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技術(shù)文章/Technical articles
淺談之泵水力學(xué)的四條規則
2023-10-05 10:19:58力士霸泵業(yè)

淺談之泵水力學(xué)的四條規則(圖1)


文| Scott Shults, P.E.


“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)燒友一直在爭論的話(huà)題。德國的原始設備制造商會(huì )宣揚他們的豪華與性能,而美國的制造商會(huì )強調他們每個(gè)馬力的最低成本。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,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、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),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,從而需要頻繁維修,并經(jīng)歷高振動(dòng)??紤]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,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,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,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。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。

淺談之泵水力學(xué)的四條規則(圖2)


在最佳效率點(diǎn)(BEP)或至少在優(yōu)先工作區(POR)內的運行通常導致更高的可靠性。有時(shí),在更廣泛的允許工作區(AOR)內運行是可以接受的。(圖片由HI 14.3提供)


許多年輕的泵工程師理解在BEP附近運行的重要性,但沒(méi)有領(lǐng)會(huì )到密封和軸承失效的機制。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。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,也可以單獨發(fā)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(dòng)而產(chǎn)生劇烈振動(dòng),進(jìn)而無(wú)法保持對齊時(shí),通常會(huì )導致密封或軸承過(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、擴散器、對置葉輪、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,但得出的結論是,當泵遠離BEP運行時(shí),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、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,即使在泵應用工程師中,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)習的一種簡(jiǎn)化方法,因為它易于理解。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,但無(wú)沖擊流只是進(jìn)口幾何形狀的函數,因此不受切割的影響?,F代泵設計的一個(gè)粗略經(jīng)驗法則是,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)葉輪入口設計的詳細知識來(lái)確定。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。


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,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。

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)、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。

淺談之泵水力學(xué)的四條規則(圖3)

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。當流體流動(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(zhù)流量的增加呈二次方增長(cháng),被視為動(dòng)壓頭。

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)。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。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。

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,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。

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。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,如果一個(gè)新的熱交換器由于摩擦而增加了系統阻力,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,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。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,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、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(guò)裕度曲線(xiàn)。

淺談之泵水力學(xué)的四條規則(圖4)


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。在該示例中,單個(gè)泵向系統提供大約730 gpm的流量。兩個(gè)并聯(lián)的泵提供1200 gpm的流量,因此每個(gè)泵的運行流量為600 gpm。(圖片由HI 14.3提供)


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(guān)建議的NPSH裕度,請參閱HI 9.6.1,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,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。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,組合性能曲線(xiàn)將在1200 gpm流量時(shí)達到35英尺的揚程。

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。運行的泵越多,進(jìn)入系統的總流量就越高,但每個(gè)泵的流量就越低。(請注意,并聯(lián)開(kāi)啟第二個(gè)相同的泵會(huì )增加系統流量,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,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。通常需要更多的冷卻水,而更多的泵意味著(zhù)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)中導致所有泵都在曲線(xiàn)上運行,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(chǎng)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),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,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。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,兩臺泵始終在運行。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。幾乎在一夜之間,泵的可靠性和MTBR顯著(zhù)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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