遠心ポンプの入門書、パート 1

Aug 03, 2023

Pumps & Systems 2 月号のテーマは「原点回帰」です。 これに倣い、今月のコラムでは遠心ポンプの基礎の一部を概説します。 遠心ポンプは回転動力ポンプの動力学的クラスに分類されることに注意してください。

私は最初、読者が、ケーシング/ボリュートの内側に取​​り付けられたシャフトに取り付けられたインペラという基本的な視覚概念を持っていると仮定します。 画像1を参照してください。

ポンプ シャフトは、ドライバー シャフト自体であることも、ドライバーに接続されていることもあります。 駆動装置は通常、電気誘導モーターですが、エンジン、蒸気タービン、またはその他の多数の種類の原動機のいずれかである場合もあります。

最初の全体的な概要として、インペラは速度を増加させることで流体のエネルギー レベルを増加させます。 流体がインペラを出ると、ケーシングが速度を圧力に変換します。

ポンプは実際には基本的な科学原理に基づいて動作します。 オペレーターの判断により、ドライバーが回転（機械エネルギー）し、ポンプシャフトと付属のインペラも回転します。

回転するインペラは周囲の流体に運動エネルギーを与え、流体内の動き (速度) を開始します。 流体の速度は、中心のアイから外径の羽根の端まで羽根車を通って移動する過程で大幅に増加します。

インペラによって与えられる流体速度を計算する簡単な公式があります。 これは速度と直径の単純な関数です (式 1 を参照)。 インペラの速度が増加する場合、および/またはインペラの直径が増加する場合、流体の速度は増加し、その逆も同様であるという直接的な関係に注目してください。

ポンプ内で発生するプロセスを次のレベルで見ると、回転するインペラ (運動エネルギー) が流体に動き (速度) を与えます。

流体が羽根車の羽根先端から出てケーシング内に溜まる（集まる）と、ケーシングは速度エネルギーを圧力エネルギー（揚程）に変換します。 簡単に言うと、流体の速度エネルギーがケーシング内で圧力エネルギーに変換されます。 圧力エネルギーは水頭 (H) としても定義されます。

この現象を別の技術的な観点から見るには、エネルギー保存則の第一法則を使用することもできます。 「エネルギーは創造することも破壊することもできず、形を変えることしかできません。」

さらに、流体力学の力学分野を補完するものとして、速度が低下すると圧力が増加し、速度が低下すると圧力が増加するという最も単純な形で述べるベルヌーイの定理も知られています。 繰り返しますが、これはエネルギー保存によるものです。

遠心ポンプ自体は実際にはシステム圧力を生成するのではなく、流れを生成することに注意してください。 吐出ゲージで測定する圧力は、実際には、生成された流れに対するシステムの抵抗の結果です。

吐出フランジにシステムが接続されていない場合、実際に発生する圧力は存在しません (「システム」とは、さまざまな高さ、圧力、パイプ、コンポーネント、バルブの集合体です)。

遠心ポンプのエネルギーを測定するために圧力の代わりに揚程を使用する最も簡単な説明は、液体の重量/比重 (SG) が変化するとポンプからの圧力は変化しますが、揚程は変化しないということです。

したがって、重質（SG 1.2 ～ 1.5 の亜硫酸）であっても、軽質炭化水素（SG 0.7 のガソリン）であっても、揚程という用語を使用することで、ポンプの性能をいつでも（ニュートン流体であると仮定して）記述することができます。

ポンプのオペレータは、ポンプの両側のゲージ圧の差を監視することによって、ポンプの状態と性能を測定します。

すべての流体が同じで SG が一定である場合、ポンプ吐出圧力を表す単位は、悪影響や不正確な影響がほとんどまたはまったくない圧力として表すことができます。 ただし、流体にはさまざまな SG があるため、ヘッドという用語を使用する必要があります。

汲み上げているのが水だけだとしても、温度が変化するたびに SG が変化することを理解してください。 ヘッドはエネルギーレベルであり、圧力は単なる力であることに注意して区別してください。

特定のポンプは、特定の単位時間当たり、特定の重量/密度単位の流体を予測どおりに移動します。 私たちはそれをガロン/分または立方メートル/時間として考えます。 例: 水、汎用流体の重量は 1 ガロンあたり 8.345 ポンド、標準温度での SG は 1.0 です。 この密度/質量/重量を表す他の方法は、1.0 グラム/立方センチメートル、または 62.425 ポンド/立方フィートです。

技術的に正確であることにご注意ください: これらの重力、質量、重量はすべて 39.2 F での流体温度に基づいており、68 または 70 F までおよびその付近の温度をカバーするために少量を四捨五入しています。

さまざまな温度での水特性の実際の値については、「Cameron Hydraulic Data Book」またはその他の技術資料を参照してください。 そこには、「密度の定義には厳密に質量が含まれます。地球上の海面では、重量と質量は数値的に等しいです。」と書かれています。

ポンプ システムのトラブルシューティングを行う場合、システムを吸入側、ポンプ自体、吐出側の 3 つの異なるシステムに分けて考えるのが最善です。 私の経験から、ポンプの問題の 90% は吸込み側にあると考えています。 システムが正しく設計および構築されていることが前提となります。 液体がポンプに適切に供給されると、そこからのプロセスが処理されます。 性能上の問題は通常、不十分な吸引エネルギー、不十分な正味正吸引ヘッド (NPSHa)、空気の巻き込み、または設計を超えるランニング クリアランスの増加によって引き起こされます。

ポンプは、システム曲線がポンプ曲線と交差する点で動作可能であれば、その性能曲線上またはその近くで動作します。

一般的なガイドラインとして、ポンプを空運転したり、吸引バルブを閉じた状態でポンプを運転したりしないでください。 排出バルブを閉じた状態で、バルブが開くまでにかかる時間 (数秒から 1 分程度) を超えて操作しないでください。 システムおよびプロセス設計が許す限り、最高効率点 (BEP) に近い位置でポンプを動作させます。 動作が BEP 領域から離れると、ポンプは高いラジアル推力を発生し、メカニカル シールとベアリングの寿命の低下として現れます。

取扱説明書と操作マニュアルを読んで理解してください。 他の機械 (またはプラント資産) と同様に、ポンプも適切に手入れすれば、正常に機能します。

Jim Elsey は、世界中のほとんどの産業市場で 43 年間にわたり、軍用およびいくつかの大手 OEM メーカー向けの回転機器の設計とアプリケーションに注力してきた機械エンジニアです。 エルシーは、米国機械学会、全米腐食技術者協会、および米国金属協会の積極的な会員です。 彼は、Summit Pump Inc. のゼネラルマネージャーであり、MaDDog Pump Consultants LLC の社長でもあります。 Elsey への連絡先は [email protected] です。