JP2017020432A - ポンプ用羽根車及びこれを備えたポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプ性能を低下させる羽根車の吸込口の入口部分でのキャビテーションの発生を抑制する羽根車を提供する。【解決手段】羽根車は、羽根車の半径方向において回転軸１６ａ側に設けられた内縁３６と、回転軸１６ａを基準として、内縁３６に比べて半径方向に遠い側に設けられた外縁３８を有する。さらに、内縁３６と外縁３８との間に設けられた複数の羽根２８を有する。羽根２８−１１の外面４２１と、羽根２８−１１の外面４２１と対面しかつ隣接する羽根２８−２１の内縁３６に向く内面４０１とによって形成される流路６４の幅が最も狭い部分に、羽根２８−２１の内面４０１は溝５０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、液体ポンプ用羽根車のキャビテーション発生の緩和または防止に関する。

液体を輸送するポンプには、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプが知られている。図２は、遠心ポンプ１０ａ、斜流ポンプ１０ｂ、軸流ポンプ１０ｃの羽根車１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおける子午面の形状と流体の流れ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを表した模式図である。流れ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは矢印１４ａ，１４ｂ，１４ｃで示されている。図２（ａ）は、遠心ポンプ１０ａ、図２（ｂ）は、斜流ポンプ１０ｂ、図２（ｃ）は、軸流ポンプ１０ｃをそれぞれ示す。
遠心ポンプ１０ａや斜流ポンプ１０ｂでは、回転駆動される羽根車１２ａ，１２ｂによって液体に、軸１６ａ，１６ｂから外周方向に、運動エネルギーと、遠心力による圧力エネルギーが与えられる。羽根車１２ａ，１２ｂの吐出し側で運動エネルギーは、圧力エネルギーに変換される。軸流ポンプ１０ｃは、羽根の揚力作用によって揚液に圧力と速度エネルギーを与える。羽根車１２ｃから、軸１６ｃに平行に出た揚液の速度エネルギーは、案内羽根１８を有するケーシング２０により圧力エネルギーに変換される。

図３は、遠心ポンプ１０ａの羽根車１２ａの模式図である。矢印１４ａは流体の流れる向きをあらわしている。羽根車１２ａは、吸込口２２である開口２２が中央にあるシュラウド面２４と、円板形状のハブ面２６と、シュラウド面２４とハブ面２６との間に挟まれた中心から外周に向かって延びる複数の羽根とを有する。羽根車１２ａの吸込部分は開口２２にある。吸込口２２から流入する流体は吸込口２２から、羽根車１２ａの各羽根２８と、シュラウド面２４と、ハブ面２６との間に形成された流路を通りながら、出口２９に抜けていく。

図４は、遠心ポンプ１０ａの羽根部分の横断面の模式図である。図３における羽根車１２ａは、図４に示すように回転軸１６ａと固定され、ポンプのケーシング３０内部に回転自在に配置される。図４のように、遠心ポンプ１０ａには、回転する羽根車１２ａの外周部に、ケーシング３０に固定された案内羽根（ディフューザまたはガイドベーン）３２が備えられているものがある。
案内羽根３２は、羽根車１２ａからの流体の速度を圧力に変換する。ディフューザ３２を通過した液体はケーシング３０内の流路（ボリュート）３４内壁に沿ってケーシング外部に吐出される。

ところで、ポンプを低い吸込圧力で運転したり、定格よりも大きな流量で使用したりすると、キャビテーションが発生することがある。ポンプの吸込側の静圧は、ポンプの羽根車入口付近の羽根面上、すなわち図３における開口２２で最も低くなる。

図５は、遠心ポンプ１０ａの羽根車１２ａのディフューザ３２近傍の横断面（図５（ａ））と縦断面（図５（ｂ））を示したものである。部位Ｋ_１〜Ｋ_６は羽根車１２ａのキャビテーション発生頻度が高い部位、部位Ｋ’_１〜Ｋ’_２はディフューザ３２のキャビテーション発生頻度が高い部位である。キャビテーションはこれらのどこに発生しても、性能、振動、寿命に影響があるが、なかでも部位Ｋ_２にキャビテーションが発生するとポンプ性能が大きく損なわれる。
図５における羽根車１２ａのキャビテーションは、図６に示すような斜流ポンプ１０ｂの羽根車１２ｂにも同様に発生する。ここで、図６は、斜流ポンプの羽根車の縦断面（図６（ａ））、横断面（図６（ａ））、斜視図（図６（ａ））を示す。

なお、キャビテーションを防止する従来技術としては、特開２００２−１２２０９５号公報に、ポンプケーシングの内部に羽根車を配置した片吸込遠心ポンプにおいて、羽根車の通液路断面が翼の入口から出口まで正方形であるものが開示されている。しかし、この技術は、大流量の場合にキャビテーションを防止する技術は開示していない。

特開２００２−１２２０９５号公報

本願発明は、遠心ポンプや斜流ポンプの羽根車について、ポンプ性能を低下させる羽根車の吸込口の入口部分でのキャビテーションの発生を抑制する羽根車、及びそれを備えたポンプを提供することを目的とする。

本発明の第１の形態によれば、上記の課題を解決するために、回転軸によって回転する羽根車であって、前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、前記羽根の前記外縁に向く外面と、該羽根の該外面と対面しかつ隣接する前記羽根の前記内縁に向く内面とによって形成される流路の幅が最も狭い部分に、該隣接する羽根の幅方向に溝を該隣接する羽根の前記内面は備えたこととしたものである。ここで羽根車の内縁とは、羽根車の回転軸への取付部であり、羽根車の外縁とは、羽根車の外周部である。羽根の幅方向に溝を設けるため、溝の方向は、流体の流れ方向と垂直になる。
本発明の第２の形態によれば、回転軸によって回転する羽根車であって、前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、前記羽根の前記外縁に向く外面と前記内縁との交線上の点から引かれる該外面の法線が、該羽根の該外面と対面しかつ隣接する前記羽根の前記内縁に向く内面と交わる部分に、該隣接する羽根の幅方向に溝を該隣接する羽根は備えたこととしたものである。
本発明の第３の形態によれば、回転軸によって回転する羽根車であって、前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、前記羽根の前記外縁に向く外面上の第１の点と、該羽根の該外面と対面しかつ隣接する前記羽根の前記内縁に向く内面上の第２の点とを結ぶ線分のうち、長さが最短である前記線分を構成する前記第２の点に、該隣接する羽根の幅方向に溝を該隣接する羽根は備えたこととしたものである。
本発明の第４の形態によれば、前記内縁から前記外縁に向う向きに、前記溝の深さが増加することとしたものである。

本発明の第５の形態によれば、ポンプは、第１の形態から第４の形態の羽根車を備える。

以上のような構造の羽根車又はポンプとすることにより、隣接する羽根同士の間に形成される流路幅が広くなるので、羽根車入口におけるキャビテーションの発達を抑制できる。

本発明の羽根車の実施例の説明図である。 典型的なポンプの子午面における断面図である。 遠心ポンプの羽根車の説明図である。 遠心ポンプの横断面図である。 キャビテーションの発生頻度と発生部位の説明図である。 斜流ポンプの羽根車の説明図である。 従来の羽根車の説明図である。 本発明の羽根を一枚のみ取り出して示した断面図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面とともに説明する。なお、添付図面において、同一または類似の構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。

本発明を説明する前に、従来技術に係わる羽根車の構造を説明する。図７は、従来技術に係わる羽根車１２ａの横断面を部分的に拡大した図である。この羽根車は、遠心ポンプ１０ａ又は斜流ポンプ１０ｂに適したものである。羽根車１２ａは、回転軸１６ａによって回転する。羽根車１２ａは、羽根車１２ａの半径方向における回転軸１６ａ側に設けられた内縁３６と、回転軸１６ａを基準として、内縁３６に比べて半径方向に遠い側に設けられた外縁３８とを有する。羽根車１２ａは、羽根車１２ａの内縁３６と外縁３８の間に、複数の羽根２８を有する。本図では説明のため便宜的に羽根２８−１と羽根２８−２をとりあげる。また各羽根２８の内縁３６に向く面を内面４０、外縁３８に向く面を外面４２−１，４２−２と呼ぶ。

羽根２８−１と羽根２８−２の間を内縁３６から外縁３８に向けて水等の液体の流体が流れると、羽根２８−２の内面４０−２と、内縁３６との交点４４近傍からキャビテーションが発生する場合がある。ここで発生したキャビテーションは特に低流量時に発達し、羽根２８−２の内面４０−２に沿って外縁３８に向けてキャビテーションの範囲が広がる。

ところで、図７に示した羽根２８−１の外面４２−１と内縁３６の交点Ｘにおける羽根２８−２の内面４０−２に向けた羽根２８−１の外面４２−１の法線Ｘ−Ｘ’を引く。ここで、点Ｘ’は、当該法線と羽根２８−２の内面４０−２との交点Ｘ’である。線分Ｘ−Ｘ’が、羽根２８−１と羽根２８−２との間の流路のうち、一番狭い流路幅であることがわかる。
別の表現をすると以下のとおりである。羽根２８−１の外縁３８に向く外面４２−１と内縁３６との交線４９上の点Ｘから、外面４２−１の法線Ｘ−Ｘ’を引く。部分Ｘ’は、以下のように規定される部分である。羽根２８−１の外面４２−１と対面し、かつ当該羽根２８−１に隣接する羽根は、羽根２８−２である。法線Ｘ−Ｘ’が、当該隣接する羽根２８−２の内縁３６に向く内面４０−２と交わる部分を部分Ｘ’とする。このように規定された法線Ｘ−Ｘ’において、一番狭い流路幅が形成される。なお、交線４９は図３に示す。
羽根２８−２の内側（内面４０−２）に沿って羽根車１２ａの外縁３８に向かって広がってきたキャビテーションが、内面４０−２の点Ｘ’の近傍に近づくに従い、よりキャビテーションが激しくなり、線分Ｘ−Ｘ’で表される流路全面にキャビテーションが広がってしまう。このような現象に至ると、ポンプ性能が急速に低下し、ポンプの機能を果たせなくなってしまう。

そこで本願における発明では、図１に示すように、以下のような対策を行ったものであ
る。羽根２８−１１の外縁３８に向く外面４２１と内縁３６との交線上の点Ｘから外面４２１の法線Ｘ−Ｘ”を引く。法線Ｘ−Ｘ”が、羽根２８−１１の外面４２１と対面しかつ隣接する羽根２８−２１の内縁３６に向く内面４０１と交わる部分Ｘ”を中心にして、溝５０が設けられる。溝５０は、流体の流れ方向５２と垂直に、かつ羽根２８−２１の幅方向５４に設けられる。同様な溝５０を羽根車１２ａの羽根２８全体が有する。本図の場合、幅方向５４は、図面に垂直な方向である。
なお、溝５０は、流路６４の幅が最も狭い部分に設けるものであり、羽根の形状によっては、上記のように規定される法線の位置からずれてもよい。図１の場合は、上記のように規定される法線の位置と、流路６４の狭い部分の位置が一致するものである。従って、溝５０の位置は次のように規定することもできる。
羽根２８−１１の外縁３８に向く外面４２１と、外面４２１と対面しかつ隣接する羽根２８−２１の内縁３６に向く内面４０１とによって形成される流路６４の幅が狭い部分Ｘ−Ｘ”に、溝５０を設ける。溝５０は、隣接する羽根２８−２１の内面４０１に設けられ、流体６４の流れ方向５２と垂直に、かつ隣接する羽根２８−２１の幅方向５４に存在する。
さらに、流路６４の幅の狭い部分は、内面４０１と外面４２１との間の距離が短い部分であることに注目すると、溝５０の位置は以下のように規定することもできる。図１の羽根車の場合は、上記のように規定される法線Ｘ−Ｘ”の位置と、以下に規定する線分Ｘ−Ｘ”の位置が一致するものである。
羽根２８−１１の外縁３８に向く外面４２１上の第１の点Ｙと、外面４２１と対面しかつ隣接する羽根２８−２１の内縁３６に向く内面４０１上の第２の点Ｙ’とを結ぶ線分Ｙ−Ｙ’を考える。線分Ｙ−Ｙ’は無数に有り得る。そのような線分Ｙ−Ｙ’のうち、長さが最短である線分Ｘ−Ｘ”を構成する第２の点Ｘ”に、流体の流れ方向５２と垂直に、かつ隣接する羽根２８−２１の幅方向５４に溝５０を隣接する羽根２８−２１に設ける。
上記の記載から明らかなように、羽根２８の外面上のある点における流路の幅とは、羽根２８の外面上の当該点から、隣接する羽根の内面に向けて引いた法線が当該内面と交差する点と、外面上の当該点との間の距離である。もしくは、羽根２８の外面上のある点における流路の幅とは、以下のように規定される。羽根２８の外面上の当該点と、隣接する羽根の内面上の点とを結ぶ線分を考える。このような線分は無数に有り得る。そのような線分のうち、長さが最短である線分の長さが、外面上の当該点における流路の幅である。
なお、図１では、溝５０は、流路６４の幅が最も狭い部分にのみ設けられているが、この位置に限らず、他のキャビテーションが発生しやすい位置に、キャビテーションの発生を抑制するために、さらに、溝を設けてもよい。
溝５０の向きは、法線Ｘ−Ｘ”が存在する流路上の位置における内縁３６から外縁３８に向かう方向に垂直である。言い換えると、流体の流れ方向５２と垂直である。また、溝幅Ｗ１は、羽根２８−２１の内面４０１が内縁３６と交わる交点５６からＸ”までの距離をＬ１とすると、距離Ｌ１の５０％から１５０％の範囲である。溝深さｄ１は、点Ｘ”における羽根２８−２１の厚さＬ２の５０％以内である。本図の例では、点Ｘ”は、流れ方向５２に見て、溝５０の中間に位置する。すなわち、点Ｘ”から溝５０の両端までの幅Ｗ２は等しい。

溝５０を設けると、交点Ｘにおける羽根２８−２１の内面４０１に向けた線分Ｘ−Ｘ”の長さ、すなわち流路幅が、流路全体における流路幅のうち一番狭い流路幅ではなくなる。これにより、交点５６近傍から発生するキャビテーションが、羽根２８−２１の内面４０１に沿って外縁３８に向かって発達して、法線Ｘ−Ｘ”の位置に到達しても、法線Ｘ−Ｘ”の位置における流路全体がキャビテーションに覆われることはない。したがって、ポンプ性能が急速に低下することはなく、ポンプの機能は維持される。
溝５０の形状としては、種々可能である。断面図である図１に示す形状は、溝５０の断面形状が矩形であるが、断面形状は、円形の一部または楕円形の一部等の窪んだ形状でもよい。好ましい形状の一例を図８に示す。本図は、羽根１２８を一枚のみ取り出して示し
た断面図である。断面形状は、内縁３６から外縁３８に向う向きに、溝５８の深さが増加している。溝５８の外縁側の端部６０ａは、図１と同様に、角度６２が９０度であり、角ばっている。一方、溝５８の内縁側の端部６０ｂは、図１とは異なり、角度が９０度より大きく、緩やかな角度であり、かつ丸みを帯びている。

以上のように本願発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。また、上述の実施形態のそれぞれの特徴は互いに矛盾しない限り組み合わせまたは交換することができる。

Claims (1)

1. 回転軸によって回転する羽根車であって、
   前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、
   前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、
   前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、
   前記羽根の前記外縁に向く外面と、該羽根の該外面と対面しかつ隣接する前記羽根の前記内縁に向く内面とによって形成される流路の幅が最も狭い部分に、該隣接する羽根の幅方向に溝を該隣接する羽根の前記内面は備えたことを特徴とする羽根車。

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