淺談之泵水力學(xué)的四條規(guī)則
2023-10-05 10:19:58力士霸泵業(yè)
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“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，也是許多發(fā)燒友一直在爭(zhēng)論的話(huà)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(chē)價(jià)格貴了一個(gè)數(shù)量級(jí)，但他們的車(chē)是停車(chē)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(chē)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(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)，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(lèi)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(lèi)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(huà)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?zhuān)谝粭l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(hù)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)是固定的。
系統(tǒng)曲線(xiàn)實(shí)際上決定了泵的流量，因?yàn)橄到y(tǒng)曲線(xiàn)是移動(dòng)的，改變了泵和系統(tǒng)曲線(xiàn)的交點(diǎn)。系統(tǒng)曲線(xiàn)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(xiàn)（藍(lán)色）和系統(tǒng)曲線(xiàn)（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(chēng)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(xiàn)。系統(tǒng)曲線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)至關(guān)重要。工程公司通常能很好地處理系統(tǒng)曲線(xiàn)，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(hù)和泵制造商可能不太熟悉系統(tǒng)曲線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)，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(xiàn)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(hù)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(xiàn)上增加一個(gè)裕度。必需NPSH通常也被稱(chēng)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(xiàn)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(xiàn)。
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(xiàn)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(xiàn)與系統(tǒng)曲線(xiàn)進(jìn)行比較。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(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)的形狀，系統(tǒng)流量永遠(yuǎn)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(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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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。
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