【毎日一問 ポンプ機器】簡易問題 2019.6.28

一定の運転条件においてポンプがちょうどキャビテーションを起こさない圧力差を、水頭に換算したもの。

ポンプの吸入口における、単位重量あたりの液体が持つ気化圧力を上回る余剰エネルギーで、単位はメートルで表される。

ポンプが動作しているとき、インペラの入口部で一定の真空圧力により液体が気化し、気化した気泡が液体粒子の衝突運動によってインペラなどの金属表面を侵食し、それによってインペラなどの金属が破壊されます。このときの真空圧力を気化圧力と呼び、キャビテーション余量とは、ポンプの吸入口における単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことで、その単位はメートルです。

ポンプが動作しているとき、インペラの入口部で一定の真空圧力により液体が気化し、気化した気泡が液体粒子の衝突運動によってインペラなどの金属表面を侵食し、それによってインペラなどの金属が破壊されます。このときの真空圧力を気化圧力と呼び、キャビテーション余量とは、ポンプの吸入口における単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことで、その単位はメートルで表し、(NPSH)rと記します。吸上げ可能な高さとは、必要なキャビテーション余裕Δhのことです。つまり、ポンプが液体を吸い上げるために許容される真空度、あるいはポンプの設置可能な高さを意味し、単位はメートルです。 吸上げ高さ＝標準大気圧（10.33メートル）－キャビテーション余裕量－安全量（0.5メートル） 標準大気圧は管路の真空高さを10.33メートルまで押し下げることができる。

ポンプが動作しているとき、インペラの入口部で一定の真空圧力により液体が気化し、気化した気泡が液体粒子の衝突運動によってインペラなどの金属表面を侵食し、それによってインペラなどの金属が破壊されます。このときの真空圧力を気化圧力と呼び、キャビテーション余量とは、ポンプの吸入口における単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことで、その単位はメートルで表し、(NPSH)rと記します。吸上げ可能な高さとは、必要なキャビテーション余裕Δhのことです。つまり、ポンプが液体を吸い上げるために許容される真空度、あるいはポンプの設置可能な高さを意味し、単位はメートルです。 吸上げ高さ＝標準大気圧（10.33メートル）－キャビテーション余裕量－安全量（0.5メートル） 標準大気圧は管路の真空高さを10.33メートルまで押し下げることができる。

ポンプが動作しているとき、インペラの入口部で一定の真空圧力により液体が気化し、気化した気泡が液体粒子の衝突運動によってインペラなどの金属表面を侵食し、それによってインペラなどの金属が破壊されます。このときの真空圧力を気化圧力と呼び、キャビテーション余量とは、ポンプの吸入口における単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことで、その単位はメートルで表し、(NPSH)rと記します。吸上げ可能な高さとは、必要なキャビテーション余裕Δhのことです。つまり、ポンプが液体を吸い上げるために許容される真空度、あるいはポンプの設置可能な高さを意味し、単位はメートルです。 吸上げ高さ＝標準大気圧（10.33メートル）－キャビテーション余裕量－安全量（0.5メートル） 標準大気圧は管路の真空高さを10.33メートルまで押し下げることができる。 キャビテーション余量とは、ポンプの入口にある液体が持つ全水頭と、その液体が気化する際の圧力頭との差のことです。単位はメートル（水柱）で表し、(NPSH)と表記されます。具体的には以下のような種類があります：NPSHa——装置キャビテーション余量、別名有効キャビテーション余量。この値が大きいほどキャビテーションが発生しにくくなります； NPSHr——ポンプのキャビテーション余裕量で、必要なキャビテーション余裕量またはポンプ入口の動圧降下とも呼ばれ、値が小さいほどキャビテーション耐性が高い； NPSHc——臨界キャビテーション余量とは、ポンプの性能が一定値低下するのに対応するキャビテーション余量を指す； ——許容キャビテーション余量とは、ポンプの使用条件を決定するためのキャビテーション余量で、通常は＝（1.1～1.5）NPSHcとされる。 キャビテーションの定義：遠心ポンプが動作しているとき、液体の圧力はポンプの入口からインペラーの入口に向かって低下し、インペラーの入口付近のK点で液体の圧力pKが最も低くなる。その後、インペラーが液体に仕事を加えるため、液体の圧力は急速に上昇する。インペラブレードの入口付近の圧力pKが、液体の輸送温度における飽和蒸気圧pvよりも小さい場合、液体は気化する。同時に、液体中に溶けているガスを放出する。それらは多くの気泡を形成する。気泡が液体と共に流路内の圧力が高い場所へ移動すると、外部の液体圧力が気泡内の気化圧力よりも高くなるため、気泡は再び凝縮して消滅しキャビテーションが発生する。瞬間的に周囲の液体が非常に高い速度でそのキャビテーションへと流れ込み、液体同士が衝突することで局部の圧力が急激に上昇する（数百気圧に達することもある）。このように、液体の正常な流れを妨げるだけでなく、特に深刻なのは、これらの気泡がインペラの壁面付近で崩壊すると、液体が無数の小さな弾丸のように金属表面を連続して打撃することです。その衝撃の頻度は非常に高く（2000～3000Hzに達するものもある）、そのため金属表面が衝撃疲労によって剥がれ落ちる。もし気泡の中に酸素などのような活性ガスが混在している場合、気泡が凝縮する際に放出される熱（局所的な温度は200～300℃に達する）によって熱電対が形成され、電解が起こり、電気化学的腐食が生じて、金属の侵食・破壊がさらに加速される。上記のように、液体が気化・凝縮し、衝撃を受けて高圧・高温・高周波の衝撃負荷が生じ、金属材料が機械的に剥離したり電気化学的に腐食されたりする複合的な現象をキャビテーションと呼ぶ。 遠心ポンプでキャビテーションが最も発生しやすい部位は、a.インペラの曲率が最も大きいフロントカバー部、羽根の入口端に近い低圧側である； b. 押出室内の渦巻きケーシングの隔壁およびガイドベーンが入口端付近の低圧側に位置する部分； c. 前部カバープレートのない高比転数インペラの羽根先端外円とケーシングとの間のシールギャップ、および羽根先端の低圧側； d. 多段ポンプにおける第1段のインペラ。 キャビテーション余量とは何ですか？吸程とは何ですか？それぞれの計量単位と表記文字は？ 答：ポンプが動作しているとき、インペラの入口部で一定の真空圧力により液体が気化し、気化した気泡が液体粒子の衝突によってインペラなどの金属表面を侵食し、それによってインペラなどの金属が損傷します。このときの真空圧力を気化圧力といい、エロージョン余裕量とは、ポンプの吸入口における単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことです。単位はメートルの液柱で、（NPSH）rで表される。 吸上げ可能な高さとは、必要なキャビテーション余量Δ/hのことです。つまり、ポンプが液体を吸い上げるために許容される真空度、あるいはポンプの許容される設置高さということになります。単位はメートルです。吸上げ高さ＝標準大気圧（10.33メートル）－キャビテーション余裕量－配管損失－安全率（0.5）
標準大気圧は、管路内の真空度を10.33メートルまで押し上げることができる。
例えば、あるポンプのキャビテーション余裕量が4.0メートルの場合、吸上げ高さΔhを求める。
解：Δh＝10.33－4.0－0.5＝5.83メートル
キャビテーション現象とは、液体が一定の温度にあるとき、その温度における気化圧力まで圧力が下がると、液体中に気泡が発生する現象である。この気泡が発生する現象をキャビテーションと呼びます。キャビテーション時に発生する気泡は、高圧の場所に流れると体積が縮小して破裂する。圧力上昇によって気泡が液体中で消滅するこの現象は、キャビテーション崩壊と呼ばれる。 ポンプが動作中、その過流量部分の局所的な領域（通常はインペラの羽根の入口の少し先の位置）で、何らかの理由により送液される液体の絶対圧力が、その時の温度における液体の気化圧力まで下がると、その場所で液体が気化を始め、大量の蒸気が発生して気泡が形成される。大量の気泡を含んだ液体がインペラ内の高圧領域を通過する際、気泡の周囲にある高圧の液体によって気泡は急激に収縮し、最終的に破裂する。気泡が凝結して破壊されると同時に、液体の粒子が非常に高い速度で空洞を埋め尽くし、その瞬間に強烈な水撃作用が発生する。そして、非常に高い衝撃周波数で金属表面を叩き、衝撃応力は数百から数千気圧にも達し、衝撃周波数は1秒間に数万回にも及ぶ。深刻な場合には、壁の厚さが破壊されてしまう。 ポンプ内で気泡が発生し、その気泡が破裂することによって流路部品が損傷を受ける過程が、ポンプのキャビテーション現象です。水ポンプがキャビテーションを起こすと、流れる流体に損傷を与えるだけでなく、騒音や振動も発生し、ポンプの性能が低下します。深刻な場合には、ポンプ内の液体の流れが途絶えて正常に動作しなくなります。 キャビテーション耐性向上策 a.遠心ポンプ自体のキャビテーション耐性を向上させる措置 (1)ポンプの吸込口からインペラ付近までの構造設計の改善。過流面積の拡大；インペラカバーの入口部の曲率半径を大きくし、流体の急激な加速と圧力低下を軽減する；ブレードの入口部の厚みを適切に減らし、入口部を丸めて流線形に近づけることで、ブレードの先端付近での流れの加速や圧力低下も軽減できる；抵抗損失を低減するために、インペラーとブレードの入口部の表面の滑らかさを向上させる；羽根の入口端をインペラーの入口側に延長し、液流が早期に仕事を受けて圧力を上昇させる。 (2) 前置誘導輪を採用し、液流が前置誘導輪内で事前に仕事を行うことで、液流の圧力を高める。 (3)両吸いインペラを採用し、液体をインペラの両側から同時に流入させることで、入口断面積は2倍になり、入口流速は半分になる。 (4)設計時の動作条件では、やや大きな正面衝突角を採用し、ブレードの入口角度を大きくして入口部での曲がりを減らし、ブレードの閉塞を軽減することで入口面積を拡大する；大流量下での作業条件を改善し、流動損失を低減する。しかし、正面衝突角は大きすぎてはならず、そうでないと効率が低下する。 (5)エロージョンに耐える材料を使用する。実践によれば、材料の強度、硬度、靭性が高いほど、化学的安定性も良くなり、エロージョン耐性も強くなる。 b. 入液装置の有効キャビテーション余裕を向上させる措置 (1) ポンプ前の貯液タンク内の液面圧力を上げて、有効キャビテーション余裕を高める。 (2)吸上装置ポンプの設置高さを低減する。 (3) 上吸装置を逆流装置に変更する。 (4)ポンプ前の配管における流動損失を低減する。要求される範囲内で配管をできるだけ短くし、配管内の流速を下げ、曲がり部やバルブを減らし、バルブの開度をできるだけ大きくするなどです。 (5)ポンプ入口の媒体温度を下げる（搬送媒体が飽和温度に近づいた場合）。 上記の対策は、ポンプの選定、材料の選択、および使用現場などの条件を総合的に分析し、適切に適用することができる。

ポンプの入口からインペラの入口の羽根の少し後ろの位置までの間の圧力降下で、単位はメートルです

与えられた回転数と流量のもとで必要とされるキャビテーション余裕は、必要キャビテーション余裕と呼ばれ、NPSHrで表される。ポンプのキャビテーション余裕とも呼ばれるNPSHrは、ポンプ内の流動と関連しており、ポンプ自体の性能によって決まる値です。その物理的意味は、ポンプの入口部での圧力がどの程度低下するかを示すものであり、つまりポンプがキャビテーションを起こさないようにするためのものです。

ポンプの吸入口と貯液タンクとの高さ差

キャビテーション余量とは、ポンプの吸入口において単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことで、単位はメートルで表し、(NPSH)rと記されます。吸上げ可能な高さとは、必要なキャビテーション余量Δhのことです。つまり、遠心ポンプが液体を吸い上げるために許容される真空度、あるいはポンプの設置可能な高さであり、単位はメートルです。 吸上げ高さ＝標準大気圧（10.33メートル）－キャビテーション余裕量－安全量（0.5メートル） 標準大気圧は管路の真空高さを10.33メートルまで押し下げることができる。 キャビテーション余量とは、ポンプの入口にある液体が持つ全水頭と、その液体が気化する際の圧力頭との差のことです。単位はメートル（水柱）で表され、（NPSH）と記されます。ここでNPSHrとは、ポンプのキャビテーション余量、または必要なキャビテーション余量とも呼ばれ、ポンプが達成すべきキャビテーション性能のパラメータです。NPSHrが小さいほど、ポンプのキャビテーション耐性は高くなります。

水ポンプの入口において、単位質量あたりの水が持つエネルギーから気化圧力によって消費されるエネルギーを差し引いた値であり、これは絶対圧力で表される、水ポンプの吸水性能を判断するための重要なパラメータです。

その意味とは、ポンプがキャビテーションを起こさないようにするために、ポンプ内のインペラの吸込口付近で、単位質量あたりの液体が持つべき、気化圧力を上回る余分なエネルギーのことで、単位はmです。これにはNPSHrとNPSHaの2種類があります。NPSHrとは必要な純正吸込圧頭のことで、その意味は上述の通りです。その値の大きさはポンプのインペラの性能に関連しており、優れたポンプほどNPSHrの値は小さくなります。 NPSHaとは、ポンプの吸込管路が提供できる、ポンプがキャビテーションを起こさないようにするためのもので、インペラの吸込口において、単位質量あたりの液体が持つ、気化圧力を超えた分の余剰エネルギーのことです。その数値の大きさは吸気ラインの良し悪しに関係し、ポンプ自体とは関係ありません。

ポンプの吸入口における液体が、その動作温度における飽和蒸気圧頭を上回る余剰エネルギーを持つこと。

NPSHrは必要キャビテーション余量と呼ばれ、ポンプ自体の性能であり、一般的にはポンプの設計のみに関係すると考えられていますが、厳密に言うと運転条件や媒体にも関係しています。数値が小さいほど、キャビテーション防止性能は高くなります

ポンプのキャビテーション余裕、別名必要キャビテーション余裕またはポンプ入口の動圧降下は、値が小さいほどキャビテーション耐性が高くなる；

ポンプが動作しているとき、インペラの入口部で一定の真空圧力により液体が気化し、気化した気泡が液体粒子の衝突運動によってインペラなどの金属表面を侵食させ、それによってインペラなどの金属が破壊されます。このときの真空圧力を気化圧力と呼び、キャビテーション余量とは、ポンプの吸入口における単位重量あたりの液体が持つ、気化圧力を上回る余剰エネルギーのことです

ポンプにキャビテーションが発生するのを防ぐための重要なパラメータです。簡単に言えば、ポンプが正常に動作するためには、送液媒体の温度において、ポンプの入口圧力がポンプの必要なキャビテーション余裕圧よりも高くなければなりません。

ポンプにキャビテーションが発生するのを防ぐための重要なパラメータです。簡単に言えば、ポンプが正常に動作するためには、送液媒体の温度において、ポンプの入口圧力がポンプの必要なキャビテーション余裕圧よりも高くなければなりません。

ポンプの入口からインペラの入口の羽根の少し後ろの位置までの液体の圧力降下で、単位はメートルです。この圧力降下は液体の流速が上昇することによって生じます。この値が小さいほど、ポンプが圧力降下を制御する能力が高いことを意味します。 したがって、液体がポンプに入る際には必ず圧力低下（NPSHR）が生じるため、ポンプの入口圧力は液体の気化圧力＋圧力低下（NPSHR）＋0.5メートルの安全余裕分（この安全余裕分の大きさは実際の状況、規格、および注文時の要件によって決まる）以上でなければならない。そうすることで、液体がインペラの入口に到達した時点での圧力が、圧力低下後でも依然として液体の気化圧力を上回り、インペラの入口でキャビテーションが発生しないようにするのである。

ポンプの入口からインペラの入口の羽根の少し後ろの位置までの間の圧力降下で、単位はメートルです。この圧力降下は液体の流速が上昇することによって生じます。この値が小さいほど、ポンプが圧力降下を制御する能力が高いことを意味します。 したがって、液体がポンプに入る際には必ず圧力低下（NPSHR）が生じるため、ポンプの入口圧力は液体の気化圧力＋圧力低下（NPSHR）＋0.5メートルの安全余裕分（この安全余裕分の大きさは実際の状況、規格、および注文時の要件によって決まる）以上でなければならない。そうすることで、液体がインペラの入口に到達した時点での圧力が、圧力低下後でも依然として液体の気化圧力を上回り、インペラの入口でキャビテーションが発生しないようにするのである。