“谁能制造最好的汽车？”这是一个与汽车行业一样古老的问题，也是许多发烧友一直在争论的话题。德国的原始设备制造商会宣扬他们的豪华与性能，而美国的制造商会强调他们每个马力的最低成本。日本品牌会强调，没有人能在可靠性和价值方面做得更好。意大利人会反驳说，尽管他们的车价格贵了一个数量级，但他们的车是停车场里独一无二的。

工程师们喜欢通过评估指标来仔细审查设计——马力重量比、0-60英里/小时的时间、每加仑英里数等等。毫无疑问，这些是比较车辆的有用方法。然而，一般来说，回答这个问题的正确方法是从头开始，然后选择汽车。换言之：“谁能为我制造出最好的汽车？”一辆800马力的跑车，内饰精致，在赛道上表现非凡，但在带家人去机场时并不出色。这与泵没有太大区别。类似的问题是：“什么泵适合我的系统？”

——Scott Shults, P.E.

那些在现场花了很多时间对泵进行故障排除的人都知道，很大一部分泵的可靠性问题源于泵和系统的不正确匹配。在没有适当考虑系统的情况下，选择的泵可能在远离目标的流量下运行，从而需要频繁维修，并经历高振动。考虑到这一点，总结出离心泵水力学的以下四条规则：

规则#1：BEP和可靠性是相关联的

泵水力学的第一条规则是，泵通常在其最佳效率点（BEP）附近以最高可靠性运行。偏离BEP太远，机械密封和轴承可能会出现损坏并最终失效。如果无法在BEP下运行，至少将泵保持在优先工作区（POR）内。这是围绕BEP的最佳点，在该最佳点内可靠性应保持较高。根据水力学会的表述，BEP的70%至120%是卧式泵的POR，但真正的安全操作窗口可能因泵型号和应用而异。

许多年轻的泵工程师理解在BEP附近运行的重要性，但没有领会到密封和轴承失效的机制。尽管有很多原因，但最常见的原因之一是叶轮叶片角度与低流量时可能发生的流入流体角度之间的不匹配。如果角度不匹配的足够大，则可能导致入口回流，这容易会在叶轮入口处形成了一个强烈的涡流。在这种涡流中，流体速度增加，因此流体静压降低。如果压力下降到流体的饱和蒸汽压以下，就会形成空化气泡。当流体通过叶轮时，这些气泡很快就会坍塌，这一过程释放出大量能量，同时频繁的发生压力脉动。（叶轮出口处也可能发生类似的出口回流。入口回流可以和出口回流同时发生，也可以单独发生。）

机械密封和轴承既有旋转部件，也有固定部件，这些部件通常是保持对齐。当转子因压力脉动而产生剧烈振动，进而无法保持对齐时，通常会导致密封或轴承过早失效。高幅振动也是同样可能发生。

此外，当泵远离BEP运行时，轴向和径向推力载荷会迅速增加。泵制造商采用了许多技术来降低推力载荷（双蜗壳、扩散器、对置叶轮、平衡鼓等），但通常推力载荷在接近BEP时会更低。推力是一个复杂的话题，即使不是书中的一章，也值得另写一栏，但得出的结论是，当泵远离BEP运行时，径向和/或轴向推力负载可能会变得非常高，这可能会损害密封、轴承甚至轴的寿命。

如果没有对无冲击流的解释，第一条就不完整，即使在泵应用工程师中，这个术语也很少被理解。BEP是最终用户和泵工程师学习的一种简化方法，因为它易于理解。然而，就可靠性而言，可以说更重要的是无冲击流，即进入流体角度和叶轮叶片角度完美匹配的流量。这是最不可能回流的流量。

虽然BEP是叶轮直径的函数，但无冲击流只是进口几何形状的函数，因此不受切割的影响。现代泵设计的一个粗略经验法则是，无冲击流量超过最大直径BEP 10%，但真正的无冲击流量只能通过叶轮入口设计的详细知识来确定。有时，应用工程师会因为指定泵处于或接近最小叶轮切割而遇到麻烦。泵可能在BEP附近运行，但切割后的BEP与无冲击流相距甚远，因此入口回流是不可避免的。

规则#2：泵和系统曲线的相互作用决定了泵的流量

泵水力学的第二条规则是，泵在泵和系统曲线的交点处运行。换言之，泵是无自主意识的设备，根据系统的特性进行操作。除非泵有某种变速控制，否则其曲线是固定的。

系统曲线实际上决定了泵的流量，因为系统曲线是移动的，改变了泵和系统曲线的交点。系统曲线可以通过了解对泵产生作用的系统部件来确定。换言之，想想泵在与什么对抗，以便将流量从一个点移动到另一个点。通常，泵试图克服高度差（想象一下试图将流体泵送到山上）、压力差（想象一个泵将流体送入加压容器），或两者兼而有之。

泵将以对应于泵曲线（蓝色）和系统曲线（橙色）相交处的流量运行。

这些术语不是流量的函数，被称为静压头。当流体流动时，由于摩擦，阻力自然会产生，因此泵也必须克服这种摩擦。摩擦力随着流量的增加呈二次方增长，被视为动压头。

通过添加系统静态和动态压头来确定系统曲线。系统曲线将随着系统内组件的变化而变化。如果吸入罐压力升高，系统曲线在压头/流量图上下降，泵以更高的流量运行。如果阀门被节流，更多的摩擦力会被引入系统。系统曲线变得更具限制性，向左移动并减少泵流量。

在选择泵时，了解系统曲线至关重要。工程公司通常能很好地处理系统曲线，并有助于确保泵规格中包含正确的扬程和流量。然而，在工厂投入使用后，工程公司经常被排除在外。最终用户和泵制造商可能不太熟悉系统曲线，并且可能难以理解为什么泵无法达到原先的流量，或者如何决定在单位上升速率下需要泵的压头。

系统会随着时间的推移而发生无意和有意的变化。一个不经意的变化是管道结垢，即在管道内部形成水垢。管道结垢增加了给定流量的摩擦损失，这意味着系统曲线变得更陡。有意的系统变化有很多，可能包括增加新的损失源（例如安装过滤器或热交换器）或增加容器的压力。无论系统变化是否有意，它们都会影响系统曲线，从而影响泵流量。

系统阻力的变化有时可以通过流量控制阀来抵消。例如，如果一个新的热交换器由于摩擦而增加了系统阻力，可以通过打开控制阀并保持系统流量恒定来消除一些系统阻力。然而，在某个时刻，控制阀将达到其最大打开百分比（以及最小摩擦损失）。这意味着系统中其他地方阻力的增加必然会使系统曲线变陡并减少泵流量。

规则#3：NPSH裕度很重要

泵水力学的第三条规则是必须保持合适的净正吸入压头（NPSH）裕度。这也许是最终用户中误解最多的规则。简而言之，应该在泵制造商提供的必需NPSH曲线上增加一个裕度。必需NPSH通常也被称为NPSH3，因为已经发生了太多的空化现象，以至于第一级叶轮上有3%的压头下降。必需NPSH曲线以上所需的裕度取决于流体、泵能量水平和其他因素。在泵运行的所有流量下，有效NPSH应超过裕度曲线。

具有足够的裕度并不能消除所有气蚀现象，而是将气蚀现象限制在可接受的水平，其中气蚀现象对泵可靠性的影响最小。有关建议的NPSH裕度，请参阅HI 9.6.1，该裕度因行业和泵在其曲线上运行的位置而异。

规则#4：并联运行影响泵和系统流量

这就引出了最终规则，最好在理解前三条规则后再考虑。泵水力学的第四条规则是，您必须了解有多少泵将并联运行，以及由此对流量产生的影响。规则4建立在规则2的基础上。当泵并联运行时，将这些泵的组合性能曲线与系统曲线进行比较。组合泵曲线是通过将所有压头处的每个泵曲线的流量相加而确定的。例如，想象一条曲线以600 gpm的流量到达35 ft的扬程。如果两个这样的泵并联运行，组合性能曲线将在1200 gpm流量时达到35英尺的扬程。

如果系统曲线是固定的，只需打开和关闭泵就可以改变系统流量。运行的泵越多，进入系统的总流量就越高，但每个泵的流量就越低。（请注意，并联开启第二个相同的泵会增加系统流量，但由于系统曲线的形状，系统流量永远不会翻倍。）如果用户同时操作过多的泵，所有的泵都可能远离BEP和无冲击流量，并且可能会出现可靠性问题。

这个问题经常出现在冷却水系统中。通常需要更多的冷却水，而更多的泵意味着更多的流量。操作可能会通过打开所有泵来最大限度地提高流量，在不知不觉中导致所有泵都在曲线上运行，并经历入口回流/气蚀、高幅振动以及密封和轴承故障。

思考

几年前，有一家发电厂的大型锅炉给水泵存在可靠性问题。平均维修间隔时间（MTBR）非常糟糕，因为推力轴承每年都会发生多次故障。几名水泵工程师被召集到工厂，试图结束这场恶梦。

通过规则#1、#2和#4，对工厂的运行方式以及泵在曲线上的运行位置进行了深入研究。事实证明，无论系统需求和系统曲线如何，两台泵都能100%运行。此外，最小流量系统（旨在防止非常低的流量操作）没有正常工作。这些2500马力的泵通常以25%的BEP运行，有时甚至以更低的流量运行。

在进行分析之前，工厂经理并不知道，无论系统需求如何，两台泵始终在运行。尽管启动和停止高能高温泵有风险，但始终运行所有泵的做法是非常有害的，并立即被工厂经理叫停。最小流量系统已固定。几乎在一夜之间，泵的可靠性和MTBR显著提高。因此，掌握好上述四条规则将大大有助于选择合适的泵。

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