工程實(shí)踐中，不知道大家是否遇到過(guò)這樣的情況：一些泵的設(shè)計(jì)完全符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1]、規(guī)范[2]中規(guī)定的NPSH裕量值（NPSHA-NPSHR）或裕量比（NPSHA/NPSHR），然而在允許的工作區(qū)內(nèi)卻發(fā)生了汽蝕；而另一些泵盡管幾乎沒(méi)有任何NPSH裕量運(yùn)行時(shí)卻一切正常，為什么？這就涉及到離心泵吸入能量的概念。

1.1 入口回流（suction recirculation）

當(dāng)泵在部分流量下（低于最高效率點(diǎn)流量）運(yùn)行時(shí)，會(huì)導(dǎo)致葉輪入口區(qū)域的流量與葉片分離并形成循環(huán)渦流的現(xiàn)象，這便是入口回流。這些渦流會(huì)在葉輪上產(chǎn)生很大的力，同時(shí)引起振動(dòng)或損壞。經(jīng)驗(yàn)表明，入口回流發(fā)生的可能性與吸入能量有關(guān)。

1.2 優(yōu)先工作區(qū)（preferred operating region, POR）和允許工作區(qū)（allowable operating region, AOR）

API610第11版標(biāo)準(zhǔn)[3]定義如下：

POR：在該區(qū)域內(nèi)的流量下運(yùn)行時(shí)，泵的振動(dòng)處于本標(biāo)準(zhǔn)的基本限度之內(nèi)。

AOR：在此區(qū)域內(nèi)的流量下運(yùn)行時(shí)，泵的振動(dòng)較高，但仍然是“可以接受的”水平。

1.3 初生汽蝕余量（incipient cavitation，NPSHi）

根據(jù)美國(guó)水力協(xié)會(huì)（HI）的定義：泵的汽蝕余量（NPSHR）是指由于葉輪葉片中的汽蝕蒸汽堵塞流動(dòng)，導(dǎo)致總揚(yáng)程（多級(jí)泵為第一級(jí)葉輪的揚(yáng)程）下降3%的汽蝕余量?，F(xiàn)在普遍采用NPSH3代替NPSHR。NPSH3并不是汽蝕的開(kāi)始。

其實(shí)，當(dāng)?shù)谝恢粴馀莓a(chǎn)生時(shí)汽蝕便已經(jīng)開(kāi)始，此時(shí)的汽蝕余量即為初生汽蝕余量。

1.4 吸入比轉(zhuǎn)速（suction specific speed）

吸入比轉(zhuǎn)速是在給定轉(zhuǎn)速下、揚(yáng)程下降3 % 時(shí)的必需汽蝕余量、以最佳效率點(diǎn)（BEP）的流量來(lái)計(jì)算的，是一個(gè)與離心泵吸入性能相關(guān)的參數(shù)。吸入比轉(zhuǎn)速是衡量一臺(tái)離心泵對(duì)內(nèi)部回流的敏感程度的評(píng)估尺度。公式定義如下：

式中：n = 泵的轉(zhuǎn)速，單位rpm；Q = 最佳效率點(diǎn)的流量，單位m3/h；對(duì)于單吸葉輪，Q為總流量，對(duì)于雙吸葉輪，Q為總流量的一半；NPSH3 = 在最佳效率點(diǎn)流量和第一級(jí)葉輪最大直徑下，揚(yáng)程下降3 % 時(shí)的必需汽蝕余量，單位m。

注：將上述公制單位推導(dǎo)出的吸入比轉(zhuǎn)速乘以系數(shù)0.86就近似等于美制單位的吸入比轉(zhuǎn)速（rpm-gpm-ft），美制單位吸入比轉(zhuǎn)速通常用符號(hào)Nss表示。

相信很多離心泵同行都沒(méi)有聽(tīng)說(shuō)過(guò)“吸入能量（suction energy, SE）”的概念，它是伴隨著NPSH裕量值或裕量比的確定而產(chǎn)生的。在作者所接觸到的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范內(nèi)，發(fā)現(xiàn)其最早出現(xiàn)在ANSI/HI 9.6.3-1997標(biāo)準(zhǔn)[4]中。

隨后在ANSI/HI 9.6.1-1998標(biāo)準(zhǔn)[5]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)98版標(biāo)準(zhǔn)）中也吸收了該概念，并且詳細(xì)介紹了影響吸入能量的諸多因素、吸入能量級(jí)的確定等，并根據(jù)不同能量級(jí)給出了推薦的最小NPSH裕量或裕量比。

它是一個(gè)與葉輪入口直徑、泵轉(zhuǎn)速、吸入比轉(zhuǎn)速及泵送介質(zhì)的比重相關(guān)的參數(shù)。該參數(shù)的大小將直影響到NPSH裕量或裕量比的大小，進(jìn)而會(huì)影響到項(xiàng)目的初期投資成本、泵零部件的使用壽命及泵組能否長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

吸入能量值通常用于項(xiàng)目初期對(duì)系統(tǒng)和離心泵的選型進(jìn)行評(píng)估（根據(jù)SE級(jí)別來(lái)選擇NPSH裕量或裕量比），以判斷項(xiàng)目裝置的設(shè)計(jì)高度是否合理。如果裝置（NPSHA）無(wú)法提供足夠的NPSH裕量，則必須通過(guò)其它可行的方式來(lái)避免泵汽蝕損害的發(fā)生。

由于無(wú)法根據(jù)吸入能量值的大小較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出泵的振動(dòng)和噪音的發(fā)生、因汽蝕造成的機(jī)械密封和軸承壽命的降低，以及避免這些不良影響所需的較準(zhǔn)確的NPSH裕量或裕量比，對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用似乎可操作性不強(qiáng)。

因此，ANSI/HI 9.6.3-2012版[6]及ANSI/HI 9.6.1-2012版[7]標(biāo)準(zhǔn)（ANSI/HI 9.6.1-2012以下簡(jiǎn)稱(chēng)12版標(biāo)準(zhǔn)）中均刪除了吸入能量的概念，但卻在推薦的最小NPSH裕量或裕量比時(shí)借鑒了高和很高吸入能量泵應(yīng)用上的一些經(jīng)驗(yàn)。

隨著全球離心泵行業(yè)在很多高和很高吸入能量泵上應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷增加，以及用戶(hù)對(duì)安全、環(huán)保、壽命等要求越來(lái)越高，人們?cè)絹?lái)越感受到吸入能量對(duì)離心泵的安全穩(wěn)定運(yùn)行所帶來(lái)的重大影響，特別是在一些高和很高吸入能量泵的應(yīng)用中，按標(biāo)準(zhǔn)推薦和傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)選用的NPSH裕量或裕量比，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。同時(shí)，還有不少?lài)?guó)外同行，針對(duì)許多實(shí)際應(yīng)用，在不斷地完善著SE的概念。

吸入能量的定義[4]，SE是葉輪入口（impeller eye）處液體動(dòng)量的量度。SE簡(jiǎn)化版的定義是：泵入口管的公稱(chēng)通徑（D）、泵轉(zhuǎn)速（n）和吸入比轉(zhuǎn)速（Nss）之間的乘積，見(jiàn)公式（2）。其中：D的單位為英寸（in），轉(zhuǎn)速的單位為rpm，Nss為美制單位吸入比轉(zhuǎn)速（rpm-gpm-ft）。

SE = D × n × Nss  （2）

SE的更精確的定義是：將泵入口管尺寸D換成葉輪入口直徑（De），見(jiàn)公式（3）。注意：它們通常接近同一尺寸。同時(shí)，比重（SG）也添加到公式中，如果泵送介質(zhì)為冷水，該因素將不存在，但是如果泵送熱水或其它流體，則應(yīng)權(quán)衡該因素。

SE = De × n × Nss × SG  （3）

如果葉輪入口直徑未知且無(wú)法確定，則可以使用以下因素進(jìn)行估算：對(duì)于端吸泵，將泵入口管通徑乘以0.9；對(duì)于水平中開(kāi)或徑向入口泵，將泵入口管通徑乘以0.75。

根據(jù)上述公式計(jì)算得出的SE將是一個(gè)很大的數(shù)字，因此通常使用一種簡(jiǎn)寫(xiě)形式的科學(xué)計(jì)數(shù)法來(lái)表示。

吸入能量分為三個(gè)級(jí)別[8]：低吸入能量、高吸入能量和很高吸入能量。

1） 低吸入能量：低于高SE級(jí)的值定義為低SE。

2） 高吸入能量：對(duì)于端吸泵，SE值大于等于160 × 106（美制單位）時(shí)定義為高SE；對(duì)于剖分式泵和徑向入口泵，SE值大于等于120 × 106（美制單位）時(shí)定義為高SE。

3） 很高吸入能量：是高吸入能量的1.5倍。對(duì)于端吸泵，SE值大于等于240 × 106（美制單位）時(shí)定義為很高SE；對(duì)于剖分式泵和徑向入口泵，SE值大于等于180 × 106（美制單位）時(shí)定義為很高SE。

作者注：將上述美制單位計(jì)算出的吸入能量除以系數(shù)2033就等于公制單位的吸入能量，或者將公制單位計(jì)算出來(lái)的吸入能量乘以2033就等于美制單位的吸入能量。

ANSI/HI 9.6.3-1997和98版標(biāo)準(zhǔn)中分別給出了判別高吸入能量泵的區(qū)間圖，詳見(jiàn)圖1a（公制單位）和圖1b（美制單位）。

圖1a  高吸入能量泵判別圖（公制單位）

如圖1b所示，在適當(dāng)?shù)奈氡绒D(zhuǎn)速曲線以上的泵被視為高吸入能量泵；很高吸入能量的泵可以定義為實(shí)際葉輪轉(zhuǎn)速是圖1所示的1.5至2.0倍或更高范圍內(nèi)的泵。

圖1b  高吸入能量泵判別圖（美制單位）

例如，入口管徑為10”、吸入比轉(zhuǎn)速為9500（美制單位）的端吸泵，顯示出在1800 rpm轉(zhuǎn)速下開(kāi)始具有高吸入能量。如果該泵以3600 rpm（2倍1800 rpm）的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，則認(rèn)為該泵具有很高的吸入能量。

從上述公式（3）可以看出，泵的吸入能量隨葉輪入口直徑、泵轉(zhuǎn)速、吸入比轉(zhuǎn)速及泵送介質(zhì)比重的增大而增大。

影響吸入能量的因素很多，98版標(biāo)準(zhǔn)中列出了一些影響因素：

1） 葉輪入口外徑的圓周速度。其值低于15米/秒（50 ft/sec）時(shí)，通常被認(rèn)為是低吸入能量；而高于約35米/秒（120 ft/sec）時(shí)，通常被認(rèn)為是高吸入能量。

2） 泵的吸入比轉(zhuǎn)速。吸入比轉(zhuǎn)速值低于約8000公制單位（7000美制單位）通常表示吸入能量低，而高于約23000公制單位（20000美制單位）則被視為吸入能量高。

3） 泵送液體的比重。比重越大，吸入能量越高。

4） 液體熱力學(xué)特性。冷水是最難泵送的液體之一，具有很高的汽蝕氣泡內(nèi)爆能量（具有較高的吸入能量）。水在蒸發(fā)（閃蒸）時(shí)會(huì)急劇膨脹，在室溫下1磅水約為4.5×10-4m3，而在閃蒸情況下會(huì)產(chǎn)生超過(guò)34m3的蒸汽，容積比為75000：1。

5） 泵進(jìn)口的幾何形狀。葉輪進(jìn)口處的流速變化越大，流速越大，能量級(jí)越高。因此，對(duì)于剖分式泵的徑向入口，由于在葉輪前方的直角轉(zhuǎn)彎，而具有較高的吸入能量級(jí)

6） 葉輪葉片的重疊。例如在2只或3只葉片的葉輪上發(fā)現(xiàn)重疊值小于約15度（見(jiàn)圖2），會(huì)使高出口壓力（能量）在小流量下回流到葉輪入口中。重疊是指一只葉片（低壓側(cè)）的后緣與下一個(gè)相鄰葉片（在外徑處）的進(jìn)口前緣重疊的角度量。

7） 葉輪葉片入口與流入的液體之間的入射角。通常，葉輪設(shè)計(jì)成在設(shè)計(jì)流量下具有“零”入射角。較高或較低的流量導(dǎo)致流入的液體與葉輪葉片入口尖端之間的角度不匹配。入射角越大，湍流和吸入能量越大。

圖2  葉輪葉片重疊示意圖

8） 吸入口管道的幾何形狀。管道轉(zhuǎn)彎、管道直徑的變化，以及泵入口處產(chǎn)生的湍流都會(huì)增加泵入口處的吸入能量。

9） 遠(yuǎn)離泵的最佳效率點(diǎn)運(yùn)行。當(dāng)流量降低時(shí)，泵可能在其入口回流區(qū)域內(nèi)運(yùn)行。偏離最佳效率點(diǎn)流量運(yùn)行也會(huì)增加與葉輪葉片的入射角，入口回流會(huì)增加吸入能量級(jí)。

大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：吸入能量越大，泵要求的NPSH裕量或裕量比也越大。

98版標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于不同應(yīng)用、具有不同吸入能量級(jí)的離心泵給出了泵AOR內(nèi)推薦的最小NPSH裕量或裕量比（見(jiàn)表1）。

表1中所列數(shù)據(jù)來(lái)源于許多泵制造商的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

表1  最小NPSH裕量/裕量比指南

關(guān)于吸入能量對(duì)離心泵的具體影響，國(guó)外同行進(jìn)行了大量的研究。

“吸入能量”概念的第一次大規(guī)模驗(yàn)證是將其應(yīng)用于兩個(gè)工業(yè)工廠的現(xiàn)場(chǎng)維修記錄中，兩個(gè)工廠共有100臺(tái)端吸泵和中開(kāi)泵。后來(lái)又對(duì)數(shù)百臺(tái)不同類(lèi)型的“高吸入能量”和“非高吸入能量”離心泵進(jìn)行了進(jìn)一步的驗(yàn)證。結(jié)果如圖3所示，可靠性系數(shù)為1.0時(shí)，相當(dāng)于大約4年的“平均故障間隔時(shí)間”或更高?？梢钥闯?，隨著吸入能量值的增加，泵的可靠性會(huì)顯著降低[9]。

注：上述驗(yàn)證的泵型在選型時(shí)，未根據(jù)吸入能量級(jí)別來(lái)選擇NPSH裕量或裕量比。

圖3  吸入能量與離心泵可靠性系數(shù)關(guān)系示意圖

98版標(biāo)準(zhǔn)明確：

一般而言，高吸入能量泵容易受到噪音和振動(dòng)的影響，但是在沒(méi)有提供足夠的NPSH裕量的情況下，不會(huì)遭受顯著的腐蝕損壞（尤其是選用抗腐蝕性強(qiáng)的葉輪材料）。在NPSH裕量不足的情況下，很高吸入能量泵更有可能受到汽蝕損壞。

使用表1中推薦的最小NPSH裕量或裕量比運(yùn)行的高和很高吸入能量泵，通常具有被認(rèn)為是“可以接受的”密封和軸承壽命。它們可能仍然容易受到噪音水平升高和葉輪的腐蝕損壞，與完全消除汽蝕現(xiàn)象相比，這可能需要更頻繁地更換葉輪。通常，需要NPSHA為泵的NPSH3的4至5倍才能完全消除汽蝕現(xiàn)象。對(duì)于很高吸入能量泵，該比值可能達(dá)到20；對(duì)于某些低吸入能量泵，該比值可以低到2。

下面通過(guò)幾種特殊工況應(yīng)用的泵的典型實(shí)例，來(lái)較清晰地說(shuō)明吸入能量對(duì)離心泵的影響。

1） 立式透平泵（vertical turbine pump）

對(duì)于大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)立式透平泵來(lái)說(shuō)，NPSH裕量通常不是一個(gè)考慮的因素，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂休^低的吸入能量，并且汽蝕噪音通常不是問(wèn)題。但是，在泵的AOR內(nèi)（包括低水位），NPSHA必須大于等于NPSH3（推薦的NPSH裕量比為1.0）。

對(duì)于這樣的應(yīng)用（例如電站用凝結(jié)水泵），在最大流量下通常具有最小的NPSH裕量，并且泵必須設(shè)計(jì)成能夠承受一些汽蝕的情況下運(yùn)行。同時(shí)，第一級(jí)葉輪應(yīng)采用抗汽蝕材料。

2） 消防泵

汽蝕損壞與時(shí)間有關(guān)。泵在汽蝕條件下運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，損壞程度越大。由于這種原因，間歇運(yùn)行的消防泵很少出現(xiàn)汽蝕損壞的問(wèn)題。

3） 電站循環(huán)水/冷卻水泵

與石油泵處理的碳?xì)浠衔镆后w不同，冷水在蒸發(fā)（閃蒸）時(shí)會(huì)急劇膨脹。當(dāng)具有更高破壞能量的蒸汽泡破裂時(shí)，將導(dǎo)致更高的沖擊速度、對(duì)泵零部件造成嚴(yán)重?fù)p壞；而熱水的特性類(lèi)似于碳?xì)浠衔镆后w。為此，12版標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：在AOR內(nèi)，泵至少具有1.0 m的NPSH裕量。

4） 冷卻塔用泵

對(duì)于冷卻塔用泵，從低吸入能量到高吸入能量，表1推薦的最小NPSH裕量比為1.3~2.0，或最小NPSH裕量為0.9~1.5米，以較大者為準(zhǔn)；而12版標(biāo)準(zhǔn)推薦的NPSH裕量比分別為1.1（在POR內(nèi)）和1.3（在AOR內(nèi)）。

由于水處理劑的作用，冷卻塔水的化學(xué)性質(zhì)通常發(fā)生了改變。這些添加劑會(huì)提高蒸汽壓力，從而導(dǎo)致比純水計(jì)算的NPSHA更低。

實(shí)際工程案例：文獻(xiàn)[9]中涉及兩套大型工業(yè)冷卻塔上的六臺(tái)大型全鑄鐵雙吸中開(kāi)泵。該泵為高吸入能量泵，NPSH裕量比為1.36（高于12版但低于1998版標(biāo)準(zhǔn)推薦值）。然而，從啟動(dòng)時(shí)就觀察到高振動(dòng)和噪音。

大約運(yùn)行9個(gè)月后，泵開(kāi)始出現(xiàn)故障。在拆卸和檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)入口葉片上有嚴(yán)重的凹坑（由于汽蝕而被侵蝕），并在某些地方葉片出現(xiàn)了穿孔；機(jī)械密封和軸承也受到損壞。很顯然，1.3倍的NPSH裕量比完全無(wú)法滿(mǎn)足該工況使用要求。同時(shí)，由于泵送介質(zhì)具有一定的腐蝕性，應(yīng)該考慮選擇抗汽蝕的葉輪材料。

5） 百萬(wàn)機(jī)組核電站常規(guī)島主給水泵

主給水泵（單級(jí)雙吸徑向剖分臥式離心泵）是一種很高吸入能量的泵。

為了確保其在所有規(guī)定的運(yùn)行工況內(nèi)均不發(fā)生汽蝕，同時(shí)為了滿(mǎn)足核電站對(duì)該泵60年的總體設(shè)計(jì)使用壽命要求（葉輪雖然屬于泵的正常磨損件，但KSB公司確保在AOR內(nèi)，葉輪比通用泵具有更長(zhǎng)的使用壽命 - 通?？蛇_(dá)100000小時(shí)以上），KSB公司在40多年的設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出以NPSHi作為主給水泵的必需汽蝕余量，并據(jù)此選擇前置泵的揚(yáng)程[10]。NPSH裕量比達(dá)到4倍以上。

大型泵【葉輪入口直徑超過(guò)450mm（18 in）】比小型泵更容易發(fā)生汽蝕損壞。

夾帶的少量氣體（1~2%）可以緩沖汽蝕氣泡坍塌產(chǎn)生的沖擊力，并能減少由此產(chǎn)生的噪音、振動(dòng)和腐蝕破壞。

液體中含有增加蒸汽壓的添加劑時(shí)，會(huì)增加汽蝕損傷的危險(xiǎn)。

高吸入比轉(zhuǎn)速泵在高進(jìn)口端流速下運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)在振動(dòng)較大的情況下發(fā)出噪音，如果沒(méi)有足夠的NPSH裕量或裕量比，可能會(huì)出現(xiàn)低于泵的設(shè)計(jì)使用壽命的情況。

推薦的NPSH裕量或裕量比可能因泵類(lèi)型、葉片重疊和應(yīng)用而變化，對(duì)于更高的運(yùn)行轉(zhuǎn)速和/或在泵的POR以外的連續(xù)運(yùn)行，建議選用更高的NPSH裕量或裕量比。

最佳泵性能要求遵循適當(dāng)?shù)奈牍艿涝O(shè)計(jì)（少?gòu)濐^、少變徑、防湍流）。

冷水是最難泵送的液體之一，在蒸發(fā)（閃蒸）時(shí)會(huì)急劇膨脹。當(dāng)氣泡破裂時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較高的沖擊速度，因此具有較高的吸入能量。

如果系統(tǒng)似乎受到了無(wú)法解釋的與泵本身無(wú)關(guān)的問(wèn)題的困擾，請(qǐng)檢查SE級(jí)別。

如果應(yīng)用具有高、但不是很高的SE，那么應(yīng)尋找任何可能的緩解因素，例如結(jié)構(gòu)材料、夾帶空氣或氣體、和/或液體熱力學(xué)等因素。如果存在緩解因素，通常在AOR內(nèi)具有1.1至1.5的最小NPSH裕量比就足夠了。

如果具有足夠的NPSH裕量或裕量比、并且在AOR內(nèi)選擇了合適的葉輪，則仍然需要評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。典型的做法是：一方面要基于泵的最佳工程實(shí)踐，另一方面需要考慮系統(tǒng)的初期成本。

在工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，不僅要避免NPSH裕量或裕量比過(guò)低對(duì)泵（組）的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)隱患，同時(shí)還應(yīng)避免NPSH裕量或裕量比過(guò)高而可能導(dǎo)致泵的選擇非最佳，從而增加設(shè)備/泵站和運(yùn)行成本。

高和很高SE泵需要比標(biāo)準(zhǔn)推薦值更高的NPSH裕量或裕量比。

如果系統(tǒng)似乎受到了無(wú)法解釋的與泵本身無(wú)關(guān)的問(wèn)題的困擾，請(qǐng)檢查SE級(jí)別。