キャビテーションは遠心ポンプの動作中によく発生する問題であり、ポンプの振動や騒音の増加、性能の低下、部品への重大な損傷を引き起こす可能性があります。
この記事では、キャビテーションの専門的な理論的知識については説明しませんが、比較的簡単な言葉を使用して、遠心ポンプにおけるいくつかの一般的なタイプのキャビテーション、キャビテーションの危険性、および現場でキャビテーションを改善するために一般的に使用される対策について詳細に紹介することのみを試みます。
1. キャビテーションの種類
キャビテーションは発生場所からブレードキャビテーション、ギャップキャビテーション、粗面キャビテーション、キャビティキャビテーション、逆流キャビテーションに分類されます。
(1) 葉面キャビテーション
キャビテーションが発生すると、主にブレードの前後で気泡の形成と破裂が発生します。翼型キャビテーションとも呼ばれ、遠心ポンプにおけるキャビテーションの主な形態です。ポンプの設置位置が高すぎると、ポンプが設計条件で動作している場合でも、ブレードの入口と出口の背面に低圧領域が発生する傾向があります。-
1) ポンプが高流量条件で動作すると、ブレードの前縁で流れの剥離と渦が発生し、負圧が発生してブレードの前面にキャビテーションが発生する可能性があります。
2) ポンプが低流量条件で動作すると、ブレードの背面に渦が発生し、低圧ゾーンが形成され、ブレードの背面にキャビテーションが発生します。-
(2) ギャップキャビテーション
これは、液体が狭いチャネルまたはギャップを通って流れるときに形成されるキャビテーションを指し、局所的な流速の増加と流れ成分の蒸発圧力の圧力低下を引き起こします。
遠心ポンプのケーシングの耐摩耗リングと羽根車の外縁（カバープレート）との隙間では、羽根車の入口と出口の両側の圧力差（特に大きな差圧）により、出口側の液体が高速で逆流し、局所的な圧力低下やキャビテーションが発生します。
軸流ポンプのブレードの外縁とポンプ ケーシングの間の小さなギャップでは、ブレードの前後の圧力差の作用により、ギャップ内の液体の高い逆流速度によって局所的な圧力降下が発生する可能性があり、その結果、ポンプ ケーシング内の対応するブレードの外縁でキャビテーションが発生し、インペラとブレードの外縁にハニカム状の粗い表面のキャビテーション ゾーンが形成されます。
(3) 粗大キャビテーション
粗キャビテーションとは、液体がポンプケーシング内の粗流れ部品の凹凸面を通って流れるときに、突起の下流で渦が発生し、局所的な圧力低下を引き起こし、キャビテーションを引き起こすことを指します。
ポンプ流路部品の鋳造・加工時、表面の凹凸、砂穴、空気穴等により局所的な流れ状態が急激に変化し、キャビテーションが発生する場合があります。
(4) キャビティキャビテーション
キャビティ内のキャビテーションとは、取水口の状態が悪かったり、水没深さが不十分であったために、ポンプ入口の吸入チャンバ内にらせん状の渦バンドが形成されることを指します。渦ベルトの中心圧力が蒸発圧力まで低下すると、強い振動を伴うキャビテーションも発生します。
(5) 逆流キャビテーション
一般的に言えば、キャビテーションの前提条件は NPSHa です。
排気流量が小さすぎたり、入口圧力が高すぎたりすると、逆流が発生します。ポンプ流量が低すぎると、インペラの入口で内部逆流が発生します。ポンプの入口圧力が高すぎると、インペラの出口で内部逆流が発生します。内部還流により液体の流量が増加し、蒸発によって気泡が生成され、周囲の圧力が高くなると気泡が破裂します。吸込口で内部逆流が発生すると、ポンプ吸込口付近でパチパチという不規則な音が発生し、同時に激しい爆発音が発生します。{3}}
逆流キャビテーションは通常、次の方法で改善できます。
1) ポンプの吐出流量を大きくします。
2) ポンプの入口と出口の間にバイパスを設置します (この方法は実際の用途ではお客様に受け入れられにくいです)。
３）羽根車構造の最適化（羽根車入口面積の縮小）。
2. キャビテーションの危険性
(1) 性能低下、パイプライン損傷
キャビテーションはポンプの性能を大幅に低下させる可能性があります。通常、遠心ポンプは入口圧力がある程度低下すると、キャビテーション破壊とも呼ばれる性能が急激に低下します。キャビテーションは流体内部に不安定性を引き起こす可能性があり、流れや圧力の振動を引き起こす可能性があります。これらの振動により、ポンプやその入口パイプラインと出口パイプラインに損傷を与える可能性があります。
(2) ポンプの過電流部品の重大な損傷
キャビテーションはコンポーネントの表面に損傷を与える可能性があります。気泡が破裂すると周囲の液体に最大49MPaという非常に高い衝撃圧力（ピーク圧力）が発生します。キャビテーションの水力強度が、この衝撃に耐える材料の能力を超えると、局所的な壁材料の疲労破壊や表面材料の剥離が発生する可能性があります。キャビテーションは、化学腐食および電気化学腐食と同時に発生します。キャビテーションの初期段階で材料の腐食と塑性変形によって生成されるピットのサイズは、特に耐食性の低い一部の材料では約 10 μ m ～ 50 μ m であり、長期のキャビテーションの下でハニカム状の構造を示す可能性があります。-。
(3) 振動や騒音が発生する
気泡が凝縮・収縮・破裂する瞬間、気泡の凝結・破裂によってできた空隙に気泡の周囲の液体が高速で充填され、圧力脈動が発生し、振動や騒音が発生します。キャビテーション ノイズの周波数は一般に 10 kHz ～ 100 kHz ですが、逆流や圧力脈動によって発生するキャビテーション ノイズの周波数は数百 Hz 程度であり、人間の耳は特に敏感です。同時に、キャビテーションは振動を刺激することもあります。キャビテーションによって発生する振動の主な周波数は、一般に約 1 kHz です。
キャビテーションは、高い騒音レベルによって特徴付けられるだけでなく、構造共振を引き起こす可能性があるポンプベースの不十分な剛性や貧弱なパイプラインサポートなどの振動指標によっても特徴付けられます。ポンプの設置後、ベースはコンクリートで満たされ、パイプラインの支持剛性は十分であるため、一般に強い振動現象は発生しません。しかし、ポンプ本体の振動測定では、キャビテーションにより発生する振動周波数は高周波成分が支配的であり、振動の加速度値は振動変位や振動速度よりも大きくなります。
3. キャビテーション性能向上のための共通対策
(1) 遠心ポンプ自体の耐キャビテーション性能向上対策
1) ポンプの吸込口設計の改善
インペラを研磨することにより、流れ面積を増やすことができます。
インペラカバープレートの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。
ブレード入口の厚みを適切に減らし、ブレード入口を丸くする（ブレードヘッドを研磨し、鋭利にすることで入口の衝撃損失を減らし、入口角度の感度を下げることができます。必要なキャビテーション許容値は約 0.5 メートル削減できます）。これにより、流線形に近くなり、ブレードヘッド周囲の加速度と圧力損失も減少します。
インペラとブレード入口の表面平滑性を向上させ、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に向かって伸ばし、液体の流れが事前に仕事を受け取り、圧力を高められるようにします。
2) フロント誘導車を追加します。
液体の流れの圧力を高めるために、前部の誘導ホイールで事前に液体の流れを働かせます（このスキームには構造の変更とさまざまな設計パラメータの再調整が必要です）。
3) 両吸込羽根車の採用
インペラの入口面積を増やし、入口液体流量を減らします（流量の減少と圧力の増加）。
4) わずかに大きな正の迎え角を使用する
ブレード入口の角度を大きくするには、ブレード入口の曲がりを減らし、ブレードの詰まりを最小限に抑えて、入口面積を増やします。
高流量条件下での作業条件を改善し、流量損失を削減します。ただし、正の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。
5) 低速ポンプの使用-
回転速度が低いほど、NPSHr は小さくなります。
6) 耐キャビテーション材の使用
材料の強度、硬度、靱性が高いほど、化学的安定性が向上し、キャビテーションに対する耐性が強くなることが実際に証明されています。
(2) 装置のキャビテーション許容量を増加させるための対策
1) 有効キャビテーション代を向上させるために、ポンプ前の貯蔵タンク内の液面の圧力を高めます。
2）特に熱水を媒体として輸送する場合は、吸込装置内のポンプの設置高さを低くし、吸込高さと媒体温度の関係を考慮してください。
3) 吸引装置を逆流装置に交換します。
4) ポンプ前の吸込管路での流量損失を低減します。可能であれば、パイプラインを必要な範囲内で短くし、適切な吸引パイプライン直径とフィルター濾過面積 (存在する場合) を使用して、パイプライン内の流量を減らし、曲がりやバルブの数を減らし、バルブの開度をできるだけ大きくします。
5) ギャップキャビテーションが激しい場合は、羽根車にバランス穴をあけて漏れ流量を減らし、キャビテーションの程度を軽減する方法を採用できます。ブレードのバランス穴は、インペラ入口で噴射される液体の流れに破壊的で干渉的な影響を及ぼします。漏れ流量を低減するには、バランス穴の面積をシール リングのクリアランス面積の 5 倍以上にする必要があります。これにより、液体の主流への影響が軽減され、ポンプの耐キャビテーション能力が向上します。
6) キャビテーションのメカニズムから見て、吸引ポートに適切な量のガスを補充すると、キャビテーションが発生する条件が崩れる可能性があることが経験的にわかっています。ただし、ポンプのキャビテーションを防ぐために空気を補充するのは高度な技術が必要であり、適切な空気補充量、場所、方法を使用した場合にのみ良好な結果を達成できます。そうしないと、ポンプの流量、揚程、効率が大幅に低下し、さらには動作中に流れが中断され、悪影響が生じる可能性があります。
適切なエア供給量の制御と正確な測定の難しさを考慮し、筆者の実践を考慮すると、エア供給バルブには流量を調整できるニードルバルブの使用をお勧めします。 -現場での調整中、キャビテーションノイズを使用して区別できます。キャビテーションノイズが最小になるまでニードルバルブを介して吸気量を調整し（一部のシステムではノイズを完全に除去できますが、一部のシステムはキャビテーションノイズを完全には除去できず、低減するだけです）、次にニードルバルブを少し戻して吸入量を減らし、指定されたさまざまな動作条件で性能異常が発生しなくなるまで一定期間動作を観察し、その後ニードルバルブの開度をロックします。この方法では決して最低レベルまで音を下げてはいけません。ポンプの運転停止時に入口圧力が正の場合、漏れを防ぐために逆止弁を取り付ける必要があります。
7) 研究により、媒体に揮発性ガスや砂などの固体粒子が含まれる場合、ポンプのキャビテーション性能が低下することが判明しました。ポンプにキャビテーションが発生しないようにするには、ポンプの吸い込み高さを、計算された清水の高さから少なくとも 4.2 メートル下げる必要があります。これは自治体産業において注目に値する。