淺談之泵水力學的四條規則
2023-10-05 10:19:58力士霸泵業
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“誰能制造最好的汽車？”這是一個與汽車行業一樣古老的問題，也是許多發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他們每個馬力的最低成本。日本品牌會強調，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，內飾精致，在賽道上表現非凡，但在帶家人去機場時并不出色。這與泵沒有太大區別。類似的問題是：“什么泵適合我的系統？”
——Scott Shults, P.E.
那些在現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的不正確匹配。在沒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，從而需要頻繁維修，并經歷高振動。考慮到這一點，總結出離心泵水力學的以下四條規則：
規則#1：BEP和可靠性是相關聯的
泵水力學的第一條規則是，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損壞并最終失效。如果無法在BEP下運行，至少將泵保持在優先工作區（POR）內。這是圍繞BEP的最佳點，在該最佳點內可靠性應保持較高。根據水力學會的表述，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，同時頻繁的發生壓力脈動。（葉輪出口處也可能發生類似的出口回流。入口回流可以和出口回流同時發生，也可以單獨發生。）
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。當轉子因壓力脈動而產生劇烈振動，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，但無沖擊流只是進口幾何形狀的函數，因此不受切割的影響。現代泵設計的一個粗略經驗法則是，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。
規則#2：泵和系統曲線的相互作用決定了泵的流量
泵水力學的第二條規則是，泵在泵和系統曲線的交點處運行。換言之，泵是無自主意識的設備，根據系統的特性進行操作。除非泵有某種變速控制，否則其曲線是固定的。
系統曲線實際上決定了泵的流量，因為系統曲線是移動的，改變了泵和系統曲線的交點。系統曲線可以通過了解對泵產生作用的系統部件來確定。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）和系統曲線（橙色）相交處的流量運行。
這些術語不是流量的函數，被稱為靜壓頭。當流體流動時，由于摩擦，阻力自然會產生，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。
通過添加系統靜態和動態壓頭來確定系統曲線。系統曲線將隨著系統內組件的變化而變化。如果吸入罐壓力升高，系統曲線在壓頭/流量圖上下降，泵以更高的流量運行。如果閥門被節流，更多的摩擦力會被引入系統。系統曲線變得更具限制性，向左移動并減少泵流量。
在選擇泵時，了解系統曲線至關重要。工程公司通常能很好地處理系統曲線，并有助于確保泵規格中包含正確的揚程和流量。然而，在工廠投入使用后，工程公司經常被排除在外。最終用戶和泵制造商可能不太熟悉系統曲線，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。
系統會隨著時間的推移而發生無意和有意的變化。一個不經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，這意味著系統曲線變得更陡。有意的系統變化有很多，可能包括增加新的損失源（例如安裝過濾器或熱交換器）或增加容器的壓力。無論系統變化是否有意，它們都會影響系統曲線，從而影響泵流量。
系統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阻力，可以通過打開控制閥并保持系統流量恒定來消除一些系統阻力。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）。這意味著系統中其他地方阻力的增加必然會使系統曲線變陡并減少泵流量。
規則#3：NPSH裕度很重要
泵水力學的第三條規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，因為已經發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。有關建議的NPSH裕度，請參閱HI 9.6.1，該裕度因行業和泵在其曲線上運行的位置而異。
規則#4：并聯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。泵水力學的第四條規則是，您必須了解有多少泵將并聯運行，以及由此對流量產生的影響。規則4建立在規則2的基礎上。當泵并聯運行時，將這些泵的組合性能曲線與系統曲線進行比較。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。
如果系統曲線是固定的，只需打開和關閉泵就可以改變系統流量。運行的泵越多，進入系統的總流量就越高，但每個泵的流量就越低。（請注意，并聯開啟第二個相同的泵會增加系統流量，但由于系統曲線的形狀，系統流量永遠不會翻倍。）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，并且可能會出現可靠性問題。
這個問題經常出現在冷卻水系統中。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生多次故障。幾名水泵工程師被召集到工廠，試圖結束這場惡夢。
通過規則#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，無論系統需求和系統曲線如何，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，工廠經理并不知道，無論系統需求如何，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，并立即被工廠經理叫停。最小流量系統已固定。幾乎在一夜之間，泵的可靠性和MTBR顯著提高。因此，掌握好上述四條規則將大大有助于選擇合適的泵。
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