泵水力學(xué)的四條規則：泵與系統的相互作用如何影響泵的可靠性和系統流量

“誰(shuí)能制造最好的汽車(chē)？”這是一個(gè)與汽車(chē)行業(yè)一樣古老的問(wèn)題鲁驶，也是許多發(fā)燒友一直在爭論的話(huà)題瘾英。德國的原始設備制造商會(huì )宣揚他們的豪華與性能既绩，而美國的制造商會(huì )強調他們每個(gè)馬力的最低成本吠谐。日本品牌會(huì )強調，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(chē)價(jià)格貴了一個(gè)數量級斥嫩，但他們的車(chē)是停車(chē)場(chǎng)里獨一無(wú)二的。

工程師們喜歡通過(guò)評估指標來(lái)仔細審查設計——馬力重量比、0-60英里/小時(shí)的時(shí)間丑勤、每加侖英里數等等。毫無(wú)疑問(wèn)，這些是比較車(chē)輛的有用方法。然而，一般來(lái)說(shuō)涡拾，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(chē)。換言之：“誰(shuí)能為我制造出最好的汽車(chē)？”一輛800馬力的跑車(chē)镊僚，內飾精致，在賽道上表現非凡，但在帶家人去機場(chǎng)時(shí)并不出色。這與泵沒(méi)有太大區別。類(lèi)似的問(wèn)題是：“什么泵適合我的系統？”

——Scott Shults, P.E.

那些在現場(chǎng)花了很多時(shí)間對泵進(jìn)行故障排除的人都知道，很大一部分泵的可靠性問(wèn)題源于泵和系統的不正確匹配。在沒(méi)有適當考慮系統的情況下，選擇的泵可能在遠離目標的流量下運行径楼，從而需要頻繁維修，并經(jīng)歷高振動(dòng)⊙稣酰考慮到這一點(diǎn)，總結出離心泵水力學(xué)的以下四條規則：

規則#1：BEP和可靠性是相關(guān)聯(lián)的

泵水力學(xué)的第一條規則是拒贱，泵通常在其最佳效率點(diǎn)（BEP）附近以最高可靠性運行。偏離BEP太遠撮慨，機械密封和軸承可能會(huì )出現損壞并最終失效。如果無(wú)法在BEP下運行细砚，至少將泵保持在優(yōu)先工作區（POR）內。這是圍繞BEP的最佳點(diǎn)，在該最佳點(diǎn)內可靠性應保持較高雅即。根據水力學(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附近運行的重要性托祖，但沒(méi)有領(lǐng)會(huì )到密封和軸承失效的機制掏缎。盡管有很多原因溜信，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刊棕。如果角度不匹配的足夠大，則可能導致入口回流，這容易會(huì )在葉輪入口處形成了一個(gè)強烈的渦流诬劣。在這種渦流中这郭，流體速度增加呐猴，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 )形成空化氣泡仍腮。當流體通過(guò)葉輪時(shí)茅阻，這些氣泡很快就會(huì )坍塌球订，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(lèi)似的出口回流。入口回流可以和出口回流同時(shí)發(fā)生麻削，也可以單獨發(fā)生桅哪。）

機械密封和軸承既有旋轉部件，也有固定部件，這些部件通常是保持對齊。當轉子因壓力脈動(dòng)而產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，進(jìn)而無(wú)法保持對齊時(shí)腺静，通常會(huì )導致密封或軸承過(guò)早失效狈魂。高幅振動(dòng)也是同樣可能發(fā)生政供。

此外，當泵遠離BEP運行時(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（雙蝸殼木贺、擴散器裕寨、對置葉輪、平衡鼓等）锨间，但通常推力載荷在接近BEP時(shí)會(huì )更低碍蚊。推力是一個(gè)復雜的話(huà)題，即使不是書(shū)中的一章邑彪，也值得另寫(xiě)一欄，但得出的結論是牡刚，當泵遠離BEP運行時(shí)瓢喉，徑向和/或軸向推力負載可能會(huì )變得非常高，這可能會(huì )損害密封泄伪、軸承甚至軸的壽命。

如果沒(méi)有對無(wú)沖擊流的解釋?zhuān)谝粭l就不完整峰档，即使在泵應用工程師中，這個(gè)術(shù)語(yǔ)也很少被理解质瘸。BEP是最終用戶(hù)和泵工程師學(xué)習的一種簡(jiǎn)化方法，因為它易于理解律适。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种鳖。這是最不可能回流的流量。

雖然BEP是葉輪直徑的函數，但無(wú)沖擊流只是進(jìn)口幾何形狀的函數份墙，因此不受切割的影響。現代泵設計的一個(gè)粗略經(jīng)驗法則是偏塞，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)葉輪入口設計的詳細知識來(lái)確定客情。有時(shí)，應用工程師會(huì )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(wú)沖擊流相距甚遠，因此入口回流是不可避免的兰之。

規則#2：泵和系統曲線(xiàn)的相互作用決定了泵的流量

泵水力學(xué)的第二條規則是鬓醒，泵在泵和系統曲線(xiàn)的交點(diǎn)處運行。換言之，泵是無(wú)自主意識的設備，根據系統的特性進(jìn)行操作。除非泵有某種變速控制，否則其曲線(xiàn)是固定的潘吸。

系統曲線(xiàn)實(shí)際上決定了泵的流量，因為系統曲線(xiàn)是移動(dòng)的，改變了泵和系統曲線(xiàn)的交點(diǎn)。系統曲線(xiàn)可以通過(guò)了解對泵產(chǎn)生作用的系統部件來(lái)確定。換言之，想想泵在與什么對抗，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）鲁僚、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。

泵將以對應于泵曲線(xiàn)（藍色）和系統曲線(xiàn)（橙色）相交處的流量運行。

這些術(shù)語(yǔ)不是流量的函數，被稱(chēng)為靜壓頭聋芹。當流體流動(dòng)時(shí)赚毫，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(zhù)流量的增加呈二次方增長(cháng)，被視為動(dòng)壓頭良狈。

通過(guò)添加系統靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓頭來(lái)確定系統曲線(xiàn)枪蘑。系統曲線(xiàn)將隨著(zhù)系統內組件的變化而變化。如果吸入罐壓力升高，系統曲線(xiàn)在壓頭/流量圖上下降，泵以更高的流量運行擅锁。如果閥門(mén)被節流，更多的摩擦力會(huì )被引入系統。系統曲線(xiàn)變得更具限制性，向左移動(dòng)并減少泵流量序苏。

在選擇泵時(shí)，了解系統曲線(xiàn)至關(guān)重要。工程公司通常能很好地處理系統曲線(xiàn)，并有助于確保泵規格中包含正確的揚程和流量。然而，在工廠(chǎng)投入使用后浴魏，工程公司經(jīng)常被排除在外。最終用戶(hù)和泵制造商可能不太熟悉系統曲線(xiàn)，并且可能難以理解為什么泵無(wú)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企著。

系統會(huì )隨著(zhù)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)意的變化是管道結垢，即在管道內部形成水垢。管道結垢增加了給定流量的摩擦損失，這意味著(zhù)系統曲線(xiàn)變得更陡。有意的系統變化有很多，可能包括增加新的損失源（例如安裝過(guò)濾器或熱交換器）或增加容器的壓力赢瘦。無(wú)論系統變化是否有意，它們都會(huì )影響系統曲線(xiàn)，從而影響泵流量。

系統阻力的變化有時(shí)可以通過(guò)流量控制閥來(lái)抵消。例如只沈，如果一個(gè)新的熱交換器由于摩擦而增加了系統阻力沽贸，可以通過(guò)打開(kāi)控制閥并保持系統流量恒定來(lái)消除一些系統阻力。然而媳纬，在某個(gè)時(shí)刻，控制閥將達到其最大打開(kāi)百分比（以及最小摩擦損失）。這意味著(zhù)系統中其他地方阻力的增加必然會(huì )使系統曲線(xiàn)變陡并減少泵流量。

規則#3：NPSH裕度很重要

泵水力學(xué)的第三條規則是必須保持合適的凈正吸入壓頭（NPSH）裕度娃未。這也許是最終用戶(hù)中誤解最多的規則。簡(jiǎn)而言之，應該在泵制造商提供的必需NPSH曲線(xiàn)上增加一個(gè)裕度。必需NPSH通常也被稱(chēng)為NPSH3鸠页，因為已經(jīng)發(fā)生了太多的空化現象，以至于第一級葉輪上有3%的壓頭下降。必需NPSH曲線(xiàn)以上所需的裕度取決于流體鸵重、泵能量水平和其他因素。在泵運行的所有流量下握寥，有效NPSH應超過(guò)裕度曲線(xiàn)。

具有足夠的裕度并不能消除所有氣蝕現象，而是將氣蝕現象限制在可接受的水平，其中氣蝕現象對泵可靠性的影響最小彪昼。有關(guān)建議的NPSH裕度屿良，請參閱HI 9.6.1代郊，該裕度因行業(yè)和泵在其曲線(xiàn)上運行的位置而異。

規則#4：并聯(lián)運行影響泵和系統流量

這就引出了最終規則，最好在理解前三條規則后再考慮。泵水力學(xué)的第四條規則是轴座，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。規則4建立在規則2的基礎上。當泵并聯(lián)運行時(shí)，將這些泵的組合性能曲線(xiàn)與系統曲線(xiàn)進(jìn)行比較丐崎。組合泵曲線(xiàn)是通過(guò)將所有壓頭處的每個(gè)泵曲線(xiàn)的流量相加而確定的。例如，想象一條曲線(xiàn)以600 gpm的流量到達35 ft的揚程。如果兩個(gè)這樣的泵并聯(lián)運行媳叨，組合性能曲線(xiàn)將在1200 gpm流量時(shí)達到35英尺的揚程规阀。

如果系統曲線(xiàn)是固定的，只需打開(kāi)和關(guān)閉泵就可以改變系統流量限牢。運行的泵越多，進(jìn)入系統的總流量就越高肖抱，但每個(gè)泵的流量就越低。（請注意较鼓，并聯(lián)開(kāi)啟第二個(gè)相同的泵會(huì )增加系統流量听量，但由于系統曲線(xiàn)的形狀，系統流量永遠不會(huì )翻倍。）如果用戶(hù)同時(shí)操作過(guò)多的泵，所有的泵都可能遠離BEP和無(wú)沖擊流量浅妆，并且可能會(huì )出現可靠性問(wèn)題。

這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常出現在冷卻水系統中京郑。通常需要更多的冷卻水，而更多的泵意味著(zhù)更多的流量里初。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)中導致所有泵都在曲線(xiàn)上運行维杰，并經(jīng)歷入口回流/氣蝕、高幅振動(dòng)以及密封和軸承故障捌剂。

思考

幾年前，有一家發(fā)電廠(chǎng)的大型鍋爐給水泵存在可靠性問(wèn)題膛锭。平均維修間隔時(shí)間（MTBR）非常糟糕，因為推力軸承每年都會(huì )發(fā)生多次故障。幾名水泵工程師被召集到工廠(chǎng)犹葵，試圖結束這場(chǎng)惡夢(mèng)。

通過(guò)規則#1、#2和#4，對工廠(chǎng)的運行方式以及泵在曲線(xiàn)上的運行位置進(jìn)行了深入研究。事實(shí)證明，無(wú)論系統需求和系統曲線(xiàn)如何啼调，兩臺泵都能100%運行。此外，最小流量系統（旨在防止非常低的流量操作）沒(méi)有正常工作霹早。這些2500馬力的泵通常以25%的BEP運行，有時(shí)甚至以更低的流量運行。

在進(jìn)行分析之前，工廠(chǎng)經(jīng)理并不知道，無(wú)論系統需求如何拟淮，兩臺泵始終在運行贝专。盡管啟動(dòng)和停止高能高溫泵有風(fēng)險，但始終運行所有泵的做法是非常有害的，并立即被工廠(chǎng)經(jīng)理叫停。最小流量系統已固定账磺。幾乎在一夜之間限空，泵的可靠性和MTBR顯著(zhù)提高赔矮。因此跟坷，掌握好上述四條規則將大大有助于選擇合適的泵送葡。

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