単一の遠心ポンプにおけるキャビテーションは、ポンプの性能と寿命に大きな影響を与える可能性のある複雑で有害な現象です。単一遠心ポンプのサプライヤーとしてIHFケミカル用遠心ポンプ、シングル横型遠心ポンプ、 そして遠心ポンプの配管、キャビテーションの原因を理解することは、お客様に効果的なソリューションを提供するために非常に重要です。
1. 圧力損失と蒸発
単一の遠心ポンプにおけるキャビテーションの根本的な原因は、ポンプ内の圧力変化に関連しています。液体がポンプに入ると、回転するインペラによって加速されます。ベルヌーイの定理によれば、液体の速度が増加すると、圧力が減少します。ポンプ内の特定の点の圧力が動作温度での液体の蒸気圧を下回ると、液体は蒸発し始め、蒸気泡が形成されます。
単一の遠心ポンプでは、圧力が蒸気圧を下回る可能性が最も高い領域は、インペラの羽根の近く、特に入口です。インペラの高速回転により低圧領域が形成され、入口圧力が蒸気圧以下の圧力低下を防ぐのに十分でない場合、キャビテーションが発生します。たとえば、室温 (約 20°C、蒸気圧は約 2.34 kPa) の水を扱うポンプでは、ポンプ内の局所圧力がこの値を下回ると、水が沸騰し始め、蒸気の泡が形成されます。
2. 不適切な NPSH (正味吸引ヘッド)
正味の吸引ヘッドは、ポンプの動作における重要なパラメータです。 NPSHa (利用可能な正味正吸込揚程) は、キャビテーションを防止するためにポンプ入口で利用可能な実際の揚程であり、NPSHr (必要な正味正吸込揚程) は、キャビテーションなしでポンプが動作するために必要な最小揚程です。
NPSHaがNPSHrより小さい場合、キャビテーションが発生しやすくなります。 NPSHa が不適切になる原因としては、いくつかの要因が考えられます。一般的な原因の 1 つは、吸引リフトが高いことです。ポンプが液体ソースの上にあまりにも遠くに配置されている場合、ポンプ入口で利用可能な静水頭が減少します。たとえば、単一の水平遠心ポンプが貯蔵タンクの数メートル上のプラットフォームに設置されている場合、タンクとポンプ入口の間の液柱の重量は、ポンプ入口で十分な高い圧力を維持するには不十分です。
もう一つの要因は、吸入配管の摩擦損失です。長く、狭く、または壁が粗い吸入パイプは、摩擦により重大な圧力損失を引き起こす可能性があります。これらの損失により、ポンプ入口で利用可能な圧力が減少し、それによって NPSHa が減少します。さらに、ストレーナの詰まりや完全に開いていないバルブなど、吸入配管の詰まりや制限も NPSHa を低下させる可能性があります。
3. 高流量
単一の遠心ポンプを設計流量よりも高い流量で動作させると、キャビテーションが発生する可能性があります。流量がポンプの設計容量を超えると、増加した液体を移動させるためにインペラはさらに激しく働かなければなりません。これにより、ポンプ内の速度が向上し、圧力が低下します。
流量が増加すると、インペラ全体の圧力降下がより顕著になります。必要な NPSHr も流量とともに増加します。より高い流量で増加した NPSHr に見合った追加の NPSHa をシステムが提供できない場合、キャビテーションが発生します。たとえば、50 m3/h の流量で動作するように設計されたポンプは、利用可能な吸引ヘッドを対応させずに流量を 70 m3/h に増加すると、キャビテーションが発生する可能性があります。
4. 液体の性質
汲み上げられる液体の特性もキャビテーションに影響を与える可能性があります。同じ温度でも、液体が異なれば蒸気圧も異なります。蒸気圧が高い液体はキャビテーションが発生しやすくなります。たとえば、ガソリンやアルコールなどの揮発性液体は、室温では水よりもはるかに高い蒸気圧を持っています。これらの揮発性液体を扱う単一の遠心ポンプでは、キャビテーションを防ぐためにより高い入口圧力が必要になります。
液体の粘度も影響します。粘度の高い液体をポンプで送り出すにはより多くのエネルギーが必要となり、これによりポンプ内の圧力降下が大きくなる可能性があります。その結果、圧力が蒸気圧を下回りやすくなり、キャビテーションが発生する可能性が高まります。
5. ポンプの設計と条件
単一遠心ポンプの設計自体がキャビテーションの原因となる可能性があります。不適切な羽根の形状やサイズなど、設計が不十分なインペラは、不均一な流れパターンや過度の圧力降下を引き起こす可能性があります。たとえば、インペラの羽根が薄すぎるか、前縁が鋭い場合、羽根付近の圧力降下がより大きくなり、キャビテーションの危険性が高まります。
ポンプの状態も重要です。磨耗したインペラやポンプのコンポーネントが損傷すると、液体の流れが妨げられ、圧力変動が発生する可能性があります。長期間の使用や腐食により羽根車が磨耗すると、スムーズな流れを維持できなくなり、低圧領域やキャビテーションが発生することがあります。
6. システム条件
外部システムの状態によっても、単一の遠心ポンプでキャビテーションが発生する可能性があります。たとえば、液体レベルが変動するシステムでポンプが動作している場合、NPHa は変化する可能性があります。ソースタンク内の液面が低下すると、ポンプ入口で利用可能な静水頭が減少し、キャビテーションが発生する可能性があります。
配管システムでは、パイプの直径や方向が突然変化すると、流れの乱れや圧力低下が発生する可能性があります。たとえば、吸入配管に鋭いエルボがあると、渦や低圧領域が発生し、キャビテーションの危険性が高まります。
キャビテーションの効果
単一の遠心ポンプ内のキャビテーションは、いくつかの悪影響を及ぼす可能性があります。まず、ポンプのコンポーネントに重大な損傷を与える可能性があります。蒸気の泡が崩壊すると、高エネルギーの衝撃波が発生し、インペラの羽根、ケーシング、その他のポンプの内部部品が浸食される可能性があります。この浸食は、ポンプ効率の低下、振動の増加、そして最終的にはポンプの故障につながる可能性があります。
次に、キャビテーションによりポンプの性能が低下する可能性があります。液体中に蒸気泡が存在すると、通常の流れパターンが乱れ、揚程と流れを生成するポンプの能力が低下します。これによりポンプの出力が低下し、システム全体の動作に影響を与える可能性があります。
キャビテーションの防止
単一の遠心ポンプでのキャビテーションを防止するには、いくつかの対策を講じることができます。まず、NPSHr が NPSHa よりも大きいことを確認します。これは、吸引リフトを低減し、吸引配管内の摩擦損失を最小限に抑え、ソースタンク内の適切な液面を維持することによって達成できます。
次に、用途に適したポンプを選択します。ポンプを選択する際は、送液する液体の特性、必要な流量、システム条件を考慮してください。利用可能な NPSHa が限られている用途には、NPSHr が低いポンプの方が適している可能性があります。
ポンプの定期的なメンテナンスも大切です。スムーズな流れと適切な動作を確保するために、羽根車、吸込配管、その他のコンポーネントを定期的に検査および清掃してください。損傷したコンポーネントによって引き起こされるキャビテーションを防ぐために、摩耗した部品はすぐに交換してください。
単一遠心ポンプのサプライヤーとして、当社はシステムの信頼性の高い動作のためにキャビテーションを防止することが重要であることを理解しています。私たちのIHFケミカル用遠心ポンプ、シングル横型遠心ポンプ、 そして遠心ポンプの配管キャビテーションのリスクを最小限に抑えるために、高度な技術を使用して設計されています。キャビテーションの問題が発生している場合、またはポンプの選択についてアドバイスが必要な場合は、専門的なガイダンスと解決策が必要なため、弊社までご連絡ください。
参考文献
- IJ カラシック、JP メッシーナ、PT クーパー、CC ヒールド (2008)。ポンプハンドブック (第 4 版)。マグロウ - ヒル。
- ステパノフ、AJ (1957)。遠心流ポンプと軸流ポンプ: 理論、設計、および応用。ワイリー。
- アイデルチク、アイルランド (2007)。油圧抵抗ハンドブック (第 4 版)。ベジェルハウス。