离心泵的工作原理及构造分析

（一）离心泵的工作原理

离心泵是利用叶轮旋转时产生的离心力的作用来输送和提升液体的。

如图1-1所示，水泵在抽水前，必须将泵体和吸水管内灌满水。当动力机通过水泵轴4带动叶轮2在泵壳3内高速旋转时，其中水体也随之一起高速旋转，叶轮中的水在离心力作用下被甩出叶轮外缘汇集于断面逐渐扩大的泵壳内，因而水流速度减慢，压力增加，于是高压水沿着出水管5被压送至高处 （或推送至远处）。水被甩出后，在叶轮进口处形成一定的真空值（即小于大气压力的数值），而作用在吸水池水面的压力为大气压力，在这种压力差的作用下，水就由进水池流经吸水管1进入叶轮。叶轮不停地旋转，水就不断地被甩出，又不断地被吸入。这样连续不断地将水压出去又吸上来，就是离心泵的工作原理。

（二）离心泵的构造

离心泵的种类很多，结构也较其他叶片泵复杂，一般常用于农田排灌的有单级单吸离心泵、单级双吸泵和多级泵三种。

1.单级单吸离心泵

图1-1　离心泵工作原理示意图

1—吸水管；2—叶轮；3—泵壳；4—泵轴；5—出水管

图1-2　单级单吸离心泵

单级单吸离心泵常为卧式，它的外形如图1-2所示，其结构如图1-3所示，由转动和固定两部分组成。转动部分指叶轮、泵轴、轴承、联轴器（或皮带轮）等，简称转子；固定部分指泵壳、轴承支架和进出水口等，简称定子。泵体重量由支架支承，支架底座用螺栓固定在底板或基础上，水泵转子搁置在支架的轴承盒上，泵轴伸出轴承盒穿过泵体伸入泵内，叶轮装在轴伸入泵内的一端，泵轴穿出泵体处设有轴封装置来进行密封。泵壳外形很像蜗牛壳，俗称蜗壳，叶轮就置在蜗壳里。

（1）叶轮。叶轮又叫工作轮或转轮，是水泵的重要部件，水泵依靠旋转的叶轮把动力机的机械能传递给所抽送的水体，使水的能量增加。叶轮的形状、尺寸、加工工艺等，对水泵的性能有着决定性影响。水泵的叶轮可分为封闭式、半封闭式和敞开式三种。农用离心泵一般采用封闭式叶轮，即叶轮的前后均有盖板，中间有6～12片向后弯曲的叶片，叶片与盖板内壁构成的过水通道称为叶槽。叶轮前盖板中有一个进水口，当叶轮旋转时，水从进水口吸入，在惯性离心力的作用下，水流经叶槽后，从叶轮四周甩出，所以水在叶轮中的流动方向是轴向进水，径向出水。叶轮用键和反向螺母固定在泵轴的一端，泵轴转动时，螺母不会松脱，而是越转越紧。

图1-3　单级单吸离心泵结构图

1—泵体；2—叶轮；3—轴套；4—轴承体；5—泵轴；6—轴承端盖；7—支架；8—挡水圈；9—密封环

水泵在运行时，叶轮前后盖板的外侧与泵体的间隙中充满了从叶轮中排出的具有一定压力的水，由于叶轮后盖板受排出水作用的面积大于前盖板，因此产生了一个指向进口方向的轴向力。这个轴向力必将使泵轴和叶轮一起向进水侧窜动，引起叶轮与泵壳发生摩擦，使水泵无法正常工作。因此，必须设法平衡或消除作用于叶轮上的轴向力。对于单级单吸离心泵，常在叶轮的后盖板上靠近轴孔处开若干个小孔 （称为平衡孔），叶轮后面的高压水，经这些小孔流向进水侧，使叶轮两侧的压力大致平衡，少部分未被平衡的轴向力由轴承承受。开了平衡孔后，水泵的效率有所降低，因此这种方法只适用于小型单级单吸离心泵。此外，还可用在叶轮后盖板处加做平衡筋板的方法，使叶轮两侧的压力处于平衡。

叶轮一般用铸铁、铸钢或青铜制造。为了节省青铜，多用铸铁制造。加工好的叶轮要作静平衡试验，以消除不平衡的重量，避免或减少水泵运行时发生振动。

（2）泵体和减漏环。泵体由进水接管、蜗壳形压水室和出水接管组成。在泵体的进、出水口法兰上设有小孔，用以安装真空表和压力表。泵体的顶部设有排气孔 （灌水孔），用以抽真空或灌水。在壳体的底部设有一放水孔，平时用方头螺栓封住，停机后用来放空泵体内积水，防止泵内零件锈蚀和冬季结冰冻坏泵体。泵体由铸铁制造，其内表面要求光滑，以减小泵内的水头损失。离心泵叶轮进口外缘与泵盖内缘之间有一定的间隙。此间隙过大，从叶轮中流出的高压水就会通过该间隙回漏到叶轮的进口，以致减少泵的出水量，降低泵的效率，但间隙过小时，虽能减少漏水量，但会引起机械摩擦。因此，为了尽可能地减少漏水量，同时使磨损后便于修复或更换，一般在泵盖上或泵盖和叶轮上分别镶嵌一个金属圆环，如图1-3所示。由于该圆环既可减少漏水量，又能承受磨损，且位于水泵进口，故称其为密封环，又称减漏环、承磨环或口环。

（3）泵轴和轴承。泵轴用来支承并带动叶轮旋转。泵轴一端用键和反向螺母固定叶轮，另一端装联轴器或皮带轮。泵轴要有足够的强度和刚度，轴的材料采用优质碳钢或不锈钢。为保护泵轴免遭磨损，在对应于填料密封的部分轴段装有轴套，轴套磨损后可以更换。为防止水进入轴承，轴上有挡水圈或防水盘等挡水设施。

轴承是支承泵转子的部件，承受径向和轴向荷载，使其回转并保持一定的旋转精度，减少相对回转零件间的摩擦和磨损。合理地选择和使用轴承对提高机械的使用性能、延长寿命都起着重要的作用。根据摩擦性质的不同，轴承可分为滑动轴承和滚动轴承两大类。滚动轴承是标准组件，由专门工厂大批生产。它具有摩擦阻力小、启动灵敏、效率高、类型规格较多、易于互换、轴向尺寸小、润滑和维护方便等优点，在一般机器中被广泛使用。但对于高速、重载、高精度或受较大冲击的机器，滑动轴承有其优异的性能，而对于需要剖分的支承结构，则只能采用滑动轴承。因而滑动轴承在汽轮机、大型电机、内燃机、机床和水轮机等机械中被广泛应用。

滚动轴承基本构造如图1-4所示，它是由内圈、外圈、滚动体、保持架四种基本元件组成。内圈装在轴颈上，外圈和轴承座孔配合。内、外圈工作表面均有滚道，当内、外圈相对旋转时，滚动体沿滚道滚动。保持架使滚动体均匀分开，互不接触，以减小滚动体之间的摩擦和磨损。从减小径向尺寸、便于实施密封或易于装配等方面考虑，有些滚动轴承可以没有内圈或外圈，或既无内圈又无外圈，或无保持架。有些滚动轴承可以附设密封圈、防尘盖或锥形紧定套等元件。滚动轴承内、外圈及滚动体采用耐磨性好、接触疲劳强度高的滚动轴承钢 （如GCr9、GCr15、GCr15SiMn等）制造，经热处理后，硬度一般可达到61～65HRC，工作表面需经磨削、抛光。保持架一般用低碳钢冲压后经铆接或焊接而成，也有用有色金属或塑料制成的。

图1-4　滚动轴承的基本构造(www.xing528.com)

（a）球轴承；（b）滚子轴承
1—内圈；2—外圈；3—滚动体；4—保持架

滚动轴承按滚动体形状的不同，可分为球轴承和滚子轴承。滚子形状有圆柱形、圆锥形、球面滚子和滚针等。滚动轴承按所承受的载荷方向不同，又可分为向心轴承、推力轴承和向心推力轴承三大类。向心轴承主要承受径向的载荷；推力轴承主要承受轴向的载荷；向心推力轴承是既承受径向的载荷又同时承受轴向的载荷。用以支承水泵转子部件的单列向心球轴承除主要承受来自径向载荷外，也可承受较小的轴向载荷。轴承用稀油或干油润滑。轴承温升不得超过周围环境温度35℃。

图1-5　离心泵的填料密封

1—底衬环；2—水封管；3—填料；4—填料压盖；5—螺母；6—双头螺栓；7—水封环

（4）轴封装置。在泵轴穿出泵壳处，转动的泵轴和静止的泵壳之间必然存在间隙，为防止泵壳内高压水通过此间隙大量流出，或间隙处为真空时空气会从该处进入泵内，故必须设置轴封装置。填料密封是最常用的一种轴封装置，它由底衬环、填料、水封环、水封管和填料压盖等零件组成，如图1-5所示。填料的压紧程度用压盖上的螺母来调节，如果压得过紧，填料与轴套的摩擦力增大，缩短填料和轴套的使用寿命，严重时会发热、冒烟，甚至会烧毁填料；如果压得过松，漏水量增大，降低泵的效率。故填料要压得松紧程度适宜，一般以每分钟30～60滴水沿轴封装置中漏出为宜。水封环是一个中间凹下外周凸起的回环，环上开有若干个小孔，水封环对准水封管。水泵运行时，泵内高压水通过水封管进入水封环，引入填料进行水封，同时还起冷却、润滑作用。填料的种类较多，农用水泵常用油浸石棉填料，它是由石墨浸渍过的石棉线或铜丝石棉线编结而成，具有耐磨、耐热、柔软和良好的润滑特性。为保证填料密封有良好的工作状态，对已磨损或硬化的填料，应及时更换。填料密封的优点是：结构简单，成本低，拆装方便。缺点是使用寿命短，密封性能差。所以，近年来出现了一些新的轴封装置。

单级单吸离心泵的特点是扬程较高，流量较小；泵的体积小，重量轻，结构简单，维修容易，使用方便。其型号目前主要有IB、IS、B、BA型四大系列。IB、IS型是B、BA型的换代产品，按国际标准设计，性能指标和产品的标准化、系列化和通用化水平比老产品有较大提高。

2.单级双吸离心泵

单级双吸离心泵的外形如图l 6所示，其结构如图1-7所示。单级双吸离心泵的主要零件与单级单吸离心泵基本相似，所不同的是：叶轮双侧吸水，好像两个相同的单吸叶轮背靠背地连接在一起，叶轮结构是对称的。叶轮用键、轴套和两侧的轴套螺母固定，叶轮的轴向位置可通过轴套螺母来调整。泵体与泵盖共同构成半螺旋形吸水室和蜗形压水室，由铸铁制成。泵的吸入口和出水口均在泵体上，呈水平方向，与泵轴垂直。水从吸入口流入后，沿半螺旋形吸水室从两侧进入叶轮。泵壳内壁与叶轮进口外缘配合处装有两个减漏环。泵轴穿出泵壳的两端各设有轴封装置，压力水通过泵盖上的水封管或泵盖中开面上的水封槽流入填料周围，起水封、冷却和润滑作用。泵轴两端由装在轴承体内的轴承支承。双吸泵从进水口方向看，在轴的右端安装联轴器，根据需要也可在左端安装联轴器。

图1-6　单级双吸离心泵外形图

单级双吸离心泵的特点是扬程较高，流量较大，泵壳是水平中开的，检修时不需拆卸电动机及管路，只要揭开泵盖即可进行检查和维修。由于叶轮结构对称，叶轮的轴向力基本达到平衡，水泵运行比较平稳。单级双吸离心泵目前有S、Sh型两个系列。Sh型泵主要由泵体、泵盖、轴承、转子等部件组成。该泵为单级双吸叶轮，泵体为水平中开，泵的吸水管和出水管均在泵轴中心线下方成水平方向，并与泵体铸在一起，泵体与泵盖的分开面在轴中心线上方，无需拆卸管路及电动机即可检修泵的转动部件。该泵滚动轴承用油脂润滑，滑动轴承用稀油润滑。轴向力由双吸叶轮平衡。该泵采用填料密封，在轴封处装有可更换的轴套。泵的传动是通过弹性联轴器由电动机驱动。从传动端看，泵为逆时针方向旋转。S型泵是Sh型泵的换代产品，泵的性能指标及标准化、系列化和通用化水平比Sh型泵先进。单级双吸离心泵的体积较大，比较笨重，广泛用于山区、丘陵地区和平原地区较大面积的农田灌溉、排水和城镇供水。

图1-7　Sh型单级双吸离心泵结构图

1—泵体；2—泵盖；3—泵轴；4—叶轮；5—双吸密封环；6—轴套；7—填料套；8—水封管；9—填料；10—填料环；11—填料压盖；12—轴套螺母 （右）；13—轴承体；14—固定螺栓；15—轴承体压盖；16—联轴器部件；17—圆螺母；18—轴承盖 （甲）；19—轴套螺母 （左）；20—轴承档圈；21—轴承盖 （乙）；22—端盖

3.多级离心泵

如图1-8所示，为多级离心泵的结构图，其中图1-8 （a）、（b）为卧式多级离心泵，图1-8 （c）为立式多级离心泵。如图1-9所示，是多级离心泵的结构图。它分成吸入段、中段和压出段，由穿杠紧固在一起。为了提高水泵的扬程，将若干个叶轮串联起来工作，每一个叶轮为一级。吸入段、中段和压出段均为铸铁制造，共同形成泵的工作室，各段的下方均设有放水用的螺孔。叶轮由铸铁制造而成，水由轴向单侧进入叶轮。水泵运行时，水流从第一级叶轮排出后，经导叶进入第二级叶轮，再从第二级叶轮排出后经导叶进入第三级叶轮，依此类推。叶轮的级数越多，水流得到的能量就越大，水泵的扬程就越高。泵轴穿出泵壳的两端各设有填料密封装置，水流通过回水管进入填料室，起水封作用。由于泵内各叶轮是朝一个方向排列的，故轴向力很大，一般采用在末级叶轮后面装设平衡盘来加以平衡。平衡盘用键固定在泵轴上，随轴一起旋转。平衡盘与静止的平衡圈之间有一定的轴向间隙。平衡盘的背面是平衡室，用回流管与泵的吸入口连通。

图1-8　多级离心泵外形图

（a）、（b）D、DA型卧式多级离心泵；（c）DL、DLR型立式多级离心泵

图1-9　多级离心泵结构图

1—吸入段；2—中段；3—压出段；4—轴；5—叶轮；6—导叶；7—减漏环；8—平衡盘；9—平衡圈；10—轴承部分；11—穿杠

多级离心泵的特点是扬程高，流量小。扬程可根据实际需要通过选用不同的叶轮级数来满足要求，多级离心泵结构较复杂，使用和维护不太方便。常用的多级离心泵主要有D、DA两个系列，D型是DA型的换代产品。多级单吸离心泵适用于山区人畜用水和农田灌溉。