JP2017172540A - 渦巻ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】複数のボリュートケーシングを有する渦巻ポンプの圧力脈動を効果的に低減できる渦巻ポンプを提供する。
【解決手段】渦巻ポンプは、第１ボリュートケーシング３３−１及び第２ボリュートケーシング３３−２を有する。第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１及び第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２の、渦巻ポンプの回転方向１２における端面１４，１８はそれぞれ、渦巻ポンプの回転軸の軸方向１６に対して斜めに配置される。第１ボリュートケーシング３３−１の端面ｃ１の外向き法線ベクトル２０の、軸方向１６への正射影ベクトル２２と、第２ボリュートケーシング３３−２の端面ｃ２の外向き法線ベクトル２４の、軸方向１６への正射影ベクトル２６は、互いに反対方向を向いている。
【選択図】図１

Description

本発明は渦巻ポンプに関し、特に、ボリュートケーシングを複数有する渦巻ポンプに関するものである。

ボリュートケーシングを複数有する渦巻ポンプには、片吸込渦巻ポンプと両吸込渦巻ポンプがある。両吸込渦巻ポンプは、片吸込渦巻ポンプに比べて、羽根車に働くスラスト力(ポンプの回転軸方向に、羽根車に働く力)を低減できるという利点がある。以下では、両吸込渦巻ポンプを例として、ボリュートケーシングを複数有する渦巻ポンプについて説明する。両吸込渦巻ポンプは図４に示すように、回転軸８０に固定した羽根車１０をポンプケーシング３０内に収納して構成されている。ここでポンプケーシング３０は羽根車１０を収納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る吸込ケーシング３４とによって構成されている。吸込ケーシング３４の内部では、１つの吸込口３５がボリュートケーシング３１によって２つに分離され、その後、吸込ケーシング３４は渦巻状に捲かれる。また、ボリュートケーシング３１の両側に設けた流入口３７からボリュートケーシング３１内に流体が流入する。

ボリュートケーシング３１は渦巻状のダブルボリュートケーシングによって形成されており、その内部に羽根車１０を収納するように構成されている。ダブルボリュートケーシングを図５に示す。図５は、羽根車１０を収納したボリュートケーシング３１を、図４のＡ−Ａ線で切断した概略断面図である。同図に示すようにボリュートケーシング３１は、２つのボリュート流路３２−１，３２−２を形成するように２つのボリュートケーシング、すなわち第１ボリュートケーシング３３−１及び第２ボリュートケーシング３３−２から構成されている。ここで第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めａ１と、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めａ２とは、収納した羽根車１０の回転中心Ｏ１を中心にして１８０°対向する位置に設置されている。これによって２つのボリュート流路３２−１，３２−２が回転中心Ｏに対して対称となる。なお両ボリュート流路３２−１，３２−２は、第２ボリュートケーシング３３−２の終端部分において合流している。

このようにボリュートケーシング３１として２つのボリュート流路３２−１，３２−２を有するダブルボリュートケーシングを用いるのは、ボリュート流路３２−１，３２−２を点対称に設置することによって、羽根車１０と回転軸８０に加わるラジアル・スラスト力（回転軸８０に直角に働く力）を相殺して低減させるためである。なお、以下では、ラジアル・スラスト力（回転軸８０に直角に働く力）と、スラスト力(ポンプの回転軸方向に、羽根車に働く力)を区別するために、単に、スラスト力と記載した時は、「ポンプの回転軸方向に、羽根車に働く力」を意味するものとする。

図４に示す両吸込渦巻ポンプでは、振動の原因となる動静翼干渉による圧力脈動が発生する。これは以下の理由による。なお、動静翼干渉における動翼とは羽根車を意味し、静翼とはボリュートケーシングを意味する。

通常の羽根車１０は図６に示すように、奇数枚（図では五枚）の翼４１を等翼ピッチに設けて構成されている。即ちこの実施形態では翼ピッチは、３６０°／５＝７２°である。しかしながらこの羽根車１０の場合、例えば図５において翼（動翼）４１の外周端部ｂ１が第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めａ１（又は第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めａ２）を通過するとき、動静翼干渉が生じ、その周期の圧力脈動が発生し、これがポンプ振動の原因となっていた。翼４１の枚数を奇数枚としているのは、偶
数枚にするとダブルボリュートケーシング３１の両巻き始めａ１，ａ２に同時に翼４１の外周端部ｂ１が位置し、圧力脈動が大きくなるからである。奇数枚とすることにより外周端部ｂ１が同時に両巻き始めａ１，ａ２に位置しない。

しかし、奇数枚の翼４１を用いている場合でも、圧力脈動の発生をさらに低減したい場合がある。例えば、渦巻ポンプを、製紙工場において製紙用材料の搬送に用いる場合である。圧力脈動が発生する原因の１つは、巻き始めａ１（又は巻き始めａ２）の、渦巻ポンプの回転方向における端面の形状であった。端面の形状は、従来、渦巻ポンプの回転軸の軸方向に対して平行な平面であり、ケーシング内を流れる流体は、大きな流体抵抗を受けている。そのため、圧力脈動が大きくなるという問題があった。

特開２００２-１３８９９１号

本発明は上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のボリュートケーシングを有する渦巻ポンプの圧力脈動を効果的に低減できる渦巻ポンプを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の形態では、第１ボリュートケーシング及び第２ボリュートケーシングを少なくとも有する渦巻ポンプにおいて、前記第１ボリュートケーシングの巻き始め及び前記第２ボリュートケーシングの巻き始めの、前記渦巻ポンプの回転方向における端面の少なくとも一部はそれぞれ、前記渦巻ポンプの回転軸の軸方向に対して斜めに配置され、前記第１ボリュートケーシングの前記斜めに配置された端面の外向き法線ベクトルの、前記軸方向への正射影ベクトルと、前記第２ボリュートケーシングの前記斜めに配置された端面の外向き法線ベクトルの、前記軸方向への正射影ベクトルは、互いに反対方向を向いている渦巻ポンプ、という構成を採っている。

このような構成を採ることにより、複数のボリュートケーシングを有する渦巻ポンプにおいて、第１ボリュートケーシングの端面と第２ボリュートケーシングの端面に働くスラスト力をお互いに打ち消すことができる。

巻き始め（「舌部」とも呼ばれる）の端面が、渦巻ポンプの回転軸の軸方向に対して平行に配置されている場合、端面は流体から強い抵抗を受けるため（同じことであるが、流体から見ると、流体は端面から強い抵抗を受けるため）、圧力脈動が大きくなる。また、端面が、渦巻ポンプの回転軸の軸方向に対して斜めに配置されているが、第１ボリュートケーシングの端面の法線ベクトルの軸方向成分と、第２ボリュートケーシングの端面の法線ベクトルの軸方向成分が、互いに同じ方向を向いている場合、端面に働くお互いのスラスト力を打ち消すことができない。これは、流体から見ると、流体が端面から受けるスラスト力を打ち消すことができないことを意味するため、圧力脈動が大きくなる。

第１の形態では、第１ボリュートケーシングの端面の外向き法線ベクトルの、軸方向への正射影ベクトルと、第２ボリュートケーシングの端面の外向き法線ベクトルの、軸方向への正射影ベクトルは、互いに反対方向を向いているため、第１ボリュートケーシングの端面と第２ボリュートケーシングの端面に働くスラスト力をお互いに打ち消すことができる。結果として、圧力脈動が小さくなる。

第２の形態では、渦巻ポンプは両吸込渦巻ポンプである、という構成を採っている。

図１（ａ）は、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１を、図４のＡ方向から見た正面図であり、図１（ｂ）は、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２を、図４のＢ方向から見た正面図である。 図２は、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２を、図４のＢ方向から見た斜視図である。 図３は、端面の形状の他の例を示す図である。 両吸込渦巻ポンプを示す図であり、図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の左側面図、図４（ｃ）は図４（ａ）の正面図である。 羽根車１０をボリュートケーシング３１内に収納した状態を示す概略断面図（図４のＡ−Ａ断面図）である。 羽根車１０単体を示す図であり、同図（ａ）は平面図、同図（ｂ）は正面図、同図（ｃ）は断面図である。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係る渦巻ポンプについて、両吸込渦巻ポンプを例として説明する。本実施例は、図４〜図６に示す両吸込渦巻ポンプと比較したときに、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めと、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めの形状が異なる以外は、同じであるため、以下では、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めと、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めの形状についてのみ説明する。

図１により、本発明の一実施形態に係る両吸込渦巻ポンプの第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１と、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２の形状を説明する。図１（ａ）は、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１を、図４のＡ方向から見た正面図であり、図１（ｂ）は、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２を、図４のＢ方向から見た正面図である。図２は、図１（ｂ）と同様のものであり、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２を、図４のＢ方向から見た斜視図である。

図１（ａ）に示すように、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１の、両吸込渦巻ポンプの回転方向１２（図５を参照）における端面１４は、両吸込渦巻ポンプの回転軸の軸方向１６に対して斜めに配置される。同様に第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２の、両吸込渦巻ポンプの回転方向１２における端面１８は、両吸込渦巻ポンプの回転軸の軸方向１６に対して斜めに配置される。端面１４及び端面１８は、平面である。なお、端面１４及び端面１８は、曲面でもよい。

第１ボリュートケーシング３３−１の端面１４の外向き法線ベクトル２０の、軸方向１６への正射影ベクトル２２と、第２ボリュートケーシング３３−２の端面１８の外向き法線ベクトル２４の、軸方向１６への正射影ベクトル２６は、互いに反対方向を向いている。ここで外向き法線ベクトルとは、面に垂直な２個の法線ベクトルのうち、物体の外部に向かう向きを有する法線ベクトルである。端面１４及び端面１８が曲面の場合は、端面１４及び端面１８の各点に関して、同様に、外向き法線ベクトルが定義される。また、外向き法線ベクトル２０の、軸方向１６への正射影ベクトル２２とは、外向き法線ベクトル２０を軸方向１６に射影したベクトルである。外向き法線ベクトル２４の、軸方向１６への正射影ベクトル２６とは、外向き法線ベクトル２４を軸方向１６に射影したベクトルである。

図１、図２の実施例においては、端面１４及び端面１８は、回転方向１２における端面の全体が１つの平面から構成されている。本願発明では、必ずしも端面の全体が１つの平面から構成されていなくてもよい。そのような例を図３に示す。

図３（ａ）は、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１を、図４のＡ方向から見た正面図であり、図３（ｂ）は、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２を、図４のＢ方向から見た正面図である。図３（ａ）、図３（ｂ）では、端面の一部４２，４４が両吸込渦巻ポンプの回転軸の軸方向１６に対して斜めに配置される。端面の他の部分４６，４８は、両吸込渦巻ポンプの回転軸の軸方向１６に対して平行に配置される。斜めに配置される部分と、平行に配置される部分の割合は、スラスト力の状態により決定される。

端面の形状の他の例を図３（ｃ）、図３（ｄ）に示す。図３（ｃ）は、第１ボリュートケーシング３３−１の巻き始めｃ１を、図４のＡ方向から見た正面図であり、図３（ｄ）は、第２ボリュートケーシング３３−２の巻き始めｃ２を、図４のＢ方向から見た正面図である。図３（ｃ）、図３（ｄ）では、巻き始めｃ１及び巻き始めｃ２のそれぞれが、既述の端面１４，１８に相当する面を有する。

すなわち、巻き始めｃ１の、回転方向１２における端面は、２つの端面５０，５２から構成される。端面５０の外向き法線ベクトル５４の、軸方向１６への正射影ベクトル（図示せず）と、端面５２の外向き法線ベクトル５６の、軸方向１６への正射影ベクトル（図示せず）は、互いに反対方向を向いている。同様に、巻き始めｃ２の、回転方向１２における端面は、２つの端面５８，６０から構成される。端面５８の外向き法線ベクトル６２の、軸方向１６への正射影ベクトル（図示せず）と、端面６０の外向き法線ベクトル６４の、軸方向１６への正射影ベクトル（図示せず）は、互いに反対方向を向いている。図３（ｃ）、図３（ｄ）の端面においては、巻き始めｃ１及び巻き始めｃ２のそれぞれにおいて、スラスト力を局所的にバランスさせることができる。

以上の実施例においては、端面は、いずれも平面から構成されているが、本願発明は、これに限られるものではない。端面を曲面のみ、又は平面と局面が混在したものとしてもよい。また、端面は、軸方向１６に捩じれていてもよい。また、以上の実施例においては、ボリュートケーシングは２個であるが、本願発明はこれに限られるものではなく、ボリュートケーシングは３個以上でもよい。

ａ１、ａ２、ｃ１、ｃ２…巻き始め
Ｏ１…回転中心
１０…羽根車
１２…回転方向
１４，１８…端面
２０、２４…法線ベクトル
２２、２６…正射影ベクトル
３３−１，３３−２…ボリュートケーシング

Claims (2)

1. 第１ボリュートケーシング及び第２ボリュートケーシングを少なくとも有する渦巻ポンプにおいて、
   前記第１ボリュートケーシングの巻き始め及び前記第２ボリュートケーシングの巻き始めの、前記渦巻ポンプの回転方向における端面の少なくとも一部はそれぞれ、前記渦巻ポンプの回転軸の軸方向に対して斜めに配置され、
   前記第１ボリュートケーシングの前記斜めに配置された端面の外向き法線ベクトルの、前記軸方向への正射影ベクトルと、前記第２ボリュートケーシングの前記斜めに配置された端面の外向き法線ベクトルの、前記軸方向への正射影ベクトルは、互いに反対方向を向いていることを特徴とする渦巻ポンプ。
   
2. 前記渦巻ポンプは両吸込渦巻ポンプであることを特徴とする請求項１記載の渦巻ポンプ。

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