大形遠心ポンプの模型試験

U.D.C.d21.d71.001.4

ブラジルサンタイネスポンプ場納

大形遠心ポ

_{ンプの模型試験}

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要

_旨

SantaIn芭sポンプ場は,ブラジルのサンパウロ市の上水道拡張のため,Companhia Metropolitana de ÅguadeS孟oPaulo(COMASP)によって建設されている｡このポンプ場に据付けられる3台のポンプは, 横軸両吸込タービンポンプである｡1台当たりの電動放出力が15,000kWという大形のポンプであるため, 実物ポンプの製作に先立ち,模型ポンプによって各種の試験を行なった｡効率およぴキャビテーション性能に 関してほ,COMASPの技師立会いのもとに試験を行ない,仕様を満足していることを確認した｡模型ポンプ の効率は90･4%である｡立会い試験後,完全特性試験,半径方向推力の測定,起動試験など一連の模型試験を 行ない,実物ポンプの設計および運転に必要な資料を得た｡

1.緒

R 人口の増加,生活水準の向上とともに,水の需要量は増加し続け ており,水資源の確保ほ都市にとって重要な問題となっている｡ ブラジルのサンパウロ市においても上水道の拡張工事が実施されて おり,この関係の工事の取まとめを実施している政府出資の公社 CompanhiaMetropolitanadeAguadeS急oPaulo(以後,COMASP と略称する)から取水に用いるポンプ3台をこのほど受注して製作 することになった｡ このポンプは取水用ではあるが,送水距離,標高差などのため揚 程が高く,電動機出力も15,000kWという大出力になるため,実物 ポンプの製作に先立って模型ポンプを用いて性能試験を実施するこ とになり,効率試験をはじめとして各種模型試験を機械研究所にお いて行なった｡ ポンプ設備が集約されて大形化する傾向にある現状からみて,こ の種の模型試験を高精度で実施することは,今後ますます必要にな ってくることと考えられる｡さきにアメリカ開発局納めポンプの模 型試験(1)について報告したが,今回の模型試験はこれと種々の点で 異なっているので,ここに報告するしだいである｡

2.実物ポンプの計画概要

今回納入するポンプは,サン/くウロ市に1日285万m8の取水を 行なうために用いられるものである｡サンパウロ市の近郊において Jaguari川,Cacboeira川,Atibainba川などにダムを設けて集め られた水は,トンネル,Juqueri川などを経て最終的にはJuqueri貯 水池に集められ,ここから取水トンネルによりSantaIn昌sポンプ 場へ送られる｡ここで水はポンプにより揚水され,Guara丘浄水場

へ送られて,浄化された上でサンパウロ市へ給水されるものである｡

SantaInさsポンプ場で用いられるポンプ設備は,COMASPから 機器ごとに分割して発注されたものであるが,この中の主ポンプ3 台を日立製作所が受注したのである｡ ポンプの仕様は下記のとおりである｡ 吸 込 口 径 1,800mm 吐 出 口 径 1,100mm 形 式 横軸両吸込タービンポンプ 吐 出 量 _11mソs * 日立製作所機械研究所 ** 日立製作所亀有工場 全 揚 程 有効NPSH(最小) 回 転 数 原 動 機 台 数 119.6m 26.7m 720rp皿 15,000kW(20,000HP)同期電動機 3台 ポンプは両吸込形の遠心ポンプであり,ポリュートケーシングに ついては内部の水圧に対して剛性を与えるとともに,羽根車出口に おける圧力ヘッドの回復のためにディフユーザ羽根を有するものと し,鋼板溶接構造とした｡ ポンプの水力設計上特に注意を払った点は下記のとおりである｡ (1)吸込ケーシングはポリュート状として回転と同方向の予旋 回を入口の流れに与え,かつ羽根車入口での流速分布を一 様ならしめるようにしている｡ (2)ポンプ場は地下に設けられるため,据付スペースを最小限 にする必要がある｡このためポンプを小形化する必要があ り,ディフユーザ羽根の外径と内径の比を極力小にするこ とが望まれ,1.21という小さい値とした｡ (3)この種の大形ポンプで運転上問題となりやすいことの一つ に水圧脈動による振動問題(2)が考えられるため,水圧脈動 を極力小さくすることが望まれる｡このために羽根車外径 とディフユーザ羽根内径の間隙(げき)を大きくする必要が あり,羽根車径の4%(3)以上の間隙を設けるようにした｡

3.模型ポ

ン プ

模型ポンプの大きさ,仕様の決定についてほ製作精度,測定精度

などと重要な関係があり,慎重な検討を要する問題である｡今回の 模型ポンプの寸法については顧客側の要求により羽根車径を350 mm以上とする必要があること,また準拠規格としてはアメリカの

Standards _{oftbe HydraulicInstituteが指定されていることなど}

も考慮して,模型ポンプの仕様を下記のように決定した｡ 模 型 吐 出 全 揚 回 転 比 4.11 量 38.6m3/min 程 116.4m 数 2,940rpm 模型ポンプの流水部分は直前の吸込管を含めて実物ポンプに幾何 学的に相似に設計されている｡図lは模型ポンプの構造を示したも のである｡ 実物ポンプは15,000kWという大形ポンプであり,過大な設計余

ブラジルサンタイネスポンプ場納大形遠心ポンプの模型試験

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｢ _埠+____, ※諾rノ 1 / r /黙 l l _il ll l 迅､ 拶′′k 拶

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ガ .黙 ′㌣ トーーヰ ///////////////////+///////////////////////////ノ///////////////////′ 図1 模型ポンプ構造図 寸リフィス ⑳-⑳祝園 ベンチュリ

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⑤+ スルース弁1 1･甲kW 電動機 トルク計 ⑥ 吸込圧測定孔 1}. くp くq 1,150 630 模型ボン70 1,620+-1,990 528 1,040 圧力タンク ￣｢￣ スルース弁2 加圧ポンプ ⑥ /模型げンフ￣ B A B ▽床面 A ⑥-◎祝園 図2 _{ポンプ運転領域模型試験装置} 裕をとることが許されないこと,原動機として同期電動機を使用し, 起動時の引入れトルクの関係から,ポンプ内の水を抜いて空転起動 した上で充水する必要があることなどの特殊な問題があるため,次 章に示すように一般の模型試験でほ実施する必要のない特殊な項目 まで試験する必要があり,模型ポンプについてほ,これらの測定が 可能なように設計する必要があった｡

4.模

型 試 験 下記の模型試験を行なった｡ (1)効 率 試 険 (2)キヤビテーショソ試験 (3)完全特性試験 (4)半径方向推力の測定 (5)起 動 試 験 このほかにも二,三の試験を行なったが,ここでは,上記(1)∼ (5)の試験について報告する｡ 図3 _{ポンプ運転領域模型試験装置} (芭繚襟川 (卓叫蒜巾却200 180卜 90 回転数2,940rpm 効率 仝精根 ∇ 軸動力

舶蔓

0し 0 _Uo lO 20 30 40 50 吐出量(m3/min) 図4 模型ポンプの性能 4.1効 率 試 験 効率試験ほ,図2に示す試験装置を用いて行なわれた｡図のA断 面からB断面までが,実物に相似な範囲である｡吸込側の傾斜管と 吐出側の円すい管の形状は,COMASPiこよって指定されたもので ある｡図3は試験装置の写真である｡模型ポソプの駆動には,1,000 kW2極刀誘導電動機を用いた｡吐出量ほ,スルース弁1により調 節された｡ポソプ吸込部の圧力は,SantaInさsポンプ場の有効 NPSHに等しくなるように,スルース弁2により調節された｡試験 の際には,吐出量,揚程,軸トルク,回転数を測定した｡ 吐出量の測定にほ,重量法(1)により検定済のベンチュリ計およぴ 2組のオリフィスを用いた｡これら3組の絞り流量計は,測定する 流量の多少に応じて,互いに切り換えて使用した｡吸込圧力は,容 器付単管水銀マノメータを用いて測定された｡吐出圧力の測定に は,重錘式圧力計を用いた｡軸動力は,回転数と軸トルクとから求 められる｡回転数は,軸に取り付けたパルス発振器と,パルス計数 器により測定された｡軸トルクの測定には,次に述べる原理のトル クメータを用いた:トルク･ピックアップのトーショソ･バーのね じれ角を電気信号の位相差に変換し,この位相差をディジタル計数 器により測定する｡ 試験により得られた性能曲線は,図4に示すとおりである｡ポン プ効率は90.4%′である｡ この模型ポンプの性能から下記の換算式を用いて予測した実物ポ ンプの性能を示すと図5のようになる｡なお,効率の換算式は, 7

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力 動 軸 回転数720rpm 効率 全揚程 10 12 14 吐出量(mりs) 図5 実物ポンプの予想性能 回転数2,940rplれ 全揚程 効率 19.1mりmiロ ー26.6m3/min 34.2皿3/min 38.Om3/min 41.8mり皿in 41.8m3/min 26.6m3/min 19.1m3/min 〉0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 キャビテーション係数グ 図6 _{模型ポソプのキャビテーション性能} COMASPにより指定されたものである｡ 100 で♪=

1･(君-1)(去)0●2

￠タ=(若)喜･昔×(卿×Q川

恥(若)与(思)2×(卿×仇

凡=(忍)8×(岬5×見

登-㊤一視回 ⑨ ⅤOL.52 N0.11 1970 ノすりフィス ベンチユリ 190丘W 加圧ポンプ( ル肝1弁 /f朗竺ポンプ 図7 逆流領域模型試験装置 1 1 ) 4I. 偶← 率 比 量 程 数 力 効 型 出揚 転勤 高 最 模 吐 全 回 軸

諾三Ⅳク

て こ こ ■圧力タンク ー十￣￣ である｡ 添字♪および桝ほ,それぞれ実物ポンプおよび模型ポンプを表わ している｡ 4.2 _{キャビテーション試験} キャピーテショソ試験は効率試験と同一の試験装置(図2)を用い て行なわれた｡試験の際には,数種類の吐出量を選び,各吐出量に ついて吐出量を一定に保ちつつポンプ吸込部の圧力を変化させ,全 揚程および軸動力の変化を測定した｡ 図dはキャビテーション性能を,キャビテーション係数げと全揚 程および効率との関係として表わしたものである｡全揚程は,ポン プ場の許容げ(=0.223)より低いげにおいて低下し始めており,キ ャビテーション性能が満足すべきものであることを示している｡ 4.3 完全特性試験 ポンプ領域,正転逆流領域,逆転逆流領域における性能を測定し た｡この性能ほ,実物ポンプがトリップした場合に生ずるウオータ ハンマを予測計算するために必要である｡逆流領域における試験 ほ,図7に示す装置で行なわれた｡試験に用いた測定器は,効率試 験に用いたものと同一である｡ 試験結果から相似則を用いて求めた完全特性曲線は,図8に示す とおりである｡国中の乃,ヴ,ゐ,椚は,それぞれⅣ(回転数),￠(流 量),ガ(全揚程),〟(軸トルク)の無次元量であり,次式により表 わされる｡

〃=蕊×100,ヴ=昔×100,

ゐ=昔×100,,乃=昔×100(%)

ここで,添字〝は仕様点を表わす｡すなわち,凡=2,940rpm, Q”=38.6m3/min,〃ガ=120.6m,肱=279.4kg･mである｡ 4.4 半径方向推力の測定 羽根車に半径方向に作用する推力の測定は,ポンプ領域および水 車領域の両者について行なわれた｡ポンプ領域における測定には効 率試験装置(図2)を,水車領域における測定には逆流試験装置(図 7)を用いた｡

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977 120 一一定揚程曲線 100 l l

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ーーーーーー定トルク曲線 h _指程比 甘 80 山トルク比

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￣10 一一一一-一一一′ ノ￣ -120 図8 完全特性曲線 半径方向の推力測定は,図9iこ示す装置を用いて行なわれた｡羽 根車に作用する半径方向推力は,自動詞心形ローラベアリングNo. 1およびローラベアリングNo.2によって支持される｡ローラベア リングNo.2に作用する半径方向の力は,荷重計の4本の柱(A-A 断面図)に伝えられる｡A-A断面図に示すように,各柱に2枚ずつ 計8枚のひずみゲージがほられている(4)｡4枚ずつ2組のひずみゲ ージ,すなわちUxl,Ux2,Ux3,Ux4およびUYl,UYz,UY3,UY4は, 2組のブリッジに結線され,各ブリッジによって,柱に作用する半 径方向の力の水平方向成分および垂直方向成分を測定する｡両成分 をベクトル合成することにより,半径方向の力の大きさと方向とを 求めることができる｡ ローラベアリングNo.2は軸方向の力をささえないので,4本の 柱には引張りあるいは圧縮以外の力は作用しない｡仮に多少の曲げ 応力が支柱に生じたとしても,その影響は互いに打消されるように, ブリッジが組まれている｡この測定装置は,半径方向推力に相当す る荷重を羽根車の中心に加えることにより,あらかじめ検定されて いる｡ ポンプ領域における測定結果は,図10に示すとおりである｡半径 方向推力の最大は締切運転状態で生じ,その値は約380kgである｡ 最小値は吐出量一全揚程曲線(図4)の曲率が変化する付近に生じて いる｡水車領域における測定結果は,下記の無次元量を用いて図11 に示される｡

”二志--×100･ヴ=昔×100･才=÷×100(%)

ここで,rは半径方向推力であり,添字乃は仕様点を表わす｡す なわち,凡=2,940rpm,￠搾=38.6m3/min,T乃=222kgである｡ 図に示されているように,走り放し(runaway)状態において,半 径方向推力は最小になっている｡ 址上 仙机り〔G〔≠ま革袴世♯ ぎてむ三拝(hこ〔由言伝出汁 0 0 0 0 6 3 回転数2,940rpm 0 0 0 40 50 吐汁1品(m3ノ′min) く-･･･････････■ 流れ -30 -60

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㊥

10 20 30 40 50 吐rii￣Fiを(mりmin) 図10 _{ポンプ領域における模型ポンプの} 半径方向推力 ｢▼￣ 荷重計 l l 自動詞心型ローラベアリングN r ローラベアリングNo.2 A-A _師

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UYl Ⅹ1 Y2 ロ1S リ￣ング Ⅰ2 ･UY3 E4

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978 240 0 2-ぎ勺■b 8 1 荘拒e末輩在中恕琳 ぎてb在中e只栄置特蝉♯

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0 80 50 20 1 ゥ山 0 0･4 0･8 0月1･0 里 q 回転数比n(%) -140 -120 【100 -80 -60 -40 -20 20 30 40 60 80 100 120 180 220 260 300 水位計 -20 -40 -60 -80 -100 室 ⊂l一

-120孟言

_]岩 t半径方向推力の大きさの無次元星 図11 水草領域における模型ポンプの半径方向推力 4.5 _{起 動 試 験} 実物ポソプは,ケーシソグ内部の水を抜いた状態で起動する, いまっゆる空転起動を行なうように,COMASP により計画されてい る｡この起動方式によれば,電動機を同期させた後に水を吸込管か らケーシング内に流入させ,ケーシング内の空気をケーシング上部 の空気抜きから抜くことになる｡実物ポンプの起動に際して遭遇す るであろう諸問題をあらかじめ調べ,適切な起動条件を見いだすた めに,一連の試験を行なった｡ 試験装置を図12に示す｡吸込管には一基のタソクが取り付けら れている｡タンクに接続している圧縮空気配管の弁を調節すること によって,吸込主弁①の上流側の圧力を実物ポンプの有効NPSH に等しく保つ｡吐出管ほ,吐出ノミイパスによって吸込側タンクに接 続されている｡吐出バイパスには,バイパス弁④と逆止弁⑲が直 列に取り付けられている｡ 実物ポソプを最初に起動する場合,すなわち上部貯水池に水が無 い状態で起動する場合にほ,吐出主弁⑧の下流例の圧力は吸込主弁 ①の上流例の圧力iこ等しいと考えられる｡この状態を模擬するため には,吐出ノミイパス弁③を開いておき,ポンプから吐き出された水 を避止弁⑲を通して吸込側タンクヘ戻すようにする｡実物ポンプ の通常の起動の場合,すなわち吐出管が水で満たされていて吐出弁 10 吸込主弁 模型ポンプ 庄蔚旨空シも配管 空気抜き タンク 吸込みバイパス Ⅴ○工.一52 Ⅳ0.11 1970 電磁弁 しゃ断弁

寒風①

吐出主弁 U 吸込庄測定孔 ∪ 吐出庄測定孔

ぜ/

⑯逆止弁

図12 起 動 試 験 装 置 250 00 50 00. (声量 ヘユニ青 8領域 回転数:2,940rpm A領墟 吐出しバイパス L水抜き ￣0 0j: 仇4 0.6 0月 1.0 空気の体積/(空気＋水)の休債 図13 _{ケーシング内の空気の} 体箭比と軸トルクとの関係 に約12kg/cm2の圧力が作用している場合は,模型ポンプにおい て,吐出バイパス弁③が全閉に近い状態で起動する場合に相当する と考えられる｡ まず,ポンプ･ケーシング内の空気の体積比と軸トルクとの関係 を求める試験を行なった｡この試験中,吸込弁,吐出弁および空気 抜き弁は閉鎖しておく｡試験結果は図13に示すとおりである｡ポ ンプ･ケーシング中に占める空気の体積が減少すると軸トルクは増 加するが,単調に増加するのではなく,図のA,B領域において階 段状の変化をしている｡ 次に,起動に適した条件を見いだすために,表1に示されている 種々の起動条件のもとで,軸トルク,吐出圧力,吸込圧力,軸受の 振動などを測定した｡起動の際の過渡状態における軸トルクの変化 ほ,トルク･ピックアップによって測定された｡吐出圧力および吸 込圧力の過渡的変化は,図12に示す点において,ひずみゲージ式 圧力ピックアップを用いて測定された｡軸受の振動の過渡的変化の 測定にほ,加速度計を用いた｡測定結果はすべて電磁オシログラム に記録した｡軸トルク,吐出圧力および吸込圧力の測定結果を示し たのが図14である｡この図においては,水がケーシングに流入しは じめた時刻を時刻0としている｡ 表1の試験番号1および2の結果,すなわち,吸込主弁①を開く ことにより水をケーシングへ流入させた場合の測定結果は,図14 (a)に示すとおりである｡測定結果は次のように要約される｡ (1)軸トルクおよび吐出圧力は約4,5秒で定常値に達する｡ (2)軸トルクおよび吐出圧力が急上昇する上昇の度合は,試験

ブラジルサンタイネスポンプ場納大形遠心ポンプの模型試験

979 蓑1 起 動 条 件(図12参照) 試験番号 吐_{バイパス弁3}出 空気抜き弁7 空気抜き弁6 開 (吸込ケーシング) (吐出ケーシング) 1 吸込主弁1を 通して 閉 閃 2 3 4 吸込主弁1を 通して 閉 閉 閉 開 吸込バイパス 弁2を通して 開 開 吸込バイパス 弁2を通して 閉 開 閃 吐出庄Hd205m 吸込圧H,17m 試験番号1 試験番号2 試験番号3 試験番号4 軸トルクTr 托17.5m 托205m Tr251kg一山 259kg-m 9 10 1112 1314 時間(s) (a)吸込主弁から水を流人させた場合 H∫ _{一7･5一口} T 177kg-m Hd68m Hd195m H5 2.5m T.245女g-m 9 10 1112 13 14 時 間(s) (b)吸込み′リバス弁から水を流人きせた場介 匝J14 起動時の軸トルク,吐出圧力および 吸込圧力の過渡的変化 番号2の場合,すなわち吐出ノミイパス弁③を閉じている場 合のはうが急である｡ (3)軸トルクは単調には増加せず停滞する領域がある｡なお, これと似た現象が,立軸ポンプ水中のポンプ起動の場合に ついて報告されている(5)｡ 表1の試験番号3および4の結果,すなわち,吸込みバイパス弁 ④を閃くことにより水をケーシングへ流人させた場合の測定結果 は,図14(b)に示すとおりである｡試験番号3の結果は,試験番号 1および2の結果と,主として次の点で異なっている｡ (1)定常状態に到達しない｡軸トレクおよび吐出圧力の変動が 大きい｡ (2)吸込圧力は定常値に達するが,その値は低く約-7mで ある｡ この相違は,下記の原因に基づくと考えられる｡試験番号3の場 合には,吸込みバイパス弁②を開くと,水はケーシングへ流入し始 める｡吐出圧力が上昇するにしたがって,吐出バイパスの逆止弁⑲ が開き,水がポンプから流出する｡おそらく吸込み/ミイパスの直径 が細すぎるため,吸込みバイパスを通ってケーシングへ流入する水 の量が不足し,結局ケーシングは充水されない｡ 試験番号4における軸トルクおよび吐出圧力の測定結果は,試験 番号1および2における結果と似ている｡ただし,試験番号4にお いては,吸込圧力は定常値2.5mi･こ達している｡この値ほ試験番号 1およぴ2における値より小さい｡ 上記の試験検討の結果,次の方法が起動にもっとも適している方 法として,COMASPに提案した｡吐出ノミイパス弁③を開いてお き,吸込主弁①を開いて水を導入する方法｡あるいは,計画を変更 して吸込みバイパスの直径をより太くし,吸込みバイパス弁②を開 いて水を導入する方法｡

5.緯

口 SantaIn昌sポンプ場納めポンプの模型を設計,製作し,試験を 行なった｡1969年9月,COMASPの立会官T.M･Assy教授立会 いのもとに,効率試験およびキャビテーション試験を行ない,これ に合格した｡模型ポンプのポンプ効率は90.4%である｡ 立会い試験後に,完全特性試験,半径方向推力の測定,起動試験 など一連の模型試験を行ない,実物ポンプの設計および運転に必要 な資料を得た｡ この模型試験を遂行するにあたっては,多くのかたがたの協力を いただいた｡日立製作所日立研究所山部主任研究員および械械研究 所藤芳主任技師からは,それぞれ,起動試験および半径方向推力の 測定装置に関して種々の有益な助言をいただいた｡川上速水,長沢 重信,高田国雄,大野政行の諸氏は,試験装置の設計および試験に 従事された｡これらのかたがた,ならびに模型ポンプの製作に従事 された亀有工場の関係各位に深く感謝の意を表する｡ 参 薯 文 献 (1)宮代,近藤:アメリカ内務省開発局スネーククリーク第1 ポンプ場納ポンプ模型試験,日立評論50,936(昭43-10)

(2)J.Parmakian:Vibration of the Grand Coulee

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(3)Ⅰ.A.Winter:Discussion of"Development oftbe Hy-draulic Design for _tbe Grand Coulee Pumps”by C･

Blom,Trans.ASME,Vol.72,p.66(1950)

(4)H.W.Ⅰversen,R.E.Ro11ing andJ.J･Carlson:Volute

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and Volute Mixing Losses of a RadialFlow Centrifugal

Pump,Trans.ASME,SeriesA,Vol.82,pp･136-144(1960)

(5)D.Florjancie and D.Hartland:Starting Cbaracteristics

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