力士霸泵業(yè)對于吸入比轉(zhuǎn)速解讀，羅列出其對離心泵性能的影響
2020-09-22 10:30:01謝小青
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吸入比轉(zhuǎn)速又稱汽蝕比轉(zhuǎn)速，是一個與離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)。離心泵的吸入性能是泵優(yōu)化設(shè)計時一個極為重要的考慮因素，吸入性能不僅直接影響到用戶的投資成本，而且對泵組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行也會帶來顯著影響。
國內(nèi)外泵設(shè)計手冊或泵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范中通常只給出了吸入比轉(zhuǎn)速的定義及計算公式，有些手冊中也給出了不同范圍內(nèi)吸入比轉(zhuǎn)速的值與泵抗汽蝕性能及效率之間的大致關(guān)系，至于其值的大小對離心泵全流量范圍內(nèi)的性能及安全可靠性的影響并未涉及。然而，在工程實踐中，吸入比轉(zhuǎn)速值的大小卻實實在在地影響到了泵的性能及安全可靠性。
為此，不少國內(nèi)外工程公司或設(shè)計院會根據(jù)UOP規(guī)范[1]或SH/T3139[2]或SH/T3140[3]等標(biāo)準(zhǔn)中對泵的吸入比轉(zhuǎn)速所規(guī)定的限值來判斷一臺泵的設(shè)計是否合理（超過上述規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中限定值的范圍時，便認(rèn)為泵設(shè)計不合理），這樣的理解及操作方式未免過于簡單。筆者認(rèn)為有必要對此進(jìn)行解讀，并就其對離心泵的性能及安全可靠性的影響進(jìn)行研究。
1.1 API610標(biāo)準(zhǔn)第11版附錄A對吸入比轉(zhuǎn)速的定義
吸入比轉(zhuǎn)速S，是在最大葉輪直徑和給定轉(zhuǎn)速下、以最佳效率點(diǎn)的流量來計算的，是一個與離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)。吸入比轉(zhuǎn)速是衡量一臺離心泵對內(nèi)部回流的敏感程度的評估尺度。公式定義如下：
式中：
n = 轉(zhuǎn)速，單位r/min；
Q = 流量，單位m 3 /s（US制：加侖/分鐘）；對于單吸葉輪，Q為總流量，對于雙吸葉輪，Q為總流量的一半；
NPSH3 = 必需汽蝕余量，單位m（ft）。
注：將用公制單位推導(dǎo)出的吸入比轉(zhuǎn)速乘以系數(shù)51.64就等于美制單位的吸入比轉(zhuǎn)速，美制單位通常用符號N ss 表示吸入比轉(zhuǎn)速。
【解讀】
公式中的Q為最大葉輪直徑、給定轉(zhuǎn)速下、最佳效率點(diǎn)的流量，當(dāng)為單吸葉輪時，Q為總流量；當(dāng)為雙吸葉輪時，Q為總流量的一半。
公式中的NPSH3為給定轉(zhuǎn)速及最佳效率點(diǎn)流量下、最大葉輪直徑所對應(yīng)的（揚(yáng)程下降3%）必需汽蝕余量。工程實踐中，對于低比轉(zhuǎn)速離心泵，相同轉(zhuǎn)速、不同葉輪直徑下所對應(yīng)的泵的必需汽蝕余量是不同的，最大葉輪直徑所對應(yīng)的必須汽蝕余量最小，而最小葉輪直徑所對應(yīng)的必須汽蝕余量最大。
公式中的吸入比轉(zhuǎn)速S或美制的Nss 均為無量綱。
1.2 EN 12723[4]對吸入比轉(zhuǎn)速的定義
德國、英國等歐洲國家對吸入比轉(zhuǎn)速nss的定義是根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 12723來確定的，吸入比轉(zhuǎn)速主要用于判定離心泵的吸入性能。吸入比轉(zhuǎn)速的標(biāo)準(zhǔn)單位是r/min，其數(shù)值可以通過下述方程式得出：
式中：
n = 泵的轉(zhuǎn)速，單位r/min；
Q opt = 最佳效率點(diǎn)的流量，單位m 3 /s；對于雙吸葉輪，Q opt 指葉輪每側(cè)的最佳效率點(diǎn)的進(jìn)口流量；
NPSH3 opt = 在最佳效率點(diǎn)流量和第一級葉輪最大直徑下，揚(yáng)程下降3%時的必需汽蝕余量，單位m。
對于美制單位，吸入比轉(zhuǎn)速用N ss 表示，與n ss 的關(guān)系為：N ss = 51.64 n ss
【解讀】
歐洲標(biāo)準(zhǔn)的吸入比轉(zhuǎn)速計算公式與API610標(biāo)準(zhǔn)相同，只是對吸入比轉(zhuǎn)速賦予了量剛，其單位是r/min。另外，特別指明：NPSH3 opt 為在最佳效率點(diǎn)流量和第一級葉輪最大直徑下，揚(yáng)程下降3%時的必需汽蝕余量。在這一點(diǎn)上，歐洲標(biāo)準(zhǔn)對吸入比轉(zhuǎn)速的定義更嚴(yán)謹(jǐn)。
另外，美國水力學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)ANSI/HI 1.3[5]對吸入比轉(zhuǎn)速的計算公式與API610標(biāo)準(zhǔn)完全相同，只是對NPHS3的定義更明確：指在最高效率點(diǎn)流量、給定轉(zhuǎn)速及最大葉輪直徑下，總揚(yáng)程（或多級泵的第一級揚(yáng)程）下降3%時的必需汽蝕余量。
上世紀(jì)50年代到80年代，由于離心泵葉輪的設(shè)計手非常有限，設(shè)計人員普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑（D1）的方法來改善其吸入性能，但是人們對增大葉輪進(jìn)口直徑可能帶來的負(fù)面影響卻不得而知。
1981年，Warren Fraser 具有里程碑意義的論文“通過加大葉輪進(jìn)口直徑所帶來的后果”成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。離心泵用戶越來越關(guān)注設(shè)計最小化工廠的一次投資成本、可靠性和整個生命周期成本的價格。然而，由于缺少大量的實際泵吸入性能的研究，因此，吸入性能與可靠性之間的關(guān)系不是很清楚。
1982年，當(dāng)Jerry hallam發(fā)布了其在Amoco Texas City煉油廠5年內(nèi)對480多臺泵的可靠性研究結(jié)果以后，這種情況發(fā)生了改變。
他發(fā)現(xiàn)：泵的可靠性與吸入比轉(zhuǎn)速（N ss ）明顯相關(guān)，特別是當(dāng)泵的吸入比轉(zhuǎn)速N ss >11000（USGPM, ft.），S>213（m 3 /s, m）【12780（m 3 /h, m）】時，出現(xiàn)故障的概率是較低的吸入比轉(zhuǎn)速的2倍。圖1顯示了吸入比轉(zhuǎn)速與故障率之間的關(guān)系。
在hallam的作品出版后的幾年中，N ss >11000（USGPM, ft.），S>213（m 3 /s, m）【12780（m 3 /h, m）】變成了石油和天然氣行業(yè)（泵選型）的一個硬性限制，不以某種規(guī)范形式而被廣泛采用，這 是非常罕見的。例如，當(dāng)一臺泵的N ss =10950（USGPM, ft.）時，被認(rèn)為是可以接受的；而當(dāng)其N ss =11050（USGPM, ft.）時，被認(rèn)為是不可接受的 [6] 。
圖1 吸入比轉(zhuǎn)速與故障頻率之間的關(guān)系
不同標(biāo)準(zhǔn)、不同公司對吸入比轉(zhuǎn)速的限值各不相同，現(xiàn)摘錄如下。由于UOP規(guī)范和SH/T3139及SH/T3140中的吸入比轉(zhuǎn)速限值已在國內(nèi)得到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，且均含公制單位（流量單位為m 3 /h, NPSH3單位為m）， 為了便于比較，下文中所涉及的吸入比轉(zhuǎn)速最終均將換算成公制單位，見深藍(lán)色字體。
3.1 UOP規(guī)范
在石化行業(yè)中，UOP規(guī)范中規(guī)定的吸入比轉(zhuǎn)速的限定值在全球得到廣泛接受和應(yīng)用，其規(guī)定如下：
泵的吸入比轉(zhuǎn)速不得高于11000 (USGPM, ft.)【13000（m 3 /h, m）】；當(dāng)泵送介質(zhì)為水或水含量超過50%的溶液，并且泵的單級葉輪功率超過100 HP (75 kW)時，吸入比轉(zhuǎn)速不得高于9500 (USGPM, ft.)【11000 （m 3 /h, m）】。對于高速整體齒輪箱驅(qū)動型泵（OH6型泵），吸入比轉(zhuǎn)速達(dá)到24000 (USGPM, ft.)是可以接受的。
3.2 SH/T3139和SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)
對于不帶誘導(dǎo)輪的泵，其吸入比轉(zhuǎn)速應(yīng)小于12780（m 3 /h, m），如果賣方有足夠數(shù)據(jù)證明其可靠性，可提供替代設(shè)計，但應(yīng)經(jīng)買方批準(zhǔn)。
3.3 KSB公司
標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計和生產(chǎn)的普通離心泵，為了改善吸入性能，其吸入比轉(zhuǎn)速的平均值通常為200 r/min(m 3 /s, m)【12000（m 3 /h, m）】 ，高值通常限定在240 r/min[7](m 3 /s, m)【14400（m 3 /h, m）】 。
3.4 SULZER公司
Sulzer公司針對不同型式的離心泵，其吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍具有一定的差異，并分別給出了低值-中間值-最高值，具體如下[8]：
軸向進(jìn)口端吸泵：190 - 230 - 270 (m 3 /s, m)【11400 - 13800 - 16200（m 3 /h, m）】
軸穿過葉輪入口的泵：
- 中等穿軸泵：170 - 200 - 240 (m 3 /s, m)【10200 - 12000 - 14400 （m 3 /h, m）】
- 單級揚(yáng)程超過500 m的多級泵：150 - 180 - 220 (m 3 /s, m) 【9000 - 10800 - 13200 （m 3 /h, m）】
帶誘導(dǎo)輪的工業(yè)泵：350 - 500 - 700 (m 3 /s, m)【21000 - 30000 - 42000（m 3 /h, m）】
3.5 ITT公司
ITT公司離心泵吸入比轉(zhuǎn)速的限值范圍[9]為5000到14000(USGPM, ft.)【5800到16270（m 3 /h, m）】；中間值為 9000(USGPM, ft.)，10460 （m 3 /h, m）。
3.6 EBARA公司
EBARA 公司石化流程泵的吸入比轉(zhuǎn)速限值范圍[10]大致如下：
1）OH2/50Hz：6000～12000（USGPM, ft），約為7000～14000（m 3 /h, m） ；
低值：～3500（USGPM, ft），～4000（m 3 /h, m） ；
高值：～13300（USGPM, ft），～15500（m 3 /h, m） ；
2）BB2/50Hz：7000～12460（USGPM, ft），約8000～14500（m 3 /h, m） 。
離心泵的吸入性能是泵優(yōu)化設(shè)計時一個極為重要的考慮因素。良好的吸入性能允許使用較細(xì)的管道、較低的液位標(biāo)高、較少的工程建設(shè)及開挖量，顯著降低一次投資成本。
4.1 吸入比轉(zhuǎn)速對離心泵效率的影響
為了改善離心泵的吸入性能，設(shè)計人員普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑（D1）的方法來實現(xiàn)。今天，這種設(shè)計方法在我國離心泵的工程應(yīng)用中卻還在一直使用。
在軸徑相同、葉輪口環(huán)處的直徑間隙（見圖2中的A、B和C、D）相同的情況下，吸入性能越好（葉輪入口面積越大，吸入比轉(zhuǎn)速越高），則葉輪口環(huán)處的間隙面積越大，這意味著泄漏量越大，從而泵的效率越低。
圖2 雙吸離心泵轉(zhuǎn)子跳動及間隙測量
4.2 吸入比轉(zhuǎn)速對離心泵可靠性的影響
自2003年開始，筆者特別關(guān)注日本EBARA技術(shù)在國內(nèi)生產(chǎn)的質(zhì)量以及用戶現(xiàn)場的實際使用情況，并對2011年前出廠的2244臺EBARA技術(shù)泵的安全可靠性信息進(jìn)行了收集、跟蹤和匯總（包括出廠試驗及用戶現(xiàn)場使用情況），其大致情況如下表1。
表1- EBARA技術(shù)離心泵可靠性情況 ▼
表1中小流量工況下振動超標(biāo)的24臺BB2型泵為兩種規(guī)格的泵（以X泵和Y泵代替），其振動測量點(diǎn)位置見圖3。
圖3 BB2型泵振動測量點(diǎn)位置示意圖
振動允許值：不超過4.5 mm/s
X泵振動測試情況見表2。
表2 ▼
為了解決X泵最小流量下振動超標(biāo)問題，對吸入口面積進(jìn)行了修正（以降低入口回流），修正后的振動測試結(jié)果見表3。
表3- X泵吸入口面積修正后最小流量工況振動測試記錄表 ▼
Y泵的振動測試情況見表4 ▼
為了解決Y泵最小流量下振動超標(biāo)問題，對吸入口面積進(jìn)行了修正（以降低入口回流），修正后的振動測試結(jié)果見表5。
表5- Y泵吸入口面積修正后振動測試記錄表 ▼
從EBARA公司及其它國際知名泵公司產(chǎn)品的實際使用情況可以看出：在泵的運(yùn)行范圍內(nèi)，可接受的振動特性與吸入比轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。對于高吸入比轉(zhuǎn)速泵，當(dāng)偏離最高效率點(diǎn)、特別是在最小流量工況下運(yùn)行時，由于內(nèi)部回流現(xiàn)象的加劇，會導(dǎo)致泵振動的明顯增大。
盡管各知名泵公司對吸入比轉(zhuǎn)速的限定值存在一定的差異，但有一點(diǎn)是相同的，即最大限定值均超出人們已廣泛接受和應(yīng)用的UOP規(guī)范、SH/T3139、SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
ITT公司技術(shù)人員曾做過“INFLUENCE OF IMPELLER SUCTION SPECIFIC SPEED ON VIBRATION PERFORMANCE”的試驗研究，并得出結(jié)論[6]：通過利用現(xiàn)代葉輪設(shè)計手段和新的泵設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，可以使離心泵穩(wěn)定運(yùn)行范圍和吸入比轉(zhuǎn)速得到實質(zhì)性的提高。
對于中低比轉(zhuǎn)速葉輪，迄今為止被大多數(shù)用戶認(rèn)可的汽蝕比轉(zhuǎn)速限定值Nss=11000(USGPM, ft.)，13000 (m 3 /h, m) ，應(yīng)該可以停止使用了。同時建議用戶考慮采用他們公司自己版本的SGsT線，作為離心泵選型的吸入比轉(zhuǎn)速限定線，如下圖4。
圖4 比轉(zhuǎn)速與吸入比轉(zhuǎn)速限制關(guān)系曲線（即SGsT線）
對于高吸入比轉(zhuǎn)速的泵，給出如下特別說明：
（1） 應(yīng)盡可能避免泵在最小連續(xù)穩(wěn)定流量工況運(yùn)行，可在泵出口增加最小再循環(huán)閥。
（2） 對于滿足多種運(yùn)行工況的泵組，建議采用變速（如可采用變頻電機(jī)、帶液力偶合器或汽輪機(jī)）驅(qū)動，通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)確保泵組始終處于高效區(qū)運(yùn)行。
（3） 當(dāng)吸入比轉(zhuǎn)速超出規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的限值范圍時，泵出廠前應(yīng)進(jìn)行全流量（從最小連續(xù)穩(wěn)定流量到最大允許流量范圍）性能及機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)試驗，以確保泵的振動在可接受的范圍之內(nèi)。
正如前文所說，為了改善離心泵的吸入性能，人們普遍通過加大葉輪進(jìn)口直徑（D1）的方法來實現(xiàn)。但是，這種方法不僅影響離心泵的運(yùn)行性能，而且還會導(dǎo)致泵振動的顯著增加。
隨著科技的發(fā)展，今天，在不加大葉輪進(jìn)口直徑的情況下，人們改善離心泵吸入性能的可選擇的手段較多，主要有：
（1） 葉輪葉片向泵入口邊適當(dāng)延伸，相當(dāng)于增加一只小的誘導(dǎo)輪。
（2） 后掠葉片，以減少其前緣的任何汽蝕。
（3） 采用扭曲葉片，不僅有利于提高泵的水力效率，同時可改善泵的吸入性能。
（4） 優(yōu)化葉輪葉片前緣輪廓（如采用拋物線前緣輪廓、減薄吸入側(cè)葉片厚度等），可有效限制葉片前緣的壓力峰值和降低對部分負(fù)荷下運(yùn)行的敏感程度。
（5） 利用現(xiàn)代計算機(jī)計算分析技術(shù)給定葉輪入口設(shè)計可優(yōu)化的條件，從而更好地控制和了解葉輪流道中流量及壓力分布情況。
在水力設(shè)計方面，西方發(fā)達(dá)國家較我國同行具有非常顯著的優(yōu)勢。例如：德國KSB公司對每臺離心泵的葉輪設(shè)計均進(jìn)行CFD模擬分析，以獲得最佳的水力及葉片上最佳的壓力分布。如圖5所示，從深紅色到深藍(lán)色體現(xiàn)了葉片上壓力分布的細(xì)微差別。
圖5 KSB公司某BB2型泵葉輪葉片壓力分布情況
正如你所看到的，葉片上的壓力分布均勻，這樣可以確保葉片不會發(fā)生汽蝕腐蝕，同時可以確保葉輪具有最佳的性能。
（6） 增加前置增壓泵。
以核電站主給水泵組為例，德國KSB公司對首臺主給水泵的葉輪將進(jìn)行氣泡試驗 – 這是德國KSB公司獨(dú)有的設(shè)計理念，以測量其汽蝕初生值NPSHi（而非NPSH3），即第一只氣泡產(chǎn)生時作為汽蝕發(fā)生的開始，并據(jù)此來選擇前置泵的揚(yáng)程，從而保證主給水泵葉輪在任何工況下運(yùn)行時均不會發(fā)生汽蝕。見圖6和圖7。
圖6 KSB公司主給水泵氣泡試驗
圖7 KSB公司主給水泵前置泵揚(yáng)程的選擇
（1） 吸入比轉(zhuǎn)速，是在最大葉輪直徑和給定轉(zhuǎn)速下、以最佳效率點(diǎn)的流量及最佳效率點(diǎn)NPSH3（最高效率點(diǎn)流量、給定轉(zhuǎn)速及最大葉輪直徑下，總揚(yáng)程或多級泵的第一級揚(yáng)程下降3%時的必需汽蝕余量）來計算的，是一個與離心泵吸入性能相關(guān)的指數(shù)。吸入比轉(zhuǎn)速是衡量一臺離心泵對內(nèi)部回流的敏感程度的評估尺度。
（2） 吸入比轉(zhuǎn)速的大小與離心泵的效率及安全可靠性密切相關(guān)。對于高吸入比轉(zhuǎn)速泵，當(dāng)偏離最高效率點(diǎn)、特別是在最小流量工況下運(yùn)行時，由于內(nèi)部回流現(xiàn)象的加劇，會導(dǎo)致泵振動的明顯增大。
（3） 盡管各知名泵公司對吸入比轉(zhuǎn)速的限定值存在一定的差異，但有一點(diǎn)是相同的，即最大限定值均超出人們已廣泛接受和應(yīng)用的UOP規(guī)范、SH/T3139、SH/T3140標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
（4） 隨著科技的發(fā)展，今天，在不加大葉輪進(jìn)口直徑的情況下，人們改善離心泵吸入性能的可選擇的手段較多。
參考文獻(xiàn)
[1] UOP 5-11-7, CENTRIFUGAL PUMPS, STANDARD SPECIFICATION, Page 2 of 9
[4] EN12723:2000, ' liquid pumps - general terms for pumps and installations - definitions, quantities, letter symbols and units'
[5] ANSI/HI 1.3-2009, American National Standard for 'Rotodynamic (Centrifugal) Pump' for Design and Application
[6] David Cowan, Thomas Liebner, Simon Bradshaw, 'INFLUENCE OF IMPELLER SUCTION SPECIFIC SPEED ON VIBRATION PERFORMANCE', Proceedings of the Twenty-Ninth International Pump Users Symposium, October 1-3, 2013, Houston, Texas
[7] Dieter - Heinz Hellmann，《離心泵大全》，清華大學(xué)出版社，P254
[8] Sulzer Pumps Ltd, 'Centrifugal Pump Handbook', Third edition, P12
[9] Seneca Falls, N.Y., 'ITT Fluid Technology', World Wide Hydraulic Design Conference, 3-May-99 through 7-May-99
[10] EBARA CORPORATION; TECHNICAL DATA - SUC. SPECIFIC SPEED TABLE
作者簡介：謝小青(1967-)，男，漢族，安徽懷寧，高級工程師，大學(xué)本科（工程碩士），電站泵（火電廠、核電站離心泵）和API離心泵的設(shè)計。
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