离心泵诱导轮简介

前言

1990's年代，当时在从事300MW及以下火电机组凝结水泵技术工作时，首次接触到诱导轮。那时候，仅听师傅们（感谢当年徐祥仁、朱力强、包玉成、黄经国、黄祖述等师傅们的悉心指导）说诱导轮用于改善泵的吸入性能，至于诱导轮的适用范围、优缺点及可能带来的问题、如何设计出符合要求的产品等基本不清楚。在后来的工作中，又陆陆续续遇到过多次诱导轮方面的问题……这也是我一直想写一篇关于诱导轮文章的原因。

由于诱导轮的设计涉及的专业性较强，本文仅对其进行一些简单介绍，供朋友们参考。

NPSH裕量

泵制造商采用诱导轮的主要原因是NPSHA偏低，导致NPSH裕量的不足。低的NPSH裕量，会在运行期间引起汽蚀。

有多种方法可以增加NPSH裕量。其中，最常用、相对较方便的处理方法有：

1）降低NPSHR。由于NPSHR是由泵本身（叶轮）的水力结构所决定的，因此该方法应由泵制造商单独完成。但是，在不改变泵的转速及泵型结构的情况下，NPSHR可以降低的幅度相对比较有限（它受限于泵制造商的技术能力、泵的运行工况等。很多泵制造商通常通过采用加大叶轮入口直径的方法来改善泵的吸入性能，不过，如果叶轮入口直径太大，不仅会降低泵的运行效率，而且还会使泵的稳定运行区间大幅度变窄，引起新的问题），所以这个选项也是有限的。

2）增加NPSHA。有多种方法可以增加NPSHA：

- 增加吸入罐高度或增加吸入罐压力。通过使用这种方法，可以将NPSHA值增加到很大的程度，但是成本很高，有时甚至是不可能的。

- 降低泵吸入高度。这种方法意味着降低泵的安装高度，需要挖掘地坑，增加安装成本。

3）加装诱导轮。诱导轮（见图1）相当于配置了一台增压泵，通过增加泵上游的静压头来增加NPSHA和NPSHR之间的余量。

图1：潜液深井泵第一级叶轮上游的诱导轮（红色图示部分）

诱导轮的工作原理

诱导轮是具有少量叶片的轴向叶轮，布置在实际离心泵叶轮的正上游（对于悬臂泵，通常安装在转子部件的螺纹区域，代替叶轮螺母。通过卸下叶轮螺母并将其更换为诱导轮，可以将诱导轮安装到标准型号的泵中），并以与泵叶轮相同的转速旋转。在多级泵上，它安装在第一级叶轮的上游（叶轮入口处）。当轴开始旋转时，诱导轮将随其一起旋转、并泵送流体，从而增加叶轮入口的压力。

诱导轮的任务是增加泵吸入口的NPSHA，也可以说是用于降低泵的NPSHR，通过增加叶轮上游的静压（从而增加NPSH裕量）来确保泵运行时不会发生汽蚀。

诱导轮的适用范围

诱导轮仅适用于流量不太大的离心泵，如300MW以下火电机组100%容量的VS6型凝结水泵（或600MW以下火电机组50%容量的凝结水泵）。

只有在流量不太大的工况下，使用诱导轮才能显著降低泵的NPSHR值。因此，与不配带诱导轮的泵相比，装有诱导轮的泵的工作范围受到限制。

为了避免叶片压力侧诱导轮中的蒸汽气泡堵塞流道，诱导轮的尺寸应确保其性能高于预期工作范围的实际要求。因此，在流量不太大的工况，它可以在几乎所有可能的工作点稳定运行，并能够为泵叶轮提供所需的入口压力。

在非常低的流量工况下运行时，可以观察到诱导轮典型的低频压力波动。这是由于汽蚀现象和波动的行进流量造成的。

由于诱导轮属于轴向叶轮，因此具有轴流式叶轮的汽蚀特性，例如，不存在促进汽泡和液体分离的离心力，这样，产生的汽泡大部分将随同液体一起流走，不易造成整个流道的堵塞等。其外特性的表现形式是在汽蚀过程中性能曲线下降平缓，无明显的陡降阶段，因而诱导轮可以在一定程度的汽蚀工况下工作。

在低流量运行期间，在某些情况下，叶片的吸入侧可能出现的流动分离（脱流）问题远小于叶片压力侧的流动分离问题，在装有轴向叶轮的情况下，流动分离通常会导致扬程的崩塌。

泵扬程在评估安装诱导轮的泵的效率方面，起着非常重要作用。诱导轮通常在较大的入口冲击条件下工作，因此效率低于泵叶轮。诱导轮扬程和叶轮扬程之间的比率很重要，因为整个泵组（即诱导轮和泵）的效率下降高度依赖于该比率。因此，与高比转速泵相比，在低比转速（高扬程）泵上设置诱导轮对效率的影响较小。

诱导轮的优缺点

优点：

1）以相对最低的成本来增加NPSHA，这是使用诱导轮的主要原因。NPSHA的增加，意味着NPSH裕量的增加，从而确保泵在允许的运行范围内不会发生汽蚀。

2）与采用其它方法来提高NPSHA（如增加前置增压泵）或降低NPSHR（如采用低转速泵）相比，其占用的安装空间小。

缺点：

1）泵需要改造或增加其吸入管长度。为了安装诱导轮，需要对泵体进行改造，或者在标准泵吸入管口上增加一直管段。而制造商通常对泵体的改造经验较少。

2）运行范围较窄。诱导轮设计用于特定的工作点。如果流量偏离该工作点，诱导轮将导致额外的NPSHA下降。因此，在运行范围较宽的泵中不能使用诱导轮。

3）初始成本略高。由于泵需要改造和安装额外的零件，泵的初始成本将增加。但是，应注意的是，其它增加NPSHA的方法，如提升吸入罐或降低泵的安装高度，可能成本更高！

4）维护成本略高。诱导轮本身容易发生汽蚀，这意味着需要定期更换诱导轮。

5）维护周期较短。通常，在设备上增加一只构件后会增加发生故障的风险，增加诱导轮可能会导致故障。但是，可以通过在大修期间检查和更换诱导轮来避免这种情况的发生。

6）效率较低。由于驱动机需要为诱导轮旋转提供额外的动力，泵的效率会下降。即使效率下降很少 - 通常为1 % ～ 2 %，但从长远来看，运行成本也会较高。

诱导轮的设计

诱导轮常用的有两种结构型式：轴向诱导轮和螺旋诱导轮。

1） 轴向诱导轮：这种类型的诱导轮（见图1），降低了泵在整个运行范围内的NPSHR。

2） 螺旋诱导轮：对于特定流量，螺旋诱导轮（见图2）会比轴向诱导轮降低更多的NPSHR，但必须注意，流量应保持在诱导轮的工作范围之内。

图2：螺旋诱导轮

带有少量叶片（最多4片）的诱导轮在实践中取得了良好的效果，因为它们只涉及蒸汽气泡堵塞的小风险。

诱导轮总是比（相邻的）叶轮具有更高的吸入比转速，这是描述泵入口特性的无量纲术语。在相同条件下，配备诱导轮的泵与不配诱导轮的相同泵相比，其NPSHR通常只有原泵的1/2至1/3。

尽管诱导轮通常比叶轮的NPSHR更低，但在正常运行过程中，诱导轮可能并且经常会汽蚀。关键是诱导轮消耗的功率非常小，几乎没有噪音、振动或由此产生的机械问题。因此，诱导轮一般采用抗汽蚀材料制造（例如，凝结水泵诱导轮材料为ASTM A743 CA-6NM）。

诱导轮常用的制造方法

1） 焊接：预制钢板叶片。

2） 数控铣削：按照计算的坐标。

3） 仿形铣削：按照精确模型。

4） 铸造：熔模铸造法。

结束语

从实际工程应用来看，很多用户及一些标准规范（如UOP 5-11-7规范规定卧式泵不允许使用诱导轮）都不希望和/或不允许配带诱导轮。为了增加NPSH裕量，通常会采用组合方法，即要求买方提供适当的NPSHA，同时要求制造商尽可能地降低NPSHR（如降低泵的运行转速、降低泵安装高度、采用双吸叶轮、开发低NPSHR的水力等。但在开发低NPSHR时，应避免泵的吸入比转速严重超标，否则会引起新的问题），以避免使用诱导轮。如果NPSH裕量仍然不足，则只能接受诱导轮。

参考文献

1） Inducer, KSB.com

2） Amir Khodabandeh, Centrifugal Pumps - Part V - Inducer, Linkedin.com

3） M.A. EI Samanody, Ashraf Ghorab, Investi-gations on the performance of centrifugal pumps in conjunction with inducers, Ain Shams Engineering Journal, March 2014