包頭力士霸泵業對于吸入比轉速解讀，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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吸入比轉速又稱汽蝕比轉速，是一個與離心泵吸入性能相關的指數。離心泵的吸入性能是泵優化設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定運行也會帶來顯著影響。
國內外泵設計手冊或泵相關標準、規范中通常只給出了吸入比轉速的定義及計算公式，有些手冊中也給出了不同范圍內吸入比轉速的值與泵抗汽蝕性能及效率之間的大致關系，至于其值的大小對離心泵全流量范圍內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，不少國內外工程公司或設計院會根據UOP規范[1]或SH/T3139[2]或SH/T3140[3]等標準中對泵的吸入比轉速所規定的限值來判斷一臺泵的設計是否合理（超過上述規范、標準中限定值的范圍時，便認為泵設計不合理），這樣的理解及操作方式未免過于簡單。筆者認為有必要對此進行解讀，并就其對離心泵的性能及安全可靠性的影響進行研究。
1.1 API610標準第11版附錄A對吸入比轉速的定義
吸入比轉速S，是在最大葉輪直徑和給定轉速下、以最佳效率點的流量來計算的，是一個與離心泵吸入性能相關的指數。吸入比轉速是衡量一臺離心泵對內部回流的敏感程度的評估尺度。公式定義如下：
式中：
n = 轉速，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：將用公制單位推導出的吸入比轉速乘以系數51.64就等于美制單位的吸入比轉速，美制單位通常用符號N ss 表示吸入比轉速。
【解讀】
公式中的Q為最大葉輪直徑、給定轉速下、最佳效率點的流量，當為單吸葉輪時，Q為總流量；當為雙吸葉輪時，Q為總流量的一半。
公式中的NPSH3為給定轉速及最佳效率點流量下、最大葉輪直徑所對應的（揚程下降3%）必需汽蝕余量。工程實踐中，對于低比轉速離心泵，相同轉速、不同葉輪直徑下所對應的泵的必需汽蝕余量是不同的，最大葉輪直徑所對應的必須汽蝕余量最小，而最小葉輪直徑所對應的必須汽蝕余量最大。
公式中的吸入比轉速S或美制的Nss 均為無量綱。
1.2 EN 12723[4]對吸入比轉速的定義
德國、英國等歐洲國家對吸入比轉速nss的定義是根據歐洲標準EN 12723來確定的，吸入比轉速主要用于判定離心泵的吸入性能。吸入比轉速的標準單位是r/min，其數值可以通過下述方程式得出：
式中：
n = 泵的轉速，單位r/min；
Q opt = 最佳效率點的流量，單位m 3 /s；對于雙吸葉輪，Q opt 指葉輪每側的最佳效率點的進口流量；
NPSH3 opt = 在最佳效率點流量和第一級葉輪最大直徑下，揚程下降3%時的必需汽蝕余量，單位m。
對于美制單位，吸入比轉速用N ss 表示，與n ss 的關系為：N ss = 51.64 n ss
【解讀】
歐洲標準的吸入比轉速計算公式與API610標準相同，只是對吸入比轉速賦予了量剛，其單位是r/min。另外，特別指明：NPSH3 opt 為在最佳效率點流量和第一級葉輪最大直徑下，揚程下降3%時的必需汽蝕余量。在這一點上，歐洲標準對吸入比轉速的定義更嚴謹。
另外，美國水力學會標準ANSI/HI 1.3[5]對吸入比轉速的計算公式與API610標準完全相同，只是對NPHS3的定義更明確：指在最高效率點流量、給定轉速及最大葉輪直徑下，總揚程（或多級泵的第一級揚程）下降3%時的必需汽蝕余量。
上世紀50年代到80年代，由于離心泵葉輪的設計手非常有限，設計人員普遍通過加大葉輪進口直徑（D1）的方法來改善其吸入性能，但是人們對增大葉輪進口直徑可能帶來的負面影響卻不得而知。
1981年，Warren Fraser 具有里程碑意義的論文“通過加大葉輪進口直徑所帶來的后果”成為了人們關注的焦點。離心泵用戶越來越關注設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系不是很清楚。
1982年，當Jerry hallam發布了其在Amoco Texas City煉油廠5年內對480多臺泵的可靠性研究結果以后，這種情況發生了改變。
他發現：泵的可靠性與吸入比轉速（N ss ）明顯相關，特別是當泵的吸入比轉速N ss >11000（USGPM, ft.），S>213（m 3 /s, m）【12780（m 3 /h, m）】時，出現故障的概率是較低的吸入比轉速的2倍。圖1顯示了吸入比轉速與故障率之間的關系。
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（泵選型）的一個硬性限制，不以某種規范形式而被廣泛采用，這 是非常罕見的。例如，當一臺泵的N ss =10950（USGPM, ft.）時，被認為是可以接受的；而當其N ss =11050（USGPM, ft.）時，被認為是不可接受的 [6] 。
圖1 吸入比轉速與故障頻率之間的關系
不同標準、不同公司對吸入比轉速的限值各不相同，現摘錄如下。由于UOP規范和SH/T3139及SH/T3140中的吸入比轉速限值已在國內得到廣泛認可和應用，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速最終均將換算成公制單位，見深藍色字體。
3.1 UOP規范
在石化行業中，UOP規范中規定的吸入比轉速的限定值在全球得到廣泛接受和應用，其規定如下：
泵的吸入比轉速不得高于11000 (USGPM, ft.)【13000（m 3 /h, m）】；當泵送介質為水或水含量超過50%的溶液，并且泵的單級葉輪功率超過100 HP (75 kW)時，吸入比轉速不得高于9500 (USGPM, ft.)【11000 （m 3 /h, m）】。對于高速整體齒輪箱驅動型泵（OH6型泵），吸入比轉速達到24000 (USGPM, ft.)是可以接受的。
3.2 SH/T3139和SH/T3140標準
對于不帶誘導輪的泵，其吸入比轉速應小于12780（m 3 /h, m），如果賣方有足夠數據證明其可靠性，可提供替代設計，但應經買方批準。
3.3 KSB公司
標準設計和生產的普通離心泵，為了改善吸入性能，其吸入比轉速的平均值通常為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）】
帶誘導輪的工業泵：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化設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的管道、較低的液位標高、較少的工程建設及開挖量，顯著降低一次投資成本。
4.1 吸入比轉速對離心泵效率的影響
為了改善離心泵的吸入性能，設計人員普遍通過加大葉輪進口直徑（D1）的方法來實現。今天，這種設計方法在我國離心泵的工程應用中卻還在一直使用。
在軸徑相同、葉輪口環處的直徑間隙（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，吸入比轉速越高），則葉輪口環處的間隙面積越大，這意味著泄漏量越大，從而泵的效率越低。
圖2 雙吸離心泵轉子跳動及間隙測量
4.2 吸入比轉速對離心泵可靠性的影響
自2003年開始，筆者特別關注日本EBARA技術在國內生產的質量以及用戶現場的實際使用情況，并對2011年前出廠的2244臺EBARA技術泵的安全可靠性信息進行了收集、跟蹤和匯總（包括出廠試驗及用戶現場使用情況），其大致情況如下表1。
表1- EBARA技術離心泵可靠性情況 ▼
表1中小流量工況下振動超標的24臺BB2型泵為兩種規格的泵（以X泵和Y泵代替），其振動測量點位置見圖3。
圖3 BB2型泵振動測量點位置示意圖
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問題，對吸入口面積進行了修正（以降低入口回流），修正后的振動測試結果見表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問題，對吸入口面積進行了修正（以降低入口回流），修正后的振動測試結果見表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品的實際使用情況可以看出：在泵的運行范圍內，可接受的振動特性與吸入比轉速密切相關。對于高吸入比轉速泵，當偏離最高效率點、特別是在最小流量工況下運行時，由于內部回流現象的加劇，會導致泵振動的明顯增大。
盡管各知名泵公司對吸入比轉速的限定值存在一定的差異，但有一點是相同的，即最大限定值均超出人們已廣泛接受和應用的UOP規范、SH/T3139、SH/T3140標準的規定。
ITT公司技術人員曾做過“INFLUENCE OF IMPELLER SUCTION SPECIFIC SPEED ON VIBRATION PERFORMANCE”的試驗研究，并得出結論[6]：通過利用現代葉輪設計手段和新的泵設計標準，可以使離心泵穩定運行范圍和吸入比轉速得到實質性的提高。
對于中低比轉速葉輪，迄今為止被大多數用戶認可的汽蝕比轉速限定值Nss=11000(USGPM, ft.)，13000 (m 3 /h, m) ，應該可以停止使用了。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速限定線，如下圖4。
圖4 比轉速與吸入比轉速限制關系曲線（即SGsT線）
對于高吸入比轉速的泵，給出如下特別說明：
（1） 應盡可能避免泵在最小連續穩定流量工況運行，可在泵出口增加最小再循環閥。
（2） 對于滿足多種運行工況的泵組，建議采用變速（如可采用變頻電機、帶液力偶合器或汽輪機）驅動，通過轉速的調節確保泵組始終處于高效區運行。
（3） 當吸入比轉速超出規范、標準所規定的限值范圍時，泵出廠前應進行全流量（從最小連續穩定流量到最大允許流量范圍）性能及機械運轉試驗，以確保泵的振動在可接受的范圍之內。
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口直徑（D1）的方法來實現。但是，這種方法不僅影響離心泵的運行性能，而且還會導致泵振動的顯著增加。
隨著科技的發展，今天，在不加大葉輪進口直徑的情況下，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延伸，相當于增加一只小的誘導輪。
（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） 優化葉輪葉片前緣輪廓（如采用拋物線前緣輪廓、減薄吸入側葉片厚度等），可有效限制葉片前緣的壓力峰值和降低對部分負荷下運行的敏感程度。
（5） 利用現代計算機計算分析技術給定葉輪入口設計可優化的條件，從而更好地控制和了解葉輪流道中流量及壓力分布情況。
在水力設計方面，西方發達國家較我國同行具有非常顯著的優勢。例如：德國KSB公司對每臺離心泵的葉輪設計均進行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，從深紅色到深藍色體現了葉片上壓力分布的細微差別。
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行氣泡試驗 – 這是德國KSB公司獨有的設計理念，以測量其汽蝕初生值NPSHi（而非NPSH3），即第一只氣泡產生時作為汽蝕發生的開始，并據此來選擇前置泵的揚程，從而保證主給水泵葉輪在任何工況下運行時均不會發生汽蝕。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程的選擇
（1） 吸入比轉速，是在最大葉輪直徑和給定轉速下、以最佳效率點的流量及最佳效率點NPSH3（最高效率點流量、給定轉速及最大葉輪直徑下，總揚程或多級泵的第一級揚程下降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的指數。吸入比轉速是衡量一臺離心泵對內部回流的敏感程度的評估尺度。
（2） 吸入比轉速的大小與離心泵的效率及安全可靠性密切相關。對于高吸入比轉速泵，當偏離最高效率點、特別是在最小流量工況下運行時，由于內部回流現象的加劇，會導致泵振動的明顯增大。
（3） 盡管各知名泵公司對吸入比轉速的限定值存在一定的差異，但有一點是相同的，即最大限定值均超出人們已廣泛接受和應用的UOP規范、SH/T3139、SH/T3140標準的規定。
（4） 隨著科技的發展，今天，在不加大葉輪進口直徑的情況下，人們改善離心泵吸入性能的可選擇的手段較多。
參考文獻
[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離心泵的設計。