淺談之泵水力學的四條規(guī)則
2023-10-05 10:19:58力士霸泵業(yè)
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“誰能制造最好的汽車,？”這是一個與汽車行業(yè)一樣古老的問題,，也是許多發(fā)燒友一直在爭論的話題。德國的原始設備制造商會宣揚他們的豪華與性能,，而美國的制造商會強調(diào)他們每個馬力的最低成本,。日本品牌會強調(diào)，沒有人能在可靠性和價值方面做得更好,。意大利人會反駁說,，盡管他們的車價格貴了一個數(shù)量級，但他們的車是停車場里獨一無二的,。
工程師們喜歡通過評估指標來仔細審查設計——馬力重量比,、0-60英里/小時的時間、每加侖英里數(shù)等等,。毫無疑問,，這些是比較車輛的有用方法。然而,，一般來說，回答這個問題的正確方法是從頭開始,，然后選擇汽車,。換言之：“誰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,，但在帶家人去機場時并不出色。這與泵沒有太大區(qū)別,。類似的問題是：“什么泵適合我的系統(tǒng),？”
——Scott Shults, P.E.
那些在現(xiàn)場花了很多時間對泵進行故障排除的人都知道，很大一部分泵的可靠性問題源于泵和系統(tǒng)的不正確匹配,。在沒有適當考慮系統(tǒng)的情況下,，選擇的泵可能在遠離目標的流量下運行，從而需要頻繁維修,，并經(jīng)歷高振動,。考慮到這一點,，總結(jié)出離心泵水力學的以下四條規(guī)則：
規(guī)則#1：BEP和可靠性是相關(guān)聯(lián)的
泵水力學的第一條規(guī)則是,，泵通常在其最佳效率點（BEP）附近以最高可靠性運行。偏離BEP太遠,，機械密封和軸承可能會出現(xiàn)損壞并最終失效,。如果無法在BEP下運行，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,，在該最佳點內(nèi)可靠性應保持較高。根據(jù)水力學會的表述,，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和應用而異。
許多年輕的泵工程師理解在BEP附近運行的重要性,，但沒有領(lǐng)會到密封和軸承失效的機制,。盡管有很多原因，但最常見的原因之一是葉輪葉片角度與低流量時可能發(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,，則可能導致入口回流，這容易會在葉輪入口處形成了一個強烈的渦流,。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,，就會形成空化氣泡,。當流體通過葉輪時，這些氣泡很快就會坍塌,，這一過程釋放出大量能量,，同時頻繁的發(fā)生壓力脈動。（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發(fā)生,，也可以單獨發(fā)生。）
機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齊。當轉(zhuǎn)子因壓力脈動而產(chǎn)生劇烈振動,，進而無法保持對齊時,，通常會導致密封或軸承過早失效。高幅振動也是同樣可能發(fā)生,。
此外,，當泵遠離BEP運行時，軸向和徑向推力載荷會迅速增加,。泵制造商采用了許多技術(shù)來降低推力載荷（雙蝸殼,、擴散器、對置葉輪,、平衡鼓等）,，但通常推力載荷在接近BEP時會更低。推力是一個復雜的話題,，即使不是書中的一章,，也值得另寫一欄，但得出的結(jié)論是,，當泵遠離BEP運行時,，徑向和/或軸向推力負載可能會變得非常高，這可能會損害密封,、軸承甚至軸的壽命,。
如果沒有對無沖擊流的解釋，第一條就不完整,，即使在泵應用工程師中,，這個術(shù)語也很少被理解。BEP是最終用戶和泵工程師學習的一種簡化方法,，因為它易于理解,。然而，就可靠性而言，可以說更重要的是無沖擊流,，即進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),，但無沖擊流只是進口幾何形狀的函數(shù)，因此不受切割的影響?，F(xiàn)代泵設計的一個粗略經(jīng)驗法則是,，無沖擊流量超過最大直徑BEP 10%，但真正的無沖擊流量只能通過葉輪入口設計的詳細知識來確定,。有時,，應用工程師會因為指定泵處于或接近最小葉輪切割而遇到麻煩。泵可能在BEP附近運行,，但切割后的BEP與無沖擊流相距甚遠,，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
泵水力學的第二條規(guī)則是,，泵在泵和系統(tǒng)曲線的交點處運行,。換言之，泵是無自主意識的設備,，根據(jù)系統(tǒng)的特性進行操作,。除非泵有某種變速控制，否則其曲線是固定的,。
系統(tǒng)曲線實際上決定了泵的流量,，因為系統(tǒng)曲線是移動的，改變了泵和系統(tǒng)曲線的交點,。系統(tǒng)曲線可以通過了解對泵產(chǎn)生作用的系統(tǒng)部件來確定,。換言之，想想泵在與什么對抗,，以便將流量從一個點移動到另一個點,。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（想象一個泵將流體送入加壓容器）,，或兩者兼而有之。
泵將以對應于泵曲線（藍色）和系統(tǒng)曲線（橙色）相交處的流量運行,。
這些術(shù)語不是流量的函數(shù),，被稱為靜壓頭。當流體流動時,，由于摩擦,，阻力自然會產(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,，被視為動壓頭,。
通過添加系統(tǒng)靜態(tài)和動態(tài)壓頭來確定系統(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，泵以更高的流量運行,。如果閥門被節(jié)流,，更多的摩擦力會被引入系統(tǒng)。系統(tǒng)曲線變得更具限制性,，向左移動并減少泵流量,。
在選擇泵時，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法達到原先的流量,，或者如何決定在單位上升速率下需要泵的壓頭。
系統(tǒng)會隨著時間的推移而發(fā)生無意和有意的變化,。一個不經(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（例如安裝過濾器或熱交換器）或增加容器的壓力,。無論系統(tǒng)變化是否有意,，它們都會影響系統(tǒng)曲線，從而影響泵流量,。
系統(tǒng)阻力的變化有時可以通過流量控制閥來抵消,。例如，如果一個新的熱交換器由于摩擦而增加了系統(tǒng)阻力,，可以通過打開控制閥并保持系統(tǒng)流量恒定來消除一些系統(tǒng)阻力,。然而，在某個時刻,，控制閥將達到其最大打開百分比（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,。簡而言之,，應該在泵制造商提供的必需NPSH曲線上增加一個裕度。必需NPSH通常也被稱為NPSH3,，因為已經(jīng)發(fā)生了太多的空化現(xiàn)象,，以至于第一級葉輪上有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,。在泵運行的所有流量下，有效NPSH應超過裕度曲線,。
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)象對泵可靠性的影響最小,。有關(guān)建議的NPSH裕度，請參閱HI 9.6.1,，該裕度因行業(yè)和泵在其曲線上運行的位置而異,。
規(guī)則#4：并聯(lián)運行影響泵和系統(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,。泵水力學的第四條規(guī)則是,，您必須了解有多少泵將并聯(lián)運行，以及由此對流量產(chǎn)生的影響,。規(guī)則4建立在規(guī)則2的基礎(chǔ)上,。當泵并聯(lián)運行時，將這些泵的組合性能曲線與系統(tǒng)曲線進行比較,。組合泵曲線是通過將所有壓頭處的每個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35 ft的揚程,。如果兩個這樣的泵并聯(lián)運行,，組合性能曲線將在1200 gpm流量時達到35英尺的揚程。
如果系統(tǒng)曲線是固定的,，只需打開和關(guān)閉泵就可以改變系統(tǒng)流量,。運行的泵越多，進入系統(tǒng)的總流量就越高，但每個泵的流量就越低,。（請注意,，并聯(lián)開啟第二個相同的泵會增加系統(tǒng)流量，但由于系統(tǒng)曲線的形狀,，系統(tǒng)流量永遠不會翻倍,。）如果用戶同時操作過多的泵，所有的泵都可能遠離BEP和無沖擊流量,，并且可能會出現(xiàn)可靠性問題,。
這個問題經(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,。操作可能會通過打開所有泵來最大限度地提高流量，在不知不覺中導致所有泵都在曲線上運行,，并經(jīng)歷入口回流/氣蝕,、高幅振動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題,。平均維修間隔時間（MTBR）非常糟糕，因為推力軸承每年都會發(fā)生多次故障,。幾名水泵工程師被召集到工廠,，試圖結(jié)束這場惡夢。
通過規(guī)則#1,、#2和#4,，對工廠的運行方式以及泵在曲線上的運行位置進行了深入研究。事實證明,，無論系統(tǒng)需求和系統(tǒng)曲線如何,，兩臺泵都能100%運行。此外,，最小流量系統(tǒng)（旨在防止非常低的流量操作）沒有正常工作,。這些2500馬力的泵通常以25%的BEP運行，有時甚至以更低的流量運行,。
在進行分析之前,，工廠經(jīng)理并不知道，無論系統(tǒng)需求如何,，兩臺泵始終在運行,。盡管啟動和停止高能高溫泵有風險，但始終運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。
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