JP2015178776A - 遠心羽根車、及びそれを備えた遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】キャビテーションの発生を防止でき、吸込性能の優れた遠心羽根車、及びそれを備えた遠心ポンプを提供する。【解決手段】遠心羽根車（40）の複数の翼（41）は、流入口（55）の近傍に配置され、該流入口（55）から流入した流体を軸方向へ搬送する複数の中央翼部（42a）と、中央翼部（42a）の背面側に位置し、主板（51）の径方向中間部位から該主板（51）の外縁部（51b）に亘って湾曲して延びる複数の短翼（43）とを含んでいる。【選択図】図５

Description

本発明は、遠心羽根車と、それを備えた遠心ポンプに係り、特にキャビテーション対策に関するものである。

従来より、遠心羽根車を備えた遠心ポンプが知られている。

特許文献１には、この種の遠心ポンプが開示されている。遠心ポンプは、ケーシングと、該ケーシングの内部に収容される遠心羽根車と、遠心羽根車に連結する主軸とを備えている。主軸によって遠心羽根車が回転駆動されると、ケーシングの吸込口から流体が吸い込まれ、遠心羽根車の流入口に流入する。この流体は、遠心力により複数の翼に沿うように径方向外方へ流れ、遠心羽根車の外周側に形成された吐出口より吐出される。

特開２００７−２３９６７４号公報

上述した遠心ポンプでは、その用途によっては優れた吸込性能が要求される。一方、遠心ポンプの吸込側の圧力が低い場合、遠心羽根車の吸入側の圧力が飽和蒸気圧を下回り、キャビテーションが発生する。これにより、遠心羽根車の液流路が狭くなり揚水不能となる虞がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、キャビテーションの発生を防止でき、吸込性能の優れた遠心羽根車、及びそれを備えた遠心ポンプを提供することである。

第１の発明は、中心部に主軸（22）が連結する円板状の主板（51）と、該主板（51）の側面に周方向に配列される複数の翼（41）とを有し、中央部の流入口（55）から吸い込んだ流体を各翼（41）の間の液流路（44）を介して流出口（54）より径方向外方へ流出させる遠心羽根車（40）を対象とし、上記複数の翼（41）は、上記流入口（55）の近傍に配置され、該流入口（55）から流入した流体を軸方向へ搬送する複数の中央翼部（42a）と、上記中央翼部（42a）の背面側に位置し、上記主板（51）の径方向中間部位から該主板（51）の外縁部（51b）に亘って湾曲して延びる複数の短翼（43）とを含んでいることを特徴とする。

第１の発明では、遠心羽根車（40）が回転することで、流入口（55）から流体が吸い込まれる。この流体は、各翼（41）の液流路（44）を介して流出口（54）より径方向外方へ流出する。本発明では、遠心羽根車（40）の流入口（55）の近傍に中央翼部（42a）が設けられる。中央翼部（42a）は、流入口（55）から流入した流体を軸方向吐出側へ搬送する。これにより、遠心羽根車（40）の液流路（44）の圧力が上昇する。

また、本発明では、複数の短翼（43）が、主板（51）の径方向中間部から主板（51）の外縁部（51b）まで延びている。仮に短翼（43）が流入口（55）の近傍まで延びている場合、液流路（44）の流入部分の間隔が狭くなり、キャビテーション気泡が発生すると狭い流路を容易に防ぐことになる。この結果、遠心羽根車（40）の吸込性能の低下を招いてしまう。これに対し、短翼（43）を主板（51）の径方向中間部から延ばすことで、液流路（44）において出口に向かって十分に昇圧効果を維持することができる。

第２の発明は、請求項１において、上記主軸（22）の軸心に対する上記中央翼部（42a）の吐出側方向の傾斜角αが、上記主軸（22）の軸心に対する上記短翼（43）の吐出側方向の傾斜角βよりも大きいことを特徴とする。

第２の発明では、中央翼部（42a）の軸心に対する傾斜角αが、短翼（43）の軸心に対する傾斜角βよりも大きいため、中央翼部（42a）と主板（51）との間の流入ポートの面積を確保することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、上記複数の翼（41）は、上記中央翼部（42a）を有し、該中央翼部（42a）から上記主板（51）の外縁部（51b）に亘って湾曲して延びる複数の長翼（42）を含んでいることを特徴とする。

第３の発明では、遠心羽根車（40）の主軸（22）から主板（51）の外縁部（51b）に亘って長翼（42）が形成され、この長翼（42）の内側端部に上記中央翼部（42a）が形成される。これにより、長翼（42）は、流体を軸方向吐出側へ搬送する機能と、流体を遠心力により径方向外方へ搬送する機能とを兼用する。

第４の発明は、遠心ポンプを対象とし、主軸（22）と、第１乃至第３のいずれか１つの発明の遠心羽根車（40）とを備えていることを特徴とする。

第４の発明では、第１乃至第３のいずれか１つの発明の遠心羽根車（40）を有し、吸込性能の優れた遠心ポンプを提供できる。

第５の発明は、第４の発明において、上記遠心羽根車（40）よりも吸込側に配置され、上記主軸（22）に連結されるインデューサ（60）を備えていることを特徴とする。

第５の発明は、インデューサ（60）により昇圧された流体が遠心羽根車（40）へ送られる。この結果、遠心羽根車（40）でのキャビテーションの発生を確実に防止できる。

本発明によれば、遠心羽根車（40）の流入口（55）の近傍に中央翼部（42a）を配置し、軸方向へ流体を搬送するようにしたので、キャビテーションの発生や、気泡による液流路（44）の閉塞を防止できる。この結果、比較的低回転数であっても優れた吸込性能を得ることができる。

また、本発明によれば、遠心羽根車（40）自体に、インデューサの機能を付与しているため、例えばインデューサを別途設ける場合と比較して、装置の小型化を図ることができる。また、既存のケーシングに収容された他の遠心羽根車に代えて、本願発明の遠心羽根車（40）を適用することができる。つまり、汎用性の高い遠心羽根車（40）を得ることができる。

第２の発明によれば、中央翼部（42a）と主板（51）との間の流入ポートの面積を確保できるので、キャビテーション気泡による液流路（44）の閉塞を確実に防止できる。

第３の発明によれば、長翼（42）の一部に中央翼部（42a）を構成することで、長翼（42）が遠心羽根を兼用することになる。この結果、部品点数の削減を図ることができる。

第４の発明によれば、比較的低回転数であっても優れた吸込性能を得ることができる遠心ポンプ（10）を提供できる。この結果、遠心ポンプ（10）のコンパクト化、信頼性の向上、騒音の低減を図ることができる。

第５の発明によれば、インデューサ（60）を付与することで、遠心羽根車（40）でのキャビテーションの発生を一層確実に防止できる。また、キャビテーションによりインデューサ（60）が昇圧効果を失っても、遠心羽根車（40）での対キャビテーション能力が向上しているため、高い吸込性能を発揮できる。

図１は、実施形態１に係る遠心ポンプの縦断面図である。 図２は、実施形態に係る遠心羽根車の外観を示す斜視図である。 図３は、実施形態に係る遠心羽根車の正面図である。 図４は、実施形態に係る遠心羽根車の側面図である。 図５は、実施形態に係る遠心羽根車の内部構造を示す斜視図である。 図６は、実施形態に係る遠心羽根車の内部構造を示す正面図である。 図７は、実施形態に係る遠心羽根車の液流路の近傍を拡大した縦断面図であり、中間翼部と短翼の傾斜角をそれぞれ表したものである。 図８は、実施形態２に係る遠心ポンプの縦断面図である。 図９は、実施形態２に係るインデューサの斜視図であり、(Ａ)は側方から視た図であり、（Ｂ）は斜め後方から視た図である。 図１０は、実施形態１、実施形態２、及び従来例の遠心ポンプのＱＨ特性を比較したグラフである。 図１１は、実施形態１、実施形態２、及び従来例の遠心ポンプのＮＰＳＨと全揚程の関係を比較したグラフである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

《発明の実施形態１》
本発明の実施形態１について説明する。本発明の実施形態１は、流体を搬送する遠心ポンプ（10）（渦巻きポンプ）で構成されている。遠心ポンプ（10）は、比較的低回転速（例えば３６００ｒｐｍ程度）のポンプである。

〈遠心ポンプの全体構成〉
遠心ポンプ（10）は、図１の前側から後側に向かって順に、ポンプケーシング（11）と、ケーシングカバー（12）と、軸受ケーシング（13）と、軸受カバー（14）とを備えている。

軸受ケーシング（13）と軸受カバー（14）との間には、軸受収容室（31）が形成されている。軸受収容室（31）の前側と後側とには、それぞれボールベアリング（21,21）が固定されている。２つのボールベアリング（21,21）の間には、主軸（22）が回転可能に支持されている。主軸（22）は、軸受カバー（14）及びケーシングカバー（12）を貫通するように前後方向（水平方向）に延びている。主軸（22）の後端は、電動機（図示省略）が連結可能に構成されている。主軸（22）の前側寄りの部位と、ケーシングカバー（12）との間には、メカニカルシール（23）が設けられている。

ポンプケーシング（11）と、ケーシングカバー（12）との間には、吸入室（32）と、ポンプ収容室（33）と、吐出室（34）とが形成されている。ケーシングカバー（12）の前端には、吸込口（35）が形成されている。吸込口（35）は、吸入室（32）と連通している。ポンプ収容室（33）には、遠心羽根車（40）が収容されている。遠心羽根車（40）の中心部（ボス部（56））には、主軸（22）の前端がキー（図示省略）を介して連結されている。吐出室（34）は、遠心羽根車（40）の径方向外方に形成されている。吐出室（34）は、吐出口（図示省略）を介して吐出側の流路に連通している。

〈遠心羽根車の構成〉
図２〜図４に示すように、遠心羽根車（40）は、略円盤状の羽根車ケース（50）を備えている。羽根車ケース（50）は、後側（吐出寄り側）に形成される円板状の主板（51）と前側（吸込寄り側）に形成される側板（52）とを有している。主板（51）と側板（52）とは、複数の連結板（53）によって互いに離間しながら固定される。連結板（53）は、周方向に等間隔に配列される。主板（51）と側板（52）と隣り合う連結板（53）との間には、流体が流出する流出口（54）がそれぞれ形成される。流入口（55）は、周方向に縦長の開口で構成され、遠心羽根車（40）の外周縁部に等間隔を置いて周方向に配列される。

主板（51）の後面の中央部には、後方に突出する円筒状のハブ（51a）が形成されている。側板（52）の中央部には、前方に膨出する略円筒状の吸込部（52a）が形成されている。吸込部（52a）の内部には、流体が流入する流入口（55）が形成される。

羽根車ケース（50）の内部には、複数（本実施形態では６枚）の翼（41）が収容されている。図５及び図６に示すように、複数の翼（41）は、３枚の長翼（42）と、３枚の短翼（43）とで構成されている。各翼（41）は、主板（51）の前面に固定されている。本実施形態では、長翼（42）と短翼（43）とが周方向に交互に配列されている。各翼（41）は、図５において時計回り方向に湾曲して延びている。長翼（42）の全長は、短翼（43）の全長よりも長くなっている。

長翼（42）は、ボス部（56）から主板（51）の外縁部（51b）に亘って延びている。長翼（42）では、流入口（55）の近傍に対応する部分（図２を参照）に中央翼部（42a）が形成され、残りの部分が外側翼部（42b）を構成している。長翼（42）では、中央翼部（42a）は、主軸（22）の軸心に対する吐出側方向の傾斜角α（図７を参照）が、外側翼部（42b）の傾斜角よりも大きくなっている。つまり、長翼（42）の中央翼部（42a）は、主軸（22）に対してやや垂直よりの姿勢となっている。これにより、長翼（42）は、回転することで流体を軸方向後方へ搬送する。また、長翼（42）の外側翼部（42b）は、遠心力を利用して流体を径方向外方へ搬送する。

短翼（43）は、中央翼部（42a）の背面側（後方側）であって、且つ隣り合う長翼（42）の周方向中間部に配置されている。短翼（43）は、主板（51）の径方向中間部から主板（51）の外縁部（51b）に亘って延びている。これにより、隣り合う長翼（42）と短翼（43）との間には、それぞれ液流路（44）が形成される。

また、図７に示すように、長翼（42）の中央翼部（42a）の主軸（22）の軸心に対する吐出側（後側）方向の傾斜角αは、短翼（43）の内側端部の主軸（22）の軸心に対する吐出側（後側）方向の傾斜角βより大きい。つまり、短翼（43）は、主板（51）に対して垂直よりの姿勢となっている。短翼（43）は、遠心力を利用して流体を径方向外方へ搬送する。

〈遠心ポンプの運転動作〉
遠心ポンプ（10）の運転動作について説明する。電動機によって主軸（22）が回転駆動されると、遠心羽根車（40）が回転する。これにより、図１に示す吸込口（35）から吸い込まれた流体は、吸入室（32）を介して遠心羽根車（40）の流入口（55）に流入する。

流入口（55）の近傍では、長翼（42）の中央翼部（42a）が回転している。これにより、流体は、軸方向へ搬送され、液流路（44）の圧力が上昇する。

また、短翼（43）は、長翼（42）よりも径方向外方に位置しているため、液流路（44）の流入部が広くなり、キャビテーション気泡により流入部が閉塞することを防止できる。この結果、遠心羽根車（40）の吸込性能を更に向上できる。

短翼（43）及び長翼（42）の外側翼部（42b）に沿って径方向外方へ流れた流体は、各流出口（54）を通じて吐出室（34）へ流出する。この流体は、吐出口（図示省略）を介して吐出側の流路へ搬送される。

−実施形態１の効果−
実施形態１によれば、遠心羽根車（40）の流入口（55）の近傍に中央翼部（42a）を配置し、軸方向へ流体を搬送するようにしたので、キャビテーションの発生や、気泡による液流路（44）の閉塞を防止できる。この結果、比較的低回転数であっても優れた吸込性能を得ることができる。

また、実施形態１では、遠心羽根車（40）自体にインデューサの機能を付与しているため、例えばインデューサを別途設ける場合と比較して、遠心ポンプ（10）の小型化を図ることができる。また、本実施形態に係る遠心羽根車（40）を既存の他のポンプケーシングに収容することもでき、既存の遠心ポンプにインデューサの機能を付与できる。つまり、本実施形態では、汎用性の高い遠心羽根車（40）を提供できる。

《発明の実施形態２》
本発明の実施形態２について説明する。本発明の実施形態２は、実施形態１に係る遠心ポンプ（10）にインデューサ（60）を付設したものである。

図８に示すように、実施形態２では、ポンプケーシング（11）の内部に円柱状の吸入室（32）が形成され、この吸入室（32）にインデューサ（60）が配置されている。実施形態２の主軸（22）は、遠心羽根車（40）を貫通して更に前方まで延びている。この主軸（22）の前端に、インデューサ（60）が連結している。

図９(Ａ)及び(Ｂ)に示すように、インデューサ（60）は、主軸（22）が連結する回転軸（61）と、該回転軸（61）の周囲に固定される２枚の螺旋翼（62）とで構成される。回転軸（61）は、その外径が後方に向かって徐々に拡大している。２枚の螺旋翼（62）は、回転軸（61）の軸心に対してやや後方寄りに傾いている。２枚の螺旋翼（62）は、略同形状であり、回転軸（61）の軸心を中心に線対称の関係で配置されている。

実施形態２では、吸込口（35）から流入した流体が、まず、インデューサ（60）により軸方向へ搬送され、遠心羽根車（40）へ送られる。このため、遠心羽根車（40）の吸込側の圧力が更に上昇するため、キャビテーションの発生を一層確実に抑制でき、吸込性能を更に向上できる。

また、キャビテーションによりインデューサ（60）が昇圧効果を失っても、遠心羽根車（40）により対キャビテーション能力が向上しているため、高い吸込性能を発揮できる。

〈遠心ポンプの性能の検証結果〉
実施形態１及び２に係る遠心ポンプ（10）の性能の検証結果について、図１０及び図１１を参照しながら説明する。

図１０は、実施形態１の遠心ポンプ（10）と、実施形態２の遠心ポンプ（10）と、従来の遠心ポンプについて、流量Ｑと全揚程Ｈとの関係（ＱＨ特性）を示すグラフである。図１０に示すように、従来例の遠心ポンプでは、流量Ｑが０．７ｍ^３／ｍｉｎを越えたあたりから、全揚程Ｈが著しく低下している。これに対し、実施形態１及び２では、流量Ｑが０．７ｍ^３／ｍｉｎを越えても、全揚程Ｈが顕著に低下していない。このことから、実施形態１及び２では、比較的大流量であってもキャビテーションの影響を受けず、ある程度の揚程を確保できることが確認できる。

図１１は、実施形態１の遠心ポンプ（10）と、実施形態２の遠心ポンプ（10）と、従来の遠心ポンプについて、ＮＰＳＨ（吸込水頭、net positive suction head）と、全揚程Ｈとの関係を示すグラフである。図１１に示すように、従来例の遠心ポンプは、ＮＰＳＨが約２．０以下で全揚程が低下し、キャビテーションが発生していることがわかる。これに対し、実施形態１は、ＮＰＳＨが約１．２以下で全揚程が低下し、実施形態２は、ＮＰＳＨが０．５以下で全揚程が低下している。このことから、実施形態１及び２では、吸込圧力が低い状態であっても、キャビテーションの影響を受けず、ある程度の揚程を確保できることが確認できる。

《その他の実施形態》
上述した実施形態の遠心羽根車（40）は、３枚の長翼（42）と３枚の短翼（43）とを有している。しかしながら、これらの枚数は単なる例示であり、各翼（41）の枚数を変更してもよい。具体的には、例えば３枚の長翼（42）の間に２枚以上の短翼（43）を配置してもよいし、長翼（42）の枚数を４枚以上としてもよい。

以上説明したように、本発明は、遠心羽根車と、それを備えた遠心ポンプに係り、特にキャビテーション対策について有用である。

10 遠心ポンプ
22 主軸
40 遠心羽根車
41 翼
42 長翼
42a 中央翼部
43 短翼
51 主板
51b 外縁部
54 流出口
55 流入口
60 インデューサ

Claims (5)

1. 中心部に主軸（22）が連結する円板状の主板（51）と、該主板（51）の側面に周方向に配列される複数の翼（41）とを有し、中央部の流入口（55）から吸い込んだ流体を各翼（41）の間の液流路（44）を介して流出口（54）より径方向外方へ流出させる遠心羽根車（40）であって、
   上記複数の翼（41）は、
   上記流入口（55）の近傍に配置され、該流入口（55）から流入した流体を軸方向へ搬送する複数の中央翼部（42a）と、
   上記中央翼部（42a）の背面側に位置し、上記主板（51）の径方向中間部位から該主板（51）の外縁部（51b）に亘って湾曲して延びる複数の短翼（43）と
   を含んでいる
   ことを特徴とする遠心羽根車。
2. 請求項１において、
   上記主軸（22）の軸心に対する上記中央翼部（42a）の吐出側方向の傾斜角αが、上記主軸（22）の軸心に対する上記短翼（43）の吐出側方向の傾斜角βよりも大きい
   ことを特徴とする遠心羽根車。
3. 請求項１又は２において、
   上記複数の翼（41）は、上記中央翼部（42a）を有し、該中央翼部（42a）から上記主板（51）の外縁部（51b）に亘って湾曲して延びる複数の長翼（42）を含んでいる
   ことを特徴とする遠心羽根車。
4. 主軸（22）と、
   請求項１乃至３のいずれか１つの遠心羽根車（40）とを備えている
   ことを特徴とする遠心ポンプ。
5. 請求項４において、
   上記遠心羽根車（40）よりも吸込側に配置され、上記主軸（22）に連結されるインデューサ（60）を備えている
   ことを特徴とする遠心ポンプ。

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