气穴控制 汽蚀余量性能指标：NPSH(π)

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欢迎访问e展厅 展厅 2 真空设备/泵展厅 水泵, 罗茨泵, 螺杆泵, 齿轮泵, 离心泵, ... 本文为评估离心泵工作中的气穴风险提出了一个新的概念。Edward Grist博士解释说，以NPSH(π)——汽蚀余量性能指标为评估基础的方法成本低廉，简单易用，能够为泵制造商和用户双方都带来帮助。 离心泵制造商无法保证泵不会发生气穴现象，该问题一旦出现，就将造成严重的后果，其影响可能是长期的，也可能取决于泵的工作方式。同样地，泵的用户则要确信其所选的泵的确适合其应用，并且已经采取了所有合理的措施来避免出现不可接受性能（unacceptable performance）。 目前用于解决该问题的计算方法相当复杂，不易被新用户或者不常用泵的用户所理解。需要一种成本低、易于使用的方法来对泵制造商所宣称的“能够避免气穴现象”的承诺进行验证。这种基于汽蚀余量性能指标NPSH(π)的方法就能满足这种需要。它能够成为泵验收试验标准的一部分。 改变工程方法 NPSH(π)及其对应的最佳效率流量Q(π)定义了在理论参考转速下，由于气穴现象而导致离心泵性能变差的边界条件。它基于对已知危险区域的实际评估和工业气穴试验的经验。它具有非常广泛但是有限的应用。 参考转速为3600rpm。NPSH(π)涉及的几个方面包括： ◆ 液压性能损失 ◆ 气穴冲击（液力诱发） ◆ 汽蚀 用有关的试验数据来说明不可接受性能的复合边界条件，在该试验中气穴现象导致输出扬程（generated head）下降3%。这种被称为NPSH(3PC)的数据源于一项水温在2℃到40℃的“冷”水试验。其应用局限于流速在最佳效率值50% 到120%之间的范围内。 就水来说，从40℃到150℃的热力学性质变化所引起的NPSH(3PC)的减少量与水温测量中普遍存在的误差基本相当。对于所有的工程实践，基于“冷”水试验数据的NPSH(π)值可以应用于2℃到150℃的水，无需进行修正。 NPSH(π)和Q(π)值共同用于说明某一台泵的特点。前者得到的数据能够对转速在900 rpm到5400 rpm之间的泵进行可靠的气穴性能评估。应用NPSH(π)值的唯一条件是，连续工作时的流量处于最佳效率流量值50%-120%的范围内。 应用NPSH(π)方法的第一步工作是由泵制造商进行“冷水”气穴试验。方便起见，该试验的转速nT设定在900rpm-3600rpm之间。在该试验转速下，首先确定最佳效率流量值QT和NPSH(3PC)T，然后利用它们来计算NPSH(π)和Q(π)的值。用这些数值对特定的泵进行描述。 为特定的应用选择一台合适的泵，需要评估必需汽蚀余量NPSH(R)，从而将气穴现象的风险减至最小。只需利用泵的工作流量QG[有时指的是“保证流量”（guarantee flow）]，相应的泵转速nG，以及之前所确定的NPSH(π) 和Q(π)值进行简单的计算即可完成该项工作。NPSH的定义如ISO 9906:2000中所述。所用符号在文中出现时会对其进行解释。 NPSH(π)评估的基础 NPSH(3PC 通常将气穴性能定义为相对于不发生气穴现象时的输出扬程/流量曲线的偏离程度。目前国际上在进行性能比较时普遍将扬程损失3%，即NPSH(3PC)，作为这种偏差的基准值。 获得NPSH(3PC)数据的方法有两种，一种是如图1所示的恒定流量法，另一种是如图2所示的恒定NPSH法。前者耗时短（小于15分钟），但是需要一种试验设备来确保当NPSH减小时保持严格的流量控制；后者耗时久（因为从外部实验装置的读数不容易清楚地了解泵内发生气穴现象的程度），但是所需要的实验设备是最简单的。运用两种方法得到的对应于QT的NPSH(3PC)T值是完全相同的。 冷水 工业气穴试验使用“冷水”，能够毫不费力地得到可靠、可重复的NPSH(3PC)结果。但是对于非常热的水和大部分的其他液体，情况则并非如此。在有关NPSH(π)计算的上下文中，对“冷水”的描述限制在2℃-40℃的水温之间。 对20℃的水进行水温测量时若出现2℃的误差，则它引起的NPSH(3PC)误差小于0.03m。相比于转速高于900rpm的泵的典型NPSH(3PC)值，这点误差微不足道。此外，有多项证据表明，在2℃-40℃的水温范围内，水的必需NPSH(3PC)值几乎不变；本文在后文中介绍气泡在水中变大的这一节中解释了这一现象的原因。 参考转速-3600rpm 在全世界所制造的大部分泵中，它们的工作转速都低于3600rpm。这是因为大部分泵都由交流电机来驱动，工作电源频率为50Hz或者60Hz。采用3600rpm作为参考转速具有实际意义。转速低于3600rpm的泵具有低NPSH(3PC)值——至多为3-5m。从3600rpm到较低转速的比例换算所引起的误差小于0.2m，相比于设备的尺寸，这种误差的确非常小。 根据其他的泵转速进行换算 运用所谓的关联规则（affinity rule），根据其他的泵转速进行换算，调整不发生气穴问题时的输出扬程和泵的流量。这是一种早已建立的计算方法，并且其准确性也得到了验证。现在对这些规则在哪些情况下能够正确有效地用于计算NPSH数据进行分析。 如果两台泵的内部通道尺寸相似，并且二者出现的气穴现象也相似，那么就可以应用以上规则。假设x=2，NPSH(3PC)随[泵转速]x而变化；流量随泵转速而变化。 图3显示了基于NPSH(B)的试验结果，NPSH(B)表示当气穴现象导致输出扬程彻底坍塌时的汽蚀余量。因为不发生气穴现象和NPSH(B)是两种可能出现的极限工况，显然像NPSH(3PC)这样用于性能比较的扬程损失标准将是两个极限值的中间值。在能够得到准确试验结果的范围内，图3显示了当x=2时，应用于特定泵的试验情况。 图3还显示了关于试验数据的一个更加详细的例子，它表明，指数x可以低至1.98。其他在计算时所用指数值x小于2的泵在有关文献中已经有过介绍，这些泵难免会存在不同的内部几何轮廓/泵腔容积关系。 结论如下，使用x=2来计算不同转速时的NPSH(3PC)数据略微过高地估计了实现类似工况的必需NPSH值。所以，在评估气穴现象的风险时，若以转速为3600rpm时的数据为基础，运用“泵转速的平方”这一关系来推导出更高转速下的数据，会因为过分追求安全而导致计算结果出现误差 ；若以转速3600rpm为基础，推导出较低转速下的数据，则会出现一个微小而无关紧要的误差。 在气穴风险的评估中，使用NPSH(3PC)值来计算泵的转速的这种方法合理有效，其中： (i) NPSH(3PC)随泵转速的平方值而变化 ； (ii) 最佳效率流量随泵的转速值而变化。 根据更高的水温进行换算 可靠的数据 工业应用中，NPSH(3PC)试验使用2℃-40℃之间的水，这些试验提供了关于NPSH(π)值的可靠数据。在更高的水温下，蒸汽压力迅速增大，从而引发了一些问题，例如，液流内的温度可能发生变化，温度测量设备的准确性变差等。 低估泵送流体的温度会造成严重的后果。在高温入口管道的管壁测量的温度并不能代表流体主体内的温度。在许多泵内设有旁路平衡支流，这些支流将液流从泵的出口支管送回入口支管。混合不匀将导致“热点”首先发生气穴现象。表1显示，当水温超过100℃以后，若对水温低估2℃，将会导致NPSH值的不准确性迅速增大。 业内人士一致认为，当泵送水处于更高的温度时，必需汽蚀余量NPSH(R)就会减小。对于转速低于5400rpm的泵，其“冷水”NPSH(3PC)值通常远远小于10m。有关文献中所提及的热水气穴试验，其数据特点颇为多变，但是，即使热水试验数据值可能比冷水试验数据小50%，也不会带来任何实质的好处，因为在泵入口处的温度测量可能存在不准确性，从而导致任何可能存在的好处都消失殆尽。 实际的做法是对转速不超过5400rpm的所有泵都使用冷水NPSH(3PC)数据，并且使得水在高温时由于热力学性质变化而带来一些好处，从而提供少许无法量化的安全裕度。对NPSH(3PC)数据进行推算，从而获得令人满意的保护措施，这种做法确实过于偏重安全性，但总能得到适用于泵的转速低于5400rpm的商业可行的解决方案。对于更高的转速情况，这种谨慎的方法会导致NPSH(R)的值超过多达数十米。有两种办法可以解决这个问题：提高入口管道的高度或者工作压力；使用第二台“增压”泵协同工作。 注意，对于工作转速大于5400rpm的泵，必须对几种可能性进行估算，以获得最好的结果。包括考虑本文介绍的NPSH扬程损失法，并对利用了成本高昂、技术先进的视觉气穴试验（visual cavitation test）所获得的较低必需汽蚀余量NPSH(R)是否更加恰当进行评估。 气泡在水中变大 图4显示了有关气泡大小与泵内部几何轮廓之间相互作用关系的理论性预测。根本性的发现是 ：气泡的成长受到气/液边界处传热极限的影响。实践表明，当假设所有气泡表面的曲率半径都可以由许多球形气泡的单值半径来代表时，上述发现就能有效地用于进行性能的对比。研究工作的结果表明： (i) 在2℃-43℃的温度范围内，气泡尺寸较大且几乎不变； (ii) 在20℃时，气泡的尺寸随着泵转速的增大而微微变大； (iii) 当水温超过100℃后，气泡尺寸大大减小； (iv) 在143.3℃时，对于相同程度的“堵塞”，预计会出现数以千计的微小气泡。 研究结果再次证明，选择2℃-40℃作为评估的基础是正确有效的。结果还支持了前面所提及的一项结论，即，用x=2来根据转速计算NPSH(3PC)的值是一种安全的假设。 有趣的是，理论研究的结果还解释了为什么出现轻微的爆裂声往往意味着“冷水”气穴现象的出现，在水温较高的情况下则听不到这种噪声。此外，研究还发现，破坏性最强的汽蚀问题就发生在冷水中。 根据其他的流体进行分析 对于那些在发生气穴现象时具有与水的特点类似的流体，我们可以具体情况具体分析。确定不适合使用NPSH(π)的流体主要有液态金属，例如汞，它具有独特的传热特点。此外，还有易挥发的碳氢化合物。泥浆和非常粘滞的流体也不适合使用扬程损失的概念进行气穴性能的比较。 气穴性能边界条件 液力性能的损失 每个流量下的NPSH(3PC)值都明确指出了在发生气穴时会使输出扬程减小的那个点。使这些流量下的NPSH（3PC）值增大三分之一，可以确保泵送性能始终如未发生气穴现象的性能曲线一样。 防止性能损失的最小NPSH=1.3 × NPSH(3PC)。 这个数据确定了气穴的瞬时容许极限。它的应用局限在特定的流量范围，在这些流量下，不会发生冲击或者仅出现短时（小于五分钟的）冲击，因而不需要很高的NPSH来防止汽蚀。通常，它用于确定入口管道压力波动的容许极限。 气穴冲击 当发生气穴现象时，液力冲击可能造成极为严重的损伤。谨慎起见，如果存在这种风险，就不能使用泵。一般来说，当流量低于最佳效率流量的30%时，就会出现这样的冲击。在高性能泵中，需要一个低流量保护系统来防止泵在低于下述流量值时执行工作： 防止气穴冲击的最小流量=最佳效率流量的30%。 值得一提的是，当被泵送的液体自由膨胀或者温度发生变化时，会出现液力诱发的气穴冲击。热力诱发的气穴冲击则可能发生在能够闭合的泵管道系统内，例如，在具有上下游止回阀的管道系统中。这对于高能泵来说是一个不可忽视的安全问题。 汽蚀 汽蚀是一种非常严重的破坏形式，它使叶轮材料的性能发生迅速退化。众所周知，当泵送冷水时，其危害表现得尤为严重。之所以会形成具有危害作用的气泡，通常是因为在“非设计”工况下，叶轮叶片的进口角与流入的液流不匹配。汽蚀对泵的叶轮所造成的损伤会在数小时之内使叶轮报废。最糟糕的情况出现在流量远高于或者远低于最佳效率流量时。如果泵在连续工作时的流量被限制在最佳效率流量的50%-120%这一范围内，那么就能基于NPSH(3PC)数据来确定工程实践中能够避免汽蚀现象的切实可行的边界条件。 与指定工作流量有关的NPSH(3PC)数据可用于计算某台泵的充分防护等级（adequate protection level）。但是，无数次的实践经验表明，问题在于泵的实际工作流量往往与预期的工作流量相去甚远。 称职的系统设计师所设计的系统通常能够闭合；而那些生疏的用户所设计的系统则很少能够闭合。 对于泵转速低于5400rpm，流量在最佳效率流量的50%-120%范围内的连续工作而言，最小的NPSH值应该为NPSH(3PC)的2.5倍。 NPSH(3PC)边界条件 从之前的观察结果显然可以看出，如果达到以下条件，就能提供足够的保护，使出现严重气穴问题的风险降至最低。 1.泵的工作流量限制在最佳效率流量值的50%-120%的范围内。 2.对于泵转速低于5400rpm的情况，最小NPSH值至少是NPSH(3PC)的2.5倍。 NPSH(π)的应用局限 NPSH(π)只能用于解决和气穴保护有关的问题。它不能用于计算泵的压力安全壳的强度，或者判断某些制造材料是否合适。其适用范围可扩展至2℃-150℃的水温，以及900rpm-5400 rpm的泵转速。对于那些在发生气穴现象时具有和水类似特点的其他液体，可以具体情况具体分析。不适合使用NPSH(π)的流体包括易挥发的碳氢混合物、液态汞、泥浆，以及其他高粘度流体。(end)

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