JP3637426B2

JP3637426B2 - 斜流形流体機械

Info

Publication number: JP3637426B2
Application number: JP18999195A
Authority: JP
Inventors: 共由岡村; 正博竹浦; 仁治木村
Original assignee: 株式会社日立インダストリイズ
Priority date: 1995-07-26
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2015-07-26
Also published as: JPH0942184A

Description

【産業上の利用分野】
【０００１】
本発明は、排水機用ポンプ及び火力発電所や原子力発電所で冷却水を循環させる循環水ポンプ等に係り、特に小型化しかつ揚程曲線を安定化するのに好適な斜流形流体機械に関する。
【従来の技術】
【０００２】
従来の斜流形流体機械である斜流ポンプの一例を図１１に示す。斜流ポンプに吸い込まれた水は、吸込ケーシング２１、羽根車２２、案内羽根２９及び吐出ケーシング３０を経て吐出口３１より吐出される。羽根車２２は、原動機である電動機３２に連結された駆動軸３３により駆動され、吸い込み流れにエネルギーを与えて圧力上昇させる。案内羽根３９は静止流路で、羽根車２２で得られた流れの周方向残留成分を圧力に変換する機能を有している。斜流ポンプを小型化する要求は、従来にも増して高まっている。ホンプを小型化するには、水力学的観点より、羽根車を高速回転させる、又は羽根出口角度を大きくして羽根車羽根の負荷を大きくする等の方策が考えられるが、これらの方策は以下のような問題点が存在する。
【０００３】
羽根車の高速化は、流速の増大によりキャビテーションの発生が促進されるため、キャビテーション性能の向上やキャビテーションによる壊食や振動・騒音の増大対策が不可欠であり、その実現は極めて困難である。そして羽根車羽根の負荷を大きくすると、ポンプの揚程曲線に不安定部が発生しやすく、低流量域における運転が困難となる。また、過大な負荷の増大は流れの剥離による損失増大がもたらされ、ポンプ効率が低下する。
【０００４】
また図１２に示す斜流ポンプの場合、駆動軸６の軸方向に同芯の第１段斜流羽根車２ａと第２段斜流羽根車２ｂとをケーシング１ａに収容してなり、第１段斜流羽根車２ａ及び第１段整流板４ｅの吐出側に第２段斜流羽根車２ｂ及び第２段整流板４ｆにより多段化すると、ポンプのケーシング１ａの外径を小さくできるが、軸方向長さが長くなり、ポンプ構造上の問題が新たに生ずる場合が多い。したがって、これらの問題解決は、効率、キャビテーション性能、揚程曲線の安定性及び構造等を犠牲にすることなく実現するのは極めて困難であり、従来ポンプをさらに小型化することは極めて困難であった。
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の斜流形流体機械においては、小型化するため、羽根車を高速回転させると、揚程曲線に不安定部が発生しやすく、キャビテーションの発生が促進されて低流量域における運転が困難となる問題点がある。また、羽根車羽根の負荷を大きくすると、過大な負荷の増大は流れの剥離による損失増大がもたらされ、ポンプ効率が低下する問題点がある。さらに羽根車を多段化すると、外径を小さくできるが軸方向長さが長くなり、ポンプ構造上の問題点が新たに生ずる問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、ポンプ効率、キャビテーション性能及び揚程曲線の安定化等を犠牲にすることなく小型化を実現することのできる斜流形流体機械を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するため、本発明に係る斜流形流体機械は、軸方向に同芯の第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車とをケーシングに収容してなる斜流形流体機械であって、前記第１段斜流羽根車の回転方向に対し、前記第２段斜流羽根車を逆回転方向に反転する回転方向反転機構を設け、前記第１段斜流羽根車の羽根車流路の出口径はその入口径より大きく形成され、前記第２段斜流羽根車の羽根車流路の出口径はその入口径より小さく形成され、前記ケーシングは前記第１段斜流羽根車と前記第２段斜流羽根車との間に大径部を有し、前記第１段斜流羽根車と前記第２段斜流羽根車の外径に合わせて縮径された傾斜部を有して形成されている構成とする。
【０００８】
また回転方向反転機構は、駆動軸と該駆動軸を挿通した駆動中空軸とを備え、入力軸を原動機に連結するとともに出力軸を駆動軸及び駆動中空軸の他端に連結して形成され、駆動軸の一端に第１段斜流羽根車を連結するとともに、駆動中空軸の一端に第２段斜流羽根車を連結している構成でもよい。
【０００９】
さらに駆動軸は、駆動中空軸に軸支されるとともに、駆動中空軸を介して軸受ハウジングに軸支され、軸受ハウジングは、ケーシングに整流羽根を経由して支持されている構成でもよい。
【００１０】
そして第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車との間に、静止案内羽根を設置した構成でもよい。
【００１１】
また回転方向反転機構は、第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車との間に設置され、第２段斜流羽根車に連結する駆動軸を有し、駆動軸を経由して原動機に連結している構成でもよい。
【００１２】
さらに回転方向反転機構は、第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車との間に設けられ、第１段斜流羽根車と連結する原動機と第２段斜流羽根車と連結する原動機とを互いに対向して配置し、それぞれの原動機をハブに収納して形成されている構成でもよい。
【００１３】
そして回転方向反転機構は、第１段斜流羽根車及び第２段斜流羽根車のそれぞれの駆動軸に連結されかつ互いに対向して設けられる傘歯車と、それぞれの駆動軸と直交しかつそれぞれの傘歯車と歯合する第２の傘歯車と、第２の傘歯車の入力軸とよりなり、入力軸を原動機に連結している構成でもよい。
【００１４】
また第１段斜流羽根車及び第２段斜流羽根車は、いずれか一方が可動翼で形成されている構成でもよい。
【００１５】
さらにターボ形流体機械においては。前記いずれか一つの斜流形流体機械の技術を適用してなる構成とする。
【作用】
【００１６】
通常の斜流ポンプにおいて、羽根車の回転により得られる単段ポンプの全揚程Ｈthは、角運動量の変化より（１）式で得られる。羽根車入口で予旋回がないとすると、Ｃu_１＝０であるから全揚程Ｈthは（２）式になる。
【００１７】
【数１】

【００１８】
【数２】

図５は第１段斜流羽根車及び第２段斜流羽根車流路の円錐面における羽根出入口の相対流れＷ_１〜Ｗ_４を示した図である。一方、図６は図５に示す円錐面を展開して示した流路の羽根の速度三角形を示す。図５及び図６に示すように、第１段斜流羽根車及び第２段斜流羽根車を備え、かつ第２段斜流羽根車を第１段斜流羽根車の回転方向と逆回転方向に反転すると、第２段斜流羽根車入口に逆予旋回Ｃｕ_３が与えられることになる。このような二重反転ポンプの場合の理論揚程は同様に（３）式で得られる。ポンプ入口には予旋回がなく（Ｃu_１＝０）、またポンプ出口でも残留旋回がなく（Ｃu_２＝０）、かつＣu_２＝Ｃu_３、Ｕ_２＝Ｕ_３に設定すると、（３）式より（４）式が求められる。
【００１９】
【数３】

【００２０】
【数４】

すなわち、（２）式と（４）式とより、二重反転式羽根車の第２段羽根車入口流れの周方向成分Ｃu_３を、通常の１段羽根車の出口流れの周方向成分Ｃu_２と同じであると仮定すると、羽根車出口周速Ｕ_２は１／２となり、回転数が同一であると羽根車径は１／２となり、大巾に小型化できることになる。又は羽根車径が同じ場合、羽根車出口流れの周方向成分Ｃu_２は１／２に設定できる。羽根の負荷を大巾に小さくできるため、揚程曲線の安定した羽根車を容易に得ることができる。言い替えれば従来単段の羽根車で行っていた仕事を２段の羽根車で行うことにより、１段の羽根当りの仕事量を小さくできるため、羽根車を小さくすることが可能となる。また羽根車の仕事量すなわち負荷を小さくできるので、安定した揚程曲線を得ることができる。第２段羽根車入口の相対速度は逆予旋回のため、大きな値となり静圧低下によるキャビテーションの発生が懸念されるが、第１段羽根車で十分な昇圧がなされているため、キャビテーションが発生することはない。
【００２１】
さらに原理上、案内羽根を設けなくても、ポンプ出口流れにおいて残留旋回成分をなくすことができるため、２段の羽根車を適用してもポンプ全体の軸方向長さは１段のポンプと同等、あるいはそれ以下とすることが可能である。
【実施例】
【００２２】
本発明の第１の実施例を図１を参照しながら説明する。図１に示すように、軸方向に同芯の第１段斜流羽根車２と第２段斜流羽根車３とをケーシング１に収納してなる斜流形流体機械であって、第１段斜流羽根車２の回転方向に対し、第２段斜流羽根車３を逆回転方向に反転する回転方向反転機構（反転歯車装置）１５を設け、第２段斜流羽根車３の出口径をその入口径より小さく形成した構成である。
【００２３】
すなわち、吸込みベルマウスとケーシングライナとが一体になった吸込ケーシング（ケーシング）１と、第１段斜流羽根車２と、第２段斜流羽根車３と、第１段及び第２段斜流羽根車２，３に駆動トルクを与える同芯２重の駆動中空軸５及び駆動軸６と、軸受ハウジング４ｂを支える整流板（整流羽根）４ａとよりなる。第１段斜流羽根車２と、第２段斜流羽根車３の回転方向は互いに逆回転方向になるように設定され、羽根形状は、図６に示すように第１段斜流羽根車２の入口では予旋回成分がなく、第２段斜流羽根車３の出口では残留旋回成分がないように設定されている。羽根車の外径は、通常の単段羽根車の外径より小さい外径になるように設定してある。
【００２４】
図２に軸受ハウジングのＡ・Ａ断面を示す。駆動中空軸５は外軸であり、内軸として駆動中空軸５と反対方向に回転する駆動軸６が挿通されている。駆動中空軸５と駆動軸６との間に軸受７が設けられ、また駆動中空軸５と軸受ハウジング４ｂとの間の中空部には軸受８が設けられている。したがって駆動軸６は、駆動中空軸５に軸受７で軸支されるとともに、駆動中空軸５を介して軸受ハウジング４ｂに軸受８で軸支され、軸受ハウジング４ｂは、ケーシング１に整流羽根４ａを経由して支持されている。駆動中空軸５と駆動軸６とは、図３及び図４に示すように、原動機１２に継手１６を介して接続された反転歯車装置１５の出力軸の２重軸継手１４に接続されており、同芯で回転方向が異なる駆動中空軸５及び駆動軸６の２軸に動力が伝達されるようになっている。
【００２５】
反転歯車装置１５は、例えば遊星歯車機構により形成され、駆動中空軸５に連結される外歯車の太陽歯車１５ａと、一方の面が駆動軸６に連結されかつ他方の面が継手１６を介して原動機１２に連結される内歯車の太陽歯車１５ｂと、太陽歯車１５ａと太陽歯車１５ｂとに歯合し自転しながら太陽歯車１５ｂの周りを公転する複数の遊星歯車１５ｃと、各遊星歯車１５ｃを軸支するャリア１５ｄとよりなり、駆動軸６の回転方向に対して駆動中空軸５を逆回転方向に反転可能な構造である。
【００２６】
このように構成された二重反転形斜流ポンプでは、羽根車が回転すると羽根車出入口の速度三角形は、図６に示す形状となり、第２段羽根車出口では残留旋回成分がないような速度Ｃ_４で羽根車より出ていく。その際、第１段斜流羽根車では（５）式に示す理論揚程が得られ、かつ第２段斜流羽根車では（６）式に示す理論揚程が得られるため、ポンプ出口では、（５）式及び（６）式の和である（７）式に示す理論揚程が得られる。
【００２７】
【数５】

【００２８】
【数６】

【００２９】
【数７】

本実施例によれば、通常の単段ポンプに比べ、２段ポンプで同じ揚程、吐出量を出すため、単段あたりの負荷が小さくなり羽根車径を小さくできる。一方、従来と同一羽根車径とすると、羽根車の負荷が小さいため、低流量域においても羽根車羽根では剥離や失速を生じにくく、揚程曲線は不安定部のない右下がりの曲線となる。
【００３０】
本発明の第２の実施例を図７に示す。第１段斜流羽根車２と第２段斜流羽根車３との間に静止案内羽根９を設置した構成である。このとき、第１段斜流羽根車２で生じた羽根車出口の周方向成分の一部は、静止案内羽根９ａ，９ｂ等により流速がＣ_２よりＣ_３に減速され圧力回復がなされる。そしてその後、第２段斜流羽根車３に流入する。このとき、図１に示す静止案内羽根９がない構成に比べ、図６に示す第２段斜流羽根車入口の速度三角形における角度α_３が小さくなる。その結果、第２段斜流羽根車羽根の入口角が大きくなり羽根長さを短くできて羽根の製作が容易になる。
【００３１】
本発明の第３の実施例を図８に示す。反転歯車装置２５は、第１段斜流羽根車２と第２段斜流羽根車３との間に設置され、第２段斜流羽根車３に連結される駆動軸２６を有し、駆動軸２６を経由して原動機１２に連結している構成である。すなわち羽根車のハブ内に反転歯車装置２５を内蔵させたものである。このような構成により、駆動軸２６を中空軸にする必要がなくなり、製作が容易になる。
【００３２】
本発明の第４の実施例を図９に示す。本実施例はチューブラー形の二重反転形斜流ポンプである。反転歯車装置３５は、第１段斜流羽根車２と第２段斜流羽根車３との間に設置され、第１段斜流羽根車２と連結する原動機１２ａと第２段斜流羽根車３と連結する原動機１２ｂとを互いに対向して配置し、各原動機１２ａ，１２ｂをポンプハブ３４内に収容してなる構成である。第１段斜流羽根車２は設置された原動機１２ａで駆動され、第２段斜流羽根車３は原動機１２ｂで駆動され、両原電機１２ａ，１２ｂの回転方向は互いに逆に設定されている。原動機をポンプ本体に内蔵しているため、非常にコンパクトな形状にすることができる。
【００３３】
本発明の第５の実施例を図１０に示す。反転歯車装置４５は、第１段斜流羽根車２及び第２段斜流羽根車３の各駆動軸に連結連結しかつ互いに対向して設けられる傘歯車４５ａ，４５ｂと、各駆動軸と直交しかつ各傘歯車４５ａ，４５ｂと歯合する第２の傘歯車４５ｃと、第２の傘歯車４５ｃの入力軸４６とよりなり、入力軸４６を原動機１２に連結している構成である。この構成により斜流ポンプの全長を大巾に短縮することができる。
【００３４】
さらに本発明の第６の実施例として、第１段又は第２段の羽根車のいずか一方を可動翼とする構成であり、小型でかつ可動翼の特性を備えた斜流ポンプを提供することができる。
【００３５】
なお以上の実施例で斜流ポンプへの適用について説明したが、斜流送風機及び斜流圧縮機等のターボ形流体機械に対しても同様の技術を適用可能である。
【００３６】
本発明によれば、単段の羽根車でなす全揚程と流量の仕事とを２段の羽根車で行うため、羽根車径を縮小することができ、かつ羽根の負荷を小さく設定できるため、安定したポンプの揚程が得やすくなる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、第１段斜流羽根車の回転方向に対し、第２段斜流羽根車を逆回転方向に回転し、全揚程と吐出量とを２段の羽根車で行うため、羽根車径を縮小することができ、かつ羽根の負荷を小さく設定できるため、安定した揚程曲線を得る効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施例を示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ・Ａ線矢視を示す横断面図である。
【図３】図１の装置全体を示す外形図である。
【図４】図１の回転方向反転機構を示す縦断面図である。
【図５】図１の羽根車の子午面流路を示す斜視図である。
【図６】図５の羽根車の速度三角形を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例を示す縦断面図である。
【図８】本発明の第３の実施例を示す縦断面図である。
【図９】本発明の第４の実施例を示す縦断面図である。
【図１０】本発明の第５の実施例を示す縦断面図である。
【図１１】従来の技術を示す縦形斜流ポンプの縦断面図である。
【図１２】従来の技術を示す２段式斜流ポンプの縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１吸込ケーシング
２第１段斜流羽根車
３第２段斜流羽根車
４整流板
５駆動中空軸
６，２６，４６駆動軸
７軸受
８軸受
９案内羽根
１０吐出ケーシング
１１吐出口
１２原動機
１３二重反転斜流ポンプ
１４二重継手
１５，２５，３５，４５反転歯車装置
１６継手

Claims

軸方向に同芯の第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車とをケーシングに収容してなる斜流形流体機械であって、前記第１段斜流羽根車の回転方向に対し、前記第２段斜流羽根車を逆回転方向に反転する回転方向反転機構を設け、前記第１段斜流羽根車の羽根車流路の出口径はその入口径より大きく形成され、前記第２段斜流羽根車の羽根車流路の出口径はその入口径より小さく形成され、前記ケーシングは前記第１段斜流羽根車と前記第２段斜流羽根車との間に大径部を有し、前記第１段斜流羽根車と前記第２段斜流羽根車の外径に合わせて縮径された傾斜部を有して形成されていることを特徴とする斜流形流体機械。
回転方向反転機構は、駆動軸と該駆動軸を挿通した駆動中空軸とを備え、入力軸を原動機に連結するとともに出力軸を前記駆動軸及び前記駆動中空軸の他端に連結して形成され、前記駆動軸の一端に第１段斜流羽根車を連結するとともに、前記駆動中空軸の一端に第２段斜流羽根車を連結していることを特徴とする請求項１記載の斜流形流体機械。
駆動軸は、駆動中空軸に軸支されるとともに、該駆動中空軸を介して軸受ハウジングに軸支され、該軸受ハウジングは、ケーシングに整流羽根を経由して支持されていることを特徴とする請求項２記載の斜流形流体機械。
第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車との間に、静止案内羽根を設置したことを特徴とする請求項１記載の斜流形流体機械。
回転方向反転機構は、第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車との間に設置され、該第２段斜流羽根車に連結する駆動軸を有し、該駆動軸を経由して原動機に連結していることを特徴とする請求項１記載の斜流形流体機械。
回転方向反転機構は、第１段斜流羽根車と第２段斜流羽根車との間に設けられ、第１段斜流羽根車と連結する原動機と第２段斜流羽根車と連結する原動機とを互いに対向して配置し、それぞれの原動機をハブに収納して形成されていることを特徴とする請求項１記載の斜流形流体機械。
回転方向反転機構は、第１段斜流羽根車及び第２段斜流羽根車のそれぞれの駆動軸に連結されかつ互いに対向して設けられる傘歯車と、それぞれの駆動軸と直交しかつそれぞれの傘歯車と歯合する第２の傘歯車と、該第２の傘歯車の入力軸とよりなり、該入力軸を原動機に連結していることを特徴とする請求項１記載の斜流形流体機械。
第１段斜流羽根車及び第２段斜流羽根車は、いずれか一方が可動翼で形成されていることを特徴とする請求項１記載の斜流形流体機械。
請求項１乃至８のいずれか１項記載の斜流形流体機械の技術を適用してなることを特徴とするターボ形流体機械。