摘　要：从吸入比转速的概念以及限值的由来下手，融合工程项目实践经验，关键搜集整理了吸入比转速科研成果与应用。与此同时论述了吸入比转速限值能否超越问题，并做出了能够超越的前提条件。
关键字：吸入比转速   限值   运用
   0      前言

吸入比转速又被称为气蚀比转速，是一个与离心水泵吸入特性有关参数值，是离心叶轮入口结构尺寸、室内空间布局和叶子角度数据可视化数学表达，是叶轮设计中的一个指标值或专用工具。它是一个无量纲主要参数，叙述了转速比、流量转动离心叶轮所需要的必不可少汽蚀余量（NPSHR）相互关系。
吸入比转速这个概念最早使用于20个世纪30年代末，来到20个世纪70年代80年代开始，已经成为西方国家用于预测分析离心水泵运行可靠性的一种经常使用的。直至进到21世纪后，吸入比转速这个概念才慢慢在中国石油化工泵工程招标里出现，但真正了解其含意得人却寥寥无几。很多人不恰当地将一些标准、规范所规定的吸入比转速的限值称之为绝对不会容许逾越的，一旦超出限值范畴便觉得离心泵不合理。这种了解及操作模式难免过于单一。
小编以前写过一篇文章《吸入比转速讲解以及对离心水泵的影响》^[1]，从吸入比转速的概念以及限值下手，搜集整理了不同类型的泵规范、标准及不同类型的国际型泵企业对离心水泵吸入比转速限值的相关规定，并且在汇总小编十几年API泵工程项目实践经验的前提下关键探讨了吸入比转速对离心水泵性能及稳定性的危害。文章内容导致了一部分同行业的关注探讨，而且许多阅读者觉得限值是一条无法逾越“底线”。因此，小编认为必须对吸入比转速开展更详尽全方位的理解，仅与各位同仁共享。

   1      吸入比转速的概念

1.1   API610规范第11版^[2]附则A对吸入比转速的概念
吸入比转速S，要在较大叶轮直径和已知转速比下、以较佳高效率点（BEP）平台流量计算出来的，是一个与离心水泵吸入特性有关的指数值。吸入比转速是检验一台离心水泵对内部结构逆流的脆弱水平评估尺寸。公式计算界定如下所示：

式中：n = 转速比，企业r/min；Q_BEP = 最好高效率点总流量，企业m³/s（US制：加仑/min）；针对单吸离心叶轮，Q_BEP为流量，针对双吸离心叶轮，Q_BEP为流量的一半；
NPSH3 =给出转速比及最好高效率点总流量、（第一级）离心叶轮较大孔径下，水泵扬程降低3%后的必不可少汽蚀余量，企业m（ft）。
注：将用公制单位推导出来的吸入比转速乘于指数51.64就等着于美制部门的吸入比转速，英制企业通常用符号N_ss表明吸入比转速。

   2       吸入比转速限值的由来

在20个世纪70时代，新厂和冶炼厂设计就越来越严地规定节约资金，尤其是在前期建设与原材料成本层面。做为压缩成本的有效措施之一，就是尽量减少系统软件装置汽蚀余量NPSHA。系统软件持有者或消费者接着对泵生产商增加了非常大的工作压力，要他们设计方案具备比较低NPSHR的泵。
针对泵生产商而言，非常简单、便捷解决方案是增加离心叶轮通道规格。此方法虽然能大大提高离心泵吸入特性（减少NPSHR），但是却带来了一个意料之外的结论，即便工作部位偏移最好高效率点不很远，离心泵水力发电可靠性还会显著降低。
吸入比转速这个概念是通过Igor Karassik和两个朋友于20个世纪30年代末所提出的。来到20个世纪70年代80年代开始，吸入比转速已经成为一种经常使用的，用以预测分析泵运行中的水力发电不稳区段。
1979年，Jerry hallam是Amoco Texas City冶炼厂的电器工程师。该冶炼厂那时候正遭受着很严重的泵水力发电不稳和原发性火灾事故难题。火灾事故通常是机封和轴承故障造成的代价。
高管责令Jerry hallam明确直接原因。他与他朋友汇总了5年以来的高效运行检修记录，并进行功能测试，以搜集相关235台离心泵数据信息，并探寻趋势和隐性的缘故。他们对其中的一个主要参数 - 每一台离心泵吸入比转速展开了运算归类，数据显示，吸入比转速标值越大，泵出问题的概率也就越大。
研究小组与一些技术专家和高管人员分享研究成果。接着，Jerry hallam和他的团队被劝服将研究内容从235台扩展到480台，并进行更彻底调查分析，探讨了每一台泵则在曲线图里的运行状况及与BEP的靠近水平。
研究表明：吸入比转速标值较大时，离心叶轮通道规格会比同样直径但吸入比转速相对较低的离心叶轮的通道规格大很多。当泵则在曲线图BEP左边运行中，离心叶轮里的流动性出现了逆流，进而产生流动性分离出来（脱流）和更高流动速度、减少部分工作压力。假如液体部分工作压力降至汽压下，就会造成气蚀，并伴随噪音和振动大幅增加。
1982年，Jerry hallam发布它在Amoco Texas City冶炼厂对480几台离心泵稳定性研究成果：离心泵稳定性与吸入比转速显著有关，尤其是当离心泵吸入比转速超出11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】时，出现异常的几率是相对较低的吸入比转速的2倍。
在Jerry hallam的研究成果公布后几年中，吸入比转速≤11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】成了煤石油天然气领域（泵选型）的一个强制限定，并且以某类标准方式所以被广泛采用，这也是极其罕见的。比如，当一台离心泵吸入比转速=10950（USGPM, ft.）时，被称之为能接受的；但当其吸入比转速=11050（USGPM, ft.）时，被称之为不可以接受的。

   3    吸入比转速与离心水泵稳定性及特性相互关系

3.1    吸入比转速与离心水泵稳定性相互关系
不仅极个别除外，具体工程实践中，基本没有一台离心水泵一直处于BEP运作。在一些加工厂/系统中总流量要求发生改变，作业人员一般根据出入口闸阀来调整泵的流量。
假如总流量小于一定值，便会在离心叶轮入口发生再次循环（逆流），比较大的离心叶轮通道（低NPSHR，高吸入比转速）和相对较高的通道工作转速也会产生较高能态的再次循环。伴随着泵流量的进一步减少，循环系统抗压强度提升，从而也会引起气蚀、噪音和液体脉冲。再次循环逐渐后的总流量伴随着离心叶轮通道直径的增加提升。
吸入比转速与离心泵稳定性息息相关。针对高吸入比转速泵，若是在偏移BEP的小流量区域经常运作，经常也会引起稳定性难题。假如吸入比转速高过8500至9000（USGPM, ft.）【约10000至10500（m³/h, m）】，离心泵稳定性就会开始呈指数下降^[3]，机械振动噪声大幅增加。
针对正常的定制的泵，吸入比转速数值从6000至12000（USGPM, ft.）【约7000至14000（m³/h, m）】不一，在包含诱导轮等在内的独特设计里，能够获得更多的值。Jerry hallam的分析表明：当离心泵吸入比转速超出11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】时，出现异常的几率是相对较低的吸入比转速的2倍。但美国水利学会HI将8500（USGPM, ft.）【约10000（m³/h, m）】的吸入比转速做为典型性专业指导值^[4]。
3.2   吸入比转速与泵特性相互关系
为改善离心水泵的吸入特性，设计者广泛根据增加离心叶轮进口的孔径（D1）的方法去完成。今日，这类设计理论在中国离心水泵的工程技术中仍然在一直使用。
在轴颈同样、离心叶轮口环处孔径空隙相同条件下，吸入特性就越好（离心叶轮通道总面积越多，吸入比转速值越大），则离心叶轮口环处间隙总面积越多，这就意味着泄漏量越多，而泵的效率越低。

   4       吸入比转速科研成果与应用

从前的10多年里，吸入比转速（限值）在中国石油化工行业的询价采购数据分析表或泵技术规格书中已经获得了普遍存在的应用。可是，那时候没有几个人了解它真真正正含意或标值的价值，只是单纯地把吸入比转速超出11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】时，便觉得离心泵不合理。
随着人们对吸入比转速探索的不断深化，大家慢慢意识到它和离心水泵的运行可靠性及特性息息相关，并将其作为泵运行可靠性预测及研制的一种专用工具（或根据）。吸入比转速科研成果与应用主要包括以下几个方面。
4.1    最少总流量
泵在低流量下运行中，可能会致使几个问题：液态温度上升、造成额外轴向力（尤其是单涡壳泵）、通道逆流、气蚀等，从而造成振动分析、噪声提升及滚动轴承机械密封寿命的下降。因而，针对特定设备，生产商应当得出离心泵最少持续平稳总流量限值。
一般来说，离心泵最少持续平稳总流量伴随着吸入比转速的提高而变化^[2]。进口水泵维修，格兰富，ITT，飞力水泵维修，赛莱默，科沛达，罗瓦拉，荏原，酉岛，鹤见，苏尔寿，泰拉尔
依据气蚀基本概念，吸入比转速越多，离心泵抗气蚀水平就越好，即NPSHR（API610标准是NPSH3，相同）越低。可是，并不是吸入比转速越高越好，一方面目前技术水平取决于NPSHR不太可能不受限制的减少；另一方面吸入比转速的大小和离心泵运行可靠性息息相关。
1982年，Chevron企业的Richard Dubner依据吸入比转速科研成果开发设计了一张数据图表，用以明确离心水泵的最小持续平稳总流量。它容许解决氮氧化合物的离心泵最少持续平稳流量比这些解决水泵的流量低；而且与比较小的泵对比，规定更多的泵在更接近BEP的地区运作。
Richard Dubner的数据图表劝诫大家尽量不要用吸入比转速值超过11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】的泵，而且严禁一切BEP总流量超过100 gpm（22.7 m³/h）的泵以小于BEP的20% 总流量连续操作。该图可以用做为离心泵运作手册，并进新离心泵挑选环节中清除最少总流量高过预估提供服务的商品。
工程项目在实践中，大部分离心水泵最少持续平稳总流量一般为最高效率点流量25 % ~ 30 %，小型离心泵相对性小一些，而大中型离心水泵会达到最高效率点流量35% 之上。比如，EBARA企业OH2型UCW泵，进/出入口管径低于50×40时，最低持续平稳总流量一般为BEP点流量12 %；进/出入口管径相当于50×40时，为BEP点流量15 %；但当进/出入口管径大于100×80时，为BEP点流量25 % ~ 30 %。针对实型泵，精确的最小总流量之值可以通过实验测出。因为离心泵具体运行状况并不是肯定稳定，因而泵生产商发放给客户最后的最小持续平稳总流量之会超过实验测得值。
4.2   平稳运行窗口
吸入比转速科学研究的成效之一被广泛提及的一张数据图表，称之为离心泵“平稳运行窗口”。
不论是生产商或是客户，都希望能泵一直处于BEP运作，在这里总流量下，全部离心泵零部件也将具备最多的使用期。但实际工程实践中，泵非常少则在BEP运作，那如果在“平稳运行窗口”的流量范围内运作，则离心泵零部件使用期限会大大增加。吸入比转速在一定程度上表明该“对话框”大小。吸入比转速值相对较低的泵具有很大的“对话框”。
1985年，Lobanoff和Ross在《离心泵：设计与应用》一书中提供了图1所示的数据图表。它不但为泵“平稳”运作提供了最少流量，并且提供了较大流量，这是八只不一样叶轮在同一台OH2型4x6-11（100x150-280）泵里的检测结果。吸入比转速的范畴从7000（USGPM, ft.）【135（m³/s, m）】到20000（USGPM, ft.）【387（m³/s, m）】不一。针对每一只叶轮，通过调节流量，精确测量离心泵震动（至API610规范许可的峰值水平）来决定“不稳”的开端。

图1   Loanoff &Ross提供的泵吸入比转速与“平稳”运行窗口
1990年，Dick Allen对Lobanoff – Ross的数据图表展开了改善，以帮助大家/买家在招标会时对泵进行评价。它提供了一种方法，根据评定“平稳”运行窗口大小来对比较小平稳运行窗口的泵（具有很高的吸入比转速）开展（扣分）惩罚。
惩罚分数是任意，在于数据图表创作者的分析，并可以依据给出企业的经验核心理念进行调整。
Dick Allen数据图表得出的关键点是：
1）不要买在“不能接纳”的区域连续操作的泵（一切大概低于Q_BEP流量的50%）。
2）需在“优先选择”水力发电范围之内运作，流量务必高过“惩罚”范畴（大约为Q_BEP流量的75%）。
3）不要买高过Q_BEP流量下连续操作的泵。
4）不要买额定值流量高过Q_BEP流量约115%的泵。
4.3   稳定性曲线图
吸入比转速科学研究的另一个成效是泵稳定性曲线运用。大家经常会在泵类文章和讲座中生产或看到由Nelson-Barringer提供的泵稳定性曲线图，之后Jim Elsey对于此事曲线图展开了改善，实际如图2。
图2不但定性的提出了泵靠谱的运转区段，并且提出了在偏移BEP的差异区间运行中有可能出现潜在难题，十分形象化。依据泵在稳定性曲线图里的具体运作地区，能够大致分辨型号选择是否可行。

图2   Jim Elsey根据Nelson-Barringer改良版的泵稳定性曲线图
4.4   估计NPSHA
针对买家/消费者来说，为了能有效降低和控制新项目前期运营成本，一般都期待提供尽量低设备汽蚀余量NPSHA，这就需要经销商/生产商提供比较低NPSHR的泵。而相对较低的NPSHR对应着相对较高的吸入比转速。具体实践经验说明，在相对较高的吸入比转速下，离心泵稳定性将呈指数级降低。
吸入比转速还有一个科研成果就是利用其限制值估计NPSHA。
在开展新离心泵水力发电设计的时候，能通过吸入比转速的限制值测算离心泵务必汽蚀余量NPSHR，再根据实践经验或相对应技术标准得出对应的NPSH裕量，最后估计出NPSHA。
以某BB2型双吸泵为例子，该泵用以发电厂供电，其核心性能参数如下所示：
离心泵最高效率点流量Q = 3000 m³/h，泵转速n = 1480 rpm，常温下。
1）吸入比转速的限定值按S = 11000 （m³/h, rpm, m），则可以计算NPSHR = 9 m。
2）依据ANSI/HI 9.6.1-1998 《Centrifugal and Vertical Pumps for NPSH Margin》规范中表9.6.1.1的相关规定，针对发电厂用低吸入动能、高吸入动能及非常高吸入动能离心水泵，推荐的最小NPSH裕量比（即NPSHA与NPSHR的比率）分别是1.1、1.5和2.0。因为该BB2型泵为非常高吸入动能泵，则取NPSHA/ NPSHR = 2.0。
3）从而能够计算出NPSHA之值
NPSHA = 2.0 × NPSHR = 18 m。
即：为了保证该泵靠谱运作所需要的设备汽蚀余量不少于18米。
这类“发散思维”设计方案的好处在于：
1）能够最大程度地防止泵在客户当场具体运行中发生不高效运行难题。
2）不但可以较清晰地预测分析新项目前期运营成本，而且还能提升新项目全部生命期里的成本费。

 

   5      吸入比转速限制值是不是无法超越的红线

好多人不恰当地将吸入比转速的限制值11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】视作“泵警员”公布的核心“限速”，是无法逾越。对于此事，Jerry hallam有一个非常品牌形象这样的说法，能将吸入比转速简单的当作是画在双车道道路中心斜线：“如果对于小细节给予一定的的高度关注，人们能够超出那条线” – 我们需要检查一下扑面而来的车子，然后离去轴线以往。
吸入比转速的限制值都是基于半世纪前20世际60时代及70年代定制的叶轮。世事变迁，叶轮的设计理论和计算方法在之后的五十年中发生了改变，最新设计的叶轮叶子以及几何结构彻底能减轻乃至清除造成很多此前的不稳定性问题。
对于这一点，在工程实践中得到普遍存在的认证。
5.1   实例1
在Jerry hallam的研究成果公布的十多年后，先后有很多水泵厂同行业【如（Stoffel & Jaeger， 1996），（Gulich，2001），（Michael Hirschberger，2009）和（Balasubramanian等，2011）】对吸入比转速进行了探讨。发现：在大多数其他标准维持不变的前提下，当代叶轮制造技术能够实现更高吸入比转速，而不需要完全依靠扩张叶轮通道孔径。
5.2   实例2
10多年以前，创作者曾亲自参加金陵石油化工某工程招标（于LPEC）的行业交流，那时候EBARA企业有好多个泵的种类的吸入比转速之值远远超过了招标书所规定的13000（m³/h, m）限制值，非常幸运，遇到了一位对吸入比转速拥有丰富运用工作经验的杨工（杨力民），在确认下得到成功海关放行。迄今，这种泵在客户当场一直可以信赖运作。
5.3   实例3
创作者科学研究了很多世界知名的离心水泵生产商的商品，他的吸入比转速的低值都超过了当初Jerry hallam中规定的11000（USGPM, ft.）【13000（m³/h, m）】限制值。详细如下^[1]：
1） KSB企业：技术标准生产的一般离心水泵，其吸入比转速的均值一般为200 r/min (m³/s, m)【12000（m³/h, m）】，低值一般限制在240 r/min (m³/s, m)【14400（m³/h, m）】。
2）某国际贸易公司：根据不同形式的离心水泵，其吸入比转速的标准值范畴具有一定的差别，分别提出了低值易耗-中间值-最大值。端吸泵190 - 230 - 270 (m³/s, m)【11400 - 13800 - 16200（m³/h, m）】；中等水平轴越过叶轮入口泵170 - 200 - 240 (m³/s, m)【10200 - 12000 - 14400 （m³/h, m）】；单极水泵扬程超出500 m的多级离心泵150 - 180 - 220 (m³/s, m) 【9000 - 10800 - 13200 （m³/h, m）】。
3）ITT企业：离心水泵吸入比转速的限制值范围包括5000到14000 (USGPM, ft.)【约5800到16270（m³/h, m）】，中间值为9000 (USGPM, ft.)，10460 （m³/h, m）。
4）EBARA企业：石油化工步骤离心泵吸入比转速限制值范畴大概为1）OH2型泵6000～12000（USGPM, ft），大约为7000～14000（m³/h, m），低值易耗～3500（USGPM, ft），～4000（m³/h, m），低值～13300（USGPM, ft），～15500（m³/h, m）；2）BB2型泵7000～12460（USGPM, ft），约8000～14500（m³/h, m）。
以以上数据信息均来自于各生产商公开发布的书、培训课件、毕业论文或网站等。

   6    吸入比转速限制值能够逾越的标准

如同前文上述，吸入比转速的限制值并非完全不能超越，但必须符合一定的前提条件。
6.1    具备相对稳定的运作区段
假如泵持续保持在一个平稳区段（如优先选择工作区域）内运作，则吸入比转速能够容许适度超过Jerry hallam给的限制值。这种泵通常包括：
1）原油（氮氧化合物）步骤泵。由于其步骤一般是相对稳定的，极少有系统卡顿（暂态）或迅速流量转变的需要。
2）调速或带旁路系统的泵。根据调速或旁路系统（并非根据出入口阀来调整流量）操纵，使泵维持在一个相对稳定的区间运作。比如由汽轮发电机或液力耦合器或变频控制的离心水泵，尽管它运行状况会发生变化，但是通过调速使泵一直处于高效率区域内运作。
6.2   现代主义设计技术的发展
一般通过现代科技、并非采用传统增加叶轮通道孔径来改变泵吸入特性的设计方案，容许适当增加吸入比转速限制值。比如：
1） 叶轮叶子向泵通道边适度延展，等同于提升一只小的诱导轮。
2） 后掠叶子，从而减少其外缘的所有气蚀。
3） 选用歪曲叶子，不仅有利于提升离心泵水力效率，与此同时能改善离心泵吸入特性。
4） 提升叶轮叶子外缘轮廊（如果采用双曲线外缘轮廊、薄化吸入侧叶片厚度等），可有效限定叶子外缘的压力峰值和减少对一部分负载下运转的比较敏感水平。
5） 运用当代电脑计算可视化技术给出叶轮入口设计可改善的标准，从而更好地控制与掌握叶轮过流道中流量及应力分布状况。

   7      汇总

吸入比转速与离心泵稳定性息息相关。
吸入比转速的限制值不可视作一个硬性条件，而是应该当作一个警示标识。
吸入比转速是帮助自己作出决策的一个专用工具。可能在贴近限制值时慎重选择是明智的选择，但还有其他要考虑的层面，例如系统软件的总体运营成本。
应当与泵经销商/生产商一同明确、并认证可靠的工作中区段。
20个世纪80时代给的吸入比转速的限制值并不是不能超越，只要符合一定的前提条件，则可容许适当增加。

   8      注意事项及特别提示

8.1    高吸进比转速泵运用注意事项
1）运作部位。偏移BEP越来越远，不高效运行的概率越多。
2）NPSH裕量。伴随着NPSH裕数量的增加，不高效运行的概率减少。
3）吸进动能。伴随着吸进能量提升，不高效运行的概率也在不断增加。
4）通道管路。规格越多、直管段越久，流动速度越小、渗流越低，对高效运行就越好。
8.2   特别提示
要特别说明的是，人们对于安全性、生命周期成本及其降到最低排出的日益高度重视，用以一些危险区及关键工作状况的离心水泵（如核电厂及运输危险化学品用泵等），在没有任何相同工作状况运作销售业绩支撑点的情形下，提议慎重选择超过限制值的商品。