遠心ポンプの基礎講座
本連載では遠心ポンプにスポットをあてて、ポンプの種類、またポンプで使われる記号や圧力計の読み方などの豆知識まで、さまざまな事項をご紹介していきます。
遠心ポンプの実践講座はこちら>>
3-2 ポンプの効率
遠心ポンプの効率について規定している規格として、国内では次のJIS規格があります。
- JIS B 8313 小形渦巻ポンプ
- JIS B 8319 小形多段遠心ポンプ
- JIS B 8322 両吸込渦巻ポンプ
JIS B 8313およびJIS B 8319の効率を図3-2-1に、JIS B 8322の効率を図3-2-2にそれぞれ示します。両図において、A効率は最高効率点の効率をいい、B効率は規定吐出し量の効率をいいます。 つまり、規格を適用したポンプの場合、最高効率点の吐出し量において、ポンプの効率はA効率以上にする必要があります。 また、購入者と契約した吐出し量は、ポンプの最高効率点の吐出し量に一致することはまれで、一致していてもいなくても、購入者と契約した吐出し量における効率はB効率以上にする必要があるのです。

図3-2-1:ポンプ効率-JIS B 8313およびJIS B 8319

図3-2-2:ポンプ効率-JIS B 8322
一方世界に目を向けると、「Energy Research & Consultants Corporation」が、使用されている世界中のポンプの効率を調査して発表しています。 同社によると、ポンプの見積り時にどのぐらいの効率になるかをあらかじめ推定する必要があったために、調査してポンプの形式別に発表したのです。 そして、さまざまある形式のうちAPI610で規定しているクリアランスにしたポンプの効率として、筆者は図3-2-3に示す効率の図が適当であると考えています。 そして、実際に開発や見積りなどに利用しています。図3-2-3では、横軸に最高効率点の比速度Ns、立軸に予想効率を示しています。そして、最高効率点の吐出し量ごとに予想効率を求めることができるようになっています。

図3-2-3:ポンプの予想効率-「Energy Research & Consultants Corporation」
JIS規格の効率と「Energy Research & Consultants Corporation」の効率を比較すると、前者では比速度Nsに無関係であるのに対し、後者は比速度Nsによって変わるとしています。
JIS B 8313の効率と「Energy Research & Consultants Corporation」の効率を、吐出し量1.9 m3/minの点で比較してみると、表3-2-1のようになります。 表3-2-1によると、比速度Nsが小さいほうではJIS B 8313の効率が高く、比速度Nsが大きい範囲では「Energy Research & Consultants Corporation」の効率がかなり高くなっていることが分かります。
筆者の経験から、比速度Nsによって効率が変わるという「Energy Research & Consultants Corporation」の効率の方が現実に合っているのですが、だからといってJISの効率が間違っていると言うわけではありません。 JIS規格に適合したポンプでは、比速度Nsが小さいほうでは場合によって、ポンプメーカは購入者へデビエーションを提出する必要があるかもしれません。
購入者や使用者には、同じ吐出し量でも、ポンプの効率は比速度Nsによって異なるということを記憶していただきたいと思います。
表組
比速度Ns | ||||
---|---|---|---|---|
100 | 200 | 300 | 400 | |
JIS B 8313の効率(%) | 71 | 71 | 71 | 71 |
Enagy Reseach & Consultants Corporationの効率 (%) | 66 | 76 | 77.5 | 77 |
ポンプの効率は、「駆動機から得た入力」から「損失」を差し引いたものになります。つまり、次のように表現できます。
「効率」=「駆動機から得た入力」-「損失」 |
---|
便宜上、全ての損失を次のように分類します。
- (1)水力損失(表面摩擦損失/衝突損失/拡大流損失)
- (2)漏れ損失
- (3)円板摩擦損失
- (4)機械損失
ポンプの効率は結局のところ、損失が少ないほど高くなるのです。しかし、損失が多い少ないは実は比速度Nsの影響を強く受けます。 上記4つの損失割合を図3-2-4に示します。図3-2-4は横軸に比速度Ns、立軸に各損失の入力に対する割合を示しています。 比速度Nsによって顕著に異なるのは、漏れ損失と円板摩擦損失です。他の二つの損失は比速度Nsによらず一定です。 つまり、吐出し量が小さく高揚程である低比速度ポンプほど効率が低くなります。 したがって、ポンプの効率を評価するとき、単に効率の値だけをみるのではなく、比速度Nsと吐出し量を考慮する必要があるのです。

図3-2-4:諸損失の割合
駆動機がモータとして、ポンプの効率とモータ入力の関係を図3-2-5に示します。
モータへ入力された電力M (kW)を100 %とし、モータの損失がM の10 % であるとすれば、残り90 % (=100-10)の電力Pi がポンプに入力されます。
この電力Piを使って、ポンプがM の60 % の仕事PPをしたとすれば、残りはポンプの無効な仕事、すなわち損失となり、その損失はM の30% (=100-10-60) になります。
このときのポンプ効率ηPは、ηP = PP/Pi x 100 (%) になります。
上記を具体的な数値で示すと、次のようになります。
- (1)モータに100 kW の入力があって、モータの効率が90 % であるとすれば、ポンプへの入力Pi =90 kW になります。
- (2)ポンプの仕事PP = 60 kW が使用されるとすれば、ポンプの損失は30 kW になります。
- (3)ポンプ効率はηP = 60 / 90 x 100 = 66.7 (%) になります。

図3-2-5:ポンプの効率とモータ入力との関係
ポンプメーカや学界のポンプ研究者は、高効率化のための技術を開発してきています。 しかし、直径が大きく出口幅が小さい羽根車にせざるを得ない、いわゆる低比速度ポンプにおいては、高効率を達成できたとはいえない状況にあります。 その理由として、低比速度ポンプでは、漏れ損失が大きい、円板摩擦損失が大きい、及び羽根車の一体鋳造が難しいという問題が挙げられます。これらの問題を解決できる手法の1つとして、溶接形の羽根車があります。
溶接形の羽根車は、低比速度ポンプでクローズド形羽根車の場合に適用されることがあり、翼間の通液路をミーリング加工し、別部品で製造した側板を羽根車の翼に溶接してクローズド形羽根車を一体に完成させます。 このように製造することによって、寸法精度の向上、面粗さ悪化の解消及び鋳造性の問題を解消できるのです。
ステンレス鋼板をプレスして溶接したプレス製羽根車も同様の効果はあるのですが、プレスの製造設備の投資額が少なくとも数十億円になり、また大量に売れなければ投資回収もできないので、実際にはプレス製羽根車での対応は難しいのです。
『遠心ポンプの基礎講座』の目次
第1章 ポンプの基礎
-
1-1ポンプの概況1国内では毎年400万台のポンプを生産していますが、現在国内で運転されているポンプは何台になるのでしょうか。
-
1-2ポンプの概況2専用に使用されるポンプには、雨水ポンプ、汚水ポンプ、汚泥ポンプ、グラインダーポンプ、消火ポンプ、石炭輸送ポンプ、LNGポンプ、熱媒ポンプ、人工心臓血液ポンプなどいろいろとあります。
-
1-3ポンプの概況3単段ポンプでは圧力が足りない場合、羽根車数を多くした多段ポンプを使用します。ここでは、輪切り多段ポンプ、水平割り多段ポンプ及び二重胴多段ポンプの3種類に分けて紹介します。
-
1-4ポンプの種類ポンプの種類は作動原理からみると、ターボ形、容積形などに分類でき、また構造上からは、横軸、立軸、単段、多段などに分類できます。
-
1-5ポンプの特徴「1-4 ポンプの種類」において、API 610という規格にしたがったポンプの記号を説明しました。ここでは、各記号のポンプそれぞれの特徴を掘り下げて説明します。
-
1-6ポンプの用途ポンプは、電力、自動車、建設機械、船舶、鉄鋼、石油精製、石油化学、化学、食品、パルプ、医療など、国内外のほとんどの産業分野において、送液、循環、加圧用などとして使用されています。
-
1-7国内のポンプ生産ポンプがどのぐらい生産されているのかを見てみましょう。経済産業省はホームページに、国内におけるポンプ形式別の生産台数及び生産金額の統計を公表しています。
-
1-8世界のポンプ生産それでは世界のポンプ生産はどうでしょうか。少し古いのですが、「the McIlvaine Company」の統計によると、世界におけるポンプの生産金額は、図1-8-1に示すように、2000年には米ドルで200億ドルとなっています。
第2章 ポンプの豆知識
-
2-1ポンプで使用する記号ポンプの特性や仕様を指定するときに、一般に使用されている用語の代りに、よく記号を使っています。
-
2-2ポンプで使用する単位と換算方法ポンプで使用する記号は、世界的な規格がないためにさまざまあります。また、ポンプで使用する単位は「SI単位」が世界的な標準なのですが、 実際には「CGS系単位」や「工学系単位」もまだ多く使われています。
-
2-3ポンプの圧力と圧力計の読み方ポンプを設置して試運転のとき、ポンプが正規の圧力を出しているかどうか確認する必要があったり、使い始めて数年経過してポンプの圧力がどの程度低下しているかを確認したりすることがあります。
-
2-4ポンプの特性を表す比速度遠心ポンプにおいて、特性を表わすための値として、吐出し量、全揚程、効率、回転速度、NPSH3などがあります。
-
2-5ポンプの吸込性能を表す吸込比速度ポンプの特性や形状を表す特性数に比速度Nsがあります。似たような特性数として、吸込比速度Sというものがあります。
-
2-6ポンプの吸込揚程と求め方「このポンプは何m吸い上げられるか」ということが、話題になることがあります。図2-6-1に示すhaが吸い上げることができる高さ、すなわち吸込揚程になります。
第3章 ポンプの性能
-
3-1ポンプの性能曲線の見方ポンプの性能は、吐出し量を基に、それぞれの吐出し量に対する全揚程、効率、軸動力、NPSH3、電流などの能力のことをいいます。
-
3-2ポンプの効率遠心ポンプの効率について規定している規格として、国内では次のJIS規格があります。
-
3-3ポンプの回転速度の変化吐出し量を少なくしたい、吐出し圧力を下げたいなど何らかの事情によって、ポンプの性能を下げる必要があることがあります。
-
3-4ポンプの吸込口と吐出し口の口径ポンプには吸込口と吐出し口があります。そして、ポンプを運転するためには、一部の水中ポンプを除き、吸込配管及び吐出し配管が必須であり、弁、ストレーナなどを含めてポンプに付設されます。
第4章 ポンプの選定
-
4-1ポンプの選定ポイント基本的には、購入者が横軸、立形などポンプの形式を指定します。そして、ポンプメーカは指定された形式で仕様が満足できるかどうかを確認して、最適なポンプを選定します。
-
4-2ポンプの選定ポンプが必要なとき、どのようにポンプを選定するのがよいのでしょうか。用途や使用年数などによって、当然選定するポンプは変わります。
第5章 知っておきたいポンプの技術
-
5-1ポンプの国内の設計規格ポンプは、目指す市場に適当と考えられる設計規格に適合または準じて設計されています。
-
5-2ポンプの国際的な設計規格ポンプに関する国際的な設計規格として、表5-2-1に示す「API 610」、「ANSI B 73.1」及び「ISO規格」があります。
-
5-3ポンプのシールの漏れ量ここで取り上げたいシールは、軸封に使用するメカニカルシール及びグランドパッキン、軸受ハウジング内の潤滑油を外部に漏れないようにシールするデフレクタ及びオイルシールの4つの部品です。
-
5-4ポンプで使うシールの選定遠心ポンプの主要な構成部品は、ケーシング、羽根車、主軸、軸受及びシールです。
-
5-5ポンプのNPSHAとNPSH3前節「2-6 ポンプの吸込揚程と求め方」において、NPSHAとNPSH3の意味及び両者の関係を説明しています。要約すると、次のようになります。
-
5-6ポンプの吸込ストレーナ吸込ストレーナのメッシュは、想定される異物が通過できない大きさにする必要があります。または、ある大きさ以下の異物がポンプに混入しても問題なければ、その大きさにします。
-
5-7ポンプの吸込口、吸込タンク及び吸込配管ポンプは吸込口から空気を吸い込むことを避ける必要があります。
-
5-8横軸ポンプ始動前の空気抜きポンプは流体機械の1つと定義されています。流体機械は、液を扱うポンプと気体を扱う送風機及び圧縮機があるので、正確に言うと、真空ポンプを除き、ポンプは液体機械なのです。
-
5-9ポンプの締切運転ポンプの締切運転、すなわち吐出し量が零(0)のときでも、図5-9-1に示すように、ポンプには軸動力S (kW)が負荷されています。
-
5-10ポンプの全揚程と吐出し圧力の関係ポンプの吐出し圧力は、ポンプの性能曲線に示される全揚程を圧力に換算した値と同じではありません。吸込圧力を考慮する必要があります。
-
5-11ポンプの性能曲線と運転点の関係ポンプは独自に自由に運転点を決めることはありません。ポンプには吸込配管及び吐出し配管が必要です。
-
5-12ポンプの保護装置ポンプの保護装置には、異常を引き起こさないためにあらかじめ設けるミニマムフローラインがあり、また、機能の異常を検知してポンプを停止するために、振動計、温度計、漏洩検知器などの機器があります。
-
5-13ポンプの管理基準管理標準とは、ここではポンプに関することに限定し、トラブルを最小限に抑えて必要経費を縮減するために、点検項目を決めて管理するための基準とします。
-
5-14ポンプの標準化「標準化」とは、広辞苑によると、「工業製品などの品質・形状・寸法を標準に従って統一すること。これによって互換性を高める。」とあります。