JP2009103027A - ポンプインペラ及びポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、分割翼片を継合せて翼を構成したポンプインペラの製造および形状修正を容易かつ効率的、低コストで行うことができるようにすることを目的とする。
【解決手段】ハブ２と、ハブ２に取り付けられた複数の翼３を有するポンプインペラにおいて、複数の翼３の少なくとも一つの翼は、翼３のハブ２側の基点からハブ側と反対側の終点に向けて延びる分割線１１、２１により複数の領域１０、２０、２０に分割されて構成され、翼３の翼前縁から見て最初の分割領域１０におけるハブ２側の辺の長さがハブ２側と反対側の辺の長さよりも長くすることにより、分割線１１の曲がりを小さくする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポンプインペラ（羽根車）及びポンプに係り、特に、河川、用水路、排水路、ポンプ場などで使用するポンプのポンプインペラに関するものである。

ポンプインペラ（羽根車）は、ポンプ回転軸軸心回りに回転するハブと、このハブに取り付けられた複数の翼（羽根車翼、インペラブレード）から構成される。ポンプ入口から流入する流体は、ポンプインペラによってエネルギーが与えられる。流体は翼前縁から翼後縁に向かって流れる。

翼は流体をスムーズに流すために曲面形状をしており、その最適な形状は流量やポンプの回転数、揚程によって異なる。

大型のポンプでは、回転方向に沿って延在する翼を一枚ものとして成形すると製造コストが高くなる。製造コストを下げるため、翼を分割して製造する場合がある。翼を分割して製造するものとしては、例えば、特許文献１に記載のものがある。

特開平６−３３８９７号公報

ポンプインペラの形状はポンプ性能に大きく影響を及ぼす。翼の形状は、揚程や回転数、流量などのポンプの仕様によって多少異なるが、流入する流体の角度に合わせるために、その前縁の形状をハブ側付近で強く湾曲（シュラウド側よりも小さな曲率半径）させる場合が多い。これは、ポンプインペラのハブ側周速がシュラウド側（チップ側）周速に比べて小さいため、ハブ側での流れに対するインペラ角度をあわせるためである。

従来、このような形状を有する翼の分割の仕方について、製造を考慮した分割の仕方については特に考えられていなかった。湾曲が小さい翼であれば、特に製造上の問題はないと考えられるが、湾曲が大きい形状の翼を単純に分割（例えば、翼のハブ側とシュラウド側の辺の長さが略同じとなるように分割（但し、外周側となるシュラウド側が長くなる。））して製造した場合には、分割線が曲線になってしまう。分割線が曲線になるということは、分割線に沿った方向にも、分割線に垂直な方向にも曲がりが存在するということを意味する。したがって、翼面を滑らかに継合せ（接合）するためには、異なる２つの曲面の継合せ面（接合面）付近の形状をその２次元的な曲率分布が一致するように製造する必要があり、製造の困難性が高くなる。

本発明は、上記の課題に鑑み、ポンプインペラの翼を分割して構成する場合、翼前縁側のハブ側付近で強く湾曲した翼でも製造が容易となる構造のポンプインペラ及びポンプを提供することを目的とする。

本発明は、ポンプインペラの複数の翼の少なくとも一つの翼を、翼のハブ側の基点からハブ側と反対側の終点に向けて延びる分割線により複数の領域に分割して構成し、翼前縁から見て最初の分割領域におけるハブ側の辺の長さがハブ側と反対側の辺の長さよりも長くするように構成したものである。言い換えれば、本発明では、翼前縁から見て最初の分割線はハブ側の基点からハブ側と反対側の終点に向けて翼前縁との距離が短くなるように設定されている。

本発明によれば、分割線の曲がりが小さくなる（直線状となる）ので、分割した領域の継合せが容易となり、ポンプインペラ及びポンプの製造が容易となる。

本発明の実施例について説明する。

まず、本発明が適用されるポンプ及びポンプインペラについて説明する。

図６及び図７は本発明が適用されるポンプ（斜流ポンプ）の断面図を示す。図６はポンプインペラとシュラウドが溶接されていないオープンインペラタイプのものを示し、ポンプインペラのみが回転する。図７は翼がシュラウドに溶接されたクローズドインペラタイプのものを示し、ポンプインペラとシュラウドの一部が一体となって回転する。なお、１はポンプ回転軸軸心、２はハブ、３は翼、７はポンプ回転軸、８はシュラウド、９はシュラウドの断面部、１０は案内羽根をそれぞれ示す。本発明はオープンインペラおよびクローズドインペラのいずれに対しても適用することができる。

図２に本発明が適用されるポンプインペラの全体図を示す。図２に示すポンプインペラは斜流ポンプのポンプインペラを示している。

ポンプインペラは、ハブ２と、複数の翼３によって構成され、ポンプ回転軸軸心１の周りに回転する。ハブ２は外周からポンプ回転軸軸心１に向けて隆起する円錐台に類する形状（円錐状）となっている。

翼３は溶接によってハブ２に取り付けられている。また、翼３はハブ２の表面に起立し、図面上、回転方向Ｒに向け上りの傾きをもってハブ２の外周側から中央部に掛けて延在する。翼３は複数枚が等間隔でハブ２に配置されている。また、翼３は回転方向に対して後側になる翼後縁５からポンプの入口側である翼前縁４に亘って回転軸軸心の方向に巻き込むように湾曲する形状（内側に曲がる構造）をしている。複数の翼３の少なくともの一つの翼（好ましくは全ての翼）は後述のように複数の領域に分割して製造されて構成されている（複数の分割翼片が継合わされて形成されている。）。尚、図２では、翼３のハブ側と反対側（シュラウド側）の端である外周縁６がシュラウドに溶接されていないオープンインペラ（図６参照）を示している。

次に、図２に記載のようなポンプインペラの翼を単純に分割した場合、即ち、翼のハブ側とシュラウド側の辺の長さが略同じとなるように分割（但し、外周側となるシュラウド側が長い）した場合の問題点について、図３を用いて説明する。

図３は吸い込み側になる上流側からポンプ回転軸の方向にポンプインペラを見たものである。ポンプ回転軸軸心１をｚ軸とし、回転軸軸心に垂直（直角）な平面内にｘ軸、ｙ軸をとる。また、ｘ軸ｙ軸の平面（ｘｙ平面）内において、回転軸軸心（ｚ軸）を中心とする円座標系における角度座標値が等しい点の集合で表現される直線（ｚ軸まわりの角度に関して等角度になるような直線）を等角度線と呼ぶ。

翼は通常、強度上の観点から、その翼前縁１０４および翼後縁１０５のｘｙ平面への投影線と、それぞれの等角度線１１４，１１５とのなす角度があまり大きくならないように設計される。翼の分割に関しても、翼面領域１１０，１２０，１３０，１４０の継合せ箇所である各分割線１１１，１２１，１３１のｘｙ平面への投影線と等角度線（分割線のハブ側基点を通る等角度線）とのなす角度１５０が小さくなるように分割される（翼のハブ側とシュラウド側の辺の長さが略同じとなるように分割され、外周側であるのシュラウド側の辺が長くなるように分割される。）。上述したように、翼の形状は、流入する流体の角度に合わせるために、その前縁の形状をハブ側付近で強く湾曲（シュラウド側よりも小さな曲率半径）させる場合が多いことから、翼面の各分割線は３次元的な曲がりを持った曲線になる。

このような形状をもつポンプインペラに対して、等角度線に沿って分割すると、次のような問題が生じる。

１つは、上述したように、分割した各翼面の製造が難しくなることである。また、その他には、形状修正の対応が難しくなることである。

即ち、ポンプインペラの形状は、あらかじめコンピュータシミュレーション等を用いて最適な性能を実現できるよう設計されるが、ポンプ内部の流れの状況を完全に予測することは困難なため、実際のポンプを組み上げた後の段階でも、インペラ形状に対して様々な修正を施しポンプの性能を調整する場合がある。その際には、翼の前縁部の形状が性能に大きく影響するため、翼前縁側の強く湾曲したハブ側付近１６０の形状に修正を加える必要がでてくる。図３に記載のように翼を分割している場合、曲がりの強いハブ側前縁部に形状の変更を加えると、分割した翼面領域の１１０および１２０を共に修正する必要がある。前述したように分割線が３次元的曲線になっているため、分割線付近の翼面形状は２次元的な曲率を持った曲面になっており、２つの翼面領域１１０，１２０の両方を別々に形状修正し、互いを正確に接合しなおすことは製造上困難かつ手間のかかる作業となる。

このように図３に示す分割の仕方では、ポンプインペラの製造上の困難性、および形状修正の困難性が問題になる。

次に、図１を用いて本発明の一実施例である翼の分割の仕方を説明する。

分割線１１，２１は翼３のハブ側の基点からハブ側と反対側（シュラウド側）の終点に向けて延びている。本実施例では、分割線１１，２１により翼３を複数の領域（１０，２０，３０）に分割して構成し、図中、右側から左側に向かって第１領域１０の分割翼片（ポンプ入口側、翼前縁側の分割翼片）、第２領域２０の分割翼片、第３領域３０の分割翼片が並んで配置されている。

本実施例では、第１領域（翼前縁から見て最初の分割領域）１０におけるハブ側の辺の長さがハブ側と反対側（シュラウド側）の辺の長さよりも長くするように構成、即ち、ハブ側の部分を多く、シュラウド側の部分を少なく含む翼面形状としている。このように分割することにより、分割線の曲がりが小さくなる。この理由について詳述する。

翼３は２次元的な曲率を持った３次元曲面であるが、これまでの研究により、性能の高い翼面内の曲率分布の方向に特殊性があることが明らかになった。それは、性能の高い翼の翼面は、翼の全体の形状とは無関係に、等角度線から大きく傾いた翼面上の線と直交するような方向に強く曲がった形状を持つということである。この状況を図４で示す。

図４は翼３の前縁部に近いところの曲面の曲がりの特徴を示したものである。すなわち、等角度線から大きく傾いた翼面上の線２００の方向をｕ方向とし、それに垂直な方向２１０をｖ方向とすると、ｕ方向の曲率がｖ方向の曲率に比べて著しく小さくなっている。等角度線から大きく傾いた翼面上の線２００（ｕ方向）のもつ曲がりは小さく、それが完全な直線となる場合もある。

本実施例では、翼の持つこの特徴を利用し、翼面を等角度線からｕ方向に傾いた線２００で分割するものである。翼前縁と等角度線（翼前縁のハブ側の基点を通る等角度線）とのなす角度が図１及び４に示すように小さい場合には（小さい場合が殆ど）、第１領域（翼前縁から見て最初の分割領域）１０におけるハブ側の辺の長さがハブ側と反対側（シュラウド側）の辺の長さよりも長くするように構成、即ち、ハブ側の部分を多く、シュラウド側の部分を少なく含む翼面形状とすることにより、分割線１１を等角度線からｕ方向に傾かせている。このように分割することにより、まず分割線そのものの曲がりを小さくすることができる。適切に翼面を設計すれば、分割線を直線（ｚ軸方向から見てもｚ軸と垂直な方向から見ても直線）で構成することも可能である。分割線の曲がりを小さくすることによって、隣接する分割翼片間の接合部（継合せ部）付近の翼の曲面は、その曲がりの大部分が接合部に垂直な方向になり、翼の曲面が分割線とは無関係な方向に曲がってしまう図３に記載の分割の仕方と比較すると、製造および接合が大幅に容易になる。

さらに、このように分割されていると、翼の強い曲がりをもつ部分である翼前縁側のハブ側付近１６０（図３参照）の大部分が翼前半の第１領域１０に収まることになる。このため、性能上の問題により翼形状の修正が発生した場合、第２領域２０を全く修正せずに、性能に影響する第１領域１０のみの形状修正で対応できることも多くなる。これにより、複数領域にわたる翼の形状修正（図３に記載の分割の仕方では複数領域にわたる翼の形状修正が必要）に比べ、大きく簡素化することが可能になる。また、曲がりの強い方向と垂直な方向に沿って分割することによって、領域ごとのもつ曲率が均一化するため、図３に記載の分割の仕方に比べて、より少ない分割数で同等の形状修正が可能となり、製作コストを低減することもできる。

このように、本実施例によれば、ポンプインペラの翼の製造および形状修正を容易かつ効率的、低コストで行うことができるようになる。

上述の分割線は直線により近い方が製造上望ましいが、加工上問題にならない程度であれば緩やかな曲線（曲がりが小さい曲線）でもよい。

また、本発明の分割線は次のように定義することもできる。

図１に示すように、分割線１１は回転軸心から離れるしたがい翼３の前縁側に近づくように傾向いている。即ち、本発明の分割線１１はハブ側の基点からシュラウド側の終点に向けて翼前縁１０４との距離が短くなるように設定されていると定義することもできる。このような定義に従った分割でも上述の効果を得ることができる。

また、本発明の分割線は次のように定義することによって、さらに、好適な分割を特定することができる。即ち、分割線１１は、等角度線と傾きをもって交差する。更に、分割線１１は、ハブ側になる翼３の内周縁と等角度線が交合うハブ側基点（内周縁交点）からシュラウド側終点（外周縁交点）に向かって直線的に延びる。角度４０は、分割線１１のｘｙ平面への投影線と、ｘｙ平面内の等角度線（ハブ側基点を通る等角度線）とがなす交差角度である。

図１に記載の実施例では、ポンプ入口側に近い第１領域の分割線１１のところでは、等角度線となす角度４０が４５度以上になっている。実際には、角度４０の範囲は４５°〜９０°で、６０°のところが最良である。このようにして引かれる分割線は、真上（ｚ軸方向）から見ても、真横（ｚ軸と直角な方向）から見ても直線に近い線となる。つまり、３次元的座標上で直線に近い分割線となる（適切に翼面を設計すれば、分割線を直線で構成することも可能である。）。分割線をこのように定義して翼を分割することにより、上述の効果を有効に奏することができる。

さらに、図１に示す実施例では、二番目の分割線２１と等角度線とのなす角度は、前述した一番目の分割線１１と等角度線とのなす角度４０よりも小さくし、翼３の後縁が等角度線となす角度との中間値程度の角度をつけている。翼を更に分割する場合には、三番目以降の分割線についても二番目の分割線２１と同様、三番目の分割線と等角度線とのなす角度は角度４０よりも小さくする。

上述した分割翼片（翼の各領域）は鋳造で製造してもよいし、製缶から鍛造で製造しても良い。

さらに、図１における分割翼片間（翼の各領域間）の接合部（継合せ部）５０の拡大図を図５に示す。

ここに示したように、接合部５０は、上流側（回転方向の前側）に存在する分割翼片の断面を凹形、下流側（回転方向の後側）に存在する分割翼片の断面を凸形に形成する。この凹凸の組み合わせは、接合線（分割線）付近での翼面間の隙間が、回転方向に向かって開かないため、接合部で流体の乱れが生じ難く、ポンプの性能低下を最小限に抑えることができる。

このような形状にしておけば、クローズドインペラの場合など強度に問題がない場合、隣り合う分割翼片間を溶接で接合せず、製造コストを低減させることも可能である。

また、分割線が直線となる場合には、翼形状修正の際、分割線と一致する回転軸３００を中心として領域１０あるいは領域２０を回転３１０させれば、第１領域１０，第２領域２０の形状を修正せずに翼の角度を変えて性能を調整することも可能になる。

翼の厚みに関しては、分割した領域（分割翼片）ごとにその厚みの値を変化させても良い。各領域（分割翼片）を鋳造で製造する場合には、自由な翼厚みで成形できるが、製缶品の場合であっても、図５に示すように、下流側の翼厚み３３０を上流側の翼厚み３２０よりも小さくすることで、翼性能低下を抑えつつポンプインペラ全体としての重量を削減し製造コストを低減させることもできる。

上記実施例では、分割線を等角度線に交差させるポイントを内周縁交点（内周縁と等角度線の交点）にした態様について述べたが、他のポイントにすることも可能である。

例えば、等角度線を翼の前縁に近づけた場合には、分割線を等角度線に交差させるポイントとして内周縁交点（内周縁と等角度線の交点）を選べない。この場合は、等角度線と外周縁が交差する外周縁交点をポイントとして分割線を引くことになる。

つまり、分割線は等角度線と交差し回転軸心から離れるにしたがって前記回転方向に傾くように引きことになる。この場合には、分割線と等角度線とのなす角度４０は６０°を上回る角度を選ぶことにより、分割線を直線に近づけることができる。

また、上述した分割翼片は、通常、溶接により翼として一体化されるが、ねじ、ボルトや他の結合手段によって一体化することが可能である。また、分割翼片の素材は、鋼、金属以外の合成樹脂等の非金属を用いることができる。

また、上述の実施例では、ハブが円錐状の斜流ポンプにおけるポンプインペラについて説明したが、翼は一般的に内側に曲がるように（巻き込むように）形成されていることから、ハブが円錐状以外（例えば軸流型のハブ形状）のポンプインペラの翼の分割にも本願発明を適用して、分割された翼を有するポンプインペラの製造および形状修正を容易かつ効率的、低コストに実施することが可能となる。

本発明の実施例に係わるもので、ポンプインペラの平面図。 本発明が適用されるポンプインペラの斜視図。 翼の分割の仕方の問題点を説明する図。 本発明の実施例に係わるもので、翼の前縁部の特徴を説明する図。 本発明の実施例に係わるもので、隣接する分割翼片の接合部の拡大図。 本発明が適用されるポンプの一部断面図。 本発明が適用されるポンプの一部断面図。

符号の説明

１…ポンプ回転軸軸心、２…ハブ、３…翼、４…翼前縁、５…翼後縁、６…外周縁、１０…第１領域、１１…分割線、２０…第２領域、２１…二番目の分割線、３０…第３領域、４０…第１の分割線のｘｙ平面への投影線と等角度線とのなす角度、５０…第１領域の分割翼片と第２領域の分割翼片との接合部。

Claims (6)

1. ハブと、前記ハブに取り付けられた複数の翼を有するポンプインペラにおいて、
   前記複数の翼の少なくとも一つの翼は、前記翼の前記ハブ側の基点から前記ハブ側と反対側の終点に向けて延びる分割線により複数の領域に分割されて構成され、前記翼の翼前縁から見て最初の分割領域における前記ハブ側の辺の長さが前記ハブ側と反対側の辺の長さよりも長いことを特徴とするポンプインペラ。
2. ハブと、前記ハブに取り付けられた複数の翼を有するポンプインペラにおいて、
   前記複数の翼の少なくとも一つの翼は、前記翼の翼前縁から翼後縁の間が、前記翼の前記ハブ側の基点から前記ハブ側と反対側の終点に向けて延びる分割線により複数の領域に分割されて構成され、前記翼前縁から見て最初の分割線は前記ハブ側の基点から前記ハブ側と反対側の終点に向けて前記翼前縁との距離が短くなるように設定されていることを特徴とするポンプインペラ。
3. 請求項１又は２において、前記ハブが円錐状に形成されていることを特徴とするポンプインペラ。
4. 請求項３において、前記分割線の前記ポンプインペラの回転軸軸心に垂直な平面への投影線と、前記回転軸軸心を中心とする円座標系における角度座標値が等しい点の集合で表現される等角度線であって前記分割線の前記ハブ側基点を通る等角度線とのなす角度を４５度以上としたことを特徴とするポンプインペラ。
5. 請求項１から４の何れかにおいて、前記翼の分割した領域同士の継合せ部は、前記翼前縁側にある領域の継合せ面の断面形状が凹型、前記翼後縁側にある領域の継合せ面の断面形状が凸型となっていることを特徴とするポンプインペラ。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のポンプインペラと、前記ポンプインペラを保持するポンプ回転軸と、前記ポンプインペラの後流側に設けられた案内羽根と、前記ポンプインペラ及び前記案内羽根の外側に設けられたシュラウドとを有するポンプ。

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