1. 遠心ポンプの動作原理
遠心ポンプが作動しているとき、高速回転するインペラによって、慣性遠心力の作用下で液体の圧力エネルギーが増加します。遠心ポンプが作動する前に、キャビテーションを防ぐために、ポンプ本体と入口パイプラインを液体媒体で満たす必要があります。
インペラが高速回転すると、ブレードが媒体の高速回転を促進します。回転する媒体は遠心力の作用でインペラから飛び出し、ポンプ内の水が投げ出され、インペラの中心に真空領域が形成されます。液体を継続的に吸入しながら、吸入した液体に一定のエネルギーを継続的に提供して排出します。遠心ポンプはこのように連続的に動作します。
2. 遠心ポンプの構造
遠心ポンプには多くの種類があり、ポンプの種類ごとに構造は異なりますが、主な構成部品は基本的に同じです。
遠心ポンプの主な構成部品には、インペラ、ポンプシャフト、ポンプケーシング、ポンプシート、パッキンボックス（シャフトシール装置）、漏れ低減リング、ベアリングシートなどがあります。
インペラは遠心ポンプの作動部品であり、高速回転によって液体に作用し、液体の輸送を実現します。遠心ポンプの重要な部品です。
インペラは、一般的にハブ、ブレード、カバープレートの3つの部分で構成されています。インペラのカバープレートは、フロントカバープレートとリアカバープレートに分けられます。インペラポート側のカバープレートはフロントカバープレートと呼ばれ、反対側のカバープレートはリアカバープレートと呼ばれます。
遠心ポンプが始動すると、ポンプシャフトがインペラを高速回転させ、ブレード間に充填された液体を強制的に回転させます。慣性遠心力の作用により、液体はインペラの中心から外周に向かって放射状に移動します。
液体はインペラを通過する際にエネルギーを獲得し、静圧エネルギーが増加して流速が増加します。液体がインペラを離れてポンプケーシングに入ると、ケーシング内の流路が徐々に拡大するため、速度が低下します。運動エネルギーの一部は静圧エネルギーに変換され、最終的に接線方向に沿って排出パイプラインに流れ込みます。
インペラは構造形態により、以下の3種類に分けられます。
（1）密閉型インペラは、インペラの両側にカバープレートがあり、カバープレートの間に4-6枚のブレードがあります。密閉型インペラは効率が高く、広く使用されており、固形粒子や繊維のないきれいな液体を輸送するのに適しています。
（２）オープンインペラは、羽根の両側にカバープレートがないので、浮遊物質を多く含む液体の輸送に適していますが、効率が低く、輸送液の圧力が高くありません。
セミオープンインペラには背面カバープレートのみがあり、沈降しやすい液体や固体の浮遊物質を含む液体の搬送に適しています。その効率はオープンインペラとクローズドインペラの中間です。
遠心ポンプのポンプシャフトの主な機能は、動力を伝達し、インペラをサポートして、作業位置で正常な動作を維持することです。一方の端はカップリングを介してモーターシャフトに接続され、もう一方の端は回転運動のためにインペラをサポートします。シャフトには、ベアリング、アキシャルシール、およびその他のコンポーネントが装備されています。
ポンプシャフトに一般的に使用される材料は炭素鋼とステンレス鋼です。
インペラとシャフトはキーで接続されています。この接続方法ではトルクしか伝達できず、インペラの軸方向の位置を固定できないため、ウォーターポンプではシャフトスリーブとロックナットも使用され、インペラの軸方向の位置を固定します。
インペラをロックナットとシャフトスリーブで軸方向に位置決めした後、ロックナットが引っ込むのを防ぐために、ウォーターポンプが逆転するのを防ぐ必要があります。特に、ウォーターポンプの最初の設置時またはウォーターポンプの分解とメンテナンス後は、規定に従ってステアリング検査を実施し、指定されたステアリングとの整合性を確保する必要があります。
シャフトスリーブの機能は、パッキンとポンプシャフト間の摩擦をパッキンとシャフトスリーブ間の摩擦に変換し、ポンプシャフトを保護することです。そのため、シャフトスリーブは遠心ポンプの摩耗しやすい部品です。
シャフトスリーブの表面は、一般的に浸炭、窒化、クロムメッキ、スプレーなどの方法で処理できます。表面粗さの要件は通常、Ra3.2μm〜Ra0.8μmです。これにより、摩擦係数が低下し、耐用年数が向上します。
ベアリングは、ローターの重量と耐荷重性を支える役割を果たします。遠心ポンプでは、外輪とベアリング座穴にベースシャフト方式、内輪とシャフトにベースホール方式を採用した転がりベアリングが一般的に使用されています。ベアリングは、通常、グリースとオイルで潤滑されます。
ポンプ軸がポンプケーシングを通過すると、軸とケーシングの間に隙間ができます。片吸込遠心ポンプでは、この箇所に軸封装置を使用しないと、ポンプケーシング内の高圧水が大量に漏れてしまいます。パッキンボックスは、一般的に使用される軸封装置です。パッキンボックスは、軸封、パッキン、ウォーターシールパイプ、ウォーターシールリング、パッキングランドの5つの部品で構成されています。
渦巻きとは、インペラ出口から次の段のインペラ入口またはポンプ出口パイプまで、断面積が徐々に増加する螺旋状の流路を指します。流路は徐々に拡大し、出口は拡散管の形状をしています。液体がインペラから流出した後、その流量はゆっくりと減少し、運動エネルギーの大部分を静圧エネルギーに変換します。
渦巻き型ポンプの利点は、製造が容易であること、効率領域が広いこと、インペラを回転させた後のポンプの効率変化が最小限であることです。
欠点は、渦巻きの形状が非対称であり、単一の渦巻きを使用すると、ローターの半径方向に作用する圧力が不均一になり、シャフトが曲がりやすくなることです。そのため、多段ポンプでは、最初と最後のセクションのみに渦巻きを使用し、中間セクションではガイドホイールデバイスを使用します。
カタツムリの殻の材質は一般的に鋳鉄です。耐腐食ポンプの渦巻き部分はステンレス鋼またはプラスチック、グラスファイバーなどの耐腐食性材料で作られています。多段ポンプは高圧のため、高い材料強度が求められ、渦巻き部分は一般的に鋳鋼で作られています。
ガイドホイールは固定ディスクで、前方のインペラの外縁に前向きガイドベーンが巻き付けられ、拡散形状の流路を形成します。背面には、液体をインペラの次の段階に導く逆ガイドベーンがあります。インペラから投げ出された液体は、ゆっくりとガイドベーンに入り、前向きガイドベーンに沿って外側に流れ続けます。速度は徐々に低下し、運動エネルギーの大部分は静圧エネルギーに変換されます。
インペラとガイドベーンの間の半径方向の片側クリアランスは約 1 mm です。このクリアランスが大きすぎると効率が低下し、小さすぎると振動や騒音が発生します。ガイドホイール付きのセグメント化された多段遠心ポンプケーシングは、渦巻き型に比べて製造が容易で、エネルギー変換効率も高くなります。ただし、取り付けとメンテナンスはカタツムリの殻よりも困難です。
内部漏れを減らし、ポンプケーシングを保護するために、インペラ入口に対応するケーシングに交換可能なシールリングが取り付けられています。シールリングの内孔とインペラの外円との間の半径方向のクリアランスは、通常、0.1-0.2mmです。シールリングが摩耗すると、半径方向のクリアランスが増加し、ポンプの吐出量が減少し、効率が低下します。シールクリアランスが規定値を超えた場合は、適時に交換する必要があります。
シーリング リングには 3 つの構造形式があります。
まず、フラットリングタイプは構造が簡単で製造が容易ですが、シール効果は劣ります。次に、直角シールリングは液体漏れに対して90度のチャネルを提供するため、フラットリングタイプよりもシール性能が優れており、広く使用されています。第三に、ラビリンスシールリングはシール効果が優れていますが、構造が複雑で製造が難しく、遠心ポンプではほとんど使用されていません。
3. 遠心ポンプの動作プロセス
（１）ポンプを始動する前に、移送する液体をポンプ内に充填します。
（２）ポンプを始動すると、ポンプ軸の回転に伴いインペラが高速回転し、遠心力が発生します。この作用により、液体はインペラの中心から外周に向かって投げ出され、圧力が上昇して高速（15-25 m/s）でポンプケーシング内に流入します。
（３）渦巻ポンプケーシング内では、流路の連続的な膨張により、液体の流速が遅くなり、運動エネルギーの大部分が圧力エネルギーに変換され、最終的に液体はより高い静圧で吐出口から吐出管路に流れ込む。
（4）ポンプ内の液体が排出された後、インペラの中心に真空が形成され、液面圧力（大気圧）とポンプ圧力（負圧）の圧力差により、液体は吸入管路を通ってポンプ内に入り、液体が排出された位置を満たします。
4. 遠心ポンプの分類
遠心ポンプ製品は、一般的に構造上の特徴によって分類され、作動圧力、作動インペラの数、インペラの入口方法など、複数の分類方法があります。
（１）作業圧力に応じて：
低圧ポンプ: 水柱 100 メートル以下の圧力。
中圧ポンプ: 水柱 100-650 メートル間の圧力。
高圧ポンプ：圧力は水柱650メートル以上です。
（２）作動羽根車の数に応じて：
単段ポンプ: ポンプ シャフトにインペラが 1 つだけあることを指します。
多段ポンプ: ポンプシャフトには 2 つ以上のインペラがあり、ポンプの全揚程は n 個のインペラによって生成される揚程の合計です。
（３）インペラ入口方式による：
片側入口ポンプ: シングル吸引ポンプとも呼ばれ、インペラに入口が 1 つしかないことを意味します。
両面吸気ポンプ: ダブルサクションポンプとも呼ばれ、インペラの両側に吸気口があります。流量はシングルサクションポンプの 2 倍で、シングルサクションポンプのインペラ 2 つを背中合わせに配置した場合に近似できます。
（４）ポンプ軸の位置に応じて：
水平ポンプ: ポンプシャフトは水平位置にあります。
垂直ポンプ: ポンプシャフトは垂直の位置にあります。
（５）ポンプケーシングの接合形状に応じて：
水平開放型ポンプ：軸を通る水平面上に接合継ぎ目が開放されているポンプを指します。
垂直関節面ポンプ：つまり、関節面は軸に対して垂直です。
（６）羽根車から圧力室へ水を導く方法は次の通りである。
スパイラルケースポンプ：インペラから出た水は、スパイラル形状で直接ポンプケースに入ります。
ガイドベーンポンプ：羽根車から出た水は、その外側に設置されたガイドベーンに入り、次の段に入るか、出口パイプに流れます。
（７）遠心ポンプは、輸送する媒体の違いにより、清水ポンプ、油ポンプ、耐腐食ポンプなどに分けられます。
5. キャビテーションとガス結合
遠心ポンプの作動原理によれば、羽根の間の液体が高速回転する羽根車から放出されると、羽根車の入口付近に低圧ゾーンが形成されます。羽根車の入口の圧力が、運転温度における輸送液体の飽和蒸気圧 pV 以下になると、その場所の液体が蒸発して泡が発生します。泡が液体とともに高圧ゾーンに流れると、圧力を受けて急速に凝縮します。
気泡が凝縮する瞬間、局所的な真空が発生し、周囲の液体が高速で気泡が占める空間に向かって流れ込み、衝撃と振動を引き起こし、大きな衝撃力が発生します。特に、気泡の凝縮点がブレードの表面近くにある場合、多数の液体粒子が高頻度と高圧でブレードに衝突します。同時に、気泡には少量の酸素が含まれている可能性があり、金属材料に化学腐食を引き起こす可能性があります。継続的な衝撃と化学腐食の複合作用により、ブレードの表面が損傷し、斑点や亀裂が発生し、ブレードの早期損傷につながります。この現象は、遠心ポンプのキャビテーションと呼ばれます。
遠心ポンプの始動時にポンプ内部に空気があると、空気密度が低いため、回転後に発生する遠心力が小さく、インペラの中心部に形成される低圧が液体を吸い込むのに十分ではありません。遠心ポンプが始動しても、輸送タスクを完了できません。この現象をエアバインディングと呼びます。
これは、遠心ポンプに自己吸引能力がないため、始動前にポンプを輸送液体で満たす必要があることを示しています。 もちろん、遠心ポンプの吸入口を輸送液体の液面より下に配置すれば、液体は自動的にポンプに流れ込みますが、これは特別なケースです。 遠心ポンプの吸入パイプラインには底部バルブが装備されており、始動前に注入された液体がポンプから流出するのを防ぎます。 フィルターは液体の固体吸引をブロックしてパイプラインをブロックし、ポンプケーシングの排出パイプラインに設置された調整バルブは、ポンプの始動、停止、および流量の調整に使用されます。
キャビテーションとガス結合のさまざまな原因から：
エアボンディングとは、ポンプ本体内に空気が存在することを指します。これは通常、ポンプの起動時に発生し、主にポンプ本体内の空気が完全に排出されないことで現れます。キャビテーションは、液体が特定の温度で蒸発圧力に達することで発生し、搬送媒体と動作条件に密接に関連しています。
ガス結合現象の発生を防ぐには、以下の方法があります。
（1）始動前にシェルに液体を入れます。ケーシングが適切に密閉されていることを確認し、給水バルブとシャワーヘッドから水漏れがないことを確認します。良好な密閉性を確保します。
（２）遠心ポンプの吸入管には、始動前に注入した液体がポンプから流出するのを防ぐための底弁が装備されている。フィルターは液体中の固形物が吸い込まれるのを防ぐことができる。吐出管には、ポンプの始動、停止、流量調整時に使用する調整弁が装備されている。
（３）遠心ポンプの吸入口を移送する液面より下に設置すると、液は自動的にポンプ内に流入します。
キャビテーションの主な原因は次のとおりです。
（１）入口配管の抵抗が大きすぎる、または配管が細すぎる
（２）搬送媒体の温度が高すぎる場合
（３）流量が過剰、つまり出口バルブが開きすぎている。
（４）設置高さが高すぎるため、ポンプの吸引能力に影響を与える。
（５）ポンプの選択、ポンプ材料の選択などの選択問題
和解条件:
（１）入口配管内の異物を清掃して入口が閉塞されないようにするか、配管径を大きくする。
（２）搬送媒体の温度を下げる。
（３）設置高さを低くする
（４）ポンプを再選定するか、耐腐食性材料を使用するなどポンプの特定の部品を改良する。