JP2022117139A - インペラ、ポンプ装置、及びインペラの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接面積を確保しやすい、インペラ、ポンプ装置、及びインペラの製造方法を提供する。【解決手段】本発明の一形態にかかるインペラは、第１方向に交差して延設するシュラウドと、前記シュラウドの前記第１方向の一方側の面に配置される羽根と、を備え、前記羽根の少なくとも一部が、断面視において、前記第１方向及び前記シュラウドの延設方向または接線方向に対して傾斜または湾曲する羽根片と、前記シュラウドに直交する方向に対する角度が前記羽根片よりも小さくなる方向に延設され前記シュラウドに接合される接合端片と、備える。【選択図】図６

Description

本発明は、インペラ、ポンプ装置、及びインペラの製造方法に関する。

液体を圧送する手段として、モータと、モータにより駆動されるポンプと、を備えるポンプ装置が知られている。このようなポンプ装置は、ポンプ室に収容されるインペラをモータにより回転駆動することで、液体を増圧して二次側に圧送する（例えば、特許文献１参照。）ポンプ装置において、インペラとしてプレスインペラを用いることが知られている。プレスインペラの製造方法として、鋼板をプレス加工して形成された主板、羽根、及び側板をレーザ溶接により一体に接合する方法が知られている。プレスインペラの羽根を三次元形状とする場合、主板や側板の形状によっては、溶接の接合面積を確保することが難しく、溶接不良が発生する場合があり、強度低下や、隙間腐食が起こりやすい。

特開２０１８－６１９８３号公報

本発明は、溶接面積を確保しやすい、インペラ、ポンプ装置、及びインペラの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の一形態にかかるインペラは、第１方向に交差して延設するシュラウドと、前記シュラウドの前記第１方向の一方側の面に配置される羽根と、を備え、前記羽根の少なくとも一部が、断面視において、前記第１方向及び前記シュラウドの延設方向または接線方向に対して傾斜または湾曲する羽根片と、前記シュラウドに直交する方向に対する角度が前記羽根片よりも小さくなる方向に延設され前記シュラウドに接合される接合端片と、備える。

本発明によれば、溶接面積を確保しやすい、インペラ、ポンプ装置、及びインペラの製造方法を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態にかかるポンプ装置の構成を一部断面で示す側面図。 同ポンプ装置の構成を示す側面図。 同実施形態にかかるポンプ装置のインペラの構成を示す斜視図。 同インペラの平面図。 同インペラの下面図。 同インペラの構成を示す断面図。 同インペラと比較例としてのインペラを比較して示す説明図。 他の実施形態に係るインペラの構成を示す断面図。 他の実施形態に係るインペラの構成を示す断面図。

以下、本発明の一実施形態に係るインペラ及びポンプ装置について、図１乃至図８を用いて説明する。図１はポンプ装置の構成を一部断面で示す側面図であり、図２はポンプ装置を他の方向から見た側面図である。図３はインペラの斜視図であり、図４及び図５はインペラの平面図及び下面図である。図６はインペラの断面図であり、図７は本実施形態に係るインペラと比較例についての羽根の形状を比較する説明図である。なお、説明のため、各図において適宜構成を省略して示している。

図１に示すように、ポンプ装置１は、例えば、多段のタービンポンプである。ポンプ装置１は、モータ１１と、モータ１１に接続されたインペラ３０を有する１段または複数段のポンプ部１２と、を備える。また、ポンプ装置１は、インバータや複数の制御基板を収容する制御盤に接続される。

モータ１１はケーブルによって制御盤に接続される。モータ１１は複数のインバータを介して制御基板に接続され、制御基板に搭載された制御部の制御によって回転数制御される。

ポンプ部１２は、回転軸２１と、ポンプケーシング２２と、ポンプケーシング２２に収容されるインペラ３０と、を備える。

回転軸２１（主軸）は、モータ１１に接続される。回転軸２１はポンプ部１２のインペラ３０を固定可能に構成されている。回転軸２１は軸受部材に軸支される。

ポンプケーシング２２は、ポンプ吸込口及びポンプ吐出口を備えるとともに、複数のインペラ３０を収容する。ポンプケーシング２２は、例えばステンレス材で構成され、回転軸の先端側に設けられた小径の円筒状の吸込部と、吸込部に連続して設けられた収容部と、収容部の外周から連通して上方向に向かう円筒状の吐出部と、を一体に備えて構成され、所定の流路を形成する。ポンプケーシング２２の軸方向基端側にはケーシングカバー２３が組み付けられる。このケーシングカバー２３にモータ１１が固定されている。

インペラ３０は、例えばクローズドタイプのプレスインペラである。インペラ３０は、３次元羽根車であり、例えば羽根の延出方向において断面形状が変化する。例えばインペラ３０は、羽根３３は、少なくとも一部において、羽根の延設方向に直交するとともに第１方向に沿う断面が、第１方向及びシュラウドの延設方向または接線方向に対して傾斜する、延設方向あるいは接線方向を有する。本実施形態において、羽根３３の少なくとも一部の延出方向が第１方向及びシュラウドの延設方向に対して傾斜する。

インペラ３０は、第１シュラウド３１と、第１シュラウド３１に対向配置される第２シュラウド３２と、一対のシュラウド３１，３２の間に配された羽根３３と、備え、流体を通過可能に形成されている。インペラ３０は、鋼板等の金属板をプレス加工し、主板となる第１シュラウド３１、側板となる第２シュラウド３２、及び羽根３３を形成し、形成された第１シュラウド、第２シュラウド、及び羽根３３をレーザ溶接により一体に接合して構成されるプレスインペラである。

第１シュラウド３１は、円板形状に構成される。第１シュラウド３１は、第１方向に交差する面に沿って延設される。第１シュラウド３１は、平板状であり、例えば第１方向に直交する方向に沿って、延設される。

第１シュラウド３１の中心部にボス部３１ａが設けられている。ボス部３１ａは、シュラウド３１の中心部に一体に設けられた円筒状部材であり、第１シュラウド３１から軸方向の一方と他方にそれぞれ突出する。ボス部３１ａの中心部には位置決め用の二面幅形状を有する挿通孔３１ｂが形成されている。この挿通孔３１ｂに、回転軸２１が固定される。

第２シュラウド３２は、第１方向において、第１シュラウド３１の一方側に対向配置される。第２シュラウド３２は、軸方向に見た平面視の外形が円形に形成されている。第２シュラウド３２は、流体を吸込む円形の吸込口３２ａを有している。シュラウド３２の吸込口３２ａの外周縁部分がポンプケーシング２２の内部に、ライナリングを介して回動可能に支持される。

第２シュラウド３２は、第１方向に沿う断面視において、外周部位が第１方向に直交する面方向に沿って延びるとともに、中心部位の吸込口３２ａが第１方向に沿って延びる円筒状に形成される。第２シュラウド３２の第１方向他方側の表面が、羽根３３の端面３３ｅに溶接され、接合される。

羽根３３は、一対のシュラウド３１、３２間に一枚または複数枚設けられる。羽根３３は、その一方の端部が、シュラウド３１、３２の中心側に、その他方の端部がシュラウド３１、３２の外周縁に配置される。

羽根３３は、第１シュラウド３１の一方の主面と第２シュラウド３２の他方の主面との間において立設されている。羽根３３は、軸方向に見た平面視においてシュラウド３１、３２の中心、すなわちインペラ３０の回転中心からの径が各位置で異なる形状、例えば渦巻形状やインボリュート形状に形成されている。また、羽根３３は回転軸方向に沿った断面視において、回転軸２１に対して傾斜または湾曲する部位を有する三次元形状に構成されている。羽根３３は回転中心に向かうにつれて羽根片３３ａの第１方向に対する傾斜角度が増加する。羽根３３は、インペラ３０の回転によって、第２シュラウド３２の吸込口３２ａから吸い込まれた水を外周側の吐出口へ案内する。

羽根３３は内周側の少なくとも一部において、延設方向あるいはその接線方向が第１方向及び第２方向に対して傾斜する板状に構成された羽根片３３ａと、第１シュラウド３１側に配される接合端片３３ｂと、第２シュラウド３２側に配される接合端片３３ｃと、を連続して一体に有する。

すなわち、羽根３３の内周側の部位は、羽根３３の延設方向に直交するとともに第１方向に沿う断面視において、接合端片３３ｂ，３３ｃが羽根片３３ａよりも、第１方向に対する角度が小さくなるように構成されている。すなわち、羽根３３は、シュラウド３１、３２の一方側の面から立設される方向に延びるとともにシュラウド３１，３２に接合される接合端片３３ｂ，３３ｃと、接合端片３３ｂ、３３ｃに対して傾斜または曲成される羽根片３３ａと、備える。

羽根片３３ａは、外周端部においては第１方向に沿って延びており、回転軸に近づくにつれて第１方向に対する傾斜角が増加するように捩れている。羽根片３３ａの両端にそれぞれ接合端片３３ｂ，３３ｃが連続して配される。

一対の接合端片３３ｂ，３３ｃは対向するシュラウド３１，３２の表面に沿う端面を有する。すなわち、第１接合端片３３ｂ及び第２接合端片３３ｃは対向する第１シュラウド３１または第２シュラウド３２の表面に沿う接合端面３３ｄ，３３ｅを有する。例えば、第１接合端片３３ｂ及び第２接合端片３３ｃは対向するシュラウド３１，３２に対して容易に溶接できる表面形状に構成される。例えば、接合端面３３ｄ，３３ｅとシュラウド３１，３２の間隔が所定の値以内となるように、羽根３３の厚さやシュラウド３１，３２と接合端面３３ｄ，３３ｅのなす角が設定される。好ましくは、シュラウド３１，３２の表面と接合端面３３ｄ，３３ｅとの間に形成される隙間の最大値が所定間隔、例えば０．５ｍｍ以下、に構成される。

羽根３３の一方側の接合端片３３ｂの端面３３ｄは第１方向に直交する面に沿って延び、第１シュラウド３１の表面に倣う表面を有し、第１シュラウド３１に溶接される。羽根３３の他方側の接合端片３３ｃの端面３３ｅは、第２シュラウド３２の外周部位の表面に倣う表面、すなわち第１方向に直交する面方向に沿って延び、第２シュラウド３２に溶接される。

本実施形態において一例として、第１接合端片３３ｂ及び第２接合端片３３ｃは、第１シュラウド３１及び第２シュラウド３２の延出方向と直交する方向である軸方向に沿って延出している。

例えば本実施形態において羽根片３３ａは、外周端部においては第１方向に沿って延びており、回転軸に近づくにつれて第１方向に対する傾斜角が増加するように捩れている。

インペラ３０は、例えば、鋼板をプレス成型することにより別々に形成された第１シュラウド３１、第２シュラウド３２、及び羽根３３を溶接により接合する。本実施形態にかかるインペラの製造方法は、第１シュラウド３１と、第２シュラウド３２と、羽根３３と、をそれぞれ成形する工程と、成形により構成された第１シュラウド３１、第２シュラウド３２、及び羽根３３をレーザ溶接により接合して組付ける工程と、を備える。羽根３３は、鋼板をプレス加工することにより、羽根片３３ａと一対の接合端片３３ｂ、３３ｃが一体に連続する所定の形状に構成される。

組付け工程において、まず第２シュラウド３２に羽根３３を溶接し、さらに羽根３３を挟んで第１シュラウド３１と第２シュラウド３２とを対向配置させて、レーザ溶接により接合することで、インペラ３０が完成する。このとき、第２シュラウド３２の一方側に突出する羽根３３の一方側の端面３３ｄが、第１シュラウド３１の表面に対向して当接し、溶接により接合される。

ポンプ装置１において、モータ１１の回転によりインペラ３０が回転することで、各インペラ３０は吸込口３２ａから流体を吸込み、羽根３３と第１シュラウド３１と第２シュラウド３２との間に形成される流路に沿って流体を案内し、インペラ３０の外周側に形成される吐出口から流体を吐出する。最も一次側のインペラ３０はポンプ吸込口を経て吸込口３２ａから流体を吸い込む。各インペラ３０の吐出口から流出した流体は、ポンプケーシング２２によって二次側に配されるインペラ３０の吸込口３２ａに案内される。最も二次側に配されるインペラ３０から吐出した流体は、ポンプ吐出口から排出される。

本実施形態にかかるインペラ３０、ポンプ装置１及びインペラ３０の製造方法によれば、羽根３３の少なくとも一部が、断面視において、第１方向及びシュラウド３１の延設方向または接線方向に対して傾斜または湾曲する羽根片３３ａと、シュラウド３１に直交する方向に対する傾斜角度が羽根片３３ａよりも小さくなる方向に延設されシュラウド３１に接合される接合端片３３ｂと、備える構成により、羽根片３３ａの形状によらず、シュラウド３１，３２に接合される接合端片３３ｂ，３３ｃの溶接面積を確保しやすく、製造が容易となる。

例えば図７に示す比較例にかかるインペラ１０３０は、シュラウド１０３１，１０３２に対して斜めに延びる形状の羽根１０３３を備える構成であり、端部をシュラウド１０３１，１０３２に溶接する場合、端面部がシュラウド１０３１，１０３２に対して傾斜し、シュラウド１０３１，１０３２の表面に対して羽根１０３３の接合面を大きくとることが難しくなるが、本実施形態によれば、図７に示すように、羽根の形状によらず接合端片３３ｂ，３３ｃのシュラウド３１，３２に対する接合面積の確保が容易となる。

したがって、例えば主軸方向に対して傾斜部、湾曲部、あるいは捩れを有する３次元形状の羽根であっても、シュラウドに接合される接合端部のシュラウドに直交する方向と成す角度を小さくすることで、レーザ溶接が容易となる。また、端面をシュラウドに沿う形状とすることで溶接面積を確保できる。特に鋼板をプレス加工して羽根を形成する場合にあって、羽根の端部の延出方向をシュラウドから立設する方向に加工するだけで、羽根の形状によらず容易に接合面を確保できる。したがって、シュラウド側に特別な加工をする必要がないため、例えばシュラウドに溝を形成して溶接面積を確保する構成と比べシュラウドの設計の制約が少ない。したがって、製造時の加工数が少なく、またシュラウドの形状の制約もないため汎用性が高い。したがって、他の型のインペラと同じシュラウドを兼用できる。さらに、シュラウドの厚さの制約も緩和されるため、設計の自由度が高い。したがってシュラウドを薄肉とすることができるため、溶接のエネルギー容量の低減も可能となる。

また、上記実施形態においては、接合端片を主軸に沿って延出しており、二次元的な形状としたことにより、溶接装置及び溶接治具も既存の装置及び治具を用いることができ、メンテナンスも容易となる。例えば羽根片の形状を三次元形状とした場合にも接合端片を主軸に沿って延出する二次元的な形状とすることで、羽根を固定する溶接治具が不要であり、製作が容易である。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記第１実施形態において、一例として一対のシュラウドが主軸と直交する方向に延びる平板状であるとともに、一対のシュラウドに接合される一対の接合端片を有する構成を例示したが、これに限られるものではない。例えば他の実施形態として図８や図９に示すように、羽根片の傾斜角度や接合端片の数等適宜変更して実施可能である。

例えば図８は、側板である第２シュラウド３２が湾曲するとともに、第２シュラウド３２の接合部の接線が羽根片３３ａの一方の端面に沿う形状であり、羽根片３３ａの一端面が第２シュラウドに溶接される例を示す。この場合にあっても、第１シュラウド３１に接合される第１の接合端片３３ｂを、羽根片３３ａよりも第１シュラウドに直交する方向との成す角度が小さくなるように延出する構成としたことにより、上記実施形態と同様に、溶接面積の確保が容易となる。

一方、図９は、主板である第１シュラウドが湾曲し、第１シュラウド３１の接合部の接線が羽根片３３ａの一方の端面に沿う形状であり、羽根片の一方側の端面が第１シュラウドに溶接される例を示す。この場合にあっても、第２シュラウド３２に接合される接合端片３３ｃが羽根片３３ａよりも第１シュラウドに直交する方向との成す角度が小さくなるように延出する構成としたことにより、上記実施形態と同様に、溶接面積の確保が容易となる。

また、一対のシュラウドのうち一方は平板状であり、他方は湾曲している構成であって、両シュラウドにそれぞれ接合される接合端片を備える構成としてもよい。この場合、平板状のシュラウドの延設方向に直交する方向に対して、羽根片よりも、平板状のシュラウドに接合される接合端片の傾きが小さければ、上記と同様の効果を得られる。また、湾曲したシュラウドの接線方向に直交する方向に対して、羽根片よりも湾曲した接合端片の傾きが小さければ、上記と同様の効果を得られる。

さらに、両方のシュラウドが湾曲面を構成し、羽根片の両側に、両シュラウドにそれぞれ接合される接合端片を備える構成としてもよい。この場合、湾曲したシュラウドの接線方向に直交する方向に対して、羽根片よりも接合端片の傾きが小さければ、上記と同様の効果を得られる。

上記実施形態において、インペラ３０は、鋼板をプレス成型することにより１シュラウド３１と、第２シュラウド３２と、羽根３３と、をそれぞれ形成し、レーザ溶接する例を示したが、これに限られるものではなく、例えば樹脂製としてもよい。例えば樹脂成型により、１シュラウド３１と、第２シュラウド３２と、羽根３３と、をそれぞれ形成し、第１シュラウド３１、第２シュラウド３２、及び羽根３３を超音波溶着または振動溶着により接合して組付けることでインペラを構成してもよい。

また、上記実施形態では多段のポンプ装置を例示したが、インペラの数は上記に限られるものではない。例えば単段であってもよい。また、インペラに設けられる羽根の数も何枚であってもよい。また、タービンポンプを例示したが、これに限られるものではなく、種々のポンプ装置に適用可能である。

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。

１…ポンプ装置、１１…モータ、１２…ポンプ部、２１…回転軸、２２…ポンプケーシング、２３…ケーシングカバー、３０…インペラ、３１…シュラウド、３１ａ…ボス部、３１ｂ…挿通孔、３２…シュラウド、３２ａ…吸込口、３３…羽根、３３ａ…羽根片、３３ｂ…接合端片、３３ｃ…接合端片、３３ｄ…接合端面、３３ｅ…接合端面。

Claims (8)

1. 第１方向に交差して延設するシュラウドと、
   前記シュラウドの前記第１方向の一方側の面に配置される羽根と、を備え、
   前記羽根の少なくとも一部が、断面視において、前記第１方向及び前記シュラウドの延設方向または接線方向に対して傾斜または湾曲する羽根片と、前記シュラウドに直交する方向に対する角度が前記羽根片よりも小さくなる方向に延設され前記シュラウドに接合される接合端片と、備える、インペラ。
2. 前記羽根片は三次元形状を有し、
   前記接合端片は前記羽根片の一方側に連続して配され、接合される前記シュラウドの面方向に対して直交する方向に沿って延びる、請求項１に記載のインペラ。
3. 前記第１方向において前記羽根を挟んで対向配置される一対の前記シュラウドを備え、
   前記羽根は前記羽根片の前記第１方向の両端に連続する一対の前記接合端片を有し、
   一対の前記接合端片は対向する前記シュラウドの表面に沿う端面を有する、請求項１または２に記載のインペラ。
4. 一対の前記シュラウドのうち一方は平板状であり、他方は湾曲している、請求項３に記載のインペラ。
5. 前記シュラウド及び前記羽根は、鋼板がプレス成型されて構成され、レーザ溶接により溶接される、請求項１乃至４のいずれかに記載のインペラ。
6. 前記シュラウド及び前記羽根は、樹脂成型により構成され、超音波溶着または振動溶着により溶着される、請求項１乃至４のいずれかに記載のインペラ。
7. 請求項１乃至４のいずれかに記載のインペラと、
   前記インペラに固定される回転軸と、
   前記インペラを収容するポンプケーシングと、を備えるポンプ装置。
8. シュラウドを形成する工程と、
   金属板をプレス加工して、少なくとも一部が、断面視において、前記シュラウドの延設方向または接線方向に対して傾斜または湾曲する羽根片と、前記シュラウドと直交する方向に対する角度が前記羽根片よりも小さくなる方向に延びる接合端片と、を備える羽根を形成する工程と、
   前記羽根の前記接合端片と前記シュラウドを対向配置させ、前記接合端片の端面を、前記シュラウドの表面に溶接する工程と、
   を備える、インペラの製造方法。

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