NPSH とポンプのキャビテーション

概要

Net Positive Suction Head (NPSH) は、ポンプがキャビテーションなしに動作できるかどうかを決定します — インペラーを損傷し性能を低下させる蒸気泡の形成と崩壊。すべての遠心ポンプにはメーカーが提供する**NPSH required (NPSHr)カーブがあります。システムは、すべての動作点で十分なマージンをもってNPSHrを上回るNPSH available (NPSHa)**を提供する必要があります。

キャビテーションは、ポンプ入口での局部静圧が液体の蒸気圧以下に低下したときに発生します。急速な蒸気化は流れを乱し、騒音を発生させ、金属表面を侵食します。適切な吸引配管設計と高い位置に設置された供給タンクがそれを防ぐ主要な手段です。

主要な公式

NPSH available (絶対ヘッド形式):

$\text{NPSHa} = \frac{P_s - P_v}{\rho\, g} + z_s - h_f$

NPSHマージン比（無次元安全チェック）:

$\text{Margin} = \frac{\text{NPSHa}}{\text{NPSHr}}$

蒸気圧ヘッド:

$h_{vp} = \frac{P_v}{\rho\, g}$

変数

水の蒸気圧

正確な $P_v$ 値はNPSHa計算に不可欠です。水の蒸気圧は温度とともに急激に上昇します：

典型的なNPSHマージンガイドライン

計算機 — NPSHa 推定

ソースコンセプト保持

ソースページは吸入ヘッド、液体蒸気ヘッド、正味有効吸入ヘッド、利用可能なNPSH、および必要なNPSHを区別しています。開放吸引タンクの場合、大気圧は正の圧力ヘッドを提供し、蒸気圧は蒸気ヘッドを減少させ、静的液面は高さヘッドを増減し、吸引配管の摩擦は損失を減少させます。溶解ガスを含む液体は、純粋な液体の蒸気圧に達する前にキャビテーションやガス放出を起こす可能性があるため、温水、炭化水素、ガス含有量の多い液体には追加のマージンが必要です。

例 - 開放タンクからの水のポンピング

海面の開放タンクから水を取るポンプの場合、大気圧は約10.3 mの水ヘッドを供給します。利用可能なNPSHは、液体蒸気圧ヘッド、吸引リフトまたはフラッド吸引ヘッドによって増加し、吸引配管の摩擦損失によって減少します。

一例として、20 °Cの水の蒸気圧は約2.3 kPaで、約0.24 mの水蒸気ヘッドに対応します。開放タンク、ポンプ中心線が水面から3 m下、吸引摩擦損失0.5 mの場合：

$NPSH_a \approx 10.3 - 0.24 + 3.0 - 0.5 = 12.56\ m$

同じポンプがフラッド吸引の代わりに3 m吸引リフトで設置された場合、高さ項は負になり、利用可能なNPSHは約6.56 mに低下します。

NPSHと溶解ガスを含む液体

溶解空気や他のガスを含む液体は、純粋な液体の蒸気圧に達する前に、圧力が低下するとガスを放出する可能性があります。このガス放出はポンプ性能を低下させ、騒音を発生させ、キャビテーションの症状を模倣する可能性があります。したがって、温水、コンデンセート、炭化水素、沸点に近いプロセス液体は、追加のNPSHマージンと保守的な吸引配管で設計する必要があります。

脱気、液体の過冷却、タンク高さの増加、吸引容器の加圧、吸引配管の速度低下、および吸引配管の継手削減は、ガス含有量の多い液体のNPSHaを改善する一般的な方法です。

元のソーステーブルの復元

以下のテーブルは、完全な参照データを保持するために元のソースページから復元されたものです。

水と温度に対する吸引ヘッドおよび吸引揚程の低減

標高に対する水の吸引揚程低減

炭化水素のポンプ吸引ヘッド

元のソース画像

以下の元のソース画像は、視覚的参照資料を失わないように保持されています。画像にチャートや表形式のデータが含まれている場合、その抽出値はページのテーブル、計算機、またはインタラクティブチャートで表されます。残りの画像は視覚的なソース参照として保持されます。

ポンプシステムカーブ - インタラクティブ表示

エンジニアリングノート

• 常に絶対圧力を使用してください。 一般的なミスはゲージ値と絶対値を混同することです。海面での大気圧は ≈ 101.3 kPa abs です。
• 高温液体は最大のリスクです。 80 °C での水の蒸気圧は ~47 kPa で、大気圧のほぼ半分であり、開放系では NPSHa の余裕がほとんどありません。
• 加速ヘッドを含めてください。 レシプロ（容積式）ポンプ用です。脈動流は定常摩擦では捕捉されない吸引側の圧力降下を追加します。
• 配管サイズは重要です。 吸引配管が小さすぎると、速度ヘッドと摩擦損失が増加し、どちらも NPSHa を減少させます。
• ポンプに対する水源の標高 ($z_s$) は、液面からポンプ中心線まで測定されます。フラッド式配置 (+) は、吸引力揚程 (−) よりもはるかに信頼性があります。
• 粘性または高比重の流体 は摩擦損失を増加させ、NPSHr 曲線をシフトさせる可能性があります。修正係数についてはポンプメーカーに相談してください。
• 吸引口での沈下要件 は、渦流や空気の巻き込みを防ぎます。これは、静的水位が十分に見えても、効果的に NPSHa を減少させます。

参考文献

• 原著 — Engineering ToolBox: NPSH とキャビテーション