著魔的NPSHA

原標(biāo)題：NPSHA的逐步計(jì)算，作者：Jim Elsey

來(lái)源：榮格國(guó)際泵閥技術(shù)商情，泵友圈整理。

 

在心理學(xué)中，特別是涉及到內(nèi)省問(wèn)題時(shí)，有種說(shuō)法：“你抵制什么，什么就會(huì)持續(xù)下去。” 以前聽過(guò)的，還會(huì)再次聽到。據(jù)稱，在泵的世界，被誤解最多的概念是凈正吸入壓頭（NPSH）。有很多泵技術(shù)人員、工程師及所謂的專家寫了很多此類文章。

 

NPSH這個(gè)縮寫，其名稱本身讓大多數(shù)泵的新手產(chǎn)生了混淆。它所關(guān)注的主題、所需的計(jì)算讓眾多行業(yè)新手、外圍人士（運(yùn)營(yíng)商或管理者）和專業(yè)人士感到困惑，甚至在業(yè)內(nèi)工作25年之久后， 還錯(cuò)誤地相信，他們完全理解NPSH意味著什么。

 

建議大家對(duì)這個(gè)問(wèn)題予以重視，因?yàn)橛行g余量（NPSHA）的計(jì)算出錯(cuò)非常頻繁，糾正起來(lái)也很昂貴。

 

由于作者每年都會(huì)在幾所泵學(xué)校教書，課程內(nèi)容相當(dāng)部分在于幫助學(xué)生理解NPSH的概念以及如何完成計(jì)算。 在教學(xué)過(guò)程中，作者會(huì)介紹在正常的行業(yè)應(yīng)用中可能遇到的五個(gè)主要問(wèn)題。這 些實(shí)例改編自“Cameron Hydraulic Data Book”的第1章。

 

作者會(huì)逐步介紹這5個(gè)實(shí)例，希望幫助讀者通過(guò)學(xué)習(xí)，掌握這幾個(gè)實(shí)際案例以及現(xiàn)實(shí)中可能碰到的類似的問(wèn)題。

NPSH、NPSHa及NPSHr的定義

凈正吸入壓頭是以英尺（或米）為單位的總吸入壓頭，減去被泵送液體的蒸汽壓力（以英尺或米為單位）。把壓頭想象成能量等級(jí)，而不是像壓力一樣的力。 所有值均為絕對(duì)值。

 

NPSHa在泵中心線或葉輪孔處測(cè)量。 兩者可以在不同的地方或高度測(cè)量。把 NPSHa看作是泵入口或葉輪孔處液體的可用能量水平。如果沒有足夠的NPSHa，液體會(huì)閃蒸成蒸汽。

 

不要將NPSHa與吸入壓力混淆。雖然吸入壓力在某種程度上是混合物的一個(gè)組成部分，但更為復(fù)雜。

NPSHa是系統(tǒng)在泵葉輪孔處所具有的 NPSH水平。該NPSHa值完全是液體及其特性、環(huán)境條件以及吸入系統(tǒng)設(shè)計(jì)和幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。本質(zhì)而言，計(jì)算與吸入系統(tǒng)本身有關(guān)，應(yīng)由系統(tǒng)所有者、最終用戶和 /或其工程師或顧問(wèn)完成，與泵無(wú)關(guān)。出于責(zé)任方面的原因，制造商通常不參與客戶的計(jì)算。但隨著時(shí)間的推移，制造商會(huì)更多參與其中，以提供維護(hù)保養(yǎng)支持。

 

所需凈正吸入壓頭（NPSHr）通常由泵制造商參照經(jīng)驗(yàn)方法、液壓協(xié)會(huì)（HI） 的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范確定。NPSHr值通常報(bào)告在泵的性能曲線上。

 

注意，NPSHr和NPSH3本質(zhì)上是相同的。在給定的壓頭和流量工作點(diǎn)，由于NPSH不足，泵已經(jīng)出現(xiàn)輕微的氣蝕現(xiàn)象，壓頭下降了3%，而流量固定在某個(gè)值上。

 

NPSH余量是指NPSHa值超過(guò)NPSHr 的水平。有一些建議或適當(dāng)余量的指南認(rèn)為余量越高越好。更多信息請(qǐng)見ANSI/HI 9.6.1-2012部分關(guān)于本話題的內(nèi)容。

 

NPSHa：公式還是數(shù)字？

公式可以被視作我們的“朋友”， 因?yàn)橐坏┲懒苏_的公式，就可以簡(jiǎn) 單地按照公式的要求填上相應(yīng)的數(shù)據(jù)、條 件，完成數(shù)學(xué)步驟，并得出正確的答案。 如果不喜歡公式，也許應(yīng)該研究一下圖 1，看看在用公式之前發(fā)生了什么。

 

 

在圖1中，有一個(gè)處于環(huán)境溫度（68 華氏度，比重為1.0）、承受大氣壓的清 水罐。此處的水箱和泵系統(tǒng)的高度接近 海平面。水箱中水位頂面高于泵中心線10 英尺，稱之為“灌注吸入”，因?yàn)橐后w來(lái) 源于泵葉輪的上方。歡迎關(guān)注泵友圈微信公眾號(hào)。從水箱到泵吸入口有 尺寸合適的管道，帶有一只彎管和一只 全開的隔離閥。假設(shè)水位在10英尺處保持 不變，但現(xiàn)實(shí)中需要為更糟的情況計(jì)算 NPSHA，因?yàn)樗缓芸赡茉谳^低處。

 

在這一點(diǎn)上，根據(jù)圖中給出的信 息，可以得到除了摩擦壓頭外所有計(jì)算 NPSHa所需的數(shù)據(jù)。在第一個(gè)實(shí)例中，將 計(jì)算摩擦壓頭以使問(wèn)題簡(jiǎn)單化。忽略速度 水頭，因?yàn)樗闹低ǔ：苄　?/span>

 

在后續(xù)的實(shí)例中，將討論摩擦壓頭 的計(jì)算方法，并計(jì)算和演示速度水頭會(huì)對(duì) 結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響。

 

要計(jì)算NPSHa值，需要知道：

•液體表面上方或液體表面的絕對(duì)壓力

•靜壓頭，即從水面頂部到泵葉輪孔（如果相同，則為泵中心線）的垂直距離。

•泵送液體的蒸汽壓力，可根據(jù)溫度輕松計(jì)算，且比較容易找出該值。

•摩擦壓頭，已計(jì)算過(guò)，本例建議設(shè)為3.2英尺。

•速度水頭，通?？梢院雎圆挥?jì)，為簡(jiǎn)單起見，先跳過(guò)，在本系列后面的文章中予以討論。

計(jì)算灌注吸入的NPSHa

1.對(duì)于使用公制的讀者來(lái)說(shuō)，這些部 件也可以米為單位，但單位要保持一致。

2.蒸汽壓和摩擦總是負(fù)值，因此總是 不利的。

3.絕對(duì)壓力可以為零，但根據(jù)定義不 能為負(fù)。

4.假設(shè)液體源頭位于泵的下方而不是 上方，在“提升”的情況下，如果液位 低于泵的吸入口（而不是“灌注”的情 況），則靜態(tài)高度為負(fù)值（該情況稱為 “提升”），方程式中的這個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)您 不利。

5.不需要關(guān)心泵或系統(tǒng)的排放側(cè)，以 便進(jìn)行NPSHa的計(jì)算。

6.綜上所述，NPSHa公式中的大多數(shù) 組成部分都對(duì)您不利?，F(xiàn)在開始理解為什 么吸入源需要升高、淹沒、在大氣中敞開 和/或在較低溫度下用液體加壓。

 

計(jì)算公式：

 

NPSHa=絕對(duì)壓力-絕對(duì)蒸汽壓力+靜水壓頭-摩擦壓頭，或者NPSHa=A-V+S-F

或NPSHa=ha-hvpa+hst-hf

 

NPSHa=34-0.783+10-3.2=40.017英尺，或四舍五入為40英尺。式中，絕對(duì)壓力= ha，絕對(duì)蒸汽壓力= hvpa，靜水壓頭= hst，摩擦壓頭= hf，單位為英尺。

 

如前所述，我們擁有實(shí)際數(shù)據(jù)填充公式中四個(gè)部分的信息，完成計(jì)算，確定 NPSHa。

方程中的第一個(gè)變量(ha)表示敞口水箱上方的絕對(duì)壓力值。上面已提到過(guò)，該系統(tǒng)處于海平面位置。

 

敞口水箱中的液體受大氣壓力影響。在海平面位置，可以假定大氣壓力接近14.7磅/平方英寸的絕對(duì)壓力（psia）， 或0磅/平方英寸（psig）。注意，大氣壓 力的變化會(huì)影響NPSHa值。

 

現(xiàn)在只需把大氣壓從psia換算成英尺壓頭。將14.7乘以2.31，結(jié)果是33.957英尺，四舍五入為34英尺。方程中第一個(gè)變量的值為34英尺。

 

方程式中的第二個(gè)變量是hvpa，也即在給定溫度68 F下液體的蒸汽壓力。要得到蒸汽壓力值，只需在參考書“Cameron Hydraulic Data Book”（《卡麥隆液壓數(shù)據(jù)手冊(cè)》）中查找。該值（飽和蒸汽絕對(duì)壓力）通常以psia為單位，將直接隨溫度而變化，液體類型不同，hvpa也不同。

 

查找得到的值應(yīng)為0.33889 psia。將該數(shù)字乘以2.31，將壓頭轉(zhuǎn)換為以英尺為單位。所得值為0.7828英尺。四舍五入到 0.783英尺?，F(xiàn)在方程中的第二個(gè)值是： 0.783英尺。

 

方程中的第三個(gè)變量是靜壓頭 （hst）。這是從液體表面到泵中心線 （葉輪孔）的垂直距離。記住要測(cè)量最壞的情況（最低期望水平）。本例標(biāo)明的靜態(tài)高度為10英尺，不需要轉(zhuǎn)換，因?yàn)橐呀?jīng)使用了正確的單位。現(xiàn)在，方程中第三個(gè)變量的值已經(jīng)計(jì)算出來(lái)，為10英尺。

 

方程式中的第四個(gè)變量為（hf）是管道中的摩擦損失，之前提供的值為3.2英 尺?，F(xiàn)在已經(jīng)有了四個(gè)計(jì)算值的答案。

 

請(qǐng)注意，給定的3.2英尺的摩擦系數(shù)是液體特性、流速、管道（吸入系統(tǒng)）材 料和幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。簡(jiǎn)單而言，對(duì)于給定的液體流速，會(huì)因管道長(zhǎng)度、彎管、閥門、水箱出口損失（從大到小的過(guò)渡段） 和泵的入口損失（從管道到泵噴嘴的直徑變化）而產(chǎn)生摩擦損失。

 

最后還要記住，并沒有討論公式中的第五個(gè)變量，即速度水頭（hvel）。在 適當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)（牛頓液體在非泥漿工況）中，速度水頭的值通常小于1英尺。

 

速度水頭部分的值為正值?，F(xiàn)在有四個(gè)所需的值來(lái)填充進(jìn)公式，并計(jì)算出 NPSHA的答案。

所有單位均以英尺為單位。壓力為絕對(duì)值。

 

請(qǐng)仔細(xì)閱讀本例，看看是否能得到相同或相似的值。

 

參考：Cameron Hydraulic Data Book，第16版