Кавитация — это скрытая угроза  вертикальный турбинный насос  работы, вызывая вибрацию, шум и эрозию рабочего колеса, что может привести к катастрофическим отказам. Однако из-за их уникальной конструкции (длина вала до десятков метров) и сложной установки, испытания на кавитационную эффективность (определение NPSHr) для вертикальных турбинных насосов представляют собой значительные проблемы.

I. Испытательная установка замкнутого контура: точность против пространственных ограничений

1.Принципы и процедуры тестирования

• Основное оборудование: Замкнутая система (вакуумный насос, стабилизационный бак, расходомер, датчики давления) для точного контроля давления на входе.

• Процедура:

· Зафиксируйте скорость насоса и расход.

· Постепенно снижайте давление на входе до тех пор, пока напор не упадет на 3% (точка определения NPSHr).

· Запишите критическое давление и рассчитайте NPSHr.

• Точность данных: ±2%, в соответствии со стандартами ISO 5199.

2. Проблемы вертикальных турбинных насосов

• Ограничения по пространству: стандартные установки замкнутого цикла имеют вертикальную высоту ≤5 м, что несовместимо с насосами с длинным валом (типичная длина вала: 10–30 м).

• Динамическое искажение поведения: укорачивание валов изменяет критические скорости и режимы вибрации, искажая результаты испытаний.

3. Отраслевые приложения

• Варианты использования: насосы для глубоких скважин с коротким валом (вал ≤5 м), НИОКР прототипа.

• Пример из практики: производитель насосов снизил NPSHr на 22% после оптимизации конструкции рабочего колеса с помощью 200 испытаний в замкнутом контуре.

II. Испытательная установка с открытым контуром: баланс между гибкостью и точностью

1. Принципы тестирования

• Открытая система:Использует разницу уровней жидкости в баке или вакуумные насосы для регулирования давления на входе (проще, но менее точно).

• Ключевые обновления:

· Высокоточные датчики перепада давления (погрешность ≤0.1% полной шкалы).

· Лазерные расходомеры (точность ±0.5%) заменяют традиционные турбинные счетчики.

2. Адаптации вертикальных турбинных насосов

• Моделирование глубоких скважин: постройте подземные шахты (глубина ≥ длины шахты насоса) для имитации условий погружения.

• Исправление данных:Моделирование CFD компенсирует потери давления на входе, вызванные сопротивлением трубопровода.

III. Полевые испытания: проверка в реальных условиях

1. Принципы тестирования

• Эксплуатационные настройки: модулируйте давление на входе с помощью дросселирования клапана или изменения скорости частотно-регулируемого привода для определения точек падения напора.

• Ключевая формула:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(Требуется измерение входного давления Pin, скорости vin и температуры жидкости.)

Процесс

Установите высокоточные датчики давления на входном фланце.

Постепенно закройте впускные клапаны, регистрируя расход, напор и давление.

Постройте кривую зависимости напора от входного давления, чтобы определить точку перегиба NPSHr.

2.Проблемы и решения

• Факторы помех:

· Вибрация трубы → Установите антивибрационные опоры.

· Унос газа → Используйте встроенные мониторы содержания газа.

• Повышение точности:

· Усреднение результатов нескольких измерений.

· Анализ спектров вибрации (начало кавитации вызывает всплески энергии 1–4 кГц).

IV. Тестирование уменьшенной модели: экономически эффективные идеи

1. Основы теории подобия

•Законы масштабирования: Поддерживайте удельную скорость ns; масштабируйте размеры рабочего колеса следующим образом:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•Проектирование модели:  Масштаб от 1:2 до 1:5; воспроизведение материалов и шероховатости поверхности.

2. Преимущества вертикального турбинного насоса

• Совместимость с пространством: Модели с коротким валом подходят для стандартных испытательных стендов.

•Экономия средств: Затраты на испытания снижены до 10–20% от затрат на полномасштабные прототипы.

Источники ошибок и их исправления

•Эффекты масштаба:  Отклонения числа Рейнольдса → Применить модели коррекции турбулентности.

•Шероховатость поверхности:  Отполируйте модели до Ra≤0.8 мкм для компенсации потерь на трение.

V. Цифровое моделирование: революция виртуального тестирования

1. Моделирование вычислительной гидродинамики

•Процесс:

Создавайте 3D-модели полного пути потока.

Настройте многофазный поток (вода + пар) и модели кавитации (например, Шнерра-Зауэра).

Повторяйте до тех пор, пока падение напора не составит 3%; извлеките NPSHr.

• Проверка: Результаты вычислительной гидродинамики демонстрируют отклонение ≤8% от физических испытаний в тематических исследованиях.

2. Прогнозирование с помощью машинного обучения

• Подход, основанный на данных:  Обучение регрессионных моделей на исторических данных; ввод параметров рабочего колеса (D2, β2 и т. д.) для прогнозирования NPSHr.

• Преимущество: Исключает необходимость в физическом тестировании, сокращая циклы проектирования на 70%.

Заключение: от «эмпирических догадок» к «количественной точности»

Испытания кавитации вертикальных турбинных насосов должны преодолеть заблуждение, что «уникальные конструкции исключают точное тестирование». Объединяя установки с замкнутым/разомкнутым контуром, полевые испытания, масштабированные модели и цифровое моделирование, инженеры могут количественно оценить NPSHr для оптимизации конструкций и стратегий обслуживания. По мере развития гибридных испытаний и инструментов ИИ достижение полной видимости и контроля над характеристиками кавитации станет стандартной практикой.