离心泵效率（第2部分） – 比转速
前言
19世纪中后期，离心泵的设计深受涡轮技术的影响。比转速在19世纪后期首次应用于离心泵，是为水轮机开发的比转速的改进版本。许多泵设计师认为比转速是离心泵设计中最重要的因素，它允许使用现有设计和试验数据来设计类似的大流量和小流量泵，因为泵的比转速与其尺寸无关。
一个指数
正如Terry Henshaw在“离心泵比转速（泵与系统，2011年9月）”中所述，比转速的定义可能会令人困惑。最好将其视为可以预测某些泵特性的指数。从这个角度来看，在为特定应用选择泵、并预测由于偏离最佳效率点运行而导致的过早故障时，比转速可能非常有用。
图1显示了比转速数值与叶轮几何形状的关系。
图1：比转速数值与叶轮几何形状的关系
图左侧较低的比转速值【500到1,500（中国35至106）】，描述了径向叶片叶轮的几何结构，而图右侧较高的比转速值【9,000（中国363）】和更高，等同于真正的轴流叶轮（螺旋桨）。径向叶片叶轮将100 %的流量以垂直于其吸入侧方向排出，通常具有较低的流量-扬程比。
轴流式叶轮沿其吸入轴以大流量-扬程比排出100 %的流量。混流式叶轮【4,000至8,000（中国283至365）】，同时具有径向和轴向特征，在径向和轴向角度之间排放，具有中等流量-扬程比。
径向流和混流【1,700至3,500（中国120至247）】，之间的那些被称为弗朗西斯叶片叶轮。这种设计是径向排放，但从入口到出口的过渡更加平缓，从而达到较高效率。图1中的截面图显示，随着比转速的增加，叶轮入口直径随之增加，最终接近或等于叶片出口直径。流道的尺寸也以相应的速率增大。
泵设计
图1虽然是一个很好的比较，但泵设计者可能会质疑它的实用性。为此，我们的先辈们开发了一个公式（如下），该公式将比转速及其对应的几何结构与扬程、流量和转速的实际应用值联系起来。
API 610标准对比转速的定义：比转速ns，是在最大直径叶轮和在给定转速下，在最佳效率点的流量时，涉及泵性能的指数。比转速用公式（1）定义为：
ns = n x q0.5 / H0.75 （1）
式中，
ns = 比转速
n = 泵转速，r/min
q = 泵的总流量，m3/s（US制，gpm）
H = 扬程（首级扬程），m（US制，ft） 。
泵沙龙注1：在美国，不管是单吸泵还是双吸泵，使用的都是最佳效率点的全流量，其比转速用Ns表示；而欧洲部分地区（如德国）和中国与美国不同，双吸泵时，流量取一半【而且，在中国，公式（1）中还应乘以系数3.65】。
泵沙龙注2：将公式（1）公制单位计算出的比转速乘以系数51.64，就等于美制单位的比转速。也就是说，单吸叶轮时，美制单位除以14.15，就等于中国定义的比转速；双吸叶轮时，美制单位除以20，就等于中国定义的比转速。
泵沙龙注3：文章中所给出的比转速为美制单位值，小括号中表示中国定义的比转速值。上文同。
该公式可用于确定哪种叶轮设计最符合应用要求。
叶轮几何设计
需要一只叶轮：流量为900 gpm，扬程为190 ft。假设电机转速为3600 rpm，将流量、扬程代入上述公式，则比转速为2110（中国149）。从图1中可以看出，在该比转速下，几何结构类似于弗朗西斯叶片叶轮。
如果电机转速降到1800 rpm，则对于相同的流量和扬程，需要一个比转速为1055（中国75）的叶轮。其几何结构类似于径向叶片叶轮。而当电机转速在1200 rpm时，比转速为703（中国50），叶轮看起来就像图1左侧所示的两只叶轮的混合体。当流量和扬程保持恒定时，比转速与转速成正比。但是，单级叶轮设计的比转速不会随着转速的变化而变化。它将保持不变，因为流量和扬程根据相似定律发生变化。
泵性能
图2提供了在不同比转速下，叶轮设计性能的预测。经验表明，当比转速处于2,000（中国141）到3,000（中国212）之间时，泵的效率将达到最大值，尽管在几乎任何比转速下都可以达到良好的效率。此外，随着比转速的降低，BEP附近的区域（效率曲线）趋于更平坦和更宽（高效区变宽）。
图2：比转速与泵性能曲线之间的关系（示意图）
泵的效率随着转速的增加而增加，特别是在高转速下更明显。转速在3600 rpm及以下时增加不明显。比转速也会影响流量-扬程曲线的形状。较低的比转速500（中国35）至1,500（中国106）会产生平坦的曲线；高比转速6,000（中国424）或更高会产生陡峭的曲线。中等比转速会在两个极端之间产生曲线。
功率曲线
比转速为功率曲线的特性提供了另一种预测。在低于4,000（中国283）的比转速下，功率随着流量的减少而下降，并在关死点扬程处达到最低值。比转速在4,000到4,500（中国318）之间时，功率曲线保持相对平坦，并在5,000（中国353）或更高的比转速下向关死点方向上升。当比转速超过9,000（中国636）时，功率曲线变得非常陡峭，几乎与流量-扬程曲线平行。
叶轮尺寸
一旦为叶轮选择了几何形状，泵设计者就可以进行数学分析，从而推导出满足设计点所需所有叶轮尺寸和角度。这是一项艰巨的任务，是理论与经验的结合。关于叶轮的具体设计，可参考相对较权威的专业书箱或设计手册，如关醒凡老师编写的《现代泵理论与设计》等。
总结
本专栏中引用的Ns范围只是近似参考数据，并非一成不变的，它们可以更窄或更宽，也可以根据泵的设计特性而变化。然而，它是一个很好的经验法则。
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