JP2007239674A - 羽根車および遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車の翼枚数の変化に応じて、羽根車の通液路の出口幅と出口高さを適切な寸法にし、高効率を達成することができる羽根車を提供する。
【解決手段】羽根車２は、複数の翼１４と、隣り合う翼１４，１４の間に形成された通液路１６とを備えている。羽根車２の翼１４の出口から入口に向かう所定の範囲において、通液路１６の高さＨおよび幅Ｂをそれぞれ略同一にして通液路１６の断面を略長方形とする。羽根車２は、翼１４の枚数をＺとして、Ｈ／Ｂ＝３４／Ｚ^κ（κは係数）の関係を有する形状を備えている。κの値は１．６≦κ≦２．２の範囲にあることが好ましい。
【選択図】図４

Description

本発明は、羽根車に係り、特に遠心ポンプに用いられる羽根車に関するものである。また、本発明は、かかる羽根車を備えた遠心ポンプに関するものである。

図１は、従来の遠心ポンプの主要部を示す断面図である。図１に示すように、この遠心ポンプは、ポンプケーシング１０１と、ポンプケーシング１０１の内部に配置された羽根車１０２と、ポンプケーシング１０１の高圧側の開口部に固着されたケーシングカバー１０３と、ケーシングカバー１０３の開口部に挿通された主軸１０４とを備えている。羽根車１０２は主軸１０４の一端に固定されている。このような遠心ポンプにおいて、流体がポンプケーシング１０１の吸込口１０１ａから吸い込まれ、羽根車１０２により昇圧されて吐出し口１０１ｂから吐出される。

図２は、図１に示す従来の羽根車１０２の子午断面図、図３は、図２に示す羽根車１０２の正断面図である。図２および図３に示すように、主板１１０と側板１１２との間には複数の翼１１４が渦巻状に配置され、隣り合う翼１１４の間には通液路１１６が形成されている。

図３に示すように、通液路１１６の高さＨ１は、羽根車１０２の外周に向かうほど大きくなるように形成されている。また、通液路１１６の幅は、翼１１４の入口においてはＢ１であり、羽根車１０２の外周に向かうほど狭くなるように形成されており、羽根車２の外周における通液路１１６の幅はＢ２となっている。また、通液路１１６の翼出口における周方向長さはＬ１となっている。なお、翼１１４の圧力面１１４ａが翼の表である。一般的には、羽根車１０２の通液路１１６の断面は、長方形、平行四辺形または台形などの形状になっている。

ここで、従来の遠心ポンプにおいては、羽根車１０２の通液路１１６で生じる逆流渦によってポンプ効率が低下するという問題がある。また、最高効率点の吐出し量が少ない場合や低比速度の場合、通液路１１６の出口幅Ｂ２は小さくなり、１０ｍｍ以下になることがある。このような場合に、羽根車１０２を鋳造で一体成形するのはかなり困難であり、製品の不良率が高くなるという問題がある。

これらの問題を解決するために、本発明者等は、製造が容易で、かつ、高効率を達成できる低比速度の遠心ポンプを提供することを目的として、羽根車１０２の通液路１１６の断面形状を正方形または略正方形にすることを提案している（特許文献１〜３参照）。

しかしながら、既に製品化が完了している低比速度のポンプ（以下、「既存ポンプ」という）において、羽根車を容易に製造し、かつ、高効率を達成するために、羽根車１０２の通液路１１６の断面形状を正方形または略正方形に設計すると、次のような問題が生じる。すなわち、翼１１４の枚数（翼１１４の総数）を多くして通液路１１６の出口幅Ｂ２を狭くすると、ポンプの全揚程が部分吐出し量において最大値を示す、いわゆる「山なりカーブ」となる。一方、この「山なりカーブ」を避けるために、翼１１４の枚数を少なくして通液路１１６の出口幅Ｂ２を大きくすると、既存ポンプのケーシングに羽根車１０２を寸法的に格納できなくなるという問題が生じる。

特開２００２−１２２０９５号公報 特開２００３−２０１９９４号公報 特開２００４−２７８３１１号公報

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、羽根車の翼枚数の変化に応じて、羽根車の通液路の出口幅と出口高さを適切な寸法にし、高効率を達成することができる羽根車を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、高効率および低比速度を実現することができる遠心ポンプを提供することを第２の目的とする。

低比速度の遠心ポンプにおいて、従来の諸係数を利用した設計手法では、予測どおりの性能が確保できないという問題があった。特に、効率の低下が著しい「山なりカーブ」になるという問題があるため、従来の設計手法ではポンプの性能を正確に予測できなかった。そこで、本発明者は、翼の枚数、通液路の高さおよび幅などの諸元を種々変化させて羽根車を試作し、実験によって最適な設計手法を見つけ出した。

すなわち、本発明の第１の態様によれば、羽根車の翼枚数の変化に応じて、羽根車の通液路の出口幅と出口高さを適切な寸法にし、高効率を達成することができる羽根車が提供される。この羽根車は、複数の翼と、隣り合う上記翼の間に形成された通液路とを備えている。また、上記羽根車の翼の出口から入口に向かう所定の範囲において、上記通液路の高さＨおよび幅Ｂをそれぞれ略同一にして該通液路の断面を略長方形とする。さらに、羽根車は、上記翼の枚数をＺとして、Ｈ／Ｂ＝３４／Ｚ^κ（κは係数）の関係を有している。ここで、κの値は１．６≦κ≦２．２の範囲にあることが好ましい。

上記所定の範囲は、上記羽根車の翼の入口から出口までの間であってもよい。あるいは、上記所定の範囲は、上記羽根車の翼の入口から出口に向かって該翼の全長の１０％〜４０％の位置から上記翼の出口までの間であってもよい。この場合において、上記羽根車の翼の入口から出口に向かって該翼の全長の１０％〜４０％の位置までの間は、上記通液路の幅が次第に小さくなり、該通液路が円錐状になっていることが好ましい。

本発明の第２の態様によれば、高効率および低比速度を実現することができる遠心ポンプが提供される。この遠心ポンプは、主軸と、ポンプケーシングとを備えている。上記羽根車は、上記ポンプケーシングの内部に配置され、上記主軸に固定される。この場合において、上記遠心ポンプの回転速度（ｍｉｎ^−１）をＮ、吐出し量（ｍ^３／ｍｉｎ）をＱ、全揚程（ｍ）をＨとして、Ｎｓ＝（ＮＱ^１／２）／Ｈ^３／４で表される比速度Ｎｓが５０〜１４０であることが好ましい。

本発明に係る羽根車によれば、羽根車の翼枚数の変化に応じて、羽根車の通液路の出口幅と出口高さを適切な寸法にし、高効率を達成することができる。また、本発明に係る遠心ポンプによれば、高効率および低比速度を実現することができる。

以下、本発明に係る羽根車の実施形態について図４から図６を参照して詳細に説明する。なお、図４から図６において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図４は、本発明の第１の実施形態における羽根車２の子午断面図、図５は、図４に示す羽根車２の正断面図である。図４に示すように、羽根車２は、主板１０と、側板１２と、主板１０と側板１２との間に配置された複数の翼１４とを有している。図５に示すように、翼１４は、径方向外側に向かって末広がりの扇形の断面を有している。これにより、隣接する翼１４の間に溝状の通液路１６が形成されている。

ここで、羽根車２の翼入口から翼出口までの間の通液路１６の高さおよび幅はそれぞれ同一寸法となるようにされている。すなわち、羽根車２の翼入口から翼出口までの間において、通液路１６の幅は出口幅Ｂ、通液路１６の高さは出口高さＨでそれぞれ略一定となっており、通液路１６の断面は略長方形となっている。なお、羽根車２の外周における通液路１６の周方向長さはＬとなっている。

翼１４の圧力面１４ａとしては、既存の遠心ポンプにおける羽根車の圧力面の形状をそのまま採用すると都合がよいが、揚程曲線や最高効率点の吐出し量を調整するために、翼１４の圧力面１４ａの出口角度βを変えてもよい。本実施形態における羽根車２の設計においては、既存の遠心ポンプの羽根車に基づき、羽根車の外径は既存ポンプのものと同一にしている。

まず、既存の遠心ポンプの羽根車の出口面積Ａ（翼出口における周方向長さＬ１の総和と出口幅Ｂ２の積）を計算する。この出口面積Ａを本発明に係る羽根車２の出口面積とする。次に、翼の枚数Ｚを決め（本実施形態においてはＺ＝４）、出口幅Ｂをある値に仮定して、翼出口における周方向長さＬをＬ＝Ａ／（Ｚ・Ｂ）として求める。そして、圧力面１４ａと羽根車２の外周との交点から、図５に示すように出口高さＨをとり、Ｈ／Ｂ＝３４／Ｚ^κ（κは１．６〜２．２）という関係が満たされるか否かを判定する。この関係が満たされていなければ、出口幅Ｂの値を変えて再度計算し、上記関係が満たされるように調整する。なお、実験結果からκ＝１．９が最良であることがわかったので、κを１．９に近づけるのが好ましい。

このように設計した羽根車をポンプケーシングの内部に配置し、主軸に固定して図１に示すような遠心ポンプを製作することができる。このような遠心ポンプにおいては、翼枚数Ｚ＝４のときに効率が最高となり、Ｚ＝３、Ｚ＝５の順に効率がよかった。一方、翼枚数Ｚ＝２のときと、翼枚数が６以上のときには効果が低いことがわかった。既存ポンプと比較して、最高効率点における性能はおおよそ次のとおりとなった。吐出し量については、Ｚ＝４で既存ポンプと同一になり、Ｚ＝３では５％小さくなり、Ｚ＝５では５％大きくなった。全揚程については、Ｚ＝３で５％高くなり、Ｚ＝４、Ｚ＝５では１５％高くなった。締切全揚程については、翼枚数Ｚとは関係なく５％〜８％高くなった。なお、遠心ポンプの回転速度（ｍｉｎ^−１）をＮ、吐出し量（ｍ^３／ｍｉｎ）をＱ、全揚程（ｍ）をＨとして、Ｎｓ＝（ＮＱ^１／２）／Ｈ^３／４で表される比速度Ｎｓを５０〜１４０にすることが好ましい。

図６は、本発明の第２の実施形態における羽根車２２の子午断面図である。上述した第１の実施形態で述べた羽根車２を有する遠心ポンプにおいては、既存ポンプと比較して、吐出し量が多くなると吸込性能が悪化することが考えられる。これは、既存ポンプの羽根車と比較して、翼入口の通液路１６の面積が小さくなることが原因である。第２の実施形態においては、これを防止するために、翼入口の通液路３６の面積を既存ポンプと同一にしている。

すなわち、図６に示すように、翼入口における通液路３６の幅を既存ポンプの通液路３６の幅Ｂ１（図２参照）と同一にするとともに、翼入口から翼出口に向かって翼１４の全長の１０％〜４０％の位置までの間で、通液路３６の幅を次第に小さくして、通液路３６を円錐状に形成している。翼１４の全長の１０％〜４０％の位置から翼出口までの間の通液路３６は、上述した第１の実施形態と同様に、高さＨ、幅Ｂで略一定とする。このように構成することによって、吸込性能を既存ポンプとほぼ同一にしつつ、第１の実施形態で述べたのと同様の効果を奏することができる。

ここで、吸込口径８０ｍｍ以上の遠心ポンプの羽根車においては、一般に、主に吸込性能を高めるために、羽根車の翼入口から羽根車外周に向かって翼全長の１０％ないし５０％の翼中途点までの間において、主板側と側板側とで翼の入口角度を変えた３次元羽根が用いられている。上述した実施形態では、翼の入口角度が主板側と側板側とで同一であるものとして説明したが、本発明を３次元羽根に適用し、上述した実施形態と同様の効果を得ることもできる。

また、上述した実施形態では、片吸込型の単段の羽根車を備えた遠心ポンプについて述べたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、両吸込型の羽根車やセミオープン型の羽根車、フルオープン型の羽根車にも本発明を適用することができる。また、複数の羽根車を備えた多段ポンプにも本発明を適用できることは言うまでもない。

これまで本発明の好ましい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。

従来の遠心ポンプの主要部を示す断面図である。 図１に示す従来の羽根車の子午断面図である。 図２に示す羽根車の正断面図である。 本発明の第１の実施形態における羽根車の子午断面図である。 図４に示す羽根車の正断面図である。 本発明の第２の実施形態における羽根車の子午断面図である。

符号の説明

２，２２ 羽根車
１０ 主板
１２ 側板
１４ 翼
１６，３６ 通液路

Claims (7)

1. 複数の翼と、隣り合う前記翼の間に形成された通液路とを備えた羽根車であって、
   前記羽根車の翼の出口から入口に向かう所定の範囲において、前記通液路の高さＨおよび幅Ｂをそれぞれ略同一にして該通液路の断面を略長方形とし、
   前記羽根車は、前記翼の枚数をＺとして、Ｈ／Ｂ＝３４／Ｚ^κ（κは係数）の関係を有する形状を備えたことを特徴とする羽根車。
2. 前記所定の範囲は、前記羽根車の翼の入口から出口までの間であることを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
3. 前記所定の範囲は、前記羽根車の翼の入口から出口に向かって該翼の全長の１０％〜４０％の位置から前記翼の出口までの間であることを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
4. 前記羽根車の翼の入口から出口に向かって該翼の全長の１０％〜４０％の位置までの間は、前記通液路の幅が次第に小さくなり、該通液路が円錐状になっていることを特徴とする請求項３に記載の羽根車。
5. 前記κの値は、１．６≦κ≦２．２の範囲にあることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の羽根車。
6. 主軸と、
   ポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシングの内部に配置され、前記主軸に固定された、請求項１から５のいずれか一項に記載の羽根車と、
   を備えたことを特徴とする遠心ポンプ。
7. 前記遠心ポンプの回転速度（ｍｉｎ^−１）をＮ、吐出し量（ｍ^３／ｍｉｎ）をＱ、全揚程（ｍ）をＨとして、Ｎｓ＝（ＮＱ^１／２）／Ｈ^３／４で表される比速度Ｎｓが５０〜１４０であることを特徴とする請求項６に記載の遠心ポンプ。

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