問題
ポンプに関する次の記述のうち、最も不適当なものはどれか。
(1) キャビテーションの発生部分には激しい浸食が生じ、ポンブ寿命を低下させる。
(2) フライホイールなどを付加し、回転体の慣性重量を大きくすることで、停電時の水撃作用を防止できる。
(3) 配管系における流体摩擦損失及び機器の損失は、管内流速の2乗に比例する。
(4) 一般に全揚程は吐出し量がゼロのときに最小となり、吐出し量の増加とともに高くなる。
(5) 揚程曲線が右下がりの曲線部分に運転点をもってくることで、サージングを防げる。
ビル管過去問｜ポンプのキャビテーション・揚程・サージングを解説
この問題は、ポンプの基本特性として重要なキャビテーション、水撃作用、配管損失、全揚程の変化、サージング防止について問うものです。機械系の問題では、用語の意味だけでなく、流量が変わると揚程や損失がどう変化するかを整理して理解しておくことが大切です。特に重要なのは、遠心ポンプの全揚程は一般に吐出し量がゼロのときに最大となり、吐出し量の増加とともに低下するという点です。したがって、(4)が不適切な選択肢です。
(1) キャビテーションの発生部分には激しい浸食が生じ、ポンブ寿命を低下させる。
適切です。その理由は、キャビテーションとは、ポンプ内部で圧力が局所的に低下し、液体中に気泡が発生し、それが再び高圧部で急激につぶれる現象だからです。このとき気泡の崩壊により非常に強い衝撃が生じ、羽根車やケーシングの表面に微細な損傷を繰り返し与えます。その結果、金属表面に浸食が起こり、性能低下や騒音、振動の増加を招き、最終的にはポンプの寿命を縮めます。したがって、この記述はキャビテーションの代表的な悪影響を正しく示しており、適切です。
(2) フライホイールなどを付加し、回転体の慣性重量を大きくすることで、停電時の水撃作用を防止できる。
適切です。その理由は、停電などでポンプが急停止すると、配管内の流速が急激に変化し、圧力変動が起こって水撃作用が発生しやすくなるからです。フライホイールを取り付けると、回転体の慣性が大きくなり、停電時にもポンプがすぐには止まらず、回転数の低下が緩やかになります。すると流速の変化も急激ではなくなり、水撃作用の発生を抑えやすくなります。つまり、急停止を避けて圧力変動を和らげる対策として有効なので、この記述は適切です。
(3) 配管系における流体摩擦損失及び機器の損失は、管内流速の2乗に比例する。
適切です。その理由は、配管の摩擦損失やバルブ、継手、熱交換器などの局部損失は、一般に流速の2乗に比例する形で表されるからです。流体が速く流れるほど、管壁との摩擦や流れの乱れによるエネルギー損失が大きくなります。たとえば、流速が2倍になれば、損失はおおむね4倍になります。この関係はポンプ選定や配管設計で非常に重要であり、必要以上に流速を高くすると圧力損失が急増して効率が悪くなります。したがって、この記述は正しい内容です。
(4) 一般に全揚程は吐出し量がゼロのときに最小となり、吐出し量の増加とともに高くなる。
不適切です。その理由は、遠心ポンプの全揚程は一般に吐出し量がゼロのときに最大となり、吐出し量が増えるほど低下する性質をもつからです。これはポンプの揚程曲線の基本であり、多くの場合、右下がりの曲線として表されます。吐出し量がゼロの状態は締切運転に近く、このときポンプは最も高い揚程を示します。逆に流量が増えると、ポンプが与えられる揚程は徐々に小さくなります。この選択肢は、その関係を逆に述べているため誤りです。試験では「ゼロ流量で最大か最小か」を逆にして問うことが多いため、確実に覚えておく必要があります。
(5) 揚程曲線が右下がりの曲線部分に運転点をもってくることで、サージングを防げる。
適切です。その理由は、サージングとは、ポンプや送風機などで流量や圧力が不安定になり、振動や異常音を伴いながら運転状態が揺れ動く現象をいうからです。一般に、運転点を安定な右下がり特性の範囲に置くことで、流量変動が生じても運転状態が自然に戻りやすくなり、不安定な運転を避けやすくなります。逆に、右上がりや山形特性の不安定領域に運転点があると、流量や圧力のわずかな変化で運転が乱れやすくなります。そのため、右下がりの曲線部分で運転させることは、サージング防止の基本的な考え方として適切です。
この問題で覚えるポイント
遠心ポンプの全揚程曲線は、一般に吐出し量がゼロのときに最大で、流量が増えるほど低下します。キャビテーションは気泡の発生と崩壊によって浸食、騒音、振動を起こし、ポンプ寿命を縮めます。配管摩擦損失や局部損失は流速の2乗に比例するため、流速が上がると損失は急増します。停電時の水撃作用対策としては、フライホイールで急停止を避ける方法が有効です。サージング防止には、安定した右下がり特性の範囲で運転点をとることが重要です。
ひっかけポイント
全揚程と吐出し量の関係を逆に覚えてしまうと誤答しやすいです。特に、吐出し量ゼロで最大か最小かは頻出です。キャビテーションは単なる気泡発生ではなく、気泡崩壊による浸食まで含めて理解しておく必要があります。損失が流速に比例ではなく、流速の2乗に比例する点もよく狙われます。サージングは不安定運転に関する現象なので、安定運転領域との関係で押さえることが大切です。
