Kavitation ist eine versteckte Gefahr für  vertikale Turbinenpumpe  Betrieb, was zu Vibrationen, Lärm und Laufraderosion führt, die zu katastrophalen Ausfällen führen können. Aufgrund ihrer einzigartigen Struktur (Wellenlängen bis zu mehreren zehn Metern) und der komplexen Installation stellt die Prüfung des Kavitationsverhaltens (NPSHr-Bestimmung) bei vertikalen Turbinenpumpen jedoch eine erhebliche Herausforderung dar.

I. Closed-Loop-Prüfstand: Präzision vs. räumliche Einschränkungen

1.Testprinzipien und -verfahren

• Grundausstattung: Geschlossenes Kreislaufsystem (Vakuumpumpe, Stabilisatortank, Durchflussmesser, Drucksensoren) für präzise Eingangsdruckregelung.

• Verfahren:

· Pumpendrehzahl und Durchflussrate festlegen.

· Reduzieren Sie den Eingangsdruck schrittweise, bis die Förderhöhe um 3 % abfällt (NPSHr-Definitionspunkt).

· Kritischen Druck aufzeichnen und NPSHr berechnen.

• Datengenauigkeit: ±2 %, entspricht den ISO 5199-Standards.

2. Herausforderungen für vertikale Turbinenpumpen

• Platzbeschränkungen: Standard-Rigs mit geschlossenem Kreislauf haben eine vertikale Höhe von ≤5 m und sind nicht mit Pumpen mit langer Welle kompatibel (typische Wellenlänge: 10–30 m).

• Verzerrung des dynamischen Verhaltens: Durch die Verkürzung der Wellen werden kritische Geschwindigkeiten und Schwingungsmodi verändert, was zu einer Verzerrung der Testergebnisse führt.

3. Industrieanwendungen

• Anwendungsfälle: Tiefbrunnenpumpen mit kurzer Welle (Welle ≤ 5 m), Prototypen-F&E.

• Fallstudie: Ein Pumpenhersteller reduzierte NPSHr um 22 %, nachdem er das Laufraddesign durch 200 Closed-Loop-Tests optimiert hatte.

II. Open-Loop-Prüfstand: Flexibilität und Genauigkeit im Gleichgewicht

1. Prüfprinzipien

• Offenes System:Verwendet Flüssigkeitsstandsunterschiede im Tank oder Vakuumpumpen zur Regelung des Eingangsdrucks (einfacher, aber weniger präzise).

• Wichtige Upgrades:

· Hochpräzise Differenzdrucktransmitter (Fehler ≤ 0.1 % FS).

· Laser-Durchflussmesser (±0.5 % Genauigkeit) ersetzen herkömmliche Turbinenzähler.

2. Anpassungen vertikaler Turbinenpumpen

• Tiefbrunnensimulation: Bauen Sie unterirdische Schächte (Tiefe ≥ Pumpenschachtlänge), um die Immersionsbedingungen nachzubilden.

• Datenkorrektur:Durch die CFD-Modellierung werden durch den Rohrleitungswiderstand verursachte Einlassdruckverluste ausgeglichen.

III. Feldtests: Validierung in der realen Welt

1. Prüfprinzipien

• Betriebsanpassungen: Modulieren Sie den Eingangsdruck durch Ventildrosselung oder VFD-Geschwindigkeitsänderungen, um Druckabfallpunkte zu identifizieren.

• Schlüsselformel:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(Erfordert die Messung des Eingangsdrucks Pin, der Geschwindigkeit Vin und der Flüssigkeitstemperatur.)

Verfahren

Installieren Sie hochpräzise Drucksensoren am Einlassflansch.

Schließen Sie die Einlassventile allmählich, während Sie Durchfluss, Förderhöhe und Druck aufzeichnen.

Zeichnen Sie die Kurve zwischen Förderhöhe und Eingangsdruck auf, um den Wendepunkt des NPSHr zu ermitteln.

2.Herausforderungen und Lösungen

• Störfaktoren:

· Rohrvibration → Schwingungsdämpfer installieren.

· Gaseinschluss → Verwenden Sie Inline-Gasgehaltsmonitore.

• Genauigkeitsverbesserungen:

· Durchschnitt mehrerer Messungen.

· Analysieren Sie Schwingungsspektren (der Beginn der Kavitation löst Energiespitzen von 1–4 kHz aus).

IV. Verkleinerte Modelltests: Kostengünstige Erkenntnisse

1. Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie

•Skalierungsgesetze: Spezifische Drehzahl ns einhalten, Laufradabmessungen skalieren wie:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•Modelldesign:  Maßstabsverhältnisse von 1:2 bis 1:5; Materialien und Oberflächenrauheit nachbilden.

2. Vorteile der vertikalen Turbinenpumpe

•Raumkompatibilität: Kurzschaftmodelle passen in Standardprüfstände.

•Kosteneinsparungen: Die Testkosten wurden auf 10–20 % der Kosten für Prototypen in Originalgröße reduziert.

Fehlerquellen und Korrekturen

•Skaleneffekte:  Reynolds-Zahl-Abweichungen → Turbulenzkorrekturmodelle anwenden.

•Oberflächenrauheit:  Polieren Sie Modelle auf Ra≤0.8μm, um Reibungsverluste auszugleichen.

V. Digitale Simulation: Virtuelle Testrevolution

1. CFD-Modellierung

•Verfahren:

Erstellen Sie 3D-Modelle mit vollständigem Strömungspfad.

Konfigurieren Sie Mehrphasenströmungs- (Wasser + Dampf) und Kavitationsmodelle (z. B. Schnerr-Sauer).

Iterieren Sie, bis ein Druckabfall von 3 % auftritt; extrahieren Sie NPSHr.

• Validierung: CFD-Ergebnisse zeigen in Fallstudien eine Abweichung von ≤8 % von physikalischen Tests.

2. Vorhersage durch maschinelles Lernen

• Datengesteuerter Ansatz:  Trainieren Sie Regressionsmodelle anhand historischer Daten; geben Sie Laufradparameter (D2, β2 usw.) ein, um NPSHr vorherzusagen.

• Vorteil: Eliminiert physische Tests und verkürzt die Designzyklen um 70 %.

Fazit: Von der „empirischen Vermutung“ zur „quantifizierbaren Präzision“

Bei Kavitationsprüfungen an vertikalen Turbinenpumpen muss der Irrglaube überwunden werden, dass „einzigartige Strukturen genaue Prüfungen verhindern“. Durch die Kombination von Closed-/Open-Loop-Prüfständen, Feldversuchen, maßstabsgetreuen Modellen und digitalen Simulationen können Ingenieure den NPSHr quantifizieren, um Konstruktionen und Wartungsstrategien zu optimieren. Mit der Weiterentwicklung von Hybridtests und KI-Tools wird die vollständige Transparenz und Kontrolle der Kavitationsleistung zum Standard.