遠心ポンプの基本原理: キャビテーション

遠心ポンプにおけるキャビテーションの種類

遠心ポンプのキャビテーションを軽減または防止するには、発生する可能性のあるさまざまな種類のキャビテーションを理解することが重要です。これらのタイプには次のようなものがあります。

1.気化キャビテーション。 「典型的なキャビテーション」または「正味吸引ヘッド欠損 (NPSHa) キャビテーション」とも呼ばれる、これは最も一般的なタイプのキャビテーションです。遠心ポンプは、流体がインペラの穴を通って引き込まれるときに流体の速度を高めます。速度の増加は流体圧力の減少に対応します。減圧により流体の一部が沸騰（蒸発）し、蒸気の泡が形成されることがあります。蒸気の泡は高圧領域に到達すると激しく崩壊し、小さな衝撃波を生成します。

 

2. 乱流キャビテーション。配管システム内のエルボ、バルブ、フィルターなどの部品が、ポンプで送られる液体の量や性質に適していない場合があり、液体全体に渦流、乱流、圧力差が発生する可能性があります。これらの現象がポンプ入口部に現れると、直接ポンプ内部を侵食したり、液体が蒸発したりすることがあります。

 

3. 葉症候群のキャビテーション。 「ブレードスルー症候群」としても知られるこのタイプのキャビテーションは、インペラの直径が大きすぎる場合、またはポンプ ハウジングの内側コーティングが厚すぎる場合、またはポンプ ハウジングの内径が小さすぎる場合に発生します。これらの条件のいずれかまたは両方により、ポンプ ハウジング内のスペース (クリアランス) が許容レベル以下に減少します。ポンプハウジング内のクリアランスが減少すると、流体の流量が増加し、圧力が低下します。圧力が低下すると流体が蒸発し、キャビテーション気泡が発生する場合があります。

 

4. 内部再循環キャビテーション。ポンプが所望の流量で流体を排出できない場合、流体の一部またはすべてがインペラの周囲で再循環します。再循環された流体は低圧領域と高圧領域を通過するため、熱が発生し、速度が速くなり、気泡が形成されます。内部再循環の一般的な原因は、ポンプ出口バルブが閉じているとき (または流量が低いとき) にポンプが動作することです。

 

5. キャビテーションによる空気の巻き込み。バルブの故障またはコネクタの緩みにより、空気がポンプに引き込まれる可能性があります。ポンプに入ると、空気が流体と一緒に流れます。流体と空気の動きによって気泡が形成され、ポンプ インペラの圧力上昇にさらされると「爆発」することがあります。

 

キャビテーションの原因

NPSH、NPSHa、NPSHr

NPSH は、遠心ポンプのキャビテーションを防ぐ重要な要素です。 NPSH は、実際の吸入圧力とポンプ入口で測定された流体蒸気圧の差です。ポンプ内で流体が蒸発するのを防ぐには、NPSH 値を高くする必要があります。 NPSHa は、ポンプ動作条件下での実際の NPSH です。必要な正味正吸引ヘッド (NPSHr) は、キャビテーションを回避するためにポンプ メーカーが指定した最小 NPSH です。 NPSHaは、吸込管とポンプの設置と動作の詳細を示す機能です。 NPSHr はポンプ設計の関数であり、その値はポンプのテストによって決定されます。 NPSHr は、テスト条件下で利用可能な揚程を示し、通常はポンプ揚程 (多段ポンプ、ヘッド インペラ ヘッド) の 3% 低下をキャビテーション識別の基準とします。キャビテーションを回避するには、NPSHr を常に NPSHa よりも大きくする必要があります。

空気の同伴とキャビテーションにおけるその役割
空気がポンプの吸引ラインに入ると、空気の巻き込みが発生し、キャビテーションの危険性が高まります。これは、ポンプの不適切な充填、吸引ライン内の漏れ、吸引ライン内の渦流または乱流が原因で発生する可能性があります。液体中の空気は小さな気泡を形成し、ポンプ内の圧力条件下ではキャビテーションプロセスの一因となるか、悪化させる可能性があります。キャビテーションのリスクを最小限に抑えるには、空気の巻き込みを減らすことが重要です。これは、最小浸漬要件を遵守し、パイプ接続の適切なシールを確保し、適切な NPSHa を維持し、ポンプ入口での乱流を回避することによって達成できます。

 

キャビテーションのリスクに関連するポンプとシステムの曲線の分析

 

ポンプとシステムの曲線分析は、キャビテーションのリスクを理解し、リスクを軽減するための重要なツールです。ポンプとシステムの曲線の交点は、さまざまなシステム条件下でのポンプの流量、揚程、効率のパフォーマンスを示しています。ポンプとシステムの曲線を分析することで、オペレータはポンプの最適な動作範囲を決定し、キャビテーションの原因となることが知られている領域を回避できます。これらの領域には、流量が非常に高い場合や吸引ヘッドが非常に低い状況が含まれます。最小流量点に特別な注意を払う必要があります。この流量以下で動作するとキャビテーションのリスクが大幅に増加します。ポンプ曲線を適切に使用すると、ポンプの選択、動作速度、および遠心ポンプのキャビテーションを最小限に抑えるために必要な予防措置を決定するのに役立ちます。

 

キャビテーションを減らすための戦略

NPSHaを上げてキャビテーションを防ぐ
キャビテーションを回避するには、NPSHr よりも NPSHa が大きいことを確認することが不可欠です。これは次の方法で実行できます。

1. 吸引リザーバー/タンクに対するポンプの高さを低くします。吸引リザーバー/プール内のレベルを上げたり、ポンプの設置高さを下げたりできます。これにより、ポンプ入口の NPSHa が増加します。

 

2. 吸込管径を大きくしてください。これにより、一定の流量での流体速度が減少し、パイプや継手の吸込水頭損失が減少します。

 

3. 付属品の水頭損失を低減します。ポンプ吸引ラインの接続数を減らします。長い半径のベンド、全径バルブ、テーパー低減パイプなどのアクセサリを使用して、パイプ継手による吸引ヘッドの損失を軽減します。

 

4. 遠心ポンプ内でキャビテーションが発生することが多いため、ポンプ吸入ラインにフィルターやフィルターを設置することはできるだけ避けてください。これを避けられない場合は、フィルターとポンプ吸引ラインのフィルターを定期的に確認し、掃除してください。

 

5. 汲み上げられた流体を冷却して蒸気圧を下げます。

 

キャビテーションを防止するための NPSH マージンについて学ぶ

NPSH マージンは、NPSHa と NPSHr の差です。 NPSH マージンが大きいと、動作条件の変動によって NPSHa が通常の動作レベルを下回るのを防ぐ安全係数が提供されるため、キャビテーションのリスクが軽減されます。 NPSH マージンに影響を与える要因には、流体の特性、ポンプ速度、吸引条件が含まれます。エンジニアは、信頼性の高いポンプ性能を確保し、キャビテーションのリスクを最小限に抑えるために、設計および運用計画の段階でこのマージンを計算して最大化する必要があります。リアルタイムの運用データに基づいた定期的な監視と調整は、有効な NPSH マージンを維持するのに役立ちます。

 

最小限のポンプ流量を維持する

キャビテーションを低減するには、遠心ポンプが指定された最小流量を超えて動作していることを確認することが重要です。最適流量範囲 (許容作動領域) を下回って遠心ポンプを動作させると、低圧ゾーンが発生する可能性が高まり、キャビテーションが誘発される可能性があります。各遠心ポンプには、キャビテーションなどの動作上の問題を防ぐために必要な最小流量を示すポンプ特性曲線があります。この最小流量は、バイパス ライン、制御バルブ、可変速ポンプなどの流量制御方法を使用して維持できます。これは、ポンプの需要が変化する起動段階または停止段階で特に重要です。

 

キャビテーションを低減するためのインペラ設計の考慮事項

インペラの設計は、遠心ポンプがキ​​ャビテーションを起こしやすいかどうかに重要な役割を果たします。羽根車の数が少なく、羽根が大きいと、流体の加速が少なくなる傾向があり、キャビテーションのリスクが軽減されます。さらに、大きな入口直径またはテーパーブレードを備えたインペラは、流体の流れをよりスムーズに管理し、乱流や気泡の形成を最小限に抑えます。キャビテーションによる損傷に強い材料を使用することで、インペラやポンプの寿命を延ばすことができます。

アンチキャビテーション装置を使用する

流量制御アクセサリやキャビテーション抑制ライニングなどのキャビテーション防止装置は、キャビテーションを効果的に低減できます。これらのデバイスの役割は、インペラ周囲の流体力学を制御して、より安定した流れを提供し、キャビテーションの原因となる乱流と低圧領域を減らすことです。整流器を使用すると、流体内の渦を減らし、ポンプ入口の状態を改善できます。キャビテーション抑制ライニングは気泡が破裂する前に破砕し、インペラとポンプ ハウジングを損傷から保護します。

 

キャビテーションを防ぐためにポンプのサイズを正しく設定することの重要性

キャビテーションを防止するには、適切なポンプのタイプを選択し、特定の用途に適切なサイズを指定することが重要です。サイズが大きすぎるポンプは、流量が低いと動作効率が低下し、キャビテーションのリスクが増加する可能性があります。一方、サイズが小さすぎるポンプは、流量要件を満たすためにより懸命に動作する必要があり、これによりキャビテーションの可能性も高まります。適切なポンプの選択には、ポンプが指定された動作範囲内で動作していることを確認するための、最大、通常、最小流量要件、流体特性、システム レイアウトの詳細な分析が含まれます。正確に選択すると、キャビテーションが防止され、ライフサイクル全体を通じてポンプの効率と信頼性が向上します。遠心ポンプのキャビテーションは効率に影響を与え、重要なコンポーネントを損傷することで耐用年数を短縮する可能性があります。ポンプの設計と選択の最適化、適切な流量の維持、適切な NPSH マージンの確保など、ここで説明した戦略を実行すると、キャビテーションのリスクが大幅に軽減されます。定期的な監視とメンテナンスにより、ポンプが最適な条件で動作していることが保証され、さまざまなアプリケーションの耐用年数と信頼性が向上します。事前に対策を講じることで、機器の性能が向上し、キャビテーションによって引き起こされる高額な損害や危険を回避できます。