高圧水流の減圧・制御にともなう調節弁の

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(1)高圧水流の減圧・制御にともなう調節弁のキャビテーションと壊食に関する研究. ２００３年３月. 湯. 澤. 聡.

(2) 目記. 第１章序. 号. 次. 表. 論. 1. １．１. 本研究の目的. 1. １．２. 従来の研究. 4. １．２．１. 調節弁のキャビテーション限界に関する従来の研究. 4. １．２．２. 調節弁のキャビテーション形態に関する従来の研究. 7. １．２．３. 調節弁のキャビテーション壊食に関する従来の研究. 12. １．３. 本論文の概要. 20. 第２章調節弁キャビテーション実験に対する設備と方法２．１. 20MPa 水流実験設備の概要. 23 23. ２．１．１. 管路系. 23. ２．１．２. 計測系. 32. ２．１．３. 壊食実験用試験弁とニードル形コンタードプラグ. 35. ２．２. 5MPa 水流実験設備の概要. 38. ２．２．１. 管路系. 38. ２．２．２. 耐圧 10MPa 観察用実験弁. 40. ２．３. 1MPa 水流実験設備の概要. 42. ２．３．１. 管路系と計測系. 42. ２．３．２. 低圧用全面透過型観察用実験弁. 44. 調節弁のキャビテーション特性に関する実験方法. 47. ２．４. ２．４．１. 流量特性. 47. ２．４．２. 外部計測データによるキャビテーション状態の評価. 48. ２．４．３. コンタードプラグ表面の多点圧力計測. 51. ２．４．４. 流速のレーザ計測. 53. ２．４．５. キャビテーションの瞬時像撮影. 55. ２．５. 壊食の評価方法. 57. (i).

(3) 第３章調節弁内部流れの基本構造３．１. 緒. 言. ３．２. 流量特性と低圧下のキャビテーション. 60. ３．２．１. ニードル型プラグに関する流量特性. ３．２．２. ニードル型プラグに関する 1MPa 水準のキャビテーション形態. ３．２．３. 61 61. 63. 汎用プラグにおける流量係数と 1MPa 水準のキャビテーション形態. ３．３. 60. 初生前流れの数値シミュレーション. 65 70. ３．３．１. Navier-Stokes 解析の方法. 70. ３．３．２. ニードル形プラグに関する数値シミュレーションの結果. 83. ３．３．３. 汎用プラグに関する数値シミュレーションの結果. 92. ３．３．４. 汎用プラグのリム発生泡に関する初生限界の予測. 101. ３．４. 差圧 20MPa 水準における減圧過程. 110. ３．４．１. 弁のど部上流すきまを対象とした境界層解析の方法. 110. ３．４．２. 境界層解析の結果. 115. ３．５. 本章のまとめ. 120. 第４章調節弁のキャビテーション壊食に影響する要因４．１. 緒. 言. 122 122. ４．１．１. キャビテーション壊食の発生機構に関する一般的見解. 122. ４．１．２. 調査対象とするキャビテーション壊食への要因. 123. ４．２. 調節弁の作動点に関する要因. 126. ４．２．１. 弁開度との関係. 126. ４．２．２. 弁下流圧力の影響. 130. ４．２．３. 弁上流圧力の影響. 133. ４．３. プラグ周囲の流れパターンに関する要因. 136. ４．３．１. プラグ締切部の位置と形状による影響. 136. ４．３．２. のど部上流側のすき間流路の長さによる影響. 141. ４．３．３. 表面粗さによる影響. 146. ４．３．４. 流れの偏心による影響. 150. (ii).

(4) ４．４. 水質に関する要因. 155. ４．４．１. 試験水の脱酸素処理による影響. 155. ４．４．２. pH による影響. 159. ４．５. 材料に関する要因. 161. ４．５．１. 実用材料の壊食量比較. 161. ４．５．２. ステンレス鋼の壊食面直下金属組織. 171. ４．５．３. チタン合金の壊食面直下金属組織. 179. ４．６. 本章のまとめ. 185. 第５章壊食に関する寿命予測法の一提案. 187. ５．１. 緒. 言. 187. ５．２. 壊食の進行過程. 187. ５．３. 壊食質量率と流れのエネルギー. 193. ５．４. 壊食による弁座漏洩流量と寿命予測. 195. ５．４．１. 壊食質量と弁座漏洩流量の関係. 195. ５．４．２. 寿命予測法の一提案. 197. ５．５. 本章のまとめ. 第６章結. 参. 考. 文. 200. 論. 201. 献. 206. 本論文に関連した業績. 214. 謝. 辞. 217. 付. 録実験に使用した調節弁コンタードプラグの形状と寸法. (iii). 218.

(5) 記. 号. 表. 本論文で全般に使用している記号を以下に示す．. Cｄ. ：. 流量係数. Cp. ：. 圧力係数. CS. ：. 壊食初期段階の壊食質量率に対する補正係数. CV. ：. 弁の容量係数. DO. ：. 溶存酸素量. e. ：. 弁のど部流路の偏心率. f. ：. 周波数. fR. ：. Rice 周波数. G. ：. 常温水に対する比重. h. ：. 弁すきま流路の高さ. [m]. hT. ：. 弁のど部の開口高さ. [m]. L. ：. 弁リフト（プラグ開きの長さ）. L1. ：. シートリングからリム前縁までの長さ. L2. ：. リム部の長さ. M. ：. 総壊食質量. MS. ：. 壊食初期段階の臨界壊食質量. PU. ：. 弁上流圧力. [Pa]. PD. ：. 弁下流圧力. [Pa]. ∆P. ：. 弁差圧. PT. ：. 弁のど部の圧力. PV. ：. 飽和蒸気圧力（水温 293K では 2337Pa）. Q. ：. 流量. QC. ：. 閉弁位置の弁座漏洩流量. Qr min. ：. 弁の調整可能最小流量. Ra. ：. 中心線平均表面粗さ. SPL. ：. 騒音レベル [dB]. [USgal/min･psi1/2 ] [ppm]あるいは[ppb]. [Hz] [Hz]. [m] [m]. [m] [g]あるいは[mg] [g]あるいは[mg]. [Pa] [Pa]. [m3 /s]あるいは[m3/min] [m3 /s] [m3 /s] [µm]. (i).

(6) T. ：. 総実流時間. TS. ：. 壊食初期段階の臨界時間. Ｕm. ：. 接続管路内の平均流速. WU. ：. 弁のど部における運動エネルギー. α. ：. 振動加速度. θ. ：. 水温. ν. ：. 動粘度（水温 293K では 1.003×10-6 Pa･s）. ρ. ：. 密度（水温 293K では 998kg/m3 ）. σ. ：. キャビテーション係数. σ inc. ：. 初生キャビテーション係数. [h] [h] [ｍ/s] [W]. [m/s2]. [K]. 特に，第３章の流体解析でのみ使用した記号を以下に示す．. C0. ：. 渦の循環増加率係数. CpS. ：. リム前縁のおける圧力係数. D0. ：. 弁入口口径. Dp. ：. 弁ポート口径. ｐ. ：. 圧力. PC. ：. 渦中心の圧力. Re. ：. レイノルズ数（ =Ｕm D0 /ν）. ReL1. ：. L1 で定義したレイノルズ数（ =ＵT L1 /ν）. St. ：. ストローハル数（ = hT / tS ･ＵT）. tS. ：. 渦の離脱周期. u. ：. 周方向流速. Ｕe. ：. 境界層外主流流速. ＵeT. ：. 弁のど部の境界層外主流流速. ＵS. ：. リム前縁での主流流速. ＵT , U T ：. [m] [m]. [Pa] [Pa]. [s] [ｍ/s] [ｍ/s] [ｍ/s]. 弁のど部の断面平均流速. [ｍ/s] [ｍ/s]. (ii).

(7) ｖ. ：. 軸方向流速. WP *. ：. 流体の圧力が保有するエネルギー. WU *. ：. 断面平均流速に基づく弁のど部の運動エネルギー. WU-D *. ：. 弁における流体のエネルギー損失. Γ. ：. 循環. δ. ：. 境界層厚さ. δS. ：. リム前縁における境界層厚さ. δ*. ：. 境界層排除厚さ. θ. ：. 境界層運動量厚さ. τw. ：. 壁面せん断応力. [ｍ/s]. [m2 /s] [m]. [m] [m]. (iii). [m]. [W]. [W]. [W].

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