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,有時會將其當(dāng)作真空泵來使用。
  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)在潤滑油或潤滑脂內(nèi)。這種設(shè)計(jì)要求采用兩個機(jī)械密封件,在轉(zhuǎn)子每一側(cè)各一個。
  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要求的轉(zhuǎn)速會大大減少,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。最為常見的葉輪泵構(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。
   葉輪泵可以用來處理一些侵蝕性物質(zhì),但不能處理固體。對于侵蝕性物質(zhì)泵送應(yīng)用來說,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。最初,選用內(nèi)齒輪泵可能會導(dǎo)致略高一些的成本,但與運(yùn)行速度較慢的泵相比,其使用壽命往往會更長一些。
   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表現(xiàn)優(yōu)越,但在處理粘稠液體時必須降速運(yùn)行。葉輪泵同樣也無法處理固體物料。
   不正確的泵機(jī)選型往往會導(dǎo)致較高的費(fèi)用。具體來說,會在停機(jī)時間、損失生產(chǎn)量、維護(hù)費(fèi)用以及能耗方面造成不良影響。而多花些時間在正確的系統(tǒng)內(nèi)選用正確的泵可在最大程度上減少多余的費(fèi)用開銷,獲得更高的長期效益。
 

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