粘度がポンピングに与える影響

Jun 20, 2023

液体の粘度がポンプ システムにどのような影響を与えるかを理解するには、粘度が何を表すかを理解することが重要です。 定義上、粘度は、主にパイプ壁の領域で液体の流れによって引き起こされるせん断応力などのせん断応力に対する抵抗力を与える液体の特性です。

画像 1 は、静的な境界面に対する液体の速度プロファイルを示すことでこれを示しています。 静的な境界面またはパイプ壁では、液体の速度はゼロになります。 静止表面からの距離が増加するにつれて、液体の速度は増加します。 単位面積当たりの力は、速度勾配 v/d の関数です。速度勾配 v/d は、流体の最大速度 v を静止表面からの距離 d で割ったものです。

絶対粘度μ (Mu) は、せん断応力 (または単位面積あたりの力) をせん断速度で割った商です。 粘度はその密度に対して表すことが一般的であり、動粘度として知られています。 動粘度はギリシャ文字のν（ニュー）で表されます。 動粘度を測定する一般的な方法は、Saybolt Seconds Universal (SSU) です (画像 2 を参照)。 これは、底部に測定されたオリフィスを備えた容器から、特定の温度で測定された量の液体が排出されるのにかかる時間を指します。 たとえば、水は華氏 60 度 (F) で約 31 SSU の粘度を持ちます。 比較すると、軽質潤滑油の粘度は 100 または 200 SSU です。 より粘度の高い潤滑油の粘度は数千 SSU であり、非常に粘度の高い流体 (たとえば重タール) の粘度は 100 万 SSU にもなります。

ポンプの種類により、液体粘度の影響が異なります。 ここでは、遠心ポンプ (画像 3)、往復ポンプ (画像 4)、回転ポンプ (画像 5) の 3 種類のポンプを具体的に見ていきます。

往復ポンプと回転ポンプは容積式 (PD) ファミリーに属します。 PD ポンプは、シャフトが回転するたびに、体積漏れ (スリップ) を差し引いた一定の体積を押しのけます。

遠心ポンプは回転動力ポンプの一種です。 回転力学的ポンプは、回転するインペラ、プロペラ、またはローターによって、汲み上げられた流体にエネルギーが連続的に与えられる運動機械です。 回転動力ポンプの最も一般的なタイプは遠心 (ラジアル) タイプです。 遠心ポンプでは、液体はインペラアイで軸方向にインペラに入り、羽根の間を半径方向に進み、最終的に外径から出てディフューザーまたはボリュート構造に収集されます（画像 3 を参照）。これらの違いにより、粘性液体に対する動作が大きく異なるため、ポンプの種類や関連する物理学が異なります。

ANSI/HI 14.6 油圧性能試験用回転動力ポンプに従って、清水を使用して遠心ポンプの性能を試験することが業界標準です。 遠心ポンプの性能は、粘性のある液体を扱うときに影響を受けます。これは、水中試験と比較して、インペラが回転するときの摩擦と流れの抵抗が増加するためです。 水に比べて粘性液体では、効率の低下と水頭と流量の減少により入力電力が著しく増加します。

画像 6 の性能曲線は、粘度 1,000 SSU、比重 0.9 の塗布液の水性能と補正粘度性能を示しています。 粘性データは、Hydraulic Institute 規格 ANSI/HI 9.6.7「回転動力ポンプ性能に対する液体粘度の影響」に基づく水性能試験から補正する必要があります。 画像 6 に示すように、パフォーマンスを修正するために ANSI/HI 9.6.7 が使用されました。この規格は、世界中の情報源から入手可能なテスト データに基づく経験的な方法を規定しています。

HI メソッドを使用すると、ポンプのユーザーと設計者は、水での性能を考慮して、既知の粘度の液体での特定の回転動力ポンプの性能を推定できます。 この手順は、粘性液体に対する必要な用途に適したポンプとドライバーを選択するために重要です。 画像 6 には示されていませんが、粘性液体の場合、必要な正味吸引揚程 (NPSH) の増加 (NPSH3) と同様に、3% の損失水頭が見られる (NPSH3) という懸念もあります。 これらに関する考慮事項は、ANSI/HI 9.6.7 に概説されています。

画像 6 のポンプでは、水での効率が 80% 近くから 1,000 SSU で約 50% に著しく低下していることに注目してください。このため、粘度が許容できない効率をもたらすレベルを超えている場合、遠心ポンプの使用は制限される可能性があり、代わりに PDポンプはより良い解決策を提供する可能性があります。

PD ポンプは、シャフトの回転ごとに変位によって液体を移動させるため、遠心ポンプとは本質的に異なります。 これは一般に、粘性液体をポンピングする場合に好ましい結果をもたらします。 PD ポンプの体積効率は、シャフト 1 回転あたりの理論体積を超えるシャフト 1 回転あたりの実際の体積です。 2 つの体積の差は、滑りとして知られる漏れの流れの結果です。 実際、液体の粘度が高いと滑り量が減少し、容積式ポンプの体積効率が向上します。

画像 7 の曲線は、容積式ポンプの容量が速度 (圧力一定)、圧力 (速度一定)、粘度によってどのように変化するかを示しています。 これらは概念を表すことのみを目的としています。 曲線は、理論上の容量が速度に正比例することを示しています。 理論上の容量と供給される容量の差は、特定の粘度におけるポンプの「スリップ」です。 内部スリップは粘度と圧力の影響を受け、供給容量が理論値から逸脱する原因となります。

ポンプ流体の粘度は、必要な正味入口圧力 (NPIPR) と容積式ポンプの入力電力にも影響します。 理論上の馬力は速度と圧力に比例します。 ポンプで送られる流体の粘性による摩擦損失により、入力パワーが理論上のパワーを超えて増加します。 画像 8 は出力がどのように増加するかを示し、画像 9 は一般的に NPIPR が粘度とともにどのように増加するかを示しています。

往復 PD ポンプは、さまざまな粘度の用途に使用されます。 通常、往復動力ポンプは 5,000 SSU の流体粘度を処理でき、空気作動ピストン往復ポンプは 100 万 SSU の流体粘度を処理できます。

一部の技術と用途では、ロータリー PD ポンプは水から粘性液体までの液体を処理することもできますが、より一般的な用途は粘性流体です。 ロータリーポンプには多くの種類があり、粘性ポンプ能力は設計によって異なります。 一般に、ロータリー ポンプの流量効率と体積効率は粘度が高くなるほど増加し、一部のタイプのロータリー ポンプは数百万 SSU の粘度の流体を処理できます。

ここで往復および回転粘性ポンプの一般性を示しますが、これは絶対的なものではなく、特定の設計によって性能が大きく変わる可能性があるため、具体的な推奨事項についてはポンプのメーカーによく相談する必要があります。 容積式ポンプの粘性ポンピングに関する追加情報は、次の規格に記載されています。ANSI/HI 3.1-3.5 ロータリーポンプの命名法、定義、用途および操作。 ANSI/HI 6.1-6.5 往復動力ポンプの命名法、定義、用途および操作。 ANSI/HI 7.1-7.5 命名法、定義、用途および操作のための制御容量定量ポンプ。 ANSI/HI 10.1-10.5 空気作動ポンプの命名法、定義、用途、および操作

参考文献1. 回転動力ポンプ E ラーニング証明書トレーニング、Hydraulic Institute、20162. 容積式ポンプ E ラーニング証明書トレーニング、Hydraulic Institute、20163. ANSI/HI 14.6 油圧性能試験用回転動力ポンプ、Hydraulic Institute、20164. ANSI/HI 9.6.7 効果回転力学的ポンプの性能に及ぼす液体の粘度、Hydraulic Institute、20155. ANSI/HI 3.1-3.5 ロータリー ポンプの命名法、定義、用途および操作、Hydraulic Institute、20156. ANSI/HI 6.1-6.5 往復動力ポンプの命名法、定義、用途および操作、Hydraulic Institute、20157. ANSI/HI 7.1-7.5 命名法、定義、アプリケーションおよび操作のための制御容量計量ポンプ、Hydraulic Institute、20178. ANSI/HI 10.1-10.5 命名法、定義、アプリケーションおよび操作のための空気作動ポンプ、水力研究所、2016

Pete Gaydon は、Hydraulic Institute の技術担当ディレクターです。 詳細については、www.pumps.org をご覧ください。