JP2004278311A - 遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】高速運転する場合に高効率を達成できるとともに、小吐出し量でも安定した運転ができ、さらに、羽根車通液路に付着した異物を容易に除去できる低比速度の遠心ポンプを提供する。
【解決手段】ポンプケーシング１の内部に羽根車１２が配置された遠心ポンプにおいて、羽根車１２は複数の翼１８を有し、該翼１８の間には通液路１９が形成され、翼入口から翼出口までにおいて、通液路１９の高さと幅とを同一寸法とし、通液路１９は略正方形の断面形状を有している。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は遠心ポンプに係り、特に、高速運転する場合に高効率を達成できるとともに、小吐出し量でも安定した運転ができ、さらに、羽根車の通液部に付着した異物を容易に除去することができる低比速度遠心ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は遠心ポンプの一般的な構成を示す縦断面図である。図１０に示すように、ポンプケーシング１の内部には、羽根車２が配置されており、ポンプケーシング１の高圧側の開口部には、ケーシングカバー３が固着されている。ケーシングカバー３の中央部には回転軸４が挿通され、この回転軸４の一端に羽根車２が固定されている。回転軸４は図示しない駆動機に連結されており、この駆動機により回転軸４を介して羽根車２が回転駆動されるようになっている。ポンプケーシング１には吸込口１ａ及び吐出口１ｂが設けられている。このような構成において、液体は吸入口１ａから吸入され、回転する羽根車２によって昇圧された後、吐出口１ｂから吐出される。
【０００３】
図１１乃至図１４は、それぞれ従来の羽根車の構成例を示す図である。図１１は遠心ポンプの一般的な羽根車の一例を示す正面断面図であり、図１２は図１１に示す羽根車の縦断面図である。図１１及び図１２に示すように、羽根車２は主板６及び側板７を備え、これらは翼８を介して一体に形成されている。主板６と側板７との間には翼８が渦巻状に配置されており、隣り合う翼８の間には通液路９が形成されている。
【０００４】
通液路９の高さＨｉ（ｉ＝１〜５）は、半径Ｒｉ（ｉ＝１〜５）が大きくなるほど高くなるように形成されている。一方、通液路９の幅Ｊｉ（ｉ＝１〜５）は、半径Ｒｉ（ｉ＝１〜５）が大きくなるに従い、狭くなるように形成されている。羽根車２の通液路９の断面は、一般的には、長方形、平行四辺形、若しくは台形に形成されている。ここで、通液路９の高さＨｉは翼８間の間隔であり、通液路９の幅Ｊｉは主板６と側板７との間隔であり、半径Ｒｉは羽根車２の中心からの距離である。
【０００５】
図１３は、更に他の従来の羽根車を示す正面断面図であり、図１４は図１３に示す羽根車の縦断面図である。小吐出し量及び高揚程ポンプに適した低比速度特性を得るために、主板６及び側板７は一体に形成され、翼８は、半径Ｒｉ（ｉ＝１〜６）が大きくなるに従い、翼８の断面積が拡大するように形成されている。この場合でも、羽根車２の通液路９の断面は、一般的には、長方形、平行四辺形、若しくは台形に形成されている。なお、図１１乃至図１４に示した羽根車２は、材料がねずみ鋳鉄やステンレス鋳鋼の場合には鋳造により製作され、材料がプラスチックなどの場合には射出成形又は光造型により製作されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような遠心ポンプでは、駆動機によって羽根車２を回転させ、羽根車２によって液体に速度エネルギーを与え、ポンプケーシング１によって液体を減速させることによって速度エネルギーを圧力エネルギーに変換している。羽根車２の回転速度を高速化するに従って、羽根車２での摩擦損失が増加し、特に低比速度ポンプでは、羽根車における摩擦損失によって、ポンプ効率が著しく低下する。そこで、高速運転する低比速度ポンプでは、ポンプ効率を向上させるために、羽根車の通液路の表面粗さを低減させたり、通液路に逆流渦が発生しないような対策が施されてきた。
【０００７】
遠心ポンプを高速化する場合、一般に、回転速度に比例して最高効率点の吐出し量は大きくなる。このような遠心ポンプを小吐出し量で、かつ、ある一定の全揚程を得る目的で使用する場合には、吐出し弁などを使用して吐出し量を制限する必要がある。しかしながら、この場合では、エネルギーの損失に加え、羽根車内部の逆流渦は更に大きくなり、ポンプ効率の低下及び遠心ポンプの振動が増大するという問題がある。
【０００８】
また、小吐出し量及び高揚程に適した低比速度特性を持つ遠心ポンプでは、羽根車直径に比べ、羽根車の通液部の幅Ｊｉが小さく、更に、羽根車は、主板及び側板とが一体に形成された構成を有しているために、次のような問題がある。
▲１▼羽根車の通液部の表面をグラインダなどで研磨できないために、通液部の表面粗さを低減できず、ポンプ効率の向上に限界がある。
▲２▼鋳造時における中子の位置ずれにより、羽根車の通液路に寸法の誤差が生じることがある。この寸法の誤差は機械加工などによって修正できないために、通液路ごとに液体に与えられる速度エネルギーが不均等になり、遠心ポンプに振動が発生しやすい。
▲３▼上記遠心ポンプは羽根車の通液路の幅Ｊｉの変化率が大きいために、吐出し量の大きいポンプと比較して、上述した通液路の寸法の誤差がポンプ性能に与える影響が大きく、このため、ポンプ性能が変化しやすい。
▲４▼水などの揚水に上記遠心ポンプを使用する場合、炭酸カルシウムや塩化カルシウムなどのカルキ異物が羽根車の通液路に付着する。このようなカルキ異物は分解して除去することができないので、本来のポンプ性能に復元するためには新品の羽根車に交換しなければならないという問題があった。
【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、高速運転する場合に高効率を達成できるとともに、小吐出し量でも安定した運転ができ、さらに、羽根車通液路に付着した異物を容易に除去できる低比速度遠心ポンプを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、ポンプケーシングの内部に羽根車が配置された遠心ポンプにおいて、前記羽根車は複数の翼を有し、該翼の間には通液路が形成され、翼入口から翼出口までにおいて、前記通液路の高さと幅とを同一寸法としたことを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記通液路は略正方形の断面形状を有していることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記通液路は、直線状又は曲線状に形成されていることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記羽根車は主板及び側板を有し、前記翼は前記主板と前記側板との間に配置され、前記主板又は前記側板は前記翼に着脱可能に取り付けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、比速度Ｎｓ＝（ｎＱ^１／２）／Ｈ^３／４［ただし、ｎ：回転速度（ｍｉｎ^−１）、Ｑ：吐出し量（ｍ^３／ｍｉｎ）、Ｈ：全揚程（ｍ）］は４０から１４０までの範囲内にあり、かつ、最高効率点における吐出し量が０．００５から１００Ｌ／ｍｉｎまでの範囲内にあることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、前記羽根車の直径は１０から１６０ｍｍまでの範囲内にあり、かつ、前記通液路の高さ及び幅が１から８ｍｍまでの範囲内にあることを特徴とする。
【００１１】
本発明によれば、羽根車における摩擦損失を低減することができ、特に、高速運転する場合に高効率を達成できるとともに、小吐出し量でも安定した運転ができる。さらに、羽根車の通液部に付着した異物を容易に除去することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る遠心ポンプの羽根車を示す正面断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
図１及び図２に示す羽根車１２は、図１０に示す遠心ポンプに装着される。即ち、本実施形態に係る遠心ポンプにおいては、羽根車１２以外の各構成部材は、図１０に示す遠心ポンプの各構成部材と同一である。なお、図１０に示す従来例と同一または相当部分には、同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。
【００１３】
図１及び図２に示すように、主板６と側板７との間に、複数の翼１８が配置され、この翼１８は扇形の形状を有し、半径方向外側に向かって翼１８の断面積が大きくなるように形成されている。これにより、翼１８間に半径方向に延びる溝状の通液路１９が形成され、低比速度遠心ポンプに好適な翼形状となっている。主板６と翼１８とは一体に形成され、側板７は、主板６及び翼１８から分割されている。即ち、側板７は、主板６及び翼１８とは別部材として構成され、ボルト１０によって翼１８に固定されている。なお、ボルト１０を取り外すことによって側板７を翼１８から取り外すことが可能となっている。
【００１４】
ここで、半径Ｒ１にある翼入口（通液路１９の入口）の高さをＨ１、幅をＪ１とする。同様に、半径Ｒ２にある翼出口（通液路１９の出口）の高さをＨ２、幅をＪ２とする。そして、通液路１９の高さ及び幅がＨｉ＝Ｊｉ（ｉ＝１，２）となるように通液路１９を形成する。さらに、半径Ｒ１から半径Ｒ２までの間において、図１及び図２に示すように、通液路１９を直線状に形成する。すなわち、通液路１９の断面は、半径Ｒ１（翼入口）から半径Ｒ２（翼出口）までの全領域において正方形に形成されている。また、通液路１９は、翼入口から翼出口までの全領域において一定の断面積を有している。
【００１５】
ここで、通液路１９の高さＨｉ（ｉ＝１，２）は、隣り合う翼１８の間隔、すなわち、通液路１９の断面（図１では内接円で表示）の周方向の長さ（内接円の直径）である。通液路１９の幅Ｊｉ（ｉ＝１，２）は、主板６と側板７との間隔、すなわち、通液路１９の断面（図２では内接円で表示）の軸方向の長さ（内接円の直径）である。半径Ｒｉ（ｉ＝１，２）は、羽根車１２の中心からの距離である。
【００１６】
図３は、図１及び図２に示す羽根車の通液路の一部を示す模式図である。液体が通過する通液路１９の断面の周辺の和、すなわち、濡れ縁長さＳｉは、
Ｓｉ＝２×（Ｈｉ＋Ｊｉ） ［ただしｉ＝１，２］
となる。
通液路の表面粗さが同じとした場合、この濡れ縁長さＳｉが最小になるときに摩擦損失は最小になる。この摩擦損失は、特に高速運転を行う低比速度ポンプにおいて、ポンプ効率に大きく影響する。したがって、通液路の断面を正方形に形成することによって、通液路の断面積に対する濡れ縁長さが最小となり、低比速度ポンプにおいて、最高のポンプ効率を得ることが可能となる。
【００１７】
なお、正方形よりも濡れ縁長さＳｉが最小になる通液路の断面形状には、図４に模式的に示した円がある。この場合に、正方形の通液路と同一の断面積となる通液路の直径Ｄｉは、次の式から求められる。
Ｈｉ×Ｊｉ＝（π／４）×Ｄｉ^２
ゆえに、Ｄｉ≒１．１３×Ｊｉ
となり、通液路の直径Ｄｉは、羽根車１２の幅Ｊｉの約１１３％になる。半径方向から見た翼入口（通液路の入口）を図５及び図６に示す。図６に示すように、通液路の断面形状が円形（直径Ｄ１）の場合には、図５に示す正方形（高さＨ１、幅Ｊ１）の断面の場合と比較して、翼入口において通液路以外の部位、すなわち、液体の流入に対する無効な部位の面積Ｅが大きくなる。そのため、通液路の断面が円形の場合には、翼入口において衝突損失が増大し、吸込性能が悪化する。したがって、このような通液路を有する遠心ポンプを高速で運転する場合には、キャビテーションの問題も発生する。
【００１８】
本実施形態における遠心ポンプは、小吐出し量及び高揚程が得られるように、比速度Ｎｓ＝（ｎＱ^１／２）／Ｈ^３／４、［ただし、ｎ：回転速度（ｍｉｎ^−１）、Ｑ：吐出し量（ｍ^３／ｍｉｎ）、Ｈ：全揚程（ｍ）］は４０から１４０まで（４０以上、１４０以下）の範囲内であり、かつ、最高効率点における吐出し量が０．００５から１００Ｌ（リットル）／ｍｉｎまで（０．００５Ｌ／ｍｉｎ以上、１００Ｌ／ｍｉｎ以下）の範囲内となるように設計されている。また、本実施形態に係る遠心ポンプは、羽根車１２の直径が１０から１６０ｍｍまで（１０ｍｍ以上、１６０ｍｍ以下）の範囲内であり、かつ、羽根車１２の通液路１９の高さＨｉ及び幅Ｊｉが１から８ｍｍまで（１ｍｍ以上、８ｍｍ以下）の範囲内となるように設計されている。したがって、この遠心ポンプは、高速運転を前提として設計されている。このため、翼入口における通液路１９の断面を正方形とすることによって良好な吸込性能を得ることが可能となる。なお、通液路の断面は、正方形に近似した形状、すなわち、略正方形であってもよい。
【００１９】
図７は本実施形態に係る遠心ポンプと従来の遠心ポンプの性能を比較したグラフ図である。図７において、横軸は吐出し量（Ｌ／ｍｉｎ）を表し、縦軸は全揚程（ｍ）及び効率（％）を表している。また、図７では、本実施形態に係る遠心ポンプの性能曲線を実線で示し、従来の遠心ポンプの性能曲線を破線で示している。比較される２つの遠心ポンプは、同一の羽根車外径、同一の翼枚数、及び同一のポンプケーシング形状を有している。また、翼入口における通液路の断面積がほぼ同じであり、通液路を含む羽根車の表面粗さも同一である。
【００２０】
図７に示すように、本実施形態に係る遠心ポンプは、従来の遠心ポンプに比べて全揚程が高く、また効率も優れている。これは、羽根車の通液路の断面形状を正方形に形成することによって、濡れ縁長さが最小となるため、特に高速運転時において摩擦損失が低減され、また逆流渦の発生が防止されるためである。
【００２１】
なお、図１及び図２に示す羽根車１２では、主板６と翼１８とは一体に形成され、側板７は主板６及び翼１８から分割された別部材として設けられているが、側板７と翼１８とを一体に形成し、主板６を、側板７及び翼１８から分割された別部材として設けてもよい。いずれの場合にも、前述したような通液路を羽根車の内部に形成することができる。したがって、高速運転時における摩擦損失が低減され、また、逆流渦の発生が防止され、高いポンプ効率を達成することができる。
【００２２】
また、側板７（又は主板６）が別部材として設けられているので、羽根車１２内部の通液路１９の表面をグラインダなどで研磨することができる。したがって、通液路１９の表面粗さが低減され、ポンプ効率を更に向上させることができる。また、鋳造時の中子の位置ずれによって生じる羽根車１２の通液路１９の寸法誤差は、機械加工によって修正することができる。したがって、羽根車１２の通液路１９ごとに液体に与えられる速度エネルギーを均等にすることができ、遠心ポンプの振動を低減することができる。さらに、炭酸カルシウムや塩化カルシウムなどカルキ異物が羽根車１２の通液路１９に付着した場合には、ボルト１０を取り外して、側板７（又は主板６）を取り外すことによってカルキ異物を除去することができ、これにより、羽根車１２の交換を不要にすることができる。
【００２３】
図８及び図９に、本発明に係る遠心ポンプの他の実施形態を示す。図８は本発明の第２の実施形態に係る遠心ポンプの羽根車を示す正面断面図である。図９は本発明の第３の実施形態に係る遠心ポンプの羽根車を示す正面断面図である。なお、第２及び第３の実施形態において、特に説明しない構成及び動作については第１の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。
【００２４】
図８に示すように、羽根車２２の翼２８の間には、通液路２９が直線状に形成されている。翼２８は、翼出口角度が９０°より小さくなるように形成されている。すなわち、通液路２９は、羽根車２２の半径方向に対して所定の角度で傾斜している。一方、図９に示すように、羽根車３２の翼３８の間には、通液路３９が曲線状に形成されている。この通液路３９（翼３８）は所定の曲率でカーブしている。このように構成された羽根車２２，３２によれば、上述した第１の実施形態における羽根車と同様に、ポンプ効率を向上させることが可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、羽根車の通液路における摩擦損失を低減させることができ、高いポンプ効率を達成することができる。また、小吐出し量及び高揚程の条件下においても安定性の高い運転が可能となる。さらに、羽根車の通液路に付着した異物を容易に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る遠心ポンプの羽根車を示す正面断面図である。
【図２】図１に示す羽根車のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示す羽根車の通液路を示す模式図である。
【図４】羽根車の通液路の断面を円形とした場合の模式図である。
【図５】図１に示す羽根車の翼入口を半径方向から見た図である。
【図６】羽根車の通液路を円形とした場合の羽根車の翼入口を半径方向から見た図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る遠心ポンプと従来の遠心ポンプの性能曲線を示すグラフ図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る遠心ポンプの羽根車を示す正面断面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る遠心ポンプの羽根車を示す正面断面図である。
【図１０】一般的な遠心ポンプを示す縦断面図である。
【図１１】従来の羽根車を示す正面断面図である。
【図１２】図１１に示す羽根車の縦断面図である。
【図１３】従来の羽根車を示す正面断面図である。
【図１４】図１３に示す羽根車の縦断面図である。
【符号の説明】
１ ポンプケーシング
２，１２，２２，３２ 羽根車
３ ケーシングカバー
４ 回転軸
６ 主板
７ 側板
８，１８，２８，３８ 翼
９，１９，２９，３９ 通液路
１０ ボルト

Claims (6)

1. ポンプケーシングの内部に羽根車が配置された遠心ポンプにおいて、
   前記羽根車は複数の翼を有し、該翼の間には通液路が形成され、翼入口から翼出口までにおいて、前記通液路の高さと幅とを同一寸法としたことを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記通液路は略正方形の断面形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記通液路は、直線状又は曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記羽根車は主板及び側板を有し、前記翼は前記主板と前記側板との間に配置され、前記主板又は前記側板は前記翼に着脱可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
5. 比速度Ｎｓ＝（ｎＱ^１／２）／Ｈ^３／４［ただし、ｎ：回転速度（ｍｉｎ^−１）、Ｑ：吐出し量（ｍ^３／ｍｉｎ）、Ｈ：全揚程（ｍ）］は４０から１４０までの範囲内にあり、かつ、最高効率点における吐出し量が０．００５から１００Ｌ／ｍｉｎまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記羽根車の直径は１０から１６０ｍｍまでの範囲内にあり、かつ、前記通液路の高さ及び幅が１から８ｍｍまでの範囲内にあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

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