正味吸引ヘッド

油圧回路において、正味正圧吸引ヘッド( NPSH ) は、キャビテーションの解析における 2 つの量のいずれかを指します。

1. 有効 NPSH (NPSH _A ): 特定のポイントで流体がフラッシュに、つまりキャビテーションにどれだけ近いかを示す指標。技術的には、絶対圧力ヘッドから液体の蒸気圧を引いた値です。
2. 必要 NPSH (NPSH _R ): 流体をキャビテーションから遠ざけるために必要な吸入側 (ポンプの入口など) のヘッド値 (製造元によって提供)。

NPSH は、油圧システムの中でキャビテーションの影響を最も受けやすい部品である遠心ポンプやタービンの内部で特に問題となります。キャビテーションが発生すると、インペラの羽根の抗力係数が急激に増加し、流れが完全に止まる可能性もあります。また、長時間の曝露によりインペラが損傷する恐れがあります。

ポンプでは、キャビテーションはまずインペラの入口で発生します。^[1]入口をiで表すと、この時点での NPSH _{Aは次のように定義されます。}

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$

ここで、は入口の絶対圧力、は入口の平均速度、は流体の密度、は重力加速度、は流体の蒸気圧です。NPSH は、静的ヘッドと動的ヘッドの合計、つまりよどみ点ヘッドから平衡蒸気圧ヘッドを引いた値に等しいため、「正味の正の吸引ヘッド」となります。 ${\displaystyle p_{i}}$${\displaystyle V_{i}}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle g}$${\displaystyle p_{v}}$

0での運動エネルギーは無視でき、流体は非粘性であり、流体の密度は一定であるという仮定の下で、吸引自由表面0とポンプ入口i を囲む制御体積にベルヌーイの方程式を適用すると、次のようになります。

${\displaystyle {\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}={\frac {p_{i}}{\rho g}}+{\frac {V_{i}^{2}}{2g}}+z_{i}+h_{f}}$

_{上記のベルヌーイの応用を使用して、NPSH A}の定義における速度項と局所圧力項を削除します。

${\displaystyle {\text{正味の正の吸引ヘッド}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{i}-z_{0})-h_{f}}$

これは、ある点で利用可能な NPSH を表す標準的な表現です。利用可能な NPSH がキャビテーションを防ぐために必要な NPSH (NPSH _R )より小さい場合、点iでキャビテーションが発生します。単純なインペラ システムの場合、NPSH _{R は}理論的に導き出すことができますが、^[2]多くの場合、経験的に決定されます。^[1]注: NPSH _Aと NPSH _{R は}絶対単位で、通常は「psia」ではなく「m」または「ft」で表されます。

実験的には、NPSH _Rは、油圧性能の低下により、所定の流量でポンプのヘッド出力が3％減少するポイントであるNPSH ₃として定義されることが多い。多段ポンプでは、これは第1段のヘッドの3％の低下に制限されます。^[3]

反動タービンのNPSHの計算は、ポンプのNPSHの計算とは異なります。これは、キャビテーションが最初に発生する場所が異なるためです。反動タービンでは、キャビテーションは最初にインペラの出口、ドラフトチューブの入口で発生します。^[4]ドラフトチューブの入口をeで表すと、NPSH _Aはポンプの場合と同じように定義されます。

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}=\left({\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}\right)-{\frac {p_{v}}{\rho g}}}$^[1]

0での運動エネルギーは無視でき、流体は非粘性であり、流体の密度は一定であるという仮定のもと、ベルヌーイの原理をドラフトチューブの入口eから下部の自由表面0に適用すると、次のようになります。

${\displaystyle {\frac {p_{e}}{\rho g}}+{\frac {V_{e}^{2}}{2g}}+z_{e}={\frac {p_{0}}{\rho g}}+z_{0}+h_{f}}$

_{上記のベルヌーイの応用を使用して、NPSH A}の定義における速度項と局所圧力項を削除します。

${\displaystyle {\text{NPSH}}_{A}={\frac {p_{0}}{\rho g}}-{\frac {p_{v}}{\rho g}}-(z_{e}-z_{0})+h_{f}}$

タービンでは、ポンプの場合とは逆に、 小さな摩擦損失 ( ) によってキャビテーションの影響が軽減されることに注意してください。${\displaystyle h_{f}}$

蒸気圧は温度に大きく依存するため、NPSH _Rと NPSH _Aも同様です。遠心ポンプは、特に蒸気圧に近い加熱溶液をポンプで送る場合に脆弱ですが、容積式ポンプは2 相流 (ガスと液体の混合物) をポンプで送る能力に優れているため、キャビテーションの影響は少なくなります。ただし、ガスが不均衡な液体を容積的に置換するため、ポンプの流量は減少します。液体が沸点に近い場合、遠心ポンプで高温の液体をポンプで送るには、慎重な設計が必要です。

キャビテーション バブルの激しい崩壊により衝撃波が発生し、ポンプ内部の部品 (通常はインペラの先端) から材料が削り取られ、「砂利を汲み上げる」ような騒音が発生します。さらに、振動が必然的に増加するため、ポンプや関連機器に他の機械的障害が発生する場合があります。

NPSH は、キャビテーションに関連する他の多くのパラメータにも現れます。吸引ヘッド係数は、 NPSH の無次元の尺度です。

${\displaystyle C_{\text{NPSH}}={\frac {g\cdot {\text{NPSH}}}{n^{2}D^{2}}}}$

ここで、はターボ機械シャフトの角速度（rad/s）、はターボ機械インペラの直径です。トーマのキャビテーション数は次のように定義されます。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle D}$

${\displaystyle \sigma ={\frac {\text{NPSH}}{H}}}$

ターボマシンの向こう側のヘッドは どこにありますか。${\displaystyle H}$

（海面に基づく）。

例 1: ポンプの取水口より 2 メートル上の液面を持つタンクに、大気圧10 メートルを加算し、ポンプへの摩擦損失2 メートル (パイプとバルブの損失とします) を減算し、事前設計されたポンプの NPSH _R曲線 (2.5 メートルとします) (メーカーの曲線を参照) を減算すると、NPSH _A (使用可能) は 7.5 メートルになります (流量負荷を忘れないでください)。これは、必要な NPSH の 3 倍に相当します。他のすべてのパラメータが正しい限り、このポンプは正常に動作します。

正または負の流量デューティによって、ポンプ製造元の NPSH _R曲線の読み取り値が変わることに注意してください。流量が低いほど、NPSH _{R は}低くなり、逆もまた同様です。

井戸から水を汲み上げると、負の NPSH も発生します。ただし、海面での大気圧は 10 メートルであることを忘れないでください。これは、ポンプの取水口にボーナスのブーストまたは「プッシュ」を与えるので役立ちます。(ボーナスとして得られるのは 10 メートルの大気圧のみであり、それ以上のものではないことに注意してください)。

例 2: 取水口より 5 メートル下の作業レベルを持つ井戸またはボーリングから、ポンプへの 2 メートルの摩擦損失 (パイプ損失) を差し引き、事前設計されたポンプのNPSH _{R曲線 (たとえば 2.4 メートル) を差し引くと、NPSH A} (使用可能) は (負の) -9.4 メートルになります。これに大気圧 10 メートルを加えると、NPSH _{A は正の 0.6 メートルになります。最小要件は NPSH R}より 0.6 メートル高いことなので、ポンプは井戸から持ち上げる必要があります。

上記の例 2 の状況を使用しますが、温泉から 70 ℃ (158F) の水を汲み上げて負の NPSH を生成すると、次のようになります。

例 3: 取水口より 5 メートル下の作動レベルで 70 ℃ (158 ℉) で稼働している井戸またはボーリングから、ポンプへの 2 メートルの摩擦損失 (パイプ損失) を差し引き、事前に設計されたポンプのNPSH _{R曲線 (2.4 メートルとします) を差し引き、3 メートル/10 フィートの温度損失を差し引くと、NPSH A} (使用可能) は (負の) -12.4 メートルになります。これに大気圧 10 メートルを加えると、負の NPSH _Aは -2.4 メートル残ります。

最小要件は NPSH _Rより 600 mm 高いことを覚えておいてください。したがって、このポンプは 70 ℃ の液体を汲み上げることができず、キャビテーションが発生して性能が低下し、損傷を引き起こします。効率的に動作させるには、ポンプを 2.4 メートルの深さに埋め込む必要があります。さらに、必要な最小 600 mm を加え、合計でピットの 3 メートルの深さにします (完全に安全であるためには 3.5 メートル)。

ポンプが適切に動作するには、製造元が要求する NPSH _R圧力値よりも「高い」最低 600 mm (0.06 bar) および推奨 1.5 メートル (0.15 bar )のヘッド圧力が必要です。

大型ポンプが間違った場所に設置され、NPSH _R値が間違っていると、重大な損傷が発生する可能性があり、その結果、非常に高額なポンプまたは設置の修理が必要になる場合があります。

_{NPSH の問題は、NPSH R を}変更するか、ポンプを再配置することで 解決できる可能性があります。

たとえば、NPSH _Aが 10 bar の場合、使用しているポンプは、ポンプの動作曲線全体にわたって、記載されている動作曲線よりも正確に 10 bar 多く供給します。

例: 最大圧力ヘッドが 8 bar (80 メートル) のポンプは、NPSH _Aが 10 bar の場合、実際には 18 bar で動作します。

つまり、8 bar (ポンプ曲線) プラス 10 bar NPSH _A = 18 bar です。

この現象は、メーカーが多段ポンプ (複数のインペラを備えたポンプ)を設計するときに使用します。複数のインペラが積み重ねられた各インペラは、次のインペラを加圧して圧力ヘッドを上げます。ポンプによっては、ヘッドを数百メートルまで上げるために、最大 150 段以上のポンプもあります。