JP2019190338A - 自吸式ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】自吸時間を短縮できる自吸式ポンプを提供する。【解決手段】実施形態にかかる自吸式ポンプは、所定の回転軸を中心に回転可能であり、前記回転軸の軸方向における一方側と他方側を連通させる第１戻し孔を有する、第１シュラウドと、第１シュラウドに形成された１枚以上の羽根部材と、を備えるインペラと、前記インペラの前記軸方向における一方側に対向配置されるとともに、前記軸方向の一方側と他方側を連通させる第２戻し孔を有するガイドベーンと、を備える。【選択図】 図３

Description

本発明は、自吸運転を行う自吸式ポンプに関する。

自吸式ポンプは、通常運転である揚水運転と、起動開始時から揚水運転に移行するための自吸運転とを行う。このような自吸式ポンプの自吸運転において、インペラが回転することで、ケーシング内の空気が水に混合され、気液混合水として吐出室に吐出される。これにより吸込室に負圧が発生し、吸込口に接続されている揚水配管内の空気が吸上げられる。吐出室に吐出された気液混合水は、吐出室内で、空気と水とに分離する。分離した水は再び吸込室に環流され、インペラによりケーシング内の空気と混合されて吐出室に吐出される。自吸式ポンプはこのプロセスを繰り返すことで、揚水配管内の水面を上昇させ、水面が吸込口の高さに達したら、揚水運転に移行する。

特開２００１−５０１６８号公報

自吸式ポンプにおいて、自吸時間が長くなると自吸中に水温が上昇することになり、空気の量が増えすぎてしまう原因となり、自吸不良を起こす。このため、自吸式ポンプにおいて、自吸時間を短縮する技術が望まれている。

そこで、本発明は、自吸時間を短縮できる自吸式ポンプを提供することを目的とする。

実施形態にかかる自吸式ポンプは、回転軸、前記回転軸に設けられ前記回転軸の軸方向における一方側と他方側を連通させる第１戻し孔を有する第１シュラウド、及び前記第１シュラウドに形成された１枚以上の羽根部材、を具備するインペラと、前記インペラの前記軸方向における一方側に対向配置され前記軸方向の一方側と他方側を連通させる第２戻し孔を有するガイド板、及び１枚以上の案内羽根、を具備するガイドベーンと、を備える。

本発明によれば自吸時間を短縮できる自吸式ポンプを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかる自吸式ポンプの断面図。 同自吸式ポンプの側面図。 同自吸式ポンプの一部の構成を拡大して示す断面図。 同自吸式ポンプのインペラの一方側の側面図。 同インペラの他方側の側面図。 同自吸式ポンプのガイドベーンの一方側の側面図。 同ガイドベーンの他方側の側面図。 同自吸式ポンプの戻し孔の位置関係と自吸時間の対応を示す説明図。

以下、本発明の一実施形態にかかる自吸式ポンプ１０について、図１乃至図８を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態にかかる自吸式ポンプ１０の断面図であり、図２は自吸式ポンプの側面図である。図３は、図１の一部の構成を拡大して示す断面図である。図４及び図５は、インペラ１４を一方及び他方をそれぞれ示す側面図である。図６はガイドベーン１５の一方側の構成を示す側面図であり、図７はガイドベーン１５の他方側の構成を示す側面図である。図８は、自吸式ポンプ１０の第１戻し孔４１ｂと第２戻し孔５１ｃの位置関係と自吸時間の対応を示す説明図である。

自吸式ポンプ１０は、架台１１と、架台１１上に設置されたモータ１２と、架台１１上に設置されたポンプケーシング１３と、ポンプケーシング１３内に収容されたインペラ１４と、ポンプケーシング１３内においてインペラ１４に対向配置されたガイドベーン１５と、モータ１２の回転軸１２ａ周りに装着されたシール装置１６と、を備える。自吸式ポンプ１０は、流体を増圧して二次側に圧送するポンプ装置であり、回転軸１２ａが水平方向に沿う姿勢で横置きされている。自吸式ポンプ１０は、例えば一次側に揚水配管が接続され、二次側に吐出配管が接続され、自吸式のポンプユニットを構成する。

架台１１は、所定高さに配される水平の設置面１１ａを有する。架台１１は、設置面１１ａ上にモータ１２及びポンプケーシング１３の下部を支持する。

モータ１２は、架台１１上に設置され、水平に延びる回転軸１２ａを備える。回転軸１２ａの一端にインペラ１４が設けられている。モータ１２は、制御部により回転駆動されることで、回転軸１２ａに固定されたインペラ１４を回転させる。

ポンプケーシング１３は、例えば、ケーシング３１と、カバー３２と、を備え、内部にインペラ１４及びガイドベーン１５を収容するポンプ室３８を形成する。ポンプケーシング１３はモータ１２の一方に配置され、架台１１に固定されている。

ケーシング３１は、樹脂または金属材料で構成され、筒状のケーシングボディ３３と、吸込部３４と、吐出部３５と、隔壁部３６と、を一体に備える。

ケーシングボディ３３は、筒状に構成され、インペラ１４及びガイドベーン１５の外周を囲む。ケーシングボディ３３の軸方向一端側に吸込部３４が連続して配される。ケーシングボディ３３の他端側は、カバー３２によって閉塞される開口３３ａを形成している。ケーシングボディ３３の下部にはプラグ３９の着脱により開閉されるプラグ孔３３ｂが形成されている。

吸込部３４は、筒状に構成され、軸方向の一方側に開口する吸込口３４ａを有するとともに吸込口３４ａに連通する吸込室３８ａを形成する。吸込室３８ａには、逆止弁３７が設けられている。

吐出部３５は、筒状に構成され、ケーシングボディ３３の上部に連続して配される。吐出部３５は、上向きに開口する吐出口３５ａを有するとともに、ポンプ室３８の上部に連通する吐出室３８ｃを形成する。

隔壁部３６は、インペラ１４の一次側と二次側とを区画する壁状部材である。

カバー３２は、金属材料で構成され、モータ１２の一端に接続される第１カバー体３２ａと、ケーシングボディ３３の開口を塞ぐ円盤状の第２カバー体３２ｂと、を一体に連続して備える。第１カバー体３２ａは内周縁がモータ１２の一端の外周縁に接続されるとともに、外周縁が第２カバー体３２ｂの外周縁に接続されている。第２カバー体３２ｂの中央にはシール装置１６を介して回転軸１２ａが通る軸孔３２ｃが形成されている。第２カバー体３２ｂは径方向中央側が軸方向においてモータ１２側に隆起している。

ポンプケーシング１３内の空間であるポンプ室３８に、インペラ１４及びガイドベーン１５が配されることにより、吸込口３４ａからインペラ１４の流入口１４ａに至る吸込室３８ａと、インペラ１４の流出口１４ｂの二次側に配される分離室３８ｂと、分離室３８ｂの上部に連続して吐出口３５ａに至る吐出室３８ｃと、インペラ１４の裏側に形成される後室３８ｄと、が形成される。

インペラ１４は、第１シュラウド４１と、第１シュラウド４１の一方の面に形成された１枚以上の羽根部材４２と、羽根部材４２を挟んで第１シュラウド４１の一方側に対向配置された第２シュラウド４３と、を備える。インペラ１４は、回転軸１２ａを中心に回転可能に支持されている。

第１シュラウド４１は円形の板状に構成され、中央に軸孔４１ａを有している。第１シュラウド４１は、ポンプケーシング１３のカバーとの間にギャップＧ１が形成されている。また、第１シュラウド４１の径方向の中央側は軸方向の一方側に隆起しており、第１シュラウド４１の裏側において、モータ１２側に隆起する第２カバー体３２ｂとの間に、後室３８ｄが形成されている。

第１シュラウド４１には、第１シュラウド４１を厚さ方向に貫通する貫通孔である第１戻し孔４１ｂが形成されている。第１戻し孔４１ｂは、例えば直径ｄ１はφ２ｍｍ〜φ４ｍｍ程度に設定され、本実施形態においてはｄ１＝φ２．５ｍｍとした。第１戻し孔４１ｂによって、第１シュラウド４１の軸方向一方側（表側）と、第１シュラウド４１の軸方向他方側（裏側）の後室３８ｄとが、連通する。

第１戻し孔４１ｂは各羽根部材４２の回転の周方向における後ろ側、すなわち、羽根部材４２の湾曲の内側であって、インペラ１４の回転により低圧となる位置に、形成されている。また、第１戻し孔４１ｂは、回転軸１２ａと各羽根部材４２の径方向内側の端部４２ａとを結ぶ線分Ｌ１の近傍に配置され、好ましくは当該線分Ｌ１上に形成されている。

羽根部材４２は、複数枚、例えば本実施形態においては５枚、周方向に等間隔で設けられている。複数の羽根部材４２は、第１シュラウド４１の外縁から、所定の曲率で湾曲し、中心部に向かって延びている。羽根部材４２の径方向内側の端部４２ａは、第２シュラウド４３の内縁よりも内側の所定箇所に至る。

第２シュラウド４３は、中央に流入口１４ａとなる円形の開口を４３ａ有する円環状の側板である。第２シュラウド４３は、中央側が軸方向一端側に向けて傾斜するとともに、中央のインペラ１４の流入口１４ａに、軸方向に沿って立ち上がる開口縁部を有する。

インペラ１４は、一方側の第２シュラウド４３の中央部に円形の流入口１４ａが形成され、外周部の第２シュラウド４３と第１シュラウド４１との間に、流体を排出する流出口１４ｂが形成される。インペラ１４はモータ１２の駆動により回転することで、流入口１４ａから流体を吸込み、外周の流出口１４ｂから外方かつ周方向に向けて、流体を排出し、流体を一次側から二次側へ圧送する。

ガイドベーン１５は、インペラ１４の軸方向一方側に対向配置される。ガイドベーン１５は、インペラ１４の一方側に対向配置されるガイド板５１と、ガイド板５１のインペラ１４側の主面に形成された複数の案内羽根５２と、を備える。

ガイド板５１は中心に開口５１ａを有するとともに、インペラ１４の第１シュラウド４１よりも大径の円弧状の第１縁部と、径方向内側に湾曲して退避する第２縁部と、を交互に有する形状の外周縁を備える。ガイド板５１の開口５１ａの縁部にはＯリング５１ｄを収容する凹部が形成され、Ｏリング５１ｄを介してポンプケーシング１３に組付けられる。複数の案内羽根５２はガイド板５１の他方の主面からインペラ１４側に立設されるとともに、径方向外側が回転の周方向に沿うように湾曲している。案内羽根５２は、インペラ１４の外周に配され、インペラ１４から流出する流体を径方向外方に案内する。ガイドベーン１５はインペラ１４との間に所定のギャップＧ２を介して、対向配置される。ギャップＧ２は好ましくは、０．５ｍｍ〜２ｍｍに構成され、本実施形態においては１ｍｍとした。

ガイドベーン１５のガイド板５１には、ガイド板５１を厚さ方向、すなわちモータ１２の軸方向に貫通する、第２戻し孔５１ｃが形成されている。第２戻し孔５１ｃは、各案内羽根５２の径方向内側に１つずつ、すなわち案内羽根５２と同数、設けられている。具体的には６枚の案内羽根５２に対応して６つの第２戻し孔５１ｃが等間隔で配置されている。第２戻し孔５１ｃは、インペラ１４の第１戻し孔４１ｂがインペラ１４の回転により相対的に通過する位置に、対向配置されている。すなわち、第１戻し孔４１ｂと第２戻し孔５１ｃは、回転軸１２ａからの距離が同等に構成され、軸方向に見た場合に同じ円周上に複数の第１戻し孔４１ｂと複数の第２戻し孔５１ｃが並んで配列される。具体的には一例として、第１戻し孔４１ｂの軸心からの距離は第２戻し孔５１ｃの軸心からの距離の９０％以上１１０％未満に設定され、好ましくは軸心からの距離が等しく構成されている。また、第１戻し孔４１ｂ及び第２戻し孔５１ｃは、回転軸の中心Ｃ１からの距離がインペラの流入口の半径よりも大きく、インペラの流入口の開口縁よりも外周側に配されている。第２戻し孔５１ｃの直径ｄ２は、第１戻し孔４１ｂの直径ｄ１よりも大きく、例えば４ｍｍ〜６ｍｍ程度の孔径に設定され、本実施形態においてはｄ２＝φ５ｍｍとした。また、第２戻し孔５１ｃは、隣接する２つの案内羽根５２の内側端部５２ａ同士の間に形成される流体入口５３の径方向内側に隣接する位置であって、回転の周方向において、当該流体入口５３の中央位置よりも、回転方向の後ろ側に配されている。すなわち、前方の案内羽根５２の内側端部５２ａよりも、後方の案内羽根５２の内側端部５２ａに近い位置に、配置されている。一例として、図７に示すように、第２戻し孔５１ｃは、後方の内側端部５２ａと回転軸１２ａの中心を結ぶ線分Ｌ２からの中心角θが１５°の位置に配置されている。すなわち、後方の内側端部５２ａと回転軸１２ａの中心を結ぶ線分Ｌ２と、前方の内側端部５２ａと回転軸１２ａの中心を結ぶ線分Ｌ３との間の線分Ｌ４と線分Ｌ２との間の領域に配されている。

シール装置１６は、回転軸１２ａ周りに装着されたメカニカルシールであり、ポンプケーシング１３とモータ１２の回転軸１２ａとの間を流体密に塞ぐ。

以上のように構成された自吸式ポンプにおいて、ポンプケーシング１３内には吸込口３４ａから、インペラ１４の流入口１４ａ、流出口１４ｂ、分離室３８ｂ、吐出室３８ｃ、を通って吐出口３５ａに至る所定の流路が形成される。また、インペラ１４の裏側の空間は、分離室３８ｂに連通するとともに、インペラ１４の第１戻し孔４１ｂを通じてインペラ１４の表側に連通する。

以上のように構成された自吸式ポンプ１０は、通常運転である揚水運転と、起動開始から揚水運転に移行するまでの自吸運転とを行う。自吸式ポンプ１０の起動開始時には、別に設けられたタンクから起動開始用の水をポンプ室に注入し、インペラ１４を水に浸した状態とする。この状態で、自吸運転として、インペラ１４が回転させることで、ポンプケーシング１３内の空気が水に混合され、気液混合水として分離室３８ｂに送られる。これにより吸込室３８ａに負圧が発生し、吸込口３４ａに接続されている揚水配管内の空気が吸上げられる。分離室３８ｂに送られた気液混合水は、分離室３８ｂ内で、空気と水とに分離する。分離した空気は上部の吐出口３５ａから排出される。

ここで、ガイドベーン１５の二次側の分離室３８ｂに吐出された水は、ギャップＧ１等の隙間を通って後室３８ｄに移動する。第１戻し孔４１ｂの位置において裏側の後室３８ｄの水の圧力は表側のインペラ１４内の水の圧力よりも高圧になっている。このため、後室３８ｄの水は第１戻し孔４１ｂを通って第１シュラウド４１の表側に移動し、再びインペラ１４によりポンプケーシング１３内の空気と混合されて分離室３８ｂに吐出される。

また、第１戻し孔４１ｂに対向するガイドベーン１５には、第２戻し孔５１ｃが形成されている。このため、ガイドベーン１５の二次側の分離室３８ｂに吐出された水は、ガイドベーン１５の第２戻し孔５１ｃを通ってインペラ１４内に移動し、再びインペラ１４によりポンプケーシング１３内の空気と混合されて分離室３８ｂに吐出される。

自吸式ポンプ１０は、このプロセスを繰り返すことで、揚水配管内の水面を上昇させ、水面が吸込口３４ａの高さに達したら、揚水運転に移行する。

本実施形態にかかる自吸式ポンプ１０は、インペラ１４の第１シュラウド４１に表側と裏側の隙間とを連通する第１戻し孔４１ｂが形成されている。また、ガイドベーン１５のガイド板５１において第１戻し孔４１ｂに対向する位置に第２戻し孔５１ｃが形成されている。したがって、インペラ１４の裏側の水やガイドベーン１５の二次側の分離室３８ｂに吐出された水が再びインペラ１４の表側に流れ込む環流を促すことができ、自吸動作を促進して、自吸時間を短縮することができる。このため、自吸中の温度上昇を抑えることができる。

図８は、第１戻し孔４１ｂ及び第２戻し孔５１ｃの構成と、自吸時間の対応を示す表である。図８において、自吸式ポンプにおいて、周波数、口径、出力、第２戻し孔５１ｃの孔径や位置（角度）等の条件を異ならせた複数のポンプ１０、ポンプ１０Ａ，ポンプ１０Ｂ，ポンプ１０Ｃ，ポンプ１０Ｄと、比較例としての第１戻し孔４１ｂ及び第２戻し孔５１ｃが形成されていない構成のポンプ１００Ａ，ポンプ１００Ｂの、自吸完了時間を示す。ここで、ポンプ１０，１０Ａ，１０Ｂ、１００Ａは吸込口径８０ｍｍ、周波数５０Ｈｚ、モータの出力５．５ｋｗの形式１とし、ポンプ１０Ｃ，１０Ｄ，１００Ｂは吸込口径８０ｍｍ、周波数６０Ｈｚ、モータの出力７．５ｋｗの形式２とした。また、いずれのポンプもインペラ１４とガイドベーン１５とのギャップＧ２＝１．０ｍｍ、インペラ１４の直径Ｄ２＝１５６ｍｍ、ガイドベーン１５の内側直径Ｄ３＝１６２ｍｍとした。なお、ガイドベーン１５の内側直径Ｄ３は、案内羽根５２の内側端部５２ａが配される円の直径である。

図８に示すように、いずれの形式においても、第１戻し孔４１ｂ及び第２戻し孔５１ｃが無い比較例に比べて、第１戻し孔４１ｂ及び第２戻し孔５１ｃを有する本実施形態にかかる自吸式ポンプ１０の方が自吸時間が短い。さらに、第２戻し孔５１ｃの配置は、回転方向における後ろ側の案内羽根５２の内側端部５２ａと回転中心とを結ぶ線分Ｌ２に対する中心角が４５°の場合よりも１５°の場合、すなわち回転の周方向において、隣接する一対の案内羽根５２の内側端部５２ａの間に形成される流体入口５３の中央位置よりも後方に配される方が、自吸時間が短縮できることがわかる。

なお、例えば複数のベーンの一部の形状を変えて不均等に構成することで空気と水を分離しやすくして自吸時間の短縮を図る構成では、不均等な形状に起因して圧力差が生じるため、ベアリングに負荷がかかってしまうが、上記本実施形態にかかる自吸式ポンプは、複数のベーンを不均等に形成する必要がないため、ベアリングへの負荷を分散できる。また、ベーンの形状を不均等として環流を調整する場合には、試験によりいわゆるトライアンドエラーでガイドベーンの構造の設計を行うことから、設計の手間を要していたが、上記実施形態にかかる自吸式ポンプ１０によれば、インペラ１４に第１戻し孔４１ｂを形成するとともに、インペラ１４に対向するガイドベーン１５に第２戻し孔５１ｃを形成するだけで、容易に設計することができる。

また、第１戻し孔４１ｂと第２戻し孔５１ｃを、インペラの流出口１４ｂよりも径方向内側の低圧となる位置に配置したことにより、吐出側の高圧となった流体が抜けやすく、環流を促すことができる。さらに、第１戻し孔４１ｂは回転により負圧となる羽根部材４２の後ろ側に配置したことにより、環流を促し、自吸動作を促進することができる。

また、第１戻し孔４１ｂと第２戻し孔５１ｃを、回転軸の軸心からの距離が等しく、回転により対向位置を通過する構成としたことにより、流体が表側に抜けやすく、環流を促すことができる。

第２戻し孔５１ｃが第１戻し孔４１ｂよりも大きい孔径であることで、環流を促すことができる。

なお、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。

１０…自吸式ポンプ、１１…架台、１１ａ…設置面、１２…モータ、１２ａ…回転軸、１３…ポンプケーシング、１４…インペラ、１４ａ…流入口、１４ｂ…流出口、１５…ガイドベーン、１６…シール装置、３１…ケーシング、３２…カバー、３２ａ…第１カバー体、３２ｂ…第２カバー体、３２ｃ…軸孔、３３…ケーシングボディ、３３ａ…開口、３３ｂ…プラグ孔、３４…吸込部、３４ａ…吸込口、３５…吐出部、３５ａ…吐出口、３６…隔壁部、３７…逆止弁、３８…ポンプ室、３８ａ…吸込室、３８ｂ…分離室、３８ｃ…吐出室、３８ｄ…後室、３９…プラグ、４１…第１シュラウド、４１ａ…軸孔、４１ｂ…第１戻し孔、４２…羽根部材、４２ａ…端部、４３…第２シュラウド、５１…ガイド板、５１ａ…開口、５１ｃ…第２戻し孔、５２…案内羽根、５２ａ…内側端部。

Claims (6)

1. 回転軸、前記回転軸に設けられ前記回転軸の軸方向における一方側と他方側を連通させる第１戻し孔を有する第１シュラウド、及び前記第１シュラウドに形成された１枚以上の羽根部材、を具備するインペラと、
   前記インペラの前記軸方向における一方側に対向配置され前記軸方向の一方側と他方側を連通させる第２戻し孔を有するガイド板、及び１枚以上の案内羽根、を具備するガイドベーンと、
   を備える自吸式ポンプ。
2. 前記インペラの前記軸方向の他方側に所定の隙間を介して配置されるカバーを有し、前記インペラと前記ガイドベーンとを収容するポンプケーシングを備え、
   複数の前記第１戻し孔及び複数の前記第２戻し孔は、前記回転軸を中心とした同心円に配された請求項１に記載の自吸式ポンプ。
3. 第１戻し孔は、前記羽根部材の湾曲の内側に配された、請求項１又は請求項２に記載の自吸式ポンプ。
4. 第１戻し孔は、前記回転軸と、前記羽根部材の径方向内側の端部とを結ぶ線上に配された、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の自吸式ポンプ。
5. 前記第２戻し孔の孔径は、前記第１戻し孔の孔径よりも大きい、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の自吸式ポンプ。
6. 前記第２戻し孔は、回転の周方向において、隣接する一対の前記案内羽根の間に形成される流体入口の中央よりも後方に配される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の自吸式ポンプ。