【千里の道も一歩から――遠心ポンプ編】1.1 概念の解説：キャビテーションとキャビテーション余量

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この投稿は最後に、3983596_FPPZによって2020年4月7日15時06分に編集されました。1.1.7キャビテーションとキャビテーション余量 私たちはよく「キャビテーションによる真空状態」という言葉を耳にしますが、実際にはキャビテーションが原因であり、真空状態というのは重度のキャビテーションが引き起こす顕著な結果です。 キャビテーションとは、液体のインペラのある位置（インペラ入口の少し手前）で圧力が気化圧力にまで下がった際に、微細な気化が起こり再び液化する現象です。このプロセスがある程度進行すると、ポンプの振動音が次第に大きくなり、出口圧力の変動が激しくなり、インペラの入口部分の金属表面でキャビテーションによる損傷が生じます。キャビテーションが進行すると、ポンプは流量を失って真空状態になり、モーターは軽負荷状態となります。 インペラ入口のブレードによる押し出し作用と回り流れの影響により、キャビテーションは通常、ブレード入口付近の少し後ろにあるブレードの裏側で発生する。 インペラの金属表面の損傷位置は、腐食、侵食、またはキャビテーションがインペラの損傷を引き起こしたかを区別するための重要な根拠となる。 キャビテーションは圧力の低下によって完全に引き起こされるのであれば、ポンプの入口付近の各部の圧力値を適切に設計することは、キャビテーションの発生を制御する上で極めて重要である。 キャビテーション余量は揚程と同様にエネルギーの差であり、ある位置における液体の圧力エネルギーが液体の気化圧力エネルギーよりも大きい差のことで、単位はmです。 装置のキャビテーション余裕とは、ポンプに接続され、ポンプが正常に動作するようにする一連の装置システムのことであり、入口供給タンク、配管、バルブやエルボーなどの接続機器を含みます。 装置のキャビテーション余裕とは、ポンプの入口部に設けられる圧力値のことで、この圧力が液体の気化圧力よりも高い差分（つまり安全余裕値として理解される）をキャビテーション余裕と呼びます。蒸発圧が低く、温度も低い、蒸発しにくい条件では、装置のキャビテーション余裕は一般的に大きくなる；一方、蒸発圧が高く温度も高い蒸発しやすい条件では、装置の圧力を上げたり温度を下げたりするコストの制約により、装置のキャビテーション余裕は一般的に小さくなる。装置のキャビテーション余裕はNPSHaで表され、有効な正の吸込み頭とも呼ばれます。ポンプの流量が大きくなるほど流速も速くなり、損失も増大して圧力が低下し、安全余裕も小さくなるため、NPSHaと流量の関係は、流量が増えるにつれて低下する曲線となります。 ポンプのキャビテーション余裕量：媒体がポンプの入口に入ると、その速度は徐々に上昇していく。特にインペラの羽根に入った直後は、羽根がまだ十分に仕事をする前に、軸方向の圧力エネルギーが運動エネルギーに変換されなければならない。この時、圧力は最も低くなり、インペラの羽根の裏側がキャビテーションが発生しやすい場所となる。 媒体がインペラー内に入ると必ず圧力が低下するため、ポンプのこの羽根入口部でキャビテーションが発生しないようにするには、ポンプの入口にある液体が一定のエネルギーを持っている必要があります。このエネルギーは、媒体の気化圧力に対して十分な余裕を持ったものであり、このエネルギー差が必要な正の吸込み頭、すなわちポンプのキャビテーション余裕量と呼ばれ、NPSHrで表されます。ポンプのキャビテーション余裕量は、ポンプ自体が持つ能力の一種です。流量が増加するにつれて、ポンプのキャビテーション余裕NPSHrは徐々に上昇する曲線となる。 ポンプの設計において、ポンプのキャビテーション余裕量と効率は互いに矛盾するパラメータであり、キャビテーション余裕量が小さいほど（良いほど）、ポンプの効率は低下する。 ポンプのキャビテーション余裕NPSHrは、装置のキャビテーション余裕NPSHaにとってエネルギー上の要求値であり、ポンプのキャビテーション余裕が小さいほど良い。これは、ポンプの入口にある媒体に大きなエネルギーは必要なく、気化寸前のような多様な作動条件に対応できることを意味する；また、装置のキャビテーション余裕NPSHrは大きいほど良く、これはポンプの入口における媒体のエネルギーが媒体の気化圧力値よりもはるかに高いことを意味し、ポンプにとって有利な吸込み環境を与える。しかし、NPSHrが過度に高くなると、時として装置の工程パラメータ設計に非効率さをもたらすことがある。 したがって、NPSHa > NPSHrを満たす必要があり、さらに安全余裕としてNPSHa - NPSHr > 0.3～0.5m（API61では0.5m）とする必要がある。 吸上高さ　吸上高さは、自吸ポンプや吸入口が上方にあるような状況でよく用いられます。理想的な状態では、標準大気圧によって水を10.33メートルの高さまで持ち上げることができ、つまり理想的な吸上限界高さは10.33メートルです。しかし実際には、(1)ポンプにはキャビテーション余量NPSHrの要件があり、(2)吸上経路には局所的な損失や全体的な損失が生じます。 （3）ポンプによる吸上げでは一定の流速が生じ、媒体は静止状態から流動状態になるために一定の運動エネルギーに変換される必要がある。 （4）さらに安全余裕を確保し、一般的には0.5程度とする。 上記の各要因は、大気圧によって生じる10.33メートルの位置エネルギーから差し引かれなければならない。したがって、最終的な吸引高さhは