JP2016031064A - 多段ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化でき、しかもコスト増を招くことのない高性能な多段ポンプを提供する。【解決手段】水返し羽根１２ａは、戻り流路１２の出口部において、次段の遠心羽根車１のシュラウド１ａ側の子午面形状を当該シュラウド１ａ側に向けて凹形状となる曲線部１２ｇで形成して次段の遠心羽根車１の入口径Ｒａとなる位置まで突出する突出部１２ｅを備え、次段の遠心羽根車１は、当該次段の遠心羽根車のシュラウド入口形状が水返し羽根１２ａの曲線部１２ｇに沿って形成され、次段の遠心羽根車１のシュラウド入口形状が戻り流路１２の出口部の一部を構成している。【選択図】図２

Description

本発明は、比較的高揚程のポンプに用いられる多段ポンプに関する。

ターボ形ポンプにおいて特に高圧の全揚程が要求される場合、単一の回転軸に複数個の羽根車を設置した多段形の遠心ポンプ（多段ポンプ）が用いられる。この種の多段ポンプは、回転軸に装着される複数個の羽根車と、羽根車の下流に設けられるディフューザと、ディフューザの下流に設けられて次段の羽根車に導く戻り流路と、戻り流路に設けられる水返し羽根と、を備えている。

一般に、戻り流路は、流体の流れが半径方向内向きのため、流路面積は径が小さくなるに従って下流側ほど狭くなり、流れの平均速度は増速（又は、等速流）となり、この間の損失は比較的小さい。しかし、流路の曲がり部での曲率が大きくなると局所的に流れの急激な増減速が起こるため、流れの剥離（流れの乱れ）による損失が増大する。

一方、多段ポンプの小形・高速化のためには回転軸の軸方向の長さが短い方が有利であり、多段ポンプの一段あたりの軸方向長さを短くすることが好ましい。しかし、羽根車の流路幅は取扱う流量によって一定の幅を確保する必要があるため、ポンプ一段あたりの軸方向長さをできる限り短くするためには戻り流路の軸方向長さを短くせざるを得ない。

この場合、戻り流路の出口の曲率が非常に大きくなるため、この部分での流れが流路形状に沿って流れることができず、戻り流路の出口の曲がり部において流れの剥離が生じる。この流れの剥離の発生によって戻り流路の出口の流れは内径側（回転軸側）に偏り、羽根車の入口に流入する流体の流れの速度分布は偏りが大きくなる。このような現象は次段羽根車の設計上好ましくなく、流れの剥離により生じる損失は比較的大きいのでポンプ全体としての性能低下をまねくおそれがある。

そこで、速度分布の偏りを抑制する手段として、戻り流路と次段羽根車との間に整流板を設ける技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平３−１３８４９７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、整流板の設計や製作、加工ないし施工が必要となりコスト増を招くという問題がある。また、流体の流れの剥離により二次流れが発生し、二次流れが残った状態で流体が次段羽根車の吸込口（入口）に到達し、この吸込口での流体の流入角度と羽根車の吸込口での羽根角度に食い違いが発生することで局所的に相対速度が大きくなって流速の不均一が生じ、損失が増大することによって羽根車の性能の低下を招くという問題がある。

本発明は、前記した従来の問題を解決するものであり、小型化でき、しかもコスト増を招くことのない高性能な多段ポンプを提供することを目的とする。

本発明は、回転軸に設けられた複数段の遠心羽根車と、前記複数段の遠心羽根車を覆う内ケーシングと、流体が吸い込まれる吸込管および前記流体が吐出される吐出管を有する外ケーシングと、前記内ケーシング内に設けられ、前記各遠心羽根車の外周下流側に設けられるディフューザと、前記各ディフューザの下流側に設けられ、前記流体の流れを次段の遠心羽根車の入口に導く戻り流路と、前記各戻り流路に設けられる水返し羽根と、を備え、前記水返し羽根は、前記戻り流路の出口部において、前記次段の遠心羽根車のシュラウド側の子午面形状を当該シュラウド側に向けて凹形状となる曲線で形成して前記次段の遠心羽根車の入口径付近まで突出した突出部を備え、前記次段の遠心羽根車は、当該次段の遠心羽根車のシュラウド入口形状が前記水返し羽根の前記曲線に沿って形成され、前記次段の遠心羽根車のシュラウド入口形状が前記戻り流路の出口部の一部を構成していることを特徴とする。

本発明によれば、小型化でき、しかもコスト増を招くことのない高性能な多段ポンプを提供できる。

第１実施形態に係る多段ポンプを示す構造図である。 第１実施形態に係る多段ポンプの要部を示す構造図である。 第２実施形態に係る多段ポンプを示す構造図である。

以下、本実施形態に係る多段ポンプ１００Ａ，１００Ｂについて、図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１ないし図３は、多段ポンプ１００Ａ，１００Ｂをいわゆる子午面で切断したときの断面図、換言すると回転軸１０の中心を通るようして回転軸１０に沿って且つ各羽根（後記する羽根１ｃ、ディフューザ１１ａ、水返し羽根１２ａ）に沿うように切断したときの断面図である。また、多段ポンプ１００Ａ，１００Ｂは、給水用、送水用など各種のポンプに用いられるものである。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る多段ポンプを示す構造図である。
図１に示すように、多段ポンプ１００Ａは、回転軸１０に複数段（本実施形態では、４段）に設けられた遠心羽根車１、これら遠心羽根車１を覆う内ケーシング２、流体が吸い込まれる吸込口４ａを備えた吸込管４および流体が吐出される吐出口５ａを備えた吐出管５を有する略円筒状（筒状）の外ケーシング３などを備えている。

回転軸１０は、内ケーシング２を貫通して図示水平方向に延びて配置され、内ケーシング２の両端において、軸封装置６，６によって軸封されている。また、回転軸１０は、軸封装置６の軸方向の外側において、軸受７（一方のみ図示）によって回転自在に支持されている。一方の軸封装置６から軸方向に突出する回転軸１０は、原動機（不図示）と連結されている。

内ケーシング２は、各遠心羽根車１を個別に収容する断面視凹形状の収容部２ａを有している。この収容部２ａは、遠心羽根車１の軸方向の両側に側板２ｂ，２ｂを有している。また、収容部２ａ内には、環状の仕切板２ｃが軸方向の略中央に配置され、この仕切板２ｃを挟んで吸込口４ａ側にディフューザ流路１１、吐出口５ａ側に戻り流路１２が形成されている。

ディフューザ流路１１には、遠心羽根車１から流出する流体の動圧を静圧に圧力回復するディフューザ（ディフューザ羽根）１１ａが設けられている。戻り流路１２は、ディフューザ流路１１の下流側に流体を次段の遠心羽根車１の入口に導くものである。また、戻り流路１２には、ディフューザ１１ａから流出した流体を整流する水返し羽根１２ａが設けられている。また、ディフューザ流路１１と戻り流路１２とは、接続流路１３によって接続されている。

図２は、第１実施形態に係る多段ポンプの要部を示す構造図である。
図２に示すように、ディフューザ１１ａは、遠心羽根車１の外周側に位置し、軸方向の一方の縁部１１ｂが吸込口４ａ側の側板２ｂに固定され、他方の縁部１１ｃが仕切板２ｃの一面側に固定されている。

水返し羽根１２ａは、軸方向の一方の縁部１２ｂが仕切板２ｃの他面側に固定され、他方の縁部１２ｃが吐出口５ａ側の側板２ｂに固定されている。

回転軸１０が原動機（不図示）によって回転駆動されると、外ケーシング３（図１参照）に設けられた吸込口４ａ（図１参照）から吸い込まれた流体は、各遠心羽根車１によって段階的に加圧された後、外ケーシング３（図１参照）に設けられた吐出口５ａ（図１参照）から吐出される。

遠心羽根車１は、シュラウド１ａと、ハブ１ｂと、複数の羽根１ｃとを組み合わせて構成され、断面視において略Ｊ字状の流路１ｄを有している。流路１ｄは、流体の流れる向きを軸方向から径方向外側に曲げる内周路１ｅと、径方向外側に向けて延在する外周路１ｆと、を有している。なお、流路１ｄは、径方向に延びるとともに周方向に延びるように流路を構成している。また、内周路１ｅの流路幅Ｗ１（軸方向）は、外周路１ｆに向けて徐々に細くなっている。外周路１ｆの流路幅Ｗ２（軸方向）は、一定である。

また、遠心羽根車１は、ハブ１ｂが回転軸１０に固定され、シュラウド１ａが羽根１ｃを介してハブに固定されている。また、遠心羽根車１は、回転軸１０が回転することで、シュラウド１ａの一部が側板２ｂと摺動し、ハブ１ｂの一部が仕切板２ｃと摺動する。

また、遠心羽根車１は、戻り流路１２と連通する目玉形状の入口部１ｇを有している。この入口部１ｇにおいて、回転軸１０との距離Ｌが最小となる位置Ｐにおける回転軸１０の中心Ｏとの距離（半径）は、入口径Ｒａ（いわゆる目玉径）である。

水返し羽根１２ａは、径方向外側から回転軸１０側に延在する本体部１２ｄと、遠心羽根車１の入口部１ｇ（位置Ｐ）に向けて突出する突出部１２ｅと、を有している。この突出部１２ｅは、戻り流路１２の出口部Ｒにおいて、戻り流路１２の一部を構成する側板２ｂの壁面２ｂ１よりも遠心羽根車１側に突出している。なお、戻り流路１２の出口部Ｒは、側板２ｂとシュラウド１ａとの境界（後記する摺動面ｓ２）から入口部１ｇまでの間を意味している。

また、本体部１２ｄの内周側（回転軸１０側）の出口端１２ｆは、遠心羽根車１の入口部１ｇの入口径Ｒａよりも内径側（回転軸１０側）に位置している。なお、本実施形態では、出口端１２ｆの縁部が、回転軸１０に沿う方向に構成されているが、これに限定されるものではなく、回転軸１０に交差する向きであってもよい（図２の二点鎖線参照）。

また、突出部１２ｅは、遠心羽根車１のシュラウド１ａ側を向いている子午面形状が、シュラウド１ａ側に向けて凹形状となる円弧状の曲線部１２ｇ（曲線）を有している。

一方、遠心羽根車１のシュラウド１ａは、入口部１ｇ（位置Ｐ）から本体部１２ｄ（側板２ｂの壁面２ｂ１）に向けて延びる延出部１ｈを有している。この延出部１ｈは、子午面形状が、水返し羽根１２ａの曲線部１２ｇに沿って形成された曲線部１ｉを有している。この曲線部１ｉは、図２に示す点Ｓを中心とする円弧形状である。ここで、前記曲線部１ｉの形状は、１円弧に限るものではなく、２円弧あるいは自由曲線でもよい。なお、延出部１ｈは、次段の遠心羽根車１のシュラウド入口形状に対応する。また、この延出部１ｈは、戻り流路１２の出口部の一部を構成している。

また、突出部１２ｅと延出部１ｈとの間には、クリアランスＣＬが形成されている。クリアランスＣＬは、例えば、遠心羽根車１が回転したときに接触しない最小限の隙間に設定される。なお、クリアランスＣＬは、遠心羽根車１の回転時だけではなく、経年変化による水返し羽根１２ａの変形などを加味して設定してもよい。

なお、本実施形態では、突出部１２ｅにおける曲線部１２ｇが円弧形状の場合を例に挙げて説明したが、子午面形状がシュラウド１ａ側に向けて凹形状の曲線となるものであれば、円弧形状に限定されるものではなく、楕円弧など他の曲線であってもよい。

また、延出部１ｈの軸方向の先端部は、戻り流路１２を構成する側板２ｂの壁面２ｂ１まで延びている。よって、側板２ｂの壁面２ｂ１とシュラウド１ａの曲線部１ｉ（曲面）とは、面一の状態（段差のない状態）となっている。

以上説明したように、第１実施形態に係る多段ポンプ１００Ａでは、水返し羽根１２ａが、戻り流路１２の出口部において、次段の遠心羽根車１のシュラウド１ａ側の子午面形状が、当該シュラウド１ａ側に向けて凹形状となる曲線部１２ｇとなり、次段の遠心羽根車１の入口径Ｒａとなる位置Ｐまで突出する突出部１２ｅを備え、次段の遠心羽根車１のシュラウド入口形状である延出部１ｈが水返し羽根１２ａの曲線部１２ｇに沿って形成され、次段の遠心羽根車１の延出部１ｈが戻り流路１２の出口部の一部を構成している。これによれば、軸方向の長さを短くしたとしても、戻り流路１２の出口部から遠心羽根車１の入口部１ｇにおける曲がり部の曲率を小さくすることができるため、戻り流路１２の流体の流れを、水返し羽根１２ａの本体部１２ｄによって周方向から径方向に転向させることに加えて、水返し羽根１２ａの延出部１ｈによって径方向から軸方向に効率的に転向させることが可能となる。その結果、従来のように戻り流路１２の出口部での流路の曲率半径が小さくなることで生じる流体の流れの剥離を抑制することができるので、この部分で生じる流体損失も抑制することが可能になる。また、流れの剥離を抑制できることによって、次段の遠心羽根車１に流入する流体の流速分布の偏りを抑制でき、遠心羽根車１の性能低下を抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、軸方向長さを短くできることにより、多段ポンプ１００Ａを小型化することができ、整流板の設計や製作、加工ないし施工が不要となるので、コスト増を招くことがない。しかも、小型化できることによって、材料費、加工費を低減できることで、コストの低減が可能となる。このように、第１実施形態では、小型化でき、しかもコスト増を招くことのない高性能な多段ポンプ１００Ａを得ることが可能になる。

また、多段ポンプ１００Ａでは、遠心羽根車１の入口側の圧力Ｐ１（図２参照）が、遠心羽根車１の出口側の圧力Ｐ２（図２参照）よりも低くなるので、遠心羽根車１から吐出された流体（水）の一部が、遠心羽根車１と側板２ｂとの隙間ｓ１および側板２ｂと遠心羽根車１のシュラウド１ａとの摺動面ｓ２を通って戻り流路１２に戻る漏れ流れが発生する。

そこで、本実施形態では、シュラウド１ａに突出部１２ｅに沿う延出部１ｈを形成することにより、摺動面ｓ２が、従来のものよりも長く形成されるので、摺動面ｓ２での抵抗が大きくなり、戻り流路１２に戻る漏れ流量を低減することが可能になる。これにより、ポンプの体積効率の低下を抑制することができる。

（第２実施形態）
ところで、非設計点（低流量域）での運転においては、次段の遠心羽根車１の入口部１ｇの半径方向に分布する圧力の勾配によって次段の遠心羽根車１の入口部１ｇから戻り流路１２にかけて旋回を伴った再循環流が発生する。このため、特許文献１に記載した整流板を備えたものでは、旋回を伴う再循環流が整流板と干渉することによって生じる振動などが原因となって、戻り流路１２と次段の遠心羽根車１との間に設けた整流板が損傷するおそれがある。この点において、戻り流路１２と次段の遠心羽根車１との間に整流板を設置することについては構造上の信頼性において課題が残る。

そこで、本実施形態では、図３に示す多段ポンプ１００Ｂを採用することで、前記課題を解決したものである。図３は、第２実施形態に係る多段ポンプを示す構造図である。なお、第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図３に示すように、水返し羽根２２ａは、径方向外側から回転軸１０側に延在する本体部２２ｄ（本体部１２ｄと同様）と、遠心羽根車１の入口部１ｇに向けて突出する突出部２２ｅと、を有している。

本体部２２ｄの内径側（回転軸１０側）の出口端２２ｆの径Ｒｂは、遠心羽根車１の入口部１ｇの入口径（目玉径）Ｒａと一致している。なお、再循環流によって突出部２２ｅが損傷して信頼性が損なわれない範囲において、出口端２２ｆがシュラウド１ａの入口径Ｒａとなる位置Ｐよりも内径側（回転軸１０側）に位置するものであってもよい。つまり、出口端２２ｆの径Ｒｂが、入口部１ｇの入口径Ｒａと同等であってもよい。

以上説明したように、第２実施形態の多段ポンプ１００Ｂによれば、水返し羽根２２ａの出口端２２ｆの径を、次段の遠心羽根車１の入口径Ｒａと同一ないし同等とすることにより、第１実施形態の多段ポンプ１００Ａの効果に加えて、少流量域における次段の遠心羽根車１の入口部１ｇから戻り流路１２に戻る再循環流との干渉を避けることができ、信頼性の低下を抑制することができる。

なお、本発明は、前記した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変更することができる。例えば、シュラウド１ａの入口形状が、突出部１２ｅ（２２ｅ）の曲線部１２ｇ（２２ｇ）の全体に沿う形状とした場合（９０度の円弧形状の場合）を例に挙げて説明したが、シュラウド１ａの入口形状が、曲線部１２ｇ（２２ｇ）の一部に沿う形状とし、残りの一部に沿う形状を側板２ｂによって構成するようにしてもよい。これにより、側板２ｂ（内ケーシング２）とシュラウド１ａとの摺動長さをさらに長くすることができるので、漏れ流量をさらに低減できる。

１００Ａ，１００Ｂ 多段ポンプ
１ 遠心羽根車
１ａ シュラウド
１ｂ ハブ
１ｃ 羽根
１ｇ 入口部（入口）
１ｈ 延出部（シュラウド入口形状）
２ 内ケーシング
３ 外ケーシング
４ａ 吸込口
５ａ 吐出口
１０ 回転軸
１１ ディフューザ流路
１１ａ ディフューザ
１２ 戻り流路
１２ａ，２２ａ 水返し羽根
１２ｅ，２２ｅ 突出部
１２ｆ，２２ｆ 出口端
１２ｇ，２２ｇ 曲線部（曲線）
１３ 接続流路
Ｒ 出口部
Ｒａ 入口径
Ｒｂ 径

Claims (2)

1. 回転軸に設けられた複数段の遠心羽根車と、
   前記複数段の遠心羽根車を覆う内ケーシングと、
   前記内ケーシングの周囲に配置され、流体が吸い込まれる吸込口および前記流体が吐出される吐出口を有する筒状の外ケーシングと、
   前記内ケーシング内に設けられ、前記各遠心羽根車の外周下流側に設けられるディフューザと、
   前記各ディフューザの下流側に設けられ、前記流体の流れを次段の遠心羽根車の入口に導く戻り流路と、
   前記各戻り流路に設けられる水返し羽根と、を備え、
   前記水返し羽根は、前記戻り流路の出口部において、前記次段の遠心羽根車のシュラウド側の子午面形状を当該シュラウド側に向けて凹形状となる曲線で形成して前記次段の遠心羽根車の入口径付近となる位置まで突出する突出部を備え、
   前記次段の遠心羽根車は、当該次段の遠心羽根車のシュラウド入口形状が前記水返し羽根の前記曲線に沿って形成され、前記次段の遠心羽根車のシュラウド入口形状が前記戻り流路の出口部の一部を構成していることを特徴とする多段ポンプ。
2. 前記水返し羽根の出口端の径は、前記次段の遠心羽根車の入口径と同一ないし同等であることを特徴とする請求項１に記載の多段ポンプ。

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