JP2017096182A - 多段ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザ羽根の振動を効果的に抑制でき、ディフューザ羽根の開口部の形状を自由に設計でき、表面加工等も容易となる。【解決手段】羽根車１０２と該羽根車を収容するケーシング１０８とを多段に配置した多段ポンプであって、多段ポンプは、ケーシング内に、羽根車と、羽根車の後流側に設けられたガイドベーン２０４とを備え、ガイドベーンは、基板２０１と、基板から延びる複数のディフューザ羽根２０３を備え、ディフューザ羽根の基板と対向する端部が開放されたオープン形状をなし、かつ、互いに隣接するディフューザ羽根がなす対の少なくとも一部において、ディフューザ羽根の開放された端部を互いに結合させて固定する結合構造２００を備える、多段ポンプ。【選択図】図２

Description

本開示は、多段ポンプ、特にケーシング内にオープン形状のガイドベーンを有する多段ポンプに関する。

液体を数ＭＰａ〜数十ＭＰａの高い圧力で移送することができるポンプとして、多段ポンプがある。高圧多段ポンプは様々な用途に使用され、例えば、危険な液体を高い圧力で移送するために使用される。

図５は、特許文献１に開示された多段ポンプの拡大断面図である。羽根車１３と羽根車１３を収容するケーシング１６とを多段に配置した多段ポンプにおいて、ケーシング６４内に渦巻室７６ａと、この渦巻室７６ａの後流側に前面が開放したオープン形状のガイドベーン７７とを併設し、羽根車１３を全面が開放したオープン形状とし、羽根車１３の主板７４が渦巻室７６ａとガイドベーン７７により形成される戻り流路７６ｂとの隔壁を構成している。

特許文献２は、複数段の羽根車と、羽根車を収容する複数段の中胴と、中胴を収容する中胴カバーと、中胴および中胴カバーを囲む外側ケーシングと、中胴カバーを中胴に固定する固定機構とを備える多段ポンプを開示する。多段ポンプは、軸に固定された複数の羽根車を備えている。各中胴の内部にはガイドベーンが配置されており、各段の羽根車で昇圧された液体を次の段の羽根車に導くようになっている。

特開平６−３２３２８９号公報 特開２０１３−２１３４９３号公報

本発明者は、多段ポンプの構造を改良すべく鋭意検討した。その結果、以下の知見を得た。

羽根車の出口に位置するガイドベーンは、一般に、軸方向に垂直な平面方向に延びる２枚の板材の間にディフューザ羽根を挟み込んだ、サンドウィッチに似た複雑な構造を有する。そのため、液体進行方向に対して開口部が狭く、液体の取り込み効率が悪い。さらに、構造が複雑なため、鋳物および溶接等で製造するに当たり加工精度および表面仕上げ精度が低くなりやすい。このように製造に高度の技術が要求されることから、コストが増加する。段数が増えればそれだけコストも増加する。

ガイドベーンの構造において、通常は２枚の板材に挟み込まれているディフューザ羽根について、片側の板材を省略し、すなわちディフューザ羽根の一端を開放し、オープン形状のガイドベーンとすることが考えられる。この場合、板材が不要となる分だけ、開口部の形状を自由に設計できる。その結果、速度ヘッドを圧力ヘッドに効率よく変換できる設計が可能である。

しかしながら、かかる構成を採用すると、ディフューザ羽根が振動しやすくなり、その結果、エネルギー効率が低下したり、ディフューザ羽根が破損したりする可能性があることが判明した。ディフューザ羽根は羽根車の出口近傍に位置し、羽根車から排出された液体が直接流入する。ディフューザ羽根の一端を開放すると、流速変動の影響を大きく受け、ディフューザ羽根が振動しやすくなる。

このため特に、高圧の流体を扱う多段ポンプでは、オープン形状のガイドベーンの採用は困難かと思われた。しかしながら、さらなる検討により、オープン形状のガイドベーンにおいても振動を抑制可能であることに想到した。

すなわち本開示が解決しようとする課題は、多段ポンプにおいて、オープン形状のガイドベーンを採用しつつ、ディフューザ羽根の振動を抑制することにある。

本開示にかかる多段ポンプは、羽根車と該羽根車を収容するケーシングとを多段に配置した多段ポンプであって、前記多段ポンプは、前記ケーシング内に、前記羽根車と、前記羽根車の後流側に設けられたガイドベーンとを備え、前記ガイドベーンは、基板と、前記基板から延びる複数のディフューザ羽根を備え、前記ディフューザ羽根の前記基板と対向する端部が開放されたオープン形状をなし、かつ、互いに隣接する前記ディフューザ羽根がなす対の少なくとも一部において、前記ディフューザ羽根の前記開放された端部を互いに結合させて固定する結合構造を備える。

上記多段ポンプは、各段が備えるディフューザ羽根の枚数が偶数であり、結合構造が、互いに隣接するディフューザ羽根がなす対の一つ置きに設けられていてもよい。

上記多段ポンプは、各段が備えるディフューザ羽根の枚数が奇数であり、結合構造が、周方向に連続する３枚のディフューザ羽根の開放された端部を互いに結合させて固定する部分を含んでもよい。

上記多段ポンプにおいて、結合構造は、ディフューザ羽根と一体に構成されていてもよい。

上記多段ポンプにおいて、結合構造は、ディフューザ羽根とは別個の結合部材が、溶接部を介してディフューザ羽根と結合されていてもよい。

本開示にかかる多段ポンプによれば、ディフューザ羽根同士を連結することで、ディフューザ羽根の振動を効果的に抑制できる。一方、ディフューザ羽根の端部は結合構造以外の部分では開放されているため、開口部の形状を自由に設計でき、表面加工等も容易となる。

図１は、第１実施形態の多段ポンプの概略構成の一例を示す断面図である。 図２は、図１の多段ポンプの概略構成の一例を示す部分断面図である。 図３Ａは、第１実施形態の多段ポンプが備える羽根車とガイドベーンの概略構成の一例を示す平面図である。 図３Ｂは、第１実施形態の多段ポンプが備える戻り流路の概略構成の一例を示す平面図である。 図４は、第１実施形態の多段ポンプが備えるガイドベーンの概略構成の一例を示す部分拡大斜視図である。 図５は、従来の多段ポンプの概略構成の一例を示す部分断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の実施形態はあくまで一例であり、本開示を限定するものではない。

以下で説明する実施形態は、いずれも本開示の望ましい一具体例を示すものである。以下の実施形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、あくまで一例であり、本開示を限定するものではない。また、以下の実施形態における構成要素のうち、本開示の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。また、図面において、同じ符号が付いたものは、説明を省略する場合がある。また、図面は理解しやすくするために、それぞれの構成要素を模式的に示したもので、形状及び寸法比等については正確な表示ではない場合がある。また、製造方法においては、必要に応じて、各工程の順序等を変更でき、かつ、他の公知の工程を追加できる。
（第１実施形態）

第１の多段ポンプは、羽根車と該羽根車を収容するケーシングとを多段に配置した多段ポンプであって、多段ポンプは、ケーシング内に、羽根車と、羽根車の後流側に設けられたガイドベーンとを備え、ガイドベーンは、基板と、基板から延びる複数のディフューザ羽根を備え、ディフューザ羽根の基板と対向する端部が開放されることでオープン形状をなし、かつ、互いに隣接するディフューザ羽根がなす対の少なくとも一部において、ディフューザ羽根の開放された端部を互いに結合させて固定する結合構造を備える。

第２の多段ポンプは、第１の多段ポンプであって、各段が備えるディフューザ羽根の枚数が偶数であり、結合構造が、互いに隣接するディフューザ羽根がなす対の一つ置きに設けられている。

第３の多段ポンプは、第１の多段ポンプであって、各段が備えるディフューザ羽根の枚数が奇数であり、結合構造が、周方向に連続する３枚のディフューザ羽根の開放された端部を互いに結合させて固定する部分を含む。

第４の多段ポンプは、第１ないし第３のいずれかの多段ポンプであって、結合構造は、ディフューザ羽根と一体に構成されている。

第５の多段ポンプは、第１ないし第３のいずれかの多段ポンプであって、結合構造は、ディフューザ羽根とは別個の結合部材が、溶接部を介してディフューザ羽根と結合されている。

結合構造はガイドベーンと一体の削り出し又は溶接で製造されうる。結合構造はディフューザ羽根の主板より小さい円弧状の結合部材であってもよい。結合構造は軸心に近い位置に配置できる。結合構造はディーフューザ羽根のうち、羽根車の回転羽根に最も近い部位に配置できる。複数の結合構造は回転軸から径方向に同距離に固定されてもよい。

図１は、第１実施形態の多段ポンプの概略構成の一例を示す断面図である。図２は、図１の多段ポンプの概略構成の一例を示す部分断面図である。図３Ａは、第１実施形態の多段ポンプが備える羽根車とガイドベーンの概略構成の一例を示す平面図である。図３Ｂは、第１実施形態の多段ポンプが備える戻り流路の概略構成の一例を示す平面図である。図４は、第１実施形態の多段ポンプが備えるガイドベーンの概略構成の一例を示す部分拡大斜視図である。以下、図１ないし図４を参照しつつ、第１実施形態の多段ポンプ１００について説明する。

図に示すように、多段ポンプ１００は、羽根車１０２とケーシング１０８とガイドベーン２０４とを備える。

羽根車１０２とガイドベーン２０４とは、ケーシング１０８内に配設されている。

ガイドベーン２０４は、羽根車１０２の後流側に設けられている。図に示す例では、ガイドベーン２０４は、羽根車１０２の外周側に設けられている。換言すれば、ガイドベーン２０４は、羽根車１０２の径方向外側に羽根車１０２を取り巻くように設けられている。

ガイドベーン２０４は、基板２０１と、基板２０１から延びる複数のディフューザ羽根２０３とを供えている。ガイドベーン２０４は、オープン形状をなす。具体的には、ディフューザ羽根２０３の基板２０１と対向する端部が開放されることで、ガイドベーン２０４がオープン形状となる。開放されるとは、例えば、面として閉じられていないことをいう。

さらにガイドベーン２０４は、結合構造２００を備える。結合構造２００は、互いに隣接するディフューザ羽根２０３がなす対の少なくとも一部において、ディフューザ羽根２０３の開放された端部を互いに結合させて固定する。

各段が備えるディフューザ羽根２０３の枚数が偶数であり、結合構造２００が、互いに隣接するディフューザ羽根２０３がなす対の一つ置きに設けられていてもよい。

各段が備えるディフューザ羽根２０３の枚数が奇数であり、結合構造２００が、周方向に連続する３枚のディフューザ羽根２０３の開放された端部を互いに結合させて固定する部分を含んでもよい。なおこの場合において、残余のディフューザ羽根２０３において、互いに隣接するディフューザ羽根２０３がなす対の一つ置きに結合構造２００が設けられていてもよい。

以下、図１ないし図４を参照しつつ、多段ポンプ１００のより具体的な構成例を説明する。なお、以下の説明は多段ポンプ１００の一構成例を説明するものであって、第１実施形態の多段ポンプは以下に説明された構成に限定されるものではない。

多段ポンプ１００は、軸１０１に固定された複数の羽根車１０２を備えている。羽根車１０２を取り囲むように複数の中胴１０３が配置されている。各中胴１０３の内部にはガイドベーン２０４と戻り流路１１５が設けられている。ガイドベーン２０４内の流路と戻り流路１１５とは貫通流路２０２で連結されており、各段の羽根車１０２で昇圧された液体を次の段の羽根車１０２に導くようになっている。中胴１０３は、軸方向（軸１０１の延びる方向）に沿って重ね合わされており、これら中胴１０３は複数の通しボルト１５０により互いに固定されている。さらにこれら中胴１０３を囲むようにケーシング１０８が配置されている。ケーシング１０８には液体の吸込口１０９および吐出口１１０が設けられている。これら中胴１０３およびケーシング１０８により、二重ケーシング構造が構成されている。

軸１０１の端部は図示しない駆動機（例えばモータ）に連結され、この駆動機により羽根車１０２が回転するようになっている。羽根車１０２が回転すると、吸込口１０９から液体が吸い込まれて羽根車１０２に導かれ、各羽根車１０２によって順次昇圧される。中胴１０３とケーシング１０８との間の空間は昇圧された液体で満たされ、吐出口１１０から液体が排出される。このように、中胴１０３は、昇圧される途中の液体と昇圧された液体とを仕切る機能を有し、ケーシング１０８は、昇圧された液体の外部への漏洩を防止する機能を有する。

図２は、図１に示す多段ポンプの一部を示す模式断面図である。図２に示すように、羽根車１０２の段数と同じ段数の中胴１０３Ａ〜３Ｄが重ね合わされている。各中胴とガイドベーン２０４および戻り流路１１５との間には位置決めピン１０７が装着されており、この位置決めピン１０７により中胴１０３Ａ〜１０３Ｄとガイドベーン２０４および戻り流路１１５との相対位置が固定されている。一段目の中胴１０３Ａの端面とケーシング１０８との間には環状のガスケット１１４が配置されている。最終段の中胴１０３Ｄに隣接して押し付け部材１１２が配置されており、この押し付け部材１１２の内部には、最終段の羽根車１０２を囲むようにディフューザ１１３が形成されている。中胴１０３Ａ〜１０３Ｄと押し付け部材１１２は、複数の通しボルト１５０（図２では１つの通しボルト１５０のみを示す）により互いに締結されている。

羽根車１０２の回転によって昇圧された液体は押し付け部材１１２および中胴１０３Ａ〜１０３Ｄを吸込側に押圧し、これにより一段目の中胴１０３Ａの端面がガスケット１１４をケーシング１０８に押し付ける。このように、一段目の中胴１０３Ａとケーシング１０８との間に挟まれたガスケット１１４は、昇圧された液体が吸込側の領域に流れ込むことを防止するシールとして機能する。

図３Ａに示す例では、１個の羽根車１０２につき回転羽根１０４が５枚固定されている。羽根車１０２は軸１０１に固定されており、軸１０１の回転に伴って、回転羽根１０４が回転する。

軸方向から見て、１個の羽根車１０２の外側に、１個のガイドベーン２０４が設けられている。軸１０１が回転しても、ガイドベーン２０４は固定されている。ガイドベーン２０４には１２枚のディフューザ羽根２０３が固定されている。通しボルト１５０の締結により、ディフューザ羽根２０３が中胴１０３の壁（ケーシング１０８から、軸１０１に垂直な方向に内側へと延びる壁）に押し付けられることで、該壁と、基板２０１と、一対のディフューザ羽根２０３とに囲まれた流路が形成される。該流路の下流側の末端には貫通流路２０２が形成されている。貫通流路２０２は、基板２０１を貫通する流路である。貫通流路２０２はガイドベーン２０４の外周部において基板２０１を貫通する。

基板２０１は、多段ポンプ１００の軸１０１に垂直な平面方向に延びる。ディフューザ羽根２０３は、基板２０１に対し垂直方向（軸１０１に平行な方向）に延びる。ただし、ディフューザ羽根２０３は、基板２０１に対し斜めに延びてもよい。ディフューザ羽根２０３が上向きに伸びるように基板２０１を水平に置いた場合、ディフューザ羽根２０３の上端が開放されている。この場合、結合構造２００は、ディフューザ羽根２０３の上端同士を相互に固定する。

図に示す例では、結合構造２００は、ガイドベーンの内周に沿って延びる棒である。図に示す例では、結合構造２００は１対のディフューザ羽根２０３につき１個設けられているが、１対のディフューザ羽根２０３につき複数個設けられてもよい。結合構造２００とディフューザ羽根２０３とは、上端が同一の平面をなしてもよい。かかる構成では中胴１０３の壁とのシーリングが容易となる。

結合構造２００は、削り出し等により、ディフューザ羽根２０３と一体に構成されてもよい。あるいは結合構造２００は、溶接により、ディフューザ羽根２０３とは別個の結合部材が、溶接部を介してディフューザ羽根２０３と結合されて構成されてもよい。

結合構造２００は、例えば、各段毎に、全てのディフューザ羽根２０３を互いに固定するように設けられてもよい。この場合、結合構造２００は、リング状、すなわち平面視において円周をなしてもよい。

ディフューザ羽根２０３の基板２０１と反対側が全面にわたって板材で覆われた構成（クローズ形状）では、加工がしにくく、表面加工精度も悪くなりやすい。一方、ディフューザ羽根２０３の基板２０１と反対側が全面にわたって開放された構成（従来のオープン形状）では、ポンプ作動時に、ディフューザ羽根２０３が振動しやすく、該振動によりディフューザ羽根２０３が破損する可能性があった。

本実施形態のように、ディフューザ羽根２０３の開放された端部の一部にのみ結合構造２００を設ける（セミオープン形状）ことで、振動が抑制されるのみならず、加工がしやすくなり、表面加工精度および表面仕上げ精度も容易に高くできる。

図４に示す例では、ディフューザ羽根２０３Ａの上端とディフューザ羽根２０３Ｂの上端とが、一部（図の例では羽根車１０２側の端部）において、結合構造２００により結合されて固定されている。基板２０１と、ディフューザ羽根２０３Ａと、ディフューザ羽根２０３Ｂと、結合構造２００とで、羽根車１０２に対向する（軸１０１に向けた）開口２０６が形成される。基板２０１を水平方向に底面をなすように置いた場合に、ガイドベーン２０４は、ディフューザ羽根２０３Ａとディフューザ羽根２０３Ｂとの間に上方に向けた開口２０５を有する。結合構造２００の形状、太さ、材料等は、ディフューザ羽根２０３の振動を適切に抑制できる程度に、適宜に設定されうる。

図３Ｂに示す例では、基板２０１のディフューザ羽根２０３と反対側の面に、１２枚の戻り案内羽根１０５が固定されている。戻り案内羽根１０５同士の間には戻り流路１１５が形成される。戻り流路１１５の上流側の末端には貫通流路２０２が形成されている。戻り案内羽根１０５の基板２０１と反対側は、中胴１０３の壁（ケーシング１０８から、軸１０１に垂直な方向に内側へと延びる壁）により封止されているが、軸１０１側は円周状に開放されて開口が形成されている。該開口を通じて、液体が戻り流路１１５から羽根車１０２へと流れる（図２参照）。戻り流路１１５とガイドベーン２０４とは同一部材で構成されていてもよいし、別部材で構成されていてもよい。

第１実施形態の構成では、開口部が大きく取れ、振動を効率よく抑制できる。また、製作が容易であり、コストも低減できる。

上記説明から、当業者にとっては、本開示の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本開示を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本開示の精神を逸脱することなく、その構造および／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

１３ 羽根車
１６ ケーシング
７４ 主板
７７ ガイドベーン
７６ａ 渦巻室
７６ｂ 戻り流路
１００ 多段ポンプ
１０１ 軸
１０２ 羽根車
１０３ 中胴
１０４ 回転羽根
１０５ 戻り案内羽根
１０７ 位置決めピン
１０８ ケーシング
１０９ 吸込口
１１０ 吐出口
１１２ 押し付け部材
１１３ ディフューザ
１１４ ガスケット
１１５ 戻り流路
１５０ 通しボルト
２００ 結合構造
２０１ 基板
２０２ 貫通流路
２０３ ディフューザ羽根
２０４ ガイドベーン
２０５ 開口
２０６ 開口

Claims (5)

1. 羽根車と該羽根車を収容するケーシングとを多段に配置した多段ポンプであって、
   前記多段ポンプは、前記ケーシング内に、前記羽根車と、前記羽根車の後流側に設けられたガイドベーンとを備え、
   前記ガイドベーンは、
   基板と、前記基板から延びる複数のディフューザ羽根を備え、
   前記ディフューザ羽根の前記基板と対向する端部が開放されたオープン形状をなし、かつ、
   互いに隣接する前記ディフューザ羽根がなす対の少なくとも一部において、前記ディフューザ羽根の前記開放された端部を互いに結合させて固定する結合構造を備える、
   多段ポンプ。
2. 各段が備える前記ディフューザ羽根の枚数が偶数であり、
   前記結合構造が、互いに隣接する前記ディフューザ羽根がなす対の一つ置きに設けられている、
   請求項１に記載の多段ポンプ。
3. 各段が備える前記ディフューザ羽根の枚数が奇数であり、
   前記結合構造が、周方向に連続する３枚の前記ディフューザ羽根の前記開放された端部を互いに結合させて固定する部分を含む、
   請求項１に記載の多段ポンプ。
4. 前記結合構造は、前記ディフューザ羽根と一体に構成されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の多段ポンプ。
5. 前記結合構造は、前記ディフューザ羽根とは別個の結合部材が、溶接部を介して前記ディフューザ羽根と結合されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の多段ポンプ。