JP2006029200A

JP2006029200A - 遠心型ポンプおよびその運転方法

Info

Publication number: JP2006029200A
Application number: JP2004208781A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Tezuka; 光太郎手塚; Toshifumi Kurokawa; 敏史黒川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-07-15
Filing date: 2004-07-15
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】遠心型ポンプの小流量運転時の旋回失速を抑制する。
【解決手段】羽根車１と、羽根車１から半径方向外側に向かって広がる円環状流路２２を形成する圧力上昇部とを有する遠心型ポンプにおいて、圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管３と、戻り配管３の途中に配置された弁４と、を具備する。好ましくは、圧力上昇部には周方向に配列された複数の案内翼２があり、戻り配管３はこれらの案内翼２を半径方向にはさんで配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、羽根車を有する遠心型ポンプ、特に旋回失速を抑制できる遠心型ポンプと、その運転方法に関する。

フランシス型ランナや遠心型インペラなどの羽根車を有する遠心型ポンプ（ポンプ水車を含む）の羽根車の半径方向外側の案内翼または翼なしディフューザの拡大流れにおいては、半径方向外側に向かって流速が低下するとともに圧力が上昇する。このため、小流量の運転で周方向に対する流れの角度が小さくなると、図７に示すように周方向の１箇所以上で失速セル５１と呼ばれる失速領域が発生することがある。

失速セル５１ができると、これを避けようとする流れが発生することにより、失速セル５１が、矢印５３の方向すなわち流れの周方向速度の方向（図では反時計回り）へ一定の周波数にて旋回することが知られている。この現象は旋回失速といわれ、機器に振動を発生させる要因となるほか、効率低下・揚程低下といったポンプ特性の悪化を招く。なお、図７で、符号５２は失速セルのでき初めのようすを表す。

この旋回失速を防止する手段として、これまでも、案内翼のうちのいくつかのものの姿勢すなわち角度を変えて失速の周方向への伝播を抑制する方法や、半径方向に設けた浅い溝内に内向き流れ（逆流）を発生させることによって主流部の流量を増加させて、流れの角度を大きくする方法が考案されている（特許文献１参照）。
特開平９−３２４７９７号公報

しかしながら、前者の方法では、失速の伝播を抑制することはできても失速自体は発生するため、ポンプ特性の悪化を抑制する効果は小さい。一方後者の方法では、失速が発生する運転範囲以外でも溝内に常に逆流が発生するため、運転範囲の広い範囲における特性が低下する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、旋回失速が発生する小流量運転時のみに失速抑制の効果を発揮させて、広い運転範囲において安定的に良好な特性での運転を可能にすることを目的とする。

本発明は上記目的に沿うものであって、請求項１に記載の発明は、羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部とを有する遠心型ポンプにおいて、前記圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管と、この戻り配管の途中に配置された弁と、を具備することを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部と、この圧力上昇部に周方向に配列された回動可能な複数の案内翼とを有する遠心型ポンプにおいて、前記案内翼のうちの少なくとも一つについて、前記案内翼の回動によってこの案内翼が所定位置にきたときに、一部の流体を前記案内翼の高圧側から低圧側へその案内翼の翼面を通さずに戻す戻り流路が形成され、前記案内翼が前記所定位置以外にあるときに前記戻り流路が形成されないように構成されていること、を特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部と、この圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管と、この戻り配管の途中に配置された弁と、を有する遠心型ポンプの運転方法において、前記円環状流路の流量が小さいときに、前記弁を開いてこの弁を通じて前記円環状流路の流れの一部を高圧側から低圧側に戻すこと、を特徴とする。

また、請求項１５に記載の発明は、羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部と、この圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管と、この戻り配管の途中に配置された弁と、を有する遠心型ポンプの運転方法において、前記圧力上昇部を形成する流路壁に周方向に配列された複数の圧力測定孔で圧力を測定し、前記圧力測定の結果に基づいて旋回失速の発生状況を判定し、この旋回失速判定の結果に基づいて旋回失速を抑制するように前記弁を制御すること、を特徴とする。

本発明によれば、旋回失速が発生する可能性のある条件のポンプ運転時のみに戻り流路を形成して失速抑制の効果を発揮させ、他の運転条件においては無駄な戻り流路の形成を抑えることができる。これにより、広い運転範囲において安定的に良好な特性でのポンプ運転を行なうことが可能となる。

以下、本発明に係る遠心型ポンプを実施するための最良の形態を図１〜図６を参照して説明する。ここで、同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本発明に係る遠心型ポンプの第１の実施の形態として、フランシス型ポンプ水車の例を示す。鉛直方向の回転軸２０の周りをランナ１が回転できるように配置されている。ランナ１の半径方向外側には渦巻き状のケーシング５が配置され、ランナ１とケーシング５の間の円環状流路２２に複数個の案内翼２が周方向に配列されている。各案内翼２はポンプの流量に応じて向きを変えられるようにできている。ランナ１の下方には上部吸出し管７が配置されている。ランナ１の上部はランナクラウン２４で覆われていて、ランナ１とランナクラウン２４の間にランナ背圧室６が形成されている。

ポンプ運転のときは、ランナ１がモータ（図示せず）によって回転し、それによって、水が、上部吸出し管７からランナ１および案内翼２を通ってケーシング５に流れるように駆動される。ランナ１で加速されて運動エネルギを得た水は、円環状流路２２を半径方向外側に向かって流れるに従って速度を低下させ、圧力が上昇する。

この実施の形態では、ケーシング５の上部と案内翼２の入口部上部とが戻り配管３によって連通している。この戻り配管３の途中には弁４が配置されている。ただし、戻り配管３接続部は、案内翼２を半径方向にはさむものであれば、ケーシング５および案内翼２の入口部の上部でなくともよい。

上記構成のポンプ水車のポンプ運転で、通常の大流量運転時に弁４は閉じておく。大流量運転時は旋回失速が発生することはないので問題ない。一方、小流量ポンプ運転の場合は、弁４を開く。このとき、案内翼２の入口側に比べてケーシング６内の圧力が高いので、案内翼２を通ってケーシング５に来た流れの一部が、ケーシング５から戻り配管３および弁４を通って案内翼２の入口側に戻る。その結果、戻り配管３を通る戻り流れがない場合に比べて、
案内翼２を通過する流量が増加する。

このように、戻り配管３を設けることによって、案内翼２を通過する流量が増加するので案内翼２の旋回失速の発生を抑制することが可能である。しかも、通常の大流量運転時には弁４を閉じておくことによって、モータ動力の無駄を抑えることができる。なお、設置する戻り配管３の本数が多いほど、旋回失速抑制の効果は大きい。

図１および図２に示すように、案内翼２の近傍に複数の圧力測定孔Ａ、Ｂ、Ｃが周方向に配列されていて、圧力測定孔の圧力が圧力測定装置２６で測定される。この圧力測定装置２６の出力は制御装置２８に送られ、これにより、制御装置２８は弁４を制御することができる。なお、図１では圧力測定孔Ａ、Ｂ、Ｃ位置を案内翼２の下流側近くとしているが、旋回失速による圧力変動を検出できる位置であればどこでもよい。

図２は、上記第１の実施の形態の遠心型ポンプに設置される圧力測定孔Ａ、Ｂ、Ｃの配置の例を示す。基準となる圧力測定孔をＡとし、そこから周方向に１２０度離れた測定孔をＢ、１８０度離れた測定孔をＣとする。前述したように、旋回失速は一つ以上の失速セル５１が旋回するものであるが、失速セル５１の数は１から３であるのが普通であって、しかも周方向に互いにほぼ等間隔である。

今、圧力測定孔ＡとＣで捉えられる圧力変動が逆位相であるとすると、１個の失速セル５１が発生していると判断できる。同様に、圧力測定孔ＡとＣが同位相でＢの位相が異なる場合は２個の失速セル５１、ＡとＣが同位相でＣが逆位相となる場合は３個の失速セル５１が発生していると判断できる。このように圧力測定孔Ａ、Ｂ、Ｃを配置してそれらの圧力を測定することにより、旋回失速の発生状況を監視できる。

制御装置２８（図１）は、この圧力測定結果に基づいて、旋回失速が起こったとき又は起こりそうなときに、弁４を開くように制御する。これにより、旋回失速を抑制でき、しかも必要量を超えた戻り流量を抑制することにより、モータ動力の無駄を抑えることができる。

図３は、本発明に係る遠心型ポンプの第２の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１の実施の形態（図１）とほぼ同様の戻り配管３を設置するが、その低圧側取り付け部を、ランナクラウン２４の背面の背圧室６とする。戻り配管３の高圧側取り付け部は、第１の実施の形態と同様にケーシング５の上部にある。ただし、ケーシング５の戻り配管３接続部は、案内翼２の半径方向外側であれば他の場所でもよい。

本実施の形態によれば、小流量ポンプ運転の場合に弁４を開くと、高圧側のケーシング５から低圧側の背圧室６への流れが発生し、ランナ１の外周部の静止部との隙間を通って案内翼２に再流入する。その結果、案内翼２を通過する流量が増加し、第１の実施の形態と同様に、案内翼２の旋回失速の発生を抑制することができる。さらにこの実施の形態では、背圧室６を高圧部と連通することでランナ１に作用する下向きスラスト力を増大させることが可能であり、負荷遮断や入力遮断のような過渡時においてランナ１の浮き上がりを防止または抑制することができる。

図４は、本発明に係る遠心型ポンプの第３の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１または第２の実施の形態（図１、図３）とほぼ同様の戻り配管３を設置するが、その低圧側取り付け部を、上部吸出し管７内のランナ入口部とする。戻り配管３の高圧側取り付け部は、第１または第２の実施の形態と同様にケーシング５にある。図４では、戻り配管３の高圧側取り付け部はケーシング５の下部としているが、必ずしも下部でなくともよい。

本実施の形態によれば、小流量ポンプ運転の場合に弁４を開くと、高圧側のケーシング５からランナ１の入口部への流れが発生し、この流れが案内翼２に再流入して案内翼２を通過する流量が増加する。その結果、第１、第２の実施の形態と同様に、案内翼２の旋回失速の発生を抑制することができる。

さらにこの実施の形態では、ランナ１を通過する流量も増加するため、ランナ１の逆流特性が向上してポンプ運転がより安定することに加えて、ポンプ入口でのキャビテーション特性の改善も期待できる。

以上説明した各実施の形態では、案内翼２は、固定型のものでも可動型のものでもよく、さらに、案内翼がないものでもよい。案内翼がない場合、例えば遠心型インペラの半径方向外側に円環状のディフューザがあって、ここで半径方向外側に向かって圧力上昇があり、このディフーザで生じうる旋回失速をこの発明によって抑制することができる。

図５は、本発明に係る遠心型ポンプの第４の実施の形態を示す。この実施の形態では、第１〜第３の実施の形態で用いたような戻り配管３（図１、３、４）を用いず、その代わりに、案内翼２のスピンドル８に設けたスピンドル穴１０と、円環状流路２２の流路壁３０内に設けた通し穴１１によって形成される戻り流路を用いる。

すなわち、この実施の形態は、第１〜第３の実施の形態と同様に、フランシス型ポンプ水車であって、圧力上昇が生じる円環状流路２２に、複数個の案内翼２が周方向に配列されている。各案内翼２はポンプの流量に応じて向きを変えられるようにできている。案内翼２はスピンドル８に取り付けられ、スピンドル８と共に回動できるようになっている。スピンドルの一端は円環状流路２２の流路壁３０内に設けたスピンドル受穴９に挿入され、スピンドル受穴９の内面と摺動して回動する。

スピンドル８の先端のスピンドル受穴９内に受け入れられる部分に、水平方向に貫通するスピンドル穴１０が設けられている。さらに、この実施の形態では、円環状流路２２の流路壁３０内に、スピンドル穴１０を水平方向にはさんで両側に延びる通し穴１１が形成されている。各通し穴１１は一端がスピンドル穴１０で開口し、もう一端は流路壁３０の表面で開口している。

この遠心型ポンプを小流量で運転するときは、この小流量に合わせて、案内翼２の向きが所定の方向に合わせられる。このとき、図５（ａ）に示すように、スピンドル穴１０が通し穴１１と連通するように構成されている。この状態で、案内翼２の下流側の方が上流側よりも圧力が高いので、案内翼２を通った流れの一部が、スピンドル穴１０と通し穴１１を通って、案内翼２の上流側に戻る戻り流れＶｂが形成される。このとき、案内翼２を通る流れの量は、戻り流れＶｂが生じない場合に比べて多くなるので、案内翼２の旋回失速の発生を抑制することが可能である。

この遠心型ポンプを通常の大流量で運転するときは、流量に合わせて案内翼２の向きが変えられ、図５（ｂ）に示すように、スピンドル穴１０と通し穴１１の位置がずれる。このため、スピンドル穴１０と通し穴１１を通る戻り流れが成立しない。したがって、この遠心型ポンプを通常の大流量で運転するときは、無駄な戻り流れＶｂが形成されず、それによって、ランナの回転に必要な電力の無駄を省くことができる。

なお、図５（ａ）で、実線の矢印Ｖはこの実施の形態における戻り流れＶｂが存在する場合の主流速度ベクトルを表し、点線の矢印Ｖｏは戻り流れＶｂが存在しない場合（従来技術）の主流速度ベクトルを表す。

図６は、本発明に係る遠心型ポンプの第５の実施の形態を示す。この実施の形態は、第１〜第４の実施の形態と同様に、フランシス型ポンプ水車であって、圧力上昇が生じる円環状流路２２に、複数個の案内翼２が周方向に配列されている。各案内翼２はポンプの流量に応じて向きを変えられるようにできている。案内翼２はスピンドル８に取り付けられ、スピンドル８とともに回動できるようになっている。スピンドルの一端は円環状流路２２の流路壁３０内に設けたスピンドル受穴９に挿入され、スピンドル受穴９の内面と摺動して回動する。

この実施の形態では、流路壁３０に、案内翼２のある開度に相当する姿勢の案内翼２の平断面形状とほぼ相似形状でそれよりも若干大きな流路壁面凹部１２が、案内翼２の端部に対面する位置に設けてある。

本実施の形態によれば、この遠心型ポンプの流量が小さいときに、これに合わせて案内翼２の角度を変化させ、案内翼２がある開度になったときに、案内翼２の端部と流路壁面凹部１２の位置が一致する。このとき、案内翼２の端部と流路壁３０の面との距離が増大し、案内翼２の圧力面側（高圧側）から負圧面側へ戻る戻り流れＶｂが発生する。これにより、案内翼２を通過する流量が増加するため、案内翼２の旋回失速の発生を抑制することが可能である。また、遠心型ポンプを、旋回失速の発生を考慮する必要のない通常の大流量で運転しているときは、案内翼２の向きが、流路壁面凹部１２の向きと一致しないため、流路壁面凹部１２を通る戻り流れＶｂは小さい。このため、無駄な戻り流れを抑制することができる。

なお、図６（ａ）で、実線の矢印Ｖはこの実施の形態における戻り流れＶｂが存在する場合の主流速度ベクトルを表し、点線の矢印Ｖｏは戻り流れＶｂが存在しない場合（従来技術）の主流速度ベクトルを表す。

この実施の形態の変形例として、案内翼２をスピンドル８で二分した場合の、ランナ１に近い側のみにこの施策を実施することも可能である。この場合もほぼ同様な効果が得られる。

以上の実施の形態では、可動の案内翼を備えたフランシス型ポンプ水車を例にとって説明したが、この発明は、遠心型ポンプ一般に適用可能であって、フランシス型であることは必要ではなく、また、水車ポンプに限らず、水車運転ができないポンプ運転専用のポンプに適用することも可能である。

本発明に係る遠心型ポンプの第１の実施の形態の模式的部分立断面図。図１の遠心型ポンプにおける圧力測定孔の位置を示す模式的平面図。本発明に係る遠心型ポンプの第２の実施の形態の模式的部分立断面図。本発明に係る遠心型ポンプの第３の実施の形態の模式的部分立断面図。本発明に係る遠心型ポンプの第４の実施の形態を示す図であって、（ａ）は戻り流路が形成された状況におけるスピンドル穴と通し穴の位置関係を示す平断面図、（ｂ）は戻り流路が形成されない状況におけるスピンドル穴と通し穴の位置関係を示す平断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線矢視立断面図。本発明に係る遠心型ポンプの第５の実施の形態を示す図であって、（ａ）は戻り流路が形成された状況における案内翼と流路壁面凹部との位置関係を示す平断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線矢視立断面図。従来の遠心型ポンプの案内翼付近の失速セルの伝播状況を説明するための模式的部分平断面図。

符号の説明

１…ランナ（羽根車）、２…案内翼、３…戻り配管、４…弁、５…ケーシング、６…ランナ背圧室、７…上部吸出し管（ランナ入口）、８…スピンドル、９…スピンドル受穴、１０…スピンドル穴、１１…通し穴、１２…流路壁面凹部、２０…回転軸、２２…円環状流路、２４…ランナクラウン、２６…圧力測定装置、２８…制御装置、５１…失速セル、５２…失速セルのでき初め、Ｖ…主流速度（戻り流れがある場合）、Ｖｏ…主流速度（戻り流れがない場合）、Ｖｂ…戻り流れ、Ａ…圧力測定孔、Ｂ…圧力測定孔、Ｃ…圧力測定孔。

Claims

羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部とを有する遠心型ポンプにおいて、
前記圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管と、
この戻り配管の途中に配置された弁と、
を具備することを特徴とする遠心型ポンプ。
請求項１に記載の遠心型ポンプにおいて、前記圧力上昇部には周方向に配列された複数の案内翼があり、前記戻り配管はこれらの案内翼を半径方向にはさんで配置されていること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項１または２に記載の遠心型ポンプにおいて、前記戻り配管の低圧側の取り付け部は、前記羽根車に向かって軸方向に流れる主流部分に対して軸方向反対側のシール位置よりも外周側の背面部に配置されていること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項１または２に記載の遠心型ポンプにおいて、前記戻り配管の低圧側の取り付け部は、前記羽根車に向かって軸方向に流れる主流部分に配置されていること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項１ないし４のいずれかに記載の遠心型ポンプにおいて、前記圧力上昇部を形成する流路壁に周方向に配列された複数の圧力測定孔と、これらの圧力測定孔での圧力を測定する圧力測定手段とをさらに有すること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項５に記載の遠心型ポンプにおいて、前記複数の圧力測定孔は、第１、第２および第３の圧力測定孔を含めて少なくとも３個あって、前記第２および第３の圧力測定孔は前記第１の圧力測定孔に対してそれぞれほぼ１２０度および１８０度の位置に配置されていること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項５または６に記載の遠心型ポンプにおいて、前記圧力測定手段による測定結果に基づいて旋回失速の発生状況を判定する旋回失速判定手段をさらに有すること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項７に記載の遠心型ポンプにおいて、前記旋回失速判定手段の結果に基づいて前記弁を制御する制御手段をさらに有すること、を特徴とする遠心型ポンプ。
羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部と、この圧力上昇部に周方向に配列された回動可能な複数の案内翼とを有する遠心型ポンプにおいて、
前記案内翼のうちの少なくとも一つについて、前記案内翼の回動によってこの案内翼が所定位置にきたときに、一部の流体を前記案内翼の高圧側から低圧側へその案内翼の翼面を通さずに戻す戻り流路が形成され、前記案内翼が前記所定位置以外にあるときに前記戻り流路が形成されないように構成されていること、
を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項９に記載の遠心型ポンプにおいて、
前記案内翼は、この案内翼とともに回動するスピンドルに取り付けられていて、このスピンドルの一部は前記圧力上昇部を形成する流路壁に設けられたスピンドル受穴内で摺動可能に配置され、
前記圧力上昇部を形成する流路壁に前記スピンドル受穴に連通する複数の通し穴が形成されていて、前記案内翼が前記所定位置にあるときに前記スピンドル穴と前記通し穴が連通して前記戻り流路が形成されるように構成されていること、
を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項９に記載の遠心型ポンプにおいて、前記圧力上昇部を形成する流路壁の前記案内翼の近傍に流路壁面凹部が形成されていて、前記案内翼が前記所定位置にあるときに前記流路壁面凹部と前記案内翼の間に前記戻り流路が形成されるように構成されていること、を特徴とする遠心型ポンプ。
請求項１ないし１１のいずれかに記載の遠心型ポンプにおいて、前記羽根車はフランシス型ランナであること、特徴とする遠心型ポンプ。
請求項１ないし１２のいずれかに記載の遠心型ポンプにおいて、運転モードの切換によって水車としての運転も可能なように構成されていること、を特徴とする遠心型ポンプ。
羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部と、この圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管と、この戻り配管の途中に配置された弁と、を有する遠心型ポンプの運転方法において、
前記円環状流路の流量が小さいときに、前記弁を開いてこの弁を通じて前記円環状流路の流れの一部を高圧側から低圧側に戻すこと、
を特徴とする遠心型ポンプの運転方法。
羽根車と、その羽根車から半径方向外側に向かって広がる円環状流路を形成する圧力上昇部と、この圧力上昇部の少なくとも一部をはさんで互いに半径方向に離れた位置を接続する戻り配管と、この戻り配管の途中に配置された弁と、を有する遠心型ポンプの運転方法において、
前記圧力上昇部を形成する流路壁に周方向に配列された複数の圧力測定孔で圧力を測定し、前記圧力測定の結果に基づいて旋回失速の発生状況を判定し、この旋回失速判定の結果に基づいて旋回失速を抑制するように前記弁を制御すること、
を特徴とする遠心型ポンプの運転方法。