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3 NPSHR 的定义

Net positive suction head required (NPSHR), A minimum NPSHR given by the manufacturer or supplier for a pump achieving a specifed performance at the specifed rate of fow, speed, and pumped liquid at which point there is visible occurrence of cavitation, an increase of noise and vibration due to cavitation, the beginning of head or effciency drop, head or effciency drop of a given amount, and limitation of cavitation erosion. 必需汽蚀余量（NPSHR，Net Positive Suction Head Required）：指泵在指定流量、转速及泵送介质条件下达到规定性能时，制造商或供应商提供的最小必需汽蚀余量。此时泵会出现以下情况之一：气蚀现象可见、气蚀导致噪音与振动增大、压头或效率开始下降、压头或效率下降至规定幅度、气蚀磨损得到限制。

4 NPSH3 的定义

Net positive suction head resulting in 3% loss of total head (NPSH3), The value of NPSHR at which the frst-stage total head drops by 3% due to cavitation. 3% 总压头损失汽蚀余量（NPSH3，Net positive suction head resulting in 3% loss of total head）：指因气蚀导致首级总压头下降 3% 时，对应的必需汽蚀余量（NPSHR）数值。

ANSI/HI 14.1–14.2 Rotodynamic Pumps for Nomenclature and Definitions 术语、定义、泵型分类 标准原文：

5 温度与海拔对 NPSHA 的影响

本节内容来自 ANSI/HI 14.3 Rotodynamic Pumps for Design and Application 设计、选型、应用、材料、结构。

NPSHA is a function of the absolute pressure and the vapor pressure. In an open system, the absolute pressure is in turn a function of the atmospheric pressure, and the vapor pressure varies with the temperature. The vapor pressure of water at various temperatures can be found in the HI Data Tool (datatool.pumps.org) and other resources publishing the properties of water.有效汽蚀余量（NPSHA）是绝对压力与汽化压力的函数。在开式系统中，绝对压力进而取决于大气压，而汽化压力则随温度变化。不同温度下水的汽化压力可在 HI 数据工具（网址：datatool.pumps.org）及其他发布水性质参数的资源中查询。

The equation for NPSHA can be defned by the following equation with parameters corrected to the pump NPSH datum plan (reference Appendix A in ANSI/HI 9.6.1 Rotodynamic Pumps – Guideline for NPSH Margin). 有效汽蚀余量（NPSHA）的计算公式如下，所有参数均修正至泵的汽蚀余量（NPSH）基准面（详见 ANSI/HI 9.6.1《旋转动力泵 —— 汽蚀余量安全裕度指南》附录 A）：

NPSHA = (h_atm-h_vp) + (h_gs+h_vs+Z_s) - h_f

h_atm = atmospheric pressure head, in meters (feet) 大气压水头

h_vp= vapor pressure head, in meters (feet). Value taken at the highest expected operating temperature.饱和蒸汽压水头

h_gs= suction gauge head, in meters (feet) 吸入压力表水头(表压转为液柱高度表示）

h_vs= suction velocity head, in meters (feet) 吸入速度水头（泵入口处外部力量推动的介质流速，比如管道泵上游管道中介质本来的流速）

Z_s= vertical distance from suction gauge datum to NPSH datum plane, in meters (feet). If the suction gauge datum is above the NPSH datum plane, the value is positive (+). If below, the value is negative (−). 从吸入压力表基准面到汽蚀余量（NPSH）基准面的垂直距离，单位为米（英尺）；若吸入压力表基准面高于汽蚀余量（NPSH）基准面，取值为正（+）；若低于，则取值为负（−）

h_f= head loss due to pipe, fittings, and valves to the pump nozzle, in meters (feet) 至泵吸入口的管路、管件及阀门的水头损失

备注：NPSHA 计算公式中的 h_atm+(h_gs+h_vs+Z_s) 本质上就是泵吸入口处的压头，先求出泵入口处的压力，然后除以 ρg 即为压头。

ANSI/HI 14.3 Rotodynamic Pumps for Design and Application 设计、选型、应用、材料、结构 标准原文：

6 NPSHA example calculations NPSHA 计算案例

来自 ANSI/HI 14.3 Rotodynamic Pumps for for Design and Application

案例 1：NPSHA calculation example in metric units （NPSHA 计算案例）

Application with water in a large open system with negligible inlet velocity at sea level with a pumpage temperature of 20o C. Given ρ = 998 kg/m 3 and g = 9.81 m/s 2 . The pressure tap is within two pipe diameters of the pump suction nozzle, and suction head losses (h f ) are negligible. See Figure 14.3.4.1 1.3.1. 应用场景为海平面处的大型开式水系统，介质为水，泵吸入口流速可忽略不计，泵送水温为 20℃。已知水的密度 ρ=998 千克 / 立方米，重力加速度 g=9.81 米 / 秒 ²；测压点位于泵吸入口的两倍管径范围内，吸入端水头损失（hf）可忽略不计。详见图 14.3.4.11.3.1。

t = 20 ℃

z_alt = 0 m (Sea level 海平面)

z_s = 3 m

h_f = negligible 忽略

Schematic of NPSHA calculation example in metric units (simple) （NPSHA 计算案例示意图）

Calculate atmospheric pressure (kPa) and vapor pressure (kPa) based on equations in sections 14.3.4.11 .1 and 14.3.4.11.2: 根据第 14.3.4.11.1 节和第 14.3.4.11.2 节中的公式，计算大气压（千帕） 和饱和蒸汽压（千帕）：

Convert atmospheric pressure and vapor pressure (kPa) to head (m): 大气压和饱和蒸汽压对应的液柱高度：

其中：

h_gs = 0 m

h_vs = 0 m

Z_s =0 m

h_f = 0 m

Calculate NPSHA based on the equation in section 1 4.3.4.11: 根据第 14.3.4.11 节中的公式计算有效汽蚀余量（NPSHA）：

NPSHA =(h_atm – h_vp ) + (h_gs + h_vs + z_s ) – h_f

NPSHA = (10.3 m – 0.239 m) + (0 m + 0 m + 3 m) – 0 m

NPSHA = 13.1 m

看完案例 1，你对泵 hgs （suction gauge head）和 Z_s（vertical distance from suction gauge datum to NPSH datum plane）这两个参数是否有疑问，此处h_gs为什么等于0，Z_s为什么等于3m？难道说泵吸入口压力表的安装高度也会影响NPSHA，这显然不是符合常理。

我个人理解此处的Z_s指的是压力表引压管内液柱的高度，不含气体的高度，这样就好理解了，根据 GB 50093 自动化仪表工程施工及质量验收规范压力表 “6.4.2 测量低压的压力表或变送器的安装高度，宜与取压点的高度一致”，如果压力表安装高度偏离取压点，自然要考虑引压管内液柱高度差。易气化的介质（比如LNG、LPG等）的压力表引压管内不可避免会有气体，此时压力表数值与测压点数值的关系交复杂。

通常情况下，压力表的安装高度与取压点高度保持一致，因此可默认 Z_s = 0。

案例 2：NPSHA calculation example at higher temperature and elevation in metric units (complex) 高温高海拔条件下NPSHA计算案例

Application with water in a large open system with negligible inlet velocity at an altitude of 1,500 m and a pumpage temperature of 82 ℃. Given ρ = 971 kg/m 3 and g = 9.81 m/s 2 . The pressure tap is 5 m away from the pump suction nozzle, with suction head losses (h_f) totaling 0.15 m. See Figure 14.3.4.11.3.2. 应用场景为海拔 1500 米处的大型开式水系统，介质为水，泵吸入口流速可忽略不计，泵送水温为 82℃。已知水的密度 ρ=971 千克 / 立方米，重力加速度 g=9.81 米 / 秒 ²；测压点距泵吸入口 5 米，吸入端总水头损失（hf）为 0.15 米。详见图 14.3.4.11.3.2。

t = 20 ℃

z_alt = 1500 m (Sea level)

z_s = 3 m

h_f = 0.15

Calculate atmospheric pressure (kPa) and vapor pressure (kPa) based on equations in 1 4.3.4.11.1. and 1 4.3.4.11.2.: 计算大气压（千帕） 和饱和蒸汽压（千帕）：

Convert atmospheric pressure and vapor pressure (kPa) to head (m): 大气压和饱和蒸汽压对应的液柱高度：

Reduce atmospheric pressure by 0.3 m to account for changes in weather conditions: 为应对天气条件变化，将大气压水头减小 0.3 米。

h_atm = 8.87 m – 0.3 m

h_atm = 8.57 m

其中：

h_gs = 0 m

h_vs = 0 m

z_s = 3 m

h_f = 0.15 m

Calculate NPSHA based on equation in section 14.3.4.11.

NPSHA = (h_atm – h_vp ) + (h_gs + h_vs + z_s ) – h_f

NPSHA = (8.57 m – 5.41 m) + (0 m + 0 m + 3 m) – 0.15 m

NPSHA = 6.01 m

7 如何更好的理解汽蚀余量

当有效汽蚀余量不足时，泵输送的液体会发生汽化，在叶轮进口的低压区形成汽泡。这些汽泡随叶轮叶片运动至高压区时，周围的高压会使汽泡瞬间溃灭，汽泡溃灭的冲击力会直接作用于叶轮和泵壳，进而产生气蚀噪声并造成设备损坏。只要站在泵旁，就能听到严重气蚀产生的噪音，听起来就像有螺母、螺栓和碎石在泵内部撞击，泵体的损坏痕迹也如同被大锤猛击过一般。气蚀还会导致机械密封和轴承过早失效。

图 4 离心泵汽蚀破环

扬程英文原意是Head，虽然是长度单位，但本质上是能量，相当于重力势能，汽蚀余量英文原意是 Net Positive Suction Head，本质上也是一种能量表述，代表泵净正吸入的能量。总之，要想理解离心泵的扬程、汽蚀余量等概念，一定要从能量守恒的角度出发，只不过能量的最终表现形式转换成了液柱高度。

我们需要关注两种吸入能量：一种是泵可获得的吸入能量，即有效汽蚀余量（NPSHA，A 代表 Available，可获得）；另一种是泵运行所需的吸入能量，即必需汽蚀余量（NPSHR，R代表 Required，必需）。

可以这样通俗理解：汽车发动机要正常工作，需要一定量的能量（燃油），这一需求就如同泵的必需汽蚀余量（NPSHR）；油箱里的燃油是汽车可获取的能量，对应泵的有效汽蚀余量（NPSHA）；油量表则能显示“可用燃油”相对“所需燃油”的余量，并提醒我们何时需要加油。

在泵的所有工况点下，必需吸入能量（NPSHR）都必须始终小于可获得的吸入能量（NPSHA）。如果泵的能量需求超过了实际可获得的能量，泵就会陷入能量匮乏的状态，这就好比汽车在高速公路上没油了，而下一个加油站还有100公里远。

必需汽蚀余量（NPSHr）由泵的设计决定，泵的吸入喉道、叶轮进口与叶片、耐磨环间隙以及机械加工公差，共同决定了NPSHr的数值。

由于泵的设计（吸入结构、叶轮进口、间隙等）通常是固定的，理论上，随着流量增加，NPSHr曲线大致呈线性上升趋势。但在实际应用中，低流量区间内，泵的效率会提升，因此NPSHr曲线会趋于平缓；当流量超过最佳效率点后，为弥补泵效率的下降，NPSHr曲线会呈指数级陡增。

大多数泵企都会将必需汽蚀余量（NPSHR）标注在纸质的泵性能曲线上。

图 5 离心泵 NPSHR 理论和实际曲线

8 提升有效汽蚀余量（NPSHA）

要提升泵的运行可靠性，避免因气蚀引发的维护工作和停机损失，最有效的方法就是提升泵可获得的吸入能量（NPSHA）。

有效汽蚀余量由泵的吸入管路及管件的设计、布置和工况决定，这些信息泵的制造商并不掌握，因此泵的性能曲线上不会标注 NPSHA。

但 NPSHA 的计算和曲线绘制并不复杂，它的计算仅涉及基础的数学公式，且只针对泵的吸入端，共有5个影响因素：两个因素为液体增加能量，三个因素会消耗液体的能量。

NPSHA = H_s + H_p – H_vp – H_f – H_i

备注：此处 NPSHA 计算公式来自 Empowering Pumps 网站，是特定应用（泵安装在罐外底部管道上，泵入口流速h_vs = 0；泵入口压力表安装基准面与泵NPSH基准面重合，因此 Z_s = 0，最终 h_s=h_gs+h_vs+Z_s=h_gs+0+0）下简化后的公式，与ANSI/HI标准中的计算公式在表现形式上略有差异。

要提升 NPSHA，只需增加为液体赋能的参数（H_s、H_p），或降低消耗液体能量的参数（H_vp、H_f、H_i）即可。

H_s：吸入静水头

指吸入容器内的液面相对于泵中心线的高度（高于或低于），单位为英尺或米。流程泵的吸入容器通常有最高和最低液位，最低液位是关键考量因素。

H_p：吸入压力水头

若吸入容器为敞口式，指泵安装海拔高度下的大气压换算成的液柱高度（英尺/米）；若流程泵从密闭、带压的容器中抽液，Hp则为该容器内的工艺压力换算成的液柱高度。

H_vp：汽化水头（液体的蒸气压）

蒸气压是液体的固有属性，反映了液体的汽化倾向，汽化水头会随液体温度的变化而升降。下表为不同温度下，水和汽油的汽化水头（单位：英尺），工艺工程师或化工工程师可提供特定液体在指定温度下的汽化水头数值。需注意，汽化水头会消耗液体的能量。

H_f：摩擦水头

即吸入管路和管件中的摩擦损失，该参数会消耗液体的能量。

H_i：进口水头（进口损失）

指液体在叶轮进口处的能量损失。液体在吸入管路中的流速通常较低（4-6英尺/秒），而叶轮转速极高，当液体进入叶轮进口时，流速会急剧增加。根据伯努利定律：流速增加，压力会降低，这部分因流速骤增产生的压力降就是进口水头。为预留安全余量，通常可将Hi的取值定为2英尺（0.6096 m）。

图 6 离心泵 NPSHA 计算公式示意图

The Suction Pressure Gauge 吸入压力表

流程泵的吸入口通常处于真空状态，因此吸入端的压力测量仪表应选用绝对压力表或复合压力表，这类仪表可显示低于大气压的压力值，普通压力表则无法测量真空度。

泵吸入口的绝对压力表，是反映有效汽蚀余量（NPSHA）的重要参考，该仪表的读数能体现以下信息：

1. 吸入容器内的液面高度（H_s）；
2. 吸入罐和管路中的实际压力（H_p，大气压或工艺压力）；
3. 压力表前端吸入管路和管件的摩擦损失（H_f）。

但吸入压力表无法反映以下两个关键参数：

1. 液体的汽化水头（H_vp），需单独确认指定温度下介质的汽化水头；
2. 进口损失（H_i），因为该损失发生在压力表后方的叶轮进口处。

我们可将 NPSHA 的五个影响因素绘制在压头-流量曲线图上，得到有效吸入能量的变化曲线。NPSHA 曲线的典型特征为：低流量区间趋于平缓或略有下降，高流量区间受相似定律影响，曲线会急剧下降。

图 7 离心泵 NPSHA 曲线

绘制完成的 NPSHA 曲线是提升泵可靠性的重要工具，从曲线中能清晰看到，提升 H_s 或 H_p 会让整条 NPSHA 曲线上移。关于曲线的下降趋势，需重点关注指定温度下介质的汽化水头（H_vp）；进口损失（H_i）的优化空间有限，但吸入管路的摩擦损失（H_f）有极大的优化潜力。

减少吸入管路的摩擦损失（H_f），是延长 NPSHA 曲线、减缓其下降趋势最有效的手段。许多管路系统在泵的吸入端安装了蝶阀，而蝶阀的流阻极大，会造成泵的能量匮乏。

一个6英寸的吸入端蝶阀，其摩擦系数相当于19个6英寸的全通径球阀。将蝶阀更换为球阀，能大幅减少能量损失，为泵提供更多的吸入能量。

图 8 离心泵上有管道压力损失

吸入管路过长、结垢，或管路中装有大量高流阻的管件和设备（调节阀、弹簧式止回阀、换热器、过滤器等），都会导致NPSHA曲线急剧下降，这类泵的维护频率会大幅升高，属于高维护成本泵型。

低流量工况下，NPSHA 通常远高于 NPSHR，这一区间为泵的安全运行区；

图 9 离心泵 NPSH 裕量

当NPSHA曲线开始向NPSHr曲线靠近时，叶轮进口会产生微小汽泡，泵的振动加剧，机械密封和轴承承受额外应力，泵的排出压头和流量等性能指标下降，此时会发生人耳无法察觉的微气蚀，但可通过超声波和振动分析检测到；当两条曲线相交时，会出现人耳可清晰听到的气蚀，若不及时处理，泵会在数小时内因机械密封、轴承或其他部件失效而停机检修。

若液体仍在泵入口处或之前发生汽化，可将吸入容器改为密闭式，充入兼容的工艺气体对容器进行加压，使容器内压力高于介质的汽化压力。

参考文献：

1. ANSI/HI 14.1–14.2 Rotodynamic Pumps for Nomenclature and Definitions 术语、定义、泵型分类
2. ANSI/HI 14.3 Rotodynamic Pumps for Design and Application 设计、选型、应用、材料、结构
3. https://empoweringpumps.com/everything-you-need-to-know-about-npsh-and-some-things-you-didnt/
4. https://blog.truegeometry.com/calculators/formula_for_npsh_calculation.html
5. https://www.omnicalculator.com/physics/npsh-net-positive-suction-head
   
6. https://chemenggcalc.com/npsh-calculation-for-pump/
7. https://pumpsdesign.com/npsha/
8. https://www.march-pumpen.com/NPSH-simply-explained-Formula-example-tips-against-cavitation:_:77.html?language=en