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水泵吸入能量对离心泵产生的影响2023-06-08 16:50:02

内容介绍了吸入能量定义的由来、现况、界定、级别区划及其可能会影响的一些要素,同时通过典型性案例较清楚反映了吸入能量对离心泵产生的影响。这会对解决实际工程实践中可能发生的与泵自身不相干的难题的困扰时具有一定的参考功效,仅作各位同仁参照。

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工程项目在实践中,不知道各位是不是经历过这样的状况:一些离心泵设计方案符合实际技术标准[1]、标准[2]所规定的NPSH裕数值(NPSHA-NPSHR)或裕量比(NPSHA/NPSHR),可是在许可的工作中区域内却出现了气蚀;而另一些泵虽然几乎没有什么NPSH裕量运行中却一切正常,为何?这就涉及到离心泵吸入能量这个概念。

 

1.1 通道逆流(suction recirculation)

当泵在一些总流量下(小于最高效率点总流量)运行中,也会导致离心叶轮通道区域内的流量与叶子分离出来从而形成循环系统涡旋的情况,这正是通道逆流。这种涡旋会到离心叶轮上产生巨大的力,与此同时造成震动或受损。工作经验说明,通道逆流产生的概率与吸入能量相关。

1.2 优先选择工作区域(preferred operating region, POR)和容许工作区域(allowable operating region, AOR)

API610第11版规范[3]界定如下所示:

POR:在这个区域范围总流量下运行中,离心泵震动处在本规范的最基本程度以内。

AOR:在这里区域范围总流量下运行中,离心泵震动比较高,但依然是“能接受的”水准。

1.3 新生汽蚀余量(incipient cavitation,NPSHi)

根据美国水力发电研究会(HI)的概念:离心泵汽蚀余量(NPSHR)就是指因为叶轮叶片里的气蚀蒸气阻塞流动性,造成总水泵扬程(多级离心泵为第一级离心叶轮的水泵扬程)降低3%的汽蚀余量。如今普遍使用NPSH3取代NPSHR。NPSH3并非气蚀的开端。

实际上,当第一只汽泡造成时气蚀便现在开始,这时的汽蚀余量即是新生汽蚀余量。

1.4 吸入比转速(suction specific speed)

吸入比转速要在给出转速比下、水泵扬程降低3 % 后的必不可少汽蚀余量、以较佳高效率点(BEP)平台流量计算出来的,是一个与离心泵吸入特性有关参数值。吸入比转速是检验一台离心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 = 离心泵转速比,企业rpm;Q = 最好高效率点总流量,企业m3/h;针对单吸离心叶轮,Q为流量,针对双吸离心叶轮,Q为流量的一半;NPSH3 = 在较佳高效率点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。

注:将这些公制单位推导出来的吸入比转速乘于指数0.86就类似等于美制部门的吸入比转速(rpm-gpm-ft),英制企业吸入比转速通常用符号Nss表明。

 

相信不少离心泵同行业也没有听过“吸入能量(suction energy, SE)”这个概念,这是伴随NPSH裕数值或裕量对比的明确而引起的。在作者所接触过的技术标准内,发现起源于ANSI/HI 9.6.3-1997规范[4]中。

之后在ANSI/HI 9.6.1-1998规范[5](下称98版规范)之中吸取该定义,而且阐述了危害吸入能量的多种因素、吸入能量级明确等,并针对不同能量级提出了推荐的最小NPSH裕量或裕量比。

它是一个与离心叶轮通道孔径、泵转速、吸入比转速及地泵介质比例有关参数值。该参数尺寸将直影响到了NPSH裕量或裕量对比的尺寸,从而会对新项目初期运营成本、泵零部件的使用期及泵组能不能长期性稳定运行。

吸入能量值一般用于新项目前期系统和离心泵的型号选择进行评价(依据SE等级来挑选NPSH裕量或裕量比),以分辨新项目装置设计标高是否可行。假如设备(NPSHA)没法提供充足的NPSH裕量,则需根据其他行得通的方式去防止泵气蚀损伤的产生。

因为无法依据吸入能量系数的尺寸较清晰地推算出离心泵机械振动噪声的产生、因气蚀所造成的机封和轴承使用寿命的下降,和预防这种负面影响所需要的较准确的NPSH裕量或裕量比,针对具体工程实践好像可执行性较弱。

因而,ANSI/HI 9.6.3-2012版[6]及ANSI/HI 9.6.1-2012版[7]规范(ANSI/HI 9.6.1-2012下称12版规范)中都删掉了吸入能量这个概念,但却在推荐的最小NPSH裕量或裕量比时参考了高与非常高吸入能量泵运用上的一些工作经验。

随着近年来离心泵市场在许多高与非常高吸入能量泵上使用工作经验不断增长,以及客户对安全、环境保护、使用寿命等要求也越来越高,越来越多的人开始体会到吸入能量对离心泵的稳定运行所产生的深远影响,尤其是在一些高与非常高吸入能量离心泵运用中,按要求推荐与传统工作经验所选用的NPSH裕量或裕量比,却远远地没法满足客户现场使用需求。与此同时,也有许多海外同行业,对于很多实践应用,在不断的健全着SE这个概念。

吸入能量的概念[4],SE是离心叶轮通道(impeller eye)处液态动量矩的测量。SE简易版的理解是:泵通道管公称通径(D)、泵转速(n)和吸入比转速(Nss)间的相乘,见公式计算(2)。在其中:D的单位是英尺(in),转速比的单位是rpm,Nss为英制企业吸入比转速(rpm-gpm-ft)。

SE = D × n × Nss   (2)

SE的更加精准的理解是:将泵通道管尺寸D换为离心叶轮通道孔径(De),见公式计算(3)。留意:他们一般贴近同一规格。与此同时,比例(SG)也导入到公式计算中,假如地泵物质为凉水,该要素将不会存有,但如果地泵开水或其他液体,则须衡量该要素。

SE = De × n × Nss × SG   (3)

假如离心叶轮通道孔径不明且不能明确,则可以用下列要素开展估计:针对端吸泵,将泵通道管管径乘于0.9;针对水准中开或轴向通道泵,将泵通道管管径乘于0.75。

 

依据上述公式换算得出来的SE将是一个很大的数据,因而通常采用一种缩写方式的科学计数法来描述。

吸入能量分为三个等级[8]:低吸入能量、高吸入能量和非常高吸入能量。

1) 低吸入能量:小于高SE级值界定为低SE。

2) 高吸入能量:针对端吸泵,SE值高于或等于160 × 106(英制企业)时界定为高SE;针对网格划分式泵和轴向通道泵,SE值高于或等于120 × 106(英制企业)时界定为高SE。

3) 非常高吸入能量:是高吸入能量的1.5倍。针对端吸泵,SE值高于或等于240 × 106(英制企业)时界定为非常高SE;针对网格划分式泵和轴向通道泵,SE值高于或等于180 × 106(英制企业)时界定为非常高SE。

作者注:将这些英制企业测算出来的吸入能量除于指数2033就等同于公制单位的吸入能量,或者把公制单位计算出来吸入能量乘于2033就等着于美制部门的吸入能量。

ANSI/HI 9.6.3-1997和98版标准下各自给出了判别高吸入动能离心泵区间图,详细图1a(公制单位)与图1b(美制企业)。

图1a   高吸入动能泵判别图(公制单位)

如下图1b图示,在适度的吸入比转速曲线图以上泵被称作高吸入动能泵;非常高吸入能量泵能够界定为具体离心叶轮转速比是图1所示的1.5至2.0倍或更高一些范围之内泵。

图1b   高吸入动能泵判别图(美制企业)

比如,通道管经为10”、吸入比转速为9500(美制企业)的端吸泵,表明存在于1800 rpm转速比下逐渐具有较高的吸入动能。若该泵以3600 rpm(2倍1800 rpm)的转数运作,则认为该泵具有较高的吸入动能。

 

从以上公式计算(3)能够得知,离心泵吸入动能随离心叶轮通道孔径、泵转速、吸入比转速及地泵物质比例增大而变大。

危害吸入动能的因素很多,98版标准下列出一些相关因素:

1) 离心叶轮通道直径的工作转速。该值小于15米/秒(50 ft/sec)时,一般被称之为低吸入动能;而高过约35米/秒(120 ft/sec)时,一般被称之为高吸入动能。

2) 离心泵吸入比转速。吸入比转速值小于约8000公制单位(7000美制企业)一般表明吸入能量低,而高过约23000公制单位(20000美制企业)则被称作吸入能量高。

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3) 地泵液体比例。比例越多,吸入动能越大。

4) 液态热学特点。凉水是非常难地泵的物质之一,具有较高的气蚀汽泡内爆动能(具有很高的吸入动能)。水挥发(多效蒸发)的时候会大幅度澎涨,在常温下1磅水大约为4.5×10-4m3,但在多效蒸发状况下能造成超出34m3的蒸气,容积比为75000:1。

5) 泵进口几何结构。离心叶轮进口的处流动速度转变越多,流动速度越多,能量级越大。因而,针对网格划分式离心泵轴向通道,因为在离心叶轮前方直角拐弯,而具有很高的吸入能量级。

6) 叶轮叶片的重合。比如在2只或3只叶片离心叶轮上发觉重合值低于约15度(如图2),会让高出口压力(动能)在低流量下逆流到离心叶轮入口中。重合就是指一只叶子(低电压侧)的边缘与下一个邻近叶子(在直径处)的进口外缘重合的视角量。

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7) 叶轮叶片通道与注入的物质间的倾斜角。一般,叶轮设计成在额定流量下具备“零”倾斜角。比较高或相对较低的总流量造成注入的物质与叶轮叶片通道顶尖中间的视角不一致。倾斜角越多,渗流和吸入动能越多。

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图2   叶轮叶片重合平面图

8) 吸入口管路的几何结构。管路拐弯、管道尺寸的改变,及其泵入口所产生的渗流将会增加泵入口的吸入动能。

9) 避开离心泵最好高效率点运作。当总流量减少时,泵很有可能则在通道逆流区域运作。偏移最好高效率点总流量运作会增加与叶轮叶片的倾斜角,通道逆流也会增加吸入能量级。

 

很多工程项目社会经验证实:吸入动能越多,泵标准的NPSH裕量或裕量比也就越大。

98版标准下针对不同运用、具有独特吸入能量级的离心水泵给出了泵AOR内推荐的最小NPSH裕量或裕量比(如表1)。

表1中所列数据信息来自很多泵生产商的使用工作经验。

表1   最少NPSH裕量/裕量比手册

 

有关吸入动能对离心水泵的实际危害,海外同行业开展了很多的科学研究。

“吸入动能”定义的第一次规模性认证是把的应用于2个工业生产工厂的当场维修保养记录中,2个加工厂一共有100台端吸泵和中开泵。之后也对数百台不同种类的“高吸入动能”和“非高吸入动能”离心水泵展开了进一步的认证。结论如下图3所显示,稳定性指数为1.0时,等同于大概4年“大概常见故障间隔”或更高一些。能够得知,伴随着吸入体力值的提高,离心泵稳定性会显著降低[9]。

创作者注:以上检验的泵的种类在选用时,未依据吸入能量级别来挑选NPSH裕量或裕量比。

图3   吸入动能与离心水泵稳定性指数关联平面图

98版规范确立:

一般而言,高吸入动能泵容易受噪音和振动危害,但在并没有提供充足的NPSH裕量的情形下,不容易遭到明显的浸蚀毁坏(特别是在是采用耐腐蚀性高的离心叶轮原材料)。在NPSH裕量不好的情况下,非常高吸入动能泵更可能遭受气蚀毁坏。

应用表1中推荐的最小NPSH裕量或裕量比运转的高与非常高吸入动能泵,一般具备被称之为“能接受的”密封性和轴承使用寿命。他们将会依然容易受噪声水准上升和风轮的浸蚀毁坏,与彻底清除汽蚀现象对比,这也许更加需要频繁的拆换离心叶轮。一般,必须NPSHA为离心泵NPSH3的4至5倍才能完全清除汽蚀现象。针对非常高吸入动能泵,该比率会达到20;对于有些低吸入动能泵,该比率能够低于2。

下边根据几类独特工作状况运用的离心泵典型性案例,来较清楚地表明吸入动能对离心水泵产生的影响。

1) 立柱式透平泵(vertical turbine pump)

对于大部分规范立柱式透平泵而言,NPSH裕量一般不是一个考虑的问题,因为它一般具备相对较低的吸入动能,而且气蚀噪声一般不是事。可是,在离心泵AOR内(包含低水位),NPSHA务必高于或等于NPSH3(推荐的NPSH裕量之比1.0)。

对于这种运用(比如发电厂用凝结水泵),在额定流量下一般具备最小NPSH裕量,而且泵务必设计为可以承受一些气蚀的情形下运作。与此同时,第一级离心叶轮应使用抗气蚀原材料。

2) 消防水泵

气蚀毁坏和时间相关。泵在气蚀环境下运作时间越长,毁坏水平越多。由于这种缘故,间歇性运转的消防水泵很少见到气蚀破损的难题。

3) 发电厂冷却循环水/冷却水泵

与石油泵处理氮氧化合物液态不一样,凉水在挥发(多效蒸发)的时候会大幅度澎涨。当具备更高一些毁坏能量蒸气泡破损时,可能导致更高冲击性速率、对泵零部件导致严重受损;而热水的特点类似氮氧化合物液态。因此,12版标准下要求:在AOR内,泵最少具备1.0 m的NPSH裕量。

4) 闭式冷却塔用泵

针对闭式冷却塔用泵,从低吸入动能到高吸入能量,表1推荐的最小NPSH裕量之比1.3~2.0,或最少NPSH裕量为0.9~1.5米,以很大者为标准;而12版规范推荐的NPSH裕量比分别是1.1(在POR内)和1.3(在AOR内)。

因为水处理药剂的功效,闭式冷却塔水的化学性质一般发生了变化。这种添加物也会提高汽压,可能会导致比纯净水计算出来的NPSHA变低。

具体工程施工流程:参考文献[9]所涉及到的2套大中型工业冷却塔里的六台大中型全生铁双吸中开泵。该泵为高吸入动能泵,NPSH裕量之比1.36(高过12版但小于1998版标准推荐值)。但是,从运作时就观查到高机械振动噪声。

大概运行9个月后,泵逐渐出现异常。在拆解和检查的时候,发觉通道叶片上存在严重的凹痕(因为汽蚀所以被腐蚀),并且在一些地方叶片出现破孔;机封和滚动轴承也受到了毁坏。显然,1.3倍NPSH裕量比彻底不能满足该工作状况使用需求。与此同时,因为地泵物质具有一定的腐蚀,需要考虑挑选抗汽蚀的叶轮原材料。

5) 百万机组核电厂基本大岛主离心泵

主离心泵(单极双吸轴向网格划分卧式离心泵)是一种很高吸进能量泵。

为了保证它在全部所规定的运行工作状况内都不产生汽蚀,同时为了达到核电厂对于该泵60年总体方案设计使用期限规定(叶轮尽管归属于离心泵正常磨损件,但KSB企业保证在AOR内,叶轮比通用性泵具备更久的使用期 - 一般可以达到100000个小时以上),KSB企业在40很多年设计和运行工作经验的前提下,梳理出以NPSHi作为主要离心泵的必不可少汽蚀容量,并在此基础上挑选外置泵的扬程[10]。NPSH裕量比做到4倍左右。

 

大型泵【叶轮通道孔径超出450mm(18 in)】比小型泵更容易出现汽蚀毁坏。

携带的小量汽体(1~2%)能够缓冲汽蚀汽泡塌陷所产生的撞击力,并可以减少所产生的噪声、机械振动浸蚀毁坏。

液态里面含有提升饱和蒸汽压的添加物时,也会增加汽蚀损害的危险性。

高吸进比转速泵在大进口的端流动速度下运行时,有可能在震动比较大的情形下发出响声,假如没有一定的NPSH裕量或裕量比,有可能出现小于离心泵设计方案使用期限的现象。

推荐的NPSH裕量或裕量比可能会因泵种类、叶片重合与应用而改变,针对更高的运行转速比和/或者在离心泵POR之外的持续运行,提议采用更高的NPSH裕量或裕量比。

最好泵技术性能遵照适度的吸进管道施工(少弯管、少大小头、防渗流)。

凉水是非常难地泵的物质之一,在挥发(多效蒸发)的时候会大幅度澎涨。当气泡破裂时,也会导致相对较高的冲击性速率,因而具有很高的吸进动能。

假如系统软件好像得到了匪夷所思的与泵自身不相干的难题的困扰,请确认SE等级。

假如运用具有较高的、但是不是比较高的SE,那样应探寻一切可能性的减轻要素,比如结构材料、携带气体或废气、和/或液态热学等多种因素。如果出现减轻要素,通常是在AOR内具备1.1至1.5的最小NPSH裕量比就够了。

假如具备一定的NPSH裕量或裕量比、而且在AOR内选了适宜的叶轮,则仍需要评定整个系统设计方案。典型性做法就是:一方面要根据离心泵最好工程实践,另一方面应该考虑系统软件初期成本费。

在项目设计及开发中,不但要防止NPSH裕量或裕量比太低对泵(组)的平安稳定运行产生安全隐患,另外还应尽量避免NPSH裕量或裕量比太高而可能造成离心泵挑选非最好,从而增加机器设备/泵房和运行成本费。

高与非常高SE泵必须比标准推荐值更高的NPSH裕量或裕量比。

假如系统软件好像得到了匪夷所思的与泵自身不相干的难题的困扰,请确认SE等级。