ウォーターポンプの設計における重要な考慮事項

Jul 31, 2023

新しいポンプをゼロから設計するのは簡単ではなく、要求どおりにポンプを設計するために必要なツールをすべて提供するものは市場にはありません。 これらの情報源の中には、インペラの設計に関する洞察を提供するものもあれば、油圧通路 (ケーシング/ボウル、ボリュート、ディフューザー、クロスオーバーなど) のレイアウトに役立つものもあります。

ただし、ポンプの性能特性を決定するのは、共同して動作する 2 つの油圧コンポーネントの組み合わせです。 たとえば、インペラアイの設計によりポンプの振れ容量が制限されている場合、ボリュート内の流れ面積を増やしても振れ性能に影響を与えない可能性があります。 ポンプの油圧設計に関する標準化が欠如しており、まったく同じ方法、ソース、技術を使用している企業やエンジニアが 2 つもないため、この記事では、飲料水用途のポンプを設計する際に業界で認められている考慮事項に焦点を当てます。

飲料水用途で使用されるほとんどのポンプは回転力学的タイプ、より具体的には半径方向 (または遠心力) 設計のものです。 これは、混合または軸流ポンプが飲料水用途に使用できないということではありません。オーバーハング水平エンドサクションポンプ、オーバーハング垂直インラインポンプ、水平スプリットケースポンプ、および垂直タービン (塔を介した排出) ポンプが伝統的に飲料水用途で使用されているというだけです。飲料水の移送。 飲料水用遠心ポンプは、清潔で新鮮な飲料水をある場所から別の場所に循環または移動するように特別に設計されています。

これらのポンプは、都市水道システム、水処理プラント、農業用灌漑システムなどのさまざまな環境で使用されており、その設計は関連するすべての規制、規格、地域の条例を満たしている必要があります。 設計プロセスでは、構造材料からメカニカル シールの種類、適切な配管計画に至るまで、対処すべき重要な考慮事項があります。 この記事では、渦巻きケーシング タイプのポンプに関する重要な考慮事項に焦点を当てていますが、用途や環境によっては、ポンプの設計に影響を与える追加の要素が存在する場合があります。

ポンプの設計

インペラ、ボリュート、およびケーシングの油圧設計はポンプ業界内で標準化されていないため、対象外となります。 ただし、飲料水ポンプの水力設計に役立つ、広く受け入れられている要素がいくつかあり、その価値は設計エンジニアからエンド ユーザーまで誰もが知っておくべきです。

飲料水ポンプを設計する場合、効率は考慮する必要がある重要なパラメータです。 ポンプの種類、サイズ、方向、動作速度などのさまざまな要因の影響を受けます。 ポンプの効率に影響を与える重要な要素の 1 つは、ポンプの比速度です。 比速度 (Ns) は、回転力学的ポンプの性能を記述するために使用されるパラメータです。 これは、ポンプの最高効率点 (BEP) 流量と揚程、最大直径のインペラ、および所定の回転速度におけるポンプ性能の指標として定義されます (式 1)。

このインデックスは、アプリケーションに必要なポンプのタイプを設計エンジニアに知らせます。 ポンプのタイプに加えて、特定の速度によって、特定の設計で達成可能な最大効率が決まります。 ポンプの達成可能な効率は、ポンプのタイプ、設計 (BEP) 流量、比速度に基づいて、特定のポンプ設計で達成できる最大効率です (画像 1)。

流路の表面仕上げやポンプの内部コンポーネントの作動 (ウェアリング) クリアランスなど、達成可能な効率に影響を与える可能性のある追加の要因があります。 ただし、達成可能な最大効率に対する影響は、ポンプの特定の速度によって異なります (画像 2 および 3)。 通常、BEP の高出力容量ポンプは、同様の比速度で設計された場合、低容量ポンプよりも達成可能な効率が高く、この関係を理解することは設計プロセスにおいて非常に重要です。

設計の吸込み (入口) およびボリュートの開発段階で生じる流域の遷移も、ポンプの効率に影響を与える可能性があります。 これらの移行は、損失を最小限に抑えるように設計する必要があります。これは、断面積の急激な変化を最小限に抑え、吸引ノズルからインペラアイセクションへ、およびボリュートカットウォーター (または舌) からインペラアイセクションへの移行を滑らかにすることで実現できます。吐出ノズル。 これは通常、吸入通路と吐出通路の両方を個別に評価し、流れの方向の面積の進行を微調整することによって行われます。 画像 4 は、水平スプリットケース (BB1) ポンプのカットウォーター (またはタング) から吐出ノズルまでのボリュート展開における典型的な徐々に断面積が拡大する様子を示しています。

ポンプ設計におけるここで取り上げられていない追加の考慮事項には、軸方向および半径方向の推力、ベアリングの寿命、シャフトのたわみと応力、ケーシングの壁の厚さ、ケーシングのボルトの数、インペラの羽根の間の面積とインペラの目の総面積が含まれます。

詳細については、米国規格協会 (ANSI)/油圧協会 (HI) 14.3-2019 の設計および用途のための回転動力ポンプおよび HI 20.3-2020 の回転動力ポンプ効率予測を参照してください。

飲料水ポンプを設計する際のもう 1 つの重要な考慮事項は、接液部 (飲料水と直接接触するコンポーネント) の材料の選択です。 ポンプの構造に使用される材料は、NSF/ANSI 61 または FDA 規格など、関連するすべての規制および規格を満たしている必要があり、給水を汚染してはなりません。 ステンレス鋼、青銅、およびさまざまなプラスチックは、飲料水ポンプの製造に一般的に使用される材料です。 画像 5 は、Hydraulic Institute ポンプ適用ガイドライン水処理プラント ポンプの付録 B に概要が記載されている修正版で、規制と規格に準拠した典型的な構造材料を示しています。

適切なメカニカル シールの選択は、飲料水ポンプを設計する際のもう 1 つの重要な考慮事項です。 メカニカル シールは、安全で飲料水での使用に適していることを保証するための特定の要件を満たし、ポンプからの漏れを防ぐように設計されている必要があります。 また、汚染物質の侵入を防ぐことができなければなりません。 特定の用途要件を満たすために使用する必要があるメカニカル シールの設計にはいくつかの種類がありますが、最も一般的には単一のメカニカル シールが飲料水用途に使用されます。

使用されるメカニカル シールの具体的な設計は、用途の要件によって異なります。 シール面、シールバランス、一体型金属部品、二次シールの許容材料はすべて考慮する必要があり、その概要は「Hydraulic Institute Pump Applications Guideline for Mechanical Seal for Pumps」に概説されています。 ただし、パーフルオロアルキル物質およびポリフルオロアルキル物質 (PFAS) に対する規制の重点が高まっているため、将来的にポンプ設計者はガスケット、O リング、シャフト シール、パッキンの代替材料を検討する必要がある可能性があります。

飲料水用途で使用されるメカニカル シール配管計画には、計画 2、11、13 など、いくつかの異なるタイプがあります (画像 6)。 プラン 2 は、フラッシュ流体循環のない行き止まりのシール チャンバーです。 プラン 11 には、ポンプ吐出口から流量制御オリフィスまたはバルブを介してシールへの製品の再循環が含まれ、プラン 13 には、シール チャンバからポンプ吸入への製品の再循環が含まれます。 シール配管計画の選択は、動作条件、環境、規制要件など、アプリケーションの特定の要件によって異なります。

飲料水用途で一般的に使用されるもう 1 つのシャフト シール方法は、圧縮パッキンです。 飲料水用途のシールパッキン材料を選択する場合、関連する業界規格および規制に準拠した材料を選択することが重要です。 飲料水用途のシールパッキンに使用される一般的な材料には、編組ポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 合成糸、編組延伸 PTFE またはグラファイトなどがあります。 ただし、関連するすべての規制および規格を満たす材料についてはサプライヤーにご相談ください。

標準メンテナンス中にポンプをいかに簡単に評価できるかは、あらゆるタイプのポンプを設計する際に重要な考慮事項ですが、家庭、企業、公共施設に安全な飲料水を供給する役割を担うポンプでは特に重要です。 ポンプの故障や誤動作は公衆衛生と安全に重大な影響を与える可能性があります。 設計においてメンテナンスのしやすさを優先することで、エンジニアは、時間の経過とともに交換や修理が必要になる可能性がある重要なコンポーネントに簡単にアクセスできるようになります。 これには、運転中に摩耗または劣化する可能性のあるインペラ、ベアリング、シール、その他の部品が含まれます。

信頼性の観点からは、耐久性と耐腐食性があり、関連するすべての規制や規格を満たす材料を選択することが不可欠です。 ポンプが小さすぎたり大きすぎたりすると、摩耗が促進され、故障のリスクが高まり、エネルギー効率が低下する可能性があるため、アプリケーションのニーズを満たすポンプの適切な設計も重要です。

飲料水ポンプの設計には、油圧設計、構造材料、メカニカル シール、適切な配管計画からメンテナンスの容易さと信頼性に至るまで、いくつかの重要な要素を慎重に考慮する必要があります。 これらの考慮事項を考慮することで、設計者はポンプが幅広い飲料水用途で効果的、効率的、かつ安全に使用できることを保証できます。

Alex Moser は、Hydraulic Institute の標準およびトレーニングのシニア エンジニアです。 [email protected] までご連絡ください。 詳細については、pumps.org をご覧ください。