JP4050324B2 - 養魚場用の低ヘッドポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の技術分野
本発明はポンプに関係するものであり、特に、本発明は、養魚場に水を循環させるための低ヘッド大容量ポンプに関係するものである。
【０００２】
発明の背景技術
大きな水量の中の限定された領域の中に魚を囲み、いわゆる「バッグ」型の養魚場の中で魚を飼育する方法は、よく知られている。ローソンに１９７３年２月１３日に発行された米国特許第3,716,024号；ゴールドマンらに１９７５年８月１９日に発行された第3,900,004号、バビーンに１９７９年３月２０日に発行された第4,144,840号；ポールハンセンに１９８３年１２月２７日に発行された第4,422,408号；マッコーに１９８６年１０月７日に発行された第4,615,301号；ナイナンに１９８７年１２月８日に発行された第4,711,199号；そして、ガートナーバンに１９８９年１月１７日に発行された第4,798,186号等は、そのような養魚場の例を示している。
【０００３】
これらの養魚システムは、魚を養殖するバッグ又は囲いなどに水を流入出させて循環するために、さまざまな異なる方式の従来型のポンプを使用する。遠心ポンプなどの従来のポンプは、これらのシステムの運転には比較的費用がかかり、また、大きな電力を要し、大きな電力源を必要とし、多くの養魚場ではそのポンプを動かす為に直に利用できるような電力源は備えていない。
流体を移動させるための羽根車は新しいものではなく、多くの異なった形態の羽根車が水を移動させるために考案されている。一般的には羽根車は、例えばボートの運転、あるいは、扇風機羽根などとして使用される。同時にまた、羽根車型のタービンは、ポンプを行う場合とは反対向きに動かすことで、電力を発生させるためにも用いられ、それによって、水に力を与える代わりに、水流から電力を生み出すのである。
【０００４】
羽根車に後退角のついたブレードを使用することは永年知られており、トリップに１９５９年１１月２２日に発行された米国特許第26,213号であり、ボートに使用するためのスクリュー型のプロペラーを記載したものが見うけられる。トリップの教えるような後退ブレードは本発明には適当ではなく、事実、養魚場で要求されるような低ヘッドの状態で用いられた場合には効率的ではない。
ホックセッターに１９３５年２月１２日に発行された米国特許第1,991,095号は、明らかにその発明以前に用いられていたもののような音を発生させない、空気を移動させるための送風機を記載している。この羽根車は、ハブの直径が大きすぎ、ブレードは周方向の幅が広すぎるために、過度の乱流を引き起こし、養魚場のポンプの使用には不適切な高いレイノルズ数を生じるため、水を低ヘッドで移動させる目的の為には効果的ではない。
【０００５】
マーチンに１９９３年１０月５日に発行された、米国特許第5,249,993号は、後方に湾曲した前縁を持ち、ブレードの根元に隣接するブレードの前縁部分が、その直前方のブレードの後縁に重なり、ボート等を推進するために雑草に抵抗力のある羽根車を記載している。
ドーに１９９３年７月１３日に発行された、米国特許第5,226,804号は、低ヘッドで大量の水流といった状況の中での動作を改善するために、ブレードの前縁が回転に対して前方に曲がった、プロペラー型のタービン用のランナーを記載している。
【０００６】
本発明の要旨
本発明の目的は、養魚場に水を移動させるための、低ヘッドで大容量のポンプシステムを提供することである。
概括的に言うと、本発明は１メートル以下の低ヘッドで、大量の流体を移動させるポンプに関係し、中心軸のある円筒状の通路の壁面を規定するハウジングと、該垂直軸に取り付けられるハブ部分と、該軸の周囲に対称に位置された複数のブレードとを有する羽根車とによって構成される。前記各ブレードは、ハブに隣接する根元部分と、上述の通路周壁に隣接して該ブレードの最大直径である先端部分を持つ。前記各ブレードは、平面形状が略楕円形であって、また、羽根車を通過する水流のレイノルズ数が１０⁶より小さいような通常の操作状況に於いて、揚抗比（Ｌ／Ｄ）が少なくとも７５から１となるようにするために、フォイル形（foil shaped）の断面形状をしている。前記各ブレードは、該羽根車の回転方向に対して後方に湾曲した（skewed）中心線（ＣＬ）をもち、それぞれのブレードの中心線は、該羽根車の回転方向に対して、下記のスイープ角（sweep angle）αで後方に湾曲する。該スイープ角αは以下のように規定される。
α＝atan(r_t/r_r)
但し、
r_rはブレードの根元の半径
r_tはブレードの先端の半径
続いてカーブは以下のように規定される。
Ｘ_i=Cosineθ_i*r_i
Ｙ_i=Sineθ_i*r_i
但し、
Ｘ_i=平面図上で、ブレードの前記中央線上にある点iのＸ座標であり、Ｘ座標軸は、羽根車の回転軸を起点に、中央線とハブとの交点を通って延びる半径線に沿って延長する。
Ｙ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点iのＹ座標であり、Ｙ座標軸は、Ｘ座標軸に対して略垂直である。
r_iは、回転軸から点iまでの半径長さである。
θ_iは、Ｘ軸に対して測定される点iの角度であり、
θ_I=α（r_i-r_r）／（r_t-r_r）
で示される。
前記各ブレードはNACA４０００シリーズの中のフォイル形をしており、前記各ブレードはあらゆる任意の半径r_iで傾斜と迎え角（attack angle）をもち、上述のリフト対ドラッグ比を該ブレードに与える。
【０００７】
望ましくは、前記各ブレードは先端半径が５０cmから１５０cmの間であり、さらに望ましくは、７５cmから１２０cmの間である。
望ましくは、前記各ブレードのピッチ角は、根元において約５５から６５°で、先端においては１２°から２０°であるべきであり、上述の迎え角は３°から５°の間である。
望ましくは、前記の平面図上での外形（planer form）は、羽根車の半径（r_t）に対して１．３から１．７倍の長軸の楕円であり、さらに望ましくは、r_tの１．５倍である。
望ましくは、各ブレードは流体の流れの方向に対して後方に４°から６°のすくい角（rake angle）を持っており、さらに望ましくは５°である。
望ましくは、該中心軸は略垂直であり、該ハウジングはその上方へ延びる同心の垂直パイプを持ち、フロートは該パイプを包囲し、該羽根車をその下方へ吊り下げる。
望ましくは、該羽根車を該パイプと該ハウジングを通じて略垂直に動かすことによって引き抜きが可能となるように、該垂直パイプと該ハウジングは該羽根車を取り付る。
【０００８】
図の簡単な説明
更なる特徴、目的、及び利点は、本発明の望ましい実施例に関する詳細な記述と、添付された図を参照すれば明らかであろう。
図１は、魚の養育場に水を送るために取り付けられた、本発明のポンプシステムを示している。
図２は、本発明に従って製作された、羽根車部品の略図である。
図３は、本発明に従った、ブレードの構造の平面図である。
図４は、ブレードの平面図である。
図５は、ブレードの端面図である。
図６は、図３の６−６線に沿った断面図である。
【０００９】
望ましい実施例に関する記述
図１に見られるように、本発明のポンプシステムは、（12）への吸込み口又は流入口を含み、直線で表される位置と点線で表される位置の間、あるいは、その中間の任意の位置に移動させることによって、水が汲み出される高さを調節したり、変えたりすることができる。この動作は、スイーベル継手によって達成することができる。
ポンプの羽根車（16）は、羽根車（16）が回転している略垂直な中心軸つまりは中心線（20）を形成しているハウジング（18）内に格納されている。羽根車（16）は、適当なモーターによって駆動され、図の例示では水力モーター（22）として表される水力モーターは、可撓性の継手（24）とスラストベアリング（26）とによって、中心線（20）により図式的に示される軸に接続され、羽根車（16）を駆動する。
【００１０】
（15）で示されるシュラウドは、羽根車（16）により発生する流れを、流出口（28）へ放出する。シュラウド（15）は漏水を許容するように設計されているので、ポンプの始動時に任意のサージ流が略垂直なパイプ部分（17）に流れてきても、その流れの勢いを鈍らせるようにできている。
ポンプシステムの全体はフロートカラー（flatation collar）（32）により浮かべられており、フロートカラー（32）は、モーター（22）を液面の高さＬより十分に上方に支持し、そして羽根車（16）を十分に下方Ｌに保持する。取り入れシステムと羽根車（16）とを下方に吊下げているパイプ部分（17）の上端を、フロートカラー（32）によって包囲した配置とすることによって、例えば波運動を受けても不都合を生じるほどの揺れは起きない、安定したシステムを達成した。
【００１１】
望ましくは軸（20）は略垂直であり、従って、パイプ（17）も略垂直となり、これら二つはパイプ（17）を取り囲むフロート（32）により、この略垂直な位置が保たれている。軸（20）は、スパイダーベアリング（spider bearing）（21）などの適当なベアリングによって、パイプ（17）内に取り付け、位置を決められ、二つ目のスパイダーベアリング（図示せず）が、ハウジング（18）の直径いっぱいにわたって拡がる静止翼（static vane）（23）によって支えられている。
【００１２】
パイプ（17）とハウジング（18）は、羽根車（16）（図中の静止翼（23））から、モーター（22）の最上部、あるいはパイプ（17）の端に至るまで、一定の内径を持っていることは注目に値する。この構造は、一般に、モーター（22）と軸（20）との接続を解き取り出すときに、シュラウド（15）、スパイダーベアリング（21）、羽根車（16）、そして羽根車（16）の上流に静止翼（23）として描かれるものの全てを、パイプ（17）から垂直に引き出すことを可能とする。引き出すためのこの機構は、シュラウド（15）、スパイダーベアリングとその留め具（21）と、静止翼（23）を、ハウジング（18）のパイプ（17）に対して一時的に支え、取り付けるための既知の手段によって容易に達成できる。
【００１３】
翼（23）は羽根車（16）の上方あるいは上流に位置するものとして示されてきたが、むしろ望ましくは羽根車（16）の下流、すなわち、モーター（22）から側方に離れて位置し、シャフト（20）を羽根車（16）の下方に突き出し、静止翼（23）の中に支持されている適当なベアリングによって支えられる。この配置の場合には、シャフトが静止翼（23）のベアリングからはずされる必要があるのみで、静止翼（23）が羽根車（16）と共に持ち上げられる必要がないために、羽根車（16）の取り外しを簡易に為すことができる。
排出口（28）は、液体、特に水を、養魚場で飼育されている魚が囲われている、一般的に（34）で表されている区画領域又はバッグへ排出する。
【００１４】
図２の平面図に示されている羽根車（16）は、複数（図中では５枚）のブレード（36）から成り、それらは略同一であり、羽根車の回転軸（20）に中心を位置するハブ（38）の周方向に対称に配置されている。それぞれのブレードは図３に示されるような、湾曲した軸状の中心線ＣＬを持つ。
ブレードの数は素数、たとえば３、５、７、１１であり、ブレードは軸（20）の周囲に対称に配置される。ブレードの数が大きくなるほど、所定のスループット（throughput）を得るために必要な羽根車の回転速度は遅くなる。
【００１５】
ブレードはすべて同じ形をしており、低いブレード負荷で効果的に動作する、すなわち、約１メーター（m）より低いヘッドで、１エンクロージャー（enclosure）当たり１ｍ³／秒の比較的大きな流量を送り、ポンプ作業の効率を大きく損なうことなく大きなターンダウン比を持つことができる。一つのポンプによって、多数の個別の囲いあるいは閉鎖領域へ液体を送る使用法が可能である。
各ブレードは、７５対１、望ましくは１００対１以上の高い揚抗比（Ｌ/Ｄ）、１０⁶より小さい低いレイノルズ数で水を送る。この高いＬ/Ｄ値を得るために、それぞれのブレードは、米国航空評議委員会（NACA）シリーズの中から選んだホイル形の断面形状、典型的にはNACA４０００シリーズのフォイル（Abbot, I.H. and A.E. von Doenhff, 1959, Theory of Wing Sections, Dover Publications, New York参照）を持つ。
【００１６】
レイノルズ数を要求される範囲（１０⁶より小）に維持するためには、ポンプを通る流体の速度は比較的低く、一般的には約５ｍ/秒以下に維持される必要がある。従って、要求される高い流量を達成するためには、羽根車の直径が比較的大きく、ハウジングの直径が大きいことが要求される。本発明は通常、羽根車の直径が、少なくとも５０cm以上で１５０cm未満、さらに望ましくは約７５cmから１２０cmの間であり、ハブ（38）の直径は羽根車の直径の１０から２０％の間、望ましくは１５％である。羽根車の直径は、外側を囲んでいるハウジング（18）の内径の９３％より大きく、したがって、隙間はハウジング（18）の内径の７％未満である。隙間が大きすぎたならば、ポンプの効果と効率に重大な影響を及ぼすであろう。
【００１７】
ブレードの中央線ＣＬ（図３参照）は、羽根車の回転の方向の反対側に湾曲している。一般に、中央線ＣＬは角度αで規定される弧に沿って延び、
α=atan(r_t/r_r)
で示される。但し、
r_rはブレードの根元半径
r_tはブレードの先端半径
続いて中央線の形は次式で規定される。
Ｘ_i=Cosineθ_i*r_i
Ｙ_i=Sineθ_i*r_i
但し、
Ｘ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点_iのＸ座標であり、Ｘ座標軸は、羽根車の回転軸を始点に、中央線とハブの交点を通って延びる半径線に沿って延長する。
Ｙ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点_iのＹ座標であり、Ｙ座標軸は、Ｘ座標軸に対して略垂直である。
r_iは、回転軸から点iまでの半径長さである。
θ_iは、Ｘ軸に対して測定される点iの角度であり、
θ_I=α(r_i-r_r)／(r_t-r_r)
で表される。
【００１８】
中心線ＣＬの曲率は、その根元部分、つまりはi_rで示される部分から、その最大値、又は先端のi_tに至るまで比較的均一である。
α及びθで規定される羽根車（36）の湾曲は、ブレードの見かけの縦横の比（apparent aspect ratio）を増加させ、作動音を低減し、ブレードに本質的に自浄能力（self-cleaning）を有するように形成することが重要である。
ブレードは、所望の迎え角（attack angle）を維持するために、羽根車（16）の回転軸（20）からみて長さ方向に変化しているピッチ角Ｐを備える。ピッチ角Ｐは、シャフト（20）の回転軸に垂直なＸ平面と、ブレードの前縁と後縁とを繋ぐ弦（cord）との間の角である（図６を参照のこと）。
迎え角βは約３°から５°の間、望ましくは約４°に設定されており、従って、アプローチ角φはそれぞれのブレードの根元i_rから先端i_tに向かって、ピッチ角Ｐの変化につれて変化する。すなわちφ＝Ｐ-βで表される。各ブレードの根元におけるアプローチ角φ（すなわちφr）は約５０°から７０°、望ましくは約６０°であり、先端においては（即ちφｔ）は１２°から２０°の間、望ましくは１６°である。
【００１９】
それぞれのブレード（36）の中央線ＣＬはまた、流体の移動の方向に対してわずかに傾斜されていることが望ましい。すなわち、ブレードの先端におけるブレードの中央線は、ブレードの根元での中央線と比較して、流体の移動の方向に進んでいる（advanced）ことが望ましい。一般的に、図４に於いてＲで示されるこの角度は、４°から６°の範囲、望ましくは５°の範囲内である。
各ブレードは、図３の平面形状でみると、中央線ＣＬの周囲で擬楕円形をしている。望ましくは、その楕円形は、センターラインの点i_rとi_tの間の長さに対し、最大でほぼ１．５倍の長径を持つ。
【００２０】
実施例
最大半径が約４６cmに等しく、ハブの直径約６．７cmの羽根車が製られた。これは、ブレードの根元はNACA４４２１のフォイル型を用いて作成され、各ブレードのフォイル部分が、根元から先端に向かってなめらかにカーブして、先端のNACA４４１２型へと移行するように作成される。羽根車は内径９４cmのハウジングの中に取り付けられた。ブレードの角度αは８５．８°であり、湾曲度は上述の関数、
Ｘ_i=Cosineθ_i*r_i
Ｙ_i=Sineθ_i*r_i
で規定された。
但し、
Ｘ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点iのＸ座標であり、Ｘ座標軸は、羽根車の回転軸を起点に、中央線とハブの交点を通って延びる半径線に沿って延長する。
Ｙ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点iのＹ座標であり、Ｙ座標軸は、Ｘ座標軸に対して略垂直である。
r_iは、回転軸から点iまでの半径の長さである。
θ_iは、Ｘ軸に対して測定される点iの角度であり、
θ_I=α(r_i-r_r)／(r_t-r_r)
で表される。
【００２１】
ブレードのピッチ角は、アプローチ角が根元での６１．８°から先端での１６°まで変化するように設定され、迎え角は４°に設定される。センターラインＣＬの逃げ角は５°である。それぞれの羽根車のブレードは、長径が羽根車の最大半径のほぼ１．５倍の楕円形を基本とした平板形状であって、中央線ＣＬの周囲に擬楕円形に分布したものである。
羽根車は図のように５枚のブレードが組み合わされている。
この羽根車のデザインは、表１に規定されるような明細を満足させる。

【００２２】
得られた結果から、この羽根車が、低ヘッドの条件下で、著しいターンダウン比の範囲で、水を移動させるのに極めて効果的であることが明らかになる。
本発明の範囲を記載してきたが、技術に通暁したものには、添付された請求に定義される発明の範囲から離れることなく、変更を加えることができることは明らかであろう。

Claims (8)

1. 液体を大量に、１メートル以下の低ヘッドで移動させるためのポンプであって、中心軸を持つ円筒状の通水路の周壁を構成するハウジングと、該垂直軸に取り付けられ、ハブ部分及び、該軸の周囲に対称に配置された複数のブレードを持って回転する羽根車とを含み、各ブレードは、ハブに隣接する根元部分と、該ブレードの最大直径に位置して該通水孔の該周壁に隣接する先端部分とを有しており、各ブレードは略楕円形の平面形状を持ち、羽根車を通過する流体のレイノルズ数が１０⁶より小さいときに、通常の作動条件下で、揚抗比（Ｌ／Ｄ）を少なくとも７５対１にするためのフォイル型をした断面形状を持っており、各ブレードは、該羽根車の回転方向に対して後方に湾曲した中央線（ＣＬ）を持ち、それによって前記各ブレードの該中央線は該羽根車の回転方向に対して後方に湾曲角αで曲がり、湾曲角αは、
   α＝atan(r _t /r _r )
   で規定される。
   但し、
   r_rはブレードの根元の半径
   r_tはブレードの先端の半径
   続いてブレードの前記中央線（ＣＬ）の湾曲は以下のように規定される。
   Ｘ_i=Cosineθ_i*r_i
   Ｙ_i=Sineθ_i*r_i
   但し、
   Ｘ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点iのＸ座標であり、Ｘ座標軸は、羽根車の回転軸を起点に、中央線とハブの交点を通って延びる半径線に沿って延長する。
   Ｙ_i=平面図上で、ブレードの該中央線上にある点iのＹ座標であり、Ｙ座標軸は、Ｘ座標軸に対して略垂直である。
   r_iは、回転軸から点ｉまでの半径の長さである。
   θ_iは、Ｘ軸に対して測定される点iの角度であり、
   θ _i =α(r_i-r_r)／(r_t-r_r )
   で表される。
   前記各ブレードはNACA４０００シリーズのフォイル型をしており、前記各ブレードは与えられた任意の半径r_iに於いて、上述の揚抗比を該ブレードに与えるためのピッチ角と迎え角を持つ。
2. 前記各ブレードが５０cmから１５０cmの間で同じ先端半径r_tを持つ、請求項１に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。
3. 前記各ブレードが７５cmから１２０cmの間で同じ先端半径r_tを持つ、請求項１に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。
4. それぞれのブレードが、根元に於いては５５°から６５°の範囲であるピッチ角Ｐが、なめらかに移行して、先端に於いては１２°から２０°の間となり、また、３°から５°の間で概ね一定である迎え角βを持つ、請求項１に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。
5. 上述の平面形状が、その長径が最大半径(r_t)の１．３から１．７倍の間である楕円形をした、請求項１、２、あるいは３に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。
6. 上述の平面形状が、その長径が羽根車の最大半径(r_t)の１．３から１．７倍の間、さらに望ましくは１．５r_tである楕円形をした、請求項１、２、３、４、あるいは５に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。
7. 該中心軸が略垂直であり、上述のハウジングはその上方に延びる同心の垂直のパイプを持ち、フロートが該パイプを取り囲み、該羽根車をその下方に吊り下げるように配置された、請求項１、２、３、４、５、あるいは６に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。
8. 該羽根車を、該パイプと該ハウジングを通じて略垂直に動かすことで引き抜くことが可能となるように、該垂直パイプと該ハウジングに該羽根車に取り付けた、請求項７に規定される、大量の液体を移動させるためのポンプ。

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