Kavitace je skrytou hrozbou  vertikální turbínové čerpadlo  provozu, což způsobuje vibrace, hluk a erozi oběžného kola, které mohou vést ke katastrofickým poruchám. Vzhledem k jejich jedinečné struktuře (délka hřídele až desítky metrů) a složité instalaci však představuje testování kavitačního výkonu (stanovení NPSHr) u vertikálních turbínových čerpadel značné výzvy.

I. Testovací zařízení s uzavřenou smyčkou: Přesnost vs. prostorová omezení

1. Principy a postupy testování

• Základní vybavení: Systém s uzavřenou smyčkou (vakuové čerpadlo, stabilizační nádrž, průtokoměr, tlaková čidla) pro přesnou regulaci vstupního tlaku.

• Postup:

· Fixujte otáčky čerpadla a průtok.

· Postupně snižujte vstupní tlak, dokud dopravní výška neklesne o 3 % (definiční bod NPSHr).

· Zaznamenejte kritický tlak a vypočítejte NPSHr.

• Přesnost dat: ±2 %, v souladu s normami ISO 5199.

2. Výzvy pro vertikální turbínová čerpadla

• Omezení prostoru: Standardní soupravy s uzavřeným okruhem mají vertikální výšku ≤5 m, což není kompatibilní s čerpadly s dlouhou hřídelí (typická délka hřídele: 10–30 m).

• Dynamické zkreslení chování: Zkracování hřídelí mění kritické rychlosti a vibrační režimy, zkresluje výsledky testů.

3. Průmyslové aplikace

• Případy použití: Čerpadla do hlubokých vrtů s krátkým hřídelem (hřídel ≤5 m), prototypový výzkum a vývoj.

• Případová studie: Výrobce čerpadla snížil NPSHr o 22 % po optimalizaci konstrukce oběžného kola prostřednictvím 200 testů v uzavřené smyčce.

II. Testovací zařízení s otevřenou smyčkou: Vyvážení flexibility a přesnosti

1. Principy testování

• Otevřený systém:Používá rozdíly hladiny kapaliny v nádrži nebo vakuová čerpadla pro řízení vstupního tlaku (jednodušší, ale méně přesné).

• Klíčové upgrady:

· Vysoce přesné snímače diferenčního tlaku (chyba ≤0.1 % FS).

· Laserové průtokoměry (přesnost ±0.5 %) nahrazující tradiční turbínové měřiče.

2. Adaptace vertikálních turbínových čerpadel

• Simulace hlubokých vrtů: Vybudujte podzemní šachty (hloubka ≥ délka šachty čerpadla) pro replikaci podmínek ponoření.

• Oprava dat:CFD modelování kompenzuje ztráty vstupního tlaku způsobené odporem potrubí.

III. Testování v terénu: Ověření v reálném světě

1. Principy testování

• Provozní úpravy: Modulujte vstupní tlak prostřednictvím škrcení ventilů nebo změn rychlosti VFD pro identifikaci bodů poklesu hlavy.

• Klíčový vzorec:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(Vyžaduje měření vstupního tlaku Pin, rychlost vin a teplotu kapaliny.)

Postup

Instalujte vysoce přesné tlakové snímače na vstupní přírubu.

Postupně zavírejte vstupní ventily a zaznamenávejte průtok, dopravní výšku a tlak.

Vyneste křivku hlavy vs. vstupního tlaku pro identifikaci inflexního bodu NPSHr.

2.Výzvy a řešení

• Interferenční faktory:

· Vibrace potrubí → Nainstalujte antivibrační držáky.

· Strhávání plynu → Používejte inline monitory obsahu plynu.

• Vylepšení přesnosti:

· Průměr více měření.

· Analyzujte spektra vibrací (nástup kavitace spouští energetické špičky 1–4 kHz).

IV. Testování zmenšeného modelu: Cenově efektivní statistiky

1. Základy teorie podobnosti

•Zákony škálování: Udržujte specifickou rychlost ns; měřítko rozměrů oběžného kola jako:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•Design modelu:  poměry měřítek 1:2 až 1:5; replikovat materiály a drsnost povrchu.

2. Výhody vertikálního turbínového čerpadla

•Vesmírná kompatibilita: Modely s krátkou hřídelí jsou vhodné pro standardní zkušební zařízení.

•Úspora nákladů: Náklady na testování sníženy na 10–20 % prototypů v plném měřítku.

Zdroje chyb a opravy

•Účinky měřítka:  Odchylky Reynoldsova čísla → Aplikujte modely korekce turbulence.

• Drsnost povrchu:  Polské modely na Ra≤0.8μm pro kompenzaci ztrát třením.

V. Digitální simulace: Revoluce virtuálního testování

1. CFD modelování

•Proces:

Vytvářejte 3D modely s plným tokem.

Konfigurace vícefázového proudění (voda + pára) a kavitačních modelů (např. Schnerr-Sauer).

Opakujte, dokud poklesne o 3 %; extrakt NPSHr.

• Ověření: Výsledky CFD ukazují ≤8% odchylku od fyzických testů v případových studiích.

2. Predikce strojového učení

• Přístup založený na datech:  Trénujte regresní modely na historických datech; vstupní parametry oběžného kola (D2, β2 atd.) pro predikci NPSHr.

• Výhoda: Eliminuje fyzické testování, snižuje návrhové cykly o 70 %.

Závěr: Od „empirického hádání“ k „kvantifikovatelné přesnosti“

Testování kavitace vertikálního turbínového čerpadla musí překonat mylnou představu, že „jedinečné struktury vylučují přesné testování“. Kombinací souprav s uzavřenou/otevřenou smyčkou, terénních testů, zmenšených modelů a digitálních simulací mohou inženýři kvantifikovat NPSHr pro optimalizaci návrhů a strategií údržby. S pokrokem hybridního testování a nástrojů AI se dosažení plné viditelnosti a kontroly nad výkonem kavitace stane standardní praxí.