正味吸込みヘッド(Net Possitive Suction Head: NPSH)は油圧システム設計、特にポンプ選定で使用される用語です。NPSHは、気相転移(フラッシング)につながる運転条件を定義し、それを回避することを可能にします。この記事では、ポンプ入口で使用可能な有効吸込みヘッド(Net Possitive Suction Head Available: NPSHA)と所定のポンプにおける必要吸込みヘッド(Net Possitive Suction Head Required: NPSHR)を説明し、この2つが互いにどのように関連しているかを説明します。

NPSHは、ポンプおよび油圧システムの設計において、ポンプ内でキャビテーションが発生するかどうかを制御する重要な駆動パラメータとして使用されます。

キャビテーションは、入口圧力が低下しすぎて流体中に低圧蒸気のポケットが形成されると発生します。これらの蒸気の泡は、ポンプ部品に対して激しく崩壊し、その結果、ポンプ自体および場合によっては下流の他の機器の両方に重大な損傷を与える可能性のあるマイクロジェットを形成する可能性があります。

摩耗したフランシス・タービン　出典

正味吸込みヘッドの計算方法は？

最も一般的な意味では、NPSHはポンプ入口吸込み圧力と蒸気圧の差です:

$$NPSH = P_{t,in} – P_{vap}\tag{1}$$

ここで、

$P_{t,in} = ポンプインレットでの停滞(全)圧力、ポンプ運転時$

$P_{vap} = ローカル(入口)温度での作動流体の蒸気圧$

です。

$P_t$は蒸気圧と一致させるために絶対単位で表す必要があるため、ゲージ圧ではなく絶対圧を用います。

最後に、上記の式は圧力単位でNPSHを計算します。ヘッド(フィートまたはメートル)に変換するには、以下の変換を適用する必要があります:

$$NPSH \text{(in ft)} = 2.32 \left(\frac{NPSH \text{(psi)}}{SG}\right )\tag{2}$$

$$NPSH \text{(in m)}= 10 \left(\frac{NPSH \text{(kPa)}}{SG}\right )\tag{3}$$

まず、吸込み全圧は、ポンプ運転時にポンプのノズルの流入側で決定する必要があります。圧力計が吸込口の上または下にある場合は、高低差に基づく静圧を加算または減算する必要があります。これは静圧ヘッドよりはるかに小さいことが多いのですが、ゲージ接続部のパイプ内の速度ヘッドを加算して合計の圧力を求める必要があります。

キャビテーションが発生した遠心ポンプの圧力プロファイル: 流体がポンプインレットに入る (a)、流体がインペラーに入り気泡が蒸気圧以下に形成されると圧力が低下 (b)、気泡が下流に移動して崩壊しながら流体がインペラーから出る (d) と圧力が上昇

NPSHA と NPSHR

NPSHAとは？

NPSHAは、運転環境と圧送される流体の条件のみに依存します。蒸気圧は温度とともに上昇するため、キャビテーションは温度が高いほど発生しやすくなります。したがって、NPSHAは温度が上昇するにつれて減少する傾向があります。NPSHAは、問題のポンプの機能ではなく、システムパラメータとして考えることができます。

NPSHRとは？

一方、NPSHRはポンプによって決定されます。これは、ポンプが効果的に動作し、キャビテーションを回避するために必要なNPSHであり、多くのポンプ特性の関数です。インペラーベーンの数や形状、インペラーアイの直径、回転数、シャフトとインペラーハブの直径、表面粗さなどの設計面は、すべてNPSHRに影響します。

NPSHAとNPSHRの比較

NPSH 要件を確実に満たし、キャビテーションを回避するには、NPSHR を NPSHA よりも十分な余裕をもって大きくする必要があります。このマージンは、ポンプの耐用年数や流体条件の範囲にわたってポンプが安全に運転されることを保証します。一般的なマージンは約10～30%(マージン比1.1～1.3)ですが、具体的なNPSH要件は、対象となるポンプと流体システムによって異なります。

NPSHAやNPSHRが負になることがあるかとよく質問されますが、その名前からすると直感に反するように聞こえます。NPSHAが負になることはあり得ますが、実用上、私たちが遭遇することはありません。負のNPSHAは、ポンピングされる液体がポンプに到達するときに沸騰していることを意味します。また、NPSHRは常に正であるため、ポンプのキャビテーションを避けるためにはNPSHAも正(より大きい)でなければなりません。

ポンプのキャビテーションを避ける方法

前述のように、有害なキャビテーションを避けるためには、使用可能なNPSHと必要なNPSHの間に十分な正味吸込揚程のマージンを維持する必要があります。このため、ポンプの選定と設置は油圧システムの設計において極めて重要なステップとなります。一旦ポンプが選定されると、予期せぬ変更によりシステムのマージンが不足することがあります。プロジェクトが計画通りに進むことはめったにないため、このようなことはよくあることで、エンジニアは適応する準備が必要です。

ポンプキャビテーションの発生を防ぐには、4つのステップを踏む必要があります:

作動液の温度を下げ、蒸気圧を下げます。
ポンプの回転数(したがって流量)を下げます。
ポンプインレットにインデューサを追加して、インペラ入口での圧力低下を和らげます。
貯蔵容器の水位を上げるか、ポンプを下降させ、入口静水頭を上げます。

これらの緩和手段がすべて尽くされた場合、残された唯一の選択肢は、NPSHRの低い別のポンプを選択することです。

NPSHの決定におけるCFDシミュレーションの役割

CFDシミュレーションにより、完全な水力システム内の流れの状態を予測することが可能になり、NPSHの計算に貴重な情報を提供します。これらのシミュレーションは、解決しようとする問題に応じて、システムレベルとコンポーネントレベルの両方で実施できます。

流体システムを設計するエンジニアの視点から見ると、シミュレーション結果はポンプの位置で利用可能なNPSHAを決定するために使用されます。NPSHAのモデリングは、全油圧システムの定常状態、単相、非圧縮性流体シミュレーションで構成されます。この解析では、熱輸送も考慮されます。CFDを使用して、ポンプインレットにおける局所的なインレット全圧と蒸気圧を正確に予測し、これをNPSH方程式に使用することができます。

次世代のポンプ技術を設計するエンジニアにとって、CFDはポンプの水力設計に関する貴重な可視化と情報を提供します。

Subsonicソルバーを使用したポンプのキャビテーション効果のCFDシミュレーション

要約すると、CFDシミュレーションは、所定のシステムにおけるNPSHAと詳細なポンプ設計におけるNPSHRの両方を評価するために使用できます。この技術により、NPSHAとNPSHRをより正確に仮想的に決定することができ、これらの2つの値の間が、システムの寿命にわたって有害なキャビテーションを回避するのに十分であることを保証するのに役立ちます。

正味吸込みヘッドは複雑な工学的概念のように思われるかもしれませんが、一度分解してしまえば、実は非常に簡単に理解することができます。エンジニアや設計者は、油圧システムを設計し、用途に適したポンプを選択する際に、NPSHを考慮する必要があります。CFDシミュレーション技術により、エンジニアはNPSHAとNPSHRの両方を現実的にモデル化することができ、ポンプの設計と選定プロセスにおいて貴重な知見を得ることができます。この知識があれば、ポンプが将来にわたって安全かつ確実に稼動することを確信できます。

2024年3月13日