JP3584117B2 - 遠心ポンプおよびこれを用いた自動給水ポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地下式受水槽などから水を吸い上げて給水するなどに使用して有効な遠心ポンプおよびこれを用いた自動給水ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、遠心ポンプは、ポンプケーシング内にインペラを収容し、このインペラは前シュラウドと後シュラウドの間に周方向に沿って複数の渦巻状羽根を備えるとともに、これら複数の渦巻状羽根の間に複数の渦巻き流路が形成された構造を有しており、ポンプケーシングの外部に設けたモータによりインペラを回転駆動すると、ポンプケーシングの前面に設けた吸込み口より水を吸い込み、これをインペラの渦巻き流路に導いて加圧し、渦巻き流路の出口からボリュート通路を介してポンプケーシングの吐出口より吐出するようになっている。
【０００３】
ところで、このような遠心ポンプを、地下式受水槽などから水を吸い上げて給水末端へ給水するなどの給水系に使用した場合、すなわち低い箇所から吸上げ運転するとき、吐出流量が設計流量より極端に少ない締切り運転に近い極小流量域で運転すると、インペラの渦巻き流路内の流速が遅く、かつインペラ入口部において羽根角度と水の流入角度が大幅に異なるようになるため挾角が大きくなり、渦巻き流路の入口部で羽根の前縁から剥離を起こすことがある。このような剥離が生じると渦流が発生するようになり、このため流路の入口部に局部的に負圧部が発生し、水の中に溶解されている空気が水から分離して微小な気泡となり、これが入口部の低圧部に滞留するようになる。そして、このような気泡は次第に増加し、渦巻き流路の出口に向かって全体的に成長し、流路全体を塞いでしまう。このようになると、ポンプの吐出圧力が低下し、ついには揚水不能に陥ってしまう。
【０００４】
このような現象は、吸上げ揚程が大きいほど、つまり吸込み側の圧力が低いほど、また、吐出流量が少ないほど発生しやすい。
このような問題を解決するため、従来、特開平３−１６０１９５号公報に記載されているような遠心ポンプが提案されている。このものは、ジェット方式と称しており、小水量運転時に剥離渦が発生する箇所に対応して前シュラウドまたは後シュラウドに貫通孔を設けたものである。
【０００５】
このような構成によれば、前シュラウドまたは後シュラウドに設けた貫通孔はボリュート通路に連通することから、ボリュート通路の高圧水の一部が貫通孔よりインペラの剥離渦が発生する箇所、すなわち負圧を発生する箇所へ噴射されるようになる。よって、この噴射水により低圧部の負圧を緩和し、この低圧部に気泡や滞留が発生するのを防止するようになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述のようなジェット方式の遠心ポンプは、前シュラウドまたは後シュラウドに形成した貫通孔から導かれる高圧力水が圧力の低い主流水と衝突して流れに乱れを発生するようになり、これが振動を誘発してポンプの運転騒音が大きくなるといった不具合がある。
【０００７】
また、貫通孔を通じてボリュート通路の水が噴射されるので、渦巻き通路からボリュート通路および貫通孔を経て循環流れが発生し、この循環のために余分の水を吸上げる必要があり、漏れ損失が生じるのと同じことになってランニングコストが増大するなどの問題もある。
【０００８】
特に、遠心ポンプを自動給水ポンプ装置に適用した場合、自動給水ポンプ装置は一般家庭、アパート、マンション、ビルディングなどの一般生活給水系に使用することが多く、この種の生活用水の給水系では使用水量が極小流量域、すなわち設計流量の５％程度の小水量で運転する場合もあり、よって前記空気の分離による低圧部が発生し易く、揚水不能になる割合が高いという心配がある。
【０００９】
しかも、居住空間に近い場所に設置されることから、ポンプの運転騒音が大きいと生活環境に弊害を招くといった不具合もある。
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、吸上げ揚程が大きくてしかも極小流量域であっても低圧部の発生を防止し、かつ運転騒音を低減するとともにランニングコストも節減できる遠心ポンプおよびこれを用いた自動給水ポンプ装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ポンプケーシングと；このポンプケーシング内に収容され、前シュラウドおよび後シュラウドの間に周方向に沿って設けられた複数の渦巻状羽根およびこれら渦巻状羽根間に形成された複数の渦巻き流路を有するインペラと；上記渦巻状羽根の回転方向前面に形成され、小水量運転時に剥離渦が発生する領域に亘り渦巻き流路の面積を絞るように設けられた突出部と；を具備していることを特徴とする遠心ポンプである。
【００１１】
本発明の遠心ポンプは、単段ポンプまたは多段ポンプを含む。但し、多段ポンプの場合は、小水量運転時に剥離渦が発生して負圧部が発生する可能性のあるインペラは１段目のインペラであり、よって多段ポンプに実施した場合は１段目のインペラに本発明を適用すればよい。
【００１２】
請求項１の発明によれば、インペラの渦巻状羽根前面側に小水量運転時に剥離渦が発生する領域に亘り突出部を形成したから、羽根前面側で水は突出部に沿って流れるようになり、突出部がない場合のように、水が羽根入口部の前縁部から羽根前面側の流線より離れて流れるのが防止される。よって渦巻き流路内で剥離渦が発生するのが抑止され、負圧部の発生がなくなる。このため、水の中に溶解されている空気が水から分離されるのが防止され、渦巻き流路全体に亘り低圧部が生じなくなり、吐出圧力の低下が防止される。よって吸上げ揚程を大きくしても揚水不能に陥いるなどの不具合を防止することができる。しかも、前シュラウドや後シュラウドに貫通孔を形成する必要がなく、このような貫通孔からの高圧水噴射がないので、乱流の発生もなく、振動の誘発による運転騒音の発生を抑止することができる。また、貫通孔を経て循環流れの発生もないから、ランニングコストを低減することができる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の遠心ポンプにおいて、突出部は、当該羽根と回転方向前方に隣接する渦巻状羽根との重なり部の範囲および流路幅の１／３の範囲とで囲まれる領域内に形成されており、突出面が流線に沿うように形成されていることを特徴とする遠心ポンプである。
【００１４】
請求項２の発明は、突出部を形成する領域を規定にしたものであり、請求項１の発明と同様な作用を奏する。
請求項３の発明は、突出部は、請求項１または請求項２に記載の遠心ポンプにおいて、前シュラウドと後シュラウドの間に部分的に形成されていることを特徴とする遠心ポンプである。
【００１５】
請求項３の発明によれば、突出部は前シュラウドと後シュラウドの間に部分的に形成されているから、渦巻き流路の面積を部分的に絞るようになり、突出部によって中水量ないし大水量運転時の流れが規制されるという弊害を軽減することができ、中水量ないし大水量運転時に対する影響を少なくすることができる。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の遠心ポンプと；上記遠心ポンプの吐出側流体圧力または流量に応じて上記遠心ポンプを自動運転する制御装置と；を具備していることを特徴とする自動給水ポンプ装置である。
【００１７】
請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の遠心ポンプの利点を生かした自動給水ポンプ装置を提供することができ、吐出圧力の低下が防止されて吸上げ揚程を大きくしても揚水不能に陥いるなどの不具合を防止することができ、かつ振動による運転騒音の発生を抑止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明について、図１ないし図３に示す第１の実施の形態にもとづき説明する。
図１に示す遠心ポンプ１００は２段式遠心ポンプであり、同図において１はケーシング、２はケーシングカバーを示す。ケーシング１には前面に吸込み口３が形成されているとともに、上面には吐出口４が開口されている。上記ケーシング１およびケーシングカバー２間には内部ケーシングを兼ねるガイドベーン５，６が設けられている。これらガイドベーン５，６間には、１段目インペラ７が収容されているとともに、後側ガイドベーン６とケーシングカバー２との間には２段目インペラ８が収容されている。これら１段目インペラ７および２段目インペラ８は主軸９に取付けられており、この主軸９はケーシングカバー２に連設した電動機１０に連結されている。
【００１９】
電動機１０を作動させると主軸９が回転され、よって１段目インペラ７および２段目インペラ８が同動して回転される。これにより吸込み口３から水を吸引し、この水を１段目インペラ７で加圧し、この加圧された水はガイドベーン５，６間を通って２段目インペラ８でさらに加圧され、ボリュート部１１を経て吐出口４から排出されるようになっている。
【００２０】
上記１段目インペラ７は、図２に示すように構成されている。すなわち、１段目インペラ７は、前後方向に対向する一対の前シュラウド１２および後シュラウド１３を備えるとともに、これら前シュラウド１２および後シュラウド１３の間に介在して周方向に配設された複数の渦巻状羽根１４…（図は６枚の場合を示す）…を有し、これら複数の渦巻状羽根１４…間に複数の渦巻状流路１５…を備えている。
【００２１】
複数の渦巻状流路１５…はインペラ７の内周側に開口された入口部１６および外周部に開放された出口部１７を有している。前シュラウド１２の前側には流入口１８を開口したインペラリング部１９が軸方向に突設されており、この流入口１８が前記渦巻状流路１５…の入口部１６に連通している。
【００２２】
上記渦巻状羽根１４…には、それぞれの渦巻状羽根１４…の回転方向（矢印Ｘ方向）の前面に突出部２０…が一体に形成されている。この突出部２０…は、小水量運転時にこれら渦巻状羽根１４…の前面側に発生する剥離渦の発生領域に亘り、各渦巻き流路１５…の面積を絞るように設けられており、実質的に入口部１６側における渦巻状羽根１４…の回転方向前面側を肉厚にしたものである。
【００２３】
剥離渦の発生する領域というのは、突出部２０が形成される羽根１４とこの羽根１４の回転方向前方に隣接する羽根１４との重なり部の範囲（線Ａ−Ｏ−Ｂで囲まれた範囲、Ｏは羽根の中心）内であり、しかも流路１５を幅方向に３等分した場合の１／３の流線（ａ−ａ線で示す）内に囲まれた領域（斜線で示す領域）である。
【００２４】
すなわち、突出部２０は、羽根１４の前縁から隣接する羽根との重なり部の後端（線Ｂ）までの範囲内であり、かつ流路１５の１／３の流線ａ−ａとで囲まれた範囲（斜線で示す領域）内に形成されている。そして、この突出部２０の突出面は上記流線ａ−ａにほぼ沿った形状をなしている。
【００２５】
具体的に、突出部２０は、羽根１４の前縁から隣接する羽根との重なり部の後端（線Ｂ）までの範囲内であり、突出高さｈが羽根１０の肉厚ｔの１／５〜２の範囲、好ましくは肉厚ｔの１／３〜１の範囲に形成されている。
【００２６】
２段目インペラ８は、基本的構造が１段目インペラ７と同様な構成であるが、渦巻状羽根１４…の回転方向前面に突出部２０…を形成していない点で１段目インペラ７と異なる。すなわち、２段目インペラ８は従来構造のインペラであってよく、図示による説明を省略する。
【００２７】
このように構成した第１の実施の形態について作用を説明する。
電動機１０の作動により主軸９が駆動されると、１段目インペラ７および２段目インペラ８が回転され、これにより吸込み口３から水を吸引し、１段目インペラ７および２段目インペラ８で加圧して吐出口４から排出する。
【００２８】
１段目インペラ７および２段目インペラ８では、それぞれ入口部１６から吸込まれた水が渦巻状流路１５…を通る間で遠心力により昇圧され、出口部１７…より吐出される。
【００２９】
ところで、一般に遠心ポンプを用いて低い箇所から吸上げ運転するとき、吐出流量が設計流量より極端に少ない締切り運転に近い極小流量域で運転すると、渦巻き流路１５内の流速が遅く、しかも渦巻き流路１５の入口部１６において羽根角度と水の流入角度が大幅に異なるようになるため挾角が大きくなり、渦巻き流路１５の入口部における羽根１４…の前縁から剥離を起こすことがある。このような剥離が生じると渦流が発生するようになり、このため入口部１６の近傍に局部的に負圧部が発生し、水の中に溶解されている空気が水から分離して微小な気泡となり、これが入口部１６の低圧部に滞留するようになる。そして、このような気泡は次第に増加し、渦巻き流路１５の出口部１７に向かって成長し、流路１５全体を塞いでしまう。このようになると、ポンプの吐出圧力が低下し、ついには揚水不能に陥ってしまう。
【００３０】
このような現象は、吸上げ揚程が大きいほど、つまり吸込み側の圧力が低いほど、また、吐出流量が少ないほど発生しやすい。
しかしながら、本実施の形態のポンプ１００は、羽根１４…の回転方向前面に、入口部１６の近傍に位置して、羽根１４の前縁から隣接する羽根との重なり部の後端（線Ｂ）までの範囲内でしかも流路１５の１／３の流線ａ−ａとで囲まれた範囲（斜線で示す領域）内に突出部２０を形成したから、渦巻き流路１５の入口部１６において羽根角度と水の流入角度が近似するようになり、挾角が狭くなることから羽根１４…の前縁より剥離の発生するのが防止される。入口部１６に流入した水は突出部２０の突出面に案内されて流線方向に流れるようになる。このため入口部１６の近傍に局部的な負圧が発生するのが防止され、よって水の中に溶解されている空気が水から分離するのが防止される。
【００３１】
このような突出部２０は隣接する羽根との重なり部の後端（線Ｂ）近傍まで延びているから、剥離渦の発生するおそれのある領域に突出部２０が存在することになり、よって剥離渦の発生が防止され、低圧部の発生が抑止されるようになる。 したがって、このような遠心ポンプ１００であれば、極小流量域で運転してもポンプの吐出圧力が低下するのが防止され、揚水不能に陥いる等の不具合を回避することができる。
【００３２】
しかも、突出部２０はインペラ７の型成形と同時に一体成形することができ、従来のようなジェット噴射のための貫通孔を格別に加工する必要はないから製造が容易である。そして、突出部２０は流線ａ−ａに沿った突出面を有しているから、水の流れが円滑であり乱流が生じない。また、従来のように貫通孔から高圧水を噴出することがないので低圧部で高圧水と主流が衝突して乱流を生じることもなくなり、振動の発生を防止することができ、運転騒音を低減することができる。
【００３３】
さらに、従来のように貫通孔から高圧水を噴出させる必要がないから、循環水流を確保する必要がなくなり、ランニングコストも安価になる。
図３は、突出部２０を形成した本発明の遠心ポンプと、突出部２０を備えない従来の遠心ポンプを極小流量域で運転した場合の吐出圧力の変化具合を測定した特性図である。従来の遠心ポンプは破線で示すように、運転開始後ほぼ１０秒で吐出圧力の低下が生じ、圧力の変動が認められるが、本発明の遠心ポンプは実線で示すように、吐出圧力の低下はほとんど生じなく、圧力変動も少ないことが確認される。
【００３４】
図４は本発明の第２の実施の形態を示すもので、図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
この実施の形態では、突出部２０が前シュラウド１２および後シュラウド１３の間で部分的に形成されている。すなわち、渦巻状羽根１４に突出部２０を形成する場合、前シュラウド１２から後シュラウド１３に亘る全面に設けると流路面積が絞られるので、中流量や大流量運転時に流路１５面積が不足するといった心配があるが、これを防止するため前シュラウド１２から後シュラウド１３に亘る途中に突出部２０を設けない部分、つまり凹み部２１を形成してある。
【００３５】
このようにすれば、凹み部２１を設けたことにより、流路１５の面積が絞られる割合を低減することができ、中流量や大流量運転時に凹み部２１が流路面積を確保するから、突出部２０を設けたことによる絞り作用を緩和することができる。
【００３６】
図５および図６は第３の実施の形態を示すもので、第１の実施の形態の２段式遠心ポンプ１００を自動給水ポンプ装置に用いた例である。
図５および図６に示す自動給水ポンプ装置は、２台の２段式遠心ポンプ１００，１００を並列接続して場合であり、図５に示す通り、基台５１には図１および図２に示されたポンプ１００，１００が並列に取付けられている。これら遠心ポンプ１００、１００の吐出側は圧力制御弁５２，５２、合流吐出管５３および流量検出部（流量スイッチ）５４などを介して送水管５５に接続されている。上記合流吐出管５３には圧力検出部（圧力センサー）５６および圧力タンク５７が接続されている。上記流量検出部５４および圧力検出部５６は制御装置５８に接続されている。制御装置５８は判定部、インバータ回路部などを有しており、ポンプ１００，１００を交互運転または同時運転するようになっている。
【００３７】
図５に示す自動給水ポンプ装置は、図６に示すように配管接続されて例えばマンションの給水系に使用される。図６において、６０は地下式受水槽、６１は受水槽６０へ水を供給する水道管、６２は合流吸込み管、６３は末端給水栓である。
【００３８】
このような構成の給水系では、ポンプ１００，１００の運転により、地下式受水槽６０の水を吸い上げ、高層階の末端給水栓６３へ供給する。そして、ポンプ１００，１００の停止時に末端給水栓６３側で水を使用すると、ポンプ１００，１００より下流側の送水管５５内圧力が低下する。送水管５５側の圧力が所定以下に低下すると、これを圧力検出部（圧力センサー）５６が検知して制御装置５８の判断によりポンプ１００，１００へ運転指令を発し、この指令にもとづきこれらポンプ１００，１００を交互運転または同時運転する。
【００３９】
末端給水栓６３側で水の使用を止めると、送水管５５側の流量が少なくなり、これを流量検出部５４で検出して制御装置５８の判断によりポンプ１００，１００へ運転停止指令を出し、これによりポンプ１００，１００を停止する。
【００４０】
このような給水系では、末端給水栓６３側で使用水量が極小流量域、すなわち設計流量の５％程度の小水量で運転する場合があるが、図１および図２の構成を有する遠心ポンプ１００，１００を用いれば、低い箇所に設置された受水槽６０から吸上げ運転したり、上記のように吐出流量が極端に少ない締切り運転に近い極小流量域で運転しても、ポンプの吐出圧力が低下するのを防止することができ、揚水不能に陥いる等の不具合を回避することができる。
しかも、居住空間に近い場所に設置されても、ポンプの運転騒音が小さいので生活環境に影響を及ぼすといった不具合も回避することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、インペラの羽根前面側に突出部を形成したから、極小流量域で運転しても渦巻き流路内で剥離渦を発生するのが抑止され、負圧部の発生がなくなる。このため、水の中に溶解されている空気が水から分離されるのが防止され、渦巻き流路全体に亘り低圧部が生じなくなり、吐出圧力の低下が抑止され、揚水不能に陥いるなどの不具合が防止される。しかも、前シュラウドや後シュラウドに貫通孔を形成する必要がなく、このような貫通孔からの噴射がないので、乱流の発生もなく、振動の誘発による運転騒音の発生を抑止することができる。また、貫通孔を経て循環流れの発生もないから、ランニングコストを低減することができる。
【００４２】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様な作用を奏する。
請求項３の発明によれば、突出部を前シュラウドと後シュラウドの間に部分的に形成したから、渦巻き流路の面積を部分的に絞るようになり、突出部によって中水量ないし大水量運転時の流れが規制されるという影響を軽減し、中水量ないし大水量運転時での障害が少なくなる。
【００４３】
請求項４の発明によれば、請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の遠心ポンプの利点を生かした自動給水ポンプ装置を提供することができ、揚水不能に陥いるなどの不具合が防止されるとともに、運転騒音の発生を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す２段式遠心ポンプの一部切欠した側面図。
【図２】同実施の形態におけるインペラを示し、（Ａ）は横断面図、（Ｂ）は縦断面図。
【図３】突出部を形成した本発明の遠心ポンプと、突出部を備えない従来の遠心ポンプを極小流量域で運転した場合の吐出圧力の変化具合を測定した特性図。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示し、図２のＩＶ−ＩＶ線に相当する箇所の断面図。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示し、第１の実施の形態の遠心ポンプを用いた自動給水ポンプ装置の正面図。
【図６】同実施例の自動給水ポンプ装置を給水系に用いた配管接続図。
【符号の説明】
１…ケーシング
２…ケーシングカバー
３…吸込み口
４…吐出口
５，６…ガイドベーン
７…１段目インペラ
８…２段目インペラ
９…主軸
１０…電動機
１２…前シュラウド
１３…後シュラウド
１４…渦巻状羽根
１５…渦巻状流路
１６…流路の入口部
１７…流路の出口部
２０…突出部

Claims (4)

1. ポンプケーシングと；
   このポンプケーシング内に収容され、前シュラウドおよび後シュラウドの間に周方向に沿って設けられた複数の渦巻状羽根およびこれら渦巻状羽根間に形成された複数の渦巻き流路を有するインペラと；
   上記渦巻状羽根の回転方向前面に形成され、小水量運転時に剥離渦が発生する領域に亘り渦巻き流路の面積を絞るように設けられた突出部と；
   を具備していることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 請求項１に記載の遠心ポンプにおいて、
   上記突出部は、当該羽根と回転方向前方に隣接する渦巻状羽根との重なり部の範囲および流路幅の１／３の範囲とで囲まれる領域内に形成されており、突出面が流線に沿うように形成されていることを特徴とする遠心ポンプ。
3. 請求項１または請求項２に記載の遠心ポンプにおいて、
   上記突出部は、前シュラウドと後シュラウドの間に部分的に形成されていることを特徴とする遠心ポンプ。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか一に記載の遠心ポンプと；
   上記遠心ポンプの吐出側流体圧力または流量に応じて上記遠心ポンプを自動運転する制御装置と；
   を具備していることを特徴とする自動給水ポンプ装置。

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