JP2000356199A

JP2000356199A - 遠心ポンプ

Info

Publication number: JP2000356199A
Application number: JP11168535A
Authority: JP
Inventors: Yuji Tanaka; 雄司田中; Shinichi Takahashi; 伸一高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2000-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】羽根車出口幅とディフューザ入口幅の比を大
きくしても水力損失の発生が少なく、常に高効率を保つ
ことができる遠心ポンプを提供すること。【解決手段】羽根車出口幅Ｂｉが、ディフューザ入口
幅Ｂｄよりも小さい羽根車１をディフューザ２に組合わ
せた遠心ポンプにおいて、ディフューザ入口幅Ｂｄより
も羽根車出口幅Ｂｉが小さいことにより生じる段差ｄ
ｓ、ｄｈについて、それらの比(ｄｈ／ｄｓ)が１よりも
大きく、例えば２以上になるように、ディフューザ２に
対する羽根車１の位置をポンプ軸５の延長方向にずらし
たもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ディフューザを備
えた遠心ポンプに係り、特に汎用のポンプに好適な遠心
ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】遠心ポンプは、給水用など、汎用のポン
プとして広く用いられているが、このポンプは、図９に
示すように、羽根車１の外側にディフューザ２を有し、
これにより羽根車から流出する水流の速度エネルギーを
効率良く圧力エネルギーに変換し、ポンプ効率を高める
ことができるように構成されているのが通例である。

【０００３】この図９において、羽根車１は、羽根車主
板１ａと羽根車側板１ｂ、それに羽根１ｃで構成され、
ディフューザ２は、羽根車主板側ディフューザ側壁２ａ
と羽根車側板側ディフューザ側板２ｂ、それにガイドベ
ーン２ｃで構成されており、ここで、３は戻り流路、４
はケーシング、それに５はポンプ軸である。

【０００４】なお、このディフューザ２としては、ガイ
ドベーン２ｃを備えたものと、ガイドベーンを備えな
い、いわゆるベーンレスディフューザとがあるが、何れ
においても、羽根車の形状も含めて、ポンプの運転点に
対応して最適な形状があり、特に、ディフューザ入口幅
Ｂｂは、性能を左右する重要な設計パラメータとなり、
これは、一般的には羽根車出口幅Ｂｉの１〜１.１倍程
度に設計される。

【０００５】ところで、汎用のポンプとしては、種々の
仕様(スペック)のポンプが要求されるが、このとき、羽
根車の変更だけで、様々な仕様の何れのポンプにも対応
できるようにすれば、コストの面で有利である。

【０００６】そこで、ディフューザ入口幅Ｂｄを、組合
わせようとする羽根車の中で、最も羽根車出口幅Ｂｉの
大きい羽根車に合わせて設計しておき、製品として要求
される仕様に応じて夫々に合った羽根車を用いることに
より、同じディフューザ２とケーシング５を用いなが
ら、多種のポンプ仕様の何れにも対応可能にする方法が
従来から知られており、この場合、小流量仕様のポンプ
としては、羽根車出口幅Ｂi の小さい羽根車が組合わさ
れることになる。

【０００７】ここで、一例として、“ エバラポンプハ
ンドブック ”１９９８．ｐ１８．付図によれば、羽根
車出口幅とディフューザ入口幅の比を３にしたポンプが
示されており、これは、一般的な設計範囲をかなり超え
ているが、それでもこの様にすることで、運転範囲が異
なるポンプについても、羽根車以外の部品を共用するこ
とができ、ポンプの製造原価が低減できることが示され
ている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、羽根
車の変更に伴う水力損失の発生について配慮がされてお
らず、ポンプ効率の低下に問題があった。上記したよう
に、ディフューザ入口幅を最大流量の水流に適するよう
に大きく設計しておき、大流量用のポンプには羽根車出
口幅Ｂｉが大きい大流量用の羽根車を組合わせ、小流量
のときは羽根車出口幅Ｂｉの小さい小流量用の羽根車に
取り替える方法は、製造原価の低減という観点からは有
利である。

【０００９】しかしながら、小流量用ポンプとした場合
は、これらの比、すなわち流路幅比Ｒ(＝Ｂｄ／Ｂｉ)が
大きくなるため、水力損失が発生し、ポンプ効率が低下
してしまうことになり、上記した問題が生じてしまうの
である。

【００１０】ここで、流路幅比Ｒが大きくなると、ポン
プの水力性能に悪影響が現われる理由について、実験に
よる分析と流れ解析技術により分析した結果、次の損失
要因によることが明らかになった。

【００１１】ポンプを運転すると、水流は、羽根車１に
より圧力エネルギーと速度エネルギーが与えられ、ディ
フューザ２に流入するが、このとき、上記したように、
流路幅比Ｒを大きくして、Ｂｄ＞Ｂｉになっていた場合
には、羽根車出口から流出した水流は、自身の慣性力に
より、ディフューザ２の側壁２ａ、２ｂに追従できなく
なり、このため、ディフューザ側壁２ａ、２ｂから剥
れ、図１０に示すように、側壁の近くに小さな剥離渦８
を生ずる。

【００１２】このため、ディフューザ２による速度エネ
ルギーを圧力に変換する作用(このときの変換の割合を
圧力回復率と呼ぶ)が低下してしまい、この結果、水流
は大きな速度エネルギーのままで下流に流れ込んでしま
うので、水力損失が増大してしまうのである。

【００１３】このとき、剥離渦８がもつエネルギーは圧
力エネルギーに変換されず、熱エネルギーとして放散さ
れてしまうが、これによる水力損失Ｈｓは、例えば“機
械工学便覧”Ａ５−７７ページに記載の次の(1)式によ
り予測することができる。Ｈｓ＝{１−(Ａ１／Ａ２)}²・Ｖ_i ²／(２・ｇ) ……
（１）Ａ１：羽根車出口流路面積Ａ２：ディフューザ入口流路面積Ｖ_ｉ ^２：羽根車から流出する水流の速度ｇ：重力加速度

【００１４】ここで、羽根車出口流路面積Ａ１は羽根車
出口幅Ｂｉに比例し、ディフューザ入口流路面積Ａ２は
ディフューザ入口幅Ｂｄに比例する。従って、この(1)
式から明らかなように、水力損失Ｈｓは、流路幅比Ｒ
(＝Ｂｄ／Ｂｉ)に比例して大きくなるのである。

【００１５】なお、ここで、ディフューザ２から流出し
た水流は、図１０から明らかなように、半径方向に１８
０度向きを変えて戻り流路３に流入するので、このとき
遠心力により曲り部分の内側と外側で速度差が生じ、こ
れによっても水力損失が現れるが、このとき働く遠心力
の強さは、図１０に矢印９で示す曲率半径により決るの
で、この曲率半径を大きくすることにより、水力損失の
低減に有利であることも判った。

【００１６】ところで、羽根車出口幅Ｂｉがディフュー
ザ入口幅Ｂｂよりも小さい羽根車を用いても、水力損失
Ｈｓが増加しないようにする方法として、例えば図６に
示すように、羽根車主板側のディフューザ側壁２ａの面
に、適当なプラスチック材や金属板で作られた材板状部
材１０を取付け、これにより、水流に作用する実質的な
ディフューザ入口幅Ｂｄ'が羽根車出口幅Ｂｉと同等に
なるようにする方法が考えられる。

【００１７】この板状部材１０は、任意の厚さにするこ
とができるので、その厚みを変えることにより、ディフ
ューザ入口幅Ｂｄ'が羽根車出口幅Ｂｉの関係を最適に
調整することができ、この結果、ディフューザ２に本来
の性能を発揮させ、これにより水流が持つ速度エネルギ
ーの圧力への変換が充分に得られるので、水力損失の増
加を抑えることができる。

【００１８】更に、この場合には、上記(1)式における
(Ａ１／Ａ２)が大きくできるので、ディフューザ２の水
力損失Ｈｓも小さくなる。このとき、板状部材１０とし
ては、図６に示した断面形状の他にも、図７、或いは図
８に示すように、水流の流動状態に合わせた形状も考え
られる。しかしながら、これら図６〜図８に示した方法
では、板状部材１０の取付けが容易ではなく、かえって
コスト高になってしまうという問題があった。

【００１９】本発明の目的は、流路幅比を大きくしても
水力損失の発生が少なく、常に高効率を保つことができ
る遠心ポンプを提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、羽根車出口
幅がディフューザの入口幅より小さい羽根車を備えた遠
心ポンプにおいて、前記羽根車の出口の主板側の端部と
前記ディフューザの入口の羽根車主板側の端部の間に形
成される主板側段差と、前記羽根車の出口の側板側の端
部と前記ディフューザの入口の羽根車側板側の端部の間
に形成される側板側段差に寸法差が与えられるようにし
て達成される。

【００２１】このとき、前記主板側段差の寸法と側板側
段差の寸法の比が２以上になるようにしてもよく、前記
主板側段差の寸法と側板側段差の寸法の比が、遠心ポン
プの仕様に応じて設定されるようにしてもよい。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明による遠心ポンプに
ついて、図示の実施の形態により、詳細に説明する。図
１は、本発明の一実施形態で、図において、６はブッシ
ュで、その他、構成要素としては、図９に示した従来技
術と同じである。ブッシュ６は筒状の部材で、ポンプ軸
５に対する羽根車１の軸方向での固定位置を決める働き
をするもので、このため、図では上下にある羽根車１の
間に位置するようにしてポンプ軸５に装着嵌合されてい
る。

【００２３】この図１の実施形態は、ディフューザ入口
幅Ｂｄを有するディフューザ２に対して、羽根車出口
幅Ｂｉが(Ｂｄ＞Ｂｉ)の関係にある羽根車１を組合わせ
た場合、つまり流路幅比Ｒ(Ｂｄ／Ｂｉ)が１以上になっ
ている羽根車１を組合わせた場合について示したもの
で、この点でも図９の従来技術の場合と同じである。

【００２４】しかして、この図１の実施形態が、図９の
従来技術と異なる点は、図示のように、羽根車側板１ｂ
の流水面とディフューザ側壁２ｂの流水面の間に形成さ
れている軸方向段差ｄｓと、羽根車主板１ａの流水面と
ディフューザ側壁２ａの流水面の間に形成されている段
差ｄｈが寸法を異にしている点にある。

【００２５】具体的には、このとき、段差ｄｈの方が段
差ｄｓよりも大きくなるように、ディフューザ２に対す
る羽根車１の軸方向での位置がずらしてあり、更に、こ
れら段差ｄｈ、ｄｓの比を段差比Ｘ(＝ｄｈ／ｄｓ)とす
ると、例えばＸ＝３.０になるように、ブッシュ６の長
さが選ばれている。

【００２６】そして、この結果、この実施形態によれ
ば、例えば小流量用仕様として、流路幅比Ｒの大きな羽
根車１を組合わせたとしても、水力損失が発生する虞れ
がなくなり、ポンプ効率の低下を確実に抑えることがで
きることになるのであるが、以下、その理由について説
明する。

【００２７】羽根車１が回転駆動されると、遠心力によ
り昇圧された水流は羽根車１の周囲からディフューザ２
に流入し、戻り流路３を通って、図の上側にある次段の
羽根車１に流入する。ここで、水流が羽根車１の周囲か
らディフューザ２に流入したとき、段差ｄｈが大きくさ
れているので、図２に示すように、ディフューザ２内を
通過する水流は、羽根車主板側のディフューザ側壁２ａ
の近傍に渦７を形成する。

【００２８】この渦７は、図１０の従来技術で説明した
剥離渦８とは異なり、主流からエネルギーを供給されな
がらこの位置で安定化して存在するようになり、これに
よりディフューザ２の流路幅Ｂｄを狭めるように作用す
る(この作用を段差ずらし効果と呼ぶ)。

【００２９】その結果、水流に作用するディフューザ２
の実質的な流路幅は、図示のＢｄ'で示すようになっ
て、羽根車出口幅Ｂｉと同等になり、この結果、ディフ
ューザ２は本来の性能を発揮し、速度エネルギーの全て
を圧力エネルギーに変換するようになる。

【００３０】従って、この実施形態によれば、流路幅比
Ｒ(＝Ｂｄ／Ｂｉ)を大きくても、ディフューザ２の下流
の水力損失を増加させる虞れがなくなり、この結果、水
力損失の発生が抑えられるので、ポンプ効率の向上が得
られるのである。更に、上記(1)式に示されているＡ１
／Ａ２が大きくなるので、ディフューザ２による水力損
失Ｈｓも小さくなり、この点からも、さらに高効率化を
得ることができる。

【００３１】ここで、上記実施形態による段差ずらし効
果について、流れ解析技術により評価した結果を図３に
示す。この図３は、段差比Ｘ(＝ｄｈ／ｄｓ)を横軸にと
り、揚程Ｈ₀ (ｄｈ／ｄｓ＝１．０の揚程)により無次元
化したポンプの揚程比(Ｈ／Ｈ₀)を縦軸にとって示した
特性図で、この図から、段差ずらし効果が運転状態によ
って変化することが判る。

【００３２】すなわち、設計点流量Ｑｄ及び７５％Ｑｄ
の小流量では、段差比Ｘ≠１.０で段差ずらし効果によ
り揚程比が増加しているが、段差比Ｘ＞３での段差ずら
し効果は、段差比Ｘ＜１の場合よりも大きくなってい
る。

【００３３】一方、１２５％Ｑｄの大流量では段差比Ｘ
に比例して揚程が大きくなり、Ｘ＜１では、Ｘ＝１の場
合よりも小さい。従って、本発明の実施形態により、何
れの運転状態でも高効率を保持するためには、段差比Ｘ
について、Ｘ＞２.０の範囲に設定するのが望ましい。

【００３４】次に、図４は、段差ｄｓ＝０にして、段差
比Ｘについて、Ｘ＝∞になるようにした場合、つまり羽
根車側板１ｂの流水面とディフューザ側壁２ｂの流水面
が一致するように設定したポンプを、少ない流量で運転
したときの流動状態を示したものである。

【００３５】この場合、羽根車側板側のディフューザ側
壁２ｂの近傍で水流が剥離し、剥離渦８が発生した結
果、水力損失が増加してしまう。これが、図３で、７５
％Ｑｄの小流量のとき、段差比Ｘが大きくなった領域で
揚程比が低下している理由であり、これは、流量が少な
くなると半径方向の速度成分が小さくなり、水流が半径
方向の圧力勾配と壁面境界層に打ち勝って流れることが
できなくなるためである。

【００３６】次に、図５は、上記実施形態において、段
差比Ｘ＝５.０になるようにブッシュ６の長さを選択
し、段差ｄｓがディフューザ側壁２ｂの流水面に現われ
る境界層と一致するように調整したポンプが、少ない流
量で運転されているときの流動状態を示したもので、こ
の場合、水流に対する上記境界層の影響が少なくなるの
で、ディフューザ側壁２ｂの流水面で水流が剥離するこ
とがなくなり、このため図２の場合と同様の流動状態を
維持することができる。

【００３７】従って、上記実施形態では、定格流量Ｑｄ
のときと、１２０％Ｑｄの大流量のときは段差比Ｘ＝∞
に設定し、７５％Ｑｄの小流量のときは、２.０＜Ｘ＜
∞に設定するのが望ましい。

【００３８】ところで、上記実施形態では、羽根車１の
軸方向の位置が、装着すべきブッシュ６により変えるこ
とができる。従って、この実施形態によれば、ポンプの
仕様に応じて、ディフューザ２に組合わせるべき羽根車
１を替え、流路幅比Ｒ(＝Ｂｄ／Ｂｉ)の大きな羽根車１
を組合わせた場合でも、容易に段差比Ｘか最適化でき、
常に高効率を保持させることができる。

【００３９】そして、この結果、この実施形態によれ
ば、広い運転範囲のポンプ仕様に応じで、羽根車１の変
更だけで容易に、しかも高効率を保って対応が可能にな
り、ディフューザやケーシングの共通化によるコスト低
減を充分に図ることができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、羽根車出口幅とディフ
ューザ入口幅の比を大きくしても、水力損失が小さく抑
えられ、常に高効率を保つことができるので、羽根車以
外の部品の共用化によるポンプの製造原価低減を充分に
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による遠心ポンプの一実施形態を示す一
部断面図である。

【図２】本発明による遠心ポンプの一実施形態の作用を
説明するための一部断面図である。

【図３】本発明による遠心ポンプの性能評価結果の一例
を示す特性図である。

【図４】本発明による遠心ポンプの一実施形態による小
流量時の流動状況を説明するための一部断面図である。

【図５】本発明による遠心ポンプの一実施形態による小
流量時の流動状況を説明するための一部断面図である。

【図６】板状部材を用いた遠心ポンプの一例を示す一部
断面図である。

【図７】板状部材を用いた遠心ポンプの他の一例を示す
一部断面図である。

【図８】板状部材を用いた遠心ポンプの更に別の一例を
示す一部断面図である。

【図９】従来技術による遠心ポンプの一例を示す一部断
面図である。

【図１０】従来技術による遠心ポンプの一例による作用
を説明するための一部断面図である。

【符号の説明】

１羽根車１a 羽根車主板１b 羽根車側板１c 羽根２ディフューザ２a 羽根車主板側のディフューザ側壁２b 羽根車側板側のディフューザ側壁２c ガイドベーン３戻り流路４ケーシング５ポンプ軸６ブッシュ７渦８剥離渦９ディフューザ出口から戻り流路に至る水流の曲率半
径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】羽根車出口幅がディフューザの入口幅よ
り小さい羽根車を備えた遠心ポンプにおいて、前記羽根車の出口の主板側の端部と前記ディフューザの
入口の羽根車主板側の端部の間に形成される主板側段差
と、前記羽根車の出口の側板側の端部と前記ディフュー
ザの入口の羽根車側板側の端部の間に形成される側板側
段差に寸法差が与えられていることを特徴とする遠心ポ
ンプ。
【請求項２】請求項１に記載の発明において、前記主板側段差の寸法と側板側段差の寸法の比が２以上
になるように構成されていることを特徴とする遠心ポン
プ。
【請求項３】請求項２に記載の発明において、前記主板側段差の寸法と側板側段差の寸法の比が、遠心
ポンプの仕様に応じて設定されていることを特徴とする
遠心ポンプ。