JP2006046168A

JP2006046168A - 軸流ポンプ及び斜流ポンプ

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Publication number: JP2006046168A
Application number: JP2004227867A
Authority: JP
Inventors: Toshinori Ishii; 憲法石居; Ryuichiro Iwano; 龍一郎岩野; Akira Manabe; 明真鍋; Yasuhiro Inoue; 康弘井上
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Industries Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2004-08-04
Filing date: 2004-08-04
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: EP1624195B1; DE602005015279D1; JP4590227B2; EP1624195A1; US20060029495A1; US7604458B2

Abstract

【課題】流量の変化に伴って発生する案内羽根先端の剥離渦による性能低下を最小限に抑え、小流量から大流量までのより広い運転範囲において高い性能を実現する軸流ポンプ及び斜流ポンプを提供する。
【解決手段】案内羽根３は、翼長さ或いは翼形状の異なる２種類の案内羽根１１，１２を周方向に交互に規則的に配置したものであり、それぞれの案内羽根１１，１２の翼長さはポンプ回転軸Xから近い側であるハブ側断面での長さが異なっており、ポンプ回転軸Xから遠い側であるシュラウド側断面での長さはほぼ同じである。案内羽根１１の翼先端部分は案内羽根１２の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置している。
【選択図】図３

Description

本発明は軸流ポンプ及び斜流ポンプに係わり、特に、複数の動翼と、この動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える軸流ポンプ及び斜流ポンプに関する。

軸流ポンプは回転する動翼によって流体に旋回エネルギーを与え、動翼後流に設置した案内羽根によってその旋回エネルギーを圧力エネルギーに変換する。通常、動翼、案内羽根ともに同一形状の翼を周方向に等間隔で配置する。動翼出口における流れは、回転軸方向の流速成分に加えて回転軸周りの旋回成分を有している。案内羽根はこの旋回成分をとるために羽根先端の角度を動翼の後流の角度に合わせて設置される。動翼から出た流れの条件はポンプの吐き出す流量によって異なるので、案内羽根はある１つの運転条件の流れの角度に合わせて設置される。この運転条件がポンプの最高効率点となる。

従来は、ある１つの運転条件に適した角度で案内羽根が設置される。例えば特開平１１−８２３９０号公報では、ある特定の運転条件を決めて、その条件で性能が向上するように周方向に同一形状の案内羽根が用いられている。

特開平１１−８２３９０号公報

ポンプに対して要求される重要な性能要求の一つは効率である。ポンプは様々な流量の条件で運転されるため、単一条件における効率だけでなく異なる流量条件における運転効率も高い性能であることが要求される。案内羽根が最も性能を発揮する運転条件において、動翼から出た流れは案内羽根に沿って流れ、流れの旋回成分は案内羽根を流れが通過する段階で効率良く圧力エネルギーに変換される。翼のハブ側における断面内の流れとシュラウド側に近い断面では動翼出口の流れの旋回量が異なるので、ハブ側の断面の翼形状は翼先端がシュラウド側の形状に比べてより斜めになる。ハブ側断面でみて、流量が少なくなると流れの流路方向流速が小さくなるので案内羽根に入ってくる流れの角度αは最適流量運転時の角度に比べて小さくなり、案内羽根先端において流れの方向と案内羽根の方向はずれる。これにより流れは案内羽根先端で剥離し、剥離によって生じた渦が案内羽根先端から下流へ放出される。この渦は周方向に配置された案内羽根間に形成される流路を閉塞させ流れに対して抵抗の役割を果たすことになるため、ポンプ全体の性能が低下する。一方、最適流量よりも大きな流量で運転された場合は、低流量時とは逆に流速の流路方向成分が大きくなり案内羽根先端における流れの角度はずれる。流れの方向は小流量時の場合とは反対方向にずれるので、案内羽根先端で生じる剥離は逆側で発生し、この剥離渦により流路が閉塞し性能が低下する。ハブ側に近い断面ではシュラウド側の断面に比べて半径が小さいために案内羽根の間隔が狭くなり、剥離渦による流路の閉塞の影響が特に問題になる。

本発明の目的は、流量の変化に伴って発生する案内羽根先端の剥離渦による性能低下を最小限に抑え、小流量から大流量までの広い運転範囲において高いポンプ性能を実現する軸流ポンプ及び斜流ポンプを提供することである。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える軸流ポンプにおいて、前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するよう翼形状を異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したものとする。

このように一部の案内羽根の翼先端部分を他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置させることにより、案内羽根の流路入口面積が拡大し、最適流量以外の運転条件における案内羽根入口部分の実効流路面積が拡大するため、流量の変化に伴って発生する案内羽根先端の剥離渦による性能低下が最小限に抑えられ、小流量から大流量までの広い運転範囲において高いポンプ性能を実現することができる。

（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える軸流ポンプにおいて、前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するようポンプ軸方向の翼長さを異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したものとする。

これにより上記（１）で述べたように案内羽根の流路入口面積が拡大するため、流量の変化に伴って発生する案内羽根先端の剥離渦による性能低下が最小限に抑えられ、小流量から大流量までの広い運転範囲において高いポンプ性能を実現することができる。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記複数種類の案内羽根は、複数の第１案内羽根と、この複数の第１案内羽根よりポンプ軸方向の翼長さが短い複数の第２案内羽根とを含み、前記複数の第２案内羽根の翼先端部分が前記複数の第１案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置する。

（４）また、上記（３）において、好ましくは、前記複数の第２案内羽根は、ポンプ回転軸に近い側の部分がポンプ回転軸から遠い側よりもポンプ軸方向の翼長さが短くなっており、そのポンプ回転軸に近い側の部分が前記複数の第１案内羽根よりもポンプ軸方向の翼長さが短い。

（５）また、上記（３）において、好ましくは、前記複数の第２案内羽根は、ポンプ回転軸に近くなるにしたがってポンプ軸方向の翼長さが短くなり、そのポンプ回転軸に近い側の部分が前記複数の第１案内羽根よりもポンプ軸方向の翼長さが短い。

（６）また、上記目的を達成するために、本発明は、複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える斜流ポンプにおいて、前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するよう翼形状を異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したものとする。

（７）更に、上記目的を達成するために、本発明は、複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える斜流ポンプにおいて、前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するよう翼長さを異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したものとする。

本発明によれば、流量の変化に伴って発生する案内羽根先端の剥離渦による性能低下が最小限に抑えられ、小流量から大流量までの広い運転範囲において高いポンプ性能を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係わる軸流ポンプの動翼と案内羽根の構成を示す図である。図２は図１に示した軸流ポンプのポンプ回転軸を含む平面への回転方向の形状投影図の右半分を示す図である。

軸流ポンプは、複数の動翼２と、この動翼２の後流に設置された複数の案内羽根３とを備え、動翼２と案内羽根３とはシュラウド４に覆われている。動翼２は動翼ハブ５を介して回転シャフト６に連結され、回転シャフト６が図示しないモータによって回転させられると、動翼２は回転シャフト６の軸心（ポンプ回転軸）Xを中心に回転する。動翼２のシュラウド４側の先端はシュラウド４には固定されていない。一方、案内羽根３はそれ自体回転せず、ポンプ回転軸Ｘに近い側の端部は回転シャフト５を取り囲むよう配置された案内羽根ハブ７に固定され、ポンプ回転軸Ｘから遠い側の端部はシュラウド４に固定されている。図中、Ｆは流体の流れである。

図３及び図４は、動翼２と案内羽根３をポンプ回転軸Xと中心軸を共有する円筒面で切断した断面を示す図であり、図３はハブ側の断面を示しており、図４はシュラウド側の断面を示している。

案内羽根３は、翼長さ或いは翼形状の異なる２種類の案内羽根１１，１２を周方向に交互に規則的に配置したものであり、それぞれの案内羽根１１，１２の翼長さはポンプ回転軸Xから近い側であるハブ側断面での長さが異なっており、ポンプ回転軸Xから遠い側であるシュラウド側断面での長さはほぼ同じである。案内羽根１１の翼先端部分は案内羽根１２の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置している。図中、Ｒは回転方向である。

図５（ａ）に翼長さの短い案内羽根１１の回転方向投影図を示し、図６（ａ）に翼長さの長い案内羽根１２の回転方向投影図を示す。ポンプ回転軸Xを中心とした円筒面は回転方向投影図においてはポンプ回転軸Xと平行な直線になる。図５（ａ）でハブ７に近い円筒面をA１、シュラウド４に近い円筒面をC１、その中間の円筒面をB１で表す。図５（ａ）で示したのと同じ位置の円筒面を図６（ａ）では、A２，B２，C２の破線で示す。A１円筒断面とA２円筒断面はポンプ回転軸Xから同じ半径の位置の断面である。同様にB１筒断面とB２円筒断面、C１円筒断面とC２円筒断面がそれぞれポンプ回転軸Xから同じ半径位置の断面である。図５（ｂ）及び図６（ｂ）にそれら円筒面で切断したときの円筒断面内の形状を示す。

本発明の案内羽根３（１１，１２）は下記の２つの条件を同時に満たすものである。

（１）翼長さの短い案内羽根１１に関して
A１円筒断面翼長さ＜B１円筒断面翼長さ＜C１円筒断面翼長さ
（２）翼長さの長い案内羽根１２と翼長さの短い案内羽根１１に関して
A１円筒断面翼長さ＜A２円筒断面翼長さかつ
B１円筒断面翼長さ＜B２円筒断面翼長さかつ
C１円筒断面翼長さ≒C２円筒断面翼長さ
また、翼長さの短い案内羽根１１に関しては、ポンプ回転軸Xからの径の位置が短いほど、つまり、ポンプ回転軸Xに近づくにしたがって翼長さも短くなっている。翼長さの長い案内羽根のA２，B２，C２の円筒断面翼長さの関係は任意に決めることができる。

本実施の形態の作用について説明する。

軸流ポンプに対して要求される重要な性能の一つは効率である。軸流ポンプは様々な流量の条件で運転されるため、単一条件における効率だけでなく、異なる流量条件における運転効率も高い性能であることが要求される。

案内羽根が最も性能を発揮する運転条件において、従来の軸流ポンプの動翼と案内羽根をポンプ回転軸と中心軸を共有する円筒面で切断した断面を図７及び図８に示す。図７はハブ側の断面内流れを示し、図８はシュラウド側の断面内の流れを示す。動翼１０２から出た流れは案内羽根１０３に沿って流れ、流れの旋回成分は案内羽根を流れが通過する段階で効率良く圧力エネルギーに変換される。案内羽根１０３の翼のハブ側における断面内の流れとシュラウド側に近い断面では動翼１０２の出口流れの旋回量が異なるので、案内羽根１０３のハブ側の断面の翼形状は翼先端がシュラウド側の形状に比べてより斜めになる。

ハブ側断面でのより流量の少ない運転条件における流れを図９に示す。流量が少なくなると流れの流路方向流速が小さくなるので、案内羽根１０３に入ってくる流れの角度αは最適流量運転時の角度に比べて小さくなり、案内羽根１０３の先端において流れの方向と案内羽根１０３の方向はずれる。これにより流れは案内羽根１０３の先端で剥離し、剥離によって生じた渦１１０が案内羽根１０３の先端から下流へ放出される。この渦１１０は周方向に配置された案内羽根１０３間に形成される流路を閉塞させ、流れに対して抵抗の役割を果たす。つまり、案内羽根１０３間の実質的な流路幅はＷ１からＷ２へと狭くなる。このため、ポンプ全体の性能が低下する。

一方、最適流量よりも大きな流量で運転された場合のハブ側断面内の流れを図１０に示す。低流量時とは逆に流速の流路方向成分が大きくなり、案内羽根１０３の先端における流れの角度はずれる。流れの方向は小流量時の場合とは反対方向にずれるので、案内羽根１０３の先端で生じる剥離は図９に示したのとは逆側で発生し、この剥離渦１１０により流路が閉塞し、実質的な流路幅がＷ２へと狭まり、性能が低下する。ハブ側に近い断面ではシュラウド側の断面に比べて半径が小さいために案内羽根の間隔がＷ３からＷ１へと狭くなり（つまり案内羽根入口部分の流路面積が狭くなり）、剥離渦による流路の閉塞の影響が特に問題になる。

本発明の小流量時のハブ側断面における流れを図１１に示す。ハブ側断面の翼の長さが短くなることにより案内羽根１２の先端部分での流路幅がＷ４と拡大し（つまり案内羽根の流路入口面積が拡大している）、最適流量以外の運転条件における案内羽根入口部分の実効流路面積が拡大していることが分かる。これにより従来技術を用いた図９の流れに比べ、流れ角度αが小さくなることによって発生する剥離渦１１０による流路幅Ｗ４の縮小度合いが軽減され、性能低下が抑えられる。

また、大流量時のハブ側断面における流れを図１２に示す。小流量時とは反対側に剥離渦１１０が発生するが、流路幅Ｗ４の縮小程度は小流量時の流れと同様に軽減され、性能低下が抑えられる。

本発明における案内羽根３のシュラウド側断面では、従来技術と同様に翼の長さは周方向に同じになっている。これはシュラウド側では平均流路幅Ｗ５がハブ側断面に比べて大きいことと、流れの角度がハブ側に比べて大きく翼先端が寝ていないので、流量変化時における剥離渦の発生が少ないことにより、一部の翼長さを短くするメリットが少ないためである。実際、シュラウド側の断面では流れの角度が大きいため、流量が変化した場合の流れ角度の変化が小さく、ハブ側断面で剥離渦が発生していてもシュラウド側断面では発生しない場合が多く、シュラウド側では剥離渦による流路閉塞はほとんど問題にならない。案内羽根３の本来の目的である旋回流速成分を圧力エネルギーに効率良く変換するという観点から考えるとシュラウド側に関しては翼長さが長い方が性能がよいと考えられる。

以上のように本実施の形態によれば、案内羽根１１，１２の流路入口面積がＷ４と拡大し、最適流量以外の運転条件における案内羽根の入口部分の実効流路面積が拡大するため、流量の変化に伴って発生する案内羽根先端の剥離渦による性能低下が最小限に抑えられ、小流量から大流量までの広い運転範囲において高いポンプ性能を実現することができる。

図１３に３種類の異なる翼長さの案内羽根２１，２２，２３を周方向に規則的に配置した例を示す。２種類の案内羽根１１，１２を用いる場合に比べて平均的な流路幅小さく保ったまま、案内羽根入口部分のみの流路幅を効果的に拡大することができる。

本発明の案内羽根は軸流以外のタイプのポンプにも採用可能である。図１４に斜流ポンプに本発明を適用した例を示す。斜流ポンプも、複数の動翼３２と、この動翼３２の後流に設置された複数の案内羽根３３とを備え、動翼３２と案内羽根３３とはシュラウド３４に覆われている。動翼３２は動翼ハブ３５を介して回転シャフト３６に連結され、回転シャフト３６が図示しないモータによって回転させられると、動翼３２は回転シャフト３６の軸心（ポンプ回転軸）Xを中心に回転する。動翼３２のシュラウド３４側の先端はシュラウド３４には固定されていない。一方、案内羽根３３はそれ自体回転せず、ポンプ回転軸Ｘに近い側の端部は回転シャフト３５を取り囲むよう配置された案内羽根ハブ３７に固定され、ポンプ回転軸Ｘから遠い側の端部はシュラウド３４に固定されている。

斜流ポンプの場合は、図１４の点線で示した回転流面３８内の断面形状で見た案内羽根３３の断面形状が図３のようになっていればよい。つまり、複数の案内羽根３３は、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向Ｘの下流側に位置するよう翼形状或いは翼長さを異ならせた複数種類の案内羽根（例えば案内羽根１１，１２と同様な２種類の案内羽根）を周方向に規則的に配置して構成されている。

本実施の形態によっても、最適流量点周辺のポンプ性能に関して軸流ポンプの場合と同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態による軸流ポンプの動翼と案内羽根の構成を示す図である。図１に示した軸流ポンプのポンプ回転軸を含む平面への回転方向の形状投影図の右半分を示す図である。動翼と案内羽根をポンプ回転軸と中心軸を共有する円筒面で切断した断面を示す図であって、ハブ側の断面を示す図である。動翼と案内羽根をポンプ回転軸と中心軸を共有する円筒面で切断した断面を示す図であって、シュラウド側の断面を示す図である。翼長さの短い案内羽根の回転方向投影図である。翼長さの短い案内羽根をハブに近い円筒面A、シュラウドに近い円筒面C、その中間の円筒面B’で切断したときのそれぞれの円筒断面内の形状を示す図である。翼長さの長い案内羽根の回転方向投影図である。翼長さの長い案内羽根をハブに近い円筒面A’、シュラウドに近い円筒面C’、その中間の円筒面Bで切断したときのそれぞれの円筒断面内の形状を示す図である。従来の軸流ポンプにおける最適流量時ハブ側断面の流れを示す図である。従来の軸流ポンプにおける最適流量時シュラウド側断面の流れを示す図である。従来の軸流ポンプにおける小流量時案内羽根ハブ側断面の流れを示す図である。従来の軸流ポンプにおける大流量時案内羽根ハブ側断面の流れを示す図である。本発明の軸流ポンプにおける小流量時案内羽根ハブ側断面の流れを示す図である。本発明の軸流ポンプにおける大流量時案内羽根ハブ側断面の流れを示す図である。本発明における３種類の翼を周期的に配置した実施の形態を示す図である。本発明を斜流ポンプへ適用した実施の形態を示す図である。

符号の説明

２動翼
３案内羽根
４シュラウド
５動翼ハブ
６回転シャフト
７ハブ
１１案内羽根（第２案内羽根）
１２案内羽根（第１案内羽根）
α 流れ角度
Ｘポンプ回転軸
Ｒ流れ
Ｔ動翼の回転方向
Ｗ１狭い流路幅
Ｗ２減少した流路幅
Ｗ３広い流路幅
Ｗ４拡大した流路幅
Ｗ５広い流路幅

２１〜２３ハブ側で長さの異なる３種類の案内羽根
３２動翼
３３案内羽根
３４シュラウド
３５動翼ハブ
３６回転シャフト
３７ハブ

Claims

複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える軸流ポンプにおいて、
前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するよう翼形状を異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したことを特徴とする軸流ポンプ。
複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える軸流ポンプにおいて、
前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するようポンプ軸方向の翼長さを異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したことを特徴とする軸流ポンプ。
請求項１又は２記載の軸流ポンプにおいて、
前記複数種類の案内羽根は、複数の第１案内羽根と、この複数の第１案内羽根よりポンプ軸方向の翼長さが短い複数の第２案内羽根とを含み、前記複数の第２案内羽根の翼先端部分が前記複数の第１案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置することを特徴とする軸流ポンプ。
請求項３記載の軸流ポンプにおいて、
前記複数の第２案内羽根は、ポンプ回転軸に近い側の部分がポンプ回転軸から遠い側よりもポンプ軸方向の翼長さが短くなっており、そのポンプ回転軸に近い側の部分が前記複数の第１案内羽根よりもポンプ軸方向の翼長さが短いことを特徴とする軸流ポンプ。
請求項３記載の軸流ポンプにおいて、
前記複数の第２案内羽根は、ポンプ回転軸に近くなるにしたがってポンプ軸方向の翼長さが短くなり、そのポンプ回転軸に近い側の部分が前記複数の第１案内羽根よりもポンプ軸方向の翼長さが短いことを特徴とする軸流ポンプ。
複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える斜流ポンプにおいて、
前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するよう翼形状を異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したことを特徴とする斜流ポンプ。
複数の動翼と、この複数の動翼の後流に設置された複数の案内羽根とを備える斜流ポンプにおいて、
前記複数の案内羽根として、一部の案内羽根の翼先端部分が他の案内羽根の翼先端部分よりもポンプ軸方向下流側に位置するよう翼長さを異ならせた複数種類の案内羽根を周方向に規則的に配置したことを特徴とする斜流ポンプ。