1. インペラギャップの定義と主な影響

インペラギャップとは、インペラとポンプケーシング（またはガイドベーンリング）の間の半径方向の隙間を指し、通常は0.2mmから0.5mmの範囲です。このギャップは、ポンプの性能に大きく影響します。  多段垂直タービンポンプ 2つの主な側面:

● 油圧損失: 隙間が大きすぎると漏れ流量が増加し、容積効率が低下します。また、隙間が小さすぎると摩擦摩耗やキャビテーションが発生する可能性があります。

● 流れ特性: ギャップサイズはインペラ出口での流れの均一性に直接影響し、ヘッドと効率曲線に影響を与えます。

2. インペラギャップ最適化の理論的根拠

2.1 容積効率の改善

容積効率（ηₛ）は、実際の出力流量と理論上の流量の比として定義されます。

ηₛ = 1 − QQリーク

ここで、Qleak はインペラの隙間によって生じる漏れ流量です。隙間を最適化すると漏れが大幅に減少します。例:

● 隙間を 0.3 mm から 0.2 mm に減らすと、漏れが 15～20% 減少します。

● 多段ポンプでは、各段にわたる累積的な最適化により、全体の効率が 5～10% 向上します。

2.2 油圧損失の削減

ギャップを最適化すると、インペラ出口での流れの均一性が向上し、乱流が減少してヘッド損失が最小限に抑えられます。例:

● CFD シミュレーションでは、ギャップを 0.4 mm から 0.25 mm に減らすと、乱流運動エネルギーが 30% 低下し、シャフトの消費電力が 4～6% 削減されることが示されています。

2.3 キャビテーション性能の向上

隙間が大きいと、入口での圧力脈動が悪化し、キャビテーションのリスクが高まります。隙間を最適化すると、流れが安定し、NPSHr (正味正吸込ヘッド) マージンが上がります。これは、特に低流量条件下で効果的です。

3. 実験検証とエンジニアリング事例

3.1 実験室試験データ

ある研究機関が比較テストを実施し、 多段立型タービンポンプ (パラメータ: 2950 rpm、100 m³/h、200 m ヘッド)。

3.2 産業応用例

● 石油化学循環ポンプの改造：製油所では、インペラギャップを 0.4 mm から 0.28 mm に縮小し、年間 120 kW·h のエネルギー節約と 8% の運用コスト削減を達成しました。

● オフショアプラットフォーム注入ポンプの最適化: レーザー干渉計を使用してギャップ (±0.02 mm) を制御することで、ポンプの容積効率が 81% から 89% に向上し、過度のギャップによって発生する振動の問題が解決されました。

4. 最適化の方法と実装手順

4.1 ギャップ最適化のための数学モデル

遠心ポンプの相似法則と補正係数に基づくと、ギャップと効率の関係は次のようになります。

η = η₀(1 − k·δD)

ここで、δ はギャップ値、D はインペラ直径、k は経験係数（通常は 0.1～0.3）です。

4.2 主要な実装技術

●精密製造: CNC マシンと研削ツールにより、インペラとケーシングのマイクロメートルレベルの精度 (IT7～IT8) を実現します。

●現場測定: レーザーアライメントツールと超音波厚さゲージは、組み立て中にギャップを監視し、偏差を回避します。

● ダイナミック調整: 高温または腐食性の媒体の場合、ボルトベースの微調整が可能な交換可能なシーリング リングが使用されます。

4.3考慮事項

● 摩擦摩耗バランス: 隙間が小さすぎると機械的摩耗が増加するため、材料の硬度（インペラの場合は Cr12MoV、ケーシングの場合は HT250 など）と動作条件のバランスを取る必要があります。

● 熱膨張補正: 高温用途（例：高温オイルポンプ）では、予備ギャップ（0.03～0.05 mm）が必要です。

5. 今後の動向

●デジタルデザイン: AI ベースの最適化アルゴリズム (遺伝的アルゴリズムなど) により、最適なギャップが迅速に決定されます。

●アディティブマニュファクチャリング： 金属 3D プリントにより、インペラとケーシングを一体化した設計が可能になり、組み立てエラーが削減されます。

●スマートなモニタリング: デジタルツインと組み合わせた光ファイバーセンサーにより、リアルタイムのギャップ監視とパフォーマンス低下の予測が可能になります。

まとめ

インペラギャップの最適化は、多段垂直タービンポンプの効率を高める最も直接的な方法の 5 つです。精密製造、動的調整、インテリジェント監視を組み合わせることで、15～XNUMX% の効率向上、エネルギー消費の削減、メンテナンス コストの削減を実現できます。製造と分析の進歩により、ギャップ最適化はより高い精度とインテリジェンスへと進化し、ポンプのエネルギー改修のコア テクノロジーになります。

ご注意: 実用的なエンジニアリング ソリューションでは、ライフサイクル コスト (LCC) 分析を通じて検証された媒体特性、動作条件、コスト制約を統合する必要があります。