JP2011111956A - 渦巻ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプから生じる騒音の要因となるケーシング形状の改善を図った渦巻ポンプを提供する。
【解決手段】ケーシング５１が吸込口部６０の開口縁周囲に連なる凸状部６２を有し、凸状部６２は、その頂点６２３を通り羽根車５３の回転軸心Ｘと直交する直線を第１基線Ｌ１とし、第１基線Ｌ１から羽根車５３の回転軸心方向に沿って羽根車側へ所定距離ｈを隔てた位置において羽根車５３の回転軸心と直交する平面を基準面αとし、基準面αと凸状部６２の内周面６２４との交線を通り羽根車５３の回転軸心Ｘと平行な線を第２基線Ｌ２とする場合に、前記頂点６２３から第１基線Ｌ１と第２基線Ｌ２の交点までの距離Ｌｘであって羽根車５３の回転軸心周りで水流の半径方向流速Ｖが最大となる半径方向流速最大位置Ａにおける前記距離Ｌｘａが、半径方向流速が最小となる半径方向流速最小位置Ｂにおける前記距離Ｌｘｂより大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は渦巻ポンプに関し、特に渦巻ポンプのケーシング構造に係るものである。

従来、この種の渦巻ポンプの一種である両吸込渦巻ポンプは、図１０に示すように、ケーシング１と、主軸２に設けた羽根車３を備えている。ケーシング１は羽根車３の回転軸心方向で羽根車３の側方に位置する渦巻形の吸込流路１１と、羽根車３の回転軸心廻りに形成する吐出流路１２を有している。羽根車３は内部に羽根車内流路１３を有しており、羽根車内流路１３は回転軸心方向に向けて開口する吸込口部１４でケーシング１の吸込流路１１に連通し、かつ回転軸心と直交する径方向に向けて開口する吐出口部１５でケーシング１の吐出流路１２に連通している。

羽根車３が主軸２の駆動により回転軸心廻りに回転する状態で、ケーシング１の吸込流路１１に流入する水は吸込流路１１の渦巻形に沿って旋回しながら吸込流路１１の羽根車へ向かう終端部から羽根車３の吸込口部１４を通して羽根車内流路１３へ流入する。羽根車内流路１３へ流入した水は羽根車３の回転による遠心力を受けて吐出口部１５からケーシング１の吐出流路１２に噴出する。
先行技術文献としては特許文献１および２がある。

特開平３−２９００９６号公報 特開昭６１−４９１９５号公報

上記した構成において、ケーシング１の吸込流路１１で旋回する水流が吸込流路１１の羽根車へ向かう終端部から羽根車３の吸込口部１４へ流入する際に、図１０中で矢印で示すように、羽根車３の回転軸心に沿った方向に転向する。

この水流の急転向は流れの剥離を発生させ、水頭損失を大きくさせる。水頭損失の増大は圧力降下を大きくするため、キャビテーションの発生による吸込性能の低下につながる。キャビテーションが発生するとポンプ性能の低下、振動および騒音の発生、壊食、損傷等の有害な事象を引き起す。

このため、特許文献１では、水流を羽根車へ流れ込ませる吸込口部がベルマウスに類似する形状をなし、吸込口部がケーシング内面から突出し、吸込口部とケーシング内面との間に環状または弧状の溝部を備えており、ポンプ軸と直交する方向に流れてきた水流が吸込口部の溝部に入り、その流速を低下させつつ溝部の水流誘導作用により旋回成分が大きくなることで、水流が旋回しながら吸込口部を乗り越えてポンプ軸と平行な方向に方向転換する。

特許文献２では、両吸込渦巻ポンプにおいて羽根車への吸込口部の全円周部断面形状が、吸込口部へ旋回状態で吸込まれる水流の上流側始点から下流側終点に向かって、曲面の曲率半径、および羽根車端面と曲面頂点間の間隔が次第に小さくなるように形成しており、上流側始点での水流は、曲面の曲率半径が他の下流側の曲面の曲率半径より大きいので、曲面に倣って方向転換を行う。

本願発明は、ポンプから生じる騒音の要因となるケーシング形状の改善を図った渦巻ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の渦巻ポンプは、ケーシングと回転軸心廻りに回転する羽根車を備え、ケーシングは羽根車の回転軸心方向で羽根車の側方に位置する渦巻形の吸込流路と、羽根車の回転軸心廻りに形成する吐出流路を有し、羽根車は羽根車内流路と羽根車内流路内に配置した羽根を有し、羽根車内流路が羽根車の回転軸心方向に向けて開口する吸込口部でケーシングの吸込流路に連通し、かつ羽根車の径方向に向けて開口する吐出口部でケーシングの吐出流路に連通するものであって、ケーシングは、吸込流路の内壁面において羽根車内流路の吸込口部の開口縁周囲に連なる部位に、羽根車の回転軸心方向に隆起してその頂点を水流が羽根車の半径方向の速度成分をなす半径方向流速を伴って通過する凸状部を有し、凸状部は、その頂点から羽根車の回転軸心と直交する方向に延びる線を第１基線とし、第１基線から羽根車の回転軸心方向に所定距離ｈを隔てた位置において羽根車の回転軸心と直交する平面を基準面とし、基準面と凸状部の内周面との交線を通り羽根車の回転軸心と平行をなす線を第２基線とし、前記頂点から第１基線に沿った第１基線と第２基線の交点までの距離をＬｘとする場合に、羽根車の回転軸心周りで水流の半径方向流速が最大となる半径方向流速最大位置における距離Ｌｘａが、半径方向流速が最小となる半径方向流速最小位置における距離Ｌｘｂより大きいことを特徴とする。

また、本発明の渦巻ポンプにおいて、凸状部は、第１基線から羽根車の回転軸心方向に沿って吸込口部の開口縁までの距離Ｈが羽根車の回転軸心周りにおいて一定であることを特徴とする。

また、本発明の渦巻ポンプにおいて、凸状部は、半径方向流速最大位置から周方向に沿った所定距離間における距離Ｌｘが半径方向流速最小位置における距離Ｌｘｂより大きいことを特徴とする。

また、本発明の渦巻ポンプにおいて、凸状部は、その内周面が羽根車の回転軸心側に向けて２次曲線状に滑らかに変化する凸状の曲面をなすことを特徴とする。
また、本発明の渦巻ポンプにおいて、凸状部は、その内周面が周方向に沿って滑らかに変化する曲面をなすことを特徴とする。

また、本発明の渦巻ポンプにおいて、凸状部は、その内面が羽根車の回転軸心側に向けて円弧状に滑らかに変化する凸状の曲面をなし、半径方向流速最大位置から周方向に１２０°の位置まで前記距離Ｌｘが半径方向流速最小位置における前記距離Ｌｘｂより大きいことを特徴とする。

また、本発明の渦巻ポンプにおいて、凸状部は、ケーシングと別体に形成した交換可能なものであることを特徴とする。

本発明によれば、羽根車の回転軸心周りで水流の半径方向流速が最大となる半径方向流速最大位置における距離Ｌｘａが、半径方向流速が最小となる半径方向流速最小位置における距離Ｌｘｂより大きいことにより、水流が旋回しながら凸状部を乗り越えて羽根車の回転軸心と平行な方向に方向転換する際に生じる水流の剥離が抑制でき、キャビテーションの発生による騒音の発生を抑制できる。

本発明の実施の形態における渦巻ポンプの要部を示す斜視図 （ａ）は図１のＡ部における断面図、（ｂ）は図１のＢ部における断面図 本発明の実施の形態における渦巻ポンプを示す断面図 解析上の半径方向流速分布を示す模式図 半径方向流速の円周方向分布を示すグラフ図 半径方向流速の円周方向分布を示すグラフ図 本発明の実施の形態における渦巻ポンプを示す正面図 本発明の実施の形態における渦巻ポンプのカップリングを示す平面図 騒音の改善を示すグラフ図 従来の渦巻ポンプを示す断面図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図３において、両吸込渦巻ポンプは、ケーシング５１の内部に主軸５２によって駆動する羽根車５３を備えている。ケーシング５１は羽根車５３の回転軸心方向で羽根車５３の側方に位置する渦巻形の吸込流路５４を有し、かつ羽根車５３の回転軸心廻りに形成する吐出流路５５を有している。

なお、図４に示すように、巻き角度θが回転軸中心と舌部５１１を結ぶ直線を０°として水流６２２の流れ方向の回転角度を示すものであるとき、吸込流路５４は、ケーシング５１の舌部５１１のある巻き角度０°から３６０°にかけて、回転軸心方向および半径方向の幅が狭くなる形状をなしている。

羽根車５３はハブ５６とシュラウド５７の間に羽根車内流路５８を有し、ハブ５６とシュラウド５７の所定位置に複数の羽根５９を形成している。羽根車内流路５８は羽根車５３の回転軸心方向に向けて開口する吸込口部６０でケーシング５１の吸込流路５４に連通し、かつ羽根車５３の回転軸心と直交する径方向に向けて開口する吐出口部６１でケーシング５１の吐出流路５５に連通している。羽根５９はハブ５６とシュラウド５７とに接合し、吸込口部６０における始端位置から吐出口部６１における終端位置まで延在している。

ケーシング５１は吸込流路５４の内壁面において羽根車内流路５８の吸込口部６０の開口縁周囲に連なる部位に羽根車５３の回転軸心周りに沿って凸状部６２を有しており、凸状部６２はケーシング５１を鋳造する際に一体成形しても良く、ケーシング５１と別体に形成して交換可能とすることも可能である。

凸状部６２は以下の条件を満たす形状をなす。つまり、図１および図２に示すように、凸状部６２は羽根車５３の回転軸心方向に隆起してその頂部６２１を水流６２２が羽根車５３の半径方向の速度成分をなす半径方向流速を伴って通過するものであり、吸込口部６０に臨み、頂点６２３から開口縁６０１に至る内周面６２４が羽根車５３の回転軸心側に向けて２次曲線（円、楕円、放物線、双曲線等の一部）状に滑らかに変化する凸状の曲面をなす。

そして、凸状部６２は、その頂点６２３から羽根車５３の回転軸心Ｘと直交する方向に延びる線を第１基線Ｌ１とし、第１基線Ｌ１から羽根車５３の回転軸心方向に所定距離ｈを隔てた位置において羽根車５３の回転軸心Ｘと直交する平面を基準面αとし、基準面αと凸状部６２の内周面６２４との交線６２５を通り羽根車５３の回転軸心Ｘと平行をなす線を第２基線Ｌ２とし、頂点６２３から第１基線Ｌ１に沿った第１基線Ｌ１と第２基線Ｌ２の交点までの距離をＬｘとする場合に、羽根車５３の回転軸心周りで水流６２２の半径方向流速が最大となる半径方向流速最大位置Ａにおける距離Ｌｘａが、半径方向流速が最小となる半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きくなるように、凸状部６２の内周面が周方向に沿って滑らかに変化する曲面をなす。

また、凸状部６２は、第１基線Ｌ１から羽根車５３の回転軸心方向に沿って吸込口部６０の開口縁６０１までの距離Ｈが羽根車５３の回転軸心周りにおいて一定である。本実施の形態では、半径方向流速最大位置Ａから周方向に沿った所定距離間Ｌａにおける距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きいが、所定距離間Ｌａの長さは任意に設定することが可能であり、これについては後述する。

上記した構成において、羽根車５３が主軸５２の駆動により回転軸心廻りに回転する状態で、ケーシング５１の吸込流路５４に流入する水は吸込流路５４の渦巻形に沿って旋回しながら吸込流路５４の終端部から羽根車５３の吸込口部６０を通して羽根車内流路５８へ流入する。羽根車内流路５８へ流入した水は羽根車５３の回転による遠心力を受けて吐出口部６１からケーシング５１の吐出流路５５に噴出する。

ケーシング５１の吸込流路５４で旋回する水流６２２は、吸込流路５４から羽根車５３の吸込口部６０へ流入する際に、羽根車５３の回転軸心Ｘに沿った方向に転向する。このとき、半径方向流速を伴う水流６２２は羽根車５３の回転軸心周りに沿って形成した凸状部６２を越えることで、回転軸心方向へ急転向する流れ、特にケーシング５１に沿った流れを緩和させ、流れがケーシング５１から剥離することを抑制することで、キャビテーションの発生を抑制して騒音の発生を抑制することができる。さらに、キャビテーションの発生によるポンプ吸込性能の低下、ポンプ性能の低下、振動の発生、壊食、損傷を抑制することができる。

以下に詳述する。図４は本発明の渦巻ポンプにおける水流６２２の流れを示す模式図であり、図５は吸込流路５４の巻き角度と、距離Ｌｘおよび半径方向流速Ｖの関係を示すグラフ図であり、距離Ｌｘは無次元化した値であって、距離Ｌｘを凸状部６２の全長にわたって一定とする場合の距離Ｌｘの標準値で羽根車５３の回転軸心周りにおける各巻き角度での距離Ｌｘの値を除算した値であり、半径方向流速Ｖは無次元化した値であって、ポンプ吸込量を吸込口部６０の面積で割った平均流速で羽根車５３の回転軸心周りにおける各巻き角度での半径方向流速Ｖの値を除算した値である。

図５において、軌跡Ｋ１は距離Ｌｘを凸状部６２の全長にわたって一定とする参考例の場合を示し、この条件下において羽根車５３の回転軸心周りにおける各巻き角度での半径方向流速Ｖを軌跡Ｋ２で示している。

軌跡Ｋ３は、本実施の形態にかかるものであり、半径方向流速最大位置Ａから周方向に沿った所定距離間Ｌａ、巻き角度０°から９０°までの範囲において距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きく、かつ各巻き角度における半径方向流速Ｖに応じて距離Ｌｘを漸減させる場合を示しており、軌跡Ｋ４に示すように、巻き角度０°から１２０°までの範囲において距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きく、かつ各巻き角度における半径方向流速Ｖに応じて距離Ｌｘを漸減させる条件とすることも可能である。軌跡Ｋ３の条件下において羽根車５３の回転軸心周りにおける各巻き角度での半径方向流速Ｖを軌跡Ｋ５で示している。また、軌跡Ｋ４においては、半径方向流速Ｖは軌跡Ｋ５とほぼ同じとなる。

図５から明らかなように、本実施の形態において、半径方向流速最大位置Ａは巻き角度０°から３０°の範囲にあり、半径方向流速最大位置Ａから周方向に沿った所定距離間Ｌａ、巻き角度０°から９０°までの範囲で、あるいは巻き角度０°から１２０°までの範囲（領域）で距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きいことにより、本実施の形態における水流６２２の半径方向流速Ｖ（Ｋ５）が参考例の場合の半径方向流速Ｖ（Ｋ２）に比べて小さくなっており、表１に示すように、剥離、キャビテーションの状況を表す負圧の状況は、参考例と比較して本実施の形態において減少している。

この結果、水流６２２が旋回しながら凸状部６２を乗り越えて羽根車５３の回転軸心Ｘと平行な方向に方向転換する際に、不均一な流れ込みで流速が速くなる領域において生じる水流６２２の剥離が抑制でき、キャビテーションの発生を抑制して騒音の発生を抑制することができる。さらに、剥離が抑制できることにより、吸込性能の低下、ポンプ性能の低下、振動の発生、壊食、損傷を抑制することができる。

図６に示すように、距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きくなる範囲は任意に設定することが可能であり、巻き角度０°から９０°までの範囲において距離Ｌｘを漸減させる場合（軌跡Ｋ６）、巻き角度０°から９０°までの範囲において距離Ｌｘを一定に維持した後に巻き角度９０°から２１０°までの範囲において漸減させる場合（軌跡Ｋ７）、巻き角度０°から９０°までの範囲において距離Ｌｘを一定に維持した後に巻き角度９０°から３００°までの範囲において漸減させる場合（軌跡Ｋ８）、巻き角度０°から３００°までの範囲において距離Ｌｘを漸減させる場合（軌跡Ｋ９）、巻き角度０°から３００°までの範囲において距離Ｌｘを二次曲線的に漸減させる場合（軌跡Ｋ１０）等の構成が可能である。

なお、図５で０°における半径方向流束Ｖが下がるのは、舌部５１１の形状による半径方向成分の減少や、ケーシングの摩擦抵抗の増加による。さらに、図５、図６で巻き角度を３００°までしか記載していないのは、本実施の形態において３００°を超えると凸状部の頂部６２１がケーシング５１に接触し吸収されて不明確となるためである。

図７および図８に示すように、渦巻ポンプ８００をカップリング８０１でモータ８０２に連結して使用する条件下で、渦巻ポンプ８００の周囲の４箇所Ｄ１〜Ｄ４において測定した騒音の変化を図９に示す。

図９は距離Ｌｘを凸状部６２の全長にわたって一定とする参考例の場合における騒音と、本実施の形態のように、半径方向流速最大位置Ａを含む周方向に沿った所定距離間Ｌａ、巻き角度０°から９０°までの範囲において距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きくなる場合における騒音との差を、４箇所の測定位置Ｄ１〜Ｄ４において示すものである。図９に示すように、ポンプの吐出量を変化させても、４箇所の測定位置Ｄ１〜Ｄ４での本発明における騒音は参考例における騒音よりも下がった範囲にある。

本実施の形態において、距離Ｈを一定とすることで凸状部の形状が単純となり、製作容易となってコストダウンをはかることができる。
さらに、凸状部を、半径方向流速最大位置を含む周方向に沿った所定距離範囲における距離Ｌｘが半径方向流速最小位置における距離Ｌｘｂより大きくなるように形成することで、半径方向流速が速くて剥離が生じる可能性の高い所定距離範囲において剥離を抑制でき、より効果的に騒音の発生を抑制することができる。

特に、巻き角度０°から１２０°の範囲は半径方向流速が平均流速より速く、この範囲を所定距離範囲とすることが望ましい。より望ましくは半径方向流速が平均流速の１．４倍以上となる０°から９０°を所定距離範囲とすることである。

また、所定距離範囲を巻き角度０°から３６０°にわたって設定することもできるが、本実施の形態において巻き角度０°から９０°の場合はケーシング重量で１％の増加である。一方、巻き角度０°から３６０°とするとケーシング重量で４％の増加となり、巻き角度０°から９０°にした場合と比較して４倍の重量増加となる。コストを考慮すると効果の高い巻き角度０°から９０°の範囲で行なうことがより効果的である。

さらに、本実施の形態において、凸状部の内周面を滑らかな曲面とすることで、流れが内周面で急激な変化を生じ難くなり、剥離をより抑制することができる。
本実施の形態において、凸状部６２はケーシング５１を鋳造する際に一体成形しているが、距離Ｌｘが半径方向流速最小位置Ｂにおける距離Ｌｘｂより大きくなる部位は、ケーシング５１と別体に形成して交換可能とすることも可能である。交換可能とすることで、凸状部６２が損傷した場合にケーシング５１を交換することなく凸状部６２を交換することで容易にポンプを復旧できるとともに、騒音や振動、吸込性能が運転状態の変化により悪化した場合に凸状部６２を交換することで、改善を図ることもできる。

５１ ケーシング
５２ 主軸
５３ 羽根車
５４ 吸込流路
５５ 吐出流路
５６ ハブ
５７ シュラウド
５８ 羽根車内流路
５９ 羽根
６０ 吸込口部
６１ 吐出口部
６２ 凸状部
５１１ 舌部
６０１ 開口縁
６２１ 頂部
６２２ 水流
６２３ 頂点
６２４ 内周面
６２５ 交線
８００ 渦巻ポンプ
８０１ カップリング
８０２ モータ
Ｘ 回転軸心
Ｌ１ 第１基線
Ｌ２ 第２基線
ｈ 所定距離
α 基準面
Ｌｘａ 水流の半径方向流速が最大となる半径方向流速最大位置における距離
Ｌｘ（Ｌｘａ、Ｌｘｂ） 頂点６２３から第１基線Ｌ１に沿った第１基線Ｌ１と第２基線Ｌ２の交点までの距離
Ａ 半径方向流速最大位置
Ｂ 半径方向流速最小位置
Ｌａ 半径方向流速最大位置Ａから周方向に沿った所定距離間
Ｖ 半径方向流速
Ｄ１〜Ｄ４ 測定位置

Claims (7)

1. ケーシングと回転軸心廻りに回転する羽根車を備え、ケーシングは羽根車の回転軸心方向で羽根車の側方に位置する渦巻形の吸込流路と、羽根車の回転軸心廻りに形成する吐出流路を有し、羽根車は羽根車内流路と羽根車内流路内に配置した羽根を有し、羽根車内流路が羽根車の回転軸心方向に向けて開口する吸込口部でケーシングの吸込流路に連通し、かつ羽根車の径方向に向けて開口する吐出口部でケーシングの吐出流路に連通するものであって、
   ケーシングは、吸込流路の内壁面において羽根車内流路の吸込口部の開口縁周囲に連なる部位に、羽根車の回転軸心方向に隆起してその頂点を水流が羽根車の半径方向の速度成分をなす半径方向流速を伴って通過する凸状部を有し、
   凸状部は、その頂点を通り羽根車の回転軸心と直交する直線を第１基線とし、第１基線から羽根車の回転軸心方向に沿って羽根車側へ所定距離ｈを隔てた位置において羽根車の回転軸心と直交する平面を基準面とし、基準面と凸状部の内周面との交線を通り羽根車の回転軸心と平行な線を第２基線とする場合に、前記頂点から第１基線と第２基線の交点までの距離Ｌｘであって羽根車の回転軸心周りで水流の半径方向流速が最大となる半径方向流速最大位置における前記距離Ｌｘａが、半径方向流速が最小となる半径方向流速最小位置における前記距離Ｌｘｂより大きいことを特徴とする渦巻ポンプ。
2. 凸状部は、第１基線から羽根車の回転軸心方向に沿った吸込口部の開口縁までの距離Ｈが羽根車の回転軸心周りにおいて一定であることを特徴とする請求項１に記載の渦巻ポンプ。
3. 凸状部は、半径方向流速最大位置を含む周方向に沿った所定距離範囲における前記距離Ｌｘａが半径方向流速最小位置における前記距離Ｌｘｂより大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の渦巻ポンプ。
4. 凸状部は、その内周面が羽根車の回転軸心側に向けて滑らかに変化する凸状の曲面をなすことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の渦巻ポンプ。
5. 凸状部は、その内周面が周方向に沿って滑らかに変化する曲面をなすことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の渦巻ポンプ。
6. 凸状部は、その内面が羽根車の回転軸心側に向けて円弧状に滑らかに変化する凸状の曲面をなし、半径方向流速最大位置から周方向に１２０°の位置まで前記距離Ｌｘが半径方向流速最小位置における前記距離Ｌｘｂより大きいことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の渦巻ポンプ。
7. 凸状部は、ケーシングと別体に形成した交換可能なものであることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の渦巻ポンプ。

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