JP2002257093A

JP2002257093A - ポンプ

Info

Publication number: JP2002257093A
Application number: JP2001053430A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Okamura; 共由岡村; Koichi Irie; 浩一入江; Taiji Hashimoto; 泰司橋本; Jinji Kimura; 仁治木村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-02-28
Also published as: JP3899829B2

Abstract

(57)【要約】【課題】羽根車の回転数を上げる必要がなく、しかも低
流量域で剥離・失速による揚程曲線の不安定部が現れる
のも抑制しつつ小形化する。【解決手段】羽根車１に対峙するケーシング１２１内面
に流体圧力勾配方向の浅い溝１２４を周方向に複数本形
成し、羽根１２２により圧力の上昇した流体が溝内を上
流側に向かって逆流し、低流量時に発生する再循環流の
発生場所に噴出させる。また、羽根車羽根１２２の出口
角が３０〜９０度の範囲に設定した。更に、好ましくは
設計流量において羽根車出口における絶対流れの方向が
ポンプ軸方向に向くように設定された前置案内羽根１１
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は非容積型の羽根車を
有するポンプに係わり、特に、ポンプの小形化に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】ポンプを小形化することは、製造業者に
とっては製作コストや、運搬・据付経費の低減を図るこ
とが可能である。一方、ポンプ使用者の顧客にとって
は、ポンプの据付面積の縮小、ひいてはポンプ機場の建
設費の縮減を図ることが可能である。従って、両者にと
ってポンプ小形化の要求は大きい。その実現には、羽根
車の回転数を上げて、高速化することが有効であること
はよく知られている。また、別の手段として、ポンプ回
転数は上げることなく同じ仕様の全揚程、吐出し量を満
足させつつ羽根車外径を小さくしてポンプを小形化する
ため、羽根車羽根の出口角度を大きく設定することも考
えられている。

【０００３】なお、この種従来技術としては特開平６−
１２３２９８号公報に記載されたもの等がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、羽根車の回転
数を上げて高速化して小形化するには、ポンプのキャビ
テーションの発生が少ない羽根形状や流路形状の設計
（キャビテーション性能の向上）が必要であり、この課
題の解決は極めて困難な状況にある。一方、ポンプ回転
数は同一とし、羽根出口角度を大きく設定して同仕様の
全揚程、吐出し量を満足させつつ小形化する場合には次
のような課題があった。すなわち、羽根出口角を大きく
すると羽根単位長さ当たりの負荷が増大し、低流量域で
剥離・失速による揚程曲線の不安定部が顕著に現れる傾
向にある。この不安定部においては、ポンプの作動点が
２ケ以上存在し、吐出し量がそれらの点に移動すること
が生じ、安定な運転が不可能になるという問題がある。

【０００５】本発明の目的は、羽根車の回転数を上げる
必要がなく、しかも低流量域で剥離・失速による揚程曲
線の不安定部が現れるのも抑制しつつ小形化することの
できるポンプを得ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明のポンプは、羽根車に対峙するケーシング内面
に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ
流体圧力の勾配方向の溝を周方向に複数本形成し、前記
羽根車の羽根周方向から測った羽根出口角が３０〜９０
度の範囲に設定されていることにある。

【０００７】ここで、前記羽根出口角は５０〜７０度の
範囲に設定するとより好適である。

【０００８】更に、前記羽根車の出口側に設けたハブに
後置案内羽根を周方向に複数個設置し、前記後置案内羽
根間の前記ハブ面に、後置案内羽根羽根高さの１／３以
下の高さの中間羽根を設けると良い。

【０００９】また、本発明のポンプは、ポンプケーシン
グ及び吐出ベンド管等により構成される流路形成部と、
前記吐出ベント管を上下に貫通し下端側に羽根車を取付
けたポンプ軸とを有する立軸ポンプに適用した場合に特
に効果的である。

【００１０】この立軸ポンプに適用した場合、前記吐出
ベンド管に複数の軸受を上下方向に配置して前記ポンプ
軸を支持し、前記羽根車のポンプ軸への取付け部と最下
部の前記軸受との間の距離が、前記最下部の軸受と最上
部２個の前記軸受との距離より大きくなるように形成す
ることができる。

【００１１】また、前記羽根車の出口側に設けられたハ
ブと、このハブに設けられた後置案内羽根とを備え、前
記羽根車、ハブ、後置案内羽根及びポンプ軸を一体に組
み合わせて水力部とし、この水力部を、ポンプケーシン
グ及び吐出ベンド管等により構成される流路形成部材
に、上方から挿入して組立て或いは取外しできる構成と
することもできる。

【００１２】本発明のポンプの他の特徴は、ケーシング
と、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽
根車と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車
の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通す
る複数本の溝と、を備え、前記羽根車の上流側の前記ケ
ーシングには前置案内羽根を設け、この前置案内羽根
は、設計流量において羽根車出口における絶対流れの方
向がポンプ軸方向に向くように設定されていることにあ
る。このように前置案内羽根を設けた場合でも、前記羽
根の出口角は３０度以上の値に設定するのが好ましい。

【００１３】本発明のポンプの他の特徴は、ケーシング
と、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽
根車と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車
の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通す
る複数本の溝と、を備え、前記溝はその幅が５mm以上
で、溝深さは溝幅より小さくし、前記羽根車の羽根出口
角は３０〜９０度の範囲に設定されていることにある。

【００１４】周方向に複数設けられた前記溝の幅の合計
は、該溝が存在するケーシング内面周長に対し約３０〜
５０％とし、かつ前記溝の深さは、２mm以上で、該溝が
存在するケーシング内面直径の約０．５〜１．６％にな
るように形成すると良い。

【００１５】本発明のポンプの他の特徴は、ポンプケー
シングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有
する羽根車と、ポンプケーシング下流側に配置された吐
出ベンド管と、該吐出ベント管を上下に貫通し下端側に
前記羽根車を取付けたポンプ軸とを有する立軸ポンプに
おいて、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車
の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通す
る複数本の溝を備え、この溝はその幅が５mm以上で、溝
深さは溝幅より小さくし、前記羽根車の羽根出口角は３
０〜９０度の範囲に設定され、前記吐出ベンド管の断面
形状は、その流路曲り中央付近断面において、曲りの内
外径差が曲り部の流路幅より小さい楕円形状としたこと
にある。

【００１６】ここで、前記吐出ベンド管の断面形状は、
好ましくは入口側断面及び出口側断面では円形とする。
また、前記吐出ベンド管の流路曲りの中央付近断面にお
ける断面形状において、ベンドの曲り半径方向Ｒｂの流
路幅ｈを、曲り平面に垂直な方向（半径方向Ｒｂに垂直
な方向）の流路幅Ｗに対し、Ｗ＝（1.3〜2.0）hとなる
ように設定すると良い。さらに、前記吐出ベンド管の流
路曲りの中央付近断面における流路断面積は吐出ベンド
管入口部断面積の1.0倍〜1.2倍に設定すると良い。ま
た、吐出ベンド管の内壁面に主流方向の複数の溝を設置
すると良い。

【００１７】

【発明の実施の形態】図２は排水ポンプなどに適用され
ている典型的な立軸斜流ポンプの構造を示す図である。
吸込水槽９の水は、ベルマウス６、シュラウドのないオ
ープン羽根車１、該羽根車１の出口側に設けた後置案内
羽根２、吐出ケーシング３、吐出ベンド管４、吐出管８
を経て吐出口に導かれる。７はポンプ軸で、このポンプ
軸の下端には前記羽根車１が取り付けられている。ま
た、吐出ベント管４にはポンプ軸７を支持するための軸
受１３が設けられ、更にポンプケーシング１２１に固定
された後置案内羽根２に支持されているハブ２１内にも
ポンプ軸を回転支持する水中軸受（図示せず）が設けら
れている。

【００１８】羽根車のシュラウド側の羽根出口角は、一
般には１５〜３０度位の角度が適用されている。これは
図３に示す揚程曲線（揚程−流量特性曲線）１０のよう
に、右上がりの不安定部Fが発生しないようにするため
である。

【００１９】すなわち、羽根出口角を大きくすると羽根
単位長さ当たりの負荷が増大し、低流量域で剥離・失速
による揚程曲線の不安定部（右上がり特性）が、図３に
示すように顕著に現れる傾向にある。この不安定部が生
ずる吐出し量においては、ポンプの作動点は図に示すよ
うに２ケ以上の点（ａ，ｂ，ｃ）が存在し、吐出し量が
それらの点に移動することが生じ、安定な運転が困難に
なる。

【００２０】そこで、本発明では、羽根車の回転数を上
げる必要がなく、しかも低流量域で剥離・失速による揚
程曲線の不安定部が現れるのも抑制しつつ小形化するた
めに、次の対策を講じた。すなわち、ポンプ羽根車羽根
の出口角を従来の値より大きな３０度以上でかつ９０度
以下の範囲（羽根車の周方向から測った角度）に設定
し、しかもポンプケーシング内面には、羽根入口側とケ
ーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ複数本の溝を設け
たものである。前記羽根出口角度は、ポンプの小形化と
揚程曲線の安定化の双方を考慮すると、好ましくは５０
〜７０度の範囲内とするのが良い。

【００２１】ポンプ羽根車の出す理論揚程は数１で表さ
れる。

【００２２】

【数１】

【００２３】ここで、Ｈ_ｔｈ：理論揚程、ｎ：回転速度
(m/s)、 D₂：羽根車外径(mm)、Ｑ：吐出し量(m^３/s)、
ｇ：重力の加速度(m/s^２)、ｂ_２：羽根車出口幅、β_２：
羽根車羽根出口角(deg) である。数１から羽根車外径Ｄ
_２に関して求めると次式を得る。

【００２４】

【数２】

【００２５】上式によれば、理論揚程Ｈ_ｔｈ、回転数
ｎ、吐出し量Ｑ、羽根車出口幅ｂ_２が一定の場合、出口
角β_２を大とすれば、羽根車外径D_２を小さくできるこ
とがわかる。従来の一般的なポンプの羽根車羽根出口角
度としては、１５度から３０度の範囲の値が適用されて
いるが、例えば、ポンプ羽根車の平均断面の羽根出口角
として２７度を適用していたものを、５２度にすると、
羽根車外径を７５％に縮小することができ、断面積にす
ると約１／２の大きさに小形化できることになる。

【００２６】然るに、このような大きな出口角を羽根車
に適用すると羽根が短くなり、羽根に加わる負荷が増大
する。従って、設計点より小なる流量（低流量域）では
羽根への迎え角が大となり、剥離、失速が起りやすくな
る。その結果、図３に示すように、ポンプの揚程曲線１
０には低流量域において凹み（図のｃ部付近）が生じ、
揚程曲線に右上がり部（図のｂ部付近）が存在する不安
定特性を呈する。

【００２７】しかし、本発明においては、ポンプケーシ
ング内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域
内とを結ぶ複数本の溝を設けているので、大きな出口角
を羽根車に適用しても、安定な運転が可能である右下が
りの安定な揚程曲線を実現することができる。

【００２８】以下、本発明の具体的実施例を説明する。
◆図１は、図２において点線で囲まれた部分Ａを拡大し
て示す図である。ケーシング１２１内面の羽根車に対峙
する羽根前縁付近には、羽根入口側とケーシング内面の
羽根存在域内を結ぶ流体圧力の勾配方向の浅い溝が周方
向に複数本形成されている。このように構成すると、揚
程曲線に不安定部が現れる低流量域においては、ケーシ
ング１２１内面の羽根１２２の中程ａ（溝の下流側終端
位置）から低流量時に再循環流が発生する位置ｂ（溝の
上流側終端位置）の方向に流体圧力勾配が形成される。
この溝１２４によって、羽根１２２により圧力の上昇し
た流体が溝１２４内を溝の下流側終端位置ａから溝の上
流側終端位置ｂに向かって逆流し、低流量時に発生する
再循環流の発生場所に噴出して再循環流による旋回およ
び羽根旋回失速の発生が防止される。すなわち、自身が
昇圧した流体の一部がケーシングに形成された流路を逆
流し、再循環流の発生場所に噴出して再循環流部の入口
正流の予旋回及び羽根旋回失速の発生を抑制するので、
ポンプの揚程−流量特性曲線の右上がり特性を除去する
ことが可能となり、ポンプの揚程曲線は安定化される。

【００２９】また、本実施例では、図４に示すように、
羽根車の羽根１２２の出口角β_２は従来の一般的なポン
プに適用されている１５〜２５度より大きな３０度以上
９０度未満の値に設定している。例えば、比速度１２０
０（m, m^３/min, min^−１）の斜流ポンプ羽根車出口の
平均径部における羽根出口角は、従来約２７度位が使用
されているが、本発明では、例えばその数値の約２倍で
ある５２度の羽根出口角が適用される。そうすれば、羽
根車外径は、従来のものに対し約２５％縮小され、約７
５％の大きさとなる。これは、ポンプ断面積ではその２
乗となるから約１／２となる。

【００３０】羽根車羽根出口角β_２を大きな値にする
と、羽根入口から出口に至る羽根の長さが短くなり、羽
根の負荷（羽根の単位長さ当たりの揚程増大）が大きく
なり、大きな迎え角において流れは剥離、失速を生じや
すくなる。すなわち、図３に示すようにポンプの揚程曲
線１０の低流量域において、勾配が右上がりとなる凹み
部すなわち不安定部が生ずる。しかし、本実施例におい
ては、図１に示すように、ポンプケーシング内面に浅い
軸方向の溝１２４を設けることにより、不安定な揚程曲
線を安定な揚程曲線に改善している。従って、大きな出
口角β_２を適用しても揚程曲線の不安定性の出現を抑制
して右下がりの安定な揚程曲線が得られるから、本実施
例によれば、羽根車の回転数を上げることなく、しかも
低流量域で剥離・失速による揚程曲線の不安定部が現れ
るのも抑制して小形化できるポンプが得られる効果があ
る。従って、本実施例によれば、羽根車の外径（或いは
ポンプの外径）を大幅に縮小して、大幅なポンプの小形
化を実現できる。

【００３１】なお、前記溝１２４は、羽根車羽根の入口
側外周部に対峙するケーシング１２１内面に、羽根入口
側の低流量時再循環流発生場所とケーシング内面の羽根
存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ構成にすると共
に、該溝の幅は５mm以上の浅い溝（溝の深さは溝幅より
小さくすると良い）を周方向に多数形成し、該溝の下流
側終端位置は、溝の上流側終端位置に再循環流が発生す
るのを抑制するために必要な圧力の流体を取り出す位置
とするのが良い。

【００３２】前記溝１２４の好ましい構成を述べる。溝
幅Ｗの合計値を溝の部分のケーシング周長で割った値を
ＷＲ（幅比）、溝全体の体積を羽根車体積で割った値を
ＶＲ（体積比）、溝幅Ｗを溝深さＤで割った値をＷＤ
Ｒ（幅深さ比）、溝の羽根入口から下流の長さと溝の深
さとの比をＤＬＤＲとし、溝形状を決定する指標をJEN
o.として以下の式で求め、この指標JE No.が０．０３〜
０．５、好ましくはの０．１５〜０．２の範囲となるよ
うに、前記溝の形状を構成すると良い。 JE No. = WR × VR × WDR × DLDR 例えば、前記溝１２４の幅が５mm以上で、周方向に複数
設けられた溝幅の合計が、該溝が存在するケーシング内
面周長に対し約３０〜５０％とし、かつ前記溝の深さ
は、２mm以上で、該溝が存在するケーシング内面直径の
約０．５〜１．６％になるように形成すると良い。

【００３３】更に、前記軸方向（圧力勾配方向）の溝を
周方向に接続する周方向溝を羽根入口付近のケーシング
内面に設けることにより、前記軸方向溝が原因で発生し
易い騒音の発生を抑制することも可能になる。

【００３４】図５は、図２に示す後置案内羽根２の部分
の構成を詳細に示す図である。羽根車１の下流側に設け
られたハブ２１には前記案内羽根２（２ａ，２ｂ）が設
けられており、前記ハブ２１の案内羽根取付け面（ハブ
面２１ａ）には、案内羽根２高さの１／３以下の羽根高
さを有する中間羽根（小羽根或いはリブ）２０が、後置
案内羽根（２ａ，２ｂ）間に設けられている。図６は羽
根車出口の速度三角形を示す図で、従来の一般的な羽根
出口角β_２Ｃが１５〜２５度のもの（（ａ）図参照）で
あるのに対して、本実施例では、例えばβ_２を５２度と
大きくとると（（ｂ）図参照）、羽根車出口の絶対速度
の周方向成分Ｃ_ｕ２が大きくなる。このため、案内羽根
２で必要な転向角がα_２Ｃからα_２へと大きくなり、案
内羽根２の負荷が大きくなる。一方、案内羽根２は一種
の曲がりディフューザであり、負荷が大であるとハブ２
１側で剥離し、損失増大を伴う場合がある。それを回避
するために前記中間羽根２０は有効に作用する。すなわ
ち、中間羽根２０は、案内羽根のハブ側の負荷を軽減
し、ハブ側の弦節比を大きくして流れの案内効果を大と
し、剥離の発生を抑制して損失の増大を抑える機能を有
している。従って、本実施例によれば、羽根１２２の大
きな出口角度β_２を適用しても損失増大を回避すること
ができ、高い効率を得ることができる。

【００３５】図７は本発明を適用することにより、ポン
プの軸方向長さを短縮した例を示す図である。この例で
も、羽根車の前縁付近に対峙するケーシング内面には、
図１に示す複数の浅い溝１２４が同様に設けられてい
る。一般にポンプでは、羽根車出口の動圧を静圧に回復
させるため、羽根車の下流側に後置案内羽根２（図２参
照）が設けられている。これに対し、この例では、羽根
車の前方（上流側）に前置案内羽根１１がケーシング１
２１の内面に設けらている。この前置案内羽根１１の機
能は、動圧を静圧に圧力回復させるのではなく、流れを
増速させ転向させることにある。なお、ケーシングに固
定された前置案内羽根１１の中心部側にセラミックス製
などの水中軸受を設け、ポンプ軸７の下方端部７ａをこ
の水中軸受により支持する構成とすることも可能であ
る。

【００３６】前置案内羽根１１と羽根車羽根との速度三
角形を図８に示す。破線で示した速度三角形は前置案内
羽根を設けず、後置案内羽根のみを設けた場合を示し、
実線で示した速度三角形は図７のように前置案内羽根１
１を設けた場合を示している。前置案内羽根の場合、羽
根車に流入する流れは案内羽根によりＣ_１に増速且つ転
向され、羽根車には相対速度Ｗ_１で流入し、羽根車内で
減速され相対速度Ｗ_２で流出する。この図に示すよう
に、羽根車出口の絶対速度Ｃ_２は軸方向を向いており、
したがって、羽根車下流側で後置案内羽根により減速さ
せて圧力回復させるようにする必要はない。このよう
に、羽根車上流側のケーシングに設けた前置案内羽根
を、設計流量において羽根車出口における絶対流れの方
向がポンプ軸方向に向くように設定することにより、後
置案内羽根が不要となり、ポンプ軸方向長さを短くする
ことが可能となる。

【００３７】なお、前置案内羽根は増速翼列であり、後
置案内羽根の減速翼列に比べ一般的に損失を小さくでき
る。従って、前置案内羽根１１の軸方向長さも短く設定
可能となる。また、案内羽根はベルマウス６と羽根車１
間の既存の流路内に設置できるので、ポンプのベルマウ
ス６、案内羽根１１及び羽根車１からなるポンプ主要部
の軸方向長さは、後置案内羽根２を設置する場合に比
べ、後置案内羽根２の分だけ実質的に軸方向長さを短く
することが可能である。また、図８からわかるように、羽根入口の速度三角形に
おいて、羽根車羽根への相対流入角β_１は従来の流入角
β_１Ｃに比べ小さくなる。また、羽根出口速度三角形に
おいて、羽根出口の流出角β_２も従来のβ_２Ｃに比べ小
さくなる。従って、羽根車の羽根長さを長く設定するこ
とが可能で、従来の羽根車に比べ負荷が軽減されるか
ら、揚程曲線に不安定部が発生する可能性が低減され
る。更に、例え揚程曲線に不安定部が発生するような場
合でも、ケーシングに設けた溝１２４の効果により揚程
曲線は安定化される。

【００３８】以上述べたように、本実施例によればポン
プの軸方向長さを大幅に短縮できるとともに、安定な揚
程曲線を得ることができる。

【００３９】図９は本発明を適用することにより、ポン
プのメンテナンスを容易に実施できるように工夫した例
である。すなわち、羽根車１、案内羽根２、軸部７、軸
保護管１２及び軸受部１３（上軸受１３ａ、下軸受１３
ｂ）を一体に組み合わせて水力部Ｈとし、それ以外の部
分であるベルマウス６、ケーシング１２１、吐出管３、
吐出ベンド管４などにより構成される流路形成部材（固
定流路部）Ｓに、上方から挿入して（ｂ）図のように、
水力部を組立て或いは取外し自在な構成としたものであ
る。この例でも前記例と同様に、羽根車羽根に対峙する
ケーシング１２２内面には上述の浅い複数の溝１２４が
形成され、また羽根車羽根は大きな出口角を持つように
設定されている。

【００４０】このように、水力部Ｈと固定流路部Ｓとに
分離し、水力部を固定設置された流路形成部材から一体
部品として外部に取外すようにすることにより、ポンプ
を排水機場等に据え付けた後でも、点検、保守、修理等
の必要性が特に大きい水力部Ｈを容易にポンプ外部に取
り出すことができ、メンテナンス作業を極めて容易にお
こなうことができる。

【００４１】また、図９の例で、羽根車側の水中軸受１
４を省略し、原動機側に設けた２個の気中軸受１３（１
３ａ，１３ｂ）のみにより軸を支承する構造とすること
も可能である。これは本発明により羽根車が小形・軽量
化できるので、上記軸受１３からオーバーハングさせる
軸方向長さを大とすることが可能になることから採用で
きる構造である。水中軸受を省略することにより、ポン
プが気中運転した場合の信頼性を格段に向上でき、しか
もセラミックス軸受などの高価な水中軸受を設置しなく
てよいから、ポンプのコスト低減を図ることができる。
なお、前記図７に示したように、前置案内羽根１１を設
ける構造にすれば、更にポンプ軸方向長さを短縮できる
から、より容易に水中軸受を廃した構造を採用可能とな
る。

【００４２】上記実施例の作用を説明する。羽根車で昇
圧した液体の一部は、ケーシングに形成された圧力勾配
方向の溝１２４を上流側に逆流して再循環流の発生場所
に噴出する。すなわち、溝１２４から旋回のない流れ
が、羽根車からの逆流（再循環流）が形成する旋回成分
を抑制し、羽根車へ流入する主流に予旋回が発生するの
を抑制できる。これにより、羽根旋回失速の発生を抑制
するので、ポンプの揚程−流量特性曲線に右上がり特性
が発生するのを抑え、右下がりの安定な揚程曲線を得る
ことが可能となる。

【００４３】また、羽根車羽根出口角に大きな値（３０
〜９０度）を適用することによりポンプの回転数を上げ
ることなくポンプを小形化することができる。更に、前
置案内羽根１１を適用することによりポンプの全長を大
幅に短縮することが可能となる。

【００４４】また、羽根車、案内羽根及び軸部からなる
部品を一体に組み合わせた水力部と、それ以外の吐出
管、吐出ベンド管、ケーシング等の流路形成部材とに分
割し、水力部を流路形成部材に対し取付け取外し可能に
構成することにより、ポンプの保守・点検等のメンテナ
ンスを容易に行うことができる。

【００４５】更に、羽根車を小形・軽量化することがで
きるため、原動機側の２個の軸受１３ａ，１３ｂでオー
バーハングさせる構造とすることができ、これによって
高価な水中軸受を設ける必要がなく、しかもポンプの気
中運転も可能となる。

【００４６】なお、本発明のように、羽根出口角を３０
度以上に大きくすると、ポンプ内の流速が速くなり、流
動損失が増大しやすく、効率が低下し易くなる。これを
解決するための効果的な手段を図１０〜図１２により説
明する。

【００４７】図１０は、図９に示す吐出ベンド４に改良
を加えた例を示すものである。吐出ベンド管４は案内羽
根２の出口側から吐出口に向かって、上下方向に設けら
れた羽根側部４ａ，曲り部４ｂ，水平方向に設けられた
吐出側部４ｃの３つの部分に分かれており、各部はフラ
ンジで締結され、ベンド流路が形成されている。（ａ）
図の各部分Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌにおける断面形状を（ｂ）図
に示す。（ｂ）図の各吐出ベンド管断面形状を示す図に
おいて、各図の左側が吐出ベンド管の曲がりの内径側で
ある。流路曲りの中央付近断面Ｊにおける断面形状にお
いて、ベンド管の曲り半径方向Ｒｂの流路幅ｈは、曲り
平面に垂直な方向（半径方向Ｒｂに垂直な方向）の流路
幅Ｗより小さな値に、例えばＷ＝（1.3〜2.0）hとなる
ように設定されている。また、前記吐出ベンド管の流路
曲りの中央付近断面における流路断面積は吐出ベンド管
入口部断面積の1.0倍〜1.2倍に設定すると良い。ベンド
管出口断面であるＬ部は円形状断面に構成されている。
Ｋ部における断面形状は、Ｌ部の円形状断面と曲り中央
付近断面Ｊの楕円形状とが連続的に滑らかに変化して結
ばれるように形成されている。ベンド管の吐出側部４ｃ
では、楕円形状の断面Ｋから円形の断面Ｌまで流路は拡
大され、流れが減速される。この間の流路においては、
流路面積が1.2〜2.0倍に拡大される。流路長さを短くし
過大な拡大とならないように流路断面の中央に板状の整
流板４ｃ1が挿入されている。

【００４８】このように構成されたポンプでは、吐出ベ
ンド管４の曲り中央付近断面Ｊ付近において、曲り流路
の内径側面４ｂ1と外径側面４ｂ2とで構成される流路幅
ｈが、通常のベンドの内径すなわちベンド入口径Ｄｂよ
り小となるように形成されている。従って、断面Ｊ付近
において、ベンド部を通過する流れＶに働く遠心力Ｆｃ
において、曲りの内径側４ｂ1と曲りの外径側４ｂ2とで
働く遠心力の差は、流路曲りの半径差が小さいため、通
常の場合に比べ小さくなる。

【００４９】一方、流路の出入口面積が一定の場合、す
なわち流路において流れの減速や加速がない場合には、
曲りによる内外径差のために、流れに働く遠心力に差が
生じ、この遠心力差により図１１に示すように２次流れ
が生じる。曲り流路の水力的損失は、この２次流れによ
る損失が主体である。従って、図１０に示すように、曲
り流路の内外径差が小さくなるように形成されると、内
外径部の流れに働く遠心力差が小さくなり、その結果２
次流れが小となり２次流れ損失を小さくできる。

【００５０】また、ベンド部分４ｃに整流板４ｃ1を設
置することにより、流路は急拡大とならず、拡大損失を
小さく抑えつつ流れの速度エネルギーを圧力エネルギー
に変換することができる。その結果、ポンプ効率を低下
することなしにポンプの小形化を図ることが可能とな
る。

【００５１】本発明のポンプのように羽根車の羽根出口
角を大きく設定して小形化したポンプでは、流路内の流
速が増大し損失が大きくなりやすい。従って、上述のよ
うなベンド管を適用すると吐出ベンド管における損失の
増大が抑制され、従来のポンプと同等あるいはそれ以上
の効率を得ることが可能となる。また、図１０に示すよ
うに、羽根車１と軸受１３（１３ｂ）との軸方向距離Ｌ
ｂ、すなわち軸のオーバーハング長さは、従来ポンプの
場合より格段に小さく設定することができる。その結
果、ポンプ軸径の縮小、原動機の設置高さの低減等が可
能となり、ポンプ製作費の低減を図ることができる。

【００５２】図１２は、吐出ベンド管４の内面壁に、流
れ方向の多数の溝１２５を形成するようにしたものであ
る。溝の深さ、幅、本数の幾何学的パラメータは、前述
のJENo.が０．０３〜０．５となるように形成する。溝
１２５は、吐出ベンド入口断面部Ｉから出口断面部Ｍま
での間の流路壁に設けられている。或いは、少なくとも
図１２のＪ部からＬ部（曲がり部の中心付近）に形成す
ると良い。更に、この図１２の例では羽根車部分のポン
プケーシング１２１と吐出ベンド管４との間に吐出ケー
シング３が設けられており、この吐出ケーシング３の部
分は円錐台形状（下流側に向かって流路面積が拡大する
テーパ形状）に構成されている。

【００５３】このように構成された吐出ベンド管４で
は、流入した流れに残存している旋回成分や曲りによる
遠心力作用により生ずる２次流れ等は溝１２５により主
流方向に案内され、流路内を周方向に流れる速度成分は
低減される。その結果、２次流れ損失が低減され、高い
ポンプ効率を維持できる。また、吐出ケーシング３の部
分を円錐台形状とすることにより、ポンプ全体を効率良
くコンパクト化することができる。

【００５４】

【発明の効果】本発明のポンプによれば、羽根車に対峙
するケーシング内面に流体圧力勾配方向の浅い溝を周方
向に複数本形成し、かつ羽根車羽根出口角を大きく構成
したことにより、羽根入口部の再循環流による予旋回を
抑制して揚程曲線の不安定性を防止する一方、ポンプの
回転速度を上げることなく大幅な小形化が図れるという
効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のポンプの一実施例における羽根車入口
部付近の構成を示す要部子午面断面図。

【図２】排水ポンプなどに適用されている典型的な立軸
斜流ポンプの構造を示す図。

【図３】ポンプの揚程−流量特性曲線を説明する線図。

【図４】本発明のポンプの一実施例における羽根車羽根
の出口角を説明する図。

【図５】図２に示す後置案内羽根２の部分の構成を詳細
に示す図で、（ａ）はその要部の断面図、（ｂ）は
（ａ）図のｂ−ｂ矢視図。

【図６】ポンプ羽根車の速度三角形を説明する図で、
（ａ）は従来、（ｂ）は本発明の速度三角形を説明する
図。

【図７】本発明を適用することにより、軸方向長さを短
縮したポンプの例を説明する斜流ポンプの縦断面図。

【図８】図７に示した例の羽根車の速度三角形を説明す
る図。

【図９】本発明を適用することにより、ポンプのメンテ
ナンスを容易に実施できるように工夫した例を説明する
斜流ポンプの縦断面図。

【図１０】図９に示す吐出ベンド管に改良を加えた例を
示す図で、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）図の各部
分Ｉ，Ｊ，Ｋ，Ｌにおける断面形状を示す図。

【図１１】吐出ベンド管の部分における２次流れを説明
する図。

【図１２】吐出ベンド管の内面壁に、流れ方向の多数の
溝を形成するように例を示すもので、（ａ）は縦断面
図、（ｂ）は（ａ）図のＫ部における断面形状の一部を
示す図。

【符号の説明】

１…羽根車、２（２ａ，２ｂ）…後置案内羽根、３…吐
出ケーシング、４…吐出ベンド管、６…ベルマウス、８
…吐出管、９…吸込み水槽、１０…揚程−流量特性曲
線、１１…前置案内羽根、１２…軸保護管、１３…軸受
（１３ａ…上軸受、１３ｂ…下軸受）、１８…システム
カーブ、２０…中間羽根（小羽根或いはリブ）、２１…
ハブ、２１ａ…ハブ面、１２１…ポンプケーシング、１
２２…羽根、１２４…圧力勾配方向の溝、１２５…溝、
１５０…前置案内羽根。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０４Ｄ 29/66 Ｆ０４Ｄ 29/66 Ｆ (72)発明者橋本泰司茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者木村仁治茨城県土浦市神立町603番地株式会社日立製作所産業機械システム事業部内Ｆターム(参考） 3H022 AA01 AA03 BA01 BA06 CA12 CA20 DA07 DA20 3H034 AA01 BB01 BB08 BB16 DD05 DD07 DD25 EE05 EE08 EE12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】羽根車に対峙するケーシング内面に、羽根
入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ流体圧力
の勾配方向の溝を周方向に複数本形成し、前記羽根車の羽根周方向から測った羽根出口角が３０〜
９０度の範囲に設定されていることを特徴とするポン
プ。
【請求項２】請求項１において、前記羽根出口角を５０
〜７０度の範囲に設定したことを特徴とするポンプ。
【請求項３】請求項１において、前記羽根車の出口側に
設けたハブに後置案内羽根を周方向に複数個設置し、前
記後置案内羽根間の前記ハブ面に、後置案内羽根羽根高
さの１／３以下の高さの中間羽根を設けたことを特徴と
するポンプ。
【請求項４】請求項１において、前記ポンプは、ポンプ
ケーシング及び吐出ベンド管等により構成される流路形
成部と、前記吐出ベント管を上下に貫通し下端側に羽根
車を取付けたポンプ軸とを有する立軸ポンプであること
を特徴とするポンプ。
【請求項５】請求項４において、前記吐出ベンド管に複
数の軸受を上下方向に配置して前記ポンプ軸を支持し、
前記羽根車のポンプ軸への取付け部と最下部の前記軸受
との間の距離が、前記最下部の軸受と最上部２個の前記
軸受との距離より大きくなるように形成されていること
を特徴とするポンプ。
【請求項６】請求項４において、前記羽根車の出口側に
設けられたハブと、このハブに設けられた後置案内羽根
とを備え、前記羽根車、ハブ、後置案内羽根及びポンプ
軸を一体に組み合わせて水力部とし、この水力部を、ポ
ンプケーシング及び吐出ベンド管等により構成される流
路形成部材に、上方から挿入して組立て或いは取外しで
きる構成としたことを特徴とするポンプ。
【請求項７】ケーシングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車
と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側
とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本
の溝と、を備え、前記羽根車の上流側の前記ケーシングには前置案内羽根
を設け、この前置案内羽根は、設計流量において羽根車
出口における絶対流れの方向がポンプ軸方向に向くよう
に設定されていることを特徴とするポンプ。
【請求項８】請求項７において、前記羽根出口角を３０
度以上の値に設定したことを特徴とするポンプ。
【請求項９】ケーシングと、このケーシング内に設けら
れ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側
とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本
の溝と、を備え、前記溝はその幅が５mm以上で、溝深さは溝幅より小さく
し、前記羽根車の羽根出口角は３０〜９０度の範囲に設定さ
れていることを特徴とするポンプ。
【請求項１０】請求項１〜９の何れかにおいて、周方向
に複数設けられた前記溝の幅の合計が、該溝が存在する
ケーシング内面周長に対し約３０〜５０％とし、かつ前
記溝の深さは、２mm以上で、該溝が存在するケーシング
内面直径の約０．５〜１．６％になるように形成したこ
とを特徴とするポンプ。
【請求項１１】ポンプケーシングと、このケーシング内
に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、ポンプケーシ
ング下流側に配置された吐出ベンド管と、該吐出ベント
管を上下に貫通し下端側に前記羽根車を取付けたポンプ
軸とを有する立軸ポンプにおいて、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側
とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本
の溝を備え、この溝はその幅が５mm以上で、溝深さは溝
幅より小さくし、前記羽根車の羽根出口角は３０〜９０度の範囲に設定さ
れ、前記吐出ベンド管の断面形状は、その流路曲り中央付近
断面において、曲りの内外径差が曲り部の流路幅より小
さい楕円形状としたことを特徴とするポンプ。
【請求項１２】請求項１１において、前記吐出ベンド管
の断面形状は、入口側断面及び出口側断面では円形とし
たことを特徴とするポンプ。
【請求項１３】請求項１１において、前記吐出ベンド管
の流路曲りの中央付近断面における断面形状において、
ベンドの曲り半径方向Ｒｂの流路幅ｈは、曲り平面に垂
直な方向（半径方向Ｒｂに垂直な方向）の流路幅Ｗに対
し、Ｗ＝（1.3〜2.0）h となるように設定されていることを特徴とするポンプ。
【請求項１４】請求項１１において、前記吐出ベンド管
の流路曲りの中央付近断面における流路断面積は吐出ベ
ンド管入口部断面積の1.0倍〜1.2倍に設定したことを特
徴とするポンプ。
【請求項１５】請求項１１において、吐出ベンド管の内
壁面に主流方向の複数の溝を設置したことを特徴とする
ポンプ。