船に乗ったことがあれば、特に流体を効率的に移動させる場合、あらゆる機器がいかに重要であるかをご存知でしょう。船舶の往復ポンプのサプライヤーとして、私はデッキエンジニア、一等航海士、メンテナンスチームから、これらのポンプが実際にどのくらい動くことができるか、つまりその能力についてたくさんの質問を受けます。これはマニュアルから抜き出した単なる乱数ではありません。その背後には確かな科学があり、手順をスキップすると、過負荷、非効率的な操作、さらにはポンプの故障などの問題が発生する可能性があります。目をそらしてしまうような専門用語を使わずに、わかりやすい言葉でこれを説明しましょう。
まず最初に、同じ認識を持っていることを確認しましょう。船の往復ポンプとは何ですか?流体を回転させる遠心ポンプとは異なり、これらはシリンダー内でピストン (またはプランジャー) を前後に動かすことによって機能します。ピストンが引き戻されると真空が発生し、流体が吸い込まれます。前方に押すと、液体が押し出されます。シンプルなデザインですが、燃料の移送、バラスト水の汲み上げ、洗浄や冷却のための高圧物の取り扱いなど、船舶特有の作業に最適です。極低温流体を取り扱うものもありますので、その必要がある場合は、当社サイトの極低温往復ポンプのページで専門的な詳細を確認してください。
ここで、容量とは基本的に、ポンプが単位時間あたりに移動できる流体の体積であり、船上で使用するシステムに応じて、通常は毎分ガロン (GPM) または毎時立方メートル (m3/h) です。ここで重要なのは、シリンダーのサイズだけではないということです。船の状態によって引き起こされる要因は他にもいくつかあります。核となる公式から始めて、実際の船の雰囲気に合わせて調整しましょう。
基本的な理論容量 (Qt と呼びます) は、ピストンの面積、ストロークの長さ (ピストンが出入りする距離)、および 1 分間あたりのストローク数を使用して計算されます。式は次のようになります: Qt = A × L × N、ここで:
- A = ピストンの面積 (π × r²、r は半径、簡単です)
- L = ストローク長 (単位はフィートまたはメートルですが、単位は一致させてください!)
- N = 1 分あたりのストローク数 (SPM)
ちょっと待ってください。船舶に搭載されているほとんどの往復ポンプは単動式ですか、それとも複動式ですか?単動式はピストンの片側の流体のみを移動させるため、上記の式がそのまま機能します。複動ポンプは両側で流体を移動させるため、ピストン ロッドの面積を差し引いて (ロッドが片側のスペースを占有し、体積が減少するため)、両側に 2 を掛ける必要があります。これは大きな違いです。複動ポンプに単動式を使用すると、容量をかなり過小計算することになり、500 GPM のバラストを移動させることを期待している場合には問題になります。
しかし問題は、これは理論上の能力です。実際の船舶の世界では、その数値を正確に達成することは決してありません。体積効率 (ηv) と呼ばれるものがあり、これは非常に重要です。体積効率は、実際の容量 (Qa、ポンプが実際に動かす量) と理論上の容量 (Qt) の比です。なぜ 100% 未満なのでしょうか?理由はいくつかあります:
- 漏れ: 流体がピストン リング、バルブ、またはシールをすり抜けます。揺れる船では、ポンプが完全に水平に設置されていないため、漏れが少し高くなる可能性があります。
- 圧縮性: ガスが含まれている流体 (空気混入燃料など) や高圧流体 (高圧往復ポンプの仕様を確認してください) をポンピングしている場合、ピストンは流体を押し出す前にそのガスを圧縮する必要があるため、ストロークごとに全容積が得られるわけではありません。
- バルブラグ: 入口バルブと出口バルブは瞬時には開閉しません。わずかな遅れが生じるため、ストロークごとに少量の液体が失われます。
船舶では、ポンプの種類とメンテナンスの程度に応じて、体積効率は通常 85% ～ 95% になります。リングが磨耗した古いポンプは 75% 以下に低下する可能性があるため、数年前のポンプの場合は、元の理論値に依存せず、現在の効率で計算してください。
ここで、陸上のポンプ計算では見られない船舶固有の変数を投入してみましょう。まずはロールとピッチ。船が揺れるとポンプの向きが少し変わります。ピストンのストロークが船の横揺れの軸に沿って行われるようにポンプが取り付けられている場合、吸引ストローク中に引き込まれる流体の量に影響を与える可能性があります。たとえば、船が傾いたときに吸入ラインが少し高いか低い場合、吸入圧力が一時的に低下する可能性があり、これにより蒸発（キャビテーション、いやいやと呼ばれます）が発生し、容量がさらに低下する可能性があります。したがって、計算するときは、船舶で利用可能な正味正味吸引ヘッド (NPSHA) を考慮する必要があります。ポンプに必要な正味正味吸引ヘッド (NPSHR) よりも高いことを確認してください。 NPSHA が低すぎると、キャビテーションによって容量が侵食され、時間の経過とともにポンプが損傷します。
もう 1 つの船舶固有の要素: 流体特性。重油 (HFO) をポンプで汲み上げている場合、その粘度は水よりもはるかに高くなります。粘性流体の流れは遅いため、吸入ストローク中にシリンダーを満たすのに時間がかかります。つまり、SPM が高くなると、最大の容量が得られない可能性があります。次のストロークまでにポンプが十分な液体を吸い込むことができないため、実際の容量が低下します。水の場合、100 SPM で効率が 95% に達する可能性がありますが、HFO の場合は、同じ SPM で 80% に低下する可能性があります。したがって、搭載されているすべての液体に同じ効率数値を使用することはできません。
これを具体的にするために、主任機関士が貨物船で実際に行うような簡単な例を見てみましょう。バラスト水用の複動往復ポンプがあるとします。
- ピストン直径: 8 インチ (つまり、半径は 4 インチ、面積 A = π × 4² = ~50.27 平方インチ)
- ピストンロッドの直径: 1.5 インチ (ロッドの面積 = π × (0.75)² = ~1.77 平方インチ)
- ストローク長さ: 12インチ
- SPM: 60
- 体積効率: 90% (きれいなバラスト水、よくメンテナンスされたポンプの場合)
まず、複動の理論容量を計算します: Qt = 2 × (A - A_rod) × L × SPM。数値を代入すると、2 × (50.27 - 1.77) × 12 × 60 = 2 × 48.5 × 12 × 60 = 70,080 立方インチ/分となります。次に、これを GPM に変換します (バラスト システムで使用されるものであるため): 1 ガロン = 231 立方インチ、つまり 70,080 / 231 = ~303.4 GPM (理論値)。実際の容量 Qa = Qt × ηv = 303.4 × 0.9 = ~273 GPM となります。それはバラストポンプにとっては理にかなっています。これが単動式ポンプの場合、Qt は毎分 50.27 × 12 × 60 = 36,194 立方インチとなり、理論上は ~156.7 GPM になります。そのため、実際には ~141 GPM となり、複動式の数値の半分になります。そのため、使用しているポンプのタイプを必ず把握する必要があります。
ちょっと待って、メートル単位を使用している場合はどうなるでしょうか?同じロジックで、インチの代わりにセンチメートルとメートルを使用するだけです。ピストン面積は平方 cm、ストロークは cm、SPM はやはり 1 分あたりのストローク、体積効率は同じ比率です。簡単。
さて、船の乗組員であるあなたにとって、これがなぜ重要なのでしょうか?容量の計算を誤ると、ポンプが小さすぎることになる可能性があります。そのため、バラストの移送に 2 倍の時間がかかり、港湾業務が遅れたり、補油中に十分な燃料油が得られなくなり、安全上の危険が生じます。あるいは、大きすぎると、必要以上に動くポンプを稼働させるため燃料が無駄になり、運用コストが増加します。また、古い船では、往復ポンプを交換する場合、配管システムを機能し続けるために容量を正確に一致させる必要があります。大きすぎると、ホースやバルブを損傷する圧力スパイクが発生します。
船内往復ポンプのゲームに何年も携わってきた私は、体積効率のステップを省略して、なぜポンプが荒れた海で追いつかないのか疑問に思っているのを見てきました。私はかつてコンテナ船で一等航海士と一緒に仕事をしたことがありますが、その人は嵐の中で 420 GPM しか動かなかったため、500 GPM のポンプが壊れているのではないかと考えていました。実際の効率ではなく理論上の容量を使用していたことが判明し、船の横揺れにより漏れが少し追加されました。 85% の効率 (荒れた海のために低下) を含めて計算を調整し、5% の余分な漏れを考慮すると、すべてが一致しました。だからこそ、それは単なる数学ではなく、船の環境が数値をどのように変化させるかを理解することが重要なのです。
もう 1 つ覚えておくべきことは、往復ポンプには通常メーカーによって与えられる定格容量がありますが、それは理想的な条件下での値です。実際の船舶の状況 (さまざまな流体、さまざまな海の状態、摩耗した部品) で運航する場合は、定格数値を微調整する必要があります。過酷な化学薬品や極低温の流体を扱う場合は、極低温往復ポンプのページでそれらの特殊な条件を考慮した仕様を確認してください。通常のポンプでは効率が低下することなく低温や攻撃的な流体を処理できないためです。圧力はバルブの動作方法やポンプが移動できる流体の量に影響するため、ボイラー給水用の水を汲み上げるなどの高圧アプリケーションにも独自の公式があります。
操船中に手動でページをめくる必要がないように、船舶の容量を計算するための重要な手順をまとめましょう。
- ポンプのタイプを確認してください: 単動式か複動式。これにより、理論上の容量公式が大きく変わります。
- ピストン直径、ストローク長、SPM、ピストンロッド直径（複動の場合）などのコアスペックを取得します。
- ポンプのタイプに応じた正しい式を使用して、理論上の容量を計算します。
- 体積効率を確認します。きれいな流体を使用するよくメンテナンスされたポンプの場合は 85 ～ 95%、ポンプが古い場合や粘性/ガス状の流体を扱う場合は低くなり、さらに海の状態に合わせて調整します (海が荒れている = 効率が少し低くなります)。
- NPSHA を考慮してください。吸引圧力がキャビテーションを回避するのに十分であることを確認してください。キャビテーションは容量を急速に消費します。
- 液体の粘度を確認します。液体が濃いと吸引が遅くなり、SPM が高くなると効率が低下します。
新しいポンプの仕様を確認するか、古いポンプを交換するか、ポンプが遅い場合のトラブルシューティングを行うかなど、何かご不明な点がある場合は、私たちがお手伝いいたします。当社は船舶のセットアップにおける往復ポンプを専門としているため、お客様の特定のシステムに合わせて正確な計算をご案内したり、容量ニーズに完全に一致するポンプの選択をお手伝いしたりできます。推測ではなく、船舶の運航に合わせて調整された確かな数字だけです。
念のため言っておきますが、これは万能ではありません。すべての船のポンプ室は少しずつ異なり、すべての流体には独自の特性があり、海の状況も異なります。そのため、(メーカーの評価に従うのではなく) 時間をかけてこれらの手順を実行すると、将来的に頭痛の種を避けることができます。私はこの作業を長く続けてきたので、少し追加の計算をすれば、午前 2 時に海の真ん中で港での遅れやポンプの故障に打ち勝つことができるようになりました。
参考文献
- 米国海事局。 （2018年）。船舶用補助機械: ポンプおよびポンプ システム。米国運輸省。
- Karassik、I.J.、他。 （2014年）。ポンプハンドブック（第5版）。マグロウヒル教育。
- アメリカ海運局。 （2021年）。鋼船の建造および分類に関する規則: 第 3 章 – 機械設備。 ABSグループ。
