遠心ポンプ
流体を回転する羽根車の遠心力で加速し、圧力エネルギーに変換して移送する機械が遠心ポンプである。回転速度と羽根車形状により揚程と流量が決まり、連続的で脈動の小さい送液が得られる。構造が比較的簡素で保守が容易であり、水、薬液、油、スラリなど広範な用途で用いられる。設計や運転では揚程H、流量Q、効率η、必要NPSHなどの指標を基礎に選定する。
作動原理
羽根車入口で取り込んだ流体は回転に伴う周方向速度成分を与えられ、半径方向に加速して静圧が上昇する。これをボリュートやディフューザで回収して揚程を得る。オイラーのポンプ式により理論揚程は羽根車入口・出口の周速度と流速三角形で表され、羽根角やすべり係数が実揚程に影響する。遠心ポンプは定常流の取り扱いが容易で、脈動が少ないのが特徴である。
主要部品
- 羽根車（オープン／セミオープン／クローズド）
- ケーシング（渦巻・ディフューザ）
- 吸込口・吐出し口、ボリュート
- 軸封（メカニカルシール／グランドパッキン）
- 軸受・シャフト・カップリング
- ディフューザまたは案内羽根
- ウェアリング・スリーブ・インペラナット
性能指標
- 揚程H：圧力上昇を液柱高さで表した値
- 流量Q：所定点での体積流量
- 効率η：水動力と軸動力の比
- 必要NPSH（NPSHr）：キャビテーションを起こさない最小余裕
- 許容NPSH（NPSHa）：系から得られる余裕
- 比速度n_s：相似比較のための無次元指標
- 回転数n・軸動力P：駆動機の選定に直結
利点と適用範囲
遠心ポンプは連続運転に強く、脈動が小さく配管振動や騒音の抑制に有利である。可動部が少なく大形化や多段化が容易で、清水から薬液、海水まで材料選定により幅広い液に対応できる。一方、高粘度液や極小流量域では効率が低下しやすく、ギヤポンプなどの容積式に分がある。起動停止が容易で自動化にも適する。保全性高い。
分類
- 段数：単段／多段（高揚程）
- 吸込：片吸込／両吸込
- ケーシング：渦巻／ディフューザ
- 据付：横型／立型（インライン）
- インペラ：オープン／セミオープン／クローズド
- 自吸性：自吸式／非自吸式
- 駆動：直結・ベルト・磁気カップリング（マグネットポンプ）
- 媒体：清水・薬液・スラリ・腐食液対応形
選定手順
- 液性（温度・粘度・比重・固形分）を把握
- 要求Q・Hで作動点を定める
- 回転数nとインペラ径Dを仮決め
- NPSHaを算出しNPSHrに余裕
- 材質・軸封・ベアリングを選ぶ
- モータ容量と最低流量を確認
- 系統曲線とQ-H交点を検討
- 据付・振動・規格（ISO/API/JIS）を確認
運転上の注意
空運転は厳禁である。吸込側の閉塞や漏気はNPSHaを低下させキャビテーションを誘発する。吐出弁全閉での長時間運転は発熱・液温上昇を招くため避ける。最低流量以下は再循環で効率低下と振動を生む。起動方向の誤りは性能喪失とシール損傷を招き、スロットル起動の要否は型式により異なる。
キャビテーション
キャビテーションは局所圧が蒸気圧以下に下がり気泡生成と崩壊が生じる現象で、騒音、振動、羽根の蜂食を引き起こす。設計では吸込揚程、配管損失、液温からNPSHaを算出し、ポンプ側のNPSHrより十分な余裕を確保する。吸込直前の異常な曲がりや弁は避け、ベルマウスや直管長を確保することが有効である。
相似則と性能曲線
幾何学的相似が保たれる範囲で、回転数をnからknへ変更すると流量Q∝k、揚程H∝k^2、動力P∝k^3となる。また直径Dの変更ではQ∝D^3、H∝D^2、P∝D^5が目安である。実機では摩擦損失や漏れにより理想則から外れるため、試験に基づくQ-H曲線と効率曲線で作動点を決める。
規格・試験
一般化学プロセス向けにはISO 5199/2858が寸法・構造を規定し、石油・ガス分野ではAPI 610が信頼性要求を定める。性能試験はISO 9906に基づき、流量、揚程、効率の許容差を評価する。遠心ポンプの図記号、矢印、回転方向表示はJISに準じ、据付時の整列精度も規格値で管理する。
代表的用途
上水・下水処理、ビル給水・HVAC、ボイラ給水（多段）、海水淡水化、紙パルプの白水循環、化学プラントの薬液移送、食品のCIP、河川排水、農業灌漑などで広く使われる。遠心ポンプは大流量・中低揚程域で経済性に優れ、省エネの観点からインバータ制御で流量調整する事例が一般的である。
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