【原】离心泵基础 - 认识离心泵曲线

前言

应部分读者的要求，《泵沙龙》将编写一些《离心泵基础》的系列文章，旨在介绍离心泵设计、选型和应用等方面的基础知识。初步定为12个部分，具体如下：

1）什么是离心泵

2）离心泵类型

3）离心泵主要零部件

4）离心泵设计

5）认识离心泵曲线

6）如何选择离心泵

7）了解离心泵汽蚀

8）如何确定电动机规格

9）使用带VFD的离心泵

10）离心泵结构材料

11）离心泵常见系统

12）离心泵常用监测仪表

本文是《离心泵基础》系列文章的第五篇，将简要介绍：如何从性能曲线中了解到离心泵的很多重要信息？

注：文章中的NPSH3等同于NPSHr。

什么是泵曲线？

泵曲线是泵性能特征的图形表示，习惯称为泵性能曲线或泵特征曲线。

泵曲线提供了大量有关泵性能方面的信息。信息绘制在X-Y轴系图上，其中X轴显示的是流量刻度范围，Y轴显示的是扬程、功率、效率和NPSH3刻度范围。

图1为API 610标准所提供的泵性能曲线样式。

图中，

X – 流量，单位 m³/h；

Y1 – 扬程，单位 m；

Y2 – 效率，单位 %；

Y3 – 功率，单位 kW；

Y4 – NPSH3，单位 m。

1为流量–扬程曲线；

2为流量–功率曲线；

3为流量–效率曲线；

4为流量–NPSH3曲线。

a为优先工作区；

b为允许工作区。

图1：API 610标准要求的离心泵性能曲线（样式）

含义说明

1）优先工作区（POR）

API 610标准定义：应当给泵一个优先选用的工作区，此工作区位于所提供叶轮的最佳效率点（BEP）流量的70%~120%区间内。额定流量点应位于所提供叶轮最佳效率点流量的80%~110%区间内。见图1中a所示的蓝色区间。

2）允许工作区（AOR）

API610标准定义：在此区间内的流量下运行时，泵的振动较高，但仍然是“可以接受的”水平。该区间为最小连续稳定流量点至最大允许工作流量点之间。见图1中b所示的红色区间。

工程实践中，大多数离心泵最小连续稳定流量通常为最佳效率点流量的25 % ~ 30 %，小型离心泵相对小一些，而大型离心泵可能达到最佳效率点流量的35% 以上。最小连续稳定流量与比转速、吸入比转速、泵型大小及温升有关。绝大多数离心泵最大允许工作流量通常为泵最佳效率点流量的120 % ~ 125 %，其主要由比转速、NPSH裕量、驱动机功率大小等因素决定。

很多国外同行产品目录上提供的性能曲线样式如图2。

图2：日本EBARA公司OH2型泵性能曲线

说明：将流量-效率曲线绘制成等值线的形式，可以很方便地看出不同流量和扬程工况是否高效区及所处高效区的位置。

流量和扬程

性能曲线提供的第一条信息是泵在任何给定工作流量下产生的扬程。针对具体的使用工况，一些泵的性能曲线通常仅提供（某一叶轮直径下的）单根流量-扬程曲线，如图1。但大多数泵制造商产品目录或投标文件中都提供最大叶轮直径、额定工况时的叶轮直径和最小叶轮直径下的流量-扬程曲线，见图2。通过切割的方式获得额定工况时的叶轮直径和最小叶轮直径。API 610标准规定：除非得到买方的批准，否则不允许使用最大叶轮直径的泵。

另外，API610标准对流量-扬程曲线的形状也有具体要求：对于所有应用条件，泵最好具有稳定的流量-扬程曲线（即扬程曲线呈连续上升状到关死点为止）。如果买方规定是并联运行，则除了具有这种稳定的流量-扬程曲线以外，还要求曲线上的扬程上升量至少应当是额定流量点扬程的10%。

示例1

需要的泵型参数：额定流量220 m³/h，额定扬程40 m，额定NPSHr≤3 m。

选型：以图2为例，先从横坐标轴上找到220 m³/h的流量点，划一条与（最大叶轮直径413 mm下的）流量-扬程曲线相交的垂直线，然后从交点处划一条与纵坐标垂直的线，从而可以得出最大叶轮直径下的扬程：约为50 m。

考虑到离心泵叶轮允许切割的特性，从纵坐标轴上找到40 m的扬程点，然后划一条与纵坐标的垂直线、并找到与220 m³/h流量点（与横坐标垂直线）的交点（见图3中的红色直角线处），该交点便是泵所需的性能点。

图3：离心泵选型示意图

从图3可以看出：

1）  设计条件下所需的叶轮直径为376 mm，处于最大叶轮直径413 mm和允许的最小叶轮直径317 mm之间；

2）  NPSHr≤2.5 m（因为所需叶轮直径处于最大和最小允许叶轮直径之间）；

3）  效率≥76%（处于等值线76%包围圈的高效区以内）。

4）  该泵最佳效率点流量约为212 m³/h，额定流量为220 m³/h，符合API 610标准规定的“额定流量点应位于所提供叶轮最佳效率点流量的80%~110%区间内”。

由此可见，该选型是合理的。

效率

除了流量和扬程外，所有泵性能曲线都提供了效率信息。

在给定运行条件下，离心泵的总效率（介质为水时）为水的输出功率与轴输入功率之比。

泵制造商产品目录上提供的均为常温、清水下的效率。针对某一特定应用，泵制造商应提供特定介质、额定工况（额定流量、额定叶轮直径、额定转速、额定温度）下的流量-效率曲线。如果为粘性介质，应换算到指定粘度下的流量-效率曲线。

对于示例1所选泵型，BEP处于流量212 m³/h、扬程40 m处，BEP处的效率处于76 %到78%之间

优先工作区

应特别注意：BEP相对于运行工况所在的位置，泵在BEP或BEP附近运行最佳。因此，对于示例1中的泵来说，其优先工作区大约处于148.4 m³/h至254.4 m³/h之间，即212 m³/h的70 %至120 %。

最好选择大部分时间在优先工作区内运行的泵，因为这会有利于延长泵的使用寿命、并降低功耗。但需要注意的是，对于某些具有高比转速叶轮的泵，优先工作区相对较窄（通常约为BEP的85%至110%）

允许工作区

泵制造商而非标准化组织定义了另一个运行区间：允许工作区。这是泵制造商针对每一具体泵型所确定的区间，是所选泵型允许长期连续运行的工作范围。

虽然最好选择在POR内运行的泵，但必须确保选择在AOR内运行的泵。通常可以接受AOR以外的短时间运行，但严禁超出AOR范围的较长时间运行。如果可能有超出AOR范围以外的运行情况，则应提前告知、并向泵制造商咨询。

最小连续稳定流量和系统曲线

图1中允许工作区b对应的最左侧那条红线和图4中最左侧那条红线，表示的均是最小连续稳定流量（MCSF）线。这是泵制造商确定允许泵长时间运行的临界流量点。

图4中，从0 gpm和0 ft开始并延伸到设计工况点的蓝色曲线，是系统曲线，代表所应用的泵系统的运行情况。系统曲线与（叶轮直径为16.3125 in的）扬程曲线的交点 - 红色直角线处，即为该泵的设计运行工况点：流量1000 gpm，扬程100 ft

系统曲线信息应由设计泵系统的工程师提供。在泵设计/选型软件中，可以通过手动输入数据来操纵/调整系统曲线，这在评估泵的变速性能时特别有用。

图4：泵性能及系统曲线

泵必需汽蚀余量NPSHr 

图5：泵汽蚀曲线（上）和功率曲线（下）

图5的汽蚀曲线，提供了泵在不同流量下的吸入特性信息。横坐标为流量，纵坐标为泵的必需汽蚀余量。曲线上的每个点都确定了泵在该流量下所需的NPSHr，以避免可能出现损坏泵并对整体泵性能产生负面影响的汽蚀问题。

从图5的流量-汽蚀曲线可以看了，在1000 gpm的设计流量下，泵的必需汽蚀余量约为7 ft。对于大多数普通离心泵，一些标准规范中规定的典型的汽蚀安全裕量为2 ft （0.6米）。因此，在这种情况下，通常建议不要将该泵应用于设计流量为1000 gpm时装置汽蚀余量NPSHa小于9 ft的场合。

功率曲线

性能曲线的最后一部分是功率曲线。仍然以流量为横坐标，纵坐标为功率，见图5中的功率曲线。这条曲线告诉人们，在任何特定流量点泵需要多少功率。该信息有助于确保选择合适的电动机配用功率。

从图5的功率曲线中可以看出：在1000 gpm的设计流量下，泵所需的功率大约为30 hp，功率需求在大约1,300 gpm时最大。根据这些信息，如果泵由电动机驱动，则可根据电动机的大小/合同要求（确定合适的配用系数）最终选择出合适的电动机配用功率。

关于电动机的配用系数的确定，API 610标准中有详细规定，可作为参考。

总结

当流量-扬程、流量-效率、流量-功率和流量-汽蚀曲线组合在一起时，称为复合泵性能或特征曲线（见图1），它们提供了人们需要的信息，以确定特定泵是否适合所应用工况的水力要求。了解曲线各部分传达的信息，对于确保所选泵适合应用的水力系统以及能否安全可靠运行至关重要。