“誰(shuí)能制造最好的汽車,?”這是一個(gè)與汽車行業(yè)一樣古老的問(wèn)題,,也是許多發(fā)燒友一直在爭(zhēng)論的話題,。德國(guó)的原始設(shè)備制造商會(huì)宣揚(yáng)他們的豪華與性能,而美國(guó)的制造商會(huì)強(qiáng)調(diào)他們每個(gè)馬力的最低成本,。日本品牌會(huì)強(qiáng)調(diào),,沒(méi)有人能在可靠性和價(jià)值方面做得更好。意大利人會(huì)反駁說(shuō),,盡管他們的車價(jià)格貴了一個(gè)數(shù)量級(jí),,但他們的車是停車場(chǎng)里獨(dú)一無(wú)二的。
工程師們喜歡通過(guò)評(píng)估指標(biāo)來(lái)仔細(xì)審查設(shè)計(jì)——馬力重量比,、0-60英里/小時(shí)的時(shí)間,、每加侖英里數(shù)等等。毫無(wú)疑問(wèn),,這些是比較車輛的有用方法,。然而,一般來(lái)說(shuō),,回答這個(gè)問(wèn)題的正確方法是從頭開(kāi)始,,然后選擇汽車。換言之:“誰(shuí)能為我制造出最好的汽車,?”一輛800馬力的跑車,,內(nèi)飾精致,在賽道上表現(xiàn)非凡,,但在帶家人去機(jī)場(chǎng)時(shí)并不出色,。這與泵沒(méi)有太大區(qū)別。類似的問(wèn)題是:“什么泵適合我的系統(tǒng),?”
——Scott Shults, P.E.
那些在現(xiàn)場(chǎng)花了很多時(shí)間對(duì)泵進(jìn)行故障排除的人都知道,,很大一部分泵的可靠性問(wèn)題源于泵和系統(tǒng)的不正確匹配。在沒(méi)有適當(dāng)考慮系統(tǒng)的情況下,,選擇的泵可能在遠(yuǎn)離目標(biāo)的流量下運(yùn)行,,從而需要頻繁維修,并經(jīng)歷高振動(dòng),??紤]到這一點(diǎn),總結(jié)出離心泵水力學(xué)的以下四條規(guī)則:
規(guī)則#1:BEP和可靠性是相關(guān)聯(lián)的
泵水力學(xué)的第一條規(guī)則是,,泵通常在其最佳效率點(diǎn)(BEP)附近以最高可靠性運(yùn)行,。偏離BEP太遠(yuǎn),機(jī)械密封和軸承可能會(huì)出現(xiàn)損壞并最終失效,。如果無(wú)法在BEP下運(yùn)行,,至少將泵保持在優(yōu)先工作區(qū)(POR)內(nèi)。這是圍繞BEP的最佳點(diǎn),,在該最佳點(diǎn)內(nèi)可靠性應(yīng)保持較高,。根據(jù)水力學(xué)會(huì)的表述,,BEP的70%至120%是臥式泵的POR,但真正的安全操作窗口可能因泵型號(hào)和應(yīng)用而異,。
許多年輕的泵工程師理解在BEP附近運(yùn)行的重要性,,但沒(méi)有領(lǐng)會(huì)到密封和軸承失效的機(jī)制。盡管有很多原因,,但最常見(jiàn)的原因之一是葉輪葉片角度與低流量時(shí)可能發(fā)生的流入流體角度之間的不匹配,。如果角度不匹配的足夠大,則可能導(dǎo)致入口回流,,這容易會(huì)在葉輪入口處形成了一個(gè)強(qiáng)烈的渦流,。在這種渦流中,,流體速度增加,,因此流體靜壓降低。如果壓力下降到流體的飽和蒸汽壓以下,,就會(huì)形成空化氣泡,。當(dāng)流體通過(guò)葉輪時(shí),這些氣泡很快就會(huì)坍塌,,這一過(guò)程釋放出大量能量,,同時(shí)頻繁的發(fā)生壓力脈動(dòng)。(葉輪出口處也可能發(fā)生類似的出口回流,。入口回流可以和出口回流同時(shí)發(fā)生,,也可以單獨(dú)發(fā)生。)
機(jī)械密封和軸承既有旋轉(zhuǎn)部件,,也有固定部件,,這些部件通常是保持對(duì)齊。當(dāng)轉(zhuǎn)子因壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生劇烈振動(dòng),,進(jìn)而無(wú)法保持對(duì)齊時(shí),,通常會(huì)導(dǎo)致密封或軸承過(guò)早失效。高幅振動(dòng)也是同樣可能發(fā)生,。
此外,,當(dāng)泵遠(yuǎn)離BEP運(yùn)行時(shí),軸向和徑向推力載荷會(huì)迅速增加,。泵制造商采用了許多技術(shù)來(lái)降低推力載荷(雙蝸殼,、擴(kuò)散器、對(duì)置葉輪,、平衡鼓等),,但通常推力載荷在接近BEP時(shí)會(huì)更低,。推力是一個(gè)復(fù)雜的話題,即使不是書(shū)中的一章,,也值得另寫(xiě)一欄,,但得出的結(jié)論是,當(dāng)泵遠(yuǎn)離BEP運(yùn)行時(shí),,徑向和/或軸向推力負(fù)載可能會(huì)變得非常高,,這可能會(huì)損害密封、軸承甚至軸的壽命,。
如果沒(méi)有對(duì)無(wú)沖擊流的解釋,,第一條就不完整,即使在泵應(yīng)用工程師中,,這個(gè)術(shù)語(yǔ)也很少被理解,。BEP是最終用戶和泵工程師學(xué)習(xí)的一種簡(jiǎn)化方法,因?yàn)樗子诶斫?。然而,,就可靠性而言,可以說(shuō)更重要的是無(wú)沖擊流,,即進(jìn)入流體角度和葉輪葉片角度完美匹配的流量,。這是最不可能回流的流量。
雖然BEP是葉輪直徑的函數(shù),,但無(wú)沖擊流只是進(jìn)口幾何形狀的函數(shù),,因此不受切割的影響。現(xiàn)代泵設(shè)計(jì)的一個(gè)粗略經(jīng)驗(yàn)法則是,,無(wú)沖擊流量超過(guò)最大直徑BEP 10%,,但真正的無(wú)沖擊流量只能通過(guò)葉輪入口設(shè)計(jì)的詳細(xì)知識(shí)來(lái)確定。有時(shí),,應(yīng)用工程師會(huì)因?yàn)橹付ū锰幱诨蚪咏钚∪~輪切割而遇到麻煩,。泵可能在BEP附近運(yùn)行,但切割后的BEP與無(wú)沖擊流相距甚遠(yuǎn),,因此入口回流是不可避免的,。
規(guī)則#2:泵和系統(tǒng)曲線的相互作用決定了泵的流量
泵水力學(xué)的第二條規(guī)則是,泵在泵和系統(tǒng)曲線的交點(diǎn)處運(yùn)行,。換言之,,泵是無(wú)自主意識(shí)的設(shè)備,根據(jù)系統(tǒng)的特性進(jìn)行操作,。除非泵有某種變速控制,,否則其曲線是固定的。
系統(tǒng)曲線實(shí)際上決定了泵的流量,,因?yàn)橄到y(tǒng)曲線是移動(dòng)的,,改變了泵和系統(tǒng)曲線的交點(diǎn),。系統(tǒng)曲線可以通過(guò)了解對(duì)泵產(chǎn)生作用的系統(tǒng)部件來(lái)確定。換言之,,想想泵在與什么對(duì)抗,,以便將流量從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。通常,,泵試圖克服高度差(想象一下試圖將流體泵送到山上),、壓力差(想象一個(gè)泵將流體送入加壓容器),或兩者兼而有之,。
泵將以對(duì)應(yīng)于泵曲線(藍(lán)色)和系統(tǒng)曲線(橙色)相交處的流量運(yùn)行,。
這些術(shù)語(yǔ)不是流量的函數(shù),被稱為靜壓頭,。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),,由于摩擦,阻力自然會(huì)產(chǎn)生,,因此泵也必須克服這種摩擦,。摩擦力隨著流量的增加呈二次方增長(zhǎng),被視為動(dòng)壓頭,。
通過(guò)添加系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓頭來(lái)確定系統(tǒng)曲線,。系統(tǒng)曲線將隨著系統(tǒng)內(nèi)組件的變化而變化,。如果吸入罐壓力升高,,系統(tǒng)曲線在壓頭/流量圖上下降,泵以更高的流量運(yùn)行,。如果閥門(mén)被節(jié)流,,更多的摩擦力會(huì)被引入系統(tǒng)。系統(tǒng)曲線變得更具限制性,,向左移動(dòng)并減少泵流量,。
在選擇泵時(shí),了解系統(tǒng)曲線至關(guān)重要,。工程公司通常能很好地處理系統(tǒng)曲線,,并有助于確保泵規(guī)格中包含正確的揚(yáng)程和流量。然而,,在工廠投入使用后,,工程公司經(jīng)常被排除在外。最終用戶和泵制造商可能不太熟悉系統(tǒng)曲線,,并且可能難以理解為什么泵無(wú)法達(dá)到原先的流量,,或者如何決定在單位上升速率下需要泵的壓頭。
系統(tǒng)會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)生無(wú)意和有意的變化,。一個(gè)不經(jīng)意的變化是管道結(jié)垢,,即在管道內(nèi)部形成水垢,。管道結(jié)垢增加了給定流量的摩擦損失,這意味著系統(tǒng)曲線變得更陡,。有意的系統(tǒng)變化有很多,,可能包括增加新的損失源(例如安裝過(guò)濾器或熱交換器)或增加容器的壓力。無(wú)論系統(tǒng)變化是否有意,,它們都會(huì)影響系統(tǒng)曲線,,從而影響泵流量。
系統(tǒng)阻力的變化有時(shí)可以通過(guò)流量控制閥來(lái)抵消,。例如,,如果一個(gè)新的熱交換器由于摩擦而增加了系統(tǒng)阻力,可以通過(guò)打開(kāi)控制閥并保持系統(tǒng)流量恒定來(lái)消除一些系統(tǒng)阻力,。然而,,在某個(gè)時(shí)刻,控制閥將達(dá)到其最大打開(kāi)百分比(以及最小摩擦損失),。這意味著系統(tǒng)中其他地方阻力的增加必然會(huì)使系統(tǒng)曲線變陡并減少泵流量,。
規(guī)則#3:NPSH裕度很重要
泵水力學(xué)的第三條規(guī)則是必須保持合適的凈正吸入壓頭(NPSH)裕度。這也許是最終用戶中誤解最多的規(guī)則,。簡(jiǎn)而言之,,應(yīng)該在泵制造商提供的必需NPSH曲線上增加一個(gè)裕度。必需NPSH通常也被稱為NPSH3,,因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)生了太多的空化現(xiàn)象,,以至于第一級(jí)葉輪上有3%的壓頭下降。必需NPSH曲線以上所需的裕度取決于流體,、泵能量水平和其他因素,。在泵運(yùn)行的所有流量下,有效NPSH應(yīng)超過(guò)裕度曲線,。
具有足夠的裕度并不能消除所有氣蝕現(xiàn)象,,而是將氣蝕現(xiàn)象限制在可接受的水平,其中氣蝕現(xiàn)象對(duì)泵可靠性的影響最小,。有關(guān)建議的NPSH裕度,,請(qǐng)參閱HI 9.6.1,該裕度因行業(yè)和泵在其曲線上運(yùn)行的位置而異。
規(guī)則#4:并聯(lián)運(yùn)行影響泵和系統(tǒng)流量
這就引出了最終規(guī)則,,最好在理解前三條規(guī)則后再考慮,。泵水力學(xué)的第四條規(guī)則是,您必須了解有多少泵將并聯(lián)運(yùn)行,,以及由此對(duì)流量產(chǎn)生的影響,。規(guī)則4建立在規(guī)則2的基礎(chǔ)上。當(dāng)泵并聯(lián)運(yùn)行時(shí),,將這些泵的組合性能曲線與系統(tǒng)曲線進(jìn)行比較,。組合泵曲線是通過(guò)將所有壓頭處的每個(gè)泵曲線的流量相加而確定的。例如,,想象一條曲線以600 gpm的流量到達(dá)35 ft的揚(yáng)程,。如果兩個(gè)這樣的泵并聯(lián)運(yùn)行,組合性能曲線將在1200 gpm流量時(shí)達(dá)到35英尺的揚(yáng)程,。
如果系統(tǒng)曲線是固定的,,只需打開(kāi)和關(guān)閉泵就可以改變系統(tǒng)流量。運(yùn)行的泵越多,,進(jìn)入系統(tǒng)的總流量就越高,,但每個(gè)泵的流量就越低。(請(qǐng)注意,,并聯(lián)開(kāi)啟第二個(gè)相同的泵會(huì)增加系統(tǒng)流量,,但由于系統(tǒng)曲線的形狀,系統(tǒng)流量永遠(yuǎn)不會(huì)翻倍,。)如果用戶同時(shí)操作過(guò)多的泵,,所有的泵都可能遠(yuǎn)離BEP和無(wú)沖擊流量,并且可能會(huì)出現(xiàn)可靠性問(wèn)題,。
這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常出現(xiàn)在冷卻水系統(tǒng)中,。通常需要更多的冷卻水,,而更多的泵意味著更多的流量,。操作可能會(huì)通過(guò)打開(kāi)所有泵來(lái)最大限度地提高流量,在不知不覺(jué)中導(dǎo)致所有泵都在曲線上運(yùn)行,,并經(jīng)歷入口回流/氣蝕,、高幅振動(dòng)以及密封和軸承故障。
思考
幾年前,,有一家發(fā)電廠的大型鍋爐給水泵存在可靠性問(wèn)題,。平均維修間隔時(shí)間(MTBR)非常糟糕,因?yàn)橥屏S承每年都會(huì)發(fā)生多次故障,。幾名水泵工程師被召集到工廠,,試圖結(jié)束這場(chǎng)惡夢(mèng)。
通過(guò)規(guī)則#1,、#2和#4,,對(duì)工廠的運(yùn)行方式以及泵在曲線上的運(yùn)行位置進(jìn)行了深入研究,。事實(shí)證明,無(wú)論系統(tǒng)需求和系統(tǒng)曲線如何,,兩臺(tái)泵都能100%運(yùn)行,。此外,最小流量系統(tǒng)(旨在防止非常低的流量操作)沒(méi)有正常工作,。這些2500馬力的泵通常以25%的BEP運(yùn)行,,有時(shí)甚至以更低的流量運(yùn)行。
在進(jìn)行分析之前,,工廠經(jīng)理并不知道,,無(wú)論系統(tǒng)需求如何,兩臺(tái)泵始終在運(yùn)行,。盡管啟動(dòng)和停止高能高溫泵有風(fēng)險(xiǎn),,但始終運(yùn)行所有泵的做法是非常有害的,并立即被工廠經(jīng)理叫停,。最小流量系統(tǒng)已固定,。幾乎在一夜之間,泵的可靠性和MTBR顯著提高,。因此,,掌握好上述四條規(guī)則將大大有助于選擇合適的泵。