離心泵流動再循環簡介

了解離心泵為什么會出現流動再循環現象。

ANDREW SLOLEY

低流量時，吸入再循環（內部回流）會影響離心泵的運行。泵的吸入比轉速和吸入能量可以幫助我們了解潛在的問題（參見：“Cut Pump Speed to Cut Problems"）。變頻驅動器（VFD）通常可以提供一種解決方案（參見：“Consider VFDs for Centrifugal Pumps"）。解決吸入再循環問題無疑會需要花錢。通常情況下，要想獲得資金，就必須說服資金負責人問題的真正原因。許多人很難理解流量在離心泵內會倒流這一現象。多年來，我一直在努力尋找一個從基本正確但簡單的解釋。

首先，我們必須意識到，對機械工程師來說簡單的事情對化學工程師來說可能很復雜。那么，讓我們用兩組人都能理解的方式來解釋這一現象。對于機械工程師來說，離心泵可以增加液流的壓力。液體流動的自然方向是從高壓流向低壓。液體流經泵是因為旋轉的葉輪提供了產生壓力的速度。速度梯度產生出口壓力。在離心泵中，液體進入葉輪中心的吸入孔。液體在葉輪外圍離開泵之前會改變流速。為了處理從葉輪中心到邊緣的流動幾何形狀和速度的變化，流道形狀會發生變化。圖1顯示了逆時針旋轉的葉輪的端視圖，圖2顯示了側視圖。入口液流以特定的入射角接觸葉輪的前緣（見圖1）。通過對液體流動方向的矢量分析表明，入射角會影響渦流的形成。隨著流速的下降，形成的渦流變大。最終，渦流會產生從泵出口到泵入口的部分流動。局部流型遵循圖1所示的形狀。對于化學工程師來說，最好考慮泵流型如何與物料平衡邊界相互作用。通過泵的一系列物料平衡邊界的凈流量始終與泵吸入流量相同。如果泵吸入流量下降，則通過泵任何橫截面的凈流量也會下降。由于典型液體在大多數情況下是不可壓縮的，這就產生了一個絕對要求，即任何橫截面的平均速度都隨流量線性變化。

然而，在靠近葉輪的壓力邊緣（前緣表面）附近，葉輪轉速決定了（葉輪葉片出口邊）液體的流速。如果平均液體流速下降，但是在流動通道區域中的速度接近恒定，則其它區域的速度必須比平均流速下降得更多。在某些點上，當平均流速降低到足夠低時，遠離葉輪前緣的區域的流動方向必須發生逆轉以滿足平均流速的要求。圖2顯示了泵在最佳效率點（BEP）和低流量工況（BEP的0.25）下的流動示意圖。在低流量時，泵內的流道（顯然）過大。然而，它們必須充滿液體，這就導致了流動再循環。由于再循環在低壓區域產生的汽化引起的汽蝕，流動再循環會損壞葉輪。流動再循環還會對泵零部件施加不平衡的力和振動。機械和工藝改進都可以減少流動再循環的現象。機械解決方案側重于泵。例如，葉輪-蝸殼-幾何形狀的匹配、葉片角度、葉片前緣和葉輪入口孔的修改以及泵轉速的變化都可以提高泵的靈活性（改變泵的性能 – 泵沙龍注1）。然而，每種因素對泵的效率、揚程和流量的影響都不同。

有兩種方式可改善/消除小流量下流動再循環：一種工藝改進是增加一條再循環回路（最小流量回路 – 泵沙龍注2），以使泵遠離低流量區域。再循環系統需要額外的設備（管道、節流孔板、控制閥等）。根據我的經驗，許多流量控制回路因維護成本或忽視其重要性而被放棄。另一種工藝改進為泵提供額外的吸入壓頭（即提高入口壓力 – 泵沙龍注3）。這有助于防止類似汽蝕的損傷。即使在泵的低壓區域也有足夠的壓頭來保持流體高于其汽化壓力。然而，額外的吸入壓頭并不能解決應力和振動的問題。在某些情況下，泵的振動可能會超過良好的實踐。額外的應力和振動會縮短平均維修間隔時間和平均故障間隔時間。維護成本隨著高振動和高應力而上升。降低運行速度可降低振動和泵負載。雖然這可能不是一個的解決方案，但改用VFD可以使幾乎所有受到入口再循環影響的離心泵受益。選擇正確的選項需要對機械和工藝限制以及成本進行全面的分析。