JP2019011734A

JP2019011734A - インペラ

Info

Publication number: JP2019011734A
Application number: JP2017129612A
Authority: JP
Inventors: 英吾山下; Eigo Yamashita; 達也木下; Tatsuya Kinoshita; 利造高橋; Toshizo Takahashi; 奨平梅本; Shohei Umemoto
Original assignee: Kawamoto Pump Mfg Co Ltd
Current assignee: Kawamoto Pump Mfg Co Ltd
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-24
Anticipated expiration: 2037-06-30
Also published as: JP6971662B2

Abstract

【課題】二次流れの改善が可能であって、且つ、低流量域におけるキャビテーションの対策が可能なインペラを提供すること。【解決手段】インペラ１は、円板状に構成され、中央に回転軸を挿入可能な裏シュラウド１１と、裏シュラウド１１の一方の主面に立設され、断面形状が少なくとも１つの変曲点で曲がる形状を有する複数の羽根１２と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、遠心ポンプ又は斜流ポンプに用いられるインペラに関する。

従来から、液体を二次側に圧送するポンプが知られている。このようなポンプは、シュラウドに複数の羽根が設けられたインペラを備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなインペラは、表シュラウド及び裏シュラウドの間に複数の羽根を有し、接続される回転軸により回転することで、ポンプケーシング内で液体を増圧させて、二次側に圧送する。

特表平１０−５０４６２１号公報

一般的に、インペラの内部においては、裏シュラウド及び表シュラウドにおいて圧力差が生じ、二次流れが生じている。この二次流れにより、損失が増加し、ポンプ効率の低下の要因となり、全揚程を示す揚程特性曲線が山形状となる。山形状の揚程特性曲線の右上がりの領域においては、サージングが生じる等、不安定な領域となる。また、この二次流れにより仕事量が減少し、揚程低下の要因となる。このため、損失が増加しないよう、二次流れの改善が求められていた。

また、インペラは、表シュラウド及び裏シュラウド側での周速差を要因による低流量域でのキャビテーションが生じる。このキャビテーションの対策として、入口側であって、且つ、裏シュラウド側の羽根を、裏シュラウドの中心側から外周縁側へ後退させることも知られている。しかしながら、この対策では、二次流れが増大するという問題があった。

また、特許文献１のインペラでは、羽根角度を変えることで二次流れの抑制を行っているが、角度変化が複雑であり、設計や製造が困難である、という問題もある。

そこで本発明は、二次流れの改善が可能であって、低流量域におけるキャビテーションの対策をおこなっても二次流れが増大せず、且つ、設計や製造が容易なインペラを提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、インペラは、円板状に構成され、中央に回転軸を挿入可能な裏シュラウドと、前記裏シュラウドの一方の主面に立設され、断面形状が少なくとも１つの変曲点で曲がる形状を有する複数の羽根と、を備える。

本発明は、二次流れの改善が可能であって、且つ、低流量域におけるキャビテーションの対策が可能なインペラを提供することができる。

本発明の一実施形態に係るインペラの構成を示す平面図。同インペラの構成を拡大して示す断面図。同インペラの隣り合う羽根の関係を示す断面図。同インペラの隣り合う羽根の関係を示す断面図。同インペラの隣り合う羽根の関係を示す断面図。同インペラの羽根における二次流れを示す説明図。従来のインペラの構成を拡大して示す断面図。従来のインペラの羽根における二次流れを示す説明図。一実施形態に係るインペラと従来のインペラの性能を比較して示す説明図。本発明の他の実施形態に係るインペラの構成を拡大して示す断面図。

以下、本発明の一実施形態に係るインペラ１を、図１乃至図９を用いて説明する。
図１は本発明の一実施形態に係るインペラ１の構成を表シュラウド１３側から示す平面図、図２はインペラ１の構成であって、特に、羽根１２の断面形状を図１中ＩＩ−ＩＩ線断面で示す断面図、図３乃至図５は、図１中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線、ＩＶ−ＩＶ線及びＶ−Ｖ線において、隣り合う羽根１２との関係を示す断面図、図６は羽根１２における液体の流れの解析結果を示す説明図である。

また、図７は一実施形態に係るインペラ１と性能を比較する、従来のインペラ１０１の羽根１１２の断面形状を示す断面図、図８は羽根１１２における液体の流れの解析結果を示す説明図である。図９は、インペラ１及びインペラ１０１における性能を比較して示す説明図である。

図１乃至図５に示すように、インペラ１は、裏シュラウド１１と、複数の羽根１２と、表シュラウド１３と、を備えている。本実施形態において、裏シュラウド１１、複数の羽根１２及び表シュラウド１３は、一体に構成される。図１の姿勢で見たときに、インペラ１は、反時計回りに回転する。

インペラ１は、インペラ１の外周側において生じる裏シュラウド１１及び表シュラウド１３の隙間が液体の吐出口を構成し、表シュラウド１３の中央に設けられる開口部１３ａが液体の吸込口を構成する。インペラ１は、遠心ポンプ又は斜流ポンプに用いられる。例えば、インペラ１は、ポンプのポンプケーシング内に配置されるとともに、モータに接続された回転軸に固定される。このようなインペラ１は、回転軸がモータにより回転することで、その吸込口から水等の液体を吸込むとともに、その内部を通過する液体を増圧して吐出口から吐出することで、二次側へ液体を圧送する。

裏シュラウド１１は、円板状に形成されたベース部２１と、ベース部２１の一方の主面の中央に形成され、その先端に向かって漸次縮径するとともに、その中心が開口する、略円錐台形状の突起部２２と、を備える。突起部２２の開口には、回転軸が貫通するように挿入され、そして固定される。

複数の羽根１２は、裏シュラウド１１及び表シュラウド１３の間に、周方向に等間隔に複数配置される。本実施形態において、羽根１２は、６枚設けられる。

羽根１２は、突起部２２の周囲からベース部２１の外周縁に向かって、長手方向が湾曲し、且つ、インペラ１の周方向に対して傾斜する方向に配置される。図２に示すように、羽根１２は、裏シュラウド１１及び表シュラウド１３間の断面形状が、長手方向の全長に渡って、又は、羽根１２の入口側の側縁、換言すると吸込側の縁部から外周側に向かって中途部まで少なくとも１つの変曲点で曲がる形状を有する。

例えば、羽根１２は、少なくとも自身の長手方向において、少なくとも一部、例えば中央側からインペラ１の吸込口側の端部までの範囲が、自身の長手方向に交差する方向に少なくとも１つの変曲点を有して湾曲する。さらに換言すると、羽根１２は、高さ方向、換言すると裏シュラウド１１及び表シュラウド１３と自身とが連続する部位を結ぶ直線に対して直交する方向であって、且つ、羽根１２の当該直線が位置する部位における羽根１２の長手方向の、換言すると羽根１２の当該直線が位置する部位における当該直線に直交する方向の接線に対して直交する方向に、少なくとも１つの変曲点で湾曲する形状に構成される。本実施形態においては、羽根１２は、図２乃至図５に示すように、羽根１２の入口側の側縁から外周側に向かって中途部まで、高さ方向で１つの変曲点を有する形状、即ち断面形状がインテグラル字状、換言すると、断面形状が凹凸するようにウェーブ状に湾曲して構成される。

具体例として、湾曲する断面形状を有する羽根１２の変曲点の位置は、羽根１２の高さ方向で、換言すると、裏シュラウド１１及び表シュラウド１３の間の中間位置から、表シュラウド１３側から（裏シュラウド１１に向かう方向で）２／３の位置までの範囲に設けられる。

具体例として、羽根１２は、インペラ１の軸方向において裏シュラウド１１側で、インペラ１の外周縁側、換言すると、ベース部２１の外周縁側（裏シュラウド１１の中心から離間する方向）に向かって突出するように湾曲し、同軸方向において他方側、即ち表シュラウド１３側で、インペラ１の中心側、換言すると突起部２２側（裏シュラウド１１の中心側）に向かって突出するように湾曲する。また、例えば、入口側の側縁の設計を容易とするために、羽根１２は、図１に示すように、平面視で見たときに、羽根１２の入口側の側縁が直線状に構成される。

また、羽根１２の入口部の中心角度θは、０°≦θ≦７０°とすることが望ましく、本実施形態では、例えば、θ＝３５°としている。ここで、中心角度θとは、インペラ１の中心と羽根１２の表シュラウド１３と接触する端部とを結ぶ中心線に対する羽根１２の入口部の端縁の角度である。なお、羽根１２の断面形状は、θ＞０°の場合、羽根１２の入口部側において、裏シュラウド１１側が切欠する形状となるが、羽根１２の入口部をθ＝０°まで延長したと仮定した場合に、羽根１２の入口部の断面形状は直線状ではなく、少なくとも１つの変曲点で湾曲する形状となる断面形状に構成される。

また、羽根１２は、変曲点を１つとした場合においては、例えば、図２に示すように、入口近傍の羽根１２の曲率半径Ｒ１及びＲ２は同じ曲率半径に設定される。また、Ｒ３及びＲ４は、それぞれ、Ｒ１及びＲ２に羽根１２の肉厚が加減された曲率半径となる。例えば、本実施形態の羽根１２においては、例えば、羽根１２の肉厚が本実施形態においては５ｍｍで一定に構成され、Ｒ１＝３０ｍｍ、Ｒ２＝３０ｍｍ、Ｒ３＝３５ｍｍ、Ｒ４＝２５ｍｍに設定される。

表シュラウド１３は、円板状に形成され、中央にインペラ１の吸込口を構成する開口部１３ａを有する。

次に、このように構成されたインペラ１及び比較例として従来のインペラ１０１の液体の流れの解析結果及び性能について図２、図６乃至図９を説明する。なお、図９の性能曲線においては、本実施形態に係るインペラ１の性能結果を実線で、比較例のインペラ１０１の性能結果を一点鎖線で示す。

なお、従来のインペラ１０１は、低流量域においてキャビテーションの発生を抑制するために対策を行ったものであり、入口側であって、且つ、裏シュラウド側の羽根を、裏シュラウドの中心側から外周縁側へ後退させている。また、従来のインペラ１０１と本実施形態に係るインペラ１は、羽根の断面形状を除き同じ寸法に構成され、また、比速度Ｎｓが４５０、インペラ外径が３００に構成されたものを用いて比較した。このインペラ１０１は、裏シュラウド１１及び表シュラウド１３の間に６枚の羽根１１２が設けられており、この羽根１１２は、図７に示すように、断面形状が直線状に構成される。

先ず、本実施形態に係るインペラ１の流体解析を行った結果、液体の流れは、図６に矢印で示すように、羽根１２の長手方向に沿って、インペラ１の吸込口側から吐出口側へと径方向に延びる流れとなった。

これに対し、従来のインペラ１０１の流体解析を行った結果、液体の流れは、図８に矢印で示すように、羽根１１２の長手方向で中央側において、表シュラウド１３に当たり、その後、吐出口に向かって移動する流れとなった。即ち、液体の二次流れが生じる結果となっていた。

また、このような本実施形態のインペラ１と従来のインペラ１０１の性能を比較すると、本実施形態のインペラ１においては、図９に示す特性曲線に示すように、全揚程及びポンプ効率ともに、従来のインペラ１０１に比べて性能が向上する結果となった。特に、図９に示す全揚程の揚程特性曲線のように、インペラ１は、低流量域においても、全揚程が向上する結果となった。即ち、インペラ１０１に比べてインペラ１は、山形状の揚程特性曲線において、所謂右上がり揚程特性が低減する結果となった。これは、本実施形態のインペラ１の構成とすることで、従来のインペラ１０１のように吸込口から吸い込まれた液体が一度表シュラウド１３に当たる二次流れが低減し、液体がインペラ１の吸込口から吐出口まで略直線状となる流れとなったため、即ち従来のインペラ１０１で生じていた二次流れが改善できたためであることが考えられる。

これにより、本実施形態のインペラ１の構成とすることで、同じ外径のインペラの場合には、より高い全揚程を得ることができ、同じ全揚程でもよい場合には、外径の小さいインペラとすることで、よりコンパクトなポンプを提供することができる。

また、このような本実施形態のインペラ１と従来のインペラ１０１の性能を比較すると、本実施形態のインペラ１においては、高流量域において、全揚程及びポンプ効率が向上する結果となった。これは、本実施形態のインペラ１の構成とすることで、二次流れを抑制することができ、二次流れによる損失を低減できたためであると考えられる。

上述したように本発明の一実施形態に係るインペラ１によれば、羽根１２の断面形状を少なくとも吸込口側で凹凸を設けてウェーブ状とすることで、二次流れの改善が可能であって、且つ、低流量域におけるキャビテーションの対策が可能となる。また、インペラ１は、遠心ポンプ又は斜流ポンプに用いることができる。換言すると、インペラ１は、比速度Ｎｓは１００〜８００において用いることができる。

なお、本発明は上記実施形態で述べたインペラ１に限定されない。例えば、上述した例では、インペラ１は、表シュラウド１３を有する構成を説明したが、例えば、表シュラウド１３と同様の形状の内面をポンプケーシングに設け、ポンプケーシングの当該内面を表シュラウド１３の代わりとする構成であってもよい。

また、上述した例では、羽根１２の少なくとも１つ以上の変曲点を有する湾曲する部位の範囲は適宜設定可能であり、例えば、羽根１２は、インペラ１の入口から出口に渡って湾曲する構成であってもよく、また、入口より１／３程度の範囲で湾曲する構成であってもよい。なお、入口から所定の範囲で湾曲する羽根１２の場合には、曲率半径Ｒ１及びＲ２は、回転軸の中心から遠ざかるにつれて漸次拡径するか、又は、湾曲しない部位が直線状に構成される。

また、上述した羽根１２は、具体例として変曲点を１つ有する構成を説明したがこれに限定されず、複数の変曲点を有する構成であってもよい。即ち、二次流れを改善できる構成であれば、変曲点が２つであってもよく、また、３つ以上であってもよい。即ち、少なくとも一部が裏シュラウド１１から表シュラウド１３までの間に１つ以上の変曲点を有して湾曲する羽根１２によって二次流れを改善し、性能の向上が可能な構成であれば、インペラ１の外径や羽根の枚数、形状等に応じて、適宜設定可能である。

また、上述した例では、インペラ１は羽根１２を６枚有する構成を説明したがこれに限定されず、他の枚数であってもよい。

また、上述した例では、全ての羽根１２において、少なくとも１以上の変曲点を有する断面形状を有する構成を説明したが、これに限定されず、例えば、断面形状が湾曲する羽根１２と直線状の羽根とが交互に配置されるインペラ１であってもよい。

さらに、他の実施形態として、図１０に示すインペラ１Ａの羽根１２Ａのように、断面形状が２箇所の変曲点で曲がるとともに、裏シュラウド１１及び表シュラウド１３間に直線状に伸びる構成であってもよい。即ち、断面形状において、インペラ１Ａの裏シュラウド１１から表シュラウド１３に向かって一部が直線状であり、一部が湾曲又は曲折する構成であってもよい。

即ち、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形態には種々の発明が含まれており、開示される複数の構成要件から選択された組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、課題が解決でき、効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。

１…インペラ、１１…裏シュラウド、１２…羽根、１３…表シュラウド、１３ａ…開口部、２１…ベース部、２２…突起部、１０１…インペラ、１１２…羽根。

Claims

円板状に構成され、中央に回転軸を挿入可能な裏シュラウドと、
前記裏シュラウドの一方の主面に立設され、断面形状が少なくとも１つの変曲点で曲がる形状を有する複数の羽根と、
を備えるインペラ。
前記羽根は、前記裏シュラウドの軸方向で前記裏シュラウド側が前記裏シュラウドの中心から離間する方向に突出して湾曲し、前記裏シュラウドの軸方向で他側前記裏シュラウドの中心に向かって突出して湾曲する、請求項１に記載のインペラ。
前記羽根の入口側の中心角度θは、０°≦θ≦７０°である、請求項１に記載のインペラ。
前記羽根の湾曲する断面形状の変曲点は、前記羽根の高さ方向で中間位置から、前記裏シュラウドに向かう方向で２／３の位置までの範囲に設けられる、請求項１に記載のインペラ。
中心に吸込口を有し、前記複数の羽根を覆う、前記裏シュラウドと対向して設けられる表シュラウドを備える、請求項２乃至請求項４のいずれか一項に記載のインペラ。