การเกิดโพรงอากาศเป็นภัยคุกคามที่ซ่อนเร้นต่อ  ปั๊มกังหันแนวตั้ง  การทำงานที่ก่อให้เกิดการสั่นสะเทือน เสียงรบกวน และการสึกกร่อนของใบพัด ซึ่งอาจนำไปสู่ความล้มเหลวอย่างร้ายแรง อย่างไรก็ตาม เนื่องมาจากโครงสร้างเฉพาะตัว (ความยาวเพลาสูงสุดถึงหลายสิบเมตร) และการติดตั้งที่ซับซ้อน การทดสอบประสิทธิภาพการเกิดโพรงอากาศ (การกำหนด NPSHr) สำหรับปั๊มกังหันแนวตั้งจึงก่อให้เกิดความท้าทายที่สำคัญ

I. แท่นทดสอบแบบวงปิด: ความแม่นยำเทียบกับข้อจำกัดด้านพื้นที่

1.หลักการและขั้นตอนการทดสอบ

• อุปกรณ์หลัก: ระบบวงปิด (ปั๊มสุญญากาศ ถังควบคุมอัตราการไหล เซ็นเซอร์วัดแรงดัน) เพื่อการควบคุมแรงดันทางเข้าที่แม่นยำ

• ขั้นตอน:

· แก้ไขความเร็วปั๊มและอัตราการไหล

· ลดแรงดันทางเข้าลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปจนกระทั่งหัวลดลง 3% (จุดกำหนด NPSHr)

· บันทึกแรงดันวิกฤตและคำนวณ NPSHr

• ความแม่นยำของข้อมูล: ±2% สอดคล้องกับมาตรฐาน ISO 5199

2. ความท้าทายสำหรับปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

• ข้อจำกัดด้านพื้นที่: แท่นขุดแบบวงปิดมาตรฐานจะมีความสูงแนวตั้ง ≤5 ม. ซึ่งไม่เข้ากันกับปั๊มเพลายาว (ความยาวเพลาโดยทั่วไป: 10–30 ม.)

• การบิดเบือนพฤติกรรมไดนามิก: การย่อเพลาทำให้ความเร็ววิกฤตและโหมดการสั่นสะเทือนเปลี่ยนแปลง ทำให้ผลการทดสอบเบี่ยงเบนไป

3. การใช้งานในอุตสาหกรรม

• กรณีการใช้งาน: ปั๊มน้ำลึกแบบเพลาสั้น (เพลา ≤5 ม.) ต้นแบบงานวิจัยและพัฒนา

• กรณีศึกษา: ผู้ผลิตปั๊มลด NPSHr ลง 22% หลังจากปรับปรุงการออกแบบใบพัดผ่านการทดสอบแบบวงปิด 200 ครั้ง

II. อุปกรณ์ทดสอบแบบวงเปิด: การสร้างสมดุลระหว่างความยืดหยุ่นและความแม่นยำ

1. หลักการทดสอบ

• ระบบเปิด:ใช้ความแตกต่างของระดับของเหลวในถังหรือปั๊มสุญญากาศเพื่อควบคุมแรงดันทางเข้า (ง่ายกว่าแต่แม่นยำน้อยกว่า)

• การอัพเกรดที่สำคัญ:

· เครื่องส่งสัญญาณความดันต่างที่มีความแม่นยำสูง (ข้อผิดพลาด ≤0.1% FS)

· เครื่องวัดอัตราการไหลแบบเลเซอร์ (ความแม่นยำ ±0.5%) เข้ามาแทนที่เครื่องวัดกังหันแบบดั้งเดิม

2. การปรับตัวของปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

• การจำลองบ่อน้ำลึก: สร้างช่องใต้ดิน (ความลึก ≥ ความยาวช่องปั๊ม) เพื่อจำลองสภาวะการจุ่มน้ำ

• การแก้ไขข้อมูล:การสร้างแบบจำลอง CFD ชดเชยการสูญเสียแรงดันทางเข้าที่เกิดจากความต้านทานของท่อ

III. การทดสอบภาคสนาม: การตรวจสอบในโลกแห่งความเป็นจริง

1. หลักการทดสอบ

• การปรับการทำงาน: ปรับแรงดันทางเข้าผ่านการควบคุมวาล์วหรือการเปลี่ยนความเร็ว VFD เพื่อระบุจุดที่หัวตก

• สูตรสำคัญ:

NPSHr=NPSHr=ρgPin+2gvin2−ρgPv

(ต้องมีการวัดแรงดันทางเข้า พิน ความเร็ว VIN และอุณหภูมิของของไหล)

การรักษาอื่นๆ

ติดตั้งเซ็นเซอร์วัดแรงดันความแม่นยำสูงที่หน้าแปลนทางเข้า

ค่อยๆ ปิดวาล์วทางเข้าในขณะที่บันทึกอัตราการไหล แรงดัน และแรงดัน

พล็อตส่วนหัวเทียบกับเส้นโค้งแรงดันทางเข้าเพื่อระบุจุดเปลี่ยน NPSHr

2.ความท้าทายและแนวทางแก้ไข

• ปัจจัยการรบกวน:

· การสั่นของท่อ → ติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันการสั่นสะเทือน

· การนำก๊าซเข้ามา → ใช้เครื่องตรวจวัดปริมาณก๊าซแบบอินไลน์

• การปรับปรุงความแม่นยำ:

· การวัดค่าเฉลี่ยหลายครั้ง

· วิเคราะห์สเปกตรัมการสั่นสะเทือน (การเกิดโพรงอากาศกระตุ้นให้เกิดพลังงานพุ่งสูง 1–4 kHz)

IV. การทดสอบแบบจำลองที่ลดขนาด: ข้อมูลเชิงลึกที่คุ้มต้นทุน

1. รากฐานของทฤษฎีความคล้ายคลึง

•กฎการปรับขนาด: รักษาความเร็วเฉพาะ ns; ขนาดใบพัดตาม:

· QmQ=(DmD)3,HmH=(DmD)2

•การออกแบบโมเดล:  อัตราส่วนมาตราส่วน 1:2 ถึง 1:5 จำลองวัสดุและความหยาบของพื้นผิว

2. ข้อดีของปั๊มเทอร์ไบน์แนวตั้ง

•ความเข้ากันได้ของพื้นที่: รุ่นเพลาสั้นเหมาะกับแท่นทดสอบมาตรฐาน

•การประหยัดต้นทุน: ต้นทุนการทดสอบลดลงเหลือ 10–20% ของต้นแบบขนาดเต็มรูปแบบ

แหล่งที่มาของข้อผิดพลาดและการแก้ไขข้อผิดพลาด

• ผลกระทบของมาตราส่วน:  การเบี่ยงเบนของจำนวนเรย์โนลด์ → ใช้แบบจำลองการแก้ไขความปั่นป่วน

ความหยาบของพื้นผิว:  โมเดลโปแลนด์มี Ra≤0.8μm เพื่อชดเชยการสูญเสียแรงเสียดทาน

V. การจำลองแบบดิจิทัล: การปฏิวัติการทดสอบเสมือนจริง

1. การสร้างแบบจำลอง CFD

•กระบวนการ:

สร้างแบบจำลอง 3 มิติแบบเส้นทางการไหลเต็มรูปแบบ

กำหนดค่าแบบจำลองการไหลหลายเฟส (น้ำ + ไอ) และการเกิดโพรงอากาศ (เช่น Schnerr-Sauer)

ทำซ้ำจนกว่าจะลดหัวลง 3%; แยก NPSHr

• การตรวจสอบ: ผล CFD แสดงความเบี่ยงเบน ≤8% จากการทดสอบทางกายภาพในกรณีศึกษา

2. การทำนายการเรียนรู้ของเครื่องจักร

• แนวทางการขับเคลื่อนด้วยข้อมูล:  ฝึกอบรมแบบจำลองการถดถอยบนข้อมูลในอดีต ป้อนพารามิเตอร์ใบพัด (D2, β2 เป็นต้น) เพื่อคาดการณ์ NPSHr

• ข้อได้เปรียบ: กำจัดการทดสอบทางกายภาพ ลดรอบการออกแบบลง 70%

บทสรุป: จาก “การคาดเดาเชิงประจักษ์” สู่ “ความแม่นยำที่วัดได้”

การทดสอบการเกิดโพรงอากาศในปั๊มกังหันแนวตั้งต้องเอาชนะความเข้าใจผิดที่ว่า "โครงสร้างเฉพาะตัวทำให้การทดสอบไม่แม่นยำ" โดยการรวมแท่นขุดแบบปิด/เปิด การทดสอบภาคสนาม แบบจำลองที่ปรับขนาด และการจำลองแบบดิจิทัล วิศวกรสามารถวัดค่า NPSHr เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบและกลยุทธ์การบำรุงรักษาได้ เมื่อการทดสอบแบบไฮบริดและเครื่องมือ AI ก้าวหน้าขึ้น การบรรลุการมองเห็นและการควบคุมเต็มรูปแบบต่อประสิทธิภาพของการเกิดโพรงอากาศจะกลายเป็นแนวทางปฏิบัติมาตรฐาน