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Ansysブログ

January 30, 2020

ポンプキャビテーションの原因と防止策

ポンプ、インペラー、プロペラは、日常のインフラの基本的な部分です。世界中の発電所、船舶、生産設備などを動かしています。

機械を設計、使用する技術者にとって、流体が急激な相変化を起こして機構を物理的に破壊する「キャビテーション」を回避することは大きな課題です。


ポンプのキャビテーションは、内部機構に悪影響を及ぼします。

これを防ぐために、エンジニアは適切な機器が適切なシステムに設置されていることを確認する必要があります。シミュレーションは、ポンプの設計と構成を最適化し、不用意な相変化を避けるためのコスト効率の高いソリューションです。


キャビテーションの原因は?

キャビテーションは、圧力が蒸気圧よりも急激に下がることで、流体内に気泡(空洞)ができることで起こります。気泡は圧力が高くなると崩壊し、小さな衝撃波を発生させ、時間が経つと部品を損傷させます。この衝撃波が部品に小さな穴を開けることを「ピッティング」と呼びます。


キャビテーションで穴の開いたプロペラ

騒音、振動、性能低下は、ポンプのキャビテーションの良い指標です。これらの警告サインが出始めたら、エンジニアは機器を点検してピットが形成されていないかどうかを確認する必要があります。

ピットはエンジニアにとって主要な懸念事項の一つです。ピットが成長して増えると、ポンプの寿命や効率を低下させてしまうからです。

しかし、エンジニアが機器内での泡の発生を抑えたい理由は他にもあります。例えば、圧力波によって振動が発生し、それがベアリングなどの他の部品の故障の原因になることがあります。

ポンプのキャビテーションは、設計の流量や効率にも影響を与えるため、エンジニアは処理能力を維持するために消費電力を増やさなければなりません。これは、温室効果ガスと燃料費の増加につながります。


ポンプのキャビテーションを防ぐには

ポンプにキャビテーションが発生するのを防ぐには、ポンプのインペラーの上流側の圧力を高めるのが一番です。この圧力はNPSH(Net Positive suction head:有効吸込みヘッド)と呼ばれます。


Ansys EnSight によりジェロータポンプ内の油量を可視化したもので、
ギアウォールに発生したキャビテーション(赤)の範囲を示しています。

エンジニアがNPSHを高める方法をいくつか紹介します。

  • 上流側の貯水池の水位を上げる
  • ポンプインレットにインデューサを追加する
  • インペラー設計の最適化
  • 上流側の流量ロスの最小化
  • ポンプを低流量で運転する

設計段階では、エンジニアはポンプがどのように設置されるかを知ることはできません。そのため、計算やシミュレーションを用いて様々な構成を試し、エンドユーザーに適切なNPSH定格を提供します。これらの定格は、ポンプと設置場所の組み合わせに役立ちます。

従来、エンジニアはレイリー・プレセット方程式を用いて気泡形成のシミュレーションを行っていました。しかし、これらの結果は経験的なものであり、入力パラメータを適切に調整しないと、非現実的な結果が得られるという課題があります。

また、エンジニアは、Ansys CFX に搭載されている平衡相変化モデルを使用して、キャビテーションをシミュレーションすることもできます。このモデルは、経験的なデータがなくても、材料特性を利用して気泡の形成を予測することができます。その結果、正確な結果を得るためにレイリー・プレセット方程式を調整する必要がありません。

エンジニアは、シミュレーションのパラメータを設定することで、様々な構成で設計を素早く循環させてNPSH定格を得ることができます。また、NPSHを低減することで、急激な位相変化によりポンプから発生するヘッドがどのように低減するかを示すチャートを作成することもできます。

平衡相変化モデルについては、こちらのアプリケーション概要をご覧ください: Cavitation: A Critical CFD App You Have to Get Right

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