A cavitação é uma ameaça oculta à  bomba de turbina vertical  operação, causando vibração, ruído e erosão do impulsor, o que pode levar a falhas catastróficas. No entanto, devido à sua estrutura única (comprimento do eixo de até dezenas de metros) e instalação complexa, os testes de desempenho de cavitação (determinação de NPSHr) para bombas de turbina verticais apresentam desafios significativos.

I. Equipamento de teste de malha fechada: precisão versus restrições espaciais

1. Princípios e procedimentos de teste

• Equipamento principal: Sistema de circuito fechado (bomba de vácuo, tanque estabilizador, medidor de vazão, sensores de pressão) para controle preciso da pressão de entrada.

• Procedimento:

· Corrigir a velocidade da bomba e a vazão.

· Reduza gradualmente a pressão de entrada até que a altura manométrica caia 3% (ponto de definição de NPSHr).

· Registre a pressão crítica e calcule NPSHr.

• Precisão dos dados: ±2%, em conformidade com os padrões ISO 5199.

2. Desafios para bombas de turbina verticais

• Limitações de espaço: as plataformas de circuito fechado padrão têm altura vertical ≤ 5 m, incompatível com bombas de eixo longo (comprimento típico do eixo: 10–30 m).

• Distorção do comportamento dinâmico: o encurtamento dos eixos altera as velocidades críticas e os modos de vibração, distorcendo os resultados dos testes.

3. Aplicações da Indústria

• Casos de uso: Bombas de poço profundo de eixo curto (eixo ≤5 m), P&D de protótipos.

• Estudo de caso: Um fabricante de bombas reduziu o NPSHr em 22% após otimizar o projeto do impulsor por meio de 200 testes de circuito fechado.

II. Equipamento de teste de malha aberta: equilibrando flexibilidade e precisão

1. Princípios de teste

• Sistema aberto:Utiliza diferenças de nível de líquido em tanques ou bombas de vácuo para controle de pressão de entrada (mais simples, mas menos preciso).

• Principais atualizações:

· Transmissores de pressão diferencial de alta precisão (erro ≤0.1% FS).

· Medidores de vazão a laser (precisão de ±0.5%) substituindo medidores de turbina tradicionais.

2. Adaptações de bombas de turbina vertical

• Simulação de poços profundos: construir poços subterrâneos (profundidade ≥ comprimento do poço da bomba) para replicar condições de imersão.

• Correção de dados:A modelagem CFD compensa as perdas de pressão de entrada causadas pela resistência da tubulação.

III. Testes de campo: Validação no mundo real

1. Princípios de teste

• Ajustes operacionais: Module a pressão de entrada por meio de regulagem de válvula ou alterações de velocidade do VFD para identificar pontos de queda de pressão.

• Fórmula chave:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(Requer medição da pressão de entrada Pin, velocidade vin e temperatura do fluido.)

Procedimento

Instale sensores de pressão de alta precisão no flange de entrada.

Feche gradualmente as válvulas de entrada enquanto registra o fluxo, a altura manométrica e a pressão.

Trace a curva de pressão de entrada versus pressão de altura para identificar o ponto de inflexão do NPSHr.

2. Desafios e Soluções

• Fatores de interferência:

· Vibração da tubulação → Instale suportes antivibração.

· Arrasto de gás → Use monitores de conteúdo de gás em linha.

• Melhorias na precisão:

· Média de múltiplas medições.

· Analisar espectros de vibração (o início da cavitação desencadeia picos de energia de 1–4 kHz).

IV. Teste de modelo em escala reduzida: insights sobre custo-benefício

1. Base da Teoria da Similaridade

•Leis de Escala: Manter a velocidade específica ns; dimensionar as dimensões do impulsor como:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•Design do modelo:  Proporções de escala de 1:2 a 1:5; replica materiais e rugosidade da superfície.

2. Vantagens da bomba de turbina vertical

•Compatibilidade de espaço: Os modelos de eixo curto são adequados para bancos de teste padrão.

• Economia de custos: Os custos dos testes foram reduzidos para 10–20% dos protótipos em escala real.

Fontes de erros e correções

•Efeitos de escala:  Desvios do número de Reynolds → Aplicar modelos de correção de turbulência.

•Rugosidade da superfície:  Modelos poloneses para Ra≤0.8μm para compensar perdas por atrito.

V. Simulação Digital: Revolução dos Testes Virtuais

1. Modelagem CFD

•Processo:

Crie modelos 3D de caminho de fluxo completo.

Configurar modelos de fluxo multifásico (água + vapor) e cavitação (por exemplo, Schnerr-Sauer).

Itere até queda de 3% na carga; extraia NPSHr .

• Validação: Os resultados do CFD mostram desvio ≤8% dos testes físicos em estudos de caso.

2. Previsão de Aprendizado de Máquina

• Abordagem baseada em dados:  Treine modelos de regressão em dados históricos; insira parâmetros do impulsor (D2, β2, etc.) para prever NPSHr.

• Vantagem: Elimina testes físicos, reduzindo os ciclos de design em 70%.

Conclusão: Da "Suposição Empírica" ​​à "Precisão Quantificável"

Os testes de cavitação em bombas de turbina verticais devem superar a ideia equivocada de que "estruturas únicas impedem testes precisos". Combinando equipamentos de circuito fechado/aberto, testes de campo, modelos em escala e simulações digitais, os engenheiros podem quantificar o NPSHr para otimizar projetos e estratégias de manutenção. À medida que os testes híbridos e as ferramentas de IA avançam, alcançar total visibilidade e controle sobre o desempenho da cavitação se tornará uma prática padrão.