קאוויטציה היא איום נסתר על  משאבת טורבינה אנכית  פעולה, גרימת רטט, רעש ושחיקת אימפלרים שעלולים להוביל לכשלים קטסטרופליים. עם זאת, בשל המבנה הייחודי שלהן (אורכי פיר עד עשרות מטרים) וההתקנה המורכבת, בדיקת ביצועי הקוויטציה (קביעת NPSHr) עבור משאבות טורבינה אנכיות מציבות אתגרים משמעותיים.

I. מתקן בדיקה בלולאה סגורה: דיוק לעומת אילוצים מרחביים

1. עקרונות ונהלי בדיקה

• ציוד ליבה: מערכת לולאה סגורה (משאבת ואקום, מיכל מייצב, מד זרימה, חיישני לחץ) לבקרת לחץ כניסה מדויקת.

• נוהל:

· תקן את מהירות המשאבה וקצב הזרימה.

· הפחיתו בהדרגה את לחץ הכניסה עד שהראש יורד ב-3% (נקודת הגדרת NPSHr).

· להקליט לחץ קריטי ולחשב NPSHr.

• דיוק נתונים: ±2%, תואם לתקני ISO 5199.

2. אתגרים למשאבות טורבינה אנכיות

• מגבלות שטח: לאסדות סטנדרטיות בלולאה סגורה יש גובה אנכי ≤5 מ', לא תואמות למשאבות ארוכות פיר (אורך פיר טיפוסי: 10-30 מ').

• עיוות התנהגות דינמי: קיצור פירים משנה מהירויות קריטיות ואופני רטט, הטיית תוצאות הבדיקה.

3. יישומים בתעשייה

• מקרי שימוש: משאבות לבאר עמוק קצר גל (פיר ≤5 מ'), אב טיפוס מו"פ.

• מקרה מבחן: יצרן משאבות הפחית את NPSHr ב-22% לאחר אופטימיזציה של עיצוב האימפלר באמצעות 200 בדיקות בלולאה סגורה.

II. מתקן בדיקה בלולאה פתוחה: איזון בין גמישות ודיוק

1. עקרונות בדיקה

• מערכת פתוחה:משתמש בהפרשי מפלס נוזלי מיכל או במשאבות ואקום לבקרת לחץ הכניסה (פשוט יותר אך פחות מדויק).

• שדרוגי מפתח:

· משדרי לחץ דיפרנציאליים בעלי דיוק גבוה (שגיאה ≤0.1% FS).

· מדי זרימה בלייזר (±0.5% דיוק) המחליפים מדי טורבינה מסורתיים.

2. התאמות משאבת טורבינה אנכית

• הדמיית באר עמוקה: בניית פירים תת-קרקעיים (עומק ≥ אורך פיר המשאבה) כדי לשחזר את תנאי הטבילה.

• תיקון נתונים:מודל CFD מפצה על הפסדי לחץ בכניסה הנגרמים על ידי התנגדות צינור.

III. בדיקת שטח: אימות בעולם האמיתי

1. עקרונות בדיקה

• התאמות תפעוליות: מווסת את לחץ הכניסה באמצעות מצערת שסתום או שינויי מהירות VFD כדי לזהות נקודות נפילת ראש.

• נוסחת מפתח:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(דורש מדידת לחץ כניסת פין, מהירות וין וטמפרטורת נוזל.)

נוהל

התקן חיישני לחץ בעלי דיוק גבוה באוגן הכניסה.

סגור בהדרגה את שסתומי הכניסה תוך רישום זרימה, ראש ולחץ.

שרטטו עקומת ראש לעומת לחץ הכניסה לזיהוי נקודת הפיתול של NPSHr.

2.אתגרים ופתרונות

• גורמי הפרעה:

· רטט צינור → התקן תושבות נגד רעידות.

· העברת גז ← השתמש במסכי תכולת גז מוטבעים.

• שיפורי דיוק:

· ממוצע מדידות מרובות.

· לנתח ספקטרום רטט (התפרצות הקוויטציה מפעילה קוצים אנרגטיים של 1-4 קילו-הרץ).

IV. בדיקת מודלים מוקטנים: תובנות חסכוניות

1. בסיס תורת הדמיון

• חוקי קנה מידה: לשמור על מהירות ספציפית ns; קנה מידה של מידות האימפלר כמו:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

• עיצוב דגם:  יחסי קנה מידה של 1:2 עד 1:5; שכפול חומרים וחספוס פני השטח.

2. יתרונות משאבת טורבינה אנכית

• תאימות לחלל: דגמי מוט קצר מתאימים לאסדות בדיקה סטנדרטיות.

• חיסכון בעלויות: עלויות הבדיקה הופחתו ל-10-20% מאבות טיפוס בקנה מידה מלא.

מקורות שגיאה ותיקונים

• אפקטים בקנה מידה:  סטיות מספר ריינולדס ← החל מודלים של תיקון טורבולנציה.

• חספוס פני השטח:  מודלים פולניים עד Ra≤0.8μm כדי לקזז הפסדי חיכוך.

V. סימולציה דיגיטלית: מהפכת בדיקות וירטואליות

1. מודל CFD

•תַהֲלִיך:

בניית מודלים תלת מימדיים במסלול מלא בזרימה מלאה.

קבע תצורה של זרימה רב-פאזית (מים + אדים) ומודלים של קוויטציה (למשל, Schnerr-Sauer).

חזרו עד ירידה של 3% בראש; לחלץ NPSHr.

• אימות: תוצאות CFD מראות ≤8% סטייה מבדיקות פיזיות במחקרי מקרה.

2. חיזוי למידת מכונה

• גישה מונעת נתונים:  הרכבת מודלים של רגרסיה על נתונים היסטוריים; קלט פרמטרים של אימפלר (D2, β2 וכו') כדי לחזות NPSHr.

• יתרון: מבטל בדיקות פיזיות, חותך מחזורי עיצוב ב-70%.

מסקנה: מ"ניחוש אמפירי" ל"דיוק ניתן לכימות"

בדיקת קוויטציה של משאבת טורבינה אנכית חייבת להתגבר על התפיסה המוטעית ש"מבנים ייחודיים מונעים בדיקה מדויקת". על ידי שילוב של אסדות בלולאה סגורה/פתוחה, בדיקות שטח, מודלים מותאמים וסימולציות דיגיטליות, מהנדסים יכולים לכמת NPSHr כדי לייעל את העיצובים ואסטרטגיות התחזוקה. ככל שמתקדמים בדיקות היברידיות וכלי AI, השגת נראות ושליטה מלאה על ביצועי הקוויטציה תהפוך לפרקטיקה סטנדרטית.