La cavitation est une menace cachée pour  pompe à turbine verticale  Fonctionnement irrégulier, provoquant vibrations, bruit et érosion de la roue pouvant entraîner des pannes catastrophiques. Cependant, en raison de leur structure unique (longueurs d'arbre pouvant atteindre plusieurs dizaines de mètres) et de leur installation complexe, les tests de performance de cavitation (détermination du NPSHr) des pompes à turbine verticale posent des défis majeurs.

I. Banc d'essai en boucle fermée : précision et contraintes spatiales

1. Principes et procédures de test

• Équipement de base : Système en boucle fermée (pompe à vide, réservoir stabilisateur, débitmètre, capteurs de pression) pour un contrôle précis de la pression d'entrée.

• Procédure:

· Fixer la vitesse et le débit de la pompe.

· Réduire progressivement la pression d'admission jusqu'à ce que la hauteur manométrique diminue de 3 % (point de définition NPSHr).

· Enregistrez la pression critique et calculez le NPSHr.

• Précision des données : ±2 %, conforme aux normes ISO 5199.

2. Défis pour les pompes à turbine verticales

• Limitations d'espace : les plates-formes standard en boucle fermée ont une hauteur verticale ≤ 5 m, incompatible avec les pompes à arbre long (longueur d'arbre typique : 10 à 30 m).

• Distorsion du comportement dynamique : le raccourcissement des arbres modifie les vitesses critiques et les modes de vibration, faussant les résultats des tests.

3. Applications industrielles

• Cas d'utilisation : Pompes à puits profonds à arbre court (arbre ≤ 5 m), prototype R&D.

• Étude de cas : Un fabricant de pompes a réduit le NPSHr de 22 % après avoir optimisé la conception de la roue via 200 tests en boucle fermée.

II. Banc d'essai en boucle ouverte : équilibre entre flexibilité et précision

1. Principes de test

• Système ouvert :Utilise les différences de niveau de liquide du réservoir ou les pompes à vide pour le contrôle de la pression d'entrée (plus simple mais moins précis).

• Principales améliorations :

· Transmetteurs de pression différentielle de haute précision (erreur ≤ 0.1 % FS).

· Débitmètres laser (précision ±0.5%) remplaçant les débitmètres à turbine traditionnels.

2. Adaptations de pompes à turbine verticales

• Simulation de puits profonds : construire des puits souterrains (profondeur ≥ longueur de l'arbre de la pompe) pour reproduire les conditions d'immersion.

• Correction des données :La modélisation CFD compense les pertes de pression d'entrée causées par la résistance du pipeline.

III. Essais sur le terrain : validation en conditions réelles

1. Principes de test

• Réglages opérationnels : modulez la pression d'admission via l'étranglement des soupapes ou les changements de vitesse du variateur de fréquence pour identifier les points de chute de pression.

• Formule clé :

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(Nécessite de mesurer la pression d'entrée Pin, la vitesse vin et la température du fluide.)

Procédure

Installez des capteurs de pression de haute précision sur la bride d’entrée.

Fermez progressivement les vannes d’admission tout en enregistrant le débit, la hauteur manométrique et la pression.

Tracez la courbe de la tête par rapport à la pression d'entrée pour identifier le point d'inflexion du NPSHr.

2. Défis et solutions

• Facteurs d’interférence :

· Vibration des tuyaux → Installer des supports anti-vibrations.

· Entraînement de gaz → Utiliser des moniteurs de teneur en gaz en ligne.

• Améliorations de la précision :

· Moyenne de plusieurs mesures.

· Analyser les spectres de vibration (le début de la cavitation déclenche des pics d’énergie de 1 à 4 kHz).

IV. Tests de modèles réduits : perspectives de rentabilité

1. Base de la théorie de la similarité

• Lois d’échelle : Maintenir une vitesse spécifique ns ; mettre à l'échelle les dimensions de la turbine comme suit :

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•Conception du modèle :  Rapports d'échelle 1:2 à 1:5 ; réplique des matériaux et de la rugosité de surface.

2. Avantages de la pompe à turbine verticale

• Compatibilité spatiale : Les modèles à arbre court s'adaptent aux bancs d'essai standard.

•Économies de coûts : Les coûts de test sont réduits à 10 à 20 % des prototypes à grande échelle.

Sources d'erreurs et corrections

•Effets d’échelle :  Écarts du nombre de Reynolds → Appliquer des modèles de correction de turbulence.

• Rugosité de surface :  Modèles polonais à Ra≤0.8μm pour compenser les pertes par frottement.

V. Simulation numérique : la révolution des tests virtuels

1. Modélisation CFD

•Processus:

Créez des modèles 3D de parcours d'écoulement complet.

Configurer des modèles d'écoulement multiphasique (eau + vapeur) et de cavitation (par exemple, Schnerr-Sauer).

Itérer jusqu'à une chute de charge de 3 % ; extraire NPSHr.

• Validation : Les résultats CFD montrent un écart ≤ 8 % par rapport aux tests physiques dans les études de cas.

2. Prédiction par apprentissage automatique

• Approche axée sur les données :  Entraînez des modèles de régression sur des données historiques ; saisissez les paramètres de l'impulseur (D2, β2, etc.) pour prédire le NPSHr.

• Avantage: Élimine les tests physiques, réduisant ainsi les cycles de conception de 70 %.

Conclusion : de la « conjecture empirique » à la « précision quantifiable »

Les essais de cavitation des pompes à turbine verticale doivent surmonter l'idée reçue selon laquelle « des structures uniques empêchent des essais précis ». En combinant des bancs d'essai en boucle fermée/ouverte, des essais sur le terrain, des modèles réduits et des simulations numériques, les ingénieurs peuvent quantifier le NPSHr afin d'optimiser les conceptions et les stratégies de maintenance. Avec le développement des outils d'essais hybrides et d'IA, une visibilité et un contrôle complets des performances de cavitation deviendront la norme.