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第五章船用泵楼海军第一节船用泵概述一、泵的功用和分类：1.作用：在船上经常需要输送水、油和其它各种液体，这些输送任务都是通过一种称为泵的设备来完成的，所以泵是用来输送液体的一种机械。液体不可能自发地从压力比较低处流入压力比较高处，而需要向输送的液体提供足够的机械能才能达到输送液体的目的，从这种意义讲，泵是用来提高液体机械能的一种设备。2.种类：1）按用途可分为：⑴船舶通用泵：是为船舶营运及船上人员生活需要而设置的，是机动船舶都须装备的泵，主要有压载水泵、舱底水泵、消防水泵、卫生水泵和淡水泵等。⑵船舶动力装置用泵：是为船舶动力装置的工作需要而设置的。柴油机船舶主要有燃油驳运泵、燃油输送泵、主机缸套和活塞冷却泵、海水循环泵、润滑油泵、润滑油驳运泵、柴油发电机的冷却水泵和海水泵等。⑶船舶辅助机械用泵：主要是为船舶辅助机械提供服务的。⑷船舶专用泵：是用来满足特殊船舶的需要，如油船上的货油泵、挖泥船上的吸泥泵、破冰船上的压载泵、深水打捞船上的打捞泵、消防船上的消防泵以及油船上的货油泵等。2）按工作原理可以分为：⑴容积式泵：主要是通过运动部件的位移，使泵工作空间容积发生变化来吸排液体，从而把机械能传给液体，达到输送液体的目的。容积式泵可根据吸排液体部件的运动特点分为往复泵和回转泵。⑵叶片式泵：主要是通过工作叶片带动液体高速转动，使液体的能量增加，然后再将动能转换为压力能，从而完成吸排作用的。属于这种类型泵的有各种离心泵、轴流泵和旋涡泵等。⑶喷射泵：是通过喷射工作流体所产生的高速射流，吸引周围流体，进行动量交换，把动能传给输送的流体，然后再将动能转换为压力能，从而达到输送流体的目的。有水射水泵、水射真空泵、蒸汽喷射泵和空气喷射泵等。⑷电磁泵：是利用电磁力来输送液态金属的一种泵，这种泵无任何运动部件，仅在原子能船上用作原子锅炉的循环泵。二泵的性能参数：为了表征泵的性能和完善程度，以便选用和比较，通常把流量、压头、转速、功率和效率等主要工作参数称为泵的性能参数。1.流量：是指泵在单位时间内所输送液体的量，可用容积或质量来度量，分别称为容积流量Q(m3／s)或质量流量G(kg／s)。质量流量与容积流量之间的关系为：G＝ρQkg／s式中：ρ——液体的密度，kg／s。2．扬程(压头)：是指单位重液体通过泵后所增加的机械能，即每单位重力作用的液体通过泵后其能量的增加值。压头常用H来表示，单位是m。根据水力学知识，单位重量液体的机械能称为水头，它包括位能、动能和压力能。因此，泵的扬程即泵使液体所增加的水头，如全部转换为位能，即表示液体所能上升的高度。泵铭牌上所标注的是额定扬程，即设计工况的扬程。泵的工作扬程取决于系统的工作条件，可以用下式计算(参看图4-1)：H＝（pc-pa）/ρg+Z+∑h（m）。式中：pc—排出液面的压力，Pa；pa—吸入液面的压力，Pa；Z——排出液面与吸入液面的高度差，m；∑h—吸排管中的水力损失，m；ρ—排送液体的密度，kg／m3；g—重力加速度，9．8m／s2。如果知道泵的排出压力pd(Pa)和吸入压力ps(Pa)，其压头即可近似地表示为：H＝(pd﹣ps)／ρg（m）。容积式泵往往不标注额定扬程而是额定排出压力，它是按照试验标准连续工作所允许的最高排出压力。容积式泵工作时的实际排出压力不允许超过额定排出压力。3．转速：是指泵轴每分钟的回转数，用n表示，单位是r／min。往复泵由于结构上的特点，它的转速也可用活塞在每分钟所完成的双行程数来表示。铭牌上所标出的是泵轴的额定转速。4．功率和效率：泵的功率有输出功率和输入功率。输出功率又称为有效功率，指泵单位时间内实际传给液体的能量，用Pe表示，可由下式求得：Pe＝ρgQH（W）。泵的输入功率也称轴功率，是指泵轴所接受的功率，用P表示。由于泵在实际工作中总存在各种能量损失，所以泵的有效功率总小于轴功率，可用效率η来衡量。输出功率和输入功率之比称为泵的效率，即η＝Pe/P。效率表示泵性能的好坏以及动力的利用程度，效率越高说明泵的工作越经济。第二节容积式泵一、往复泵：属于容积式泵，它是利用活塞或柱塞在泵缸中作往复运动，从而引起工作腔室的容积变化来产生吸排作用。因此，可称为活塞泵或柱塞泵。1．往复活塞泵：1)工作原理：当活塞从下止点向上止点移动时，活塞下部泵缸容积增大，压力降低，当吸入阀上、下形成的压差足以顶开吸入阀时而使其开启，使吸人管与泵缸相通。因此，吸入管内的空气即因泵缸中活塞位移容积的增加而膨胀，使其压力降低，于是，吸入管中的液面就会在吸入液面压力作用下上升。当活塞到达上止点时活塞下部空间不再增大，压力也不再降低，吸入阀在泵本身重量及弹簧的张力作用而下落关闭。当电动机通过曲柄连杆机构带动活塞从上止点向下移动时，活塞下部空间的空气被压缩，压力升高，这样既把吸入阀压紧又可以顶开排出阀，使空气从排出管排出。当活塞下行到下止点时，排出阀由于本身的重量和弹簧张力而关闭。当活塞再次到达下止点时，又重复以上过程，吸入管内的液体液位就会继续上升。活塞在电动机的带动下经过数次上下往复运动后，吸入管和活塞下部空间的空气就会全部排出，紧接着便是液体的不断吸入和排出，进入正常的吸排液体工作中。在上述的往复泵中，活塞在一个往复行程中只吸排一次，这种泵因为只有一个工作空间，吸入和排出过程是交替进行的，我们把这样的往复泵称为单作用泵，它的排出过程是断续进行，其流量极不均匀。为了提高往复泵的流量并使其流量更均匀，往往采用多作用泵。如图4-3所示，在一个泵缸中有两个工作空间，每个空间都有自己的吸人阀和排出阀，这样，活塞在一个往复行程中各完成两次吸、排，我们称它为双作用往复泵。当转速、泵缸尺寸相同时，双作用往复泵流量比单作用往复泵大约增加一倍，输液也比较均匀。另外还有三作用往复泵和双缸四作用往复泵等。2)往复泵的特点：(1)有自吸能力。(2)可以产生很高的压头。(3)理论流量与压头无关。(4)输送液体不均匀。(5)转速不能太高。(6)当输送的液体含有固体杂质时，泵阀容易摩擦和垫起。所以，在吸入口常设滤器。(7)结构比较复杂，易损件多。由于具有以上特点，在流量相同时往复泵比其它泵笨重，造价较高，管理和维护工作比较繁琐，所以在许多场合已经被离心泵所取代。但在工作中容易吸入气体，在需要有比较好自吸能力的场所，如舱底水泵、锅炉给水泵和油轮扫舱泵，常常采用往复泵；另外，有时还用于其它小流量高压头的场所。2．柱塞泵：主要用于船舶液压系统中作为变向变量油泵：即在不改变原动机转向时，泵的吸排方向和流量皆可以改变。柱塞式变向泵根据运动部件的运动特点，可以分为径向柱塞泵和轴向柱塞泵。下面对径向柱塞泵的工作原理分别加以介绍。1）径向柱塞泵的工作原理：可借图4-5来说明。外圆4代表能左右移动的浮动环。中间的圆盘1表示油缸体，在缸体中径向地安装着若干个柱塞2，柱塞的顶部带有滑履3，滑履安装在浮动环的环形滑轨内，并可沿环形滑轨滑移。中间的内圆8表示配油轴，9、10分别表示吸、排油口。缸体由原动机驱动，绕配油轴回转。假设原动机驱动缸体作顺时针方向回转，当浮动环处于中央位置时，由于浮动环与缸体同心，柱塞在油缸中不产生任何往复运动，这时油泵空转，不产生任何吸排作用，流量为零。如果通过操纵机构将浮动环拉离中央位置，使其偏向右侧，则吊挂于浮动环滑轨上的柱塞，就会在油缸体的带动下转过上半周时，不断从油缸中退出，使油缸的容积增加，压力下降，经油口9从吸油管吸入油液；而当柱塞转过上半周后，则又会不断压入油缸，油缸容积减小，压力增加，将缸内的油液从油口10排出。2）对尺寸既定的径向柱塞泵：当转速恒定时，只要改变浮动环偏心距e的大小，就能改变油泵的流量。而改变浮动环偏心方向，如图4-5(d)所示，在柱塞转过下半周时，不断从油缸中退出，经油口10吸人油液；而当柱塞转过上半周时，又从油口9排出油液。油液的吸排方向与图4-5(b)相反。显然，由于柱塞在油缸中作往复运动时的速度是不均匀的，故每个油缸的瞬时流量也就不均匀。柱塞个数越多，泵的理论流量越均匀，而且柱塞个数为奇数时，又要比为相邻偶数时均匀。因此，单列径向柱塞泵的柱塞个数常为7、9、11等。二、齿轮泵：主要工作部件是互相啮合的齿轮。根据啮合形式不同可分为外(啮合式)齿轮泵和内(啮合式)齿轮泵。下面介绍外齿轮泵的工作原理。1.工作原理：图中，一对完全相同而互相啮合的主动齿轮1和从动齿轮2分别安装在两根平行的转轴上，主动齿轮转轴的一端穿过泵体3的端盖，由原动机带动作等速回转。齿轮的齿顶和两端面分别被泵体和端盖所包围。由于相啮合的轮齿A、B、C的分隔，与吸入口4相通的吸入腔和与排出口5相通的排出腔彼此隔离。当齿轮按图示方向回转时，齿C逐渐退出啮合，其所占据的齿间的容积逐渐增大，压力相应降低，于是液体在吸人液面上的压力作用下，经吸入管从吸入口4被吸入这一齿间。随着齿轮的回转，一个个吸满液体的齿间转过吸入腔，沿泵壳内壁转到排出腔，当各齿依次地重新进入啮合时，各齿间中的液体即被轮齿不断挤出，并从排出口连续排出。由于齿轮始终紧密啮合，而泵体内壁与各齿顶以及端盖与齿轮端面的间隔很小，有效地防止了排出腔中压力较高的液体漏回到压力较低吸入腔。从图中可以看出，普通齿轮泵如果反向回转，其吸排方向也就相反。2）特点：(1)齿轮泵的吸排方向取决于泵轴的回转方向。普通齿轮泵如果反向回转，其吸排方向也就相反。(2)齿轮泵属于容积式泵，有自吸能力，但因齿轮泵排送气体时密封性差，故自吸能力不如往复泵。齿轮泵内部摩擦面多，起动前须保证泵内有油，以防干转而造成严重磨损，同时也可以改善密封性能。(3)理论流量由工作部件的尺寸和转速决定，与排出压力无关。(4)额定排出压力主要取决于泵的密封性能和轴承承载能力等，与工作部件的尺寸和转速无关。齿轮泵存在不平衡的径向力和容积效率降低是其提高工作压力的主要障碍，为此，高压齿轮泵都设有轴向和径向间隙补偿装置，并设法减小和平衡液压径向力。为了防止排出压力过高，齿轮泵出口应设置安全阀。(5)流量连续，但有脉动。(6)结构简单，价格低廉。因工作部件作回转运动，又无泵阀，可采用较高转速，能够直接由电动机驱动，与同样流量的往复泵相比，齿轮泵的尺寸、重量比较小。并且齿轮泵的易损件少，耐冲击性强，工作可靠。(7)因齿轮泵工作时摩擦面较多，所以适于排送不含固体颗粒而有润滑性的油液。3）应用：齿轮泵一般被用作排出压力不很高、流量不太大以及对流量和排出压力均匀性要求不很严的地方，船上常用作滑油泵、驳油泵以及液压传动中的供油泵等。第三节离心泵离心泵用以产生吸排液体的主要部件是具有叶瓣的叶轮，当叶轮由原动机带动回转时，充满在叶轮中的液体被带动作高速旋转而获得离心力，从进口流向出口，因而称为离心泵。1.主要工作部件：是叶轮1和泵壳3。叶轮亦称工作轮，通常是由5～7个弧形叶片2和前后圆形盖板所构成。叶轮用键和螺母固定在泵轴6的一端，为了防止高速旋转时叶轮松动，螺母采用反扣螺纹，轴的另一端则通过填料箱伸出泵壳之外，由原动机驱动顺时针方向回转。泵壳呈螺线形，亦称螺壳或蜗壳，螺壳借两法兰分别与吸入管和排出管相接。2.工作原理：泵工作时，预先充满在泵中的液体，在叶片推压下被迫随叶轮一起回转，产生一定的离心力，把液体从叶轮进口向叶轮外周甩出。与此同时，在叶轮中心形成一定的真空，因此，液体在吸入液面上的大气压力作用下，就会不断地经吸入管、泵的吸入口4进入叶轮。从叶轮流出的液体，压力和速度都比进入叶轮时增加了很多。螺壳将它们汇聚并平稳地导向扩压管。扩压管流道截面是逐渐增大，从而使液体流速降低，大部分动能转变为压力能，然后进入排出管。叶轮不停地等速回转，液体的吸排也就连续均匀地进行。显然，液体通过泵所增加的能量是原动机经叶轮对液体作功的结果。因为空气的密度很小，在标准状况下约为淡水的1／800，这样，当叶轮回转时，由于空气所产生的离心力很小，在泵的吸入口处也就只能产生不大的真空，泵中仍然存有空气，并且此空气的压力和液面上的大气压力相差不大，所以液体不能流入泵中，泵也就无法供液，所以说离心泵没有