遠心ポンプ
ウォーマン遠心ポンプ（石炭選鉱プラント用途）
水暖房システム内で温水を循環させるための一対の遠心ポンプ

遠心ポンプは、回転運動エネルギーを流体の流体力学的エネルギーに変換することで流体を輸送するために使用されます。回転エネルギーは通常、エンジンまたは電動モーターから供給されます。遠心ポンプは、動軸対称仕事吸収ターボ機械の一種です。[ 1 ]流体は回転軸に沿って、または回転軸の近くからポンプのインペラに入り、インペラによって加速され、放射状に外側へ流れ、ディフューザーまたは渦巻室（ケーシング）に入り、そこから排出されます。

一般的な用途としては、上下水道、農業、石油、石油化学製品のポンプ輸送などが挙げられます。遠心ポンプは、高流量、研磨性溶液への適合性、混合能力、そして比較的シンプルな設計から、しばしば選ばれます。[ 2 ]遠心ファンは、空調設備や掃除機の設置によく使用されます。遠心ポンプの逆機能は、水圧の位置エネルギーを機械的な回転エネルギーに変換する 水車です。

歴史

レティによると、遠心ポンプと特徴付けられる最初の機械は、1475年にイタリアのルネサンス技術者フランチェスコ・ディ・ジョルジョ・マルティーニの論文に登場する泥揚水機でした。[ 3 ]真の遠心ポンプは、17世紀後半にデニス・パパンが直線羽根を使用したポンプを製作するまで開発されませんでした。湾曲した羽根は、1851年に イギリスの発明家ジョン・アポルドによって導入されました

動作原理

遠心ポンプの断面図

ほとんどのポンプと同様に、遠心ポンプは回転エネルギー（多くの場合、モーターからの回転エネルギー）を流体のエネルギーに変換します。エネルギーの一部は流体の運動エネルギーに変換されます。流体はケーシングのインペラから軸方向に流入し、インペラの羽根に巻き込まれ、接線方向および半径方向外側に旋回した後、インペラの円周方向全体を通過してケーシングのディフューザー部分に入ります。流体はインペラを通過する際に速度と圧力の両方を獲得します。ケーシングのドーナツ型のディフューザー、またはスクロール部分は流れを減速し、さらに圧力を高めます

オイラーによる説明

オイラーのポンプ方程式

ニュートンの力学第二法則の帰結として、角運動量（または「運動量モーメント」）の保存則が挙げられ、これはすべてのターボ機械にとって基本的な意味を持つ。したがって、角運動量の変化は外部モーメントの和に等しい。したがって、軸トルクは次のように表される。

T→＝ρQ（r→2×V→2−r→1×V→1）{\displaystyle {\vec {T}}=\rho Q({\vec {r}}_{2}\times {\vec {V}}_{2}-{\vec {r}}_{1}\times {\vec {V}}_{1})}

ここで、

  • ρ{\displaystyle \rho }は流体の密度（kg/m 3）
  • Q{\displaystyle Q}は流量（m 3 /s）
  • r→1{\displaystyle {\vec {r}}_{1}}およびはそれぞれ入口と出口の位置ベクトルである（は半径）r→2{\displaystyle {\vec {r}}_{2}}|r→|{\displaystyle |{\vec {r}}|}
  • V→1{\displaystyle {\vec {V}}_{1}}およびはそれぞれ入口と出口における流体の絶対速度ベクトルである。V→2{\displaystyle {\vec {V}}_{2}}

シャフトパワーは次のように表される。

Pm＝T→⋅ω→＝ρQ（V→2⋅u→2−V→1⋅u→1）{\displaystyle P_{m}={\vec {T}}\cdot {\vec {\omega}}=\rho Q({\vec {V}}_{2}\cdot {\vec {u}}_{2}-{\vec {V}}_{1}\cdot {\vec {u}}_{1})}

ここで

  • ω→{\displaystyle {\vec {\omega }}}はポンプの角速度ベクトルです
  • u→1＝ω→×r→1{\displaystyle {\vec {u}}_{1}={\vec {\omega }}\time {\vec {r}}_{1}}と はそれぞれ入口と出口におけるブレードの周方向速度ベクトルですu→2＝ω→×r→2{\displaystyle {\vec {u}}_{2}={\vec {\omega }}\time {\vec {r}}_{2}}

オイラーは羽根車によって生じる揚程の式を次のように導いた。

Ht＝PmρgQ＝V→2⋅u→2−V→1⋅u→1g＝（V22−V12）+（u22−u12）−（w22−w12）2g{\displaystyle H_{t}={\frac {P_{m}}{\rho gQ}}={\frac {{\vec {V}}_{2}\cdot {\vec {u}}_{2}-{\vec {V}}_{1}\cdot {\vec {u}}_{1}}{g}}={\frac {(V_{2}^{2}-V_{1}^{2})+(u_{2}^{2}-u_{1}^{2})-(w_{2}^{2}-w_{1}^{2})}{2g}}}

ここで

  • Ht{\displaystyle H_{t}}理論的なヘッド上昇
  • g{\displaystyle g}標準重力加速度（9.80665 m/s 2）
  • w→＝V→−u→{\displaystyle {\vec {w}}={\vec {V}}-{\vec {u}}}相対速度ベクトル

速度三角形

速度ベクトルによって形成される三角形は速度三角形と 呼ばれますu→、V→、w→{\displaystyle {\vec {u}},{\vec {V}},{\vec {w}}}

効率係数

流体に伝達される動力は なので、効率係数は次のように表されます ρgQH{\displaystyle \rho gQH}

η＝ρgQHPm{\displaystyle \eta ={\frac {\rho gQH}{P_{m}}}}

ここで、

  • Pm{\displaystyle P_{m}}必要な機械入力電力（ワット）
  • ρ{\displaystyle \rho }は流体の密度（kg/m 3）
  • g{\displaystyle g}標準重力加速度（9.80665 m/s 2）
  • H{\displaystyle H}流れに加えられるエネルギーヘッド（メートル）
  • Q{\displaystyle Q}流量（m 3 /s）
  • η{\displaystyle \eta}ポンプ場の効率を小数で表したもの

ポンプによって加えられる揚程（）は、静揚程、摩擦による損失揚程、およびバルブや配管の曲がりによる損失の合計であり、すべてメートル単位で表されます。電力は、一般的にキロワット（10 3 W、kW）または馬力で表されます。ポンプ効率の値は、ポンプ単体の場合、またはポンプとモーターシステムの総合効率として表されます。 H{\displaystyle H}ηポンプ{\displaystyle \eta_{\textrm{ポンプ}}}

垂直遠心ポンプ

垂直遠心ポンプはカンチレバーポンプとも呼ばれます。独自のシャフトとベアリング支持構造を採用しており、ベアリングはサンプの外側にありながら、渦巻部はサンプ内に吊り下げられています。このタイプのポンプは、シャフトを密閉するためにスタッフィングボックスを使用せず、代わりに「スロットルブッシング」を使用します。このタイプのポンプの一般的な用途は、部品 洗浄機です

泡ポンプ

鉱業やオイルサンドの採掘では、豊富な鉱物やビチューメンを砂や粘土から分離するためにフロスが生成されます。フロスには空気が含まれており、従来のポンプを詰まらせ、プライム損失を引き起こす傾向があります。歴史的に、業界ではこの問題に対処するために様々な方法が開発されてきました。パルプ・製紙業界では、インペラに穴が開けられます。空気はインペラの背面に逃げ、特殊なエクスペラが空気を吸引タンクに戻します。インペラには、一次羽根の間にスプリットベーンまたは二次羽根と呼ばれる特殊な小型羽根が付いている場合もあります。一部のポンプでは、大きなアイ、インデューサ、または加圧されたフロスをポンプの吐出口から吸引口へ再循環させて泡を破裂させる仕組みになっています。[ 4 ]

多段遠心ポンプ

多段遠心ブロワー[ 5 ]

2つ以上のインペラを備えた遠心ポンプは、多段遠心ポンプと呼ばれます。インペラは同一軸上に取り付けられることもあれば、異なる軸上に取り付けられることもあります。各段において、流体は中心に向かって送られ、その後外径側の吐出口へと流れます。

出口圧力を高くしたい場合は、インペラを直列に接続します。流量を高くしたい場合は、インペラを並列に接続します。

多段遠心ポンプの一般的な用途は、ボイラー給水ポンプです。例えば、350MWのユニットには、2台の給水ポンプを並列に接続する必要があります。各給水ポンプは、21MPaで150L/sの流量を生産する多段遠心ポンプです。

流体に伝達されるエネルギーはすべて、インペラを駆動する機械的エネルギーから得られます。これは等エントロピー圧縮時に測定可能であり、圧力上昇に加えてわずかな温度上昇をもたらします。

エネルギー使用量

ポンプ設備におけるエネルギー使用量は、必要な流量、揚程、パイプラインの長さと摩擦特性によって決まります。ポンプを駆動するために必要な電力（）は、SI単位系を用いて以下のように定義されます Pi{\displaystyle P_{i}}

単段ラジアルフロー遠心ポンプ

Pi＝ρ g H Qη{\displaystyle P_{i}={\cfrac {\rho \ g\ H\ Q}{\eta }}}

ここで、

  • Pi{\displaystyle P_{i}}は必要な入力電力（ワット）です。
  • ρ{\displaystyle \rho }は流体の密度（キログラム/立方メートル、kg/m 3）です
  • g{\displaystyle g}標準重力加速度（9.80665 m/s 2）
  • H{\displaystyle H}流れに加えられるエネルギーヘッド（メートル）
  • Q{\displaystyle Q}体積流量（立方メートル/秒、m 3 /s）
  • η{\displaystyle \eta}ポンプ場の効率を小数で表したもの

ポンプによって加えられる揚程（）は、静揚程、摩擦による損失揚程、およびバルブや配管の曲がりによる損失の合計で、すべてメートル単位で表されます。電力は、一般的にキロワット（10 3 W、kW）または馬力（1 hp = 0.746 kW）で表されます。ポンプ効率の値は、ポンプ単体の場合、またはポンプとモーターシステムの総合効率として表されることがあります。 H{\displaystyle H}ηpump{\displaystyle \eta_{pump}}

エネルギー使用量は、電力要件とポンプの稼働時間を掛けて算出されます。

遠心ポンプの問題点

遠心ポンプが直面するいくつかの困難は次のとおりです。[ 6 ]

  • キャビテーション-システムの正味吸込ヘッド（NPSH ）が選択したポンプに対して低すぎる
  • インペラの摩耗は、浮遊物やキャビテーションによって悪化する可能性があります。
  • 流体特性によるポンプ内部の腐食
  • 低流量による過熱
  • 回転軸に沿った漏れ。
  • プライム不足- 遠心ポンプは作動するために（ポンプする流体で）満たされなければならない
  • サージ
  • 粘性液体は効率を低下させる可能性があります
  • 高圧用途には他のタイプのポンプの方が適している場合があります
  • 大きな固形物や破片がポンプを詰まらせる可能性があります
ポンプの損傷の原因を示す円グラフ

固形物制御用遠心ポンプ

油田固形物制御システムには、泥水タンクの上または内部に設置する多数の遠心ポンプが必要です。使用される遠心ポンプの種類は、サンドポンプ、水中スラリーポンプ、せん断ポンプ、チャージングポンプです。これらはそれぞれ異なる機能で定義されていますが、動作原理は同じです。

遠心ポンプは、化学処理、医薬品、食品製造、水処理、ボイラー給水などの産業用途でも広く使用されています。比較的メンテナンスの手間が少なく、大流量に対応できるため、連続運転環境に適しています。

磁気結合ポンプ

磁気結合ポンプ、または磁気駆動ポンプは、従来のポンピングスタイルとは異なり、モーターが直接の機械シャフトではなく磁気的手段によってポンプに結合されています。ポンプは駆動磁石によって作動し、モーターによって駆動される主シャフトに磁気結合されたポンプローターを「駆動」します。[ 7 ]これらは、ポンプされた流体の漏洩が大きなリスクをもたらす場合（例：化学産業または原子力産業の腐食性流体、または感電 - 庭の噴水）によく使用されます。その他の使用例としては、腐食性、可燃性、または毒性の流体をポンプする必要がある場合があります（例：塩酸、水酸化ナトリウム、次亜塩素酸ナトリウム、硫酸、塩化鉄/塩化第一鉄、硝酸）。[ 8 ]モーターシャフトとインペラーが直接接続されていないため、スタッフィングボックスやグランドは必要ありません。ケーシングが破損しない限り、漏れの危険はありません。ポンプシャフトはポンプハウジングの外側のベアリングによって支持されていないため、ポンプ内部の支持はブッシングによって行われます。磁気駆動ポンプの容量は、数ワットから1MWという巨大なものまで様々です。

プライミング

ポンプに液体を満たすプロセスをプライミングと呼びます。すべての遠心ポンプは、プライミングのために液体ケーシング内に液体が必要です。ポンプケーシングが蒸気またはガスで満たされると、ポンプのインペラはガスに閉じ込められ、ポンプ動作ができなくなります。[ 9 ] 遠心ポンプがプライミング状態を維持し、ガスに閉じ込められないようにするために、ほとんどの遠心ポンプは、ポンプが吸入する水位よりも下に設置されています。吸入ラインに設置された別のポンプからの圧力でポンプの吸入口に液体を供給することで、同じ効果が得られます

自吸式遠心ポンプ

通常の状態では、一般的な遠心ポンプは、ポンプの測地高度よりも低い液面につながる入口ラインから空気を排出することができません。自吸式ポンプは、外部の補助装置なしでポンプの吸入ラインから空気を排出できる必要があります

ウォータージェットポンプやサイドチャネルポンプなどの内部吸引段を備えた遠心ポンプも、自吸式ポンプに分類されます。[ 9 ]自吸式遠心ポンプは1935年に発明されました。自吸式遠心ポンプを最初に販売した企業の一つは、 1938年のアメリカンマーシュ社でした。

内部または外部に自己プライミング段を備えていない遠心ポンプは、最初にポンプに流体がプライミングされた後にのみ、流体の汲み上げを開始できます。これらのポンプのインペラは頑丈ですが速度が遅く、空気よりもはるかに密度の高い液体を移動するように設計されているため、空気が存在すると作動しません。[ 10 ]さらに、サイフォン作用を防ぎ、ポンプが停止しているときに流体がケーシング内に留まるように、吸入側スイングチェックバルブまたはベントバルブを取り付ける必要があります。分離室を備えた自己プライミング遠心ポンプでは、流体が汲み上げられ、巻き込まれた気泡はインペラの作用によって分離室に汲み上げられます。

ポンプの吐出ノズルから空気が排出され、流体は下方に落下して再びインペラに巻き込まれます。こうして吸入管は継続的に排気されます。このような自吸機能に必要な設計は、ポンプ効率に悪影響を及ぼします。また、分離室の寸法も比較的大きくなります。これらの理由から、このソリューションは小型ポンプ、例えばガーデンポンプにのみ採用されています。より一般的に使用される自吸式ポンプは、サイドチャネルポンプとウォーターリングポンプです。

もう一つのタイプの自吸式ポンプは、2 つのケーシング チャンバーとオープン インペラーを備えた遠心ポンプです。この設計は、自吸機能だけでなく、プロセス エンジニアリングで短時間 (空気/ガスと液体) の 2 相混合物のポンピング時や、建設ピットから水を排出する場合など、汚染された流体を扱うときにも、脱ガス効果のために使用されます。このタイプのポンプは、フート バルブや吸入側の排気装置なしで動作します。試運転前に、ポンプに処理する流体をプライミングする必要があります。吸入ラインが排気され、流体レベルが大気圧によって前面の吸入チャンバーに押し込まれるまで、2 相混合物がポンピングされます。通常のポンピング動作中、このポンプは一般的な遠心ポンプのように動作します。

遠心ポンプの分類

遠心ポンプは、さまざまな構造特性に応じて多くのタイプに分けられます。

  • 作動インペラの数に応じて、単段ポンプと多段ポンプがあります。
  • 作動圧力に応じて、低圧ポンプ、中圧ポンプ、高圧ポンプがあります。
  • 吸引タイプによって、シングル吸引ポンプとダブル吸引ポンプがあります。
  • ポンプケーシングジョイントの形状により、横割りケーシングポンプと縦割りケーシングポンプがあります。
  • 吐出形式により渦巻ポンプとガイドベーンポンプがあります。

たとえば、あるポンプは、インペラの段数に応じて多段ポンプに属し、その構造上の特徴を観察すると、水平ポンプ、垂直複合表面ポンプ、ガイドベーンポンプ、高圧ポンプ、片側水ポンプなどになる場合があります。

  • ポンプシャフトの位置の違いにより、水平ポンプと垂直ポンプがあります。石油化学産業では、水平遠心ポンプが最も広く使用されています。
  • ポンプケーシングの分割形式による水平遠心ポンプ：ラジアル分割水平遠心ポンプとアキシャル分割水平遠心ポンプがあります。
  • ポンプケーシングの数によって、シングルケーシングポンプとダブルケーシングポンプ（シリンダータイプ）があります。
  • 軸受支持形式によって、片持ち遠心ポンプと軸受間遠心ポンプがある。[ 11 ]

参照

参考文献

  1. ^シェパード、デニス・G. (1956). 『ターボ機械の原理』マクミラン. ISBN 0-471-85546-4 LCCN  56002849{{cite book}}：ISBN / 日付の非互換性（ヘルプ）
  2. ^ 「噴霧器ポンプの種類、コスト、仕様」噴霧器用品。2018年10月13日。2018年11月21日時点のオリジナルからアーカイブ。2018年11月21日閲覧
  3. ^レティ、ラディスラオ;ディ・ジョルジョ・マルティーニ、フランチェスコ（1963年夏）。 「フランチェスコ・ディ・ジョルジョ（アルマーニ）・マルティーニの工学論文とその盗作者」。テクノロジーと文化。4 (3): 287–298 (290)。土井：10.2307/3100858。JSTOR 3100858。 
  4. ^ Baha Abulnaga (2004).オイルサンドフロスのポンプ輸送(PDF) . 第21回国際ポンプユーザーシンポジウム、メリーランド州ボルチモア。テキサスA&M大学（テキサス州、米国）発行。オリジナル(PDF)から2014年8月11日にアーカイブ。 2012年10月28日閲覧。
  5. ^ Moniz, Paresh Girdhar, Octo (2004).実用的遠心ポンプの設計、操作、メンテナンス（初版）. Oxford: Newnes. p. 13. ISBN 07506627352015年4月3日閲覧。{{cite book}}：CS1メンテナンス：複数の名前：著者リスト（リンク）
  6. ^ラリー・バッカス著『Angle Custodio』（2003年）。遠心ポンプの知識と理解。エルゼビア社ISBN 1856174093。
  7. ^ Karassik, Igor J. (2001).ポンプハンドブック（第3版）. McGraw Hill Education . ISBN 9780070340329。
  8. ^ 「マグドライブポンプとは？」 CECO Environmental . 2021年7月12日. 2023年4月30日閲覧
  9. ^ a b Gülich, JF. (2008).遠心ポンプ. ベルリン: Springer. p. 79. doi : 10.1007/978-3-642-12824-0 . ISBN 978-3-642-12824-0。
  10. ^ 「セルフプライミングポンプはどのように機能するのか？」 Pump Sales Directブログ。2018年5月11日。2018年5月11日閲覧
  11. ^ 「遠心ポンプの分類」 ZGPV 2023年4月17日2023年4月17日閲覧。

遠心プロセスポンプの決定版ガイド、遠心プロセスポンプの決定版ガイド

出典

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