速度を落としてください、動きが早すぎます (おそらく)、パート 2/2

Mar 23, 2023

2022 年 11 月号のコラムのパート 1 では、低速ポンプを購入するべきかどうかを決定するための最初の部分について説明しました。 測定や決定プロセスなどについて考えてみました。

比速度 (Ns) は、最も単純な定義では、羽根の角度や羽根の数などのインペラの形状を表します。 ポンプでは、動的力と静的力の両方とその比率は特定の速度の関数です (F 動的 ÷ F 静的)。

約 3,000 の比速度が最も効率的なポンプを生成し、揚程係数と比速度の比較では、約 1,000 でピークに達することに注意してください。 低い比速度ではポンプ揚程を生成しやすくなりますが、高い比速度では効率が悪くなります。

吸入比速度 (Nss) が増加すると、ポンプの安定/許容動作範囲が減少します。 ポンプ速度を検討する際、ポンプの吸引状態は実際に検討すべき最も重要な要素です。 NPSH マージンが最も重要ですが、提案されたサンプル性能曲線から選択するポンプの許容動作領域 (安定性の範囲) を決定することで、お客様自身の利益を得ることができます。

そこから、動作を決定する最大吸引比速度を推定できます。 最大吸入比速度がわかれば、速度 (N) を代数的に解く吸入比速度の式を利用してポンプの最大速度を決定できます。 たとえば、最大吸引比速度が 8,500 であると仮定します。 吸引比速度 8,500 を最大値と混同しないでください。 これはほんの一例です。

吸引エネルギー (SE) も見落とされがちなパラメーターです。 SE は本質的に、インペラの目における液体の運動量の測定値です。 コラムのスペースの都合上、ここで完全に説明することはできません。詳細については、2020 年 5 月のコラムを参照してください。

吸引側の液体の速度を確認しながら、吐出ノズルと下流の 6 つの直径での速度も確認します。 ベスト プラクティスについては、米国規格協会 (ANSI)/油圧協会 (HI) 規格 9.6.6 を参照してください。ただし、吸込側で毎秒 8 ～ 10 フィートを超えると、潜在的な問題が発生する可能性があることに注意してください。 ここでは、遅いほど良いです。 どちらの場合でもインペラーベーンの先端速度が同様であることは理解しています（大型で低速のポンプと小型で高速のポンプ）。ただし、必要に応じて、ポンプに別の段を追加した方が良いかもしれないという別のアイデアを提案しています。より多くの流量が必要な場合は、ヘッドを追加し、インペラの幅を変更します。 別の解決策としては、2 つのポンプを直列に接続することが考えられます。

最大インペラ直径の公称制限は通常、4 極の場合は 27 インチ、2 極の場合は 13 インチです。 この制限要因は液体の特性とは独立しており、インペラ (シュラウドとベーン) の材料強度に基づいています。 過剰な先端速度は、許容できない振動として現れます。 半径方向の力は、特定のケーシング設計のインペラの形状の関数であり、速度とともに直接増加します。 ラジアル力はシャフトのたわみに直接影響を及ぼし、ベアリングとメカニカル シールの寿命に直接影響します。 4 極速度の偏向シャフトは 1 分間に 3,550 回、2 極速度では 7,100 回偏向することに注意してください。 インペラの製造プロセスの品質は、油圧バランスと機械バランスの両方に影響します。 ベアリングの摩耗、メカニカルシールの寿命、ドライバーのアライメントはすべて、速度が上がるにつれてより重要になります。

軸方向の力は、インペラの形状、吸引圧力、クリアランス、および発達したヘッドの関数です。 軸方向の力による悪影響は、シャフトに対するインペラの嵌合が緩いことによって悪化する可能性があります。 軸方向の推力は速度に比例して増加します。 ローターの動的力の周波数は速度と流れに依存し、比例して反応します。

より大きなインペラとより大きな回転質量を備えたポンプは、より高い慣性を持ちます。 慣性が高くなると、動力喪失時の惰行時間が長くなり、始動時にフルスピードに達するまでの時間が長くなります。 この遅延反応特性は、ポンプのトリップや制御バルブの位置変更後にポンプがゆっくりと減速しながらも流体を動かし続けるため、過渡的なシステム圧力を制御するのに有益です。 油圧変化の反応が遅いため、下流の配管でのカラムの分離が最小限に抑えられ、ウォーターハンマーやその他のマイナス関連の動作が軽減されます。

ポンプ速度を決定する際に考慮すべき基本的なパラメータと質問は何ですか? これらの各要素がポンプ速度の決定にどのような影響を与えるかを説明するスペースはありませんが、次のリストは検討する価値があると考えられます。

すべての液体特性、特に固体の量を含むレオロジーの概要。 固形物が多ければ多いほど、速度を落とす必要があります。 研磨性、固体の形状、サイズにも注意してください。

粘度は多くの人が見落としている液体の特性なので、独自のカテゴリで強調します。 粘度が高くなると、同じ油圧条件でもより大きなポンプが必要になります。

流体はニュートン流体ですか、それとも非ニュートン流体ですか? せん断とせん断速度係数について考えてみましょう。 多くの非ニュートン液体は高速には反応しません。

実際のデューティ サイクルを考慮して、電力コスト (キロワット時あたりのコスト) を定量化することが重要です。

吸引条件については前述しましたが、浸水吸引と吸引リフトの状況、または並列または直列に配管された複数のポンプがあるかどうかも考慮してください。 吸引システムの配管形状の設計の洗練度は、臨界水没、乱流、吸引エネルギー、吸引ノズル速度、NPSH マージンを考慮することが重要です。

吸引条件のもう 1 つの重要なサブセットは、ポンプが自吸式であるかどうかです。 高速アプリケーションでのプライミング時間は、シール チャンバとプライミング チャンバの両方の液体を 8 ～ 10 倍の速さで加熱することに注意してください。

次の質問もポンプ速度の選択に影響します。

ポンプ速度に関する都市伝説はどこから始まったのでしょうか? 1960 年代の高速ポンプの初期設計の多くは、市場の需要を満たすために単に速度を上げた低速モデルに基づいていました。 しばらく稼働させた後、これらのポンプは信頼性が低いことが頻繁に判明しました。 なぜ？ 古いポンプモデルの多くは元々高速で動作するように設計されていないためです。 後続の障害イベントによって信頼性データが歪められたため、速度が遅いほど良いという一般的な考え方が普及するはずです。 しかし、1970 年代に、高速で動作するように再設計され、適切に保守されたポンプは、前世代の設計の低速ポンプと同じくらい信頼性があることが判明しました。

注意点は、後期モデルの高速ポンプ設計には、優れた基準で操作および維持する必要があるという点で追加の負担が伴うということです。 高速でのポンプの信頼性を高めるには、パイプの歪みの軽減と併せてローターの適切なバランスと動作クリアランスを確保し、精度の調整やその他の業界のベストプラクティスを確立および維持するなど、より高いレベルの精度のメンテナンスが必要です。

システムのヘッド要件が増加すると、物理法則によりポンプの高速化が求められます。 しかし、私は、1 段の 3,550 rpm ポンプよりも 1,750 回転/分 (rpm) の 2 段ポンプの方が良い選択であるアプリケーションをいくつか目撃しました。

注意: ポンプの動作が遅すぎると、流体力学的安定性に問題が発生したり、冷却ファンの問題によりモーターが過熱したりする可能性もあります。 ポンプがそのような条件向けに設計または承認されていない限り、ほとんどのポンプを 600 rpm 未満で長時間作動させることはお勧めしません。 モーターの OEM を含め、あらゆる場合に OEM に確認してください。

最後に、目的地までの道路 (ポンプ システムを思い浮かべてください) が複数車線の高速交通用に建設されているシナリオを提案します。 ドイツのアウトバーン (Bundesoutbahn) を思い浮かべてください。 ただし、作業を確実かつ楽しく完了するために、ゆっくりと着実にアプローチできるレーンが 2 つしかない場合もあります。 カリフォルニア州ペブルビーチの 17 マイル ドライブを思い浮かべてください。

遠心ポンプの油圧不安定性 EPRI レポート CS-1445 研究プロジェクト 1266-18、E Mackay 博士著 1980

Jim Elsey は、世界中の産業および海洋用途の回転機器において 50 年以上の経験を持つ機械エンジニアです。 彼は、Summit Pump, Inc. のエンジニアリング アドバイザーであり、米国機械学会、全米腐食技術者協会、および海軍潜水艦連盟の積極的な会員です。 エルシーは、MaDDog Pump Consulting LLC の社長でもあります。 彼への連絡先は[email protected] です。