JP2006002682A

JP2006002682A - 直交軸軸流水力装置

Info

Publication number: JP2006002682A
Application number: JP2004180538A
Authority: JP
Inventors: Sadao Uchida; 貞雄内田; Hiroyuki Inoue; 博之井上
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-18
Also published as: JP4016016B2

Abstract

【課題】直交軸軸流水力装置において支持柱部後流の剥離を抑制する。
【解決手段】直交軸軸流ポンプ１１は、一端が吸込口１６で他端が吐出口１７である流路１５を形成する筒状の外部ケーシング１２、流路１５中に延び、その内部に駆動軸２３が配置された支持柱部１３、及びプロペラ軸３１を回転自在に支持する支持柱部１３の末端に設けられた内部ケーシング１４を備える。支持柱部１３の断面形状はキャンバ付きの翼形である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプ及び水車を含む直交軸軸流水力装置に関する。

ポンプゲートの排水ポンプや、配管中に介装するいわゆるインラインポンプとして使用される直交軸軸流ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１０及び図１１を参照すると、この種の直交軸軸流ポンプは、その内部が流路１を構成する両端開口の筒状である外部ケーシング２と、流路１中に鉛直方向下向きに延びる支持柱部３と、この支持柱部３部の下端に設けられたボス部ないしは内部ケーシング４とを備えている。内部ケーシング４によって回転自在に支持された水平方向に延びるプロペラ軸５の先端に、プロペラ６が固定されている。原動機の回転出力は支持柱部３中を鉛直方向の延びる駆動軸７と内部ケーシング４内に収容された直交軸歯車機構８を介してプロペラ軸５に伝達される。また、直交軸軸流型の水車も知られている。

支持柱部３の断面形状（駆動軸と直交する方向ないしは水平方向の断面形状）は、円形や図１１に示す楕円形状である。一方、異物の通過性を高めるためにプロペラ前後にカイドベーンは設けられていないので、プロペラ出口の流れは旋回流となる。そのため、プロペラ出口直後の流れが支持柱部３に沿わず、支持柱部３の後流に剥離が生じる。この剥離に起因する損失によりポンプ吐出圧力が低下し、効率も低下する。

図１２及び図１３は、図１１に示すように支持柱部３の断面形状が楕円形である場合のプロペラ出口から支持柱部３後方における圧力分布（シミュレーション結果）を示し、散点は圧力が低下した領域であることを表している。また、散点の密度が高い程圧力が低いことを示している。さらに、図１２はポンプ性能の最高効率点よりも小流量域の場合、図１３はこの最高効率点よりも大流量域の場合である。これら図１２及び図１３に示すように、支持柱部３の断面形状が楕円形であると、小流量域及び大流量域共に点Ａ近傍で流れの剥離が生じ、支持柱部３後方の圧力が低下した領域が扇形に広がり、整流されていない。この流れの剥離が吐出圧低下や効率低下の原因となっている。

直交軸軸流水車の場合、プロペラ出口の流れに旋回成分は殆どないが、直交軸軸流ポンプの場合と同様に支持柱部３の後流に剥離が発生し、効率低下の原因となっている。
特開２００２−１２９５３９号公報

前記従来の直交軸軸流水力装置における問題に鑑み、本発明は、支持柱部における流れの剥離を解消ないしは抑制することで効率向上等を図ることを課題としている。

本発明は、一端が入口で他端が出口である流路を形成する筒状の外部ケーシングと、前記流路中に前記流路に対して交差する方向に延び、その内部に前記流路に対して交差する方向に延びる回転軸が配置された支持柱部と、前記入口側の端部にプロペラが取り付けられた前流路と同方向に延びるプロペラ軸を回転自在に支持する、前記支持柱部の末端に設けられた内部ケーシングと、前記回転軸と前記プロペラ軸との間の回転力を伝達する回転力伝達機構とを備える直交軸軸流水力装置において、前記支持柱部は、それ自体が延びる方向と直交する方向の断面形状が翼形であることを特徴とする、直交軸軸流水力装置を提供する。

本発明の直交軸軸流水力装置は、支持柱部の断面形状が翼形であるので、プロペラ出口よりも出口側に位置する支持柱部の後方側での流れの剥離を抑制し、それによって水力効率を向上することができる。支持柱部はそれ自体の延びる方向の全体が翼形であってもよく、一部のみを翼形としてもよい。

本発明の直交軸軸流水力装置は、直交軸軸流ポンプと直交軸軸流水車の両方を含む。直交軸軸流ポンプの場合には、回転軸は一端が原動機に接続された駆動軸であり、この駆動軸の回転力が回転力伝達機構を介してプロペラ軸に伝達される。直交軸軸流水車の場合には、回転軸は例えば発電機である負荷に接続された出力軸であり、プロペラ軸の回転が回転力伝達機構を介して出力軸に伝達される。

前記支持柱部の断面形状の翼形は、少なくとも前記プロペラの出口における流れ方向に応じたキャンバを有していてもよい。

直交軸軸流ポンプではプロペラ出口の流れは旋回流となる。支持柱部をキャンバ付きの翼形とすることで、特に直交軸軸流ポンプの場合の小流量域における支持柱部後流の剥離を効果的に抑制することができる。一方、直交軸軸流水車の場合にはプロペラ出口の流れは旋回成分が殆どないので、キャンバを有しない翼形の方が支持柱部後流の剥離を抑制する効果が高い。

前記支持柱部の断面形状の翼形は、少なくとも前記プロペラの出口の流れ方向に応じた迎え角を有していてもよい。

本発明の直交軸軸流水力装置では、支持柱部の断面形状を翼形としているので、支持柱部後流の剥離を抑制して水力効率を向上することができる。直交軸軸流ポンプであれば、高いポンプ吐出圧が得られ、ポンプ効率も向上する。また、直交軸軸流水車であれば、水車効率を向上することができる。キャンバ付きの翼形とすることで、特に直交軸軸流ポンプの場合の小流量域における支持柱後流の剥離を効果的に抑制することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施の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直交軸軸流ポンプ１１を示す、この直交軸軸流ポンプ１１は、例えばポンプゲートの排水ポンプや、２本の配管の間に介装するいわゆるインラインポンプとして使用されるものであり、外部ケーシング１２、支持柱部１３、及び内部ケーシング１４を備えている。

外部ケーシング１２は、両端開口の円筒状であり、水平方向に延びる断面円形の流路１５が貫通している。この流路１５の一端が直交軸軸流ポンプ１１の吸込口（入口）１６を構成し、他端が吐出口（出口）１７を構成している。

支持柱部１３は外部ケーシング１２と一体構造であり、流路１５中に鉛直方向下向きに延びており、支持柱部１３の延びる方向と流路１５の延びる方向は直交している。詳細には、支持柱部１３は、基端側が外部ケーシング１２の上側内面から鉛直方向下向きに延びる筒状の支持柱部本体１３ａと、この支持柱部本体１３ａの下端を閉鎖する底壁１３ｂとを備えている。後に詳述するように、支持柱部本体１３ａの外面１３ｄの断面形状はキャンバ付きの翼形である。

外部ケーシング１２の外側には支持柱部１３と対向するように、原動機であるモータ１８が固定されている。モータ１８は、両端開口の筒状であるモータケーシング本体１９と、モータケーシング本体１９の上端及び下端開口をそれぞれを閉鎖する上蓋体２０及び下蓋体２１とを備えている。下蓋体２１はその下面側から鉛直方向下向きに延びる両端開口の筒状部２１ａを備えている。筒状部２１ａは外部ケーシング１２に設けられた貫通孔１２ａを介して支持柱部１３の内部に延び、最下端は支持柱部１３の底壁１３ｂに形成された貫通孔１３ｃに達している。筒状部２１ａ内には鉛直方向に延びる駆動軸２３が軸受２４によって回転自在に支持されている。換言すれば、支持柱部１３内に駆動軸２３が配置されている。駆動軸２３の上端は鉛直方向下向きに延びるモータ１８の出力軸２５に連結されている。図において２７，２８は出力軸２５の軸受、２９は固定子、３０は回転子である。

内部ケーシング１４は支持柱部１３の末端に取り付けられており、流路１５の断面（流路１５が延びる方向と直交する方向の断面）のほぼ中央に位置している。内部ケーシング１４は水平方向（流路と同方向）に延びるプロペラ軸３１を軸受３３，３４により回転自在に支持している。軸封装置３５を介してプロペラ軸３１の吸込口１６側の端部が内部ケーシング１４の外部に突出している。この端部にボス３７ａと羽根３７ｂを備えるプロペラ３７が固定されている。

貫通孔１３ｃを介して駆動軸２３の下端側が内部ケーシング１４内に突出している。内部ケーシング１４内には、第１及び第２の傘歯歯車３８，３９からなる減速機（回転力伝達機構）４０が収容されている。第１の傘歯歯車３８は駆動軸２３の下端に固定され、それと噛み合う第２の傘歯歯車３９はプロペラ軸３１の中央付近に固定されている。モータ１８の出力軸２５に連結された駆動軸２３が回転すると、この回転が減速機４０を介してプロペラ軸３１に伝達され、それによって図２において矢印で示すようにプロペラ３７が回転する。

次に、支持柱部本体１３ａの外面１３ｄの水平方向における断面形状（支持柱部１３が延びる方向と直交する方向の断面形状）を説明する。図３を併せて参照すると、外面１３ｄはキャンバ付きの翼形である。具体的な翼形は特に限定されないが、例えばＮＡＣＡ系の翼形であるＮＡＣＡ６５を採用することができ、キャンバＣは後述のカーペット線図により求めることができる。

ＮＡＣＡ系の翼形を採用する場合の外面１３ｄの断面形状の決定方法を概説すると、まず翼形の系列（例えば前述のＮＡＣＡ６５）を選択する。次に、転向角θ（前縁４１におけるキャンバ線４２の接線と後縁４３におけるキャンバ線４２の接線がなす角度）と、弦接比ｌ／ｔ（翼弦４４の長さである弦長ｌの流路幅ｔに対する比）とを決定すると、前述のようにプロペラ３７の羽根本体の形状により決まる流入角α、転向角θ、及び弦接比ｌ／ｔから、キャンバＣが決まる（特定の翼形系列についての流入角α、転向角θ、及び弦接比ｌ／ｔに対するキャンバＣは、カーペット線図と呼ばれる線図として一義的に規定されている）。さらに、キャンバＣ、弦接比ｌ／ｔ、及び流入角αから迎え角度δが決まる（キャンバＣの場合と同様に、特定の翼形系列についてのキャンバＣ、弦接比ｌ／ｔ、及び流入角αに対する迎え角δは一義的に規定されている）。さらに、支持柱部本体１３ａ内に確保する必要のある空間の寸法、強度確保のために必要な支持柱部本体１３ａの壁厚等に応じて翼厚ｗを決定する。

図４及び図５は、支持柱部本体１３ａの外面１３ｄの断面形状をキャンバ付きの翼形とした本実施形態の直交軸軸流ポンプ１１における、プロペラ出口から支持柱部１３後方の圧力分布をシミュレーションにより求めた結果を示す。図１２及び図１３と同様に、散点は圧力が低下した領域であることを表している。また、散点の密度が高い程圧力が低いことを示している。さらに、図４はポンプ性能の最高効率点よりも小流量域の場合、図５はこの最高効率点よりも大流量域の場合である。図１２及び図１３を参照して説明したように、支持柱部の断面形状が円形や楕円形であると、支持柱部後流で剥離が生じる（図１２及び図１３の点Ａ）。これに対し、図４及び図５から明らかなように、本実施形態では小流量域及び大流量域のいずれについても支持柱部本体１３ａの後方側で顕著な剥離が生じることなく、支持柱部本体１３ａの後流が整流されている。このように支持柱部本体１３ａの後方での剥離を抑制することで、剥離に起因する損失を低減してポンプ効率を向上することができ、吐出口１７における圧力も均一化することができる。

支持柱部本体１３ａの外面１３ｄの断面形状をキャンバ付きの翼形とする本実施形態の構成を直交軸軸流水車に適用することもできる。この場合、プロペラ３７の羽根本体の形状が直交軸軸流ポンプの場合と異なる。また、モータ１８に代えて発電機が設けられ、減速機４０のギア比も変わる。さらに、吸込口１６が水車入口、吐出口１７が水車出口となる。

（第２実施形態）

図６及び図７は、本発明の第２実施形態に係る直交軸軸流ポンプ１１を示す。支持柱部本体１３ａの外面１３ｄは翼形であるが、キャンバを付けていない。換言すれば、キャンバ線４２は翼弦４４と一致する直線である。また、迎え角δを０°に設定している。その他の構造は第１実施形態と同様である。

図８及び図９は、支持柱部本体１３ａの外面１３ｄの断面形状をキャンバ及び迎え角のない翼形とした本実施形態の直交軸軸流ポンプ１１における、プロペラ出口から支持柱部１３後方の圧力分布をシミュレーションにより求めた結果を示す。図８はポンプ性能の最高効率点よりも小流量域の場合、図９はこの最高効率点よりも大流量域の場合である。図８に示すように、小流量域では点Ｂ近傍で流れの剥離が生じ、支持柱部１３の後方の圧力の低い領域が扇形に広がっており、十分に整流されていない。しかし、図９に示すように、大流量域では支持柱部本体１３ａの後方側で顕著な剥離は生じておらず、支持柱部本体１３ａの後流が整流されている。従って、大流量域では剥離に起因する損失を低減してポンプ効率を向上することができ、吐出口１７における圧力も均一化することができる。

本実施形態の支持柱部本体１３ａの外面１３ｄの断面形状をキャンバのない翼形とする構成を直交軸軸流水車に適用することもできる。直流軸軸流水車の場合、プロペラ３７の形状がポンプの場合と異なるので、プロペラ出口の流れには旋回成分は殆どない（図６の矢印４５参照）。そのため、直流軸軸流水車の場合には、キャンバを有しない翼形であれば、小流量域及び大流量域の両方で支持柱部本体１３ａの後流の剥離を抑制し、水車効率の向上を図ることができる。

本発明は、前記実施形態に限定されず種々の変形が可能である。例えば、支持柱部１３の長手方向の一部のみについて断面形状を翼形としてもよい。また、駆動軸２３は鉛直方向ではなく水平方向に延びてもよい。さらに、支持柱部１３は外部ケーシング１２と別体構造でもよい。さらにまた、内部ケーシング１４の一部又は全部を支持柱部１３と一体構造としてもよい。減速機４０の一部又は全部が支持柱部１３内に収容されていてもよい。

本発明の第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプを示す縦断面図。図１のII−II線での断面図。第１実施形態における支持柱部の断面形状を示す概略図。第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプの小流量域における圧力分布を示す図。第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプの大流量域における圧力分布を示す図。本発明の第２実施形態に係る直流軸流ポンプを示す概略図。第２実施形態における支持柱部の断面形状を示す概略図。第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプの小流量域における圧力分布を示す図。第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプの大流量域における圧力分布を示す図。従来の直交軸軸流ポンプの一例を示す縦断面図。図１０のXI−XI線での断面図。第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプの小流量域における圧力分布を示す図。第１実施形態に係る直交軸軸流ポンプの大流量域における圧力分布を示す図。

符号の説明

１１直交軸軸流ポンプ
１２外部ケーシング
１２ａ貫通孔
１３支持柱部
１３ａ支持柱部本体
１３ｂ底壁
１３ｃ貫通孔
１３ｄ外面
１４内部ケーシング
１５流路
１６吸込口
１７吐出口
１８モータ
１９モータケーシング本体
２０上蓋体
２１下蓋体
２１ａ筒状部
２３駆動軸
２４軸受
２５出力軸
２７，２８軸受
２９固定子
３０回転子
３１プロペラ軸
３３，３４軸受
３５軸封装置
３７プロペラ
３７ａボス
３７ｂ羽根
３８，３９傘歯歯車
４０減速機
４１前縁
４２キャンバ線
４３後縁
４４翼弦
４５矢印
α 流入角
δ 迎え角
θ 転向角
ｌ／ｔ弦接比
ｗ翼厚

Claims

一端が入口で他端が出口である流路を形成する筒状の外部ケーシングと、
前記流路中に前記流路に対して交差する方向に延び、その内部に前記流路に対して交差する方向に延びる回転軸が配置された支持柱部と、
前記入口側の端部にプロペラが取り付けられた前流路と同方向に延びるプロペラ軸を回転自在に支持する、前記支持柱部の末端に設けられた内部ケーシングと、
前記回転軸と前記プロペラ軸との間の回転力を伝達する回転力伝達機構と
を備える直交軸軸流水力装置において、
前記支持柱部は、それ自体が延びる方向と直交する方向の断面形状が翼形であることを特徴とする、直交軸軸流水力装置。
前記回転軸は一端が原動機に接続された駆動軸であり、この駆動軸の回転が前記回転力伝達機構を介して前記プロペラ軸に伝達される直交軸軸流ポンプであることを特徴とする、請求項１に記載の直交軸軸流水力装置。
前記回転軸は一端が負荷に接続された出力軸であり、前記プロペラ軸の回転が前記回転力伝達機構を介して前記出力軸に伝達される直交軸軸流水車であることを特徴とする、請求項１に記載の直交軸軸流水力装置。
前記支持柱部の断面形状の翼形は、少なくとも前記プロペラの出口における流れ方向に応じたキャンバを有す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項に記載の直交軸軸流水力装置。
前記支持柱部の断面形状の翼形は、少なくとも前記プロペラの出口の流れ方向に応じた迎え角を有することを特徴とする、請求項４に記載の直交軸軸流水力装置。