التجويف هو تهديد خفي لـ  مضخة التوربينات العمودية  تشغيلها، مما يُسبب اهتزازات وضوضاء وتآكلًا للمروحة، مما قد يؤدي إلى أعطال كارثية. ومع ذلك، نظرًا لبنيتها الفريدة (أطوال أعمدة تصل إلى عشرات الأمتار) وتركيبها المعقد، فإن اختبار أداء التجويف (تحديد NPSHr) لمضخات التوربينات العمودية يُشكل تحديات كبيرة.

1. جهاز اختبار الحلقة المغلقة: الدقة مقابل القيود المكانية

1. مبادئ وإجراءات الاختبار

• المعدات الأساسية: نظام حلقة مغلقة (مضخة تفريغ، خزان تثبيت، مقياس تدفق، أجهزة استشعار ضغط) للتحكم الدقيق في ضغط المدخل.

• إجراء:

· إصلاح سرعة المضخة ومعدل التدفق.

· قم بخفض ضغط المدخل تدريجيًا حتى ينخفض ​​الرأس بنسبة 3% (نقطة تعريف NPSHr).

· تسجيل الضغط الحرج وحساب NPSHr.

• دقة البيانات: ±2%، متوافقة مع معايير ISO 5199.

2. التحديات التي تواجه مضخات التوربينات العمودية

• القيود المكانية: يبلغ ارتفاع المنصات ذات الحلقة المغلقة القياسية ≤5 أمتار عموديًا، وهو غير متوافق مع المضخات ذات العمود الطويل (طول العمود النموذجي: 10–30 مترًا).

• تشويه السلوك الديناميكي: يؤدي تقصير الأعمدة إلى تغيير السرعات الحرجة وأوضاع الاهتزاز، مما يؤدي إلى تحريف نتائج الاختبار.

3 تطبيقات الصناعة

• حالات الاستخدام: مضخات الآبار العميقة ذات العمود القصير (العمود ≤5 م)، والنماذج الأولية للبحث والتطوير.

• دراسة حالة: نجح مصنع المضخات في خفض NPSHr بنسبة 22% بعد تحسين تصميم المكره من خلال 200 اختبار حلقة مغلقة.

II. جهاز اختبار الحلقة المفتوحة: موازنة المرونة والدقة

1. مبادئ الاختبار

• النظام المفتوح:يستخدم اختلافات مستوى السائل في الخزان أو مضخات التفريغ للتحكم في ضغط المدخل (أبسط ولكن أقل دقة).

• الترقيات الرئيسية:

· أجهزة إرسال الضغط التفاضلي عالية الدقة (خطأ ≤0.1% FS).

· أجهزة قياس التدفق بالليزر (دقة ±0.5%) تحل محل أجهزة قياس التوربينات التقليدية.

2. تعديلات مضخة التوربينات العمودية

• محاكاة الآبار العميقة: إنشاء أعمدة تحت الأرض (العمق ≥ طول عمود المضخة) لمحاكاة ظروف الغمر.

• تصحيح البيانات:يعوض نموذج ديناميكيات الموائع الحسابية عن خسائر ضغط المدخل الناتجة عن مقاومة خط الأنابيب.

ثالثًا: الاختبار الميداني: التحقق العملي

1. مبادئ الاختبار

• التعديلات التشغيلية: تعديل ضغط المدخل عبر خنق الصمام أو تغييرات سرعة محرك التردد المتغير لتحديد نقاط انخفاض الرأس.

• الصيغة الرئيسية:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(يتطلب قياس ضغط المدخل، وسرعة VIN، ودرجة حرارة السائل.)

العملية

قم بتثبيت أجهزة استشعار الضغط عالية الدقة عند شفة المدخل.

قم بإغلاق صمامات المدخل تدريجيًا أثناء تسجيل التدفق والرأس والضغط.

رسم منحنى رأس الضغط مقابل ضغط المدخل لتحديد نقطة انعطاف NPSHr.

2. التحديات والحلول

• عوامل التداخل:

· اهتزاز الأنابيب → قم بتثبيت حوامل مضادة للاهتزاز.

· انجراف الغاز → استخدم أجهزة مراقبة محتوى الغاز المضمنة.

• تحسينات الدقة:

· متوسط ​​القياسات المتعددة.

· تحليل أطياف الاهتزاز (بداية التجويف تؤدي إلى ارتفاعات طاقة تتراوح بين 1 إلى 4 كيلوهرتز).

رابعًا: اختبار النماذج المصغّرة: رؤى فعّالة من حيث التكلفة

1. أساس نظرية التشابه

•قوانين القياس: الحفاظ على سرعة محددة ns؛ قم بقياس أبعاد المكره على النحو التالي:

· QmQ=(DmD)3،HmH=(DmD)2

•تصميم النموذج:  نسب مقياس من 1:2 إلى 1:5؛ تكرار المواد وخشونة السطح.

2. مزايا المضخة التوربينية العمودية

•التوافق مع المساحة: تتناسب النماذج ذات العمود القصير مع أجهزة الاختبار القياسية.

•توفير التكاليف: انخفضت تكاليف الاختبار إلى ما بين 10% إلى 20% من النماذج الأولية بالحجم الكامل.

مصادر الأخطاء وتصحيحاتها

• تأثيرات المقياس:  انحرافات رقم رينولدز → تطبيق نماذج تصحيح الاضطرابات.

• خشونة السطح:  النماذج البولندية لـ Ra≤0.8μm لتعويض خسائر الاحتكاك.

خامسًا: المحاكاة الرقمية: ثورة الاختبار الافتراضي

1. نمذجة ديناميكا الموائع الحسابية

•عملية:

إنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد ذات مسار تدفق كامل.

تكوين نماذج التدفق متعدد المراحل (ماء + بخار) والتجويف (على سبيل المثال، Schnerr-Sauer).

كرر حتى ينخفض ​​الرأس بنسبة 3%؛ استخرج NPSHr.

• تصديق: تظهر نتائج ديناميكا الموائع الحسابية انحرافًا بنسبة ≤8% عن الاختبارات الفيزيائية في دراسات الحالة.

2. التنبؤ بالتعلم الآلي

• النهج القائم على البيانات:  قم بتدريب نماذج الانحدار على البيانات التاريخية؛ أدخل معلمات المكره (D2، β2، وما إلى ذلك) للتنبؤ بـ NPSHr.

• ميزة: يزيل الاختبار المادي، مما يؤدي إلى تقليص دورات التصميم بنسبة 70%.

الخلاصة: من "التخمين التجريبي" إلى "الدقة القابلة للقياس"

يجب أن يتغلب اختبار تجويف المضخات التوربينية العمودية على الاعتقاد الخاطئ بأن "الهياكل الفريدة تعيق دقة الاختبار". من خلال الجمع بين منصات الحفر ذات الحلقة المغلقة/المفتوحة، والاختبارات الميدانية، والنماذج المُصغّرة، والمحاكاة الرقمية، يمكن للمهندسين تحديد قيمة NPSHr لتحسين التصميمات واستراتيجيات الصيانة. مع تطور الاختبارات الهجينة وأدوات الذكاء الاصطناعي، سيصبح تحقيق الرؤية والتحكم الكاملين في أداء التجويف ممارسةً قياسية.