JP2005537420A - 遠心式羽根車及びポンプ装置 - Google Patents

Abstract

本発明の遠心式羽根車は、複数の翼（３）と、羽根車入口（１）から羽根車出口（２）へ流体を送る複数の流路（Ｐ）と、流路（Ｐ）を形成するシュラウド（４）及びハブ（５）とを有している。各流路（Ｐ）は隣り合う翼（３）の間に形成されている。シュラウド（４）の曲線（Ｌ_３）は、翼入口（Ａ）から翼（３）の所定の位置（Ｃ）まではハブ側に湾曲し、翼（３）の所定の位置（Ｃ）から翼出口（Ｂ）まではハブ（５）とは反対側に湾曲している。

Description

本発明は、遠心式羽根車及びポンプ装置に係り、特に渦巻ポンプなどの遠心ポンプに用いられ、遠心力によって流体にエネルギを加えて昇圧する遠心式羽根車及び該羽根車を備えたポンプ装置に関するものである。

遠心式羽根車においては、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、必要とされる流量及び揚程を満足するように、翼１１０の入口幅Ｂ_１及び出口幅Ｂ_２、羽根車の入口径Ｄ_０及び出口径Ｄ_２、翼１１０の入口角度β_１及び出口角度β_２などが設計される。従来の遠心式羽根車においては、入口幅Ｂ_１から出口幅Ｂ_２に至る過程において、翼１１０の幅が徐々に変化することがよいとされており、また同様に、翼１１０の角度も入口角度β_１から出口角度β_２に至るまで徐々に変化することがよいとされている。

図２Ａ及び図２Ｂは、このようにして設計された従来の遠心式羽根車の子午面断面図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、遠心式羽根車は、シュラウド１２０とハブ１３０との間に配置された複数の翼１１０を備えている（図２Ａ及び図２Ｂでは１つの翼１１０のみを示す）。翼１１０は遠心式羽根車の中心部周りに周方向に等間隔に配置されている。隣接する２つの翼１１０、シュラウド１２０、及びハブ１３０によって流路１４０が形成されており、この流路１４０内を流体が流れるようになっている。ここで、図２Ａに示す従来の遠心式羽根車においては、シュラウド１２０側の曲線は全体にハブ１３０側に湾曲した曲線Ｌ_１となっており、図２Ｂに示す従来の遠心式羽根車においては、シュラウド１２０側が直線Ｌ_２となっている。

しかしながら、図２Ａ又は図２Ｂに示すように、シュラウド１２０側が曲線Ｌ_１又は直線Ｌ_２となっていると、小流量で高揚程の羽根車、すなわち比速度（Ｎｓ）の小さい羽根車の場合には、流路１４０の子午面長さが長くなり、全体的な子午面断面における流路幅が狭くなってしまう。このため、流路１４０内の流体の相対速度が大きくなり、流路１４０内の摩擦損失が大きくなって羽根車の性能が低下してしまう。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、比速度の小さい場合においても、流路内の内部損失を小さくして良好な性能を得ることができる遠心式羽根車及び該遠心式羽根車を備えたポンプ装置を提供することを目的とする。

このような従来技術における問題点を解決するために、本発明の一態様は、羽根車入口と羽根車出口との間に複数の翼を有し、隣り合う翼の間に前記遠心式羽根車の回転に伴い前記羽根車入口から前記羽根車出口へ流体を送る複数の流路が形成され、前記複数の流路を形成するシュラウド及びハブを備えた遠心式羽根車であって、前記遠心羽根車の子午面断面において、前記流路を構成するシュラウド側の曲線が、翼入口から前記翼の所定の位置まではハブ側に湾曲し、前記翼の所定の位置から翼出口までは前記ハブとは反対側に湾曲していることを特徴とする遠心式羽根車である。
本発明の好ましい一態様は、前記翼の所定の位置は、子午面における前記翼の中央近傍に位置していることを特徴とする。

このような構成により、従来の遠心式羽根車に比べて流路内の流体の相対速度を小さくすることができる。すなわち、従来の遠心式羽根車では、流路を流れる流体の子午面速度は、翼入口から翼出口までの領域でほぼ一定である。これに対し、本発明に係る遠心式羽根車では、翼入口から翼の所定位置（例えば、翼の中央近傍位置）にかけて流路を広げることができるので、この流路を流れる流体の子午面速度を大きく減速させることができる。したがって、流路内の内部損失を小さくすることができ、比速度の小さい羽根車においても良好な性能を発揮することが可能となる。

本発明の好ましい一態様は、遠心式羽根車の軸方向から見て前記ハブ側と前記シュラウド側の流線が一致していることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、隣り合う翼の間の距離が前記翼入口から前記翼の所定の位置まで徐々に増加し、前記翼の所定の位置から前記翼出口に向かって狭くなっていることを特徴とする。

このような構成により、流体の減速域を従来の遠心式羽根車よりも後流側まで広げることができるので、従来の遠心式羽根車に比べてより流体と流路との間の摩擦を減らすことができる。また、翼出口における速度分布歪みが改善されるので、流体の内部に生じるせん断力を減少させることができ、流路の後流域での損失を小さくすることができる。ここで、速度分布歪みとは、流体の流れ方向に垂直な方向において流体の速度が不均一であることをいう。

本発明の他の態様は、羽根車入口と羽根車出口との間に複数の翼を有し、隣り合う翼の間に前記遠心式羽根車の回転に伴い前記羽根車入口から前記羽根車出口へ流体を送る複数の流路が形成され、前記複数の流路の一部を形成するシュラウド及びハブを備えた遠心式羽根車であって、隣り合う翼の間の距離が前記翼入口から前記翼の所定の位置まで徐々に増加し、前記翼の所定の位置から前記翼出口に向かって狭くなっていることを特徴とする遠心式羽根車である。
本発明の好ましい一態様は、前記翼の所定の位置は、子午面における前記翼の中央近傍に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい一態様は、遠心式羽根車の軸方向から見て前記ハブ側と前記シュラウド側の流線が一致していることを特徴とする。
本発明の第３の態様は、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の遠心式羽根車と,前記羽根車を収容するケーシングと、前記羽根車が取り付けられる回転自在な主軸とを備えたことを特徴とするポンプ装置である。

上述したように、本発明によれば、従来の遠心式羽根車に比べて流路内の流体の相対速度を小さくすることができる。したがって、流路内の内部損失を小さくすることができ、比速度の小さい羽根車においても良好な性能を発揮することが可能となる。

以下、本発明に係る遠心式羽根車の実施形態について図面を参照して説明する。図３は本発明の一実施形態における遠心式羽根車の子午面断面図、図４は図３に示す遠心式羽根車の正断面図である。図３及び図４に示すように、遠心式羽根車は、複数の翼３（図４においては隣り合う２つの翼のみを図示した）と、シュラウド（チップ）４と、ハブ５とを備えている。翼３は、遠心式羽根車の軸方向においてシュラウド４とハブ５との間に配置され、さらに、中央側の羽根車入口１と外周側の羽根車出口２の間に配置されている。これらの翼３は、遠心式羽根車の中心部周りに周方向に等間隔に配置され、外側に向かって螺旋状に延びている。隣り合う翼３の間には、遠心式羽根車の回転に伴い羽根車入口１から羽根車出口２へ流体を送る複数の流路Ｐが形成されている。すなわち、隣り合う翼３とシュラウド４とハブ５とによって囲まれる空間が流路Ｐとなっている。なお、図３及び図４では１つの流路Ｐのみを示す。また、本実施形態における遠心式羽根車は、図４に示すように、遠心式羽根車の軸方向から見てハブ５側とシュラウド４側の流線が一致しており、２次元羽根車となっている。すなわち、翼３はハブ５からシュラウド４までハブ５の表面に対して垂直に延びている。

図３に示す遠心式羽根車の子午面断面において、流路Ｐを構成するシュラウド４側の曲線Ｌ_３は、羽根車の翼入口Ａから子午面における翼３の中央近傍の位置Ｃ（以下、中央近傍位置Ｃという）までの子午面長さＭ_１の範囲においてはハブ５側に湾曲しており、翼入口Ａから中央近傍位置Ｃにかけて流路Ｐが広くなっている。一方、中央近傍位置Ｃから翼出口Ｂまでの子午面長さＭ_２の範囲においては、曲線Ｌ_３はハブ５とは反対側に湾曲しており、中央近傍位置Ｃの下流側の領域で流路Ｐが広がり、さらに翼出口Ｂ近傍の流路Ｐが急に狭くなっている。

このように構成することで、翼入口Ａから中央近傍位置Ｃにかけて流路Ｐを広げることができるので、流路Ｐを流れる流体の子午面速度を大きく減速させることができ、従来の遠心式羽根車に比べて流路Ｐ内の流体の相対速度を小さくすることができる。また、翼出口Ｂ近傍の流路Ｐを狭くすることにより、遠心式羽根車から吐出される流体の流量を小さくすることができ、所望の流量を得ることができる。図５Ａは本発明に係る遠心式羽根車と図１Ａに示す従来の遠心式羽根車における流体の相対速度を比較したグラフ、図５Ｂは特性を比較したグラフである。図５Ａ及び図５Ｂにおいて実線は本発明を示し、破線は従来例を示す。図５Ａに示すように、本発明に係る遠心式羽根車によれば、翼入口Ａから翼出口Ｂに至る範囲において従来の遠心式羽根車よりも流体の相対速度を小さくすることができる。したがって、本発明に係る遠心式羽根車は、流路Ｐ内の内部損失を小さくすることができるので、比速度の小さい羽根車においても良好な性能を発揮することが可能となる。また、図５Ａに示すように、本発明に係る遠心式羽根車においては、翼出口Ｂにおける流体の相対速度は従来の遠心式羽根車と変わらないので、オイラーヘッドも変わらず、図５Ｂに示すように、軸動力が増加することもなく、また、ポンプ効率が上昇する。なお、オイラーヘッドとは、オイラーの方程式から求められる理論水頭をいう。

また、図４の正断面図において、隣り合う翼３間の距離は、翼入口Ａにおける距離ａ_１が中央近傍位置Ｃにおける距離ａ_２よりも小さく（ａ_１＜ａ_２）、翼出口Ｂにおける距離ａ_３が距離ａ_２よりも小さく（ａ_３＜ａ_２）なるように構成されており、翼入口Ａから中央近傍位置Ｃに向かって徐々に増加し、中央近傍位置Ｃから翼出口Ｂに向かって減少するようになっている。翼入口Ａにおける距離ａ_１及び中央近傍位置Ｃにおける距離ａ_２が大きくなっており、流体の減速域を従来の遠心式羽根車よりも後流側まで広げることができるので、従来の遠心式羽根車に比べて流体と流路Ｐとの摩擦をより減らすことができる。また、距離ａ_３は距離ａ_２よりも小さくなっているので、翼出口Ｂにおける速度分布歪みが改善される。従って、流体の内部に生じるせん断力を減少させることができ、流路の後流域での損失を小さくすることができる。

本発明に係る遠心式羽根車の形状は、三次元逆解法を用いることにより、設計的に再現することができる。三次元逆解法とは、翼面の負荷分布を規定して、その負荷分布を満たす翼面形状を数値計算により決定する設計手法である。この三次元逆解法の理論の詳細は、公知文献（Zangenh, M., 1991, “A Compressible Three-Dimensional Design Method
for Radial and Mixed Flow Turbomachinery Blades”, Int. J. Numerical Methods in
Fluids, Vol. 13, pp. 599-624）に記載されている。図６Ａ乃至図６Ｅは、本発明に係る遠心式羽根車の設計例を示す子午面断面図であり、図６Ａから図６Ｅまで比速度を次第に大きくしている。図６Ａは比速度１２０の遠心式羽根車であり、図６Ｂは比速度１４０、図６Ｃは比速度２００、図６Ｄは比速度２４０、図６Ｅは比速度２８０の遠心式羽根車である。

遠心式羽根車においては、流体と流路の内周面との摩擦による摩擦損失と、速度分布歪みから生じる混合損失とが生じる。一般に、比速度が小さいほど、摩擦損失が大きくなる。本発明によれば、流路を流れる流体の相対速度を小さくすることができるので、摩擦損失を減少させることができる。従って、本発明に係る遠心式羽根車は比速度の小さい羽根車において有効であり、本発明に係る遠心式羽根車を回転自在な主軸に取り付けて、良好な性能を発揮できるポンプ装置を構成することができる。

図７は、本発明に係る遠心式羽根車を備えたポンプ装置の一例を示す縦断面図である。なお、図７に示すポンプ装置は一例であり、本発明に係る遠心式羽根車はどのような種類のポンプ装置にも適用できるものである。

図７に示すポンプ装置は、内部にモータ１０を収容したモータ部１２と、内部に本発明に係る遠心式羽根車１４を収容したポンプ部１６とを備えている。モータ部１２及びポンプ部１６の内部には主軸１８が挿通されており、主軸１８の下端には遠心式羽根車１４が取り付けられている。これにより、モータ部１２のモータ１０の動力がポンプ部１６の遠心式羽根車１４に伝達され、遠心式羽根車１４が主軸１８と一体に回転する。

ポンプ部１６は、吸込口２０及び吐出口２２を有するケーシング２４と、このケーシング２４内に収容された中間ケーシング２５とを備えており、ケーシング２４の内部に上述した遠心式羽根車１４がその羽根車入口１が下方を向くように収容されている。中間ケーシング２５はその下端部に開口部２５ａを有しており、これにより中間ケーシング２５の内部がケーシング２４の内部に連通するようになっている。吸込口２０はケーシング２４の一側面に位置しており、この吸込口２０はケーシング２４の内部に連通している。また、吐出口２２はケーシング２４の反対側の側面に位置しており、この吐出口２２は中間ケーシング２５の内部に連通している。中間ケーシング２５とモータ部１２との間には中間ケーシング２５の開口を覆うためのケーシングカバー２６が取り付けられており、このケーシングカバー２６の中央部には、ポンプ部１６の圧力水が漏れてモータ部１２内に浸入することを防止するメカニカルシール２８が配置されている。

このような構成のポンプ装置においては、主軸１８の下端に取り付けられた遠心式羽根車１４にモータ１０の動力が伝達され、遠心式羽根車１４によってケーシング２４内の流体（液体）に運動エネルギが与えられる。したがって、モータ１０を駆動させて遠心式羽根車１４を回転させると、流体がケーシング２４の吸込口２０からケーシング２４内に吸い込まれて昇圧され、吐出口２２から吐出される。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

産業上の利用の可能性

本発明は遠心式羽根車及びポンプ装置に利用可能なものであり、特に渦巻ポンプなどの遠心ポンプに用いられ、遠心力によって流体にエネルギを加えて昇圧する遠心式羽根車及び該羽根車を備えたポンプ装置に利用可能なものである。

図１Ａは遠心式羽根車の正断面図、図１Ｂは遠心式羽根車の子午面断面図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、従来の遠心式羽根車を示す子午面断面図である。 本発明の一実施形態における遠心式羽根車の子午面断面図である。 図３に示す遠心式羽根車の正断面図である。 図５Ａは本発明に係る遠心式羽根車と従来の遠心式羽根車における流体の相対速度を比較したグラフ、図５Ｂは本発明に係る遠心式羽根車と従来の遠心式羽根車における特性を比較したグラフである。 図６Ａ乃至図６Ｅは、本発明に係る遠心式羽根車の設計例を示す子午面断面図であり、図６Ａは比速度１２０の遠心式羽根車であり、図６Ｂは比速度１４０、図６Ｃは比速度２００、図６Ｄは比速度２４０、図６Ｅは比速度２８０の遠心式羽根車である。 本発明に係る遠心式羽根車を備えたポンプ装置の一例を示す縦断面図である。

Claims (8)

1. 羽根車入口と羽根車出口との間に複数の翼を有し、隣り合う翼の間に前記遠心式羽根車の回転に伴い前記羽根車入口から前記羽根車出口へ流体を送る複数の流路が形成され、前記複数の流路を形成するシュラウド及びハブを備えた遠心式羽根車であって、
   前記遠心羽根車の子午面断面において、前記流路を構成するシュラウド側の曲線が、翼入口から前記翼の所定の位置まではハブ側に湾曲し、前記翼の所定の位置から翼出口までは前記ハブとは反対側に湾曲していることを特徴とする遠心式羽根車。
2. 前記翼の所定の位置は、子午面における前記翼の中央近傍に位置していることを特徴とする請求項１に記載の遠心式羽根車。
3. 遠心式羽根車の軸方向から見て前記ハブ側と前記シュラウド側の流線が一致していることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心式羽根車。
4. 隣り合う翼の間の距離が前記翼入口から前記翼の所定の位置まで徐々に増加し、前記翼の所定の位置から前記翼出口に向かって狭くなっていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心式羽根車。
5. 羽根車入口と羽根車出口との間に複数の翼を有し、隣り合う翼の間に前記遠心式羽根車の回転に伴い前記羽根車入口から前記羽根車出口へ流体を送る複数の流路が形成され、前記複数の流路の一部を形成するシュラウド及びハブを備えた遠心式羽根車であって、
   隣り合う翼の間の距離が前記翼入口から前記翼の所定の位置まで徐々に増加し、前記翼の所定の位置から前記翼出口に向かって狭くなっていることを特徴とする遠心式羽根車。
6. 前記翼の所定の位置は、子午面における前記翼の中央近傍に位置していることを特徴とする請求項５に記載の遠心式羽根車。
7. 遠心式羽根車の軸方向から見て前記ハブ側と前記シュラウド側の流線が一致していることを特徴とする請求項５又は６に記載の遠心式羽根車。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の遠心式羽根車と,
   前記羽根車を収容するケーシングと、前記羽根車が取り付けられる回転自在な主軸とを備えたことを特徴とするポンプ装置。
   

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