关于离心泵的**选型有很多说法和争议，大部分讨论涉及泵系统的优化设计。这些讨论中缺乏的是关于优化意味着什么、如何实现以及优化的结果是什么等共识。人们通常使用“优化”来指代以下任何一种和全部的泵：



1）初期成本**的泵



2）耗能*少的泵



3）生命周期内维护*少的泵



4）使用时间*长的泵



上述每一项都是指定泵的一个有价值的目标。实现的越多，泵就越优化。然而，这些目标在现实世界中可能并不一致，也不可能同时满足（泵沙龙补充）。







图1：流动阻力对轴挠度和工作温度的影响（图片由Ruthman公司提供）



在泵送清洁流体的应用中，转子更容易对中。在涉及除水以外的流体或含有固体或空气的应用中，这种对中更难实现。



在优化泵的选型之前，需要了解整个系统的设计目标和流程。在目前的离心泵世界里，通常很少有非常糟糕的泵的设计。然而在随后的用户现场运行中发生故障时，往往将责任归咎于泵是很常见的。



泵和机械密封的故障通常很少是由于泵或密封设计不当造成的。相反，绝大多数泵的过早失效是由以下原因造成的：



1）给定系统的泵选型不当



2）系统运行不当（超出系统的原始要求）



3）安装不当



本文将重点介绍泵的选型和运行。虽然正确安装对泵的成功运行至关重要，但由于受到篇幅的限制，安装并非本文讨论的问题。



泵**运行的界定



要了解如何实现泵的**选型，首先必须了解泵**运行是什么样的。



泵制造商通过性能测试确定每种型号泵的**效率，该点称为**效率点（BEP）。在BEP处，*少的流体被旁通回低压（泵吸入）侧。此时泵运行*平稳，通过泵的流量*纯净（无旁通、无内部回流 - 泵沙龙注），泵轴承上的径向负载*小。



在正常运行期间，一个好的经验法则是离心泵始终在BEP的50%到120%之间运行。这个范围的原因是基于设计的物理原理。该区域的运行确保了*可靠的运行和**的运行效率，同时具有**的轴承负载、湍流和振动。





图2：性能曲线上相对于BEP不同位置的径向负载和轴偏转量



如果流量因系统中的限制而减少，对于蜗壳式泵，则在壳体蜗舌（cutwater）之后的位置会形成一个相对低压的区域。这会产生一个力，使叶轮和轴在泵旋转时偏向该区域。



相反，则在蜗舌之前会产生一个低压区，导致轴和叶轮向该低压区偏转。



这两种情况都不利于泵和机械密封的健康。图1显示的是在这些条件下壳体内的合成压差。



这种压差会导致轴偏转、振动和轴承负载增加。图2显示了相对于BEP不同位置转子所承受的径向载荷和轴偏转量的大小（绿色*小，深红色区域**-泵沙龙注），**径向载荷和*小轴偏转量在泵的BEP附近。



从表面上看，在BEP处选择适合应用工况的泵将是**选择，但这是基于系统永远不会出现波动的情况下。在现实世界中，很少有泵在与性能测试相同的受控条件下运行。泵系统在运行期间通常会发生变化（或者出现较大波动-泵沙龙注）。正是这种变化或波动往往没有得到考虑，且没有转达给泵设计工程师。



使用仅根据BEP选型的泵，流量波动可能导致泵在BEP之外运行。从BEP来看，只需要出现20 %的偏离就可以在曲线上走得太远，从而增加径向载荷并可能产生汽蚀。因此，**将选择目标定在BEP的85 %左右，这允许BEP左右35 %的系统波动，而不会超出可接受的50 %到120 %的运行窗口。



图2显示了泵曲线上的**运行范围。绿色区域包含50 %到120 %的窗口，当偏移至曲线两侧的红色区域时，泵的运行将变得越来越不稳定。请注意，在泵进入非**（效率）区且可能在引起问题的运行之前，往往距离BEP较近。





图3：泵曲线上相对于BEP的推荐运行区域



为系统选择**泵



既然已经确定了性能曲线上的**运行范围，那么选择优化的泵就变得相对容易。



通常，仅仅根据一个特定的流量和扬程来选择泵是不够的。相反，应考虑泵在运行期间将经历的所有工作条件及运行范围。对于很多通用且非常普通的离心泵来说，通常没有传感器或流程控制，它的职责只是尽可能多地输送液体。



泵输送液体的量受流动阻力、泵的物理容量以及进入泵的流量的限制。离心泵只是简单地旋转并在离心力的作用下移动液体，而不考虑预期的流量或预期的压力。



例如，如果一个系统包含一只过滤器，则该过滤器的存在所呈现的设计点极限值将是过滤器清洁时和过滤器脏时。在该范围内运行给系统带来的压力波动可能是很大的，造成的扬程损失可能高达到10米以上。



例如，如果某个应用要求管道系统末端流量为100 gpm，扬程200 ft，那么泵的设计必须能够克服管道系统内的所有损失，包括一只可能脏的过滤器。假设过滤器干净时整个系统损失10 ft，过滤器变脏时损失60 ft，那么泵设计工程师需要在两种情况下确定泵的规格：扬程210 ft 时100 gpm和扬程260 ft时100 gpm。



然而，泵将在较低的扬程条件下产生更多的流量。随着流量的增加，磨擦损失也会随之增加。因此，需要了解较高流量下的系统损失，才能得出较高流量运行点的估计值。如果可能，两个工况（干净和脏的）点都应在BEP窗口的50 %到120 %的范围之内。



在系统设计和泵选型过程中，由于无法完全了解或预测实际情况下的全部运行条件，系统工程师通常会增加适当的“余量”以适应这种变化。



如果应用需要100 gpm的流量，则可能会增加20 gpm的余量作为安全系数，从而选择120 gpm的泵。此外，如果已知设计中可能出现的极限情况，例如上述场景中描述的系统过滤器变脏的情况下的可能性，则可能在200 ft的基础上增加60 ft的扬程。



有了这个余量，系统设计师可能会指定一种泵，在260 ft的扬程下产生120 gpm的流量。当泵安装到系统中且系统没有提供预期的液体流动阻力时，就会出现问题。设计人员*终获得了比预期更大的流量，并且泵可能在所需的效率窗口之外运行。



在推荐的窗口之外运行时



正是系统本身的可变性造成了许多选型不良的泵的安装和运行。在许多情况下，并非所有系统条件都已经被考虑或充分预测。如果是这种情况，泵可能会在建议的50 %到120 %的BEP窗口之外的区域运行。此外，在所有运行点都需要满足泵的必需汽蚀余量NPSHR和*小浸没深度。



当泵在推荐的窗口外运行时，会发生不良情况：汽蚀、过度振动和夹带空气。通常是这些因素的组合，所有这些因素都可能会给泵带来伤害。



在高流量条件下（大于BEP的120 %），由于装置汽蚀余量NPSHA随着流量的增加而减少，而泵的必需汽蚀余量NPSHR增加，因此维持足够的NPSH裕量可能成为一个问题。在高流量条件下，轴承的径向载荷也会迅速增加。



在低流量条件下（小于BEP的50 %），泵仍然试图移动（输送）大量流量，但系统中的限制迫使一部分流量从高压侧（泵吐出侧）返回到低压侧 - 泵的吸入侧。这种反向流动会导致泵中出现过度的湍流和振动。低流量条件也会导致轴承上的径向载荷迅速增加。



这些情况通常会导致机械密封、联轴器、轴承和泵的其它零部件过早失效。零部件故障并非因为其设计制造质量的原因，而是泵的运行工况所引起的。



特殊工况的选型设计



泵的选择涉及一系列权衡。在清水应用中，需要的权衡是*少的。大多数离心泵都可以输送清水，通常会在预期的流量和压力下运行。在优化中，目标是选择效率高（意味着损失少）和运行可靠的泵。



在非清水和其它具有挑战性的应用中，高固体含量、大固体、夹带空气或异常的吸入条件会妨碍选择典型的离心泵。



在这些系统中，实际运行工况将与预期流量和压力有很大的波动。



在这些苛刻的工况下，可能需要在较低的效率下进行权衡，以获得在这些工况下运行所需的设计特征。



在这些应用中，因泵送流体的特性，可能会用到过滤器、硬度高的材料制成的过流零件、开式叶轮或其它特殊设计（如带衬里），从而导致泵运行效率降低。



如果极端条件的波动无法*小化，**选择可能是超出标准系统的设计。无密封泵、涡流泵和变速驱动都是更适合广泛运行工况的选项。



无密封泵



机械密封故障是导致泵停机而进行维修的*普遍原因之一。一些泵业专业人士估计，85 %的泵维修是由于机械密封失效造成的。



机械密封在运动、振动、温度波动、夹带空气和流程介质累积的恶劣应用中有损坏的风险，无密封泵完全**了这一问题组件，而是采用隔离套/屏蔽套来取代机械密封的功能。



虽然立式无密封泵并不适用于所有应用，但它在各种具有挑战性的应用中都能成功运行 - 即使是那些具有高固体含量或高温流体的应用。



在这种情况下，权衡是*小的。维护成本和可靠性方面的主要优势弥补了任何初始改造成本。



涡流泵



涡流泵的工作窗口比典型的离心泵更宽。由于其设计物理特性，它们可以处理一定量的空气夹带和固体。在运行中，即使在极端运行工况下，它们也不会对轴和轴承产生多少径向载荷。



然而，与典型离心泵相比，泵效率相对较低。



在许多情况下，为了延长泵的使用寿命，这种效率损失是可以接受的权衡。



变频驱动



变频驱动通过调节泵的转速，使运行更加灵活。通常，这种转速变化可以确保泵的运行保持在推荐的BEP窗口内。在前一示例中，较低的转速可能有助于设计者将泵保持在**运行窗口，即使在清洁过滤器的较低阻力、较高流量条件下也是如此。



包含变频驱动并不能解决所有问题，但它确实减轻了系统内运行工况变化的影响。在某些应用中，购买和安装成本是一个可接受的权衡方案，以实现更多的无故障运行。



总结



关于泵的优化，没有统一标准，因为它是特定于每种应用的目标和运行工况的。只有对BEP范围、实际运行工况及用户的预期目标具有充分的了解，才有可能对泵及系统进行良好的优化，并使初始成本、能耗、维护要求和使用寿命之间保持适当的平衡。





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