周全相识离心泵吸入比转速

2024-05-14 14:05

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吸入比转速又称汽蚀比转速，是一个与离心泵吸进性能相关的数据，是叶轮入口处几何尺寸、空间安排和叶片角度的可视化数据表达式，是叶轮设计中的一个数据或工具。它是一个无量纲数据，形貌了转速、流量和旋转叶轮所需的必需汽蚀余量（NPSHR）之间的关系。

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吸入比转速的看法最早泛起于20世纪30年月后期，到了 20世纪70年月末80年月初，己成为西方蓬勃国家用来展望离心泵运行可靠性的一种常用的工具。直到进入本世纪后，吸入比转速的看法才逐渐在我国石化泵项目招标中泛起，但真正明确其寄义的人却未几。许多人过失地将一些规范、标准中划定的吸入比转速的限值以为是绝对不允许跨越的，一旦凌驾限值规模便以为泵的设计不对理。这样的明确及操作方法未免过于简朴。笔者一经写过一篇文章《吸入比转速解

读及其对离心泵性能的影响》⑴，从吸入比转速的界说及其限值着手，网络汇总了差别的泵标准、规范及差别的国际型泵公司对离心泵吸入比转速限值的划定，并在总结笔者十几年API泵工程实践履历的基础上重点研究了吸入比转速对离心泵性能及可靠性的影响。文章引起了部分偕行的关注和讨论，并且不少读者以为限值是一条不可逾越的“红线”。为此，笔者以为有须要对吸入比转速举行更详实周全的解读，仅与偕行们分享。

吸入比转速的界说

API610标准第11版⑵附录A对吸入比转速的界说吸入比转速S,是在**叶轮直径和给定转速下、以**效率点（BEP）的流量来盘算的，是一个与离心泵吸入性能相关的指数。吸入比转速是权衡一台离心泵对内部回流的敏感水平的评估标准。公式界说如下：

式中：

n=转速，单位r/min；Qbep =**效率点流量，单位lm?/s（US制：加仑/分钟）；关于单吸叶轮,Qbep为总流量，关于双吸叶轮，Qbep为总流量的一半；

NPSH3 =给定转速及**效率点流量、(**级)叶轮**直径下，扬程下降3%时的必需汽蚀余量，单位m(ft) 。注：将用公制单位推导出的吸入比转速乘以系数51.64就即是美制单位的吸入比转速,美制单位通常用符号Nss体现吸入比转速。

吸入比转速限值的泉源

早在20世纪70年月，新工厂和炼油厂的设计就越来越严酷地要求节约资金，特殊是在初期建设和质料本钱方面。作为消减本钱的主要步伐之一，即是尽可能降低系统的装置汽蚀余量NPSHA.系统拥有者或购置者随后对泵制造商施加了越来越大的压力，要求他们设计具有较低NPSHR的泵。关于泵制造商来说，最简朴、快捷的解决计划是加大叶轮入口尺寸。这种要领虽然可以显着改善泵的吸入性能（降低NPSHR）,但却带来了一个意外的效果，纵然事情点偏离**效率点不太远，泵的水力稳固性也会显著降低。吸入比转速的看法是由Igor Karassik和两位同事于20世纪30年月后期提出的。到了 20世纪70年月末80年月初，吸入比转速己经成为一神常用的工具，用于展望泵运行历程中的水力不稳固区间。

1979 年,Jerry hallam 是 Amoco Texas City炼油厂的机械工程师。该炼油厂其时正履历着严重的泵水力不稳固和继发性火灾的问题�；鹪种饕腔得芊夂椭岢泄收弦鸬男Ч阒卫聿阍鸪蒍eny hallam确定基础缘故原由。他和他的同事梳理了 5年来的运行和维护纪录，并举行了性能测试，以网络有关235台泵的数据，并寻找趋势和潜在的缘故原由。他们关于其中的一个参数-每台泵的吸入比转速

举行了盘算和分类，数据批注，吸入比转速数值越高，泵泛起问题的可能性就越大。

研究小组与一些行业专家和高级治理职员分享了研究效果。随后，Jeny hallam和他的团队被说服将研究规模从235台扩大到480台，并举行了更彻底的调査，研究了每台泵在其曲线上的运行情形以及与BEP的靠近水平。研究发明：吸入比转速数值较高时，叶轮入口尺寸要比相同外径但吸入比转速较低的叶轮的入口尺寸大得多。当泵在其曲线BEP左侧运行时，叶轮中的流动最先泛起回流，从而爆发流动疏散(脱流)和更高的流速、降低局部压力。若是液体的局部压力降到蒸汽压力之下，就会导致汽蚀，并陪同着噪音和振动的显著增添。1982 年，Jeny hallam 宣布了其在 AmocoTexas City炼油厂对480多台泵的可靠性研究效果：泵的可靠性与吸入比转速显着相关，特殊是当泵的吸入比转速凌驾11000

(USGPM, ft.) [13000 (m3/h,m)】时，泛起故障的概率是较低的吸入比转速的2倍。在Jerry hallam的研究效果宣布后的几年中，吸入比转速<11000(USGPM, ft.) [ 13000(m3/h, m)]酿成了石油和自然气行业(泵选型)的一个硬性限制，并以某种规范形式而被普遍釆用，这是很是有数的。例如，当一台泵的吸入比转速=10950(USGPM, ft)时,被以为是可以接受的；而当其吸入比转速=11050 (USGPM, ft.)时，则被以为是不可接受的。

吸入比转速与泵可靠性及性能之间关系

3.1吸入比转速与离心泵可靠性之间的关系除了少少数破例，现实工程应用中，险些没有一台离心泵始终处于BEP运行。在一些工厂/系统中的流量需求会爆发转变，操作职员通常通过出口阀门来调理泵的流量。若是流量低于一定值，就会在叶轮入口处泛起再循环（回流），较大的叶轮入口（低NPSHR,高吸入比转速）和较高的入口圆周速率会爆发较高能量的再循环。随着泵流量的进一步减小，循环强度增添，进而会引起汽蚀、噪音和流体脉动。再循环最先时的流量随着叶

轮入口直径的增添而增添。吸入比转速与泵的可靠性亲近相关。关于高吸入比转速泵，若是在偏离BEP的低流量区域内频仍运行，常�；嵋鹂煽啃晕侍�。若是吸入比转速高于8500至9000 (USGPM,ft.)【约 10000 至 10500 (m3/h,m)】,泵的可靠性会最先呈指数下降团，振动和噪音显著增添。关于正常设计的泵，吸入比转速的值从6000 至 12000( USGPM, ft.)［约 7000 至 14000(m3/h, m)］不等，在包括诱导轮在内的特殊设计中，可以获得更高的值。Jerry hallam的研究效果批注：当泵的吸入比转速凌驾11000 (USGPM, ft.) ［13000 (m3/h, m)】时，泛起故障的概率是较低的吸入比转速的2倍。而美国水力学会HI将8500(USGPM, ft)【约10000 (m3/h, m)］的吸入比转速作为典范的指导值。

3.2吸入比转速与泵性能之间的关系为了改善离心泵的吸入性能，设计职员普遍通过加大叶轮入口直径（D1）的要领来实现。今天，这种设计要领在我国离心泵的工程设计中却还在一直使用。在轴径相同、叶轮口环处的直径间隙相同的情形下，吸入性能越好（叶轮入口面积越大，吸入比转速值越高），则叶轮口环处的间隙面积越大，这意味着走漏量越大，而泵的效率就越低。

吸入比转速的研究效果及应用

已往的10多年里，吸入比转速(限值)在我国石化行业的询价数据表或泵手艺规格书中己获得了普遍的使用。可是，其时没有几多人知道它的真正寄义或数值的意义，只是简朴地将吸入比转速凌驾11000 (USGPM,ft.) (13000 (m3/h,m)］时，便以为泵的设计不对理。随着对吸入比转速研究的一直加深，人们逐渐熟悉到它与离心泵的运行可靠性及性能亲近相关，并将其作为泵运行可靠性的展望及研发的一种工具（或依据）。吸入比转速的研究效果及应用主要有以下几方面。

4.1最小流量

泵在小流量下运行时，可能会导致以下问题：液体温度升高、爆发特另外径向力（特殊是单蜗壳泵）、入口回流、汽蚀等，从而引发机械振动、噪音增添及轴承和机械密封寿命的降低。因此，关于指定装置，制造商应该给出泵的最小一连稳固流量限值。一样平常来说，泵的最小一连稳固流量随着吸入比转速的增添而增添

凭证汽蚀基来源理，吸入比转速越大，泵的抗汽蚀能力越好，即NPSHR（API610标准为NPSH3,下同）越小。可是，并非吸入比转速越大越好，一方面现有的手艺水平决议了 NPSHR不可能无限制的减��；另一方面吸入比转速的巨细与泵的运行可靠性亲近相关。

1982 年，Chevron 公司的 RichardDubner凭证吸入比转速的研究效果开发了一张图表，用于确定离心泵的最小一连稳固流量。它允许处置惩罚碳氢化合物的泵的最小一连稳固流量比那些处置惩罚水的泵的流量低；并且与较小的泵相比，要求更大的泵在更靠近BEP的区域运行。

Richard Dubner的图表申饬人们不要使用吸入比转速值大于11000 (USGPM, ft.)[13000 (m3/h, m)】的泵，并且榨取任何BEP流量大于100 gpm (22.7 m3/h)的泵以低于BEP的20%流量一连运行。该图可用作为泵的运行指南，并在新泵的选择历程中扫除最小流量高于预期服务的产品。工程实践中，大大都离心泵最小一连稳固流量通常为最高效率点流量的25 %?30 %,小型离心泵相对小一些，而大型离心泵可能抵达最高效率点流量的35%以上。例如，EBARA公司OH2型UCW泵，进/出口通径小于50x40时，最小一连稳固流量通常为BEP点流量的12 %；进/出口通径即是50x40时，为BEP点流量的15 %；而当进/出口通径大于即是100x80时，为BEP点流量的25 %?30 %。关于实型泵，准确的最小流量之值可通过试验测得。由于泵的现实运行工况并非绝对恒定，因此泵制造商提供应用户最终的最小一连稳固流量之值会大于试验测得值。

4.2稳固运行窗口

吸入比转速研究的效果之一是被普遍引用的一张图表，称为泵的“稳固运行窗口”。不管是制造商照旧用户，都希望泵始终处于BEP运行，在此流量下，所有泵的零部件都将具有最长的使用寿命。而现实工程应用中，泵很少在其BEP运行，但若是在“稳固运行窗口”的流量规模内运行，则泵的零部件使用寿命将大大延伸。吸入比转速在很洪流平上体现该“窗口”的巨细。吸入比转速值较低的泵具有较大的“窗口”。

1985年，Lobanoff和Ross在《离心泵：设计与应用》一书中提供了图1所示的图表。它不但为泵“稳固”运行提供了最小流量，并且还提供了**流量，它是八只差别叶轮在统一台 OH2 型 4x6-11 (100x150-280)泵中的测试效果。吸入比转速的规模从7000 (USGPM,ft.)【135 (m3/s,m)】到 20000 (USGPM, ft.)[387 (m3/s,m)】不等。关于每只叶轮，通过改变流量，丈量泵的振动(至API610标准允许的峰值水平)来确定“不稳固”的最先。

图1 Loanoff &Ross提供的泵吸入比转速与“稳固”运行窗口1990 年，Dick Allen 对 Lobanoff — Ross的图表举行了刷新，以资助用户/买方在招标时对泵举行评估。它提供了一种要领，通过评估“稳固”运行窗口的巨细来对较小稳固运行窗口的泵（具有较高的吸入比转速）举行（减分）处分。处分分值是恣意的，取决于图表作者的判断，并且可以凭证给定公司的履历和理念举行修改。

Dick Allen图表给出的要点是：

1）不要购置在“不可接受”的区域内一连运行的泵（任何约莫小于Qbep流量的50%）。

2）要在“优先”水力规模内运行,流量必需高于“处分”规模（约为Qbep流量的75%）。

3）不要购置高于Qbep流量下一连运行的泵。

4）不要购置额定流量高于Qbep流量约115%的泵。

4.3可靠性曲线

吸入比转速研究的另一个效果是泵可靠性曲线的应用。人们经常在泵类文章和讲座中使用或见到由Nelson-Barringer提供的泵可靠性曲线，厥后Jim Elsey对此曲线举行了刷新，详细见图2。

图2不但定性的给出了泵可靠的运行区间，并且给岀了在偏离BEP的差别区间内运行时可能会泛起的潜在问题，很是直观。凭证泵在可靠性曲线上的现实运行区域，能够判断选型是否合理。

图2 Jim Elsey 基于 Nelson-Barringer 刷新版的泵可靠性曲线

4.4 估算 NPSHA

关于买方/用户来说，为了有用降低或控制项目初期投资本钱，通常都希望提供尽可能低的装置汽蚀余量NPSHA,这就要求供应商/制造商提供较低NPSHR的泵。而较低的NPSHR对应的是较高的吸入比转速。现实工程履历批注，在较高的吸入比转速下，泵的可靠性将呈指数级下降。吸入比转速尚有一个研究效果即是通过其限值估算NPSHA。在举行新泵的水力设计时，可以通过吸入比转速的限值盘算泵的必需汽蚀余量NPSHR,然后凭证工程履历或响应标准规范给出响应的NPSH裕量，最终估算出NPSHA。以某BB2型双吸泵为例，该泵用于电站供水，其主要手艺参数如下：

泵的最高效率点的流量Q = 3000 m3/h,泵转速n = 1480 rpm,常温。

1）吸入比转速的限制值按S = 11000（m3/h, rpm, m）,则可算出 NPSHR = 9 m。

2）凭证 ANSI/HI 9.6.1-1998《Centri-fiigal and Vertical Pumps for NPSH Margin》标准中表9.6.1.1的划定，关于电站用低吸入能量、高吸入能量及很高吸入能量离心泵，推荐的最小NPSH裕量比（即NPSHA与NPSHR的比值）划分为1」、1.5和2.0。由于该BB2型泵为很高吸入能量泵，则取NPSHA/NPSHR = 2.0 。

3）由此可以估算出NPSHA之值NPSHA = 2.0 x NPSHR = 18 m。即：为了确保该泵可靠运行所需的装置汽蚀余量不低于18米。

这种“逆向头脑”设计的利益是：

1）可以**限度地阻止泵在用户现场现实运行历程中泛起不稳固运行问题。

2）不但可以较准确地展望项目初期投资本钱，并且可以优化项目整个生命周期内的本钱。限值是否是不可跨越的红线许多人过失地将吸入比转速的限值11000 (USGPM, ft.) [13000 ]视为“泵警员”宣布的绝对“速率限制”，是不可逾越的。对此，Jerry hallam有一个很是形象的说法，可以将吸入比转速简朴地看作是画在双车道公路中心的虚线：“若是对细节给予适当的关注，人们可以凌驾这条线”-你需要先检查迎面而来的车辆，然后再脱离中心线已往。吸入比转速的限值是基于半个世纪前的20世纪60年月及70年月设计的叶轮。沧海桑田，叶轮的设计要领和盘算工具在随后的五十年中爆发了排山倒海的转变，全新设计的叶轮叶片及其几何形状完全可以减轻甚至消除导致许多先前的不稳固性的问题。关于这一点在工程实践中获得了普遍的验证。

5.1案例1

在Jeny hallam的研究效果宣布的十多年后，先后有许多泵业偕行【如＜ Stoffel &Jaeger, 1996) , (Gulich, 2001) , (MichaelHirschberger, 2009)和(Balasubramanian 等，2011)］对吸入比转速举行了研究。他们发明：在所有其它条件坚持稳固的情形下，现代叶轮设计手艺可以实现更高的吸入比转速，而不必完全依赖扩大叶轮入口直径。

5.2案例2

10多年前，作者曾亲自加入金陵石化某项目招标（于LPEC）的手艺交流，其时EBARA公司有几个泵型的吸入比转速之值凌驾了招标文件划定的13000（m3/h, m）限值,很幸运，遇见了一位对吸入比转速具有富厚应用履历的杨工（杨力民），在他简直认下得以顺遂放行。至今，这些泵在用户现场一直清静可靠运行。

5-3案例3

作者研究了不少国际着名的离心泵制造商的产品，他们的吸入比转速的高值均凌驾了昔时Jerry hallam 所划定的 11000(USGPM,ft.) [13000 (m3/h,m)]限值。详细如下叫1)KSB公司：标准设计和生产的通俗离心泵，其吸入比转速的平均值通常为200r/min (m3/s, m) [ 12000 (m3/h, m)】，高值通常限在 240 r/min (m3/s, m) [14400 (m3/h,m) ] ?

2)某国际公司：针对差别型式的离心泵，其吸入比转速的限值规模具有一定的差异，并划分给出了低值-中心值-最高值。端吸泵 190 - 230 - 270 (m3/s, m) [11400 - 13800 -16200 (m3/h, m)]；中等轴穿过叶轮入口的泵 170 -200 -240 (m3/s, m)[ 10200 - 12000 -14400 (m3/h, m)]；单级扬程凌驾 500 m的多级泵 150 - 180 - 220 (m3/s, m) [9000 -10800- 13200 (m3/h,m) ] 。

3) ITT公司：离心泵吸入比转速的限值规模为 5000 到 14000 (USGPM, ft.)【约 5800到 16270(m3/h, m)],中心值为 9000 (USGPM,ft), 10460 (m3/h, m)。

4) EBARA公司：石化流程泵的吸入比转速限值规模大致为1) OH2型泵6000?12000(USGPM, ft),约为 7000~14000(m3/h,m),低值?3500 (USGPM, ft) , —4000 (m3/h,m),高值?13300 (USGPM, ft) , —15500(m3/h, m) ； 2) BB2 型泵 7000?12460(USGPM,ft),约 8000—14500 (m3/h, m)。

以上述数据均来自于各制造商果真揭晓的书籍、培训资料、论文或网站等。

吸入比转速限值可以跨越的条件

正如上文所述，吸入比转速的限值并非完全不可跨越，但必需知足一定的条件。

6.1具有稳固的运行区间若是泵始终坚持在一个稳固区间（如优先事情区）内运行，则吸入比转速可以允许适当凌驾Jenyhallam给出的限值。这些泵通常包括：

1）石油（碳氢化合物）流程泵。由于其流程通常是稳固的，很少有系统不稳固（瞬态）或快速流量转变的需求。

2）变速或带旁路系统的泵。通过变速或旁路系统（而非通过出口阀来调理流量）控制，使泵坚持在一个稳固的区间内运行。例如由汽轮机或液力巧合器或变频驱动的离心泵，虽然其运行工况会爆发改变，但通过变速使泵始终处于高效区内运行。

6.2现代设计手艺的应用若是通过现代手艺、而非接纳古板的加大叶轮入口直径来改善泵吸入性能的设计，允许适当提高吸入比转速限值。

例如：1）叶轮叶片向泵入口边适当延伸，相当于增添一只小的诱导轮。

2）后掠叶片，以镌汰其前缘的任何汽蚀。

3）釆用扭曲叶片，不但有利于提高泵的水力效率，同时可改善泵的吸入性能。

4）优化叶轮叶片前缘轮廓（如釆用抛物线前缘轮廓、减薄吸入侧叶片厚度等），可有用限制叶片前缘的压力峰值和降低对部分负荷下运行的敏感水平。

5）使用现代盘算机盘算剖析手艺给定叶轮入口设计可优化的条件，从而更好地控制和相识叶轮流道中流量及压力漫衍情形。