「このポンプは何m吸い上げられるか」ということが、話題になることがあります。図2-6-1に示すhaが吸い上げることができる高さ、すなわち吸込揚程になります。 吸込揚程は「キャビーテーション」に直接関係する値です。吸込揚程より低い液面高さ、すなわち、ポンプが吸い上げることができない液面高さでポンプを運転すると、ポンプは「キャビーテーション」という重大な事故を起こします。

それでは、どうやって吸込揚程を知ることができるのでしょうか。それには、まずNPSHAとNPSH3のそれぞれの意味と両者の関係を理解する必要があります。

NPSHA=10/ρ・Ps-10/ρ・Pvp-ha-hL

• Ps：液面の圧力（kg/cm²a.）
• Pvp：液の飽和蒸気圧力(kg/cm²a.)
• ha：液面とポンプ羽根車中心の高さ(m)
• h_L：ポンプ羽根車入口までの圧力損失（m）
• ρ：液の密度（g/cm³)
• 1MPa=10.1972kg/cm²

図2-6-1：ポンプの配置

NPSHAは英語では「Net Positive Suction Head Available」、日本語では「有効吸込ヘッド」と呼んでいます。 ポンプの羽根車入口直前の圧力が、取扱液の飽和蒸気圧力に対して、どれだけ余裕をもっているかを表す圧力のことですが、 NPSHAは単位をメートルmで表します。したがって、NPSHAは、「ポンプの羽根車入口直前の圧力が、取扱液の飽和蒸気圧力に対して、 どれだけ余裕をもっているかを表すヘッド」です。すなわち、液が持っている吸込ヘッドから飽和蒸気圧力を引いたヘッドと定義されます。

NPSHAは、ポンプの吸込側の条件、すなわち、吸込タンクが大気開放か密閉か、その吸込タンク内の液面高さ、吸込配管が長いか短いか、曲管が多いか少ないかなどによって決まります。NPSHAは一般にはポンプ使用者側の設備設計者によって計算されて、ポンプメーカへ指示されます。

NPSH3は英語では「Net Positive Suction Head Required」、日本語では「必要有効吸込ヘッド」と呼んでいます。ポンプが液を羽根車から吸い込んでいくために必要になる圧力ですが、 NPSHAと同様に、単位をメートルmで表すために、NPSH3は、「ポンプが液を羽根車から吸い込んでいくために必要になるヘッド」です。 すなわち、液が羽根車に入る直前の速度ヘッドと羽根車入口で起こる局部的な圧力低下の和と定義されます。NPSH3は、羽根車の設計やポンプの吸込口の設計によって変わり、いわばポンプ固有のヘッドになります。

重要なことは、NPSHAもNPSH3も、絶対真空を0 mとして表示している点です。まとめると、

NPSHAは吸込条件で決まるヘッド

NPSH3はポンプ固有のヘッド

になります。

参考ですが、NPSHAとNPSH3は、従来次のように呼んでいました。

「NPSHA」：NPSH Av., NPSH Av, Av. NPSHなど

「NPSH3」：NPSHR, NPSH Req., Req. NPSHなど

しかし、1999年に発行されたISO 9906でNPSHA及びNPSH3と用語を定義したことを契機に、JIS B 8301もこのように変更し、現在最新の用語はNPSHA及びNPSH3です。

NPSHAの計算式を図2-6-1に示しています。単位は「SI系」でなく「CGS系」になっているので、「SI系」の単位のときは、

1 MPa = 10.1972 kg/cm2

を使って換算してください。

図2-6-1によると、NPSHAは次の値で計算できます。

• Ps：液面の圧力（kg/cm²a.）
• Pvp：液の飽和蒸気圧力(kg/cm²a.)
• ha：液面とポンプ羽根車中心の高さ(m)
• h_L：ポンプ羽根車入口までの圧力損失（m）
• ρ：液の密度（g/cm³)

ここで、液面の圧力は大気圧力なので変動はない、液温が変わらないので液の飽和蒸気圧力及び密度は変わらない、液面に変動がないので液面とポンプ羽根車中心の高さは変わらない、 すなわち、Ps, Pvp, ha及びρを一定とすれば、NPSHAはポンプ羽根車入口までの圧力損失hLだけの変数になります。

ポンプ羽根車入口までの圧力損失h_Lは、吸込配管内の流速の2乗に比例して増加します。ポンプの吐出し量と吸込配管内の流速は比例関係にあるので、圧力損失hLは吐出し量の2乗に比例して増加します。 すなわち、NPSHAは吐出し量が0のとき最大になり、吐出し量の2乗に比例して低下するのです。

前述のように、NPSHAは吐出し量が0のとき最大になり、吐出し量の２乗に比例して低下します。一方、NPSH3は比速度Nsが小さい遠心形ポンプの場合、吐出し量の増加とともに増加します。この関係を図2-6-2に示します。

ポンプがキャビテーションを起こさないで安全に運転されるためには、

NPSHA＞NPSH3

という関係になることが必要です。図2-6-2で示す点Aが、理論的には運転可能な吐出し量の最大になります。これを超えて運転すれば、キャビテーションが発生します。 しかし、実際にはNPSHAの計算の不確かさ、吸込配管内面の経年変化、駆動機への電圧変動によるポンプ回転速度の変動などを考慮して、一般にはNPSHAに余裕をみます。具体的には、

NPSHA－NPSH3≧0.6 m　または、NPSHA≧1.3xNPSH3

と購入者は指示することが多いです。

図2-6-2：「NPSHA」と「NPSH3」の関係

さらに理解を深めるために、具体的な数値を使って説明します。

図2-6-1において、吸込タンクの液は常温の水で液面は大気開放とします。そうすれば、

Ps =1 atm=1.03323 kg/cm²

Pvp =0.02383 kg/cm² a.

ρ=1.0 g/cm³

となります。次に、吐出し量Q=30 m³/hのときの

ha=3m

h_L=1.0m

とします。ここで、吐出し量Q=0 m³/hのときは、h_L=0 mになります。

NPSHA=10 x Ps/ρ-10 x Pvp/ρ-ha-h_Lの計算式から、

吐出し量Q=30 m₃/hのときは、

NPSHA=10x1.03323/1.0-10x0.02383/1.0-3-1.0=6.09 m

になります。このとき、NPSH3=2.5 mとすれば、余裕は、

NPSHA-NPSH3=6.09-2.5=3.59 m

になります。したがって、まだhaをさらに大きくすることができます。余裕を0.6 mにすると、

ha =3.59-0.6+3=5.99 m=6.0 m

にすることができるのです。つまり、この例の場合、吸込揚程は6 mになります。

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