知っておくべきポンプに関する 22 の基本的な事実

Aug 04, 2023

私はポンプとシステムに関する「よくあるポンピングの間違い」を 3 年以上執筆してきました。 通常、仕事で最も難しい部分はトピックの選択であり、新鮮で勉強になり、興味深いものになります。 今月は短いテーマを集めて 1 つの記事にまとめています。 お食事の代わりにオードブルをご用意させていただきます。 あなたの食欲を満たしてくれることを願っています。 私のコラムを読んでいるなら、これらの豆知識の多くはレビューになるでしょう。 これらのコメントは、特に断りのない限り、周囲温度の清水を移動させる単段オーバーハング遠心ポンプに基づいています。

ポンプは実際には 1 点でのみ動作するように設計されています。揚程と流量の 1 点の油圧状態が最高効率点 (BEP) であり、最良動作点としても知られています。 公開されている曲線セットのその他の部分は、単なる商業的な妥協です。 ほとんどのエンドユーザーにとって、独自の一連の油圧条件に合わせてポンプを設計および構築するには費用がかかりすぎます。

公開されているポンプ曲線に注意してください。メーカーのポンプ性能曲線は、特に明記されていない限り、約 65 F の清水に基づいています。 流体の粘度については補正されません。 記載されている馬力は、比重や粘度によって補正される場合と補正されない場合があります。

メーカーが公表しているポンプ曲線が流量と揚程のある点で停止する場合、それには十分な理由があります。カーブの終わりではポンプを作動させないでください。 その点を超えて曲線からさらに多くのパフォーマンスが得られるのであれば、メーカーは曲線を延長したでしょう。 曲線の終点または終点近くで動作すると、パフォーマンスの問題が発生します。

ポンプってバカだよな。遠心ポンプは単なる機械であり、所定の流体特性、インペラの形状、および動作速度のセットが設置されているシステムに反応します。 ポンプは、その性能曲線がシステム曲線と交差する場所で動作します (流量と揚程)。 システム曲線は、ポンプが動作する場所を決定します。

システム曲線を理解します。システム曲線は、システムに組み込まれたすべての摩擦、静的および圧力ヘッドを表します。 速度ヘッドも存在しますが、通常はコンポーネントが小さすぎるため、気にする必要はありません。

ポンプは液体を吸い込みません。これはよくある誤解ですが、流体がポンプに到達するために必要なエネルギーは、ポンプ以外の何らかのエネルギー源から供給されなければならないことを理解してください。 通常、これらは重力および/または大気圧です。 最後に、流体には引張強度がありません。 その結果、ポンプが手を伸ばして流体を吸引部に引き込むことができなくなります。

現実的な最大吸引揚力は約 26 フィートです。ポンプが吸い込まれない前のセクションを参照してください。 海抜ゼロメートルにいる場合、大気圧は絶対圧力 14.7 ポンド/平方インチ (psia) となり、これは (2.31 倍) 絶対水頭約 33.9 フィートに相当します。 つまり、完璧な世界では、システムに対して流体摩擦や蒸気圧が作用しなければ、冷水を 33 フィートまで持ち上げることができるかもしれません。

実際には、流体の摩擦と蒸気圧の悪影響が不利に作用し、流体を 26 フィート以上持ち上げることはできません。 常に利用可能な正味正吸引ヘッド (NPSHa) を計算し、ポンプに必要な正味正吸引ヘッド (NPSHr) の値と比較してください。 マージンが高いほど良いです。

ポンプが逆方向に動作しても、流れの方向は逆転しません。流れは依然として吸引部に入り、吐出ノズルから出ます。 ポンプの比速度 (Ns) (インペラの形状を考えてください) に応じて、ポンプの効率が大幅に低下するため、流量と揚程がかなり減少します。 比速度が低いポンプの場合、流量は定格の約 50 パーセント、揚程は定格の 60 パーセントになります。 米国規格協会 (ANSI) のポンプが逆回転すると、インペラがシャフトから外れてケーシング内に引っかかってしまいます。

作動中のポンプのインペラアイから空気を排出することはできません。ポンプは多くの点で遠心分離機に似ており、重い水は外径に排出され、軽い空気は中央に残ります。 適切に排気するには、ポンプを停止させておく必要があります。 中心線吐出を備えたポンプは、基本的に自己排気式です。

工業用ポンプは、工場出荷時にすぐに「プラグアンドプレイ」できる状態ではありません。このコメントには例外もありますが、決して想定しないでください。 ポンプではベアリング ハウジングにオイルを追加する必要があります。 インペラのクリアランスを確認し、圧送する流体（温度）に合わせて設定する必要があります。 ドライバーはポンプに合わせて調整する必要があります。 はい、工場で位置合わせが行われた可能性がありますが、輸送のためにユニットを移動した瞬間に位置合わせが失われます。

配管の設置後、およびベースのグラウト注入時に再度アライメントを確認する必要があります。回転方向を確認し、モータードライバーの位相回転と一致させる必要があります。

メカニカルシールの取り付けは、これらの作業が完了した後に行う必要があります。 ほとんどのメーカーは、前述のすべての理由からカップリングを取り外すだけで済むため、工場でカップリングを取り付けません。

ポンプの問題のほとんどは吸入側で発生します。ポンプの仕組みについては、よくある誤解が広まっています。 上記を参考にしてください。 現場で問題のトラブルシューティングを行う場合は、ポンプ システムを 3 つの別々のシステムとして考えてください。 吸引システム、ポンプ自体、およびポンプの下流のシステム。 私は長年ポンプに取り組み、問題を解決してきましたが、ポンプの問題の 85% は吸込側で発生しています。 疑問がある場合は、解決策を探し始めるのに最適な場所です。

常に、常に、NPHa を計算します。これはおそらく、私が現場で目撃した最も一般的で、最も損害を被るミスです。 人々は、十分な吸引圧力またはあふれた吸引があるため、これらの計算を行う理由がないと誤って考える可能性があります。 数フィートの摩擦や蒸気圧による追加の損失により、あると思っていた NPSH マージンが消えてしまう可能性があります。 NPSHa が不十分であると、ポンプ インペラ内でキャビテーションが発生します。

NPSHr はシステムとは関係がなく、ポンプの製造元によって決定されます。 NPSHa はポンプとは関係がないため、システム所有者またはエンド ユーザーが決定または計算する必要があります。 最近、NPSH マージンが不十分な場合、「ポンプが不機嫌になり、不機嫌になる」というフレーズを聞きました。

キャビテーションを理解する。キャビテーションは、流体の蒸気圧が低下することによって流体の流れ内に蒸気泡が形成されることです。 通常、インペラアイの直前はシステム内で最も低い圧力であるため、気泡の形成は通常、インペラアイの直前で発生します。 その後、気泡はより高圧の領域に入ると下流で崩壊します。 気泡の崩壊はポンプインペラの損傷の原因となります。

キャビテーションは損傷の原因となります。気泡が流体の流れの途中で崩壊しても、損傷はほとんどありません。 しかし、気泡が金属表面付近または金属表面で崩壊すると、非対称に崩壊し、小さなマイクロジェットが発生します。 この崩壊はナノスケール (1.0 x 10-9 または 10 億分の 1) で発生します。 関与する局所的な圧力は 10,000 ポンド/平方インチ ゲージ (psig) (689 bar) 以上になる可能性があり、さらに熱も発生します。 この現象は、1 秒あたり最大 300 回の周波数で、音速に近い速度で発生する可能性があります。 空気中の音速は約時速 768 マイル (mph) (時速 1,236 キロメートル [k/h]) で、湿度レベルによって多少変化することに注意してください。 水中での音の速度は 4.4 倍速く、時速約 3,350 マイル (5,391 k/h または 1,490 メートル/秒 [m/s]) になります。 私は潜水艦の世界からキャリアをスタートさせたので、海水中では音速がさらに速いことを指摘しなければなりません。

キャビテーションによる損傷は、インペラのさまざまな場所で発生する可能性があります。 「典型的な」キャビテーション損傷は、インペラーベーンの下側（低圧側または凹面側）の目の下流の距離の約 3 分の 1 で発生します。 NPSHr が不足しているため「クラシック」です。 キャビテーションによる損傷はインペラの他の場所に現れる可能性がありますが、これらの場合は通常、設計または BEP から離れた場所でポンプを動作させることによって引き起こされる再循環の問題が原因です。

キャビテーションは低音域で聞こえます。キャビテーションノイズ (砂利をポンピングするような音) が聞こえる場合は、キャビテーションが発生している可能性があります。 騒音範囲の大部分は人間の可聴範囲外にあるため、騒音が聞こえないだけでは意味がありません。 おそらく、キャビテーションを検出できるように犬を訓練する必要があるでしょうか? 冷水は通常、キャビテーションによる結果的な損傷にとって最悪の流体です。

炭化水素は損傷の観点からは最小限の影響しかありません。 炭化水素補正係数が存在し、経験的データに基づいています。 補正係数のルールは、Cameron Hydraulic Data book で説明されています。

NPSHr は NPSH3 です。メーカーが、ポンプには特定の時点で一定量の NPSHr が必要であると述べた場合、NPSHr はそのように測定されるため、ポンプはその時点ですでに 3% のヘッド低下でキャビテーションが発生していることを認識してください。 それだけに十分なマージンを確保する必要があります。

渦巻きを防ぐためには臨界水没が必要です。流体の表面からポンプ入口までの垂直距離が水没レベルです。 渦巻きによる空気の取り込みを防ぐために必要な距離が臨界水没レベルです。

空気の吸入を防ぐため、液面が臨界水没レベルを下回っているときはポンプを作動させないでください。 渦巻き現象は流体速度の直接的な関数です。 バッフルやベル フランジ付き入口などの大きなパイプ直径を使用することにより、渦巻きを防ぐことができます。 吸込側の設計を検討する際に使用できる、浸水に関する参考図が多数あります。 最も良いのはHydraulic Instituteからのものでしょう。 保守的な経験則では、流体速度 1 フィートあたり水没量 1 フィートとすることです。

空気と混合した流体の割合が 4 または 5 パーセントを超えると、ポンプは効率的に流体を移動させることができません。 ほとんどのポンプは、空気混入が 2 ～ 3% 程度になると性能が低下し始めます。 ほぼすべてのポンプ設計は、約 14% の巻き込みで機能しなくなります。 例外として、ディスク ポンプ、自吸式ポンプ、および一部のボルテックス ポンプまたは凹型インペラ タイプのポンプがあります。

ポンプのベアリングが熱くなっています。これはよくあるコメントですが、主観的なものであり、客観的なものではありません。 一般の人にとって、120 F を超えるベアリング ハウジングに手を握るのは困難です。

ベアリングが 160 ～ 180 F で動作するのはまったく正常です。温度を測定し、事実を説明するには、温度計または赤外線装置を使用します。

粘度は遠心ポンプのクリプトナイトです。ほとんどの遠心ポンプは、ポンプのサイズに応じて 400 ～ 700 センチポアズの粘度範囲で非効率になりすぎたり、馬力 (hp) の制限を超えたりします。 粘性流体をポンピングするときは、フレーム、ベアリング、シャフトの補正された曲線と出力制限について常にメーカーに確認してください。

ポンプ曲線に沿って進む馬力要件は、インペラの形状が異なると変化します。低および中比速度ポンプは、操作する曲線の外側になるほどより多くの馬力を必要としますが、これは非常に直感的な推論です。 高比速度ポンプ (軸流) の場合、必要な最高馬力は低流量で発生します。 これは、ドライバーに過負荷がかからないように、排出バルブを開いた状態でこれらのタイプのポンプを起動するのが一般的である理由でもあります。

具体的な速度を考える簡単な方法があります。比速度 (Ns) は、仮想インペラの性能と形状を調べるために設計者が使用するツールです。 複雑な数学に巻き込まれたくないですか? 比速度が低いインペラでは、流れがシャフトの中心線に平行に流入し、中心線に対して 90 度でインペラから出ます。 中程度の比速度のインペラはシャフトと平行に入り、中心線に対して 45 度でインペラから出ます。

高比速度インペラは、流れがシャフトの中心線に平行に流入し、中心線に平行に流出する状態で動作します。

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Jim Elsey は、世界中のほとんどの産業市場で 47 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。