【中華百科全書●工學●抽水機】

楊籍富

【中華百科全書●工學●抽水機】

 

抽水機（Pump），為一種輸送液體之機械。

 

其原理係將動能轉換為位能以利輸送，在衛生工程上應用甚廣，如原水抽水、清水抽水、加壓抽水、雨水抽水、污水揚升、污泥抽送、藥品添加、深井抽水等。

 

一、抽水機之分類依機械原理及水流特性，抽水機可分為（一）迴轉抽水機（RotaryPump），（二）往復抽水機（ReciprocatingPump），（三）驅輪抽水機（ImpellerPump），（四）噴射抽水機（JetPump），（五）氣揚抽水機（AirLiftPump）。

 

（六）水擊抽水機（HydraulicRam）等。

 

衛生工程中以使用驅輪抽水機為最多，其構造為於機殼內裝有葉片之驅輪，由於驅輪之設計不同，水流方向也各異。

 

因此，驅輪抽水機又可分為三類：1.輻流式抽水機（RadialFlowPump）：水呈輻射方向流出，由外殼之不同又分渦捲式（VolutePump），及透平式（TurbinePump）。

 

2.軸流式抽水機（AxialFlowPump）：其驅輪為螺漿式（Propeller），水流軸向推出。

 

3.混流式抽水機（MixedFlowPump）：水流方向介於以上兩種抽水機之間。

 

一般所稱之離心抽水機（CentrifugalPump）乃泛指驅輪抽水機，真正之離心抽水機，則指輻流式抽水機。

 

離心抽水機之驅輪以其數目大小、型式之設計不同，有其一定之揚程限度，故依驅輪數有理單段（SingleStage）與多段（MultipleStage）之分；

 

依驅輪及吸口之排列有單吸（SingleSuction）與雙吸（DoubleSuction）之分；

 

又由轉動軸之方向，可分橫軸與豎軸抽水機。

 

大型抽水機多可將機殼打開，以便修理檢查，且為雙吸式以平衡水力。

 

各類抽水機之特點、型式及用途如表一。

 

〈見表一〉二、驅輪抽水機之抽水能力（一）揚程：抽水機之總揚程H，一稱總動水頭（TotalDynamicHead,TDH）。

 

單位常以m表示，係淨揚程h，管路之損失水頭hfs、hfd，及速度水頭hvd之總和，用公式表示則為：H=h hfs hfd hvd上式H也可由抽水機入口，及出口處之真空計及壓力計分別讀取Rs及Rd計算之：H=Rd Rs (hvd-hvs)式中管路損失水頭，及速度水頭隨抽水量之大小而變化，故總揚程也隨抽水量之增大而增大。

 

（二）抽水量：抽水量Q，乃指單位時間抽水機所排出之水量，通常以，m3/min或m3/hr表示。

 

（三）動力及效率，抽水機所作之有效功能，稱為水馬力（WaterHorsepower）。

 

Pw其計算式為：Pw=rHQ式中r為液體之單位體積重，如為水，一般可視為1┬/m3。

 

原動機所供給抽水機之軸馬力（ShaftHorsepower），或稱制動馬力（BrakeHorsepower）Ps可根據水馬力及抽水機效率E而得之：抽水機之效率隨抽水機之種類、型式、大小而異，抽水機之口徑大者，一般其效率也較高。

 

原動機所需馬力大小則除抽水機之軸馬力外，尚應考慮原動機之效率，一般可按軸馬力多加百分之十至二十之餘裕，以應電壓、週率，及其他變化之需。

 

因此，原動機之馬力Pm計算為：Pm=1.1～1.2Ps在此，需特別注意原動機之實際選用，應以相近之商用尺寸為準。

 

〈見表二〉（四）抽水機之尺寸：抽水機之尺寸，通常以抽水機出口口徑表示，或同時用抽水機之吸口及出口尺寸表示。

 

吸口尺寸常較出口尺寸為大，但在估計抽水機尺寸時，常以出口尺寸為準，一般可假設出口之流速為1.5～40m∕sec，而由下式計算：式中D為抽水機之出口直徑mm，Q為抽水量，υ為出口流速m∕sec。

 

三、比速（SpecificSpeed）一抽水機之比速，為與其幾何相似之一假想抽水機，驅輪直徑為D，在總水頭H為lm，抽水量Q為lm3∕min時所需之轉速N,?

 

rpm。

 

如以公式表示，則比速Ns與水頭、抽水量，及轉速之關係如下：抽水機之比速隨型式而異，如比速相同，則不論抽水機之大小，其型式及特性也必大致相似，故由比速可決定抽水機之型式而利選擇。

 

計算Ns時，若為多段式抽水機，則其總揚程H，應取各段之揚程；

 

若為雙吸口抽水機時，則抽水量Q應取各吸口之流量，揚程與抽水量均以額定值為準。

 

各類抽水機之比速如表三所示。

 

比速之不同與驅輪之形狀有關，也影饗抽水機之效率，故比速為抽水機型式之重要指標。

 

又如用英制單位時，根據上式，Ns之範圍將與用公制所得者不同，應予注意。

 

〈見表三〉四、抽水機之相似律（AffinityLaw,SimilarityLaw）當驅輪抽水機之驅輪直徑D或轉速N改變時，其性能之變化可用下列之相似律推測之：(一)(二)(三)由上，當驅輪直徑不變，僅有轉速改變時，則：(四)(五)(六)如轉速不變，僅改變驅輪直徑時，則：(七)(八)(九)上項抽水機之相似法則對於抽水機之設計及操作，均有極大之應用價值。

 

五、抽水機之穴蝕（Cavitation）抽水機驅輪進口處，常發生局部性真空，使水中之空氣析出或水蒸發而產生氣泡，導致抽水性能之降低以及振動與嗓噪，嚴重時驅輪發生點蝕（Pitting），導致破壞。

 

抽水機發生穴蝕之指標可以有效吸水水頭（NetPositiveSuctionHead,NPSH）表示，NPSH也即抽水機入口處之總壓與蒸氣壓之差值：式中為抽水機入口之總壓，為水之蒸氣壓，吸水端大氣壓為，吸升高為Z，水頭損失為HL，則：故可利用之NPSH有一最小值，降至此值之下，即發生穴蝕，此最小NPSH值與抽水機之型式及流量有關，一般由製造廠商提供。

 

在實際應用時，尚應保有相當之餘裕，需要之NPSH,hsv，為總水頭H之函數：式中σ為穴蝕係數，與比速Ns有關，可由圖一求得。

 

〈見圖一〉可利用之NPSH,Hsv，應大於需要之NPSH,hsv1.3倍，即：或：計算之最大吸升Zmax限值為：為防止穴蝕，可將抽水機放低，抽水量減少或降低轉速。

 

六、抽水機之特性曲線（CharacteristicsCurvesofPump）〈見圖二〉抽水機之特性曲線係選擇抽水機必需之資料。

 

抽水機在特定轉速N時，其抽水量Q，水頭H，馬力P，效率E之變化有一定關係。

 

通常以抽水量為橫座標，其餘諸項為縱座標，可得三條特性曲線。

 

不同型式之抽水機，其特性曲線不同，即或同一型式抽水機，其特性曲線亦常有差異。

 

圖二為典型離心抽水機之特性曲線，最高效率點之抽水量稱為額定抽水量，與此對應之總水頭即稱額定水頭。

 

調節抽水量可使水頭發生改變，效率也將受影響。

 

如抽水機之轉速改變，則其特性曲線亦將隨之變化。

 

七、抽水機之組合（CombinationofPumps）抽水系統因抽水量及揚程常隨時間而變化，抽水站須考慮數部抽水機之組合方可滿足需求，此等組合主要視抽水系統水頭曲線（SystemHeadCurve）及抽水機特性曲線（CharacteristicCurve）而定。

 

常見有並聯組合（ParallelCombination）及串聯組合（SeriesCombination）兩種，而以前者居多。

 

組合時可選用相同或相異之特性曲線。

 

〈見圖三〉抽水時抽水機淨揚程常隨時間變化而有一範圍。

 

於可能發生之吸水邊最低水位與出水邊最高水位差為最高淨揚程，吸水邊最高水位與出水邊最低水位差為最低淨揚程。

 

其次隨抽水量增加系統水頭損失增加。

 

據此而可繪得抽水系統水頭曲線。

 

抽水機特性曲線與系統水頭曲線相交範圍為實際可操作範圍。

 

選擇抽水機時。

 

應使抽水機單獨操作或組合操作皆能維持在額定點附近，以求高效率。

 

並聯組合主要用於平緩系統水頭曲線，調節抽水量功用多。

 

如圖三，H1-Q1為一部抽水機特性曲線，兩部特性曲線相同抽水機並聯組合時，其特性曲線為同一部抽水機揚程下二倍抽水量諸點之連線。

 

因系統水頭曲線上陡，故組合特性曲線與之相交點為組合抽水機抽水量，其值較單獨一部抽水機在同一揚程下抽水量之二倍為少。

 

組合抽水機操作應考慮抽水機特性，尤其注意其關閉水頭（Shut-offHead）宜相近，否則兩部抽水機同時操作時，增加抽水量有限，而不一定經濟。

 

串聯組合主要用於陡升系統曲線。

 

兩部特性曲線相同抽水機，其串聯組合之特性曲線為單獨一部抽水機在同一抽水量時兩倍揚程各點連結而成。

 

串聯組合使用場合較少，若使用則各單獨抽水機最大抽水量必須大於供水量。

 

〈見圖四〉八、抽水機之選擇抽水機型式之選擇乃由計畫抽水量、總揚程、轉速等計算比速而決定。

 

抽水機轉速除特殊情況外，以四至八極馬達直接帶動，其轉速在九百至一千八百rpm。

 

如比速過大，可改用雙邊吸水或增加抽水機臺數，或降低轉速。

 

如比速過小，可改用多段式抽水機。

 

有穴蝕現象時宜採用低轉速抽水機。

 

此外，選擇抽水機尚需注意：（一）總揚程在六公尺以下，口徑在二百公厘以上時，宜選混流或軸流抽水機，輻流抽水機在此情況下效率較低，不宜採用。

 

總揚程在三十五公尺以下，口徑在二百公厘以上時，宜選軸流抽水機為佳。

 

總揚程在三十至三十五公尺，容量大，轉速大時也可用混流抽水機。

 

倘用豎軸抽水機，總揚程可提高約百分之五十。

 

（二）總揚程在二十公尺以上或口徑在二百公厘以下時，宜選輻流抽水機，抽水量大者，單段輻流抽水機揚程可達一百公尺。

 

（三）吸升六公尺以上成口徑一千五百公厘以上時，宜用豎軸式混流或軸流抽水機。

 

（四）抽水站面積小，或橫軸抽水機吸水條件不佳，或恐有穴蝕現象或有浸水之虞時，宜選用豎軸抽水機。

 

（五）地下水位低或深井時，宜選用沈水式抽水機，或深井抽水機。

 

（六）污水抽水機尚需考慮材料之防蝕、防阻、耐磨、可抗化學品等。

 

（楊萬發）

 

引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=8544