水是人类生活的必需品,古代游牧民族必须逐水草而居,世界文明的发祥地无一不是在水源充沛土地肥沃之处,如中国文化发源于黄河流域,埃及文化发源于尼罗河流域,巴比伦文化发源于幼发拉底河与底格里斯河之两河流域。因此,自古以来,水的汲取和输送就是先民求生的一大课题,泵浦的历史也就十分悠久了。
泵浦,简单地说,是一种能够使液体从低处流到高处,或从一处输送至远处,或由低压变成高压的机械。泵浦不但是人类最古老的一种重要工具,先民部落靠它供给人畜饮水和农田灌溉,更是现代工业文明所不可或缺的主要设施。因为人类的进步一直随着用水量的增加而前进,泵浦的使用范围日渐扩大到自来水、消防、矿坑或船坞排水、船舶、工厂给水或冷却、石化工业制程等。另外,在特殊用途方面也有显著地增加,例如,金属冶炼厂的矿浆泵、造纸厂的纸浆或蔗渣泵、核能发电厂的高温高压锅炉给水泵、化工厂或自来水厂的药液定量泵、废水处理厂的污水泵、挖泥船的排砂泵、引擎或火箭的燃料喷射泵、工具机或建设机械中液压系统的油压泵等。最值得注意的是,打从史前时代就开始的科技发展,包括早期的水力应用,再经煤和石油等其它能源,直到今日的核能应用,泵浦也许是除电动马达以外,使用数量最多的通用机械。
根据有文字记载的机械发明史,最早的泵浦也许是在纪元前第三世纪左右,埃及或波斯人制造的戽子水轮(noria wheel,见图一、二)。所谓戽子水轮就是在一个大轮圈(直径约30~40呎)的内缘装上连串之戽子,将水轮置于水源上并加以转动,底下的戽子需浸在水中将水盛满,当其到达顶上时水即倒出,流入水沟而导至贮水槽。戽子有以木头或陶器制成的,轮子有以人力驱动,或以畜力驱动,甚至以湍急之水流自行驱动的。
而最为人知晓的早期泵浦──水螺旋(water screw)或名阿基米得螺旋(Archimedean screw),据传是公元第三世纪希腊的数学及物理学家阿基米得发明的,直到现在仍然沿用(见图三、四)。所不同的是,以往是以人力或畜力驱动,多用于农田灌溉、船舱或矿坑排水;而现今则改以电动马达驱动,多用于低扬程(low head)之输水系统。在1930年有约300部螺旋泵装于荷兰,用于低洼地区之排水,或在泵液中经常包含泥泞、垃圾与大块之固体杂物之废水处理。
利用简单之机械自井中或河流汲水,早在纪元前1550年,埃及和印度即已应用杠杆汲水,一直到现在,非洲地方还有人在使用(见图五、六、七)。将滑轮、绳索和木桶组合的设备,于耶稣纪元后,滨地中海之国家即已普遍用于深井做汲水之工作。迄今,在美国西部电影片里头还经常看得到。
由于气体之可压缩性与真空现象之发现,具有活塞、液缸与活门的可以汲取井中之水,并产生相当高之水压,常用于救火的手动压力泵,也发明得很早。经过很长时间不断地改良,才演变成今天仍然十分普遍应用的家庭汲取地下水,无需动力(电力)的手压式活塞泵(见图八、九)。
另外,一种专门用于水田灌溉的老式泵浦,是脚动的,早在纪元十七世纪初期便已发明。操作的人双手抓住两支直杆,双脚踩动底部浸入低处河渠之轮叶,便能将河水连续打至高处之田沟里(见图十)。而距今约三十年前,本省乡下农田中使用相当普遍的水车,同上述泵浦一样,也是以脚驱动的,但构造不同。且因打水高度较高,体积较大,重量较重,故需二人以上共同操作。农夫们手握住横杆,脚踩动踏板,曳动有竖板之木制履带,因其外侧是由固定的板墙紧靠着,故可将渠道的水连续地提升到田沟里。
近来发展趋势
一、大型化
由于工业进步与生活水平之提高,形成生产与消费皆大量化,因此农业灌溉、自来水输送、工业废水处理、电厂冷却循环等,在每单位时间中所需要之流量(capacity)愈来愈大,所以泵浦也就愈做愈大。到目前为止,已知世界最大的泵浦,其口径4,200公分,设计流量40立方公尺/秒,系作河川排水用。
二、高速化
由泵浦的相似定理,相同尺寸之泵浦,其流量是与转速成比例,而扬程(或称水头,head)是与转速之二乘方成正比,因此,在达到规范要求之流量与扬程下,为求缩小体积,减少重量与降低成本等,转速便尽可能升高。时到今日,已有许多泵浦转速高达 9,000rpm(每分钟转数),而在某些场合下,也有高达24,000rpm的。高速化所遭遇之难题是空蚀现象(cavitation)的发生,轴承及密封、材料及加工、振动及噪音等。目前,在这方面的最佳办法,是在泵浦叶轮(impeller)前端加装一种诱导器(inducer),以降低需要的净正吸入水头(net positive suction head, NPSH),从而避免空蚀现象之发生。(见图十一)
三、标准化
最近工业先进国家对于小型泵浦的生产规格,特别是指安装尺寸,亦有关于性能与零件,以及试验方法多已订立标准,方便大量生产。其目的在于降低制造者之成本,及便利使用者依据厂商之型录选择适用之标准泵,在设备投资、保养维护、零件更换等方面均大为称便。但是,大型泵浦由于需要量较少,而且使用条件较为特殊,标准化之可能性较小。
四、材料更新
具有高强度与耐腐蚀性的塑料材料,可使泵浦重量减轻并且性能更好,将有逐渐取代传统的金属材料趋势。
五、使用更多的下列泵浦
高压泵于石化工业制程、冲洗(常见者如机车行在清洗机车时所用的小马力柱塞泵)及油压系统。竖轴离心泵于自来水或石油管线加压,尤其是小型的在线泵(inline pump,见图十二)更广受石化工厂之喜爱,因此种泵浦不仅节省占地空间,甚至可以免做基础。泵浦涡轮(pump turbine,见图十三)供抽蓄水力发电厂用,系一可逆转装置,兼具有泵浦与水涡轮(water turbine)两种水力机械之功能。特殊用途泵浦,如涡流或凹穴泵(vortex or recessed pump,见图十四)用于输送蔗渣等含大量纤维之液体。此外,有关泵浦的可靠性、耐久性、振动与噪音的减小、制造技术的改进、合成材料的使用等都是当然的发展。
泵浦要素简介
泵浦之种类繁多,依其动作原理之不同,以往多分为三大类:离心式(centrifugal type)、旋转式(rotary type)、往复式(reciprocating type);如今多分作下列二大类:容积式或称排量式(positive displacement type)与动力式(kinetic type)。如将容积式再细分,则为往复式、旋转式与特殊泵浦;动力式再细分,则为离心式与特殊泵浦。当然每一种类皆还可再细分下去。我们要了解许多应用的情况,数种泵浦型式皆能适合,并非只有某一种类某一型式之泵浦才可用。但若要选择一种最适宜最足以信赖的泵浦,则非完全透彻地认识泵浦是如何在工作不可,以下是泵浦选用前必须知道的几个要素。
首先,要清楚所泵送液体之性质,如化学分析后之酸碱值与腐蚀性,包含固体粒子沉淀性与浓度,对轴封(注)或止漏填料之影响,对马力计算有直接关系之比重,可能导致空蚀现象之温度与蒸汽压力,会影响性能之黏度,固体类杂物之种类、体积、硬度与刮蚀性(abrasive)、缠绕性(stringy)或溶解性等。
扬程──可以压力、速度、吸入与摩擦损失表示是泵浦选择时之主要项目。压力与速度水头(velocity head)可以此式v2=2gh来互换,按v表示速度,g重力加速度,h水柱高度。摩擦水头简单地说就是管线的摩擦损失,它会减少压力水头。而压力水头即进、出水位高度之差加上泵浦产生之扬程,再加上或减去泵浦之吸入水头。速度水头虽然通常较压力水头为小,但它对NPSH却可能会有影响。
什么是NPSH(净正吸入水头)?简单说就是泵浦在其进口法兰(suction flange)或竖轴离心泵的叶轮进口处,经扣减其操作温度时之饱和蒸气压力(vapor pressure)后之净余正值吸入水头,通常以液柱高度表示。这是管线系统可利用的,或有效的NPSH。NPSH与泵浦会不会发生空蚀现象关系十分密切。
什么是空蚀现象?因泵浦利用大气压力于其内部造成真空(低于大气压力),以吸入液体再将之打至高处,故无论在泵浦内任一地方,只要有压力降低到该液体气化压力的部分,而该处又有液体涌到,此时该液体即气化发生气泡,而于液体中形成空穴(cavity),这种现象便称为空蚀现象。随着空蚀现象即可能发生下列数种对泵浦非常不利的情况:
一、噪音与振动
低压部分液体里面的气泡流到高压部分的时候,即迅速破裂。在这种气泡破碎的时候,将产生非常高的压力。如此周而复始,遂发生尖锐之噪音并且开始振动。
二、溃蚀
在动叶轮和向导阀上都会发生像麻脸一样的斑点,甚至穿出孔来。这种现象和因化学液体造成金属的腐蚀情况不同,而特称之为溃蚀。(见图十五)
三、扬程与效率之低落,流量在到达发生空蚀现象之临界点后,即不再增加,亦即无法获致正常操作情况时之流量。
四、当动叶轮因溃蚀过厉害而裂断,就可能将整部泵浦都破坏掉;或轴承因振动过于剧烈而损坏时,就无法继续使用。
每部泵浦都有它个别的防止空蚀现象所需的净正吸入水头(见图十六),通常制造厂家会将此一特性绘入泵浦之性能曲线(见图十七),NPSH曲线上之任一点即为相当将液体送入泵浦所需压力之水头,而以液柱高度表之。这些数值系根据实际试验得到的,并且会以泵浦之基准线来校正。
发生空蚀现象之临界情况为:有效的 NPSH=所需的NPSH,通常有效的NPSH至少需比所需的NPSH高一呎液柱高度以上,才不致有空蚀现象之危险。
泵浦的分类
离心式泵浦
正如其名称所意谓的,此种泵浦是利用离心力来作用的。虽然设计的构造细节会变化,它们都是借着旋转的叶轮所产生之离心力将液体自靠近轴心之进口吸入,而后顺着叶翼形成之通路流至外周,这一过程中泵液已获得速度与压力,最后再经涡形泵壳或扩散导翼将部分速度能尽量地变为压力能后,自泵浦出口流出。当叶轮内之液体被压出时,叶轮内部原为液体所充满之空间即呈真空,此时吸入源头液面上之压力(如系暴露在大气中,则为大气压力)将液体压入叶轮,填充被压出之液量。由于叶轮不断地旋转,液体亦不断地被吸入与压出。离心式泵浦的吸水作用通常系由大气压力产生,故理论上最大吸入扬程应为10.3公尺水柱高度,但实际上泵浦吸水时在吸入管与叶轮内有摩擦阻力,同时水流动即需消耗一部分能量(速度能),且水温有蒸气压力,系一种反应力。此外,由于种种构造上之因素,无法造成绝对真空,故一般离心泵浦之实际最大扬程约仅5公尺水柱高度。离心式泵浦不能干吸,开车前必须先将泵壳与吸入管注满泵液,这就是所谓的「起动注给」(priming)。又离心式泵浦的打水能力与吸水能力不一样,如认为增加叶轮的级数就无论水源距离泵浦多远或多深都可将水吸上来,那是不对的,因为增加叶轮级数,仅不过是加大泵浦打水能力的一种方法罢了。
离心式泵浦由于具有用途广泛、转速高、流量大、多级叶轮组合时压力增减容易、构造成本低廉、拆装维护容易等许多优点,虽然起步较晚,但能取代大部分往复式及旋转式泵浦的地位,终于占据泵浦市场的 70~80%,而成为现今工业上的宠儿。普通依叶轮出口水流方向区分为:径流(radial flow)式、混流(mixed flow)式与轴流(axial flow)式等三种。前两种又可再分为单吸(single suction)或双吸(double suction)、自吸(self-priming)或非自吸、单级或多级(single or multistage),其叶轮可分为密闭(closed)、半开放(semi-open)或开放(open)等三型。而轴流泵仅有单吸,可再分为单或多级,其叶轮仅分为密闭或开放二型。混流与轴流之开放型叶轮又可分为固定翼(fixed-pitch blade)或可动翼(variable-pitch blade)。按开放与半开放叶轮都是吸入侧设有侧板,而轮毂侧的侧板为完全的称做「半开放」,不完全的、止于最小限度的就叫「开放」,两者皆用于泵液中混有固形杂物的情形下。可动翼泵设计制造皆复杂,仅限于竖轴单级式之大型排水泵,其优点为可在运转中配合所需抽水量之大小,随时调整叶轮翼角,使在广大范围之流量或扬程变化情况下得以连续运转,而且保持高效率之性能,并可在一定轴动力之情况下使用,而令原动机不致于超过额定负荷。(见图十八~二十三)
往复式泵浦
是最先发展成功的工业用泵浦,系公元1840年美国一个年轻的汽轮船锅炉工人所发明。由于他对每天要用手汲取哈得逊河的水送进船上锅炉的工作感到厌烦,经长久苦心思虑,既然锅炉里有的是蒸汽压力,何不利用它来推动船上的活塞呢?他把这个念头与古时希腊著名的思想家阿基米得的观察──当他进入浴盆洗澡时,浴盆里的水位就涨高起来──联合起来,于是这个锅炉工就制造了一个用蒸汽压力去打水的玩意儿,这就是第一部由蒸汽机直接带动的活塞泵浦。这个年轻人名叫华兴顿(H. R. Worthington),从此他走上了专门制造泵浦这一行业,一直到现在,他开创的泵浦工厂还是世界上顶尖一流的。
虽然往复式泵浦到了今天已失去相当多的基本客户,而由其它类型泵浦所取代,但仍在某些特殊应用场合居于领先地位,甚至有时还恢复若干往日所失之市场。供输需高压的液压压床或液压试验,泵送挥发性高的液化瓦斯,作为紧急使用的锅炉给水或消防泵浦,提供准确行程的排量如计量泵浦(metering pump)等等,都是它的主要工作。
往复式泵浦一定要有两个以上的阀,系由于在一边关闭之同时刚好另一边开放,这样才能发生泵送之作用。此种泵浦的排出压力不会因转数而有很大的变化,又由于每一个行程的排出量是固定的,所以能够正确地打出一定量的液体,供药液注入之计量泵浦用。但往复式泵浦排出之流量都是有脉动性的,这与离心式泵浦及旋转式泵浦之排出流量是平稳的,在性能上有很大的不同。
往复式泵浦之三种基本类型为:活塞式、柱塞(plunger)式及隔膜(diaphragm)式。手压式家庭汲水用泵就是立式活塞泵中之最简单者。卧式活塞泵又可分为蒸汽直接作用泵(steam direct acting pump)与马达驱动之动力泵(power pump)两种。活塞式与柱塞式皆可再分为单冲程与双冲程,又按汽缸数多寡可再分为单缸、双缸与多缸。隔膜泵借着橡皮或特殊材质做的膜片作往复运动来发生泵送作用,是一种无轴封泵(glandless pump),可以完全防止泄漏,所以多用于化学和药液等腐蚀性强液体之输送。又因它没有摩耗和堵塞的问题,故亦适用于汲取含有砂粒或泥浆性液体。(见图二十四~二十六)
旋转式泵浦
是继往复式泵浦之后一种进步的产品。它同前者一样也是排量式泵浦,具有一固定之外壳,内含齿轮、凸轮、活塞、叶瓣与螺旋等转动机件,而无吸入与排出阀。在动作时系以产生很小的余隙空间,将液体捕住之后压送出去,其排出之流量与离心式泵浦相似是十分平稳的,排出之压力亦相当高,可以达到1000磅/平方吋左右。此种泵浦之特点为无需起动注给之自吸式,适用于黏度大的液体,如重油、食品与涂料等之泵送,又因其体形比较灵巧,只需甚小之空间,容易安装在机械设备内,遂导致油压与自动化机械工业之蓬勃发展。旋转式泵浦主要分为外接齿轮(external-gear)泵、内接齿轮(internal-gear)泵、螺旋(screw)泵、叶瓣(lobe)泵与轮叶(vane)泵等数种。(见图二十七~三十二)
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