JP2014181016A - ポンプ、及びウォータージェット推進装置 - Google Patents

Abstract

【課題】斜流ポンプ、軸流ポンプなどのポンプにおいて、インペラを高回転で運転することによって発生するキャビテーションを抑制することにより、ポンプの吸込性能を向上する。
【解決手段】軸線Ｏ回りに回転することで液体を上流側から下流側に向かって軸線方向に送り出す複数のインペラ翼１４を有するインペラ８を備え、インペラ翼１４は、インペラ翼１４のコード長Ｌが、径方向内側の端部から径方向外側の端部に向かうに従って漸次大きくなり、かつ、インペラ翼１４の後縁１４ｄは、径方向内側の端部から径方向外側の端部との間で上流側に傾斜した部分を有さないポンプを提供する。また、このポンプを備えたウォータージェット推進装置を提供する。
【選択図】図３

Description

本発明は、斜流ポンプ、軸流ポンプなどのポンプ、及びこのポンプを備えたウォータージェット推進装置に関する。

従来、軸線方向から取り込んだ液体を、インペラ（羽根車）の回転によってその回転軸線方向へ圧送する斜流ポンプ、軸流ポンプなどの高比速度ポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなポンプは、例えば船体の推進装置であるウォータージェット推進装置として用いられている。

ウォータージェット推進装置としては、ケーシングと、このケーシング内に収容されたインペラと、このインペラを回転駆動するエンジンと、を備え、インペラを回転駆動することで、ジェット水流を発生させて船体などを推進させる構成が一般的である。ウォータージェット推進装置は、例えば、小型船舶にも使用されることから、より小型化されたものが要求されている。

特開２００１−１５８３９６号公報

ところで、ポンプを小型化する際、小型化前と同様の出力を得ようとするとインペラを高回転で運転する必要がある。図７に、複数のインペラ翼１１４を有する従来のインペラ１０８を示す。しかしながら、インペラを高回転で運転すると、その入口部でキャビテーションが発生し、吸込性能が低下する。特に、ウォータージェット推進装置に用いられるポンプの場合、チップ側、即ち径方向外側の周速が速くなるため、負荷が高くキャビテーションが発生しやすい。図７の符号Ｃ０で示す範囲が従来のインペラにおけるキャビテーション発生領域である。

ポンプの吸込性能は、入口部の目玉径（面積）を大きくすることで向上させることができるが、これによりポンプの小型化が困難になる。一方、吸込性能は、インペラの入口部で発生したキャビテーションがどの場所で発生し、どのように成長していくかによって異なるが、従来、このことについて考慮されていなかった。

この発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、インペラを高回転で運転することによって発生するキャビテーションを抑制することにより、吸込性能を向上することのできるポンプを提供することにある。

上記の目的を達成するために、この発明は以下の手段を提供している。
本発明のポンプは、軸線回りに回転することで液体を上流側から下流側に向かって軸線方向に送り出す複数のインペラ翼を有するインペラを備え、前記インペラ翼は、前記インペラ翼のコード長が、径方向内側の端部から径方向外側の端部に向かうに従って漸次大きくなり、かつ、前記インペラ翼の後縁は、径方向内側の端部から径方向外側の端部との間で上流側に傾斜した部分を有さないことを特徴とする。

上記構成によれば、インペラ翼の径方向外側の単位長さあたりの翼負荷が軽減されるため、キャビテーションの発生を抑制することができる。これにより、揚程低下が抑制され、ポンプの吸込性能の向上が可能となる。

上記ポンプにおいて、前記インペラ翼の後縁は、径方向外側に向けて下流側に傾斜していることが好ましい。

上記構成によれば、ポンプ上流側の空間を犠牲にすることなく、径方向外側のコード長を長くすることができる。

上記ポンプにおいて、前記インペラ翼の前縁は、径方向外側に向けて上流側に傾斜している構成としてもよい。

上記構成によれば、インペラ翼の重量配分を最適化することができる。

また、本発明は上記いずれかのポンプを備えたウォータージェット推進装置を提供する。

本発明によれば、インペラ翼の径方向外側の単位長さあたりの翼負荷が軽減されるため、キャビテーションの発生を抑制することができる。これにより、揚程低下が抑制され、ポンプの吸込性能の向上が可能となる。

本発明の実施形態のウォータージェット推進装置の断面図である。 本発明の実施形態のインペラの概略図である。 本発明の実施形態のインペラのインペラ翼の子午面形状を示す図である。 本発明の実施形態の変形例のインペラの概略図である。 本発明の実施形態の別の変形例のインペラの概略図である。 本発明の実施形態のインペラのキャビテーション発生領域を説明する斜視図である。 従来のインペラのキャビテーション発生領域を説明する斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
本実施形態のポンプは、例えば小型滑走艇の推進装置であるウォータージェット推進装置に用いられるものである。
図１に示すように、本実施形態のウォータージェット推進装置３は、船体２の船尾に取り付けられており、図示しない船底の水取り入れ口に接続された管路４と、管路４の後端に接続されたポンプ１と、を有している。

ポンプ１は、略円筒形状のケーシング６と、ケーシング６と同軸上に配置された主軸７（ドライブシャフト）と、主軸７の上流側に固定されたインペラ８と、インペラ８の下流側に隣接されて主軸７が貫通する案内羽根基部９と、案内羽根基部９の外周面とケーシング６の内周面との間に設けられた案内羽根１０と、主軸７の後端を塞ぐキャップ１１と、を有している。

ケーシング６は一体に形成する必要はなく、例えば、軸方向に複数に分割されてもよい。
主軸７は、図示しないエンジン（内燃機関）、駆動モータなどの動力源の出力軸と接続されている。
なお、以下の説明においては、ケーシング６、インペラ８、主軸７の軸方向、径方向、周方向を単に軸方向、径方向、周方向と呼ぶ。

案内羽根基部９は、主軸７が貫通するとともに、インペラ８と主軸７の回転を許容している。
案内羽根１０は、ケーシング６又は案内羽根基部９と一体に形成されており、ケーシング６の内周面と案内羽根基部９の外周面とに跨って形成されている。

図２に示すように、インペラ８は、軸体１３と、この軸体１３の回りに軸体１３と一体に形成された複数（本実施形態においては六枚）のインペラ翼１４とを有している。インペラ翼１４は、軸体１３の回りに螺旋状に形成されているが、図２にはインペラ翼１４の子午面形状のみ示す。
軸体１３は、略円環形状となっており、上流側から下流側に向かって徐々に拡径するような形状をなしている。
インペラ翼１４はいずれも捻り形状を有しており、上流側から下流側に向かって、径方向内側の端部１４ａが一方向に傾斜して軸体１３の外周面に接続されている。

複数のインペラ翼１４は、動力源から与えられる駆動力によって主軸７及び軸体１３と一体的に回転することによって、ケーシング６の上流側より吸い込まれる液体に遠心力と揚力を与え、圧力を上昇させる機能を有している。

図３に示すように、インペラ翼１４は、コード長Ｌが径方向内側の端部１４ａから径方向外側の端部１４ｂに向かうに従って、漸次大きくなる形状となっている。ここで、コード長Ｌとは、インペラ翼１４の前縁１４ｃと後縁１４ｄとの間の距離であって、螺旋状に延在するインペラ翼１４の延在方向に沿う長さである。例えば、ハブ側（軸体１３側）のコード長Ｌｈは、インペラ翼１４と軸体１３との接続部の長さであり、チップ側（径方向外側）のコード長Ｌｃは、インペラ翼１４の径方向外側の端部１４ｂの長さである。

インペラ翼１４のコード長Ｌは、径方向外側に向かって、短くなることなく増大し続けており、ハブ側のコード長Ｌｈよりもチップ側のコード長Ｌｃが十分長くなるように形成されている。具体的には、チップ側のコード長Ｌｃがハブ側のコード長Ｌｈの１．５倍から３倍となるように形成することが好ましい。
チップ側のコード長Ｌｃの上限は、例えば、水との濡れ面積の増加による効率の低下などを考慮して設定することができる。

また、本実施形態のインペラ翼１４の子午面形状は、インペラ翼１４の前縁１４ｃが径方向外側に向けて上流側（図３における右側）に傾斜するとともに、後縁１４ｄが径方向外側に向けて下流側に傾斜するように形成されている。即ち、本実施形態のインペラ翼１４は、インペラ翼１４の前縁１４ｃの径方向外側が上流側に前進している前進スキューとなっているとともに、後縁１４ｄの径方向外側が下流側に後退している後退スキューとなっている。
ここで、子午面形状とは、インペラ８の軸線Ｏ（回転中心）を通る任意の断面（即ち、子午面）を重ね合わせて形成される形状である。

なお、前縁１４ｃと後縁１４ｄの両方をスキュー形状とする必要はなく、前縁１４ｃと後縁１４ｄのいずれかがスキュー形状となっていればよい。
例えば、図４に変形例として示すように、前縁１４ｃに関してはスキュー無し（前縁１４ｃが軸線Ｏに直交する平面上に配置される）とし、後縁１４ｄのみを後退スキュー形状としてもよい。また、図５に別の変形例として示すように、後縁１４ｄに関してはスキュー無し（後縁１４ｄが軸線Ｏに直交する平面上に配置される）とし、前縁１４ｃのみを前進スキュー形状としてもよい。

即ち、インペラ翼１４のコード長Ｌが径方向内側の端部１４ａから径方向外側の端部１４ｂに向かうに従って漸次大きくなる形状となっていれば、前縁１４ｃ、後縁１４ｄのスキュー形状は問わない。スキュー形状をどのようにするかは、ポンプ１が適用される装置の構成に応じて検討することが好ましい。

例えば、前縁１４ｃの前進スキューを大きくし過ぎると、先端部の強度が低下するため、図４に示すように、後縁１４ｄの後退スキューによってコード長Ｌを大きくする構成が好ましい。特に、ウォータージェット推進装置に用いられるインペラ８の場合、海水のゴミなどの浮遊物を吸い込むことがあり、この浮遊物によって先端部が損傷することがあるため、後縁１４ｄの後退スキューを採用することが好ましい。

また、装置構成により、ポンプ１の上流側のスペースが限定される場合、例えば、管路４との干渉を考慮する場合においても、後縁１４ｄのみを後退スキューのみとすることによって、ポンプ１前方の空間を犠牲にすることなく、チップ側のコード長Ｌｃを長くすることができる。
また、前縁１４ｃの前進スキューと後縁１４ｄの後退スキューとを採用することによって、インペラ翼１４の重量配分を最適化することができる。

また、前縁１４ｃ、後縁１４ｄは、曲線形状でもよいし、直線形状としてもよい。
さらに、インペラ翼１４の径方向外側の端部１４ｂは、軸線Ｏに沿う形状とする必要はない。例えば、軸方向下流側に向かうに従って、ケーシング６から離間する形状としてもよい。

このような構成において、ウォータージェット推進装置３は、エンジンの駆動によって、主軸７とインペラ８とが回転駆動されると、水取り入れ口から取り入れられた海水などの液体が、インペラ８の回転により圧力上昇した後に、案内羽根１０によって整流されつつ下流側へと吐き出される。これにより、船体２に推力が与えられる。なお、エンジンの駆動回転数、即ちウォータージェット推進装置３による推進力は、船体２に設けられたスロットルレバーなどの操作部により操作される。

この際、特に、インペラ８を高回転で運転すると、インペラ８の入口部でキャビテーションが発生する。このキャビテーション発生領域は、図６の符号Ｃに示すような範囲となる。即ち、図７に示す従来型のインペラ１０８におけるキャビテーション発生領域Ｃ０と比較して、チップ側のキャビテーションが抑制されている。

上記実施形態によれば、インペラ翼１４のコード長Ｌが径方向内側の端部１４ａから径方向外側の端部１４ｂに向かうに従って漸次大きくなる形状となっている、即ち、チップ側のコード長を長くとることによって、チップ側の単位長さあたりの翼負荷が軽減されるため、キャビテーションの発生を抑制することができる。

即ち、ポンプ１は、チップ側の方が周速が高く負荷が高いため、チップ側でキャビテーションが発生すると揚程低下が生じやすい。本実施形態のようなインペラ翼１４形状としチップ側でのキャビテーションを抑制することにより、吸込性能の向上が可能となる。

以上の効果により、ウォータージェット推進装置３の推力を増大させることが可能になり、船速の向上がもたらされるほか、エンジンの燃料消費率の改善にも寄与しうるようになる。特に、ウォータージェット推進装置３に用いられるポンプの場合、チップ側の周速が速く、キャビテーションが発生しやすいため、本実施形態のポンプは有効である。

なお、本発明の技術範囲は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。また、上記複数の実施形態で説明した特徴を任意に組み合わせた構成であってもよい。
例えば、インペラ翼１４の枚数は六枚に限ることはなく、適宜変更することができる。

１ ポンプ
２ 船体
３ ウォータージェット推進装置
４ 管路
６ ケーシング
７ 主軸
８ インペラ
９ 案内羽根基部
１０ 案内羽根
１１ キャップ
１３ 軸体
１４ インペラ翼
１４ａ 径方向内側の端部
１４ｂ 径方向外側の端部
１４ｃ 前縁
１４ｄ 後縁

Claims (4)

1. 軸線回りに回転することで液体を上流側から下流側に向かって軸線方向に送り出す複数のインペラ翼を有するインペラを備え、
   前記インペラ翼は、前記インペラ翼のコード長が、径方向内側の端部から径方向外側の端部に向かうに従って漸次大きくなり、かつ、
   前記インペラ翼の後縁は、径方向内側の端部から径方向外側の端部との間で上流側に傾斜した部分を有さないことを特徴とするポンプ。
2. 前記インペラ翼の後縁は、径方向外側に向けて下流側に傾斜していることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記インペラ翼の前縁は、径方向外側に向けて上流側に傾斜していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のポンプ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のポンプを備えたウォータージェット推進装置。

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