JP2017044197A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車の周りに２つのボリュート流路が形成されたダブルボリュート構造において、羽根車の羽根枚数に制約を設けることなく搬送流体の圧力脈動を低減できるポンプを提供する。
【解決手段】ポンプ１０は、ボリュートケーシング３１と、ボリュートケーシング３１内に配置された羽根車４０と、を備える。ボリュートケーシング３１内には、羽根車４０の周りに２つのボリュート流路３２１、３２２を形成するように仕切壁３３が設けられている。一方のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを規定する仕切壁３３の一端３３ａは、他方のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａと羽根車４０の回転中心とを通る直線Ｌからずれて配置されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ケーシング内で羽根車を回転させて流体を加圧するポンプに関する。

遠心ポンプのうちボリュートポンプの設計においては、設計条件として与えられる全揚程および流量に基づいて、羽根車の最適な羽根枚数を計算により導出できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

一方、特に高圧ポンプでは、回転軸に加わるラジアルスラストを低減させるために、羽根車の周りに２つのボリュート流路が形成されたダブルボリュート構造が採用されている。従来のダブルボリュート構造では、２つのボリュート流路が羽根車の回転中心を中心として１８０°対称に形成されている（例えば、特許文献１参照）。そのため、羽根車の羽根枚数が偶数の場合には、２つのボリュート流路の巻き始め端部を羽根車の羽根が同時に通過することになり、一方のボリュート流路の巻き始め端部を羽根が通過するときに生じる圧力変動と、他方のボリュート流路の巻き始め端部を羽根が通過するときに生じる圧力変動とが同期することで、搬送流体に大きな圧力脈動が発生する可能性がある。したがって、従来のダブルボリュート構造では、２つのボリュート流路の巻き始め端部を羽根が同時に通過しないように、羽根車の羽根枚数を奇数に制約する必要がある。

従来のダブルボリュート構造において、必要な全揚程および流量を満たす最適な羽根枚数が計算上は偶数（例えば４枚）となる場合には、最適な羽根枚数より１枚多い（例えば５枚の）羽根車を採用するとともに、羽根車の外径を変更したり、運転制御（例えば羽根車を駆動する駆動機の周波数を下げる等）により本来の最高効率点より運転点を下げたりすることで、必要な全揚程および流量を実現することが行われている。この場合、ポンプや駆動機が大型化してコストが上がったり、ポンプ性能を落として運転するために最高効率点での運転が行われずエネルギーロスとなる、という問題がある。

特開２００２−１３８９９１号公報

今木清康著、「流体機械工学」、コロナ社、ｐ．５４−５７

本発明は、以上のような点を考慮してなされたものである。本発明の目的は、羽根車の周りに２つのボリュート流路が形成されたダブルボリュート構造において、羽根車の羽根枚数に制約を設けることなく搬送流体の圧力脈動を低減できるポンプを提供することにある。

本発明によるポンプは、
ボリュートケーシングと、
前記ボリュートケーシング内に配置された羽根車と、
を備え、
前記ボリュートケーシング内には、前記羽根車の周りに２つのボリュート流路を形成するように仕切壁が設けられており、
一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線からずれて配置されている。

本発明によるポンプにおいて、一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線から、前記羽根車の羽根の外側端部の回転方向の長さに相当する位相角以上ずれて配置されていてもよい。

本発明によるポンプにおいて、一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線から、前記羽根車の回転中心を中心として４°以上ずれて配置されていてもよい。

本発明によるポンプにおいて、一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線から、前記羽根車の回転方向前方側にずれて配置されていてもよい。

本発明によれば、羽根車の周りに２つのボリュート流路が形成されたダブルボリュート構造において、羽根車の羽根枚数に制約を設けることなく搬送流体の圧力脈動を低減できる。

図１は、本発明の一実施の形態によるポンプを示す正面図である。 図２は、図１のポンプの側面図である。 図３は、図１のポンプの正面視断面図である。 図４は、図３のポンプのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図５は、羽根が回転軸に対して垂直な平面に対して垂直に設けられている場合において、羽根の外側端部の回転方向に測った長さを説明するための概略図である。 図６は、羽根が回転軸に対して垂直な平面に対して傾斜して設けられている場合において、羽根の外側端部の回転方向に測った長さを説明するための概略図である。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示の理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

図１は、本発明の一実施の形態によるポンプを示す正面図である。図２は、図１のポンプの側面図である。図３は、図１のポンプの正面視断面図である。図４は、図３のポンプのＡ−Ａ線に沿った断面図である。

図１〜図４に示すように、本実施の形態によるポンプ１０は、ポンプケーシング３０と、ポンプケーシング３０内に配置された羽根車４０と、を備えている。

このうちポンプケーシング３０には、横向きに貫通するように回転軸８０が挿し通されており、羽根車４０は、ポンプケーシング３０内において回転軸８０に同軸に固定されている。回転軸８０の一端には不図示の駆動機（例えばモータ）が接続されており、駆動機からの駆動力により、回転軸８０と羽根車４０とは一体に回転されるようになっている。

図４に示すように、羽根車４０には、複数の羽根４１が、羽根車４０の回転中心を中心として等角度間隔で設けられている。羽根車４０の羽根枚数は、通常は３〜７枚（図示された例では４枚）であるが、これに限定されるものではない。図示された例では、各羽根４１は、回転軸８０に対して垂直な平面（図４における紙面）に対して垂直に設けられており、当該平面（図４における紙面）上では外側端部が内側端部よりも回転方向後方側に位置するように湾曲されている。一例を挙げれば、羽根４１の厚みＴ１は１０ｍｍ〜１２ｍｍであり、羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２は１６ｍｍ〜２０ｍｍである。羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２を、羽根車４０の回転中心を中心とする位相角で表すと、３°〜４°である。なお、各羽根４１は、回転軸８０に対して垂直な平面（図４における紙面）に対して傾斜して設けられていてもよい。

ここで、羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２について、説明を補足する。本明細書において、羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２とは、羽根４１の外側端部の回転方向前方側端部と回転方向後方側端部との間の回転方向に測った長さを意味する。したがって、図５に示すように、羽根４１が回転軸８０に対して垂直な平面Ｐに対して垂直に設けられている場合には、羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２は、羽根４１の外側端部の厚みと等しくなる。一方、図６に示すように、羽根４１が回転軸８０に対して垂直な平面Ｐに対して傾斜して設けられている場合には、羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２は、羽根４１の外側端部の厚みより大きくなる。

図１〜図３に示すように、本実施の形態におけるポンプケーシング３０は、吐出し口３６を有するボリュートケーシング３１と、ボリュートケーシング３１の外側に一体に設けられた、吸込口３５を有する吸込ケーシング３４と、を有している。

図示された例では、ボリュートケーシング３１の左右両側には、それぞれ、回転軸８０と同軸状に流入口３７が開口されており、吸込ケーシング３４は、１つの吸込口３５から延びる管状部がボリュートケーシング３１によって左右に２つに分離された後に渦巻状に巻かれ、その巻き始め部分においてボリュートケーシング３１の流入口３７に連通されるように構成されている。

図４に示すように、羽根車４０は、ボリュートケーシング３１内に配置されている。ボリュートケーシング３１内には、羽根車４０の周りに２つのボリュート流路３２１、３２２を形成するように仕切壁３３が設けられている。仕切壁３３は、ボリュートケーシング３１内の元々の流路の途中から当該元々の流路を２つに分離するように、流れ方向に沿って吐出し口３６の近くまで延ばされている。図４に示すように、仕切壁３３によって形成される２つのボリュート流路３２１、３２２は、羽根車４０の回転中心に対して回転対称となっている。本明細書では、一方のボリュート流路３２１を第１のボリュート流路と呼び、他方のボリュート流路３２２を第２のボリュート流路と呼ぶことがある。

本実施の形態では、第１のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを規定する仕切壁３３の一端３３ａは、第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａと羽根車４０の回転中心とを通る直線Ｌから、所定角度θずれて配置されている。すなわち、第１のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａと第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａとは、羽根車４０の回転中心を中心として非対称に配置されている。これにより、羽根車４０の羽根枚数が偶数であっても、２つのボリュート流路３２１、３２２の巻き始め端部３２１ａ、３２２ａを羽根４１が同時に通過しないようになっている。

図示された例では、仕切壁３３の一端３３ａのずれの角度θは、羽根車４０の羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２に相当する位相角（通常３°〜４°）以上の大きさで設計されている。言い換えれば、仕切壁３３の一端３３ａは、第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａと羽根車４０の回転中心とを通る直線Ｌから、羽根車４０の羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２に相当する位相角以上ずれて配置されている。この場合、図４に示すように羽根車４０の羽根枚数が偶数であっても、一方のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを羽根４１が通過し終えた後に、他方のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａを羽根４１が通過し始めることになり、すなわち、一方のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを羽根４１が通過する時間帯と、他方のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａを羽根４１が通過する時間帯と、が重なることを確実に回避することができる。

図４に示すように、本実施の形態では、仕切壁３３の一端３３ａは、第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａと羽根車４０の回転中心とを通る直線Ｌから、羽根車４０の回転方向前方側にずれて配置されている。この場合、仕切壁３３の一端が羽根車４０の回転方向後方側にずれて配置されている態様に比べて、仕切壁３３の流れ方向の長さが短く設計されるため、仕切壁３３の影響による搬送流体の圧力損失が低減され、ポンプの運転効率を一層向上させることができる。

次に、このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

まず、図４に示すように、ボリュートケーシング３１内に流体（液体または気体）が充填された状態で、不図示の駆動機からの駆動力により、羽根車４０と回転軸８０とが一体に回転される。ボリュートケーシング３１内の流体は、羽根車４０の羽根４１に押されて回転され、回転による遠心力により径方向外向きに押しやられる。これにより、羽根車４０の回転軸８０側の圧力が低下するため、圧力差により、吸込ケーシング３４内の流体が流入口３７からボリュートケーシング３１内へと流入される。一方、ボリュートケーシング３１内において遠心力により径方向外向きに押しやられた流体は、ボリュート流路３２１、３２２に沿って押し流されて、吐出し口３６から吐出される。

ところで、背景技術の欄でも言及したように、従来のダブルボリュート構造では、２つのボリュート流路が羽根車の回転中心を中心として１８０°対称に形成されているため、羽根車の羽根枚数が偶数の場合には、２つのボリュート流路の巻き始め端部を羽根車の羽根が同時に通過することになり、一方のボリュート流路の巻き始め端部を羽根が通過するときに生じる圧力変動と、他方のボリュート流路の巻き始め端部を羽根が通過するときに生じる圧力変動とが同期することで、搬送流体に大きな圧力脈動が発生する可能性がある。

一方、本実施の形態では、図４に示すように、２つのボリュート流路３２１、３２２の巻き始め端部３２１ａ、３２２ａが羽根車４０の回転中心を中心として非対称に配置されているため、羽根車４０の羽根枚数が偶数の場合であっても、２つのボリュート流路３２１、３２２の巻き始め端部３２１ａ、３２２ａを羽根４１が同時に通過しないようになっている。したがって、搬送流体に大きな圧力脈動を発生させることなく、羽根枚数が偶数の羽根車４０を採用することが可能となっている。

以上のように、本実施の形態によれば、２つのボリュート流路３２１、３２２の巻き始め端部３２１ａ、３２２ａが羽根車４０の回転中心を中心として非対称に配置されているため、羽根車４０の羽根枚数が偶数であっても、２つのボリュート流路３２１、３２２の巻き始め端部３２１ａ、３２２ａを羽根４１が同時に通過しないようになる。これにより、羽根車４０の羽根枚数に制約を設けることなく、搬送流体の圧力脈動を効果的に低減することができる。そのため、必要な全揚程および流量を満たす最適な羽根枚数の羽根車４０を採用することが可能となり、本来のポンプ性能である運転点（最高効率点）にてポンプ１０を運転することができる。

また、本実施の形態によれば、第１のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを規定する仕切壁３３の一端３３ａが、第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａと羽根車４０の回転中心とを通る直線Ｌから、羽根車４０の羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２に相当する位相角以上ずれて配置されているため、羽根車４０の羽根枚数が偶数の場合には、第１のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを羽根４１が通過する時間帯と、第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａを羽根４１が通過する時間帯と、が重なることを確実に回避することができる。これにより、搬送流体の圧力脈動を一層効果的に低減できる。

また、本実施の形態によれば、第１のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを規定する仕切壁３３の一端３３ａが、第２のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａと羽根車４０の回転中心とを通る直線Ｌから、羽根車４０の回転方向前方側にずれて配置されているため、仕切壁３３の一端３３ａが羽根車４０の回転方向後方側にずれて配置されている態様に比べて、仕切壁３３の流れ方向の長さが短く設計される。これにより、仕切壁３３の影響による搬送流体の圧力損失が低減され、ポンプの運転効率を一層向上させることができる。

なお、本実施の形態では、図４に示すように、仕切壁３３の一端３３ａのずれの角度θが、羽根車４０の羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２に相当する位相角以上の大きさで設計されていたが、これに限定されない。例えば、仕切壁３３の一端３３ａのずれの角度θは、羽根車４０の羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２より小さく設計されていてもよい。この場合、一方のボリュート流路３２１の巻き始め端部３２１ａを羽根４１が通過する時間帯と、他方のボリュート流路３２２の巻き始め端部３２２ａを羽根４１が通過する時間帯と、が一部で重なるものの、２つのボリュート流路が羽根車の回転中心を中心として１８０°対称に形成されている態様と比べれば、羽根車４０の羽根枚数に制約を設けることなく搬送流体の圧力脈動を低減することが可能である。

ところで、上述したように、羽根車４０の羽根枚数は、通常は３〜７枚のいずれかである。このうち奇数であって最も大きい数である７枚の羽根枚数の羽根車４０を採用する場合には、１つの羽根４１に対して最も離れて位置する別の羽根４１は、当該１つの羽根４１に対して１８０°対称となる位置から、羽根車４０の回転中心を中心として３６０°／７／２＝２５．７°の位相角だけずれて配置されている。したがって、羽根枚数が７枚の羽根車４０を採用する場合には、仕切壁３３の一端３３ａのずれの角度θが、２５．７°−羽根４１の外側端部の回転方向の長さＴ２に相当する位相角（通常は３〜４°）以下であれば、２つのボリュート流路３２１、３２２の巻き始め端部３２１ａ、３２２ａを羽根４１が同時に通過しないようになる。したがって、仕切壁３３の一端３３ａのずれの角度θの上限としては、２５．７°−４°＝２１．７°以下であることが好ましい。

１０ ポンプ
３０ ポンプケーシング
３１ ボリュートケーシング
３２１、３２２ ボリュート流路
３２１ａ、３２２ａ 巻き始め端部
３３ 仕切壁
３３ａ 一端
３４ 吸込ケーシング
３５ 吸込口
３６ 吐出し口
３７ 流入口
４０ 羽根車
４１ 羽根
８０ 回転軸

Claims (4)

1. ボリュートケーシングと、
   前記ボリュートケーシング内に配置された羽根車と、
   を備え、
   前記ボリュートケーシング内には、前記羽根車の周りに２つのボリュート流路を形成するように仕切壁が設けられており、
   一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線からずれて配置されている
   ことを特徴とするポンプ。
2. 一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線から、前記羽根車の羽根の外側端部の回転方向の長さに相当する位相角以上ずれて配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線から、前記羽根車の回転中心を中心として４°以上ずれて配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のポンプ。
4. 一方のボリュート流路の巻き始め端部を規定する前記仕切壁の一端は、他方のボリュート流路の巻き始め端部と前記羽根車の回転中心とを通る直線から、前記羽根車の回転方向前方側にずれて配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のポンプ。

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