JP2005330878A

JP2005330878A - 多段流体機械

Info

Publication number: JP2005330878A
Application number: JP2004149381A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Wada; 章弘和田; Takashi Hara; 貴司原; Toshiaki Kanemoto; 敏明金元; Masafumi Miyano; 政文宮野
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-12-02
Anticipated expiration: 2024-05-19
Also published as: JP4707969B2

Abstract

【課題】部分流量域以外の流量域で高効率が得られ、かつ部分流量域で良好なＨ−Ｑ特性が得られる多段ポンプを提供する。
【解決手段】複数の戻り案内羽根３５の後縁３５ｂは、羽根車２０の羽根３６の前縁よりも回転軸１９の径方向外側に位置する。戻り流路３２内において戻り案内羽根３５の後縁３５ｂから回転軸１９に向かって延びる整流板３７を、複数の戻り案内羽３５根の一部に設けている。
【選択図】図２

Description

本発明は、多段流体機械に関する。特に、本発明は、発電プラント、水処理プラント等における高圧給水用の多段ポンプや多段圧縮機等に好適に適用される。

この種の多段流体機械は、例えば特許文献１に開示されている。

図６（Ａ），（Ｂ）を参照して従来の多段流体機械を説明する。回転軸１に固定された複数の羽根車２は、出口２ｂが入口２ａよりも回転軸１の径方向（矢印Ａで示す。）の外側に位置している。ステージケーシング３とディヒューザ４により羽根車２の出口２ｂから次段の羽根車２の入口２ａに至る流路、すなわちディヒューザ流路６と戻り流路７が形成されている。ディヒューザ４は羽根車２の出口２ｂ近傍のディヒューザ流路６に配置されたディヒューザ羽根８と、ディヒューザ流路６から次段の羽根車２の入口２ｂに向かって回転軸１の径方向Ａに延びる戻り流路７に配置された戻り案内羽根９を備える。羽根車２の出口２ｂを出た水等の流体はディヒューザ流路６においてディヒューザ羽根８により静圧回復した後、戻り案内羽根９で整流されつつ戻り流路７を通って次段の羽根車２の入口２ａに流入する。図６（Ｂ）に示すように、戻り案内羽根９は回転軸１の軸線Ｌに対して放射状に配置されている。

図６の多段流体機械では、戻り案内羽根９は例えば最高効率点で後縁９ａにおける流体の旋回成分が零となるように設計されている。また、戻り案内羽根の後縁９ａの径方向Ａの位置（戻り案内羽根９の径方向Ａの長さ）は、羽根車２の羽根５の前縁５ａの径方向Ａの最も内側の端部５ｂとほぼ一致するように設定されている。戻り案内羽根９の長さをこのように設定することで、部分流量域において次段の羽根車２からの逆流を抑制し、良好な全揚程−流量特性を得ることができる。具体的には、図８の全揚程−流量特性Ｈ_０を参照すると、最高効率点（流量Ｑ_ｈｅ）よりも流量の少ない部分量領域において、流量Ｑの減少に伴って全揚程Ｈが増加している。なお、図８において、η_０とＳＰ_０はそれぞれ図６の多段流体機械の効率−流量特性と軸動力−流量特性を示している。

しかし、前述のように戻り案内羽根９の後縁９ａの径方向Ａの位置が羽根車２の羽根５の前縁５ａの径方向Ａの最も内側の端部５ｂとほぼ一致しているので、最高効率点での運転中、戻り案内羽根９の後縁９ａよりも径方向Ａの外側の領域αでは、戻り案内羽根９を通過しても旋回成分が残ったままで次段の羽根車２の入口２ｂに流体が流入する。この旋回成分の残留は羽根車２の羽根５の形状によっては最高効率を低下させる要因となる。

最高効率を向上するためには、図７（Ａ），（Ｂ）に示すように戻り案内羽根９の径方向Ａの長さを縮小し、戻り案内羽根９の後縁９ａを羽根車２の羽根５の前縁５ａよりも回転軸１の径方向Ａ外側に配置すればよい。図８の効率−流量特性η_１を参照すると、図７の多段流体機械の最高効率η_１ｈは、図６の多段流体機械の最高効率η_０ｈよりも高い。

しかし、図７のように戻り案内羽根９の径方向Ａの長さを短く設定すると、部分流量域において次段の羽根車２からの逆流を抑制する効果が得られず、良好な全揚程−流量特性が得られない。具体的には、図８の全揚程−流量特性Ｈ_１を参照すると、流量Ｑの減少に伴って全揚程Ｈ_１が低下する領域があるために、部分量領域において全揚程−流量特性Ｈ_１は山なりの特性（山形特性）を示し、かつ締切全揚程も図６の場合と比較して低下している。なお、図８において、ＳＰ_１はそれぞれ図７の多段流体機械の軸動力−流量特性を示している。

以上のように、戻り案内羽根９の径方向Ａの長さが長いと（図６）、最高効率を十分に向上させることができない。逆に、戻り案内羽根９の径方向Ａの長さが短いと（図７）、部分流量域での全揚程−流量特性が良好でない。

特許第３，２９９，６３８号

本発明は、最高効率が高く、かつ部分流量域で良好な全揚程−流量特性が得られる多段流体機械を提供することを課題とする。

本明細書において、羽根に関して「前縁」とは流体の流れ方向上流側ないしはその羽根への入口側の縁部をいい、「後縁」とは流体の流れ方向下流側ないしはその羽根からの出口側の縁部をいう。

本発明は、回転軸に固定され、かつ出口が入口よりも前記回転軸の径方向外側に位置している複数の羽根車と、前記羽根車の前記出口から次段の前記羽根車の前記入口に向かって前記回転軸の径方向に延びる戻り流路と、この戻り流路に配置された複数の戻り案内羽根とを備える多段流体機械において、前記複数の戻り案内羽根の後縁が、前記羽根車の羽根の前縁よりも前記回転軸の径方向外側に位置し、かつ前記戻り流路内において前記戻り案内羽根の前記後縁から前記回転軸に向かって延びる整流板を、前記複数の戻り案内羽根の一部に設けたことを特徴とする多段流体機械を提供する。

まず、戻り案内羽根の後縁は羽根車の羽根の前縁よりも回転軸の径方向外側に位置する。換言すれば、戻り案内羽根は回転軸の径方向の長さが短い。そのため、最高効率を含む流量域において、個々の羽根車の入口において前段の羽根車による旋回成分は極めて小さくなる。従って、最高効率を含む流量域における効率が向上する。

次に、戻り案内羽根の後縁から回転軸に向かって延びる整流板を設けているので、部分流量域における次段の羽根車からの逆流が整流される。換言すると、次段の羽根車の入口における旋回成分が前段の羽根車の出口側における流体の挙動に与える影響を低減できる。そのため、前述のように戻り案内羽根の回転軸の径方向の長さが短いにもかかわらず、部分流量域において良好な全揚程−流量特性が得られる。具体的には、流量の減少に伴って全揚程が低下することに起因する全揚程−流量曲線の山なりの特性（山形特性）が改善され、かつ締切全揚程の低下も防止することができる。

また、整流板は戻り案内羽根の一部に設けている。換言すれば、整流板の枚数は戻り案内羽根の枚数よりも少ない。従って、部分流量域以外の流量域では整流板を設けたことの影響は最小限に抑制され、前述のように戻り案内羽根の回転軸の径方向の長さを短くしたことにより最高効率を含む流量域での効率が向上する。整流板は規則的に、すなわち１枚又は複数枚の戻り案内羽根毎に設けることが好ましい。

さらに、整流板は戻り案内羽根の後縁から前記回転軸に向かって延びており、戻り案内羽根よりも回転軸の径方向内側に位置している。従って、整流板を設けたことによって、回転軸の軸線方向の多段流体機械の寸法が増加しない。

以上のように、本発明の多段流体機械によれば、最高効率を含む流量域において高効率を実現しつつ、部分流量域において良好な全揚程−流量特性を得ることができ、かつ回転軸の軸線方向に多段流体機械が大型化することもない。

整流板によって部分流量域における次段の羽根車からの逆流を整流する効果を高めるためには、前記整流板の前縁は前記戻り案内羽根の後縁に沿って延びることが好ましい。

整流板は、三次元曲面等の複雑な形状とする必要がなく、厚みが一定の単なる平板状であればよい。また、整流板は回転軸の軸線に対して放射状に配置されていればよい。従って、製造が容易である。

前記複数の整流板は、前記羽根車の出口に位置された複数のディヒューザ羽根と前記複数の戻り案内羽根を備えるディヒューザに対して固定されている。

整流板は溶接等の方法でディヒューザに対して直接固定してもよいが、回転軸が挿通されたブッシュに複数の整流板を設け、このブッシュをディヒューザに固定してもよい。このようなブッシュを設けることで多段流体機械の製造ないしは組立が一層容易になる。

本発明の多段流体機械では、戻り案内羽根の後縁が羽根車の羽根の前縁よりも回転軸の径方向外側に位置し、複数の戻り案内羽根の一部に設けられた整流板が設けられ、かつ整流板は戻り案内羽根の後縁から回転軸に向かって延びているので、回転軸の軸方向に多段流体機械を大型化することなく、最高効率点を含む流量域における効率を向上し、かつ部分流量域において良好な全揚程−流量特性を得ることができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１及び図２は、本発明の実施形態に係る多段ポンプを示す。

図１を参照すると、この多段ポンプのケーシング１１は、それぞれリング状で互いに重ね合わせられた複数のステージケーシング１２、これらステージケーシング１２の一端（図において右側の端部）の吸込側ケーシング１３及び吸込側リング１４、並びにステージケーシング１２の他端（図において左側の端部）の吐出側ケーシング１５及び吐出側リング１６を備える。ステーボルト１７によって吸込側ケーシング１３と吐出側ケーシング１５が複数のステージケーシング１２を回転軸１９の軸線Ｌの方向（矢印Ｂで示す）に締め付け、それによってケーシング１１が一体に保持されている。また、回転軸１９に固定された複数の羽根車２０はそれぞれ１個のステージケーシング１２内に収容されている。さらに、ステージケーシング１２毎にリング状のディヒューザ２１が設けられている。回転軸１９はケーシング１１を貫通して図において水平方向に延びている。回転軸１９は、吸込側及び吐出側リング１４，１６に固定されたパッキンボックス２２Ａ，２２Ｂに収容された軸封装置２３Ａ，２３Ｂにより、両端が軸封されている。また、回転軸１９は、パッキンボックス２２Ａ，２２Ｂに固定されたブラケット２４Ａ，２４Ｂに取り付けた軸受２５Ａ，２５Ｂにより、両端が回転自在に支持されている。ブラケット２５Ａから突出する回転軸１９の図において右側の端部が図示しない原動機に機械的に連結される。回転軸１９に作用する軸線Ｌ方向の圧力の釣り合いのために、バランスディスク２６とバランスシート２７が設けられている。

原動機により回転軸１９が回転駆動されると、吸込側ケーシング１３に設けられた吸込口１３ａから吸い込まれた水等の流体は、回転軸１９と共に回転する各段の羽根車２０で加圧された後、吐出側ケーシング１５に形成された吐出口１５ａから吐出される。

図２（Ａ），（Ｂ）を併せて参照すると、回転軸１９に固定された複数の羽根車２０は、出口２０ｂが入口２０ａよりも回転軸１９の径方向（矢印Ａで示す）の外側に位置している。ステージケーシング１２とディヒューザ２１により羽根車２０の出口２０ｂから次段の羽根車２０の入口２０ａに至る流路、すなわちディヒューザ流路３１と戻り流路３２が形成されている。ディヒューザ２１には複数のディヒューザ羽根３４と複数の戻り案内羽根３５が設けられている。これらディヒューザ羽根３４と戻り案内羽根３５は、羽根車２０の羽根３６とは異なり、回転軸１９の回転中も静止している固定羽根ないしは静止翼である。ディヒューザ羽根３４は羽根車２０の出口２０ｂ近傍のディヒューザ流路３１に配置されている。

戻り案内羽根３５は、ディヒューザ流路３１から次段の羽根車２０の入口２０ａに向けて回転軸１９の径方向Ａに延びる戻り流路３２に配置されている。図２（Ｂ）に示すように、戻り案内羽根３５は回転軸１９の軸線Ｌの方向から見ると翼形であり、かつ軸線Ｌに対して放射状に配置されている。本実施形態では戻り案内羽根３５の枚数は１８枚である。図２（Ａ）を参照すると、メリディアン断面における戻り案内羽根３５の前縁３５ａと後縁３５ｂは軸線Ｌの方向Ｂに延びる互いに平行な直線状である。また、案内羽根３５の後縁３５ｂは、羽根車２０の羽根３６の前縁３６ａの最も回転軸１９の径方向Ａ外側の端部３６ｂよりも、回転軸１９の径方向Ａ外側に位置している。

複数枚の戻り案内羽根３５の一部に対して整流板３７が設けられている。図２（Ｂ）に示すように、本実施形態では、放射状に配置された１８枚の戻り案内羽根３５に対して１枚置きに整流板３７が設けられ、整流板３７の枚数は９枚である。換言すれば、整流板３７は戻り案内羽根３５よりも疎に設けられている。

図２（Ａ），（Ｂ）を参照すると、整流板３７は厚みが一定な平板状であり、回転軸１９の軸線Ｌに対して放射状に配置されている。整流板３７は対応する戻り案内羽根３５の後縁３５ｂから回転軸１９に向かって径方向Ａに延びている。換言すれば、整流板３７は戻り案内羽根３５よりも径方向Ａ内側に設けられている。

また、整流板３７は、ディヒューザ羽根３４及び戻り案内羽根３５と同様に、固定羽根ないしは静止翼であり、ディヒューザ２１に対して固定されている。詳細には、図３及び図４を併せて参照すると、回転軸１９が挿通されたブッシュ３８に整流板３７が設けられており、このブッシュ３８の一端に設けられたフランジ３８ａがディヒューザ２１に対してボルトで固定されている。個々の整流板３７を別々にディヒューザ２１に固定する必要がなく、ブッシュ３８をディヒューザ２１に対して固定すればよいので、多段ポンプの製造ないしは組立を容易に行うことができる。

図２（Ａ）に示すように、メリディアン断面において整流板３７の前縁３７ａは回転軸１９の軸線方向Ｂに延びており、羽根車２０の羽根３６の後縁３６ｃに沿って延びている。整流板３７の前縁３７ａと羽根３６の後縁３６ｂは互い当接しており、戻り案内羽根３５とそれに対応する整流板３７は、ほぼ一つの流体要素を構成している。一方、整流板３７の後縁３７ｂは回転軸１９の径方向Ａに延びている。整流板３７のいずれの部分も戻り案内羽根３５よりも羽根車２０側に配置されている。還元すれば、整流板３７は戻り案内羽根３５を超えて次段の羽根車２０側に突出していない。

次に、前記構成の作用を説明する。まず、前述のように戻り案内羽根３５の後縁３５ｂは羽根車２０の羽根３６の前縁３６ａよりも回転軸１９の径方向Ａ外側に位置する。換言すれば、戻り案内羽根３５は回転軸１９の径方向Ａの長さが短い。そのため、最高効率点を含む流量域では、個々の羽根車２０の入口において前段の羽根車２０による旋回成分は極めて小さくなり、この流量域における効率が向上する。図８において、Ｈ_２、η_２、及びＳＰ_２はそれぞれ本実施形態の多段ポンプの全揚程−流量特性、効率−流量特性、及び軸動力−流量特性を示している。本実施形態と戻り案内羽根の長さが長い場合（図６（Ａ），（Ｂ）参照）とで効率−流量特性η_０，η_２を比較すると、本実施形態における最高効率点（流量Ｑ_ｈｅ）での効率η_２ｈは、戻り案内羽根の長さが長い場合の効率η_０ｈよりも高い。

次に、戻り案内羽根３５の後縁３５ｂから回転軸１９に向かって延びる整流板３７を設けているので、部分流量域における次段の羽根車２０からの逆流が整流される。換言すると、次段の羽根車２０の入口２０ａにおける旋回成分が前段の羽根車２０の出口２０ｂ側における流体の挙動に与える影響を低減できる。そのため、前述のように戻り案内羽根３５の回転軸１９の径方向Ａの長さが短いにもかかわらず、部分流量域において良好な全揚程−流量特性が得られる。図８を参照すると、単に戻り案内羽根の長さを短くした場合（図７（Ａ），（Ｂ））には全揚程−流量特性Ｈ_１は山なりの特性（山形特性）を示すが、本実施形態の全揚程−流量特性Ｈ_２は山形特性が改善され、締切全揚程の低下も十分抑制されている。

また、すべての戻り案内羽根３５に整流板３７を設けるのではなく、戻り案内羽根３５の一部についてのみ整流板３７を設けている。従って、整流板３７を設けたことによる最高効率点を含む流量域における効率低下等の影響は最小限に抑制され、前述のように戻り案内羽根３５の回転軸１９の径方向Ａの長さを短くしたことによって最高効率点を含む流量域での効率が向上する。

さらに、整流板３７は戻り案内羽根３５の径方向Ａ内側に設けられ、戻り案内羽根３５を超えて次段の羽根車２０側に突出していない。従って、整流板３７を設けたことによる回転軸１９の軸線方向Ｂの多段ポンプの寸法の増加を抑制することができる。

（第２実施形態）
図５（Ａ），（Ｂ）に示す本発明の第２実施形態では、９枚の整流板３７をそれぞれ別個にディヒューザ２１に直接固定している。第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

多段ポンプを例に本発明を説明したが、本発明の多段流体機械は多段遠心圧縮機にも適用できる。また、整流板は複数枚置きの戻り案内羽根に設けてもよい。

本発明の第１実施形態に係る多段ポンプを示す断面図。（Ａ）は図１の要部拡大図、（Ｂ）は回転軸の軸線方向から見た戻り案内羽根及び整流板を示す図。整流板固定用のブッシュの正面図。図３のIV−IV線での部分断面図。（Ａ）は本発明の第２実施形態に係る多段ポンプの要部拡大断面図、（Ｂ）は回転軸の軸線方向から見た戻り案内羽根及び整流板を示す図。従来の多段ポンプの一例を示し、（Ａ）は要部拡大断面図、（Ｂ）は回転軸の軸線方向から見た戻り案内羽根及び整流板を示す図。従来の多段ポンプの他の一例を示し、（Ａ）は要部拡大断面図、（Ｂ）は回転軸の軸線方向から見た戻り案内羽根及び整流板を示す図。従来の多段流体機械及び本発明の第１実施形態に係る多段ポンプにおける流量と全揚程、軸動力、及び効率との関係を示す線図。

符号の説明

１１ケーシング
１２ステージケーシング
１３吸込側ケーシング
１３ａ吸込口
１４吸込側リング
１５吐出側ケーシング
１５ａ吐出口
１６吐出側リング
１７ステーボルト
１９回転軸
２０羽根車
２０ａ入口
２０ｂ出口
２１ディヒューザ
２２Ａ，２２Ｂパッキンボックス
２３Ａ，２３Ｂ軸封装置
２４Ａ，２４Ｂブラケット
２５Ａ，２５Ｂ軸受
２６バランスディスク
２７バランスシート
３１ディヒューザ流路
３２戻り流路
３４ディヒューザ羽根
３５戻り案内羽根
３５ａ前縁
３５ｂ後縁
３６羽根車の羽根
３６ａ前縁
３６ｂ端部
３６ｃ後縁
３７整流板
３７ａ前縁
３７ｂ後縁
３８ブッシュ
３８ａフランジ

Claims

回転軸に固定され、かつ出口が入口よりも前記回転軸の径方向外側に位置している複数の羽根車と、前記羽根車の前記出口から次段の前記羽根車の前記入口に向かって前記回転軸の径方向に延びる戻り流路と、この戻り流路に配置された複数の戻り案内羽根とを備える多段流体機械において、
前記複数の戻り案内羽根の後縁が、前記羽根車の羽根の前縁よりも前記回転軸の径方向外側に位置し、かつ
前記戻り流路内において前記戻り案内羽根の前記後縁から前記回転軸に向かって延びる整流板を、前記複数の戻り案内羽根の一部に設けたことを特徴とする多段流体機械。
前記整流板の前縁は前記戻り案内羽根の後縁に沿って延びていることを特徴とする請求項１に記載の多段流体機械。
前記整流板は平板状であり、前記回転軸の軸線に対して放射状に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の多段流体機械。
前記複数の整流板は、前記羽根車の出口に位置された複数のディヒューザ羽根と前記複数の戻り案内羽根を備えるディヒューザに対して固定されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の多段流体機械。
前記回転軸が挿通されたブッシュに前記複数の整流板が設けられ、かつ前記ブッシュが前記ディヒューザに固定されていることを特徴とする請求項４に記載の多段流体機械。