キャビテーションとは何ですか？キャビテーション対策を改善するにはどうすればよいですか？
Nov 01, 2024
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- キャビテーションとは何ですか?
キャビテーションは、遠心ポンプユニットで頻繁に発生する有害な状態です。キャビテーションはポンプ効率を低下させ、振動や騒音を引き起こし、ポンプのインペラ、ポンプハウジング、シャフト、その他の内部部品に重大な損傷を与える可能性があります。キャビテーションは、ポンプ内の流体圧力が蒸発圧力を下回ると発生し、低圧領域で蒸気泡が形成されます。これらの蒸気泡は、高圧領域に入ると激しく崩壊または「爆発」する可能性があります。これにより、ポンプ内に機械的損傷が生じ、侵食や腐食を受けやすい弱点が生じ、ポンプの性能が損なわれる可能性があります。
キャビテーションを軽減する戦略を理解し、実行することは、遠心ポンプの動作の完全性と耐用年数を維持するために重要です。
- 遠心ポンプにおけるキャビテーションの種類
1.気化キャビテーション。「クラシック キャビテーション」または「ネット ポジティブ サクション ヘッド利用可能 (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、流体がインペラの吸引穴を通過するときに流体の速度を高めます。速度の増加は、流体の圧力の減少に相当します。減圧により流体の一部が沸騰（蒸発）し、蒸気泡が形成されることがあります。蒸気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、フィルターなどのコンポーネントが、汲み上げ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、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で発生すると、ポンプ内部が直接侵食されたり、液体が蒸発したりする可能性があります。
3. ブレード症候群キャビテーション。「ブレードパス症候群」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 ケーシングの内部コーティングが厚すぎる/ポンプ ケーシ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 ケーシング内のスペース (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、流体速度が増加し、その結果、圧力が低下します。圧力の低下により流体が蒸発し、キャビテーション気泡が発生する可能性があります。
4. 内部再循環キャビテーション。ポンプが必要な流量で流体を吐出できない場合、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し、熱と高速度を発生させ、蒸発気泡を形成します。内部再循環の一般的な原因は、ポンプ出口バルブを閉じた状態 (または低流量 - ポンプ サロン 注 1) でポンプを動作させることです。
5. 空気連行キャビテーション。バルブの故障または取り付けの緩みを通じて、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、空気が流体とともに移動します。流体と空気の動きにより気泡が形成され、ポンプ インペラの圧力上昇にさらされると「爆発」します。
- キャビテーションの危険性は何ですか?
1. フロースルーコンポーネントの腐食:
(1) 気泡が破裂する際に発生する高周波（600～25000HZ）衝撃により、49Mpaもの高い圧力がかかり、金属表面に機械的侵食を引き起こします。
(2)気化時に熱が放出され、温度差電池効果により加水分解が起こるため、発生した酸素により金属が酸化し、化学腐食を引き起こします。
2. ポンプの性能が低下します。
ポンプのキャビテーションが発生すると、羽根車内のエネルギー交換が乱れて破壊され、QH曲線、QP曲線、Qn曲線の低下として外部特性が現れます。ひどい場合にはポンプの流れが遮断され、作動しなくなります。
低比速度の場合、翼間の流路が狭く長いため、キャビテーションが発生すると流路全体に気泡が充満し、性能曲線が急激に低下します。
中比速度、高比速度では流路が短く幅が広いため、気泡が発生してから流路全体に充満するまでの移行過程が必要となります。対応する性能曲線はゆっくりと低下し始め、特定の流量に増加すると急激に低下します。
- 耐キャビテーション性向上対策
1. 遠心ポンプの耐キャビテーション性能向上対策：
(1)ポンプ吸込口から羽根車までの構造設計を改善します。流れの面積を増やします。インペラカバー入口セクションの曲率半径を大きくして、液体の流れの急激な加速と圧力降下を軽減します。ブレード入口の厚さを適切に減らし、ブレード入口を丸めて流線形に近づけることにより、ブレードヘッドの周囲の流れの加速度および圧力降下も低減することができる。インペラとブレード入口の表面仕上げを改善し、抵抗損失を低減します。ブレードの入口エッジをインペラの入口まで延長することで、液体の流れが事前に仕事を受け取り、圧力が増加します。
(2) フロントインデューサーを使用し、フロントインデューサー内であらかじめ液流を働かせ、液流圧力を高めます。
(3) 両吸込羽根車の採用により、羽根車の両側から同時に液流が流入するため、入口断面積が2倍となり入口流量が半分になります。
（４）設計動作条件は、ブレード入口角度を増加させ、ブレード入口での曲がりを減少させ、ブレードの詰まりを減少させ、入口面積を増加させるために、わずかに大きい正の迎え角を採用する。大流量下での作業条件を改善し、流量損失を低減します。ただし、正の迎え角は大きすぎてはなりません。大きすぎると効率に影響します。
(5) 耐キャビテーション性材料を使用する。実際には、材料の強度、硬度、靱性が高いほど、化学的安定性が向上し、耐キャビテーション性能もより強力になることがわかっています。
2. 液体注入装置の有効キャビテーションマージンを改善するための措置:
(1) ポンプ前方の貯液タンク内の液面圧力を高め、実効的なキャビテーションマージンを増加させます。
(2) 吸引装置ポンプの設置高さを低くしてください。
(3)上向き吸引装置を逆灌水装置に変更します。
(4) 必要な範囲で配管をできるだけ短くする、配管流量を減らす、エルボやバルブの数を減らす、バルブ開度を大きくするなど、ポンプ前の配管での流量損失を低減します。できるだけ。
(5) ポンプ入口の作動媒体温度を下げる（輸送媒体が飽和温度に近い場合）。
上記の対策は、ポンプの種類、材質の選定、ポンプの使用現場の状況などを総合的に検討した上で、適切に適用することができます。