JP6590696B2 - 送水管路系のキャビテーションサージを緩和および防止するための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体に作用するターボポンプにかかわり、液体を対象としたターボポンプに発生する特有の現象であるキャビテーションサージを抑制または緩和する装置及び方法に関するものである。

水ポンプなどのターボポンプには、キャビテーションの発生をともなうキャビテーション不安定現象と呼ばれる現象が起こる場合があり、ポンプの軸振動、羽根車の応力変動や、騒音の原因になっている。キャビテーション不安定現象には、キャビテーションサージという現象があり、羽根車の回転数よりも低い周期で、配管系の流量および圧力の顕著な脈動が発生する現象である。

キャビテーションサージ（あるいはキャビテーションサージング）が発生すると、流体側の振動のみならず、構造側である管路系やポンプなどの機械要素にも振動および騒音が発生する。その程度が著しいと管路系を破壊したり、騒音が増加して不快な域にまで成長したりする場合がある。

従来のキャビテーション対策は、ポンプの内部構成要素である羽根車やディフューザ、ケーシングなどの設計を改善し、あるいは、ポンプの吐出側の流体の一部をその吸込側の流体に戻すなどして、キャビテーションの発生しにくい設計によりこの現象を回避しようとしてきた。

しかしながら、このような対応により効率が犠牲になることもあった。また、ポンプの運転領域は流量を変えて幅広い領域で運転されるが、ポンプの全運転領域で、キャビテーションサージングを回避することは、ポンプ単体の羽根車やケーシングなどの一部分を見つめた設計改善だけでは達成することが難しかった。

一方、ポンプの外付けの付加設備または装置でこの問題を緩和しようとする試みもある。例えば、ポンプの吸込み側もしくは吐出し側にサージタンクを取り付けると、キャビテーションサージによる脈動の一定の緩和がなされる。

しかしながら、キャビテーションサージが発生する場合、ポンプの出口（吐出口）と入口の流量が異なる変動を示すが、ポンプ入口より上流のサージタンクは、ポンプ出口より下流の脈動を直接に緩和する効果は無い。またポンプ出口より下流にサージタンクを設置すると効果的であることを示す研究例もあるが、キャビテーションサージの発生時のポンプの上流と下流に注目して、ポンプシステム全体としての対策を行ってはいなかった。

特開昭６１−１７８６００号公報

そこで、発明者は、例えばキャビテーションサージの周期的挙動が「バネ効果」、ポンプが輸送する液体が「慣性要素」、配管や弁の圧力損失などが「抵抗要素」、ポンプが「負抵抗要素」とするように、ポンプシステムの各要素が連成するシステム全体の振動現象（流体要素の変動現象）として捉えなおして鋭意検討し、本発明に至った。
本発明は、ポンプシステム全体としてのキャビテーション対策、特にキャビテーションサージを抑制あるいは緩和する装置及び方法を提案するものである。

上述の目的を達成するため、本発明の第一の実施態様は、液体を移送するターボポンプの上流の流量と下流の流量を測定して比較し、上流の流量が下流の流量より小さい場合に、ポンプ吸込部の圧力を低減させて該上流の流速を加速させるとともにポンプ吐出部の圧力を低減させて下流の流速を低減させ、該下流の流量が該上流の流量より小さい場合に、ポンプ吐出部の圧力を増加させて該下流の流速を加速させるとともにポンプ吸込部の圧力を増加させるターボポンプのキャビテーションの抑制運転方法である。

また、液体を移送するターボポンプと、該ターボポンプの上流の液体の周期的な圧力変動の振幅を減衰せしめるように上流の液体に加圧と減圧を繰り返す第一の減衰装置と、ターボポンプの下流の液体の周期的な圧力変動の周期を減衰せしめるように下流の液体に加圧と減圧を繰り返す第二の減衰装置と、該上流に備えられた検知器により得られた情報と、該下流に備えられた検知器により得られた情報から、前記第一の減衰装置および前記第二の減衰装置に動作指示を行う制御機器を備えたターボポンプのキャビテーションの抑制装置である。

より具体的には、第一の減衰装置は、上流の液体の圧力が上昇するときは減圧動作をし、上流の液体の圧力が減少するときは加圧動作をするとともに、第二の減衰装置は、下流の液体の圧力が上昇するときは減圧動作をし、下流の液体の圧力が減少するときは加圧動作をするターボポンプのキャビテーションの抑制装置である。

更に別の態様では、液体を移送するターボポンプと、該ターボポンプの上流の液体の周期的な圧力変動の振幅を減衰せしめるように該上流の液体に加圧と減圧を繰り返す第一の減衰装置と、該ターボポンプの下流の液体の周期的な圧力変動の周期を減衰せしめるように該下流の液体に加圧と減圧を繰り返す第二の減衰装置とを備え、第一の減衰装置と前記第二の減衰装置は、ともにピストンおよびシリンダーからなり、第一の減衰装置と前記第二の減衰装置は、互いのピストンの動きを制動する装置と、少なくともどちらかのピストンがつりあいの位置に回復しようとする装置を具備するターボポンプのキャビテーションの抑制装置である。

さらに、別の態様は、液体を移送するターボポンプと、該ターボポンプの上流の液体の周期的な圧力変動の振幅を減衰せしめるように該上流の液体に加圧と減圧を繰り返す第一の減衰装置と、該ターボポンプの下流の液体の周期的な圧力変動の周期を減衰せしめるように該下流の液体に加圧と減圧を繰り返す第二の減衰装置とを備え、前記第一の減衰装置と前記第二の減衰装置は、ともにピストンおよびシリンダーからなり、該ピストンおよびシリンダーは、ひとつのピストンが前記第一の減衰装置と前記第二の減衰装置のシリンダーにともに嵌合しており、前記ひとつのピストンは、該ひとつのピストンをつりあいの位置に回復させるためのつりあい位置回復装置に接続されていることを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制装置である。

さらに、本発明の一参考例は、液体を移送するターボポンプと、該ターボポンプの上流側のケーシングまたは配管内に配置された、該液体の容積を押しのける膨張可能なガス袋を備えたことを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制装置である。

その具体的な運転方法は、液体を移送するターボポンプの上流の流量または圧力を測定し、該流量または圧力の低下が発生したときに、該ターボポンプの上流側のケーシングまたは配管内に配置されたガス袋を膨張させることを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制運転方法である。

このようにすることにより、ポンプの運転領域は流量を変えて幅広い領域で運転した場合でも、ポンプの全運転領域で、キャビテーションサージングをより効果的に緩和または抑制することができる。
また、キャビテーションサージの発生時のポンプの上流と下流の圧力や流れを考慮しているので、ポンプ上流、入口とポンプ下流、出口のポンプシステム全てにわたって脈動をより効果的に緩和もしくは抑制することができる。

更に、加圧・減圧装置は、上流と下流の各々について、任意に設定した基準圧力と比べた周期的な圧力状態の変動に合わせて別々に圧力を加圧したり減圧したりするので、ポンプにより加圧された下流の流量を上流側に戻す事もなくなり、ポンプ効率を低下することなく効率よく安定的に運転することができる。

また、キャビテーションサージの振幅を下げる、速やかにキャビテーションサージを収束させる効果を持つ。

本発明に係るポンプシステムの模式図である。 本発明の現象モデルに関する模式図である。 本発明の一実施形態の説明図である。 本発明の別の実施形態の説明図である。 本発明の更に別の実施形態の説明図である。 本発明の更に別の実施形態の説明図である。 本発明の更に別の実施形態の説明図である。 本発明の更に別の実施形態の説明図である。 本発明の更に別の実施形態の説明図である。

本発明の具体的な実施態様を述べるにあたり、キャビテーションサージ現象をどのように捉えるかを図１、図２により簡単に述べる。

図１は、ターボポンプシステムの模式図である。ケーシング内に羽根車８を内蔵したポンプ１はターボポンプであり、外部のモータ８の回転力が、軸を通して羽根車８を回転させる。ポンプ入口２にはフランジ１０によりポンプ上流配管４が接続されている。ポンプ１内に形成された、ポンプ入口２と羽根車８の間の空間（破線部分）は、ポンプ吸込部２７である。ポンプ吸込部２７とポンプ上流配管４をあわせて、ポンプ上流２９を形成している。上流側の外付け機器６はポンプ上流配管４に接続されている。

また、ポンプ出口３にはフランジ１０によりポンプ下流配管５が接続されている。ポンプ１内に形成された、ポンプ出口３と羽根車８の間の空間（破線部分）は、ポンプ吐出部２８である。ポンプ吐出部２８とポンプ下流配管５をあわせて、ポンプ下流３０を形成している。下流側の外付け機器７はポンプ下流配管５に接続されている。

系内に水等の液体が満たされた状態で、モータ９の駆動により羽根車８が回転すると、ポンプ上流配管４から、流量Ｑ１の液体がポンプ入口２に流入し、羽根車８のポンプ作用により、ポンプ出口３からポンプ下流配管５に流量Ｑ２で排出される。
ここで、キャビテーションが何も発生していない場合には、
Ｑ１＝Ｑ２
である。

しかしながら、キャビテーションが発生し、その体積が拡大すると、この関係はなりたたなくなる。キャビテーションは、ポンプ上流２９で発生しうる。即ちポンプ上流配管４からポンプ入口２および、ポンプ吸込部２７にわたって発生しうる。キャビテーションサージは、キャビテーションの気泡が周期的に拡大、縮小を繰り返すことによって引起される。この時のキャビテーションの体積Ｖｃは、ポンプの入口圧力Ｐ１の周期的変動により拡大縮小すると考えられる。
κ＝−∂Ｖｃ／∂Ｐ１（ｔ）
ここで、κはキャビテーションコンプライアンスという。キャビテーションを前述のバネとして捉えた振動現象としたアナロジーでは、κはバネの弾性定数の逆数にあたるものである。

一方、キャビテーションの気泡の体積Ｖｃが拡大すると、流量Ｑ１とＱ２は、異なった値となり、その関係は、
ｄＶｃ／ｄｔ≒Ｑ２−Ｑ１
である。すなわち流量Ｑ１とＱ２は体積Ｖｃの変動に伴い周期的に変動する。

図２は、これまで述べてきたことを簡単に振動現象として捉えなおしたものである。キャビテーションが起こらない場合、すなわち、Ｑ１＝Ｑ２の場合を、ベルトコンベアにＱ１、Ｑ２が並んで乗せてあり、ベルトコンベアが右から左に動くに従いＱ１とＱ２も流れていく場合としている。ベルトコンベアがポンプ作用であり、ベルトコンベアとＱ１，Ｑ２との間は若干滑るとしても、Ｑ１とＱ２はあたかも一体のように整然と移動していく。

一方、キャビテーションがおこる場合については、Ｑ１とＱ２の間に、周期的に延び縮みするバネ１１がＱ１，Ｑ２に締結されている。ベルトコンベアとＱ１，Ｑ２との間は若干滑るとする。ここで、バネ１１が延びきったときがバネ１１の縮み始めであるので、バネ１１がＱ１とＱ２を引っ張るようになる。図に応じればＱ１は右に加速し、Ｑ２は左に加速する。また逆に、バネ１１が縮みきったときがバネ１１の伸び始めで、Ｑ１は左に、Ｑ２は右に押され、Ｑ１とＱ２の挙動は全く別々となる。このような挙動を収束させるには、Ｑ１が右に、かつＱ２が左に引っ張られるのであれば、その時にＱ１に左に、かつＱ２に右に力を加え、また、Ｑ１が左に、かつＱ２が右に押されるのであれば、その時にＱ１に右に、かつＱ２に左に力を加える必要がある。

実際の系には、図２のようなアナロジーでは把握できない系もある。そのような状況も含めてもう少し詳しく、キャビテーションを「バネ要素」、液体が「慣性要素」、配管や弁の圧力損失などが「抵抗要素」、ポンプが「負抵抗要素」あるいは「動力源」と特性を分類して抽象化して考えてみると、キャビテーションサージとは、「動力源」から動力が供給されて振動が持続している状態とみなせる。

してみると、このような系で振動を止めるということは、「バネ要素」、「慣性要素」あるいは「抵抗要素」の定数を適切な状態にすれば可能と考えられる。そこで、本発明は、キャビテーションと液体の状態を変えるデバイスを工夫することにより、ポンプ送水システムの特性を変えて振動を止めるあるいは抑制（緩和）しようというものである。尚、ポンプ吸込部におけるキャビテーションの状態によりポンプの上流と下流が影響されるので、制振作用も、上流と下流にともに作用することが望ましい。

図３は、以上のような考えを踏まえてなされた発明の具体的実施例である。すなわち、キャビテーションの特性により、ポンプの上流と下流で流量が異なるところから、ポンプ送水システムに加えて、ポンプの上流と下流各々に「バネ要素」、「抵抗要素」（ダンパー）の働きをするデバイスをつけて制振する方法である。

図３において、ポンプ１のポンプ上流２９には、上流側の圧力検知器または流量検知器１３と上流側加圧・減圧装置１２が接続されている。これらの接続位置はポンプ吸込部２７、またはポンプ上流配管４でもできるだけポンプ吸込部２７に近い位置に接続されている。また、これらとは別に、ポンプ１のポンプ下流３０には、下流側の圧力検知器または流量検知器１５と下流側加圧・減圧装置１４が接続されている。これらの接続位置も、ポンプ吐出部２８、またはポンプ下流配管５でもできるだけポンプ吐出部２８に近い位置に接続されている。

ここで、加圧・減圧装置は圧力脈動の減衰装置として働き、具体的には図のようにアクチュエータ駆動のピストンのようなものであるが、それに限定されない。尚、この系では下流から上流に液体を戻すバイパス操作を行うためのバイパス配管などのバイパス系がなく、バイパス操作もできない。

上流、下流の圧力検知器または流量検知器１３、１５により周期的な圧力変動または流量変動を検知し、検知情報をコントローラ１６に送る。コントローラ１６では各検知器から得た情報を基に、上流側、下流側の加圧・減圧装置１２、１４に、各々の周期的な圧力変動現象に対応して、変動の収束に向けたタイミングで、液体の加圧と減圧を繰り返すように動作を指示する。

上流の変動周期と下流の変動周期が異なっている場合でも、このように、上流であれば上流の検知器で検知した圧力や流量の変動情報に対応して上流の加圧・減圧装置の動作がされ、下流であれば下流の検知器で検知した圧力や流量の変動情報に対応して下流の加圧・減圧装置の動作がされるので、上流も下流も各々の変動状態に応じた各々独立した制御が行える。尚、上流の液体にかける加圧、減圧の周期と、下流の液体にかける加圧、減圧の周期は、最低限でも観測される圧力変動の基本周期と同じとする。

流量に基づいて加圧・減圧装置を制御する場合、コントローラ１６では、液体を移送するポンプ１の上流の流量検知器１３で測定された流量と下流の流量検知器１５で測定された流量が比較される。上流の流量が下流の流量より小さい場合（Ｑ１＜Ｑ２）には、上流側の加圧・減圧装置１２に、ポンプ吸込部２７近傍の圧力を低減させるように、コントローラ１６から減圧動作の指示がされる。このことにより、ポンプ上流配管４の液体の流速を加速させることができＱ１は増大する。それと共に、下流側の加圧・減圧装置１４に、ポンプ吐出部２８近傍の圧力を低減させるように、コントローラ１６から減圧動作の指示がされる。これにより、ポンプ下流配管５の液体の流速が低減され、Ｑ２は減少する。以上の操作により、Ｑ１＝Ｑ２に近づく。

逆に、下流の流量が上流の流量より小さい場合（Ｑ１＞Ｑ２）に、コントローラ１６から下流側の加圧・減圧装置１４に、ポンプ吐出部２８近傍の圧力を増加させるように、加圧動作の指示がされる。このことにより、ポンプ下流配管５の液体の流速を加速させることができ、Ｑ２は増大する。それとともに、コントローラ１６から上流側の加圧・減圧装置１２にポンプ吸込部２７近傍の圧力を増加させるように、加圧動作の指示がされる。このことにより、ポンプ上流配管４の液体の流速を加速させることができ、Ｑ２は増大する。以上の操作により、Ｑ１＝Ｑ２に近づく。

尚、流量の測定機器は、精度の高いものから低いものまで、また高価なものから廉価のもの、大型のものから小型のものまで種々あるが、現場での流量の測定は難しい場合が多く、特にキャビテーション状態や脈動状態の測定は困難な場合が多い。そこで、このような場合、流量検知器の性能に応じて、測定された流量をもとに推定され、補正された流量を用いる場合が多いので、流量とは、このような補正流量も含むものである。

また、圧力に基づいて加圧・減圧装置を制御する場合、コントローラ１６は、任意に設定した基準圧力との関係で、上流の検知器１３により読み取られた液体の圧力が、上昇している傾向の場合には、上流側の加圧・減圧装置１２に、その上昇傾向の圧力を減らす動作をするように指示し、逆に、上流の検知器により読み取られた液体の圧力が、より低下傾向を示している場合には、加圧・減圧装置１２に、その低下傾向の圧力を上げる動作を指示する。

下流側の加圧・減圧装置１４についても同様で、コントローラ１６は、任意に設定した基準圧力との関係で、下流の検知器１５により読み取られた液体の圧力が、より上昇している傾向の場合には、加圧・減圧装置１４に、その上昇傾向の圧力を減らす動作をするように指示し、逆に下流の検知器１５により読み取られた液体の圧力が、より低下傾向を示している場合には、加圧・減圧装置１４に、その低下傾向の圧力を上げる動作を指示している。

このように、センサーからアクチュエータの制御を知能化し、上流と下流の情報を処理しつつ、上流と下流の状況に応じてアクティブ制御することで、ポンプの運転領域は流量を変えて幅広い領域で運転した場合でも、ポンプの全運転領域で、キャビテーションサージングをより効果的に緩和または抑制することができる。また、キャビテーションサージの発生時のポンプの上流と下流の圧力や流れを考慮しているので、ポンプ上流、入口とポンプ下流、出口のポンプシステム全てにわたって脈動をより効果的に緩和もしくは抑制することができる。更に、加圧・減圧装置は、上流と下流の各々について、任意に設定した基準圧力と比べた周期的な圧力状態の変動に合わせて別々に圧力を加圧したり減圧したりするので、ポンプにより加圧された下流の流量を上流側に戻す事もなくなり、効率よく安定的に運転することができる。

図４は、上流と下流の二つの振動抑制装置に対し、上流と下流の状況を主として機械的な制御で対応する実施例である。ポンプ１のポンプ上流２９には、上流側のシリンダー１８とそれに嵌合する上流側ピストン３５が接続されている。これらのポンプ上流２９での接続位置はポンプ吸込部２７、またはポンプ上流配管４でもできるだけポンプ吸込部２７に近い位置に接続されている。また、これらとは別に、ポンプ１のポンプ下流３０には、下流側のシリンダー１９とそれに嵌合する下流側ピストン３６が接続されている。これらのポンプ下流３０での接続位置も、ポンプ吐出部２８、またはポンプ下流配管５でもできるだけポンプ吐出部２８に近い位置に接続されている。

上流側ピストン３５と下流側ピストン３６の間は、アクチュエータ３２、バネ３３、ダッシュポット２４の全てもしくは一部によるピストンの動きを互いに制動する装置（すなわち、ピストン制動装置）に接続されている。これらアクチュエータ３２、バネ３３、ダッシュポット２４は、その弾性係数などが調整可能である。ピストン３５、３６の断面積は、等しいものとしても、あるいは異なるものとしても良い。

ポンプ上流にキャビテーションが発生してサージング状態にある場合、キャビテーションが拡大する際は、ポンプ上流の圧力は下がり方向に変化する。一方、キャビテーションが縮小する際はポンプ上流の圧力が上がり方向に変化する。このとき、上流側ピストン３５は、アクチュエータ３１により、圧力変化を吸収するように移動する。同じく、キャビテーションサージによってポンプの下流側の圧力が上昇あるいは低下の変化をする際、下流側ピストン３６はアクチュエータ３２によりポンプの下流側の圧力変化を吸収するように移動する。このように、上流側ピストン３５と下流側ピストン３６の移動により、キャビテーション体積Ｖｃは拡大成長を妨げられ、キャビテーションサージは、単調にあるいは拡大、縮小を繰り返しながら体積変動の振幅を減少させながら収束の方向に向かう。

図３、図４においては、上流と下流の２箇所にセンサー、アクチュエータを設置することはスペースの増加や、系全体の複雑さを増し、装置価格の上昇も招く懸念がある。また、センサー、アクチュエータを用いずとも、バネ、ダンパーなどの受動機器だけでも充分にキャビテーションサージを抑制できる場合もある。図５は、このような観点から、図４におけるアクチュエータを除いた、本発明の別の具体的な実施例を示す。

上流側の圧力変動と下流側の圧力変動の、（１）周期が異なる場合、（２）振幅が異なる場合、あるいは（３）周期が同じでも位相が異なる場合には、上流側ピストン３５と下流側ピストン３６に接続するバネ３３やダッシュポット２４を調整して、ピストン３５とピストン３６の動作周期や振幅、位相が適切となるよう調整する。

ここで、ピストン３５、３６のつりあいの位置は、キャビテーションサージのない時には、各シリンダー１８、１９のストロークの中間的位置であることが好ましい。しかしながら、定常状態でかかる上流側圧力×シリンダー断面積による力と、下流側圧力×シリンダー断面積による力のつりあいが得られる条件と、上流側の圧力を増加低減させるのに必要なシリンダー断面積×ピストンストロークと、下流側の圧力を増加低減させるのに必要なシリンダー断面積×ピストンストロークの条件は必ずしも一致しない。

図４において、少なくともピストン３５、３６のどちらか一方には、外部の固定点と接続された、バネ２３、ダッシュポット２２、アクチュエータ３１の一部または全部によって構成された「つりあい位置回復装置」が必要である。バネ２３、ダッシュポット２２、アクチュエータ３１などの調整により、ピストン３５、３６のつりあいの位置が決められる。

尚、流路のバルブ２０、２１はピストン３５、３６に流入する流量を調節するものである。ポンプ上流および下流の流路を接続する流路には開度調整バルブ２０、２１により、上流下流の流量差、変動をより緩和することに用いても良い。

図６は、よりコンパクト化した本発明の別の具体的な実施例である。系の振動を止めるために、ポンプを含む管路系「バネ要素」、「慣性要素」あるいは「抵抗要素」の定数を現状の値から変えるだけでも有効なケースでは、図５における上流側ピストン３５と下流側ピストン３６の間をつないでいた、バネ３３、ダッシュポット２４などの調整装置が不要である。基本的には、ポンプ上流２９のポンプ上流配管４に接続する上流側シリンダー１８と、ポンプ下流３０のポンプ下流配管５に接続する下流側シリンダー１９と、両シリンダーにともに嵌合するピストン１７を備えている。尚、ピストン１７は、シリンダー１８と１９の断面積が等しいものに対応しても、あるいは異なるものに対応しても良い。ピストン１７では、上流側シリンダーと下流側シリンダーの断面積の大きさの調整だけで適切な圧力を周期的に上流、下流に交互にかけることも可能である。従って、このようにすることで、これまでに述べた効果とともに、スペース的には簡素となる。

ここで、図６において、バネ２３、ダッシュポット２２などは可変調整可能であり、ピストン１７のつりあいの位置を調整して決めるものである。

次に、これまでの作用とは別の観点で、キャビテーションサージの抑制を検討した発明の実施態様を述べる。

キャビテーションサージの周波数ｆとキャビテーションコンプライアンスκの間には、
ｆ∝１／κ^α （αは正の定数）
の関係がある。
また、キャビテーションコンプライアンスκはキャビテーション体積Ｖｃと、
κ∝Ｖｃ
の関係がある。
従って、キャビテーション体積Ｖｃが大であると、キャビテーションコンプライアンスκが大きくなり、キャビテーションサージの周波数が小さくなる。周波数が小さくなるほど、キャビテーションサージの頻度が抑制される。

そこで、発明者は、キャビテーションコンプライアンスを大とするため、実際のキャビテーション体積Ｖｃに加えて、実際のキャビテーションの発生と同時に、あたかもキャビテーション体積が増加したように振る舞うダミーのボリュームを、ポンプ内のキャビテーション発生部近傍に発生させることに思い至った。

図７は実施例である。具体的には、小量のガスを封入したガス袋（ゴム風船的なもの）３８をターボポンプのポンプ吸込部（または、ポンプ吸込部近傍のポンプ上流配管）で展開する。キャビテーションサージが発生していない時は、ガス袋３８からガスが抜かれ、ガス袋３８はポンプケーシング内壁に折りたたまれた状態で設置されており、キャビテーションサージ発生時にガス袋３８が展開されるような機構を設けても良い。ガス袋３８はサージ時に膨張収縮するが、この膨張収縮するガス袋３８の容積が、ダミー・ボリュームである。

ダミー・ボリュームの体積をＶｄとすると、この体積は、人工的なキャビテーション体積として扱うことができ、キャビテーションコンプライアンスκは、実際のキャビテーション体積Ｖｃとダミーボリュームの体積Ｖｄとを合わせて考えられる。つまり、
κ∝（Ｖｃ＋Ｖｄ）
となるので、見かけ上キャビテーションコンプライアンスκの値が大きくでき、キャビテーションサージの周波数ｆを小さくすることができる。即ち、ダミー・ボリュームは、キャビテーションサージの振幅を下げる、速やかにキャビテーションサージを収束に向けて緩和させる効果を持つ。

図８は更に詳細な実施例である。袋３８がポンプ１の上流側ケーシングに円環状に設けられた袋収納溝２５に納められている。尚、袋収納溝２５は円環の中心に向けてテーパーに開いた構造が好ましい。

キャビテーションが発生する前は、袋３８は溝２５に収納されている（実線で示す）。袋３８には、あらかじめガスが入っていてもよい。また、ポンプ上流配管４の上流外付機器６として圧力検知器や流量検知器を配置し、圧力や流量が低下したことの情報を受けてガス供給口２６からガスを供給してもよい。キャビテーションが発生すると、いづれにしても、袋３８が膨らむ（膨らます）ことで、破線で示す状態のようになり、見かけ上キャビテーション体積Ｖｃと袋３８の膨張した体積により、キャビテーションサージの周波数ｆが小さくなる。尚、袋３８の展開や収納は操作者がポンプ外部からの手作業で実施してもよい。

図９は、図８に用いた作用と同様であるが、ガス袋を用いずに気体の封入されたアキュムレーターあるいはバネ・マス・ダッシュポット系をポンプケーシングに直付けした方法及び装置である。

図９において、シリンダー３７がポンプ１の上流側ケーシングあるいは、ポンプ上流配管４から分岐して接続され、それにピストン１７が嵌合している。ピストン１７にはバネ２３とダッシュポット２２が接続されている。図９において、図８の袋３８に該当するのは、バネ２３である。キャビテーション発生により、ポンプ上流の内圧が下がると、バネ２３が伸び、バネ２３の伸び×ピストン１７の断面積が図８の袋の膨張した体積Ｖｄと同じになる。このような装置にすると、ガス袋より剛性があり、長寿命が期待できる。

以上、キャビテーションを振動現象として捉えなおし、二つの異なる観点によるキャビテーションサージの抑制方法、及び装置について示した。これら二つの観点を別々に実施するだけでなく、互いに組み合わせて実施する事も可能である。互いに組み合わせた場合には、ポンプの幅広い運転領域に対応し、かつポンプの上流及び下流の流量変動をともに抑えて安定化した流れを維持することが可能であり、更にキャビテーションサージの発生初期の段階で、サージの周波数を低下せしめて安定に運転させるという効果を奏する。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

本発明は、図１および図７に示す実施形態に限らず、液体を移送するターボポンプについてキャビテーションサージ対策に利用することができる。

１ ポンプ
４ ポンプ上流
５ ポンプ下流
１０ フランジ
１２ 上流側加圧・減圧装置
１３ 上流側圧力／流量検知器
１４ 下流側加圧・減圧装置
１５ 下流側圧力／流量検知器
１６ コントローラ

Claims (5)

1. 液体を移送するターボポンプの上流の流量と下流の流量を測定して比較し、
   該上流の流量が該下流の流量より小さい場合に、ポンプ吸込部の圧力を低減させて該上流の流速を加速させるとともにポンプ吐出部の圧力を低減させて下流の流速を低減させ、
   該下流の流量が該上流の流量より小さい場合に、ポンプ吐出部の圧力を増加させて該下流の流速を加速させるとともにポンプ吸込部の圧力を増加させることを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制運転方法。
2. 液体を移送するターボポンプと、
   該ターボポンプの上流の液体の周期的な圧力変動の振幅を減衰せしめるように該上流の液体に加圧と減圧を繰り返す第一の減衰装置と、
   該ターボポンプの下流の液体の周期的な圧力変動の周期を減衰せしめるように該下流の液体に加圧と減圧を繰り返す第二の減衰装置と、
   該上流に備えられた検知器により得られた情報と、該下流に備えられた検知器により得られた情報から、前記第一の減衰装置および前記第二の減衰装置に動作指示を行う制御機器を備えたことを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制装置。
3. 前記第一の減衰装置は、前記上流の液体の圧力が上昇するときは減圧動作をし、前記上流の液体の圧力が減少するときは加圧動作をするとともに、
   前記第二の減衰装置は、前記下流の液体の圧力が上昇するときは減圧動作をし、前記下流の液体の圧力が減少するときは加圧動作をすることを特徴とする請求項２記載のターボポンプのキャビテーションの抑制装置。
4. 液体を移送するターボポンプと、
   該ターボポンプの上流の液体の周期的な圧力変動の振幅を減衰せしめるように該上流の液体に加圧と減圧を繰り返す第一の減衰装置と、
   該ターボポンプの下流の液体の周期的な圧力変動の周期を減衰せしめるように該下流の液体に加圧と減圧を繰り返す第二の減衰装置とを備え、
   前記第一の減衰装置と前記第二の減衰装置は、ともにピストンおよびシリンダーからなり、前記第一の減衰装置と前記第二の減衰装置は、互いのピストンの動きを制動する装置と、少なくともどちらかのピストンがつりあいの位置に回復しようとする装置を具備することを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制装置。
5. 液体を移送するターボポンプと、
   該ターボポンプの上流の液体の周期的な圧力変動の振幅を減衰せしめるように該上流の液体に加圧と減圧を繰り返す第一の減衰装置と、
   該ターボポンプの下流の液体の周期的な圧力変動の周期を減衰せしめるように該下流の液体に加圧と減圧を繰り返す第二の減衰装置とを備え、
   前記第一の減衰装置と前記第二の減衰装置は、ともにピストンおよびシリンダーからなり、該ピストンおよびシリンダーは、ひとつのピストンが前記第一の減衰装置と前記第二の減衰装置のシリンダーにともに嵌合しており、
   前記ひとつのピストンは、該ひとつのピストンをつりあいの位置に回復させるためのつりあい位置回復装置に接続されていることを特徴とするターボポンプのキャビテーションの抑制装置。

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