JP2022025807A - 渦巻ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】吐出し管の拡大角が大きくても当該吐出し管に剥離が生じにくい渦巻ポンプを提供する。【解決手段】渦巻ポンプ１０１は、渦巻ケーシングと、渦巻ケーシング内で回転して流体にエネルギーを与える羽根車と、羽根車の回転により渦巻ケーシング内に導入された拡大管である吐出し管１０９と、吐出し管１０９の内壁から当該吐出し管１０９内に向かって延出して旋回流を制御する翼１１０とを備えている。【選択図】図３

Description

本発明は、渦巻ポンプに関する。

渦巻ポンプにおいて、渦巻ケーシングの構成は、羽根車の出口から吐出した作動流体を効率よく集約する渦巻室（ボリュート）と、集約した作動流体を減速させながら圧力回復させ、吐出し口まで導く吐出し管に大別される。
非特許文献１には、作動流体を減速させるため吐出し管が拡大管となる場合に、一般に段付きの無い滑らかな拡大管の場合、拡大角による最少損失係数は拡大角２θ＝５°３０′～１１°であることが開示されている。

非特許文献２には、吐出し管が拡大管でない場合に、流体の真っすぐな流れと旋回流れとでは、真っすぐな流れの方が、剥離が生じやすいことが開示されている。

「管路・ダクトの流体抵抗」，Ｐ５６，日本機械学会，１９８９／５／１、４刷発行 「真っ直ぐな円管内の乱流旋回流の特性－旋回による境界層発達の抑制効果－」，畠沢政保・小松安雄著，ながれ１６（１９９７），Ｐ１３９－Ｐ１４８，日大・理工・精密

渦巻ポンプ等の吐出し管が出口に向かって拡開した拡大管の場合、拡大管の内部の流体には剥離という現象が生じやすい。吐出し管の拡大角が小さい場合は、剥離は生じにくいが吐出し管が長くなってしまう。
そこで、本発明の課題は、吐出し管の拡大角が大きい場合であっても当該吐出し管に剥離が生じにくい渦巻ポンプを提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は、ケーシングと、前記ケーシング内で回転して流体にエネルギーを与える羽根車と、前記羽根車の回転により前記ケーシング内に導入された拡大管である吐出し管と、前記吐出し管の内壁から当該吐出し管内に向かって延出して旋回流を制御する翼とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、吐出し管の拡大角が大きい場合であっても当該吐出し管に剥離が生じにくい渦巻ポンプを提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る渦巻ポンプの断面図である。 本発明の一実施例に係る渦巻ポンプの側面図である。 図１ＢのＡ－Ａ断面図である。 図２のＢ－Ｂ断面図である。 図３の面Ｘでの吐出し管の断面図である。 図４Ａの翼の枚数の変形例である。 図４Ａの翼の枚数の変形例である。 翼部分の拡大断面図である。 翼部分の上面図である。 翼部分の変形例の上面図である。 図５Ａの変形例である翼部分の拡大断面図である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１Ａは、本発明の一実施例に係る渦巻ポンプの断面図である。図１Ｂは、同渦巻ポンプの側面図である。本実施例の渦巻ポンプ１０１は、両吸込単段渦巻ポンプとなっている。この渦巻ポンプ１０１は、渦巻ケーシング（ケーシング）１０２と、渦巻ケーシング１０２を貫通するように配置された軸線Ｏ（図２）を中心に延在する回転軸１０４と、回転軸１０４に一体に回転可能に固定された単一羽根車（羽根車）１０３とを備えている。渦巻ポンプ１０１は、また、水等の流体を吸い込む吸込流路１０５、回転軸１０４を支持する軸受１０６、大気中と水路を隔絶する軸封部１０７、羽根車１０３を回転させるモータ（図１では図示しない）を備えている。

図２は、図１ＢのＡ－Ａ断面図である。これは、渦巻ポンプ１０１の渦巻ケーシング１０２の拡大断面図を示している。なお、図２には、回転軸１０４の径方向、軸方向を示している。以下に説明する図面においても、適宜、同じ方向を図示する場合がある。図２では吸込流路１０５は省略する。羽根車１０３は主板１０３－１、側板１０３－２及び軸線Ｏの周方向に複数立設された翼１０３－３から構成されている。水等の流体は軸線Ｏ方向の左右両側の吸込流路から主板１０３－１、側板１０３－２及び隣り合う翼１０３－３により形成された流路へ流れ込み、回転による遠心力で昇圧され、羽根車出口１０３－４から放出される。

渦巻ケーシング１０２は、略台形断面の渦巻流路１０８を羽根車１０３の収容空間の外周に配置されたもので、羽根車出口１０３－４から放出された流体を吐出し口１０９ｃ（図３）まで効率よく導くためのものである。また、断面流路１０８は略楕円形、略円形、略逆三角形等の形状であってもよい。前記のように羽根車１０３は、渦巻ケーシング１０２内で回転して流体にエネルギーを与える。

図３は、図２のＢ－Ｂ断面図である。これは、Ｂ－Ｂ面から見た渦巻ケーシング１０２と羽根車１０３の正面図及び渦巻ケーシング内の流れの模式図となっている。便宜上、羽根車１０３の主板１０３－１、側板１０３－２は図示していない。図３においては、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向を示している。角度θは図３の様にＹ方向下向きをθ＝０°とし、反時計回りを正の角度としている。また、ケーシング流路は０～３６０°の渦巻流路１０８と、３６０°から吐出し口までの吐出し管１０９で構成されている。

一般に渦巻きケーシング１０２の役割は、前述の通り、渦巻流路１０８を用いて羽根車１０３の回転によって昇圧された流体を渦巻流路１０８の終わり（θ＝３６０°）まで集約し、吐出し管１０９によって必要な吐出し口１０９ｃまで流体を導くことである。吐出し管１０９は、吐出し口１０９ｃに向かって漸次拡開している拡大管である。これにより、吐出し管１０９は、動圧から静圧に変える圧力回復の役割も持つ。
ところで、寸法制約により、拡大管である吐出し管１０９の拡大角が大きくなりすぎると流路面積の拡大に伴い、流体の流れは減速し、壁面近傍の境界層は急速に発達し、やがて剥離に至る。そして、剥離によって圧力損失が発生し、振動や騒音が増大するとともに、吐出し口１０９ｃ下流のバルブやベンド部（図示せず）に不均一な流れが流入し、流体力が発生することで、渦巻ポンプ１０１以外の部分でも振動騒音を発生させる原因となる。

一方、吐出し管１０９の拡大角が小さければ、剥離は発生しない。しかし、この場合は、吐出し管１０９を長くしなければならず、渦巻ポンプ１０１が大型化してしまう。
そこで、以下では、吐出し管１０９の拡大角が大きくても剥離が生じにくくするための手段について説明する。
かかる課題を解決するためには、吐出し管１０９の内壁から当該吐出し管１０９内に向かって延出して旋回流を制御する翼１１０を設けることが有効である。

すなわち、吐出し管１０９を流れる流体の拡大管流れに対して、旋回流を制御する翼１１０により旋回強度を増加させることができる。「旋回強度」は流体の主流方向に垂直な平面上での渦中心に対する周方向流れの強さである。吐出し管１０９での流体の流れは、吐出し口１０９ｃに向かう主流方向流れと、旋回のための周方向速度に大別される。旋回強度が増加することにより流体の吐出し管１０９の壁面近傍速度は周方向速度が増加し、吐出し管１０９内での流体の合成速度は翼１１０のない場合の流れよりも大きくなる。したがって、翼１１０のない吐出し管１０９での流体の流れに比べて境界層の発達を抑えることができる。したがって、長さを十分に取れない拡大角の大きな吐出し管１０９であっても剥離を抑制し、渦巻ポンプ１０１の振動、騒音を低減することができる。

図３に示すように、翼１１０は略流線型（図５Ｂも参照）をしており、舌部１１１の舌部中心１１２と渦巻流路１０８及び吐出し管１０９の中心線Ｃを直角に結ぶような面Ｚよりも下流側に設置される。翼１１０の形状を翼型とすることで、流体の旋回流れを制御しつつも、流体の流れが翼１１０に流入することによる流れの乱れを小さくすることができる。また、面Ｚよりも下流側に設置することで、渦巻流路１０８側の流れ（渦巻流路１０８の巻き終わりから舌部１１１に衝突する流れ、羽根車１０３と舌部１１１の隙間に下流側から上流側へ流れ込む再循環流れ）を阻害することを抑制することができる。

翼１１０の断面形状は図３に示される略流線形に限定されることなく、経済性、製作性を適宜鑑み、翼型、矩形、楕円、本実施例の意図する効果を逸脱しないその他形状でもよい。

図４Ａは、図３の面Ｘでの吐出し管の断面図である。面Ｘは、翼１１０の中心部を通る中心線Ｃに垂直な面である。図４には、矢印で流体の流れも示している。図４Ｂ，図４Ｃは、図４Ａの翼１１０の枚数の変形例である。
翼１１０は、羽根車１０３の回転軸１０４（図３等）の軸方向の左右に対称に合計で複数個設けられている。よって、図４Ａに示すように、翼１１０は少なくとも２枚設けられている。また、図４Ｂのように左右に翼１１０を２枚ずつ設けてもよいし、図４Ｃのように左右に翼１１０を３枚ずつ設けてもよい。なお、図４Ａ等では、軸方向はＺ方向である。また、径方向はＹ方向である。

図４Ａに示すように、渦巻ポンプ１０１の吐出し管１０９の流体の流れは、２つの渦１１３ａ，１１３ｂが隣り合う様に形成される。そのため、翼１１０はそれぞれの旋回流れに対して均等に旋回強度を制御するため対称に設置される。また、翼１１０は前記の左右方向には設置するが上下方向には設置しない。上下方向に設置すると左右方向の旋回流れを混合するような作用をもたらすためである。
また、図４Ｂ，図４Ｃの例のように、翼１１０の設置枚数を増やすことで、流体の整流効果を高めることができる。しかし、翼１１０の設置枚数を増やせば、流体の流れに対する抵抗は増えるため、吐出し管１０９の管径や流体の流量等を考慮して、２～１０枚程度の間で適切な値を選択するのが望ましい。

翼１１０の合計枚数を偶数枚とするのは、奇数枚にすると左右の渦構造に不均等に旋回強度を与える場合があるためである。また、翼１１０の合計枚数を奇数枚として、しかもそれを前記の上下方向に設置する場合は、図４Ａに示す左右方向の旋回流れ（渦１１３ａ，１１３ｂ）を混合するような作用をもたらす。そして、左右で流れが不均一になることで左右の渦１１３ａ，１１３ｂが接する吐出し管１０９の中心領域において流体の速度差が発生し、その速度差によって流体のせん断損失が発生する懸念があるので望ましくない。

図４Ａに示すように、翼１１０の高さに当たるスパン方向長さＨ_２は、図４Ａの様に翼１１０が設置される主流方向対して垂直方向の平面で吐出し管１０９の流路幅Ｈ_１の１／４以下としている。図４Ａで吐出し管１０９の左右壁面側の流れは下から上に向かうような流れとなっており、逆に吐出し管１０９中心側は上から下に向かう様な流れとなっている。スパン方向長さＨ_２を吐出し管流路幅Ｈ_１の１／４以下とすることで、翼１１０が渦中心１１３を超えて流れに逆らうように作用し、旋回流に乱れを与えないようにすることができる。

図５Ａは、翼１１０部分の拡大断面図である。翼１１０の基端部分は、短い円柱状の支持部材１１６に設けられている。支持部材１１６の翼１１０とは反対側には、支持部材１１６より径サイズが小さい短い円柱状の支持軸１１４が設けられている。そして、支持軸１１４の支持部材１１６とは反対側には、例えば円板状の調整機構１１５が設けられている。
吐出し管１０９には、吐出し管１０９を貫通する孔１０９ａが設けられている。支持部材１１６は、孔１０９ａに周方向に摺動可能に嵌合している。調整機構１１５は吐出し管１０９の外部に露出していて、調整機構１１５を吐出し管１０９の外部から手動で回転することにより、翼１１０の向きを可変することができる。

すなわち、翼１１０は、剥離を抑制するのに必要な流体の旋回強度を得るために向きを可変できるようになっている。流体の流量によって翼１１０に流入する角度、剥離を抑制するための旋回強度が異なるため、調整機構１１５により旋回流を制御することで、効果的に剥離を抑制することができる。

図５Ａに示す様に、翼１１０の基端側の長手方向の幅をＡ１、先端側の長手方向の幅をＡ２としたとき、幅Ａ２は幅Ａ１以下としている。さらに翼１１０の厚みは基端側に比べ先端側は薄くなっており、流体の流れが翼１１０に衝突することによって発生する衝突損失を抑制することができる。

図５Ｂは、翼１１０部分の上面図である。翼１１０は、前記のとおり流線型をしていて、流体の流れＦの上流側部分に比べて下流側部分が薄く形成されている。翼１１０において、基端側の下流側端部１１０－ＴＥ１は基端側の上流側端部１１０－ＬＥ１よりも薄く形成されている。同様に先端側の下流側端部１１０－ＴＥ２は先端側の上流側端部１１０－ＬＥ２よりも薄く形成されている。基端側と先端側との間の中間区間においても同様である。

このように、翼１１０の流体の下流側を薄く形成することで、翼１１０の下流側（後ろ側）の流体の流れＦの低圧になる部分を小さくして、翼１１０が流体から受ける抵抗を小さくすることができる。

図６は、図５Ｂの変形例である翼１１０Ａ部分の上面図である。本例の翼１１０Ａが図５Ｂの翼１１０と異なるのは、長手方向の位置によって形状が異なることである。図６の例では、翼１１０Ａは基端部から先端部にかけて捻じれている。すなわち、基端側の下流側端部１１０－ＴＥ１と基端側の上流側端部１１０－ＬＥ１とを結ぶラインの向きは、翼１１０の先端部に近づくにつれて流体の流れＦの方向に漸次近づいている。そして、先端側の下流側端部１１０－ＴＥ２と先端側の上流側端部１１０－ＬＥ２とを結ぶラインは、最も流体の流れＦの方向に近い。

このように、翼１１０Ａに捻じりを持たせることで、翼１１０Ａの基端側と先端側とで流体の流れに対する迎え角をそれぞれ設定することができる。渦中心１１３側と吐出し管１０９壁面側とでは（図４Ａ参照）、流体の周方向速度及び主流方向速度が異なる。そのため、翼１１０Ａの基端側、先端側にそれぞれの迎え角を設定することで、吐出し管１０９における流体の流れの乱れを抑制することができる。

図７は、図５Ａの変形例である翼１１０部分の拡大断面図である。同図において、支持部材１１６は、吐出し管１０９の管内壁の凹部１０９ｂ内に周方向に摺動可能に嵌合され、翼１１０の基端部を支持している。短い円柱状の支持部材１１６を周方向に摺動可能にするために、凹部１０９ｂの内周面は円環状である。支持部材１１６の内部には、第1磁石１１７－１が設けられている。
凹部１０９ｂに対応した吐出し管１０９の外壁には、回転部材１１５が周方向に回転可能に設けられた例えば円板状の回転部材１１８が配置されている。回転部材１１８は、所定の手段により吐出し管１０９の外壁に周方向に回転可能に設けられている。回転部材１１８の内部には、第１磁石１１７－１とは異極同士で第1磁石１１７－１と引き合う第２磁石１１７－２が設けられている。

以上の構成では、吐出し管１０９の外部側にある回転部材１１８を回転させると、第１磁石１１７－１と第２磁石１１７－２とが引き合うので、回転部材１１８に支持部材１１６が連れ回りするように動く。これによって、翼１１０の向きを可変させ、図５Ａを参照して前記した構成と同様の効果を奏する。
しかし、図７の変形例は、図５Ａの例とは異なって、吐出し管１０９を貫通する孔１０９ａ（図５Ａ）が設けられていない。そのため、万が一にも当該孔を介して吐出し管１０９外に流体が漏洩する可能性を防止することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。例えば上記では両吸込単段渦巻ポンプの例だが、片吸込ポンプ、多段ポンプ及びラインポンプの様な縦型ポンプ、インバータなどにより回転数を可変させる可変速運転ポンプ、などであってもよい。

１０１ 渦巻ポンプ
１０２ 渦巻ケーシング（ケーシング）
１０３ 単一羽根車（羽根車）
１０４ 回転軸
１０９ 吐出し管
１０９ａ 孔
１０９ｂ 凹部
１１０，１１０Ａ 翼
１１０－ＴＥ１ 基端側の下流側端部
１１０－ＴＥ２ 先端側の下流側端部
１１０－ＬＥ１ 基端側の上流側端部
１１０－ＬＥ２ 先端側の上流側端部
１１６ 支持部材
１１７－１ 第１磁石
１１７－２ 第２磁石
１１８ 回転部材

Claims (6)

1. ケーシングと、
   前記ケーシング内で回転して流体にエネルギーを与える羽根車と、
   前記羽根車の回転により前記ケーシング内に導入された拡大管である吐出し管と、
   前記吐出し管の内壁から当該吐出し管内に向かって延出して旋回流を制御する翼とを備えていることを特徴とする渦巻ポンプ。
2. 前記吐出し管を貫通する孔に周方向に摺動可能に嵌合され、前記翼の基端部を支持している支持部材を備え、
   前記支持部材を前記吐出し管の外部から回動させることにより前記翼の向きを可変とする請求項１に記載の渦巻ポンプ。
3. 前記翼は、前記羽根車の回転軸の軸方向の左右に対称に合計で複数個設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の渦巻ポンプ。
4. 前記翼は、流線型をしていて、前記流体の上流側部分に比べて下流側部分が薄いことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかの一項に記載の渦巻ポンプ。
5. 前記翼は、長手方向の位置によって形状が異なることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかの一項に記載の渦巻ポンプ。
6. 前記吐出し管内壁の凹部内に周方向に摺動可能に嵌合され、前記翼の基端部を支持している支持部材と、
   前記支持部材に設けられた第１磁石と、
   前記凹部に対応した前記吐出し管の外壁に周方向に回転可能に設けられた回転部材と、
   前記回転部材に設けられ前記第１の磁石と引き合う第２磁石とを備え、
   前記第１磁石と前記第２磁石とが引き合うことにより回転部材の回転により前記支持部材を摺動可能としたことを特徴とする請求項１に記載の渦巻ポンプ。
   

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