●粘度对离心泵性能影响最新标准初析及粘液泵选型经验

1粘度对离心泵性能影响最新标准的初析及粘液泵的选型经验魏宗胜1,项伟2（1.中国成达工程公司，成都610041;2.江苏海狮泵业制造有限公司，靖江214537）摘要：本文介绍了ANSI/HI9.6.7-2010标准依据参数B用正、逆运算计算流量、扬程、效率修正系数的方法。分析了用离心泵输送粘液时新旧标准修正的差别。引用实验数据和计算，证明了离心泵输送粘液时，转速升高，效率修正系数增大，因此，在满足防汽蚀的条件下，应采用较高转速。引用实验数据和计算表明，离心泵输送大流量高粘度介质时，效率修正系数应加大。讨论了粘度对NPSH3的影响及其计算方法。根据近年来的工程经验，对离心泵、旋壳泵用于输送粘液的若干问题加以总结，以期粘液泵的选型做到快捷、可靠、经济。关键词：粘度；修正系数；NPSH3修正；ANSI标准；粘液泵；选型石化、轻工等行业经常遇到粘度比水大的液体，离心泵选型时，因泵的性能曲线图均用常温清水测试得到的，因此应按粘液工况进行修正，查取流量、扬程和效率的修正系数，选出相当的清水性能泵，三个修正系数的取值就决定了粘液泵的选型正确与否。目前国内广泛采用的美国水力学会离心泵输送粘性介质性能修正标准[1,2]是依据1960年前小型油泵实验数据编制的。试验油泵的流量小，扬程不高，油粘度范围也很窄，用外推法绘制出的性能修正系数图中流量和粘度范围太大，缺乏足够的实验数据支持。两张性能修正系数图上，流量用对数坐标，扬程线和粘度线不规则排列，使用时插值不准，误差大，人工绘制输送粘液的性能曲线图，速度慢。国内外大量的实验研究和工程实践证明，输送大流量高粘度粘液时，旧标准过于保守，也未考虑转速的影响，造成所选泵和电机过大，不经济。旧标准也未涉及必需汽蚀余量NPSH3的修正。为改进已用了四十多年的泵送粘液的性能修正旧标准，美国水力学会组建了有世界十多家著名泵和化工公司参加的编制组，采纳了全球多年来大量试验数据和研究成果，使编制的新标准有输送粘液的大量实验数据支撑，该标准提出了性能修正的正、逆运算及汽蚀余量NPSH3修正的计算式,适应了电算之需。新标准于2010年12月23日被美国国家标准学会批准[3]。1ANSI/HI9.6.7-2010标准性能修正计算方法简介该标准性能修正系数的计算采用数学公式，避免了因插值法产生的误差，另一亮点是对大量实验数据处理时引入了参数B，它综合考虑了泵的雷诺数和比转速对泵性能修正的影响，流量、扬程和效率三个修正系数与参数B的关系用两张图来表示。参数B的计算式连同此两图就能直观、形象地显示各个物理量之间的数量关系。用新标准能快速、定量地计算出粘度、流量、转速对修正系数的影响结果，便于准确给出粘液泵的优化选型方案。新标准计算分两种，一是已知离心泵的清水性能，计算输送给定粘度介质时泵的性能（正运算）；二是对给定的粘液的流量、扬程和粘度，选择相应的清水性能的离心泵（逆运算）。21.1已知离心泵清水性能，计算粘液工况性能（正运算）计算步骤：①.计算参数B：25.0375.00625.050.0)()()(5.16NQHVBWBEPWBEPvis（公式1）式中QBEP-W——水工况最高效率点流量，m3/h；HBEP-W——水工况最高效率点扬程，m；Vvis——介质粘度，mm2/s；N——泵转速，rpm。此式中，粘度对参数B的影响最大，参数B与粘度的0.5次方成正比，从图1和2可看出,参数B越大，流量、扬程和效率三个修正系数越小，而参数B与流量的0.375次方和转速的0.25次方成反比，流量大或转速高有利于减轻粘性介质的有害影响，而扬程的影响很小。图1流量修正系数CQ、扬程修正系数CH与参数B的关系图(ANSI/HI9.6.7-2004报批版)图2效率修正系数Cη与参数B的关系图(ANSI/HI9.6.7-2004报批版)美国国家标准学会在审批图1、2时认为，该标准中的性能修正公式是依据B值35以下的试验数据，如B值大于40，不建议使用外推法，因此2010年ANSI批准版取消了参数B大于40右侧的曲线[3]。②.计算流量修正系数CQ：15.3)(log165.0BQeC（公式2）式中e——自然对数函数底数，e=2.71828；泵送粘液时的流量按下式计算：Qvis=CQ×Qw（公式3）式中Qvis——粘性工况流量，m3/h；Qw——水工况流量，m3/h。各种流量点的流量修正系数CQ取为相同。③.计算扬程修正系数CH：])()1[(175.0WBEPWHBEPHQQCC（公式4）式中CBEP-H——水工况最高效率点的扬程修正系数,取为等于流量修正系数CQ泵送粘液时的扬程按下式计算：Hvis=CH×Hw（公式5）式中Hvis——粘性工况扬程，m；④.计算效率修正系数Cη：)0547.0(69.0BB　C（公式6）泵送粘液时的效率修正系数按下式计算：ηvis=Cη×ηw（公式7）式中ηvis——粘性工况的效率；ηw——水工况的效率。流量、扬程、效率修正系数也可按参数B，从图1、2中查取。⑤.计算粘性工况的轴功率Pvis：visvisvisvissHQP367（公式8）式中Pvis——粘性工况的轴功率，kW；3s——粘液的比重;举例：已知ZA80-250泵的清水性能，计算输送粘度为75mm2/s粘液时泵的性能表1清水性能同工业泵选用手册，表2-38之例[2]流量点0.6QBEP0.8QBEPQBEP1.2QBEP清水性能流量Qw,m3/h76.5102127.5153扬程Hw,m9690.58267效率ηw,%6471.57471转速n,rpm2950运动粘度,mm2/s75粘液比重0.9计算结果参数B4.146修正系数流量修正系数CQ0.965效率修正系数Cη0.813扬程修正系数CH0.9760.9700.9650.959粘液性能流量Qvis,m3/h73.898.4123147.6扬程Hvis,m93.787.879.164.3效率ηvis,%52.058.160.157.7轴功率Pvis,kW32.636.439.740.31.2已知粘性工况性能，计算相当的清水泵的性能（逆运算）工程应用时已知粘液的流量、扬程、粘度、密度等条件，如何选相应的清水性能的离心泵。此方法更适合工程应用。计算步骤如下：①.计算参数B：125.025.05.0)()()(8.2visvisvisHQVB(公式9）②.计算流量、扬程修正系数CQ、CH：15.310)(log165.0)(BeCCHQ（公式10）③.计算相应的清水性能的流量、扬程：QW=Qvis÷CQ（公式11）HW=Hvis÷CH（公式12）④.根据相应的清水性能，选择合适的泵规格；⑤.计算效率修正系数Cη：)547.0(69.0BBC（公式13）根据相应的清水效率，按下式计算粘性工况的效率：ηvis=Cη×ηw（公式14）⑥.计算粘性工况的轴功率Pvis：visvisvisvissHQP367（公式15）1.3ANSI/HI9.6.7-2010标准的适用范围泵型：单级和多级离心泵，比转数ns≤60(相当于中国ns≤60/3.65)介质：牛顿型流体，运动粘度1~4000mm2/s。参数B：1B40。2离心式粘液泵采用较高转速有利旧标准性能修正未考虑转速对泵送粘液时性能的影响。有些人认为粘性高，摩擦损失大，输送粘液的离心泵应采用慢转速。对同一台泵，转速升高时摩擦损失大，这是正确的，但对于规定的流量、扬程和液体粘度，设计单位或用户有时规定用慢速泵就错了。目前虽然国内仍广泛采用美国水力学会离心泵输送粘性介质性能修正的标准中未考虑转速的影响,但国内外早已有不少实验研究表明，离心泵输送粘性介质时，如能提高转速，对提高泵的效率有利。石油大学薛敦松教授等人的实验研究表明，在输送高粘度油品时，如能提高转速，对改进油泵的效率有利的[4]。上海交大陈晓玲博士、总后油料研究所曹广军博士等人的实验研究也证明，输送粘度较高的油品时，提高泵轴转速，可以在一定程度上提高油泵的效率[5][6]。将ANSI/HI9.6.7-2010标准的公式编入Excel文件中，就能快速定量计算出不同转速时流量、扬程、4效率三个修正系数。表2为三种粘度时转速对性能修正系数的影响。表2三种粘度时转速对性能修正系数的影响流量11.5m3/h扬程50m粘度mm2/s转速rpmCQCHCη12029500.8010.8010.45314750.7610.7610.386修正系数比(快速/慢速)1.051.051.1733029500.6750.6750.2614750.6260.6260.201修正系数比(快速/慢速)1.081.081.2966029500.5750.5750.14914750.5230.5230.105修正系数比(快速/慢速)1.11.11.42从此表可看出，离心泵输送粘液时，转速升高,粘度变化对流量修正系数和扬程修正系数影响不大，但快慢转速的效率修正系数的比值在高粘度时明显加大。如其它条件均不变，粘度120mm2/s时，Cη的比值为1.17，粘度660mm2/s时，Cη的比值增大为1.42。这就意味着,在高粘度时采用较高的转速更为有利。产生这种现象的原因是，理论扬程和机械损失基本上不受粘度的影响,泵送粘液时轴功率的增加,主要是圆盘摩擦损失引起的。因此粘液的轴功率Pvis=ƒ(Q)与水的轴功率PW=ƒ(Q)之差基本上是一个恒值(与泵的运行流量无关),即增加了圆盘摩擦损失功率，仅小流量时例外，见图3[3]。图3粘液与水的轴功率之差（Pvis-Pw)与流量的关系。实验已证实，离心泵输送牛顿型粘液时，相似定律仍然有效，只是精确度比输送水为差，即针对要求的扬程，叶轮直径是与转速的平方成反比，提高转速时所需功率的增加值小于按转速立方关系得出的增加值，随着粘度的增加，叶轮和泵体密封环之间间隙处液体的泄漏量减少，也减缓了效率的降低。此外还应考虑离心泵输送粘液时的热效应。除了外部机械损失，所有的能量损失都以热的形式释放到液体里。这增加了液体的局部温度,因而粘度比泵入口温度时的粘度低，因高剪切应力所致的液体局部加热，主要影响圆盘摩擦损失和容积效率。当粘度超过大约1000cSt时，液体局部加热预计相当可观，但是不易量化[3]。只要能满足(NPSHa-NPSHr)＞0.6m的防汽蚀条件，离心式粘液泵应采用较高转速，此观点对粘液泵选型的经济性和合理性有重要指导价值。3离心泵输送大流量高粘度介质时，ANSI/HI新标准加大了效率修正系数受实验成本和条件的限制，旧标准所依据的是1960年前用泵进口2~4英寸的小型油泵进行实验得出的一批数据，对大流量高粘度粘液就出现了很大的误差。因小型泵的流道窄，造成圆盘摩擦损失的表面积与流量的比例远大于大口径泵，因而大流量泵的效率修正系数应比小型泵大得多。另外几十年前泵的制造水平、过流表面的粗糙度都不如现今的泵，也是旧标准效率修正系数较保守的原因之一。另外，离心泵输送高粘度介质时，旧标准效率修正系数更显得保守。苏尔寿公司一篇关于用离心泵输送高粘度蔗糖溶液的实验报告指出了旧标准对高粘度介质过于保守,造成所选泵和电机过大，不经济。苏尔寿公司很早就不采用美国水力学会的旧标准，而是自行开发了本公司用的粘液泵选型方法，直到参与了美国水力学会ANSI/HI9.6.7-2004标准的编制后，才参照此标准开发了本公司用的粘液泵选型软件。5下面以一种大流量泵为例，对比大流量离心泵输送不同粘度（120、610、1217mm2/s）液体时，HI新旧标准泵性能修正系数的差异。计算工况：ZA200-250,转速2950rpm，输送水时最高效率点流量600m3/h，扬程72m。表3HI新旧标准修正系数的对比粘度mm2/sCQCHCηHI新标准计算的修正系数1200.9850.9850.8856100.9160.9160.68612170.8620.8620.568HI旧标准查图的修正系数12010.960.816100.900.910.6012170.830