圖2：不同運行工況點泵徑向推力及可靠性曲線 上接：離心泵的基本理論和工作原理（上）。

前言

在“離心泵的基本理論和工作原理（上）”中，我們討論了系統(tǒng)（而不是泵）決定泵在性能曲線上的運行位置。我們還討論了“液體特性”，如比重、懸浮固體、pH值和粘度，以及它們對泵和系統(tǒng)的主要負(fù)面影響。

如果你已經(jīng)在泵行業(yè)工作了幾天以上，我相信你已經(jīng)聽說過最佳效率點（BEP）這個術(shù)語。從本質(zhì)上講，所有離心泵都是針對曲線上的一個流量和揚程工作點而設(shè)計的。流量X和揚程Y的這一設(shè)計點通常稱為BEP或最佳運行點，用戶通常將其定義為額定工況點。而所有其它可能的工作點在不同程度上與效率、汽蝕、徑向推力（軸偏轉(zhuǎn)）和回流問題相對應(yīng)。忽略這些應(yīng)用問題將縮短軸承和機械密封的使用壽命，使泵的可靠性降低，運行成本增加。

如果時間和金錢不是問題，泵OEM將樂于為用戶的獨特運行點進(jìn)行專門的設(shè)計和制造泵。是的，這種情況確實發(fā)生過，但并不經(jīng)常發(fā)生。

圖1：泵可靠性/運行區(qū)間示意圖

允許工作區(qū)

當(dāng)然，大多數(shù)終端用戶通常不會只有一個工作點，他們希望泵能在通常稱為安全或允許工作區(qū)（AOR）的較寬的區(qū)域內(nèi)工作。假設(shè)最終用戶知道泵在其曲線上的運行位置，并完全理解泵將在系統(tǒng)曲線強制其運行的位置運行。

如果你遇到泵故障，問題可能是泵選擇錯誤和/或系統(tǒng)曲線計算錯誤？假設(shè)泵的選擇是應(yīng)用的折衷的最佳選擇方案，并且由于許多泵的應(yīng)用需要在BEP的設(shè)計區(qū)域以外運行，因此有一些方法來管理負(fù)面影響。所有緩解方法都承擔(dān)著降低泵效率的額外成本，但增加的成本通常是可靠性和維護成本降低的可接受的折衷方案。你可以與你的泵銷售人員、技術(shù)人員/工程師或知識淵博的系統(tǒng)設(shè)計人員探討多種方法來減少或消除負(fù)面影響。如果無法確定泵的壓差（例如一套簡單的壓力表或傳感器即可解決問題），那么泵可靠性的第一個選項是安裝一組壓力測量儀表（進(jìn)口側(cè)一只，出口側(cè)一只），然后計算泵在曲線上的運行位置。

遠(yuǎn)離BEP運行的泵有什么大不了的？

簡單的答案是，如果泵跑得太右，也就是說，在曲線末端或附近，泵將發(fā)生汽蝕，結(jié)果將是產(chǎn)生高的振動，這將快速損壞機械密封和軸承，葉輪也可能遭受汽蝕損壞。

正如我在培訓(xùn)課程中經(jīng)常說的那樣，“曲線的末端……就是曲線的終點。”如果泵制造商認(rèn)為你可以或應(yīng)該在那里工作，他們會延長曲線。每個人都想要更多的自由度，但物理定律一直在阻礙著我們。

在曲線末端附近要考慮的另一個重要因素是徑向推力，當(dāng)你遠(yuǎn)離BEP并向曲線末端移動或處于曲線末端時，徑向推力將成倍增加。根據(jù)軸撓性系數(shù)（L3/D4），軸可能會偏轉(zhuǎn)一定量。軸偏轉(zhuǎn)是軸在運轉(zhuǎn)時的動態(tài)彎曲，每轉(zhuǎn)一圈發(fā)生兩次。以3,550 rpm旋轉(zhuǎn)的軸每分鐘就會產(chǎn)生7,100 次偏轉(zhuǎn)。軸偏轉(zhuǎn)會損壞機械密封和軸承。更重要的是，過度偏轉(zhuǎn)往往會導(dǎo)致軸循環(huán)應(yīng)力疲勞和斷裂。此外，請注意，如果停機并將軸從泵上拆卸下來，你可能發(fā)現(xiàn)軸將是完全筆直的。正如我之前提到的，撓度是一種在運行過程中可能發(fā)生的彎曲現(xiàn)象。如果軸已經(jīng)彎曲和/或葉輪失去平衡，情況會嚴(yán)重惡化。

在曲線左側(cè)運行泵也會產(chǎn)生負(fù)面影響。當(dāng)我們說向“左側(cè)”運行時，我們指的是在BEP和關(guān)死點之間的運行點運行（有時簡稱為SO）。關(guān)死點是沒有流量（即零流量）的點，例如關(guān)閉出口閥。在關(guān)死點附近運行也會增加徑向推力并使軸偏轉(zhuǎn)，這與我們在最右邊（曲線末端附近）時討論的現(xiàn)象相同，并受到相同的負(fù)面影響。與曲線左側(cè)相比，在曲線最右邊所經(jīng)歷的徑向推力的唯一區(qū)別是，現(xiàn)在從相對側(cè)（180度反向）施加推力。

圖2：不同運行工況點泵徑向推力及可靠性曲線

大多數(shù)泵制造商都會建議你的泵在曲線BEP左側(cè)的最小流量以上運行，這通常被稱為最小連續(xù)穩(wěn)定流量（或允許流量）。最小連續(xù)穩(wěn)定流量（MCSF）是指泵在任何時間內(nèi)都不得低于的運行流量。沒有定義的是時間量，我建議盡可能減少時間。泵的能量（軸功率）越高，在此流量下允許的時間就越短。

考慮這一點的一種基本方法是將驅(qū)動器的功率轉(zhuǎn)換為英國熱量單位（Btu），然后意識到大部分能量都用于加熱泵殼中的液體，同時軸每轉(zhuǎn)1圈彎曲兩次。

在確定可接受的最小流量點時，需要計算/評估四個因素。在本文中，我們只研究主要的兩個因素。第一個是從泵的機械角度來看：從徑向和軸向推力的角度來看，泵能承受多少動態(tài)載荷？第二個是從熱力學(xué)角度來看的：液體在什么時候轉(zhuǎn)化/閃蒸為蒸汽？泵OEM將針對機械和熱因素確定泵的最小連續(xù)穩(wěn)定流量，其中較高者將成為該泵的最小流量。

系統(tǒng)必須向泵供應(yīng)液體

換句話說，離心泵不吸入液體。在本文的第1部分中提到，由于對離心泵的這種誤解，大多數(shù)泵問題發(fā)生在系統(tǒng)的吸入側(cè)。“這主要是由于一個普遍的誤解，即泵會將液體'吸入'到泵中 - 其實它們不會。系統(tǒng)的吸入部分必須提供所需的能量，以將液體輸送到泵中。這通常是通過重力或大氣壓力實現(xiàn)的。”

從技術(shù)角度來看，泵葉輪確實在葉輪正前方產(chǎn)生了一個較小的壓差，但能量水平不足以克服啟動和維持流量所需的重力和摩擦力。此外，請注意，液體不具有拉伸特性，因此泵無法將液體吸入自身。

描述泵吸入法蘭處系統(tǒng)吸入側(cè)所需能量的一種方法稱為裝置汽蝕余量（NPSHA），這是離心泵一個基礎(chǔ)性的問題【泵沙龍注：涉及汽蝕方面的議題，《泵沙龍》中相關(guān)的文章較多，如“離心泵基礎(chǔ) – 了解離心泵汽蝕”、“離心泵NPSH裕量：工程實踐中無法回避的問題”、“福斯公司談離心泵汽蝕及其預(yù)測”、“關(guān)于汽蝕及其現(xiàn)場問題處理，服務(wù)工程師有話說”、“全面理解汽蝕及其對離心泵的影響”、“離心泵汽蝕安全裕量的探討”】。

NPSH

泵OEM/制造商將設(shè)計和測試其泵，以確定必須的凈正吸入壓頭（NPSHR，即泵的必需汽蝕余量）。也就是說，對于曲線上的幾個工況點，系統(tǒng)必須滿足泵吸入口所需的相應(yīng)能量。泵制造商有責(zé)任根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行此測試并報告/公布結(jié)果。

相反，對于任何給定的系統(tǒng)設(shè)計和相應(yīng)的流量，都會有一定數(shù)量的NPSHA。準(zhǔn)確確定/計算NPSHA是系統(tǒng)設(shè)計師的責(zé)任。NPSHA必須大于NPSHR，所需的裕量將根據(jù)此處未涵蓋但可在美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會/水力協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)9.6.1 - 2012中引用的幾種情況而有所不同。

如果NPSH裕量不足，泵將發(fā)生汽蝕，壽命短。汽蝕是指液體流（通常就在葉輪前面）中形成蒸汽汽泡，然后這些汽泡沿著葉輪葉片在一定距離內(nèi)坍塌。通常，汽泡在葉片長度的前25 %至33 %范圍內(nèi)破裂。汽泡將在葉片的凹面（非工作面）坍塌。

關(guān)于MCSF的注釋

請注意，對于給定尺寸的泵，如果一個制造商聲明其最小連續(xù)穩(wěn)定流量低于另一個制造商，這并不意味著它一定是更好的泵。這可能只是意味著制造商在可靠性方面更加保守（泵沙龍注：即泵的運行區(qū)間相對較寬）。

汽蝕注意事項

你可能認(rèn)為液體不夠熱，不足以形成蒸汽泡，也可能不是在環(huán)境壓力下。但請記住，如果充分降低壓力，你可以在室溫下將水煮沸。如果將壓力降低到絕對壓力0.363 psia，你可以在70 °F（21 °C）將水煮沸。

不要將汽泡（vapor bubbles）和氣泡（air bubbles）混淆。液體流中夾帶氣泡的破裂對葉輪幾乎沒有造成損壞。在氣泡阻礙液體流動的地方，可能會出現(xiàn)氣縛（air bind）。而蒸汽泡卻具有很高的能量，可在短時間內(nèi)嚴(yán)重?fù)p壞葉輪。實際損壞程度將因能量水平、液體特性和葉輪材料而異。

僅僅因為具有足夠的NPSH裕量，并不意味著就不會出現(xiàn)汽蝕或損壞。即使有很高的NPSH裕量，也可能會出現(xiàn)汽蝕現(xiàn)象（如內(nèi)部回流以），盡管可能不是非常具有破壞性。

你還可能會在葉輪葉片的凸面（工作面或高壓側(cè)）上看到汽蝕損壞，這通常是由于回流汽蝕造成的。這種損壞不是由于NPSH裕量不足，而是由于泵在BEP和接近關(guān)死點之間的不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)運行。發(fā)生這種情況的實際工作點（面積）是葉輪吸入比轉(zhuǎn)速的函數(shù)。而吸入比轉(zhuǎn)速以最簡單的形式表現(xiàn)為葉輪吸入側(cè)的設(shè)計幾何形狀。