著魔的NPSHA

原標(biāo)題：NPSHA的逐步計算，作者：Jim Elsey

來源：榮格國際泵閥技術(shù)商情，泵友圈整理。

 

在心理學(xué)中，特別是涉及到內(nèi)省問題時，有種說法：“你抵制什么，什么就會持續(xù)下去。” 以前聽過的，還會再次聽到。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、所需的計算讓眾多行業(yè)新手、外圍人士（運營商或管理者）和專業(yè)人士感到困惑，甚至在業(yè)內(nèi)工作25年之久后， 還錯誤地相信，他們完全理解NPSH意味著什么。

 

建議大家對這個問題予以重視，因為有效汽蝕余量（NPSHA）的計算出錯非常頻繁，糾正起來也很昂貴。

 

由于作者每年都會在幾所泵學(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算。 在教學(xué)過程中，作者會介紹在正常的行業(yè)應(yīng)用中可能遇到的五個主要問題。這 些實例改編自“Cameron Hydraulic Data Book”的第1章。

 

作者會逐步介紹這5個實例，希望幫助讀者通過學(xué)習(xí)，掌握這幾個實際案例以及現(xiàn)實中可能碰到的類似的問題。

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，而不是像壓力一樣的力。 所有值均為絕對值。

 

NPSHa在泵中心線或葉輪孔處測量。 兩者可以在不同的地方或高度測量。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)計和幾何結(jié)構(gòu)的函數(shù)。本質(zhì)而言，計算與吸入系統(tǒng)本身有關(guān)，應(yīng)由系統(tǒng)所有者、最終用戶和 /或其工程師或顧問完成，與泵無關(guān)。出于責(zé)任方面的原因，制造商通常不參與客戶的計算。但隨著時間的推移，制造商會更多參與其中，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)驗方法、液壓協(xié)會（HI） 的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范確定。NPSHr值通常報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，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%，而流量固定在某個值上。

 

NPSH余量是指NPSHa值超過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”， 因為一旦知道了正確的公式，就可以簡 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”，因為液體來 源于泵葉輪的上方。歡迎關(guān)注泵友圈微信公眾號。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)實中需要為更糟的情況計算 NPSHA，因為水位很可能在較低處。

 

在這一點上，根據(jù)圖中給出的信 息，可以得到除了摩擦壓頭外所有計算 NPSHa所需的數(shù)據(jù)。在第一個實例中，將 計算摩擦壓頭以使問題簡單化。忽略速度 水頭，因為它的值通常很小。

 

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

 

要計算NPSHa值，需要知道：

•液體表面上方或液體表面的絕對壓力

•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)溫度輕松計算，且比較容易找出該值。

•摩擦壓頭，已計算過，本例建議設(shè)為3.2英尺。

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

計算灌注吸入的NPSHa

1.對于使用公制的讀者來說，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”），方程式中的這個數(shù)據(jù)對您 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的計算。

6.綜上所述，NPSHa公式中的大多數(shù) 組成部分都對您不利?，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。

 

計算公式：

 

NPSHa=絕對壓力-絕對蒸汽壓力+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，絕對壓力= ha，絕對蒸汽壓力= hvpa，靜水壓頭= hst，摩擦壓頭= hf，單位為英尺。

 

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

方程中的第一個變量(ha)表示敞口水箱上方的絕對壓力值。上面已提到過，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/平方英寸的絕對壓力（psia）， 或0磅/平方英寸（psig）。注意，大氣壓 力的變化會影響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。方程中第一個變量的值為34英尺。

 

方程式中的第二個變量是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》）中查找。該值（飽和蒸汽絕對壓力）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)在方程中的第二個值是： 0.783英尺。

 

方程中的第三個變量是靜壓頭 （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，因為已經(jīng)使用了正確的單位。現(xiàn)在，方程中第三個變量的值已經(jīng)計算出來，為10英尺。

 

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

 

請注意，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)。簡單而言，對于給定的液體流速，會因管道長度、彎管、閥門、水箱出口損失（從大到小的過渡段） 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變量，即速度水頭（hvel）。在 適當(dāng)設(shè)計的系統(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)在有四個所需的值來填充進(jìn)公式，并計算出 NPSHA的答案。

所有單位均以英尺為單位。壓力為絕對值。

 

請仔細(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