具有自吸能力的可調(diào)速的微型水泵

    水泵是輸送液體或使液體增壓的機(jī)械。它將原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加。水泵的技術(shù)參數(shù)主要有流量、吸程、揚(yáng)程、軸功率、水功率、效率等。水泵類(lèi)型較多，根據(jù)不同的工作原理可分為容積式水泵、動(dòng)力式水泵等類(lèi)型。容積泵是利用其工作室容積的變化來(lái)傳遞能量，有隔膜泵、往復(fù)泵等。動(dòng)力式泵又稱(chēng)葉輪式泵或葉片式泵，靠快速旋轉(zhuǎn)的葉輪對(duì)液體的作用力，將機(jī)械能傳遞給液體，使其動(dòng)能和壓力能增加，然后再通過(guò)泵缸，將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能而實(shí)現(xiàn)輸送。離心泵是最常見(jiàn)的動(dòng)力式泵。應(yīng)根據(jù)裝置的工藝參數(shù)、輸送介質(zhì)的物理和化學(xué)性質(zhì)、操作周期、泵的結(jié)構(gòu)特性、購(gòu)置和使用成本等因素合理選擇泵的類(lèi)型。

    在很多場(chǎng)合，比如需要自動(dòng)啟停泵、要頻繁啟動(dòng)水泵、水泵入口可能吸入氣體、要移動(dòng)工作的水泵、灌泵不方便等，人們很需要具有自吸能力的泵。沒(méi)有自吸能力的泵，每次吸水前都要加“引水(引導(dǎo)用的水)”，將抽水管灌滿水，就很麻煩。自吸式水泵能在抽水管內(nèi)是空氣的情況下，利用泵工作時(shí)形成的負(fù)壓，在大氣壓的作用下將低于抽水口的水吸上來(lái)，再?gòu)乃玫呐潘伺懦?。這個(gè)過(guò)程是不需要加“引水”的。自吸的高度就叫吸程，單位一般是米,也叫最大自吸高度。即泵在不加“引水”的情況下，能自動(dòng)將水吸上來(lái)的最大高度(泵抽水口中心距離待抽液面的垂直距離)。吸程的高低，跟泵的功率、流量、結(jié)構(gòu)等有關(guān)系。吸程的理論極限值是當(dāng)?shù)卮髿鈮?。但由于密封性等原因，吸程一般只有?shù)米。在水泵入口斷面安裝一只真空表，讀出真空表的讀數(shù)，其單位為 MPa, 與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓相比換算成水柱就是水泵的吸程，單位為m。在實(shí)際操作中，人們常常也把水泵的允許安裝高度叫做吸程，吸程 = 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（10.33 m） - 汽蝕余量 - 安全量（0.5 m）。自吸式水泵實(shí)際的安裝高度要考慮到吸水管道的阻力、當(dāng)?shù)睾０魏退疁亍Ｒ话阍诤０纬^(guò)300m或水溫大于20℃時(shí)要對(duì)廠家的實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行修正。除了合理選擇自吸泵的型號(hào)外，選擇合適的阻力較小的管道、減少進(jìn)水管彎頭閥門(mén)等阻力件、減小水平距離、在條件允許的情況下盡量將泵安裝在離液面較近的位置也是提高自吸能力，縮短自吸時(shí)間的有效方法。

    具備自吸能力的泵有：容積式泵如齒輪泵、螺桿泵、活塞泵、隔膜泵等，動(dòng)力式泵中的自吸旋渦泵、射流泵。一些本身不能自吸的泵經(jīng)特殊設(shè)計(jì)，增添必要的機(jī)構(gòu)，亦可具備自吸能力，如自吸式離心泵。螺桿泵運(yùn)送液體的種類(lèi)和粘度范圍寬廣，適合輸送含有顆?；蚶w維的介質(zhì)，壓力和流量范圍寬闊，壓力高而均勻，流量均勻連續(xù)，噪音低，吸入性能好，但尺寸較大。這里主要介紹生產(chǎn)、環(huán)保、醫(yī)療和科研等領(lǐng)域常用的具有自吸能力的微型小型水泵。微型小型水泵的型號(hào)較多，每分鐘流量從小于1升到一百多升，重量從小于1公斤到幾十公斤不等。

    動(dòng)力式泵中的射流泵是一種原理獨(dú)特，利用工作流體的射流來(lái)輸送流體的設(shè)備，需要與其他泵或高壓流體來(lái)源配合使用。根據(jù)工作介質(zhì)和被輸送流體介質(zhì)的性質(zhì)是液體還是氣體，而分別稱(chēng)為噴射器、引射器、射流泵等不同名稱(chēng)，但結(jié)構(gòu)型式和工作原理基本相同。通常把工作液體和被抽送液體是同一種液體的設(shè)備稱(chēng)為射流泵。射流泵的工作原理是工作流體從噴嘴高速?lài)姵鰰r(shí)，在喉管入口處因周?chē)目諝獗簧淞骶碜叨纬烧婵?，被輸送的流體即被吸入。兩股流體在喉管中混合并進(jìn)行動(dòng)量交換，使被輸送流體的動(dòng)能增加，最后通過(guò)擴(kuò)散管將大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能。射流泵具有內(nèi)部無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，無(wú)泄漏，有自吸能力，加工容易等優(yōu)點(diǎn)。射流泵可輸送液體、氣體和固體。射流泵獨(dú)特的工作原理決定了它的應(yīng)用。在很多領(lǐng)域，采用射流泵技術(shù)可以使整個(gè)工藝流程和設(shè)備大為簡(jiǎn)化，并提高工作可靠性。特別是在高溫、高壓、真空、強(qiáng)輻射及水下等特殊工作條件下，更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。它還能利用帶壓的廢水、廢汽（氣）作為工作流體，從而節(jié)約能源。由于射流泵是依靠液體質(zhì)點(diǎn)間的相互撞擊來(lái)傳遞能量的，因此在很合過(guò)程中產(chǎn)生大量旋渦、在喉管內(nèi)壁產(chǎn)生摩擦損失以及在擴(kuò)散管中產(chǎn)生擴(kuò)散損失都會(huì)引起大量的水力損失，因此射流泵的效率較低，一般不超過(guò)30%。

    旋渦泵出現(xiàn)于1920年。旋渦泵的種類(lèi)很多，按其結(jié)構(gòu)主要可分為一般旋渦泵、多級(jí)旋渦泵和自吸旋渦泵等。一般旋渦泵通常采用閉式葉輪和開(kāi)式流道，它的吸入口和排出口是直接連通的，因此這種泵不能自吸，往往在排出口加一自吸附加裝置后才能自吸。自吸旋渦泵的開(kāi)式葉輪和泵的入口及出口不直接相通，組成閉式流道，或者流道末端做成向心式的向心流道，便能自吸。自吸旋渦泵根據(jù)葉輪數(shù)目不同，通常還有單級(jí)的和多級(jí)的結(jié)構(gòu)形式。自吸旋渦泵既可以自吸，又可以汽液混合輸送，所以使用范圍較廣。微型、小型自吸旋渦泵是常見(jiàn)的一種自吸水泵，它的葉輪高速旋轉(zhuǎn)時(shí)排出部分泵中的存水，形成真空，吸入進(jìn)水管中的空氣，空氣與存水混合。氣液混合體進(jìn)入氣液分離室，氣體從泵出口逸出，液體比重大，從回流孔回到流道，周而復(fù)始直到將進(jìn)水管中的空氣排除干凈，實(shí)現(xiàn)自吸。旋渦泵內(nèi)部的流動(dòng)過(guò)程十分復(fù)雜，目前存在幾種假說(shuō)，設(shè)計(jì)還主要依靠模型換算和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)方法。

    旋渦泵結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)部部件間歇多小于1mm，對(duì)加工和裝配精度要求很高。旋渦泵的密封間隙越小，自吸高度越大，在間隙增大時(shí)，除自吸高度下降外，泵的揚(yáng)程、效率均降低。旋渦泵很適用于小流量、高揚(yáng)程、易揮發(fā)、易汽化的液體的輸送，成為離心泵在小流量范圍的延續(xù)，但抗氣蝕能力不如離心泵。旋渦泵具有較陡的揚(yáng)程-流量和功率-流量曲線，因此對(duì)系統(tǒng)的壓力波動(dòng)不敏感。旋渦泵只能輸送非粘性液體，隨著液體粘性上升，揚(yáng)程和效率會(huì)急劇下降。如果液體中含有雜質(zhì)，會(huì)磨損部件增大間隙，降低旋渦泵的性能。部分旋渦泵可以實(shí)現(xiàn)氣液混輸。旋渦泵的缺點(diǎn)是效率較低，一般為20～40%，最高不超過(guò)50%。自吸旋渦泵的進(jìn)口一般要安裝止回閥，還多了一個(gè)氣液分離室和回流孔，造成能量損失，效率比一般旋渦泵還要低。微型、小型自吸旋渦泵的流量可小于10L/min，但效率只有10～20%。

    普通離心泵沒(méi)有自吸能力，需要對(duì)離心泵結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。有的在吸水管路上設(shè)置真空泵，水泵啟動(dòng)前，真空泵先啟動(dòng)，使水泵吸水管內(nèi)先充滿水，保證水泵自動(dòng)、迅速啟動(dòng)。這種吸水方式需要有完善的自動(dòng)控制系統(tǒng)以保證正常工作。有的在進(jìn)水管安裝止回閥。止回閥使水流只能由水池進(jìn)入吸水管而不能倒流，可使吸水管內(nèi)一直都充滿水，保證離心泵能迅速啟動(dòng)，快速上水。這種吸水方式的可靠性受吸水底閥質(zhì)量的影響，比如關(guān)閉不嚴(yán)、漏水，吸水管內(nèi)的水就會(huì)慢慢流失，時(shí)間長(zhǎng)了，吸水管內(nèi)就沒(méi)有水，導(dǎo)致水泵啟動(dòng)時(shí)仍需人工灌水。從節(jié)能的觀點(diǎn)看，底閥的阻力很大，對(duì)節(jié)能非常不利。有的設(shè)置泵前吸水罐，水泵在第一次運(yùn)行前，罐內(nèi)應(yīng)人工灌滿水，第一次運(yùn)行停止后，因?yàn)槲薜倪M(jìn)水管高度高于罐內(nèi)水面高度，罐內(nèi)的水不會(huì)倒流，吸水罐內(nèi)能儲(chǔ)存一定的水，保證水泵的吸水管內(nèi)充滿水，以后水泵再運(yùn)行時(shí)，罐內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，水池中的水在大氣壓力的作用下補(bǔ)充到吸水罐內(nèi)。小型的自吸式離心泵的流量約為50L/min，揚(yáng)程可達(dá)20m以上，功率較大，多采用交流電機(jī)。離心泵一般流量較大，小功率的離心泵效率較低。小型離心泵的效率為50%－70%，大型泵可高達(dá)90%。小流量的離心泵制造困難成本較高。 

    活塞泵依靠活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得泵腔工作容積周期變化，實(shí)現(xiàn)吸入和排出液體。活塞泵分為單、雙作用式；單、雙、多缸式。活塞泵的流量一般為0.7～6000m3/h，排出壓力≤40MPa，大多數(shù)情況下≤25MPa。活塞泵的流量由泵缸直徑、活塞行程及活塞每分鐘的往復(fù)次數(shù)確定的。揚(yáng)程取決于裝置管路特性，同一臺(tái)活塞泵流量不變，而揚(yáng)程可隨著裝置管路特性變化?；钊眠m用于高壓、小流量的場(chǎng)合，特別是流量小于100m3/h，排出壓力大于9.8MPa時(shí)，顯示出較高的效率和良好的運(yùn)行性能。它吸入性能好，能抽吸各種不同介質(zhì)、不同粘度的液體。其缺點(diǎn)是有脈動(dòng)、價(jià)格較高、維護(hù)困難、活塞與輸送介質(zhì)接觸、在一些介質(zhì)中活塞磨損非?？臁Ｔ陔妱?dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)這些高速原動(dòng)機(jī)問(wèn)世之前，往復(fù)活塞泵是水泵的主導(dǎo)產(chǎn)品，往復(fù)活塞結(jié)構(gòu)作為變?nèi)莘e泵的基本結(jié)構(gòu)，原理簡(jiǎn)單，高效高壓。但隨著電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)，離心泵因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與電機(jī)配接使用方便，可以在廣泛的流量和揚(yáng)程范圍內(nèi)工作，離心泵技術(shù)迅速地得到發(fā)展。往復(fù)式活塞泵工作方式與旋轉(zhuǎn)動(dòng)力連接不方便，結(jié)構(gòu)復(fù)雜體、積大，高速運(yùn)行受限制，且流量較小，因而離心泵取代活塞泵成為水泵的主導(dǎo)產(chǎn)品。離心泵進(jìn)入全盛時(shí)期已持續(xù)了一個(gè)世紀(jì)?；钊靡云涓咝Ц邏旱奶攸c(diǎn)一直應(yīng)用在追求高性能的特殊水泵以及內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)中。近年來(lái)還出現(xiàn)了一些應(yīng)用范圍較廣的新型結(jié)構(gòu)的微型、小型活塞泵。

    齒輪泵的原理是兩個(gè)尺寸相同的齒輪在一個(gè)緊密配合的殼體內(nèi)相互嚙合旋轉(zhuǎn)，這個(gè)殼體的內(nèi)部類(lèi)似8字形，兩個(gè)齒輪裝在里面，齒輪的外徑及兩側(cè)與殼體緊密配合。當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪脫開(kāi)側(cè)的空間的體積從小變大，形成真空，將液體吸入，齒輪嚙合側(cè)的空間的體積從大變小，而將液體擠入管路中去。齒輪泵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工藝性較好,成本低；與同樣流量的其他泵相比,結(jié)構(gòu)緊湊,體積??；有自吸能力；對(duì)工作介質(zhì)清潔度要求低，能輸送腐蝕性、高溫的液體。缺點(diǎn)是工作壓力較低；存在泄漏問(wèn)題，容積效率較低；流量脈動(dòng)大。由于腐蝕原因，齒輪泵多用于輸油，針對(duì)水介質(zhì)需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

    微型薄膜水泵是通過(guò)薄膜的往復(fù)振動(dòng)來(lái)泵送流體。膜片向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔體積增大，腔內(nèi)壓力降低，在壓差作用下，進(jìn)口閥打開(kāi)，吸入流體；當(dāng)膜片向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，泵腔體積減小，腔內(nèi)壓力升高，在壓差作用下，出口閥打開(kāi)，排出流體；如此循環(huán)往復(fù)。它的驅(qū)動(dòng)原理多種多樣，有靜電、壓電、電磁、熱、氣動(dòng)、電液、行波傳遞、凝膠致動(dòng)和光熱致動(dòng)等。薄膜泵的特點(diǎn)是效率高；運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與輸送介質(zhì)完全隔離、對(duì)介質(zhì)無(wú)污染；非動(dòng)密封，無(wú)泄漏；可靠性好；體積小、重量輕；具有自吸能力；不怕空轉(zhuǎn)；無(wú)需潤(rùn)滑保養(yǎng)；自身噪音低。微型薄膜泵作為真空水泵使用時(shí)，無(wú)需灌泵，啟動(dòng)后立即吸水排水。它既能抽氣又能抽水，無(wú)水時(shí)不怕干轉(zhuǎn)。微型薄膜泵的優(yōu)點(diǎn)尤其是小巧、無(wú)污染性、自吸性使它在儀器儀表行業(yè)得到了廣泛運(yùn)用。薄膜泵的主要缺點(diǎn)是輸送介質(zhì)溫度受薄膜性能限制，一些薄膜泵不適于高粘度流體，出口壓力波動(dòng)幅度大，有時(shí)需安裝緩沖設(shè)備。不同規(guī)格的薄膜泵流量差別大，從小于1升/分鐘到數(shù)百升/分鐘。由于薄膜泵具有自吸能力，儀器儀表行業(yè)常用的微型薄膜泵也稱(chēng)為微型真空泵、微型采樣泵。

近年來(lái)技術(shù)領(lǐng)先的微型真空泵生產(chǎn)商在電機(jī)、隔膜材質(zhì)上取得了突破性的進(jìn)展，薄膜泵的使用在發(fā)達(dá)國(guó)家得到了很大發(fā)展，正逐步占領(lǐng)其它泵的一些領(lǐng)域。相信隨著技術(shù)的進(jìn)步，薄膜泵在我國(guó)的運(yùn)用必將日益廣泛。目前國(guó)內(nèi)低端的微型真空泵多為國(guó)貨，進(jìn)口品牌不占優(yōu)勢(shì)。高端微型真空泵主要有進(jìn)口的KNF、THOMAS等品牌和成都“氣海”品牌。國(guó)產(chǎn)“氣海”泵在技術(shù)上已經(jīng)可與進(jìn)口泵媲美，所有型號(hào)都經(jīng)過(guò)了連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)考驗(yàn)。在性?xún)r(jià)比、服務(wù)上國(guó)產(chǎn)品牌更占優(yōu)勢(shì)。氣海最先推出了既能抽氣又能抽水的微型真空水泵系列。特別是他在WKA系列基礎(chǔ)上進(jìn)行了全面革新，推出了長(zhǎng)壽命的WKY系列、可調(diào)速的WNY、WPY系列產(chǎn)品這些泵配置了先進(jìn)的無(wú)刷電機(jī)，性能提升很大。

自吸式微型、小型水泵的種類(lèi)較多，總的來(lái)說(shuō)，容積泵的效率高于動(dòng)力式泵，而且效率曲線的高效區(qū)較寬。

SLS-2012-05