JP2018529880A - 低キャビテーションのインペラおよびポンプ - Google Patents

Abstract

遠心ポンプのための低キャビテーションインペラが提供される。インペラは、吸入部分から吐出部分まで滑らかな流路を提供する。連続性の主ブレードは、吸入中心部の前縁からインペラの吐出部分の後縁まで延び、連続性の第２ブレードは、移行部において前縁からインペラの吐出部分の後縁まで延びている。

Description

本発明は、遠心ポンプのためのインペラに関する。より詳細には、キャビテーションを抑えて動作中の故障を防止する軸方向及び径方向におけるインペラの組み合わせに関する。

インペラブレードを用いる遠心ポンプは周知である。遠心ポンプおよびインペラブレードは、特許文献１および特許文献２に記載されている。

米国特許第８９９８５８２号明細書 欧州特許出願第８９３０８８６９．０．号明細書

一実施形態において、遠心ポンプのインペラは、回転軸と、回転軸に沿って吐出端部に対向して位置する吸入端部と、少なくとも２枚の主ブレードと、少なくとも２枚の第２ブレードとを備え、吸入端部は、吸入中心部を備え、各主ブレードは、主ブレードの前縁から後縁まで延びる連続した突条であり、各主ブレードの前縁は、吸入中心部に隣接し、各主ブレードの後縁は、吐出端部の第１半径を形成し、各主ブレードは、主ブレードの前縁から後縁に向かって吸入端を中心とするらせん状の経路に続き、各主ブレードは隣接する主ブレードとの間に連続した吸入チャネルを形成し、各主ブレードは吸入端部と吐出端部の間とに移行部を備え、各主ブレードは、吐出端部において、回転軸に対し径方向において直交して延びる長さと回転軸と並行に延びる高さとを備え、各第２ブレードは、第２ブレードの前縁から後縁まで延びる連続した突条であり、各第２ブレードの前縁は、２枚の隣接する主ブレードの２つの隣接する移行部の間に配置され、各第２ブレードの後縁は、吐出端部の第１半径に等しい吐出端部の第２半径を形成し、各第２ブレードは、２つの吐出チャネルを形成し、各吐出チャネルは、第１壁と、第２壁と、第１壁と第２壁を連結する床部によって形成され、各吐出チャネルの第１壁は、第２ブレードの一の表面であり、各吐出チャネルの第２壁は、第１壁を形成する第２ブレードの一の表面に対向する、隣接する主ブレードの表面であり、各吐出チャネルの床部は、第１壁を第２壁に連結するインペラの表面である。

他の実施形態または他の実施形態の組み合わせにかかる別の実施形態では、各吐出チャネルは、その床部にバランス孔を備える。他の実施形態または他の実施形態の組み合わせでは、遠心ポンプのインペラは、４枚の主ブレードと４枚の第２ブレードとを備える。他の実施形態または他の実施形態の組み合わせでは、遠心ポンプは、各主ブレードの後縁と各第２ブレードの後縁の間に径方向の切り欠きを備え、径方向の切り欠きは、第１半径と第２半径よりも小さい第３半径を有するインペラの一部である。

他の実施形態または他の実施形態の組み合わせにかかる別の実施形態では、各第２ブレードは、第２ブレードの前縁から後縁に至るまで隣接する各主ブレードから等距離の位置にある。

他の実施形態または他の実施形態の組み合わせにかかる別の実施形態では、各第２ブレードは、隣接する主ブレード部分と幾何学的に類似している。
他の実施形態または他の実施形態の組み合わせにかかる別の実施形態では、移行部は、各吸入チャネルと吐出端部との間に連続した流体経路を形成する。

他の実施形態または他の実施形態の組み合わせにかかる別の実施形態では、各第２ブレードは、回転軸に対し径方向において直交して延びる長さと回転軸と並行に延びる高さとを備える。

他の実施形態または他の実施形態の組み合わせにかかる別の実施形態では、各第２ブレードの高さは、各主ブレードの高さと同一である。
別の実施形態では、遠心ポンプは、ここで説明した特徴、または特徴の組み合わせを具備するインペラを備える。

本願発明は、類似の参照番号により類似の要素を特定した添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することにより理解することができる。

遠心ポンプで使用されるインペラの一実施形態を示す斜視図。 本願発明にかかるインペラと同一の実施形態を示す別の斜視図。 本願発明のインペラの一実施形態を備える遠心ポンプの横断面図。

本願発明の一実施形態は、遠心ポンプとともに使用されるインペラであり、別の実施形態は、インペラを備える遠心ポンプである。本願発明のインペラは、ポンピングされる流体に軸方向の流れを付与する吸入部分（または、第１段階）と、流体に径方向の流れを付与する吐出部分（または、第２段階）とからなるため、軸方向インペラと径方向インペラの組み合わせ、または２段階インペラとして説明することができる。

図１は、本願発明のインペラの一実施形態を示す斜視図である。インペラ１００は、吸入端部１０２と、吐出端部１０４とからなる。回転軸を中心としてインペラが回転すると、流体は、中心部１０６においてインペラの吸入端部近傍の遠心ポンプのポンプチャンバーに流れ込み、インペラブレードによって加速されて、ポンプチャンバーからインペラを取り囲むポンプのらせん状のケーシング中に流出する。

本願発明にかかるインペラは、複数の主ブレード１０８（羽根とも称する）からなり、主ブレードは、吸入端部の前縁１１８から吐出端部の後縁１２０まで連続的に延びる突条である。吸入端部１０２において、主ブレード１０８は、前縁１１８から吐出端部１０４に向かって回転軸を中心にらせん状に延びる。吸入端部１０２と吐出端部１０４の間の部分は、移行部１１４である。この移行部１１４において、主ブレード１０８の延伸状態は、らせん状の延伸から軸方向または径方向の延伸に移行する。

各主ブレードは、インペラの回転軸に直交して径方向に延びる長さ１１６と、回転軸と並行なブレード高さ１３２と、移行部１１４と、らせん部１０２とを備える。回転軸に直交する部分１１６は、後縁１２０から前縁１１８に向かって延びて移行部１１４の一端に終わる。移行部分１１４は、らせん形状の吸入端部１０２を回転軸に直交する部分１１６に連結する。

米国特許第８，９９８，５８２号明細書に開示されるインペラの先行技術は、ブレードの吸入部分と吐出部分との間に間隙、即ち不連続分性を有する。先行技術と本願発明との違いは、本願発明の各主ブレード１０８が、前縁１１８から後縁１２０まで連続する突条であることである。この結果、吸入端部の前縁から移行部を通って吐出端部に至るまで連続した吸入チャネル、すなわち流路が存在する。以下でより詳細に説明するが、流路は、第２ブレード１１０によって２つのチャネル、すなわち２つの流路に分かれる。この構造により、吸入部分の軸流（軸方向の流れ）から吐出部分の径流（径方向の流れ）へと流体を滑らかに移行させてポンピングすることができる。

本願発明のインペラ１００は、少なくとも１つの第２ブレード１１０を備える。各第２ブレード１１０は、主ブレード１０８の後縁１２０に類似する後縁１２４を備える。第２ブレード１１０は、後縁１２４から前縁１２２まで延びる突条を備える。各第２ブレード１１０の前縁１２２は、隣接する各主ブレード１０８の移行部１１４の間に配置される。各第２ブレードは、インペラの回転軸から径方向に延びる長さと、回転軸に沿って並行に延びる高さとを備える。好ましい実施形態では、第２ブレードのこの部分は、隣接する各主ブレード１０８の隣接する部分と幾何学的に類似している。加えて、一実施形態では、各第２ブレードは、隣接する主ブレードから等距離をおいてインペラに配置される。

各第２ブレード１１０は、第２ブレードの両側において主ブレード１０８によって画定された連続する吸入チャネル１２６を連続する２つの吐出チャネル１２８，１３０に分ける。各吐出チャネル１２８，１３０は、第２ブレード１１０と隣接する主ブレード１０８との間の間隙として形成されている。各吐出チャネル１２８，１３０は、第２ブレード１１０の前縁１２２と主ブレード１０８上で周方向において隣接する箇所との間の領域から、第２ブレード１１０の後縁と主ブレード１０８の後縁との間の領域まで延びる。各吐出チャネル１２８，１３０は、第１壁と第２壁と第１壁を第２壁に連結する床部によって形成される。第１壁は主ブレードの表面からなり、第２壁は第１壁をなす主ブレードの表面に対向する隣接する第２ブレードの表面からなる。床部は、第１壁と第２壁を連結するインペラの表面である。吐出チャネル１２８，１３０の一方または両方は、下記に説明するバランス孔を備える。

好ましい実施形態において、各吐出チャネルは床面に径方向に延びる切り欠き１３４を備える。切り欠き１３４によりインペラの吐出端部における外縁の半径が、主ブレードの後縁または第２ブレードのインペラの後縁の半径よりも小さくなっている。この切り欠き１３４によって、インペラの背面にかかる軸方向の負荷を軽減することができる。しかしながら、この切り欠きは、回転軸心に向かって深く延びることはない。従って、インペラブレードの構造的な一体性に影響を与えることはない。

好ましい実施形態において、インペラは、少なくともひとつのバランス孔１１２を備える。バランス孔によって、インペラの側板の前方と後方にかかる圧力を均一にすることができる。バランス孔がない場合には、インペラの後方に大きな圧力がかかりすぎ、軸方向の推力荷重が増加して軸受部の故障リスクが増大する。

図２は、取り付けアセンブリ１４０とともに図１に示したインペラを示した別の斜視図である。取り付けアセンブリ１４０は、インペラを、下記で詳細に説明するギアボックスによって駆動されるクランクシャフトなどの駆動手段に取り付ける際に使用される。取り付けアセンブリは、キー結合、スプライン結合、ねじ結合、ボルトとナットによる結合、または、当該技術分野で周知のその他の取り付けアセンブリを用いてインペラを取り付けることが可能である。

図３は、本願発明のインペラの一実施形態を備える２段遠心ポンプ２００の一実施形態を示した横断面図である。２段ポンプは、第１段２０６とインペラの中心部１０６に対応する第１吸入口２１６とを備える。流体は、吸入口２１６を通り、吸入部分１０２と吐出部分１０４とを通って、らせん状ケーシング２１０内に流入する。インペラは、インペラに連結されたクランクシャフト２１２によって回転軸心を中心に回転される。クランクシャフト２１２は、ギアボックス２０４によって回転される。

らせん状ケーシング２１０（図示せず。図３の横断面図において紙面に向かって延びている）は、２段遠心ポンプ２００の第２段２０８の吸入口２１８に供給する流体吐出チャネルに連通している。流体は、吸入口から第２インペラを介して吐出のらせん状ケーシング２２０より外部に流出する。第２インペラは、ギアボックス２０４によって回転されるクランクシャフト２２２にて回転軸を中心に回転される。第２インペラは、本願発明にかかるインペラではないことが好ましい。これは、第２段の吸入口２１８では、圧力が十分に高く、従来のインペラが空洞を生じることなく、すなわち性能を低下させることなく、使用できるためである。

図３に示した実施形態は、２段遠心ポンプであるが、本願発明にかかるインペラは、１段ポンプ等、どのようなポンプと連結しても使用することができる。
本願発明にかかるインペラが装置使用者に提供する有利な点は、ポンプの動作中のキャビテーションを軽減することである。キャビテーションは、流体の内の加速度を不均一にする局所的な流体分離や後方流によって圧力が低下した場所で気泡が形成されることによって生じる。ポンプ内部の圧力が正常化されると、気泡が加圧されて破裂し、破裂した近傍のインペラ表面に損傷を与える。これは、インペラの吸入中心部で起こることが分かっており、米国特許第８，９９８，５８２号明細書に開示されているインペラでは、吐出部分をなす径方向ブレードの前縁において、吸入ブレードと吐出ブレードの間の間隙で生じることが明らかにされている。

キャビテーションは、遠心ポンプにおける主な問題であり、かつ、ポンプが正しく設計されたインペラや適当な量の吸入ヘッドを有する場合でも生じる。存在することが分かっていても、設計から除去することは困難である。キャビテーションに対する周知の対処方法は、吸入ケースの形状や、らせん形状、吸入部分のデザインを変更すること、ブレードの縁に丸みを持たせること、または、インペラの速度を落とすことなどである。これらの従前の方法では、一般的にインペラの中心部においてキャビテーションを除去することはできない。

本願発明は、再灌流や流体分離または逆流を招くことなく、インペラブレードの流路全体、および、ポンプの動作包絡線の全体に沿って、インペラの中心部においてキャビテーションをほぼ減少、または除去することができることが示されている。一実施形態では、本願発明にかかるインペラは、既存のポンプ設計に設置可能なサイズにされ、かつ、新規の装置デザインを有するインペラと容易に置換することができる。本願発明にかかるインペラは、既存のポンプに設置することができ、キャビテーション損傷を引き起こすことなく定格流量の１２０％以上、または最高効率点（best efficient point：BEP）を可能にする。

本願発明は、様々な変更形態と代替形態とが可能であるが、それらのうちの特別な実施形態が、例示することを目的として図面に示され詳細に説明されている。しかしながら、ここで説明した特別な実施形態は、本願発明を開示した特定の形態に限定することを意図したものではないことに留意しなければならない。

Claims (10)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に沿って吐出端部に対向して位置する吸入端部と、
   少なくとも２つの主ブレードと、
   少なくとも２つの第２ブレードと、
   前記吸入端部が吸入中心部を備えることと、
   前記主ブレードの各々が、その前縁から後縁まで延びる連続した突条であることと、
   前記主ブレードの各々の前縁が、前記吸入中心部に隣接し、前記主ブレードの各々の後縁が、前記吐出端部の第１半径を形成することと、
   前記主ブレードの各々が、その前縁から後縁に向かって前記吸入端部を巻くようならせん状の流路に続き、前記主ブレードの各々が、隣接する主ブレードとの間に連続する吸入チャネルを形成することと、
   前記主ブレードの各々が、前記吸入端部と前記吐出端部との間に移行部を備えることと、
   前記主ブレードの各々が、前記吐出端部において、前記回転軸に対して径方向において直交して延びる長さと前記回転軸と並行に延びる高さとを備えることと、
   前記第２ブレードの各々が、その前縁から後縁まで延びる連続した突条であることと、
   前記第２ブレードの各々の前縁が、隣接する２つの主ブレードの隣接する２つの移行部の間に配置されることと、
   前記第２ブレードの各々の後縁が、前記吐出端部の第１半径に等しい前記吐出端部の第２半径を形成することと、
   前記第２ブレードの各々が２つの吐出チャネルを形成し、各吐出チャネルは第１壁と、第２壁と、第１壁と第２壁を連結する床部により形成され、各吐出チャネルの前記第１壁は第２ブレードの表面であり、各吐出チャネルの前記第２壁は前記第１壁を形成する第２ブレードの表面に対向して隣接する主ブレードの表面であり、各吐出チャネルの前記床部は前記第１壁と前記第２壁を連結するインペラの表面であることと、
   からなる遠心ポンプのインペラ。
2. 前記吐出チャネルの各々は、床部にバランス孔を備える、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
3. ４枚の主ブレードと４枚の第２ブレードとを備える、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
4. 前記主ブレードの各々の後縁と前記第２ブレードの各々の後縁との間に径方向の切り欠きをさらに備え、前記径方向の切り欠きは、前記第１半径と前記第２半径よりも小さな第３半径を有する前記インペラの一部分からなる、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
5. 前記第２ブレードの各々は、その前縁から後縁まで隣接する前記主ブレードの各々から等距離の位置にある、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
6. 前記第２ブレードの各々は、隣接する主ブレードと幾何学的に類似している、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
7. 前記移行部は、前記吸入チャネルと前記吐出端部の間に連続した流路を形成する、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
8. 前記第２ブレードの各々は、前記回転軸から径方向に直交して延びる長さと、前記回転軸に並行して延びる高さとを備える、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
9. 前記第２ブレードの各々の前記高さは、前記主ブレードの各々の高さと同一である、請求項１に記載の遠心ポンプのインペラ。
10. 請求項１に記載のインペラを備える遠心ポンプ。
    

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