JP2008544132A - 遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

固体及びガス状添加物とともに流体を供給する遠心ポンプ、特にノンクロッグ形インペラの、シャフト６０を用いて駆動できるインペラ・ホイール１０、２０、３０の幅の広い少なくとも１つのブレード１５、２５Ｌ、３５Ｌを具備したインペラ・ホイール・ディスク１１、２１、３１は、インペラ・ホイール・チャンバ５Ａ、１０５Ａがさらに後方に位置する部分５Ｂ、１０５Ｂによってサイズを増大されるように、駆動部の方向に距離Ｄだけ変位される。さらに、インペラ・ホイール２０、３０は、好ましい一実施例によれば、その中心幅が好ましくは幅の広いブレードの幅の約５０％である少なくとも１つの補助ブレード２５Ｓ、３５Ｓを含む。この配置は、特に、ポンプのガス供給能力を改善する。

Description

本発明は、請求項１の前提部分に記載の、固体又はガス状混合物とともに液体を汲み上げる遠心ポンプ、より詳細にはチャンネル・インペラ・ポンプに関連する。

このタイプの公知のポンプでは、インペラのベーン間のチャンネル（溝ないし流路）の断面は、比較的大きな固形物の通過を可能にするように設計される。これは、チャンネル・インペラが一般にわずか１〜３個のベーンだけを含む構造を意味する。チャンネル・インペラ・ポンプは、濃密な物質、スラッジ、スラグなどで満たされた液体を汲み上げるためにうまく使用されるが、それらのポンプがガス状堆積物（空気を含める）を吐き出す能力は、他の遠心ポンプと同様に限られている。

本発明の根底にある目標は、ガス状堆積物を吐き出す能力が大幅に改善された遠心ポンプを提供することである。

この問題を解決するのに満足のいく特定の特徴を有する遠心ポンプ又はチャンネル・インペラ・ポンプを、本発明者は承知していない。

このクラスのポンプは、動作モードが違うという理由からフリーフロー・ポンプとは比較できないので、それらの特性を修正する手段は、一般に、互いに転換可能ではない。

フリーフロー・ポンプは、インペラがその中に配置されたインペラ・チャンバと、インペラ・チャンバの前に延びる、ベーンで一掃されないボルテックス・チャンバとを有する。液体は、インペラの前側からそのハブの近くで軸方向にベーン・チャンネルに進入し、ほぼ１８０°の弧の上を外に向かって動き、インペラの前側で、軸方向に、ただし反対の方向に、その外側の領域で再びインペラを離れる。出ていく液体は、パルス伝播によってボルテックス・チャンバ内の液体質量を回転させる。ＤＥ３４０８８１０Ｃ２に記載のように、ボルテックス・チャンバ内の液体質量との結合効果を改善するために、より幅の広い個々のベーンが使用される。インペラ内で液体がたどって流通する経路があるので、ベーンの拡大は、どんな場合でも特定の限度内に保たなければならないが、やはり結局は、流路に沿って測定されるベーンの延長に帰することになる。

請求項１の前提部分に記載のとおり、遠心ポンプ、より詳細には当該技術分野でそれ自体公知のチャンネル・インペラ・ポンプは、インペラがその中に配置されたインペラ・チャンバを有するが、フリーフロー・ポンプとは対照的に、ボルテックス・チャンバをもたない。

公知の方法では、液体とともにガス含有物を吐き出す能力は、ポンプを通り抜けるその流路に沿った媒質の流速及び乱流とともに増大する。したがって、換言すれば、この速度の増加が、直面する問題に対する可能な明らかな解決策となる可能性がある。固体を液体とともに運ばなければならないという事実、そして結果として生じる構造要件を考慮すると、増加した流速を使用する手法は、非実用的であることがわかる。

多数の様々な試験を通じて、ようやく、液体中のガス状混合物の放出が、請求項１の特徴部分に示した特徴によって大きく改善されることが見出された。また、液体に含まれる固体を汲み上げるために必要とされる不可欠な一般条件である自由通路の削減なしに、目的が達成される。

これを踏まえて、従属請求項で定義される特徴は、問題のガス輸送に関しても、最終的には全体的な効率に関してもさらに良好な結果をもたらしたので、本発明の特に有利な諸実施例を表す。

流動現象、特に遠心ポンプ内で起こる流動現象は、しばしば、実験的にしか検出することができず、また、再現することも、数学的及び物理的に理解することもほとんど不可能である。そこで、それに対応して再設計された本発明の遠心ポンプのケーシングの内部は、前方キャビティと、仮想平面によって該前方キャビティから区分された後方キャビティとから構成される。元のインペラ・チャンバを形成する前方キャビティは、（１つ若しくは複数の）ベーンの（１つ若しくは複数の）前方部分を保持しており、インペラ・プレート及び該インペラ・プレートに連結された（１つ若しくは複数の）ベーンの（１つ若しくは複数の）後方部分は、後方キャビティ内に収容される。インペラのこの新規の配置と、その結果得られるチャンバの区別及び拡大とによって、液体入口と液体出口との間を延びる前方チャンバ内で生み出される遠心効果、すなわち、ガスがその内側に蓄積する、運ばれるべき液体のさらなる連続進入を妨げる液リング（ｌｉｑｕｉｄ ｒｉｎｇ）の形成が破壊され、代わりに特定の渦又は乱流が形成されるものと見なすことができる。さらに、貫流速度が遅いので、恐らくベーンの吸込み側に流れの剥離があると考えられている。最後に、本発明のポンプは、ガスを含有する媒質について従来技術のポンプに比べて効率がさらに高いことを特徴とする。

インペラに請求項２又は３で定義される特徴を与えることによって、結果がさらに改善される可能性がある。ここで、実際には、液体分子及び固体は、（１つ若しくは複数の）補助ベーンの（１つ若しくは複数の）前縁に衝突することになるが、達成されるガス分布の改善によってもたらされる利点が、補助ベーンの追加的な摩擦表面によって生み出される摩擦力によって生じる欠点をはるかに上回ることに留意する。

本発明の３つの好ましい例示的な実施例について、以下で図面に即してより詳細に説明する。

図１に示されるように、インペラ１０は、液体入口２及び液体出口３、すなわち、吸入及び排出開口部を有するケーシング１で閉囲されている。インペラ１０は、図示されていないモータによって駆動可能なシャフト６０に固定される。ケーシング１、インペラ１０、及びシャフト６０は、共通の対称軸１Ａを有する。ケーシング１の内部６は、環状の空間若しくは螺旋の形態で延びる収集チャンバ４を含む前方キャビティ５Ａと、仮想平面｛Ｔ｝によって該前方キャビティから区分された後方キャビティ５Ｂとから構成される。この平面｛Ｔ｝は、開口部３の母線（図示せず）を含む、対称軸１Ａに垂直に延びる平面（やはり図示せず）とほぼ一致する。

インペラ１０は、固体のサイズに応じてその数が決定される好ましくは湾曲したベーン１５を備える、前方表面１２と後方表面１３とを有するインペラ・プレート１１を含む。一般に、前述したように、１〜３個のベーンが設けられる（図３も参照）。（１つ若しくは複数の）ベーン１５の前方部分１５Ｆ及び後方部分１５Ｒは、それぞれ、ケーシング１の前方チャンバ部分５Ａ及び後方チャンバ部分５Ｂ内を延びる。ベーン１５の前方縁部１６は、取入口の周りを延びるケーシング壁部分７Ａの内側表面７を過ぎた場所のすぐ近くで動くことができる。この近接性によって、前述の表面と前述の前方縁部との間の距離が１０分の１ミリメートル程度、一般に０．５ｍｍよりも小さいときに、特定のシーリング効果が達成される。ベーン１５の前方部分１５Ｆの周縁部１７は、液体出口３の近くを通ることができる。ポンプの特定の構造に応じてその表面が画定される、ケーシング１の回転対称なケーシング表面８、８Ａは、インペラ・プレート１１を好ましくは緊密に（すなわち、数ミリメートル程度で）取り囲んでおり、すなわち、それぞれベーン１５の後方部分１５Ｒの、インペラ・プレート１１の周辺表面１４と、ベーン１５の周縁部１７とは、この例では、該ケーシング表面と同一平面にある。図１に示された実施例では、インペラ・プレート１１の周りを延びる回転表面８は、円筒状であり、一方、回転表面８Ａは、例えば、円筒状（図１では、この輪郭は、破線によってのみ表されている）、又は円錐角２γの円錐形であり、角度γは、好ましくは≦２０°（２０°以下）である。インペラ構造の選択、より具体的には周縁部１７及び周辺表面１４の選択は、当業者に公知の方式で特定の回転スピードｎ_ｑを考慮して決定される。

従来の遠心ポンプ又はチャンネル・インペラ・ポンプでは、インペラ・プレートは、その前面が少なくともほぼ仮想平面｛Ｔ｝内に位置するように配置され、一方、ベーンは、完全に、この平面｛Ｔ｝の前に位置するインペラ・チャンバ内を延びる。ここで、これら従来技術のポンプとは対照的に、インペラ・プレート１１の表面１２は、後方に、すなわち、駆動部に向かって距離Ｄだけ変位されており、一方、ベーンは、この距離だけ拡大されており（ベーンの１５Ｒの部分）、元のインペラ・チャンバ５Ａは、距離Ｄに相当する容積を有する追加のインペラ・チャンバ部分５Ｂだけ拡大されている。試験によって、距離Ｄがベーン１５の全幅の２５％〜７５％の範囲内に含まれるべきであり、好ましくは前記全幅の約５０％であることが示されている。

インペラ・プレート１１の後方表面１３は、ケーシング１の後壁９Ａの表面９のすぐ近くに配置することができる。しかし、一変形形態によれば、表面１３、９のどちらか一方若しくは両方の上に設けられたリッジ１８（表面１３上）又は１９（表面９上）のための場所を作るために、表面１３と９との間により大きな距離を残すことができる。それ自体が当該技術分野で公知のリッジ１８は、径方向に、又は例えばベーン１５と同様に（図３の参照番号２３参照）湾曲させることができる。当該技術分野で公知ではないリッジ１９は、それとは対照的に、好ましくは径方向に延びて渦ブレーキの機能を果たし、遠心効果を妨げ、したがってより良好なガスの流れを保証する。

図２では、前述した第１の又は基礎的な実施例と比べて、同一のケーシング１を含むが、シャフト６０によって駆動されるインペラ２０を有し、そのインペラ・プレート２１にベーン・システム２５が設けられた、第２の実施例が示されている。このベーン・システムは、一方では、ベーン１５と同一の、又は少なくとも幅が類似の、その前方縁部２６Ａがケーシング１の前方壁部分７Ａの内側表面７を過ぎた場所のすぐ近くで動くように配置された、少なくとも１つのベーン２５Ｌから成り、他方では、さらに、後方インペラ・チャンバ５Ｂ内を少なくとも部分的に延びる、より幅の狭い、好ましくは湾曲した、少なくとも１つの補助ベーン２５Ｓから成る。これは、この補助ベーン２５Ｓの前方縁部２６Ｂを、仮想平面｛Ｔ｝内、又は該平面｛Ｔ｝のすぐ近くに位置する平面内に配置できることを意味する。後者の平面は、平らで、平面｛Ｔ｝に対して平行若しくは傾斜したものとすることもでき、又は湾曲したものとすることもできる。換言すれば、縁部２６Ｂは、対称軸１Ａに直交するものとすることも、又は他の形状を有することもでき、また、例えば、外側若しくは内側に高くなることができる（一例として、破線２６Ｃは、補助ベーン２５Ｓの前方縁部の可能なテーパ形状を示す）。

補助ベーン２５Ｓの幅（又は、おおよそインペラ・プレートの半径の半分のところで決定される中心幅）に相当する、インペラ・プレート２１の前方表面２２と前方縁部２６Ｂとの間の距離Ｄは、幅の広いベーン２５Ｌの全幅Ｂ_ｇの２５％〜７５％の範囲内に含まれるべきであり、好ましくは該全幅の５０％であり、その結果、ベーン２５Ｓは、基本的に後方インペラ・チャンバ５Ｂ内だけを延びる。

図３に斜視図で示されるように、この第２の実施例のインペラ２０は、好ましくは、幅の広い３つのベーン２５Ｌと、より幅の狭い３つの補助ベーン２５Ｓとを含むことができ、各補助ベーン２５Ｓがそれぞれ２つのベーン２５Ｌ間に配置される。

インペラ・プレート２１の周囲表面２４、幅の広いベーン２５Ｌの周縁部２７Ｌ、及びより幅の狭い補助ベーン２５Ｓの周縁部２７Ｓは、図示していない同一の円筒状若しくは円錐状又は他の形状の回転対称周囲表面上に配置され、第１の実施例で記載したのと同様の方式でケーシング１の回転対称ケーシング表面８、８Ａによって密接に取り囲まれる。

ここで、やはり（すなわち、第１の実施例と同様に）、インペラ・プレート２１の後方表面２３は、ケーシング１の後壁９Ａの表面９のすぐ近くに配置することもでき、又は、一変形形態によれば、これらの表面２３、９のどちらか一方若しくは両方の上の好ましくは径方向に延びるリッジ２８（表面２３上）又はリッジ２９（表面９上）を配置するのに十分なスペースを残すために、これらの表面２３と９との間により大きな距離を与えることもできる。

図４に示される第３の実施例では、軸線１００Ａを有し、シャフト６０に連結されたインペラ３０が、液体入口１０２及び液体出口１０３を有するケーシング１００で閉囲されている。ケーシング１００は、ケーシング１と同様であり、収集チャンバ４と同様の形状をした収集チャンバ１０４によって包囲された前方チャンバ１０５Ａと、仮想平面｛Ｔ｝によって該前方チャンバから区分された後方チャンバ１０５Ｂとを含む。

距離Ｄだけ後方に配置されたインペラ３０は、幅の広い少なくとも１つのベーン３５Ｌと、幅の狭い少なくとも１つの補助ベーン３５Ｓとから、好ましくは第２の実施例に関して述べたようにそれぞれ３つずつから構成される、インペラ・プレート３１に連結されたベーン・システム３５を有する。補助ベーン３５Ｓは、補助ベーン２５Ｓと同様の形状とすることができ、ここでは前方縁部３６Ｂだけが示されている。

補助ベーン３５Ｓ及びインペラ・プレート３１は、外側リング３４によって取り囲まれている。リング３４の内側表面３４Ｂは、円錐角２γ（γは、好ましくは≦２０°）の円錐形のものとすることができる。インペラ・プレート３１、リング３４、そしてそれらに連結された補助ベーン３５Ｓは、インペラ・チャンバ１０５Ｂ内を延びる。液体出口１０３を過ぎた場所で該出口に相対的に近接して動くことのできる周縁部３７Ｌは、対称軸１００Ａに対して平行若しくは傾斜したものとすることもでき、又は異なる形状とすることもできる。

幅の広いベーン３５Ｌの前方縁部３６Ａは、カバー・ディスク４０によって覆われる。該カバー・ディスクは、ケーシング１００の入口１０２の近くでシーリング・ギャップ１１１に圧入されたリング１１０内で回動自在に支持される。カバー・ディスク４０の前方表面４１は、壁部分１０７Ａの表面１０７を過ぎた場所のすぐ近くで動くことができる。このカバー・ディスクは、それ自体が当該技術分野で公知であるが、しばしば、安定性の理由から設けられ、又は特定の低い回転スピードｎ_ｑを有するポンプに設けられる。

第１の実施例と同様に、インペラ・プレート３１の後方表面３３は、ケーシング１００の後壁１０９Ａの表面１０９のすぐ近くに配置することもでき、又は、一変形形態によれば、これらの表面３３、１０９のどちらか一方若しくは両方の上の好ましくは径方向に延びるリッジ３８（表面３３上）若しくはリッジ３９（表面１０９上）を配置するのに十分なスペースを残すために、これらの表面３３と１０９との間により大きな距離を与えることもできる。

さらに、インペラ・プレート３１に少なくとも１つの穴４５を設けることができる。実施例によれば、軸線４５Ａをもつ３つ若しくは６つのボア４５が、ベーン３５Ｌと補助ベーン３５Ｓとの間に配置され、対応して寸法設定される。軸線４５Ａは、距離Ｒのところで軸線１００Ａに平行に延びる。半径Ｒの測定値は、好ましくは、ほぼインペラ・プレートの円周半径の半分から３分の２までの間の間隔に含まれるなどのように選択される。これらの穴４５が、外へのガス排出の効率を大きく改善することがわかった。

ここに記載の諸実施例の特徴が組み合わされた、さらに好ましい諸実施例を実現できることが理解される。具体的には、第１及び第２の実施例によるインペラ１１及び２１に、図４に関して記載したインペラ３０の個々の追加機構、すなわち、外側リング３４、ボア４５、カバー・ディスク４０、又は当業者に公知の他の機構を設けることが可能であり、場合によってはそれらの追加機構すべてを設けることも可能である。

以上の説明から、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の保護範囲から離れることなく、さらなる修正形態及び変形形態が当業者には明らかである。

本発明のチャンネル・インペラ又は遠心ポンプの第１の実施例の概略断面図である。 このポンプの第２の実施例の概略断面図である。 第２の実施例用の３つの補助ベーンを有するインペラの変形形態の概略斜視図である。 ポンプの第３の実施例の概略断面図である。

Claims (16)

1. 固体及びガス状混合物とともに液体を汲み上げる遠心ポンプ、より詳細にはチャンネル・インペラ・ポンプであって、前方のそれぞれ側部の液体入口（２、１０２）及び液体出口（３、１０３）と、それらの間の、少なくとも１つのベーンを備えるインペラ・プレートを含む駆動可能なインペラがその中に配置されたインペラ・チャンバ（５Ａ、１０５Ａ）とを有する、ケーシング（１、１００）を含んでおり、前記ベーンが、前記ケーシングの前記インペラ・チャンバ内を延びており、一方では、前記液体入口に向けられた、これらのベーンの前方縁部が、前記液体入口の周りを延びるケーシング壁部分（７Ａ、１０７Ａ）の内側表面（７、１０７）を過ぎた場所のすぐ近くで動くように少なくとも部分的に配置されており、他方では、周縁部（１７）が、前記液体出口を過ぎた場所のすぐ近くで動くように少なくとも部分的に配置されており、
   ガス輸送を改善するために、前記インペラ・プレートが規定の距離Ｄだけ後方に配置されており、前記（１つ若しくは複数の）ベーン（１５、２５Ｌ、３５Ｌ）がこの距離だけ軸方向に拡大されており、それによって、元の前方インペラ・チャンバ（５Ａ、１０５Ａ）が、仮想径方向平面｛Ｔ｝によって前記前方インペラ・チャンバから区分された後方インペラ・チャンバ（５Ｂ、１０５Ｂ）だけ拡大され、前記距離Ｄに相当する容積を有することを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記インペラ・プレート（２１、３１）が少なくとも１つの補助ベーン（２５Ｓ、３５Ｓ）を備えることを特徴とする、請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記補助ベーン（２５Ｓ、３５Ｓ）の中心幅が、前記ベーン（２５Ｌ、３５Ｌ）の中心幅の約２５％〜約７５％、好ましくは５０％に等しいことを特徴とする、請求項２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記インペラ（２０、３０）が、３つのベーン（２５Ｌ、３５Ｌ）と、３つの補助ベーン（２５Ｓ、３５Ｓ）とを有することを特徴とする、請求項２又は３に記載の遠心ポンプ。
5. 前記インペラ・プレート（１１、２１、３１）が少なくとも１つの穴（４５）を具備することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記インペラ・プレート（１１、２１、３１）の後方表面（１３、２３、３３）に向けられた後方ケーシング壁（９Ａ、１０９Ａ）の内側表面（９、１０９）が、好ましくは径方向に延びるリッジ（１９、２９、３９）を具備することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
7. 前記インペラ・プレート（１１、２１、３１）の後方表面（１３、２３、３３）が、好ましくは湾曲したリッジ（１８、２８、３８）を具備することを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
8. 前記インペラ・プレートの周辺表面（１４、２４）と、前記後方インペラ・チャンバ（５Ｂ、１０５Ｂ）内を延びる前記ベーン（１５、２５Ｌ）及び補助ベーン（２５Ｓ）の前記周縁部（１７、２７Ｌ、２７Ｓ）の部分とが、前記ケーシング（１）の回転対称なケーシング表面（８、８Ａ）で閉囲されることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
9. 前記ベーン（１５、２５Ｌ）と前記後方インペラ・チャンバ（５Ｂ）内を延びる補助ベーン（２５）とを閉囲する前記ケーシング（１）の回転対称なケーシング表面（８Ａ）が、円錐角２γの円錐形であり、γが好ましくは２０°以下であることを特徴とする、請求項８に記載の遠心ポンプ。
10. 前記インペラ・プレート（３１）が、前記補助ベーン（３５Ｓ）を取り囲むリング（３４）を具備することを特徴とする、請求項２から９までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
11. 前記リング（３４）の外表面（３４Ａ）が、前記ケーシング（１００）の回転対称なケーシング表面（１０８）で閉囲されることを特徴とする、請求項１０に記載の遠心ポンプ。
12. 前記リング（３４）の内表面（３４Ｂ）が、円錐角２γの円錐状であり、γが好ましくは２０°以下であることを特徴とする、請求項１０又は１１に記載の遠心ポンプ。
13. 前記インペラが前方カバー・ディスクを含むことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
14. 前記補助ベーン（２５Ｓ、３５Ｓ）の前方縁部（２６Ｂ、２６Ｃ、３６Ｂ）が、対称軸（１Ａ、１００Ａ）に直交することを特徴とする、請求項２から１３までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
15. 前記補助ベーン（２５Ｓ、３５Ｓ）の前方縁部（２６Ｂ、２６Ｃ、３６Ｂ）が、対称軸（１Ａ、１００Ａ）に対して外側若しくは内側に高くなっている、又は他の任意形状を有することを特徴とする、請求項２から１３までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
16. 前記液体出口（３、１０３）を過ぎた場所で前記液体出口に相対的に近接して動くことのできる、前記ベーン・システム（１５、２５、３５）の前記周縁部（１７、２７Ｌ、３７Ｌ）を、対称軸（１Ａ、１００Ａ）に対して平行若しくは傾斜したものとすることもでき、又は異なる形状とすることもできることを特徴とする、請求項１から１５までのいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
    

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