Kawitacja jest ukrytym zagrożeniem dla  pionowa pompa turbinowa  eksploatacji, powodując wibracje, hałas i erozję wirnika, co może prowadzić do katastrofalnych awarii. Jednak ze względu na ich unikalną konstrukcję (długość wału do kilkudziesięciu metrów) i złożoną instalację, testowanie wydajności kawitacji (określanie NPSHr) dla pionowych pomp turbinowych stwarza znaczne wyzwania.

I. Zamknięta pętla testowa: precyzja kontra ograniczenia przestrzenne

1. Zasady i procedury testowania

• Sprzęt podstawowy: Zamknięty układ (pompa próżniowa, zbiornik stabilizujący, przepływomierz, czujniki ciśnienia) umożliwiający precyzyjną kontrolę ciśnienia wlotowego.

• Procedura:

· Napraw prędkość pompy i natężenie przepływu.

· Stopniowo zmniejszaj ciśnienie wlotowe, aż do momentu, gdy wysokość podnoszenia spadnie o 3% (punkt definicji NPSHr).

· Zanotuj ciśnienie krytyczne i oblicz NPSHr.

• Dokładność danych: ±2%, zgodna z normami ISO 5199.

2. Wyzwania dla pionowych pomp turbinowych

• Ograniczenia przestrzenne: Standardowe urządzenia wiertnicze o obiegu zamkniętym mają wysokość pionową ≤5 m, co uniemożliwia współpracę z pompami o długim wale (typowa długość wału: 10–30 m).

• Zniekształcenie zachowania dynamicznego: Skrócenie wałów zmienia prędkości krytyczne i tryby wibracji, co powoduje zakłócenie wyników testów.

3. Zastosowania branżowe

• Przykłady zastosowań: pompy głębinowe z krótkim wałem (średnica wału ≤5 m), prace badawczo-rozwojowe nad prototypami.

• Studium przypadku: Producent pomp obniżył współczynnik NPSHr o 22% po zoptymalizowaniu konstrukcji wirnika za pomocą 200 testów w pętli zamkniętej.

II. Stanowisko testowe z otwartą pętlą: równoważenie elastyczności i dokładności

1. Zasady testowania

• System otwarty:Wykorzystuje różnice poziomów cieczy w zbiorniku lub pompy próżniowe do kontroli ciśnienia wlotowego (prostsze, ale mniej precyzyjne).

• Kluczowe ulepszenia:

· Przetworniki różnicy ciśnień o wysokiej dokładności (błąd ≤0.1% FS).

· Przepływomierze laserowe (dokładność ±0.5%) zastępujące tradycyjne przepływomierze turbinowe.

2. Adaptacje pionowej pompy turbinowej

• Symulacja głębokich studni: budowa podziemnych szybów (głębokość ≥ długość szybu pompy) w celu odtworzenia warunków zanurzenia.

• Korekta danych:Modelowanie CFD pozwala kompensować straty ciśnienia wlotowego spowodowane oporem rurociągu.

III. Testowanie w terenie: walidacja w warunkach rzeczywistych

1. Zasady testowania

• Regulacje operacyjne: Modulacja ciśnienia wlotowego poprzez dławienie zaworu lub zmiany prędkości VFD w celu zidentyfikowania punktów spadku ciśnienia.

• Kluczowa formuła:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(Wymaga pomiaru ciśnienia wlotowego Pin, prędkości vin i temperatury płynu.)

Procedura

Zamontuj czujniki ciśnienia o wysokiej dokładności na kołnierzu wlotowym.

Stopniowo zamykaj zawory wlotowe, rejestrując przepływ, wysokość podnoszenia i ciśnienie.

Narysuj krzywą zależności wysokości podnoszenia od ciśnienia wlotowego w celu określenia punktu przegięcia NPSHr.

2. Wyzwania i rozwiązania

• Czynniki zakłócające:

· Wibracje rurociągów → Zamontuj podkładki antywibracyjne.

· Wciąganie gazu → Stosuj wbudowane monitory zawartości gazu.

• Ulepszenia dokładności:

· Uśrednianie wielokrotnych pomiarów.

· Przeanalizuj widma drgań (początek kawitacji wyzwala impulsy energii o częstotliwości 1–4 kHz).

IV. Testowanie modeli w skali: opłacalne spostrzeżenia

1. Podstawy teorii podobieństwa

•Prawa skalowania: Utrzymuj określoną prędkość ns; wymiary wirnika skaluj jako:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•Projekt modelu:  Skala od 1:2 do 1:5; odwzorowanie materiałów i chropowatości powierzchni.

2. Zalety pionowej pompy turbinowej

•Kompatybilność kosmiczna: Modele z krótkim wałem pasują do standardowych stanowisk testowych.

•Oszczędności kosztów: Koszty testowania obniżono do 10–20% kosztów prototypów w pełnej skali.

Źródła błędów i ich korekta

•Efekty skali:  Odchylenia liczby Reynoldsa → Zastosuj modele korekcji turbulencji.

•Chropowatość powierzchni:  Polskie modele do Ra≤0.8μm w celu zrównoważenia strat spowodowanych tarciem.

V. Symulacja cyfrowa: rewolucja w testowaniu wirtualnym

1. Modelowanie CFD

•Proces:

Twórz modele 3D pełnej ścieżki przepływu.

Konfiguruj modele przepływu wielofazowego (woda + para) i kawitacji (np. Schnerr-Sauer).

Powtarzaj do momentu spadku ciśnienia o 3%; wyodrębnij NPSHr.

• Walidacja: Wyniki CFD wykazują ≤8% odchylenia od testów fizycznych w studiach przypadków.

2. Predykcja uczenia maszynowego

• Podejście oparte na danych:  Trenuj modele regresji na danych historycznych; wprowadź parametry wirnika (D2, β2 itd.) w celu przewidywania NPSHr.

• Korzyść: Eliminuje testy fizyczne, skracając cykle projektowania o 70%.

Wnioski: Od „empirycznego zgadywania” do „mierzalnej precyzji”

Testowanie kawitacji pompy turbiny pionowej musi przezwyciężyć błędne przekonanie, że „unikalne struktury uniemożliwiają dokładne testowanie”. Łącząc zamknięte/otwarte układy jezdne, testy terenowe, skalowane modele i symulacje cyfrowe, inżynierowie mogą kwantyfikować NPSHr, aby optymalizować projekty i strategie konserwacji. Wraz z rozwojem hybrydowych testów i narzędzi AI, osiągnięcie pełnej widoczności i kontroli nad wydajnością kawitacji stanie się standardową praktyką.