前節「2-6 ポンプの吸込揚程と求め方」において、NPSHAとNPSH3の意味及び両者の関係を説明しています。要約すると、次のようになります。

「NPSH3」はポンプ固有のヘッド

そして、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。

NPSH3はポンプ固有のヘッドですが、どうやって求めることができるのでしょうか。理論があるわけではなく、また計算式があるわけでもありません。ポンプメーカは試験をしてNPSH3を求めています。

それでは、NPSH3の試験方法について説明します。試験装置はポンプの全揚程、効率、軸動力などを測定する性能試験装置と同じものを使います。 NPSH3の試験では、吸込圧力をどんどん下げていく必要があるために、吸込タンクが大気開放のときは吸込弁を絞りながら吸込圧力を下げ、吸込タンクが密閉であれば真空ポンプを使って吸込タンク内の圧力を下げていきます。 そのため、小さいポンプでは特に吸込圧力が大気圧力よりもかなり低い真空になるので、吸込配管から空気が混入しやすくなります。空気が混入すると、NPSH3をうまく測定できないために、 フランジの合せ面にＯリングを入れたり、吸込タンクを地上面よりも低くしたり、吸込弁を水中に入れたりするなどの工夫をしています。

具体的に測定方法を説明しましょう。測定する吐出し量は、締切点を除いて数点の吐出し量で行います。 測定しようとする吐出し量の点で、吐出し弁を使って、吐出し量を一定に保ち、かつ、吸込圧力を徐々に下げながら、NPSHAと全揚程を計測します。吸込圧力を下げると、NPSHAも小さくなります。

その様子を図5-5-1に図示します。図5-5-1は横軸にNPSHAをとり、立軸に全揚程の低下率をとっています。吐出し量を一定に保ちながら、吸込圧力を徐々に下げていくと、NPSHAは徐々に零（0）へ向かって小さくなります。 実際の試験は吸込圧力が十分高い状態でまず全揚程を計測し、吸込圧力を少し下げて全揚程を計測し、更に少し下げて全揚程を計測します。 これを繰り返していくと、吐出し量が一定でも全揚程が低下してきます。 吸込圧力が十分高い状態、つまりNPSHAが十分にある状態のときの全揚程の低下率を0 %とし、その低下率が3 %になったときの「NPSHA」が「NPSH3」になります。 このようにして、やっとNPSH3の1点が求まるのです。次に、また異なる吐出し量に変えて、同じように計測してNPSH3を求めます。 数点の吐出し量におけるNPSH3を計測することによって、NPSH3は曲線で表すことができるようになります。

図5-5-1　NPSH3の試験

NPSHAは吸込条件で決まるヘッドなので、吸込タンクが大気開放か密閉か、吸込液面がポンプ軸中心より上にあるか下にあるか、吸込配管径が大きいか小さいかなどによってNPSHAは変わります。

前節「2-6 ポンプの吸込揚程と求め方」において、吸込タンクが大気開放で、吸込液面がポンプ軸中心より下にある場合について説明しています。ここでは、これ以外の状態におけるNPSHAの計算について紹介します。

この状態及びNPSHAの計算式を図5-5-2に示します。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5-5-2　配置－押込み

図5-5-2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）
• hL：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hL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、 結局、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は吐出し量が零（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。

例えば、Ps, Pvp, ha及びρのうち一定でないときがあれば、安全を見て、NPSHAが小さくなるように計算します。

この状態及びNPSHAの計算式を図5-5-3に示します。

図5-5-3　配置－密閉タンク

• 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）
• hL：ポンプ羽根車入口までの圧力損失（m）
• ρ：液の密度（g/cm³）
• 1 MPa = 10.1972 kg/cm²

この場合、吸込タンク内では最初は液面が不安定であっても、そのうち液面の圧力Psと液の飽和蒸気圧力Pvpが釣り合って、液面が安定した状態になります。 ポンプ羽根車入口までの圧力損失 hLは、ポンプの吐出し量Qの2乗に比例して増加することに変わりがないので、「NPSHA」は、吐出し量Q=0のときが最大で、Qの増加とともに、2次曲線で低下します。

ここで、吸込タンク内を想像してみてください。吸込タンク内の圧力が、液の飽和蒸気圧力より低いと液は気化します。 気化し続けている間は、液面が不安定になっています。そして、気化によってできた気相がタンク内の圧力を高め、飽和蒸気圧力に達すると気化が終わり液面は一定になるのです。

液化ガスなど飽和蒸気圧力が高い液体を扱うポンプでは、しばしばNPSHAが小さくなることがあります。その場合、横軸ポンプが使えなくなるので、吸込キャン付き立軸多段ポンプを使用します。

吸込キャン付き立軸多段ポンプの場合、図5-5-4に示す基礎面からキャン下端までの高さ H及び1段目の羽根車を基準にした場合のNPSH3 Δhは、発注前の引合い時は、購入者には不明です。 したがって、「NPSHA」は吸込ノズル中心におけるNPSHA Avの値を指示すると便利になります。

このような立形ポンプは、見かけ上のNPSHAを大きくするために、地中に穴を掘って、ポンプ部はその穴の中に設置されます。

図5-5-4　吸込キャン付き立軸多段ポンプのNPSH3

• Av：吸込ノズル中心におけるNPSHA (m)
• Req.：吸込ノズル中心におけるNPSH3 (m)
• A：余裕 (m)＝NPSHA－NPSH3
• Δh：1段目の羽根車を基準にした場合のNPSH3 (m)
• H：基礎面から吸込ノズル中心までの高さ (m)
• L：基礎面からキャン下端までの高さ (m)

『遠心ポンプの基礎講座』の目次

目次をもっと見る