泵是一种提升或输送流体的装置。
 

泵有很多种形式，但通常可以根据两种主要工作原理进行分类：容积式泵和消防离心泵。本文专门介绍消防离心泵。
 

消防离心泵在住宅建筑中有很多用途：
 

● 循环泵用于在提供热量，空调和热水的封闭系统中循环水

● 增压器增加系统中冷水的压力，并用作蒸汽锅炉的冷凝泵

● 供水泵通常用于从井中供水，并进入地上和潜水型

● 一些消防离心泵专门用于工业用途。这些泵包括工业泵和废水泵

1689年，物理学家丹尼斯帕潘发明了消防离心泵，今天消防离心泵是世界上最常用的泵。
 

消防离心泵建立在一个简单的原则上：液体被引导到叶轮轮毂，并通过朝向叶轮外围的离心力而被抛出。
 

该结构相当便宜，坚固而简单，而且其高速度使得可以将泵直接连接到异步电机。
 

消防离心泵提供稳定的液体流量，并且可以很容易地进行节流，而不会对泵造成任何损坏。

图1：液体流过泵

 

现在让我们来看看图1，它显示了液体通过泵的流量。
 

泵的入口将液体引导至旋转叶轮的中心，从那里朝周边抛射。
 

这种结构效率高，适合处理纯液体。
 

必须处理不纯液体的泵（如废水泵）配有专门构造的叶轮，以防止物体卡在泵内。
 

如果在消防离心泵未运行时系统中出现压力差，则由于其开放式设计，液体仍能通过它。
 

从图2中可以看出，消防离心泵可以分为不同的类别：径流泵，混流泵和轴流泵。
 

径流泵和半轴流泵是最常用的类型。
 

对消防离心泵性能的不同要求，尤其是在泵头，流量和安装方面以及经济运行要求方面的要求，只是众多类型泵存在的几个原因。
 

图3显示了关于流量和压力的不同泵类型。

基本分类

消防离心泵的设计：

吸引次数（单人或双人）
叶轮数量（单级，双级或多级）

产量
叶轮（类型，叶片数量等）
大多数叶轮仅从一侧排列，被称为单吸设计。

高流量型号使用接受两侧吸力的叶轮，称为双吸式设计。
 

叶轮类型
消防离心泵的效率由叶轮确定。叶片设计用于满足给定的流动条件范围。图1显示了叶轮的基本类型。

打开叶轮
叶片连接到中心毂，没有任何形状，侧壁或护罩，并且直接安装在轴上。开式叶轮结构薄弱，需要更高的NPSHR值。它们通常用于处理悬浮固体的小直径，廉价的泵和泵。它们比封闭式叶轮对磨损更敏感，因此在腐蚀性服务中其效率迅速恶化。

部分开放或半封闭的叶轮
这种类型的叶轮结合了后壁（护罩），用于加强叶片并增加机械强度。它们用于中等直径的泵和含有少量悬浮固体的液体。它们比开式叶轮提供更高的效率和更低的NPSHR。重要的是叶轮叶片和壳体之间存在小的间隙或间隙。如果间隙过大，将会发生滑动和再循环，从而导致效率降低和积热增加。

封闭的叶轮
封闭式叶轮具有后壁和前壁，可实现最大强度。它们用于高效率和低NPSHR的大型泵。它们可以在悬浮固体的情况下运行而不会堵塞，但会表现出高磨损率。闭式叶轮是用于处理清澈液体的消防离心泵的最广泛使用的叶轮类型。它们依靠叶轮和泵壳上的紧密间隙磨损环。耐磨环将入口压力与泵内压力分开，减少轴向载荷，并有助于保持泵的效率。

叶轮数量

单级泵
单级消防离心泵由一个叶轮组成，是生产作业中应用最广泛的一种。它们用于低至中等TDH的抽水服务。TDH（总动力头）是叶轮最高速度的函数，通常不高于700英尺/分钟。单级泵可以是单吸或双吸。单级泵设计被广泛接受，并被证明是高度可靠的。然而，在非设计流量下，它们具有比多级设计更高的不平衡推力和径向力，并且具有有限的TDH能力。

多级泵
多级消防离心泵由两个或多个叶轮组成。它们用于中到高TDH的泵送服务。每个阶段基本上是一个单独的泵。所有阶段都在同一个房屋内，并安装在同一根轴上。八个或更多级可以安装在一个水平轴上。垂直轴上可安装的级数没有限制。每个阶段增加头大约相同的数额。多级泵可以是第一个叶轮上的单吸或双吸。

叶轮轴向负载
单吸封闭式或半封闭式叶轮固有地受到持续的端部推力。由于泵操作过程中存在于叶轮眼中的低压，因此推力轴向朝向抽吸。该推力由推力轴承处理。TDH越大，叶轮直径越大，推力越大。过度的推力会导致轴承和密封件损坏。

通过设计双吸入式单级叶轮可以减少推力。在多级泵中，推力可以通过面向一个方向的一半叶轮和另一个叶轮的一半来减小。平衡孔可用于单吸单级泵。叶轮在后部护罩处堆芯以允许高压液体回流到叶轮眼。

叶轮径向载荷
当流体离开旋转叶轮的顶部时，它会在叶轮，轴和径向轴承上施加相等且相反的力。在最佳效率点（BEP），所有径向力的总和几乎相互抵消。在低于或高于BEP的容量下，力不会完全抵消，因为叶轮周围的流量不再均匀。径向力可能很大。当泵的运行离开BEP时，可能需要使用重型径向轴承代替制造商的标准。

泵的具体速度
泵的比转速是以1加仑/分钟的流量产生1加仑/分钟的流量所需的转速，叶轮与所考虑的叶轮类似，但尺寸减小。泵的特定速度将消防离心泵性能特征的三个主要组成部分联系在一起。它用于比较两个几何相似的消防离心泵。泵的具体速度可以从中计算泵的特定速度

N s =泵的特定速度

N =泵转速

q =泵容量

在BEP的每个阶段 ，H td '= TDH

泵的比转速始终在泵的最高效率点进行计算。该数字用于表征泵的性能，作为其流动参数的函数。通常，希望选择具有最高比速（最小直径）的叶轮。这可能会被较高的运行成本和更高的空化损坏敏感性所抵消。

低比速叶轮（500至4,000）。径流式叶轮通常具有较低的比转速。径流式叶轮较窄且直径较大，设计用于高TDH和低流量。泵送的流体从叶轮的入口到出口转过90°。

具有中等特定速度的叶轮（4,000至10,000）。混流式叶轮通常具有中等特定速度，并且直径比径向流叶轮更宽和更小。它们具有中等TDH和中等流量的能力。它们通常用于需要小直径的立式多级泵和井下电潜泵。

高比速叶轮（10,000至16,000）。轴流式叶轮通常具有较高的比转速。在这些叶轮中，液体流动方向保持平行于泵轴的轴线。轴流式叶轮用于高流量和低TDH应用。它们最常用于水灌溉，防洪，抽水蓄能发电项目以及船舶叶轮。

泵性能曲线
当泵制造商开发新泵时，新泵将在受控条件下进行性能测试。绘制结果以显示流量与磁头，效率和功耗的关系。这些图被称为性能曲线。在类似的操作条件下，预计安装的泵将显示与性能曲线上所示相同的性能特征。如果没有，这表明系统和/或泵有问题。实际水泵性能与额定性能曲线的比较可帮助确定水泵故障。

曲线表现
叶轮的形状和速度是泵性能的主要决定因素。图2显示了一个广义的消防离心泵曲线。头部，NPSHR，效率，马力和制动马力（BHP）要求随流量而变化。TDH在零容量（关闭头）处最大，然后随着流速增加而下降。马力曲线在零流量时从一些小值开始，适度增加到最大值，然后稍微减小。泵效率曲线从零开始，随着流量的增加而迅速增加，在BEP处平稳，之后下降。NPSHR是零流量时的有限值，随着流量增加的平方而增加。

图2-特征泵性能曲线。

曲线参数
最好在BEP上运行泵，但这通常不可行。或者，泵只能在最接近BEP的曲线区域运行，并且只能在头部曲线的中等倾斜部分运行。在曲线的平坦或陡峭倾斜部分操作会导致能量浪费和流量控制不稳定。在BEP上或附近运行的泵运行更平稳，运行寿命更好。任何时候实际流量降至BEP流量的50％以下时，向制造商咨询是明智的，因为轴的偏差可能会急剧增加（特别是对于单级悬臂设计泵），这可能导致更高的维护成本，故障。

平行泵
图3显示了当相同的泵并联和串联运行时，TDH-容量曲线所呈现的形状。并行操作发生在多个泵连接到相同的吸入和排出管路的地方。综合流量是TDH单独泵流量的总和。在大多数情况下，并联泵的压头容量曲线相同或接近。只要每个并联运行的泵可以输出所需的TDH，曲线就不必相同。
 

图3 - 并联和串联泵运行的扬程容量曲线。
 

所有消防离心泵排放到升高或加压的容器和所有并联运行的消防离心泵应在泵停机时安装止回阀，以防止泵向后旋转。（重启尝试时危险是一个剪切轴。）

应该选择驱动器大小，以便在整个泵曲线上的任何点都不会发生过载。应在每个泵的排放管路中提供流量孔或流量计，以验证流量。吸入和排出管道应尽可能对称地布置，以便所有泵具有相同的NPSHA。

系统操作
当单台泵无法达到所需的总TDH时，将使用串联操作。当低NPSHR用于供给需要NPSHR的较大泵时，也可使用它，该NPSHR不能由在其泡点处操作的常压罐或容器提供。在串联操作中，组合头是相同流量下的单泵TDH的总和。

系统曲线
系统扬程曲线是由泵提供的TDH与通过管道系统的流量所需的图形表示。它由一个常量（静态）和一个增加（可变）部分组成。图4示出了典型系统头部曲线的示例。
 

图4-典型系统头部曲线的示例。
 

恒定部分表示零流量下吸入和排出之间的静态磁头差异，并且等于

可变部分表示由于流动而克服摩擦所需的头部。它随流量的平方而变化，等于

p f1 =吸入管道中摩擦产生的压降

p f2 =排放管道中摩擦产生的压降

P c =排放流量控制阀损失。

流量调节
系统要求以单一固定流量运行是不常见的。泵将仅提供与TDH容量和系统头曲线的交点相对应的容量。要改变容量，必须改变一条或两条曲线的形状。通过改变泵速或叶轮直径可以改变头容量曲线形状。系统头曲线形状可以通过使用背压式节流阀来改变（参见本页中的背压阀）。
 

降低容量运行的影响可能导致：

运行时间远远低于BEP
单位容量能耗更高
高的轴承负荷
温度上升
内部流通
通过使用变速驱动器或使用多个并联泵来满足总容量并根据需要顺序关闭各个单元，可以最大限度地减少这些结果。

任何偏离BEP的流量都会存在较高的轴承载荷，特别是对于单级单吸泵。这可以通过指定某些类型的重载和长寿命轴承来预期。如果泵送流体的温度升高并且通过泵的流速降低，则可以使用最小流量再循环（参见本页中的最小流量再循环阀）。制造商通常提供任何泵选择的最小连续要求流量。在BEP和最小所需流量之间操作通常避免了所讨论的所有问题。

背压阀
由泵产生的TDH与系统扬程曲线所需的扬程之间的差异表示损失的能量。由于大多数离心泵由恒速电机驱动，因此节流是调节容量的唯一实用方法。背压阀在系统头部曲线上施加可变量的损失。关闭阀门会增加控制损失，并使系统扬程曲线斜率更加陡峭，以便与所需容量的TDH容量曲线相交。打开阀门可降低控制损失，并使系统头部曲线向下倾斜，并以更高的容量与TDH容量曲线相交。阀门完全打开时，容量仅由两条曲线的交点控制。

最小流量再循环阀
再循环阀可防止套管内积聚过多的热量。如果泵管系统包含可能关闭的背压阀并且导致泵可以安全运行的最小连续流量，则应安装最小流量再循环阀。再循环阀通常用于这样的装置中，其中泵管包含可能在关闭位置失效的自动关闭排放阀，或者可能无意中关闭的排放阻塞阀。再循环阀应位于泵下游的第一个截止阀或控制阀的上游。在小型泵上，通常在再循环装置上安装一个节流孔，该节流孔不断地将固定流量的液体再循环回吸入口。

改变性能
消防离心泵可以产生的最大扬程取决于速度，叶轮直径和级数。因此，为了改变泵的头部，必须改变这些因素中的一个或多个。速度可以通过不同的齿轮，皮带或皮带轮，或通过安装变速驱动器来改变。对于较大的永久变化，叶轮直径可以改变。叶轮的数量可以通过用间隔器或假叶轮代替现有的叶轮来改变。

变速控制
大多数电动消防离心泵以恒定速度运行。直流或变频交流电动机控制可在较大的速度范围内保持几乎相同的泵效率。变速控制可以消除调节系统压头的背压节流要求。

图5显示了恒速变速泵头部容量 - 曲线关系。泵在其容量的100％下运行，TDH由图中的点1表示。如果希望将容量降低到额定容量的80％，恒速泵操作将移至第3点。第3点需要第1点的110％的头和92％的必需BHP，因此，需要额外的背压来迫使系统曲线在此点与泵曲线相交。
 

图5-恒速泵和变速泵的扬程/容量曲线比较。
 

实际上，变速驱动器可以找到在点2处与系统曲线相交的TDH容量曲线。点2仅需要点1的70％和73％的功率。因此，在80％容量，恒速泵将在点3运行，而变速泵在点2运行。潜在的能量节省由92和73％马力之间的差值表示，即19％。

亲和力法则
亲和力法则用于预测速度或叶轮直径变化对消防离心泵性能的影响。这些定律基于旋转机械的尺寸分析，表明对于动态相似的条件，某些无量纲参数保持不变。这些关系适用于所有类型的消防离心和轴流机器。

对于泵速的变化，可以确定泵性能的以下变化：
 

N 1 =旧的速度

N 2 =新速度。

对于直径的变化，可以确定以下性能变化：
 

D 1 =旧直径

D 2 =新直径。

对于直径和速度的变化，可以确定泵性能的以下变化：
 

速度变化预测在整个速度变化范围内都相当准确。但是，直径变化的预测对于直径变化仅为±10％是准确的，因为改变直径也会改变叶轮与泵壳之间的关系。因此，如果直径或速度增加10％，流量将增加10％，TDH增加21％，BHP增加33％。
 

假设所有以前的计算中效率都是不变的。图6示出了由于减速器而减少的操作参数的图形示例。
 

图6-由于减速器而减少的运行参数的示例。

泵启动
大多数消防离心泵都有淹没的吸入口。该源位于泵吸入口之上，且大气压力足以在任何时间保持泵入口处的流体。有时泵必须从低于泵中心线的源吸入。大气压力本身并不总是保持吸淹。传统的消防离心泵不是自吸式的。因此，它们不能从套管中排出蒸汽，使得来自吸入管线的流体可以代替蒸汽。自吸泵的设计使得重新启动的充足流体体积始终保留在泵壳内，即使流体回流到排放源。

安装考虑
消防离心泵是一种精密机械，不能承受超出设计要求的外部应变。必须将其安装在预定位置，仔细对齐，并且不受管道力和力矩的影响。

基础设计
一般来说，基础设计并不重要。除非使用发动机驱动器，否则消防离心泵中的振动很小。作为一般经验法则，基础应该能够处理泵，驱动器和滑动组件重量的三倍。制造商是确定所需基础尺寸的最佳来源。

管道设计
不良的管路设计和安装是导致消防离心泵性能差或失效的常见原因。管道不良可能导致：

气穴
性能下降
叶轮失效
轴承和机械密封故障
破裂的肠衣
泄漏
溢出
火灾

吸入管道
吸入管道比排出管道更重要。

流体源入口
当流体源位于泵（静压头）的上方时，源容器应该包含一个堰以减小湍流，一个防涡流器以消除涡流和蒸汽夹带，并且一个喷嘴的尺寸将出口速度限制在7英尺/秒，或者最好是，减。当流体源位于泵下方（静态升力）时，集水坑，水池或坑应设计成在进水口或吸入口周围提供均匀的速度分布，并应充分浸没以防止涡旋。

管道尺寸和消除气穴
管道应至少比泵吸法兰大一个标称管道尺寸。速度应小于2至3英尺/秒，并且由于摩擦导致的水头损失应小于每100英尺等效管道长度1英尺。吸引线应该短而且没有所有不必要的转弯。对于被淹没的吸入口，管道应该不断向下倾斜至泵吸口，以便任何蒸汽口袋可以迁移回源容器。对于静态升降机，管路应连续向上倾斜，无气穴（将闸阀安装在水平位置）。如果无法避免气穴，建议使用自动排气阀。

上游部的考虑
当上游方向改变时，只应使用长半径弯头。它们不应该直接连接到泵的吸入法兰，并且至少有两到五个直管直径的管道应该位于吸入法兰和弯头之间以及连续的弯头之间。这可以在流体到达泵之前减少涡流和湍流。否则，可能会发生前缘分离，从而导致嘈杂的操作和空穴损伤。

篮式过滤器
条件可能要求永久性过滤器安装在吸入管道中。如果不需要永久性过滤器，则应至少在初次启动时安装临时锥形过滤器。篮式过滤器应该至少有150％的流量区域滤网。

偏心减速器
从一个管道尺寸过渡到另一个管道时，需要减压器，并从吸入管道尺寸到泵法兰。泵的减少应限制在一个标称尺寸变化（例如，8到6英寸）。如果需要减少两个或更多标称管道尺寸，最好将任何剩余变化定位在离泵入口几个管道直径处。如果可能的话，应该使用偏心减速器，并且应该将平面朝上安装。同心式减速器不应用于水平吸入管路，因为它们可能会吸入可能被吸入泵内的蒸汽，并引起汽蚀或气锁。同心减速器可用于垂直吸水管和水平管路，带有吸水功能。
 

排放管道
最小流量旁路。最小流量旁路（或“再循环”）可在泵送速率较低时防止泵积聚温度。它们应设计成在线路限制器调节流量的情况下以最小排放压力处理泵的最小流量。小型泵通常由孔或扼流管控制。对于连续旁路会消耗过多功率的大型泵，使用低流量驱动（打开）控制阀。

检查阀门
止回阀对减少回流至关重要，这会损坏泵。选择时应考虑水锤的影响。水锤是由于流量突然变化导致的静态管线压力的瞬时变化。可以开始突然改变流量的项目包括启动或停止泵或打开或关闭止回阀。

慢速关闭止回阀适用于单泵和长管道的系统。多台并联和高压泵运行时需要快速关闭止回阀。作为一般指导原则，除非弹簧加载，否则电梯（“摆动”）止回阀很慢。倾斜盘式止回阀快速关闭，但比旋启式止回阀更昂贵且压降更高。当需要快速反应的止回阀时，压降考虑应该是次要的。

命名法