遠心ポンプの羽根車の設計を最適化したい場合。したがって、最適化の目的を明確にする必要があります。つまり、吸入性能を向上させるためですか?ポンプの効率を上げるには？ Q-H 曲線の立ち上がり振幅を調整し、特定のニーズに応じて最適化します。遠心ポンプの性能に影響を与える主な油圧コンポーネントはインペラであり、これに適合するボリュート/ガイドベーンなどの流れコンポーネントも含まれます。
流体力学は半理論的かつ半経験的な学問であり、流体の真の流れ状態や、さまざまな構造、温度、ポンプ媒体下でのポンプ性能への影響を正確にシミュレートできないなど、正確に設計、シミュレーション、予測できない領域がまだ多くあります。したがって、この記事では、遠心ポンプのインペラを最適化して吸入性能と油圧性能を向上させる方法を、経験と組み合わせた定性的な観点から簡単に説明します。参照のみ。
1. 吸入性能の向上
インペラブレードの曲げには、前曲げと後曲げの 2 種類があります。動力を最大化し、流体に高い回転力を与え、流れの剥離を防止する効果があるため、遠心ポンプでは通常、後部湾曲羽根車が使用されます。
ポンプ本体の場合、ポンプのキャビテーション挙動と吸入性能は、羽根車入口の幾何学的形状と面積に大きく影響されます。入口とハブの直径、ブレードの入口角度と上流流の入射角、ブレードの数と厚さ、ブレードのスロート領域、表面粗さ、ブレード前縁の輪郭など、インペラの入口における多くの幾何学的要因がキャビテーションに影響を与える可能性があります。さらに、インペラのブレードの外径と、ガイド ベーン (ガイド ベーン ポンプの場合) またはボリュート (ボリュート ポンプの場合) の間のギャップ サイズにも関係します。
1)羽根車入口径・入口面積
遠心ポンプの吸入性能を向上させるために、設計者は通常、インペラの入口直径を大きくすることでこれを実現します。現在でも、この設計方法は遠心ポンプの工学設計に使用されています。
軸径が同じで羽根車口輪の直径すきまが同じ場合、吸入性能が良くなる（羽根車入口面積が大きいほど吸入比速度値が高くなる）ほど、羽根車口金の隙間面積が大きくなり、漏れ量が多くなりポンプ効率が低下します。
ただし、羽根車入口径を大きくして吸入性能を向上させる方法では、次の点に特に注意が必要です。
吸入比速度の値が関連する規格や仕様で指定されている値を大幅に超えることは許可されません。そうしないと、ポンプの安定動作範囲が狭くなります。
2) ブレード前縁形状
前縁ブレードの厚さに関する機械的および製造上の制約を満たし、放物線状のプロファイルを採用することで、インペラの吸入性能を向上させることができます。楕円形の輪郭の吸引性能は 2 番目であり、ブレード前縁の厚さの機械的および製造上の制限を容易に満たすことができるため、この形状は前縁のデフォルトの輪郭選択です。
3) インペラカバープレート入口部の曲率半径
折り返し点におけるインペラ入口の液流には遠心力が作用するため、前カバー板付近では圧力が低く流速が高くなり、インペラ入口での流速分布が不均一になります。カバープレートの入口部分の曲率半径を適切に大きくすると、フロントカバープレート（ブレード入口のわずかに前方）での絶対速度が低下し、速度分布の均一性が向上し、ポンプ入口部分での圧力損失が減少し、それによりNPSHRが減少し、ポンプの耐キャビテーション性能が向上します。
4) ブレード入口端の位置と入口部の形状
ブレードの入口エッジは吸込口に向かって横方向に伸びており、後退ブレード入口エッジ（入口エッジが同軸上になく、外縁が後方に一定角度オフセットしている）を採用しており、ハブ側の液流がブレードの作用を事前に受けて圧力を高めることができます。
ブレードの入口エッジが前方に伸びて傾いているため、各点で異なる周速度が発生します。一般に、軸方向の速度は入口端に沿ってほぼ均一に分布し、その結果、入口端の各点で相対的な流れ角度が異なります。この流れの状況に対応し、衝撃損失を低減するには、ブレード入口を空間的にねじれた形状にする必要があります。そのため、多くの低速インペラブレード入口部品もねじれたブレードで作られています。-
5) ブレード入口角度
設計条件は、ブレードの入口角を大きくするために、わずかに大きな正の迎え角を採用し、ブレードの入口での曲がりを減少させ、ブレードの変位を減少させ、ブレードの入口流れ面積を増加させ、これにより吸入性能を向上させる。同時に、高トラフィック時の動作環境も改善され、トラフィック損失が削減されます。ただし、迎え角が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。
6) ブレード入口の厚さと平滑性
刃入口の厚みを適度に薄くし、丸みを付けて流線型に近づけます。ブレードの厚さを薄くすると、インペラの吸込みチャネルの面積が拡大し、流速が低下し、圧力が増加するだけでなく（ブレード入口の形状は圧力降下の影響を非常に受けやすい）、インペラとブレード入口の表面の平滑性も向上し、抵抗損失が減少します。これらの対策はいずれもポンプの吸込性能向上につながります。
7) バランスホール
インペラのバランス穴は、漏れによりインペラに入る主流に対して一定の破壊的な影響を及ぼします（漏れ流量を減らし、主流への影響を最小限に抑えるために、バランス穴の面積はシールギャップ面積の 5 倍以上である必要があります）。インペラにバランス穴を開けると、インペラの後ろの渦の強さが減少し、一部の渦が消えることもあって、ポンプの吸入性能が向上することが研究によって示されています。
8) インペラ出口径
インペラの直径を少し小さくしても、NPSHR はわずかに増加するだけです。しかし、直径が 5% から 10% 減少すると、NPSHR は大幅に増加します。これは、ブレード長の減少により比ブレード負荷が増加し、インペラの入口での速度分布に影響を与えるためです。
注:
1）吸入性能を向上させるために羽根車の入口面積を大きくする方法は避け、吸入比速度を大幅に超えないようにしてください。入口逆流が発生しやすく、ポンプの不安定作動領域が拡大します。
２）ブレードチャネル症候群キャビテーションの発生は避けるべきである。このタイプのキャビテーション損傷は、ガイド ベーン (ガイド ベーン ポンプの場合) またはボリュート (ボリュート ポンプの場合) とインペラ ブレードの外径との間の小さな隙間によって引き起こされます。液体が小さな流路を流れるとき、液体の速度の増加により液体の圧力が低下し、局所的に気化して気泡が発生し、さらに高圧になると気泡が破裂してキャビテーションが発生します。
2. 油圧性能の向上
ポンプの油圧性能に影響を与える要因は数多くありますが、インペラの油圧効率に影響を与える主な要因はさまざまな損失です。具体的には次のようなものがあります。
1) 葉の数
遠心ポンプの場合、ブレードの数を増やすと、通常、液体の流れが改善され、ポンプ揚程が適切に増加します。しかし、翼枚数を増やすと流路の流路面積が減少し、流速の増加や翼の摩擦損失が増加します。
そのため、羽根枚数を過度に増加させると効率が低下し、羽根車のキャビテーション性能が低下するだけでなく、ポンプ性能曲線にハンプが発生する可能性があります。さらに、ブレードの数が増加すると、ヘッド特性曲線（定格点から臨界死点まで）の上昇傾向が平坦になります。逆にブレード枚数が減るとヘッド特性曲線は急峻になります。羽根枚数が多い遠心ポンプの羽根車では、通常5～7枚の羽根が選ばれます。
2) 長い葉と短い葉
研究によると、ポンプ インペラの短ブレードと長ブレードの任意の組み合わせは、インペラ入口付近の不均一な速度分布によって引き起こされる後流の発生を効果的に防止できるため、ポンプ効率の向上に有益であることがわかっています。
3) ツイストブレード
実験により、ねじれたブレードを備えたポンプは、湾曲したブレードを備えたポンプと比較して、設計動作点付近および高流量領域で効率が高いことが示されました。同時に、ねじれたブレードを備えたポンプは、湾曲したブレードを備えたポンプよりも臨界点での揚程が高くなります (これにより、特に低比速度遠心ポンプの場合、臨界点での揚程特性曲線の上向き傾向が変化し、ハンプを効果的に改善/除去できます)。
4) インペラ出口径
API 610 規格では、ポンプが最大インペラ直径に達することを許可しておらず、ポンプの必要な性能を満たすためにインペラを切断する必要があります。ポンプの選択が大きすぎる場合、インペラを切断することは、発生する圧力と流量を低減する比較的経済的で効果的な方法です。必要な動作条件を満たすには、スロットル バルブを使用するよりもインペラを切断する方が効率的ですが、インペラのブレードが短くなり、インペラのブレードとポンプ ハウジングの間の隙間が増加するため、その効率は通常、フルサイズのインペラよりも低くなります。-
ラジアルフローインペラの場合、その直径は最大設計直径の 70% を超えて縮小しないでください。ポンプインペラの直径が小さくなると、出口チャネルの幅、ブレードの出口角度、ブレードの長さも変化します。インペラの直径が最大直径から減少するほど、インペラの切断に伴うポンプ効率は低下し、最高効率点は低流量側にシフトします。
3. ポンプ性能に対する他のパラメータの影響
1) インペラの羽根幅
ブレード幅が増加すると液体圧力が減少するため、インペラブレード幅の増加に伴ってヘッドは減少します。最適効率点の効率に対するブレード幅の影響は通常は大きくありません（ブレード幅が増加すると、最適効率点の効率はわずかに増加する可能性があります）が、ブレード幅が減少すると、高効率ゾーンは低流量側にシフトします。-効率の影響は、体積流量が大きくなるほど顕著になります。つまり、ブレード幅が増加すると、効率曲線は最適効率点の右側で急速に減少します。
2) インペラ出口翼角度
出口ブレード角度が大きいほど、所定の速度でのヘッドは高くなりますが、効率と摩耗性能が低下します。出口ブレード角度を低くすると、効率とブレード長さが向上しますが、ヘッドが小さくなります。したがって、通常、エクスポートブレードの角度は、これらの要素のバランスを達成するために最適化する必要があります。出口ブレード角度の増加に伴ってヘッドが増加します。これは、出口ブレード角度の増加に対する出口断面サイズの増加によって説明できます。その結果、ブレード間の流路内の液体の圧力降下が減少します。
この研究は、最大効率値が出口ブレード角度の増加に伴って減少することを示唆しています。出口羽根角度が小さい場合、最高効率点より右側のポンプ効率が急激に低下します。
3) インペラ出口スプリッタブレード
インペラの出口側にスプリッター ブレードを追加すると、ポンプの揚程と油圧効率が向上します。スプリッター ブレードの長さが長くなるほど、揚程と効率の増加は大きくなります。インペラのサイズ、ブレードの形状、ブレードの数にもよりますが、スプリッター ブレードの長さは通常、元のブレードの長さの 0.5 倍を超えません。
4) インペラブレード出口エッジのトリミング
インペラ出口羽根の裏面を研磨することにより、インペラ出口の流路面積が拡大し、インペラの流量が増加します。出口チャネルの面積が拡大すると、揚程も増加し、ポンプの最適効率点が高流量側に移動します。