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、エンジンまたは電気モーターから得られます。これらは、動的軸対称仕事吸収ターボ機械のサブクラスです。^[1]流体は、回転軸に沿って、または回転軸の近くでポンプのインペラに入り、インペラによって加速され、放射状に外側に流れてディフューザまたは渦巻き室（ケーシング）に入り、そこから排出されます。

一般的な用途には、水、下水、農業、石油、石油化学のポンプなどがあります。遠心ポンプは、高流量能力、研磨溶液との適合性、混合能力、および比較的単純なエンジニアリングのためによく選択されます。^[2]遠心ファンは、空気処理ユニットまたは掃除機を実装するために一般的に使用されます。遠心ポンプの逆の機能は、水圧の位置エネルギーを機械的回転エネルギーに変換する水車です。

レティによれば、遠心ポンプと呼べる最初の機械は、1475年にイタリアのルネサンス期の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した泥揚水機だった。^{[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ったポンプを製作するまで開発されなかった。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た。

ほとんどのポンプと同様、遠心ポンプは、回転エネルギー (多くの場合モーターから) を移動する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なります。流体はケーシングのアイから軸方向に入り、インペラのブレードに巻き込まれ、接線方向および半径方向外側に旋回した後、インペラの円周部分すべてからケーシングのディフューザー部分へと出ていきます。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形のディフューザー (またはスクロール) セクションは流れを減速し、圧力をさらに高めます。

ニュートンの力学の第二法則の帰結として、角運動量（または「運動量のモーメント」）の保存が挙げられます。これはすべてのターボ機械にとって基本的な意味を持ちます。したがって、角運動量の変化は外部モーメントの合計に等しくなります。角運動量

$${\displaystyle \rho Qrcu}$$

入口と出口では、せん断応力による外部トルクと摩擦モーメントがインペラまたはディフューザに作用します。 ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle M\tau }$

• ${\displaystyle \rho}$流体の密度（kg/m ³）
• ${\displaystyle Q}$流量（m ³ /s）
• ${\displaystyle r}$半径は
• ${\displaystyle c}$絶対速度ベクトル
• ${\displaystyle u}$は周辺の周方向速度ベクトルです。

円筒面には円周方向に圧力は発生しないので、式(1.10) ^{[説明が必要]}は次のように書ける: ^[4]

${\displaystyle \rho Q(c_{2}ur_{2}-c_{1}ur_{1})=M+M_{\tau }}$ （1.13）

式(1.13)に基づいて、オイラーは羽根車によって生成される圧力の式を開発した（図2.2参照）。

${\displaystyle Yth.g=H_{t}=c_{2}u.u_{2}-c_{1}u.u_{1}}$ （１）

${\displaystyle Yth=1/2(u_{2}^{2}-u_{1}^{2}+w_{1}^{2}-w_{2}^{2}+c_{2}^{2}-c_{1}^{2})}$ （２）

式（２）において、前４つの要素数の合計は静圧、後２つの要素数の合計は速度圧と呼ばれます。図2.2と詳細式をよく見てください。^{[説明が必要]}

• ${\displaystyle H_{t}}$: 理論的なヘッド圧力: =緯度に応じて9.78〜9.82 m/s ^2の間、従来の標準値は正確に9.80665 m/s ^2の重心重力加速度${\displaystyle g}$
• ${\displaystyle u_{2}=r_{2}\omega }$: 周辺速度ベクトル
• ${\displaystyle u_{1}=r_{1}\omega }$: 入口周方向速度ベクトル
• ${\displaystyle \omega =2\pi n}$: 角速度
• ${\displaystyle w_{1}}$: 入口相対速度ベクトル
• ${\displaystyle w_{2}}$: 出口相対速度ベクトル
• ${\displaystyle c_{1}}$入口絶対速度ベクトル
• ${\displaystyle c_{2}}$: 出口絶対速度ベクトル

速度ベクトルによって形成される色の三角形は速度三角形と呼ばれます。この規則は、式(1)を式(2)に詳細化し、ポンプの仕組みを広く説明するのに役立ちました。 ${\displaystyle u,c,w}$

図 2.3 (a) は前向きに曲がった羽根車の速度三角形を示し、図 2.3 (b) は放射状の直線羽根車の速度三角形を示しています。これは、流れに加えられるエネルギー (ベクトル で表示) が流量(ベクトル で表示) に反比例して変化することを明確に示しています。 ${\displaystyle c}$${\displaystyle Q}$${\displaystyle c_{m}}$

$${\displaystyle \eta ={\frac {\rho .gQH}{P_{m}}}}$$

どこ：

• ${\displaystyle P_{m}}$必要な機械入力電力（ワット）
• ${\displaystyle \rho}$流体の密度（kg/m ³）
• ${\displaystyle g}$標準重力加速度（9.80665 m/s ²）
• ${\displaystyle H}$流れに加えられるエネルギーヘッド（メートル単位）
• ${\displaystyle Q}$流量（m ³ /s）
• ${\displaystyle \eta}$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、静的揚程、摩擦による揚程損失、およびバルブやパイプの曲がりによる損失の合計であり、すべて流体のメートル単位で表されます。電力は、キロワット (10 ³ W、kW) または馬力で表すのが一般的です。ポンプ効率の値は、ポンプ自体の効率として表される場合もあれば、ポンプとモーター システムを組み合わせた効率として表される場合もあります。 ${\displaystyle H}$${\displaystyle \eta _{\textrm {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。このポンプは、独特なシャフトとベアリング サポート構成を採用しており、ベアリングがサンプの外側にある一方で、渦巻きがサンプ内に垂れ下がるようになっています。このタイプのポンプは、シャフトを密閉するためのスタッフィング 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。

鉱物産業やオイルサンドの採掘では、砂や粘土から豊富な鉱物やビチューメンを分離するために泡が発生します。泡には空気が含まれており、従来のポンプを詰まらせ、プライムの損失を引き起こしがちです。歴史を通じて、業界ではこの問題に対処するためのさまざまな方法が開発されてきました。パルプおよび製紙業界では、インペラに穴が開けられています。空気はインペラの背面に逃げ、特別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、スプリットベーンまたはセカンダリベーンと呼ばれる、プライマリベーンの間に特別な小さなベーンが付いている場合もあります。一部のポンプには、大きなアイ、インデューサー、または加圧された泡をポンプの吐出口から吸引口に再循環させて泡を破裂させる機能があります。^[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。インペラは同じシャフトに取り付けることも、異なるシャフトに取り付けることもできます。各段階で、流体は中心に向けられ、その後、外径の排出口に向かいます。

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。流量出力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。たとえば、350 MW ユニットには、2 つ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、21 MPa で 150 L/s を生成する多段遠心ポンプです。

流体に伝達されるすべてのエネルギーは、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でき、圧力上昇に加えてわずかな温度上昇をもたらします。

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 単位系を使用して次のように簡単に定義されます。 ${\displaystyle P_{i}}$

$${\displaystyle P_{i}={\cfrac {\rho \ g\ H\ Q}{\eta }}}$$

どこ：

• ${\displaystyle P_{i}}$必要な入力電力（ワット）
• ${\displaystyle \rho}$流体の密度（キログラム/立方メートル、kg/m ³）
• ${\displaystyle g}$標準重力加速度（9.80665 m/s ²）
• ${\displaystyle H}$流れに加えられるエネルギーヘッド（メートル単位）
• ${\displaystyle Q}$体積流量（立方メートル毎秒、m ³ /s）
• ${\displaystyle \eta}$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、静的揚程、摩擦による損失揚程、バルブやパイプの曲がりによる損失の合計で、すべて流体のメートル単位で表されます。電力は、キロワット (10 ³ W、kW) または馬力(1 hp = 0.746 kW) で表すのが一般的です。ポンプ効率の値は、ポンプ自体の効率として表される場合もあれば、ポンプとモーター システムを組み合わせた効率として表される場合もあります。 ${\displaystyle H}$${\displaystyle \eta _{ポンプ}}$

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。

遠心ポンプが直面するいくつかの困難は次のとおりです。^[7]

• キャビテーション-システムの正味吸引ヘッド（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る
• 流体特性によるポンプ内部の腐食
• 流量不足による過熱
• 回転軸に沿った漏れ。
• プライミング不足 - 遠心ポンプは作動するために（ポンプで送る流体で）充填される必要がある
• うねり
• 粘性のある液体は効率を低下させる可能性がある
• 他のポンプタイプは高圧用途に適している可能性がある
• 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

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、砂ポンプ、水中スラリーポンプ、せん断ポンプ、および充填ポンプです。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。

磁気結合ポンプ、または磁気駆動ポンプは、従来のポンプ形式とは異なり、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。ポンプは駆動磁石を介して動作し、モーターによって駆動されるプライマリ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。^[8]これらは、ポンプされた流体の漏れが大きなリスクをもたらす場合によく使用されます（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）。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で送る必要がある場合などがあります（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/塩化鉄（III/II）、硝酸）。^[9]モーターシャフトとインペラは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、漏れのリスクはありません。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サポートされていないため、ポンプ内のサポートはブッシングによって提供されます。磁気駆動ポンプのポンプサイズは、数ワットの電力から巨大な 1 MW まであります。^{[引用が必要]}

ポンプに液体を充填するプロセスはプライミングと呼ばれます。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、ポンプのインペラがガスで閉塞し、ポンプが作動できなくなります。^[10] 遠心ポンプがプライミングされた状態を維持し、ガスで閉塞しないようにするために、ほとんどの遠心ポンプは、ポンプが吸引するソースのレベルより下に設置されています。吸引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引部に液体を供給することで、同じ効果が得られます。

通常の状態では、一般的な遠心ポンプは、測地高度がポンプの高度より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。 ^[10]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でした。 ^[要出典]

内部または外部のセルフプライミング段階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。より頑丈ですが低速なこれらのインペラは、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できません。^[11]さらに、サイフォン作用を防ぎ、ポンプが停止したときに流体がケーシング内に残るようにするために、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。分離チャンバーを備えたセルフ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チャンバーに汲み上げられます。

空気はポンプの排出ノズルから抜け、流体は下方に落ちて再びインペラに巻き込まれます。こうして、吸入ラインは継続的に排気されます。このような自己プライミング機能に必要な設計は、ポンプの効率に悪影響を及ぼします。また、分離室の寸法は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、ガーデン ポンプなどの小型ポンプにのみ採用されています。より頻繁に使用される自己プライミング ポンプのタイプは、サイド チャネル ポンプとウォーター リング ポンプです。

自吸式ポンプのもう 1 つのタイプは、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 2 相混合物 (空気/ガスと液体) を短時間ポンピングする場合や、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場合にも、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、フット バルブや吸入側の排気装置なしで動作します。ポンプは、試運転前に処理する流体でプライミングする必要があります。2 相混合物は、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、このポンプは通常の遠心ポンプのように動作します。

• 遠心圧縮機
• 軸流ポンプ
• 正味吸込ヘッド（NPSH）
• ポンプ
• シール（機械式）
• 比速度（N _sまたはN _ss）
• 熱力学的ポンプ試験
• タービン
• ターボポンプ

• ASME B73 標準委員会、化学標準ポンプ

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