JP2009079547A - 斜流ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】既存ポンプを変更することなく比速度の異なる斜流ポンプを提供する。
【解決手段】羽根車１と案内羽根６ａで構成される斜流ポンプにおいて、案内羽根６ａの上流に案内羽根６ａに対応して板状の流入角調整板２を備え、かつ流入角調整板２のピッチコード比（ｐ／Ｌｓ）を１１．４以下とする。
【選択図】図１

Description

本発明は斜流ポンプにおける案内羽根の流入角調整手段に関する。

斜流ポンプの設計には飛び飛びの比速度の代表モデルを既存ポンプモデルとして所有し、その中間の比速度案件に対しては羽根車の外径の延長や羽根車の流路幅の変更などにより対応している。この比速度調整法は既存ポンプ形状の変形を伴わないため、新たに開発するよりもコストを低減できる。

ここで比速度Ｎｓは（１）式で表される無次元量であり、回転数ｎ、流量Ｑ、揚程Ｈなどから計算できる。ポンプ仕様が与えられると、比速度に基づいて高い効率を実現できるおおよその形状を決定できる。
Ｎｓ＝ｎ√Ｑ／Ｈ^３／４ …（１）
しかし、羽根車の外径変更によっては、比速度の変更幅が小さく所望の比速度を得られない場合があった。たとえば、低比速度化の過程で羽根車の外径を延長し揚程Hを上げる場合、最高効率点流量Ｑも同時に上昇し、揚程Hによる比速度Ｎｓ低下の効果を打ち消してしまう。また、羽根車の外径を延長すると出口のフローパターンが変化するために、案内羽根高さ方向の流入角分布が変化してしまう。ポンプ効率が許容出来ないほど低減する場合は案内羽根を再設計する必要があった。なお、許容できるポンプ効率低減量とはJISB8301記載の許容誤差程度であり、同等の効率とは同程度の誤差内の効率を指す。

また、羽根車形状を変更したときには、ポンプの主要な仕様である吸込み性能と不安定特性を確認するための性能試験を実施する必要がある。吸込み性能はキャビテーション性能を表し、不安定特性とは羽根車や案内羽根の失速による揚程曲線が変動する特性を表す。吸込み性能は羽根車入口部の形状を変更すると変化する。不安定特性は羽根車のあらゆる部分と関係しており、羽根車形状の変更に伴い変化する。しかし、形状変化に対しそれらが改善するのか、若しくは悪化するのか、悪化する場合はその程度は如何ほどであるかは、現状ではそれらを予測する手段がない。

一方、特許文献１には、羽根車の入口または出口の近傍に追加羽根を設け、羽根車下流に設けられた流れの圧力を検知して羽根角度を変える技術が開示されている。これにより、羽根車の入口、出口側において流れの逆流による羽根車への衝突を低くし、締め切り運転付近における軸動力を低く押さえるもので、ポンプの駆動コストを低減する効果がある。

特開平９−３１０６９５号公報

しかしながら、特許文献１では追加羽根と案内羽根との関係が考慮されていない。案内羽根の全圧損失は所定流量比で最小となりその前後で急激に増大するが、羽根車の全圧損失は案内羽根に比べてフラットである。よって、ポンプ全体の全圧損失が最小となる最高効率点流量は案内羽根の特性により決定づけられるので、特に案内羽根への流入角度に対する考慮が必要となる。また、締切り運転では流量がほぼゼロとなるので逆流と順流が混在しているが、順流と逆流では流れの向きが異なるので追加羽根で双方の向きを同時に変えることはできない。

本発明の目的は既存ポンプのモデル自体を変更することなく、案内羽根への流入角度を調整する流入角調整板を設けることで、比速度の変化が大きくとれ、低コストで既存ポンプと同等程度の効率を有する斜流ポンプを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、羽根車と案内羽根で構成される斜流ポンプにおいて、案内羽根の上流かつ羽根車下流の静止部に、案内羽根に対応して案内羽根への流入角度を調整する流入角調整板を備えたことを特徴とする。前記流入角調整板の出口角度は前記案内羽根の入口角度より大きく、または小さくする。また、前記流入角調整板の配置ピッチをｐ、長さをＬｓ（図４参照）とするとき、ピッチコード比（p／Ｌｓ）を１１．４以下としたことを特徴とする。

また、前記流入角調整板の幅方向を湾曲状に形成したことを特徴とする。前記湾曲方向は羽根車の回転方向に対して凹または凸とした。さらに、前記流入角調整板は円筒管の一部を切り出して形成される。

本発明によれば、既存ポンプ部の図面、金型などの資産を流用でき、設計変更が不要になるので従来の性能調整法に比べ大幅にコストを低減できる。

また、本発明の流入角調整板によれば案内羽根の流入角度の転向量で簡易に比速度調整量を見積もれるので、性能検討が高速化され、受注競争で優位に立つ事ができる。

案内羽根流入角度は比速度への感度が高く、比速度を変化させやすい。特にピッチコード比を１１．４以下に制限すると、従来一般的に行われていた外形延長に比べて、大きな比速度調整が可能になる。このとき、全圧損失の増加を最小限に抑えることが出来るので、既存ポンプと同程度の効率を実現できる。

以下に、本発明の実施形態を説明する。本発明は既存ポンプ自体を変更することなく、複数の比速度の代表モデルに基づき、その中間の比速度に対しては案内羽根への流入角度を調整する流入角調整板を備え、最高効率点の比速度を変更している。以下、比速度調整法について低比速度化を例として説明する。なお、一般的な水力ポンプでは回転数を一定とし、流量Ｑを小さくすると揚程Hは大きくなる。よって最高効率点が小流量化すると揚程が増加する。（１）式の関係から、最高効率点の小流量化と高揚程化はともに比速度低下を促進させるので、外径カットに比べて、比速度が変化し易い。以下では最高効率点の小流量化と高揚程化の構成について説明する。

図２にポンプの全圧損失と流量比の関係を示す。ポンプの全圧損失Ｌｔはピークを持ち仕様点が最高効率点流量（図示例では、流量比１．０）から離れるほど全圧損失は増大する。このため単に低流量側に移動しただけでは損失が大きく増加してしまう。ここで全損失Ｌｔを羽根車損失Ｌｂと案内羽根全圧損失Ｌｇに分離すると、案内羽根の全圧損失Ｌｇは流量比Ｑ／Ｑｄ＝１．０で最小となり、その前後で急激に増大している（Ｑｄは正規化のための定格値）。一方、羽根車の全圧損失Ｌｂは案内羽根全圧損失に比べてフラットである。よって、全圧損失が最小となる最高効率点流量はＬｇ’に示すように、案内羽根部の全圧損失最小流量点により決定づけられる。

図３に案内羽根全圧損失と仰角の関係を示す。ここで、仰角とは案内羽根への流入角度と案内羽根の入口の羽根角度（入口角度）との差分であり、仰角がゼロの時に全圧損失が最小となる。迎角の絶対値が大きくなるにつれ、案内羽根入口部での衝突損失が大きくなるので全圧損失率は増大する。迎角ゼロの流量を変更すると、案内羽根全圧損失率が最小になる流量が変化する。

本発明の流入角調整板を案内羽根の上流側に配置すると、案内羽根の迎角がゼロとなる流量が移動する。図２のＬｇ’のように、案内羽根全圧損失率が最小となる流量がたとえば流量比０．９に移動し、それに伴い最高効率点がＬｔ’のように変化する。この例では最高効率点が１０％小流量側に移動している。なお、流入角調整板を案内羽根の上流側に配置した場合、羽根車の流れ場は変わらないので、羽根車損失は流入角調整板の設置によっては変化しない。

図１は本発明の一実施例による斜流ポンプの断面図を示す。回転軸３にはボス７により羽根車１が結合されている。回転軸３は図示しない動力により羽根車１と共に回転し、上流側のベルマウス４から下流側のボールケーシング６に流体を送り出す。ボールケーシング６の内部には案内羽根６ａがあり作動流体の圧力回復をする。案内羽根６ａ上流には流入角調整板２を備えている。

次に流入角調整板２の設置方法について述べる。図４に案内羽根と流入角調整板の取り付け位置関係を示す。図４では紙面上下方向が軸方向であり、紙面左が羽根車の回転方向である。最高効率点を目標比速度の流量点に移動するには、目標比速度と最高効率点での案内羽根への流入角度βｆの差分α’だけ案内羽根６aへの流入角度を転向すればよい。ここで、ｐは案内羽根間のピッチ、Ｌｓは流入角調整板の長さ、ｔは案内羽根の厚みを示し、９は流体の流れ方向を示す。

図５に流入角調整板２の出口羽根角度βb’、流入角度βｆ’、案内羽根入口の羽根角度βｂの関係を示す。ここでは案内羽根の流入角度βｆは案内羽根入口の羽根角度βｂに一致しているものとする（βｂ＝βｆ）。案内羽根入口の羽根角度βｂは流入角調整板の出口羽角度βb’と流入角度βｆ’の中間に位置する。なお、図５は低比速度化の場合でβｂ＜βb’となるが、高比速度化の場合は逆でβｂ＞βb’となる。

ここで羽根間ピッチpが過大、あるいは流入角調整板長Ｌｓが過小であると、流れを十分に転向することができない。十分に流れの転向を行い、目標とする外径延長と同等以上の比速度変化量を実現するためには、ピッチコード比ｐ／Ｌｓに留意しなければならない。すなわち、ピッチコード比には上限が存在し、後述するようにその閾値は１１．４程度である。また、ピッチコード比の下限は羽根車と案内羽根間距離により幾何学的に制約される。

以上のように、本発明の斜流ポンプによれば、既存ポンプの案内羽根入口に流入角調整板を挿入することで比速度を調整できる。案内羽根の入口角度βｂに対し流入角調整板の出口角度βｂ’を大きくすることで、最高効率点が小流量側に移動するとともに揚提も上昇するので、（１）式の関係から低速度比化を促進し、比速度変化量を大きくとれる。また、案内羽根の入口角度βｂに対し流入角調整板の出口角度βｂ’を小さくすると、最高効率点は大流量側に移動し、揚程が低下して高比速度化する。

案内羽根の流入角度を変え、案内羽根の最小損失流量を目標比速度の流量点を移動させるとき、羽根車損失曲線は変わらず、かつ流量に対してフラットな特性を示すので比速度調整前後の効率は同等となる。このように、比速度調整前後で羽根車の形状、フローパターンに変化が無いので、不安定特性、吸い込み性能は比速度調整前後で変化が無く、性能確認のための試験を実施する必要がない。

図６にピッチコード比と比速度調整量の関係についての解析結果を示す。ここでは、比速度５５０の斜流ポンプを対象として流入角調整板２の長さを変えてピッチコード比と比速度増加量の関係を調べた。流入角調整板２の後端位置と入口羽根角度βｂ’を固定して、流入角調整板２の長さＬｓを変更した。流入角調整板２の長さＬｓは案内羽根６ａの最大厚みｔの１．５倍、３．０倍、４．５倍、６．０倍とし、これらの形状に対して三次元粘性解析を実施した。複数流量の解析を行い、最高効率点比速度を流入角調整板の設置時の比速度とした。

図示のように、流入角調整板２の長さＬｓを長くしてピッチコード比を小さくすると、比速度変化量が大きくなる。流入角調整板２の長さＬｓが１．５ｔでピッチコード比が１７．２の場合、流入角調整板２の長半径と短半径の比が２：１の楕円に近く、流れを転向させる効果がほとんど無く比速度が変化していない。一方、流入角調整板２を長くすると流れを転向させる効果が大きくなるので、案内羽根の流入角度βｆが小さくなる。それに伴い、案内羽根損失が最小となる流量が小さくなり、最高効率点が小流量側に移動する。その結果、たとえばＬｓ＝３．０ｔ、ピッチコード比＝１１．４で、最高効率点の比速度は２．３[%]増加している。

ここで従来の一般的な比速度調整法である羽根車の外径延長による比速度調整量を解析により求めた。案内羽根と羽根車による幾何学的制約から外径延長量は４０[%]とした。このときの比速度変化量は２．３[%]であった。したがって、流入角調整板２の設置により外径延長と同等かそれ以上の比速度変化量を実現するためには、ピッチコード比を１１．４以下にすればよいことが分かる。

図７に羽根間断面図を示す。羽根間断面図は、図１の流路断面定義線８を回転軸３回りに回転して得られる断面である。図７（ａ）は入射調整板２を羽根車回転方向に羽根厚み分程度ずらしている。このように配置すると大流量側の効率が向上する。図７（ｂ）は他の実施例で、流入角調整板２の前後端を丸めるように加工を施している。これにより流入角調整板２における全圧損失を低減できる。

図８に本発明の更に他の実施例を示す。流入角調整板２は円筒管を切り出して形成している。円筒管切り出しにより流入角調整板を製造すると、プレス曲げよりも出入口角度や羽根面曲率の精度を管理しやすい。図８では羽根車の回転方向に対して流入角調整板２は凹となるように配置されているが、凸となるように配置してもよい。

流入角調整板を湾曲状に形成すると、板状の流入角調整板に比べて流れを転向させる効果が大きく、比速度調整量が大きい。また出入口の羽根角度が同じである板状の流入角調整板で比速度を調整する場合、流入角調整板の入口角度と流入角度のずれが損失となるが、湾曲状に形成した流入角調整板では出口角度を維持したまま、入口角度を流入角度に合わせることができる。これにより入口角度と流入角度のずれによる損失を低減できる。

図９は流入角調整板を設置した斜流ポンプの外観を示す。流入角調整板２はボールケーシング６の流路壁に溶接で取り付ける。羽根車１と案内羽根６aはそれぞれ回転部、静止部であり、分割して製造される。流入角調整板２の取り付け位置はボールケーシング６の側面であり溶接作業は容易である。

本発明の一実施例に係る斜流ポンプの断面図。 流量と全圧損失率の関係を示す特性図。 迎角と案内羽根全圧損失率の関係を示す特性図。 一実施例による羽根間断面図。 羽根角と流入角を示す説明図。 ピッチコード比と比速度調整量の解析結果を示す説明図。 他の実施例を示す羽根間断面図。 更に他の実施例を示す羽根間断面図。 本発明の実施例による斜流ポンプの外観図。

符号の説明

１…羽根車、１ａ…羽根車ハブ側、１ｂ…羽根車シュラウド側、２…流入角調整板、３…回転軸、４…ベルマウス、５…ケーシング、６…ボールケーシング、６ａ…案内羽根、７…ボス、８…流路断面定義線、９…流れ方向。

Claims (6)

1. 羽根車と案内羽根で構成される斜流ポンプにおいて、
   案内羽根の上流、かつ羽根車下流の静止部に、案内羽根に対応して案内羽根への流入角度を調整する流入角調整板を備えたことを特徴とする斜流ポンプ。
2. 請求項１において、前記流入角調整板の出口角度が前記案内羽根の入口角度より大きく、または小さくしたことを特徴とする斜流ポンプ。
3. 請求項１において、前記流入角調整板の配置のピッチをｐ、流入角調整板の長さをＬｓとするとき、ピッチコード比（p／Ｌｓ）を１１．４以下としたことを特徴とする斜流ポンプ。
4. 請求項１において、前記流入角調整板の幅方向を湾曲に形成したことを特徴とする斜流ポンプ。
5. 請求項４において、前記流入角調整板の湾曲方向が羽根車の回転方向に対して凹または凸としたことを特徴とする斜流ポンプ。
6. 請求項４において、前記流入角調整板は円筒管の一部を切り出して形成したことを特徴とする斜流ポンプ。

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