BB5型は3段以上の羽根車を有する高圧多段ポンプである。アウターケーシングが円筒形状であることからバレル型ポンプと呼ばれる。
当該ポンプの主な用途は、石油採掘プラントで地中または海底岩盤中の原油層に高圧流体を押し込み原油を押し出すインジェクションポンプ、また石油精製プラントで流体を高圧に加圧し各種反応塔に送り込むチャージポンプ等である。流体を高圧に加圧するために羽根車を多段としたり、仕様によっては高速回転（4000rpm〜7000rpm）とする場合もある。このポンプは石油採掘プラントや石油精製プラントのまさに心臓と呼べる最重要ポンプとして位置づけられる。高温・高圧流体（温度Max.400℃前後、Max.30Mpa前後）を外部に洩らすことなく且つ安定した連続運転を可能にするために高度な技術が必要とされる。
以下にBB5型プロセスポンプの構造とその特徴を安全性と信頼性の視点を中心に紹介する。

• ケーシング（強固な2重構造ケーシング）
  ケーシング構造は羽根車から吐出された流体を次段の羽根車に効率よく誘導する機能を持つインナーケーシングと高圧設計圧力に対し十分な強度を有するアウターケーシングからなる2重構造となっている。アウターケーシングは高温高温流体を外部漏洩させないためにシール性能の高いラジアルスプリット構造（垂直分割構造）が採用される。ケーシング分割面は圧縮ガスケット（ノンアスベスト材使用）を採用したメタルタッチ構造とすることで、メンテナンス性を向上させると同時に確実な液封を可能にしている。また高温仕様における熱膨張による駆動機との芯ずれを防止するために台板への取り付け脚部をポンプ主軸中心位置と同じ高さに設けたセンターラインサポート構造が採用される。一般的なポンプのケーシングが鋳造製であるのに対して、より信頼性を高めるために高品質の鍛造製が使用される。
• ローター（高効率と低振動を実現するポンプの心臓部）
  ローターは回転機械の命ともいえる部位であり、ポンプの高効率と長期信頼性を可能にするために様々な工夫が施されている。羽根車は最新の流体解析プログラムを適用し効率と性能曲線特性の最適化設計が行なわれている。羽根車が発生する軸方向推力をバランスさせ軸受の負荷を低減させるための機構として最終段羽根車の後ろにバランスドラムが設けられている。部分負荷運転時に発生する周方向推力はディフューザー型インナーケーシングを採用し周方向の圧力分布を均一にすることでバランスさせることができる。羽根車やバランスドラムの回転部とインナーケーシングのクリアランスは漏れ損失の最小化による高効率と主軸の振れや振動を最小限に抑えた安定連続運転を両立させるように最適化されている。また運転時のローターアンバランスを最小にして軸振動を最小にするために羽根車は締まり嵌めとスプリットリングおよびダブルキーによって主軸に固定されている。組み上げられたローターは高精度（ISO G2.5/G1.0）の動的バランス試験が実施される。このような構造特性や高い設計・製造技術により高効率で且つAPI規格の厳しい振動許容値（30μm＠6000rpm）を満足するローターが作り込まれる。
• 軸シールとシールチャンバー（高い環境性能を有する液封装置）
  主軸の大気貫通部からの流体の外部漏洩を防ぐ液封装置としてメカニカルシールが採用される。近年の環境性能や安全性向上の要求から2重シールを装着する事例が増加している。軸シールの性能を最大限に生かすためには、シールチャンバー圧力を流体が気化しない範囲でできるだけ低圧に維持する事が重要である。そのためにシールチャンバーに最適設計された各種補助配管が設置されている。
• 軸受と軸受囲（低振動と長寿命）
  ポンプの両端にはローターを支えるための軸受が設けられる。軸受型式とその潤滑システムの選定は、軸受寿命を確保する為の基本となる。設計条件に合わせてAPI規格に準拠した3種類の設定が用意されている。
  ・ボールラジアルおよびアンギュラーコンタクトスラスト玉軸受/オイルバス潤滑
  ・スリーブラジアルおよびアンギュラーコンタクトスラスト玉軸受/オイルリング潤滑
  ・スリーブラジアルおよびティルティングパッドスラスト軸受/強制給油潤滑
  また、軸受囲とケーシングを連結するブラケットを全円形とし軸受部の剛性を高めることで低振動化に寄与している。

VS6型は、ローターがポンプ据付面に対して垂直方向に吊り下げられる形の竪型ポンプである。ポンプは吸込ノズル、吐出ノズルを有するポンプヘッド部、軸シール部、軸受部は地上に、羽根車やそれを取り巻くケーシング部は地下に掘られたピットの中に収められる。当該ポンプの主な用途は、石油精製、石油化学、ガス処理プラントでの高揮発性の可燃性流体および低温流体（エチレンでは−104℃）の移送である。流体を高圧に加圧するために20数段に及ぶ多段とする仕様もある。高圧で高揮発性の可燃性流体および低温流体を外部に洩らすことなく且つ安定した連続運転を可能にするために高度な技術が必要とされる。
また、API規格に加えて、国内納入ポンプでは取り扱う流体特性により高圧ガス保安法が適用される場合も多い。
以下にVS6型プロセスポンプの構造とその特徴を安全性と信頼性の視点を中心に紹介する。

• ケーシング
  ケーシング構造は前述のBB5型ポンプと同様に、インナーケーシングとアウターケーシングからなる2重構造となっている。ケーシング分割構造をラジアルスプリット構造、圧縮ガスケットを採用したメタルタッチ構造とすることで、メンテナンス性向上と高揮発性の可燃性流体・低温流体の確実な液封を可能にしている。
• ローター
  VS6型ポンプにおいても高効率と長期信頼性を可能にするために様々な工夫が施されている。羽根車はBB5型同様に、効率と性能曲線特性の最適化設計が行なわれている。VS6型ポンプでは軸方向推力を低減させるために羽根車自体にバランスホールを設けて羽根車前後の圧力バランスを最適化している。
  竪型ポンプのローターの特徴として主軸が長尺であることが挙げられる（10mにも及ぶ場合もある）。それは、高圧仕様に対応して羽根車が多段であることに加えて、取り扱う流体特性の関係でポンプが流体を吸込むのに必要な有効吸込揚程（NPSHa）が小さいことによる。竪型ポンプでは主軸を伸ばし吸込み羽根車の位置を下方向に移動させることにより有効吸込揚程不足をカバーし、キャビテーションの発生を防止できる構造になっている。長尺の主軸を有するポンプでは、主軸の振れや振動を最低限に抑えることを可能にする技術が非常に重要になる。部分負荷運転時に発生する周方向推力をディフーザー型インナーケーシングの採用によりバランスさせることや、羽根車や主軸の回転部とインナーケーシングのクリアランスを最適化し漏れ損失の最小化による高効率と安定連続運転を両立させるように設計することに加えて、長尺の主軸を高精度に仕上げるための高度な加工技術も必要とされる。
• 軸シールとシールチャンバー
  液封装置はBB5型同様に2重構造のメカニカルシールを装着する事例が増加している。高揮発性流体や低温流体の場合は、軸シールの性能を最大限に生かすためにシールチャンバー圧力を最適化することが特に重要になる。従って、シールシステム設計への十分な配慮が重要となる。またメンテナンス性や安全性・環境意識の高まりから2重シールの大気側にガスシールを採用する事例も増加している。
• 軸受と軸受囲
  羽根車が発生する軸方向推力とローター自重を支えるのに十分な定格荷重を有したスラスト軸受（アンギュラーコンタクトスラスト玉軸受）が選定される。潤滑方式はオイルバス潤滑が採用され、潤滑油の油面を一定に保つためにコンスタントレベルオイラーが装着されている。

近年、地球温暖化防止のために、CO₂削減や省エネルギーへの取組みが注目されている。そこで次に、ポンプを活用した省エネルギーの事例について紹介する。

石油精製、石油化学プラントの中には原料を高圧槽に送り反応や分解を行った後、低圧槽へ戻すプロセスが多く採用されている。
高圧槽に液を送る場合は、ポンプを使って液にエネルギーを与えるが、低圧槽に戻す場合、減圧バルブ等の絞り機構でエネルギーが無駄に捨てられることがある。このような高圧から低圧に液を輸送するプロセスにハイドリックパワーリカバリータービン（以下HPRT）を設置して、流体圧力から回転動力を取り出すことでエネルギーを有効に活用できる。

• HPRTの構造
  HPRTといっても基本構造はポンプと何ら変わるところはない。異なるのは流体の流れる方向がポンプの場合とは全く逆方向になることである。ポンプの吐出ノズルから高圧液を入れ、吸込ノズルに逃がすことで羽根車に反対方向の回転力を与え、動力として回収する。（図5）
  従ってポンプとしてラインナップされたほとんどの機種が、そのままの構造で、HPRTとして採用可能である。ただ回転方向が逆になるため、ローター軸のネジなどが緩み勝手にならない様注意する必要がある。

• HPRTのアプリケーション
  図6はガス反応プロセスで主ポンプ駆動用モーターの補助動力としてHPRTを使った事例と機器の配列を示す。この場合、HPRTに調速装置を設ける必要はない。しかし、起動時などHPRTの高圧液が確保できない運転がある場合は、ワンウエイクラッチを設けて、HPRTがブレーキにならない様にする必要がある。HPRTはカップリングやクラッチの破損等で無負荷になった場合回転数が急上昇する。この場合の保護装置として、HPRTに過速度を検知して入口遮断弁を閉じるオーバースピードトリップ装置を設ける必要がある。
  その他のアプリケーションとしてHPRTを主ポンプと直結し主駆動機と使用する場合もある。この場合はHPRTの回転数を制御する必要があるため、回転数を検知してHPRT入口弁をコントロールする調速装置が必要である。

石油精製、石油化学プラント以外の様々な分野においても、省エネルギーと地球資源の有効利用の目的で、利用可能な流体のエネルギーが有れば、HPRTを用いた動力回収の可能性を検討されるのも如何であろうか。

新日本造機株式会社
行永和宏　著
本論文は、日刊工業新聞2008年2月5日発行
「ポンプ特集号」に掲載されたものです。