JP4311167B2

JP4311167B2 - 軸流型ポンプ

Info

Publication number: JP4311167B2
Application number: JP2003381037A
Authority: JP
Inventors: 康弘井上; 剛風間; 明真鍋
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-11-11
Also published as: JP2005146866A

Description

本発明は、軸流型ポンプに係り、特に吸込口から吐出し口にかけて断面形状が円形から矩形へ次第に変化する吐出し扁平ベンド管を備える大型軸流型ポンプに好適なものである。

従来の吐出し扁平ベンド管を用いた軸流型ポンプとしては、図９に示すものがある（従来技術１）。この軸流型ポンプ１０においては、上流の吸水路１から流入する水をポンプ羽根車２にて昇圧する。昇圧された水は、ポンプケーシング３にて整流された後に、流路断面形状が円形から矩形に変化する吐出し扁平ベンド管４へと導かれる。吸込口４ａを通して吐出し扁平ベンド管４へ導かれた水は、吐出し扁平ベンド管４により水の流れる方向が鉛直方向から水平方向へと変えられ、吐出し口４ｂを通して放水路６へと排出される。

全揚程の低い軸流型ポンプ１０においては、全揚程に対する吐出し流路における損失水頭の割合が相対的に大きく、吐出し水路の損失がポンプ機場全体の効率を大きく左右する。また、吐出し偏平ベンド管４が用いられる軸流型ポンプ１０は、大型ポンプに用いられることが多い。そのため、吐出し偏平ベンド管４における振動・騒音が相対的に大きい状態になりやすい。

なお、これに関連する水車またはポンプ水車としては、特開２００１-１４０７４１号公報（特許文献１）に示されたものがある。

一方、流路断形状が同一円形で９０度曲げられたベンド管に整流板を設けたものとして、非特許文献１に示されたものがある（従来技術２）。この従来技術２では、円形断面のベンド管における損失低減を図るために、ベンド管内に整流板を入れ、その配置位置が検討されている。

図７に示すような入口より出口まで同一直径の円形断面の９０度ベンド管４の場合において、１枚の整流板５を取付けるときの最適位置は、非特許文献１に記載されているように、次の式（１）で表わされる。

ここで、ｒ_ｓ：整流板取付け位置の曲率半径、Ｒ_ｏ：ベンド管外壁の曲率半径、Ｒ_ｉ：ベンド管内壁の曲率半径である。

この式（１）を満足する損失係数ｋ_ｆは、（ｒ_ｓ−Ｒ_１）／（Ｒ_ｏ−Ｒ_ｉ）に対して図８に示すように変化する。損失係数ｋ_ｆは、図８に示されるように、（ｒ_ｓ−Ｒ_１）／（Ｒ_ｏ−Ｒ_ｉ）が０．３１で最適となる整流板の取付け位置が存在する。

特開２００１-１４０７４１号公報

H.ITO and Ｋ.IMAI；Pressure Losses in Elbows of a Circular Cross Section, Trans. ASME ,Journal of Basic Engineering, Sept．1966,p684-685

上述した従来技術１では、吸込口から吐出し口にかけて断面形状が円形から矩形へ次第に変化する吐出し扁平ベンド管を用いているので、流路断形状が同一円形で９０度曲げられたベンド管と比較して、二次流れによる損失を低減することができる。すなわち、吐出しベンド管では、一般的な曲がり流路にて水に作用する遠心力により流路断面内に二次流れが発生するが、この遠心力による二次流れの現象はベンド管を偏平化することにより低減されることが知られている。しかし、一方では、吐出し扁平ベンド管の流路断面の幅方向への流路拡大による二次流れが発生し、これによる損失が発生する。

一方、上述した従来技術２は、流路断形状が同一円形で９０度曲げられたベンド管であるため、断面形状が円形から矩形へ次第に変化する扁平ベンド管と比較して、曲がり流路にて水に作用する遠心力で発生する流路断面内の二次流れによる損失が大きく、しかも、上下方向の寸法が大きくなって設置時の土木掘削量が増大するという問題があった。

そこで、従来技術１の吐出し扁平ベンド管内に整流板を設け、従来技術２における整流板の最適位置を適用することが考えられる。しかし、従来技術２の整流板の最適位置は、ベンド管外壁の曲率半径Ｒ_ｏ及びベンド管内壁の曲率半径Ｒ_ｉが一定の場合（換言すれば、流路断形状が同一円形で９０度曲げられたベンド管の場合）に適用されるものである。このため、ベンド管外壁の曲率半径及びベンド管内壁の曲率半径が変化する吐出し扁平ベンド管を備えた従来技術１に、従来技術２を単に適用することはできなかった。すなわち、従来技術１では、整流板の設置による摩擦損失の増加を極力抑え、且つ吐出し扁平ベンド管の内外周部での圧力差の均一化を図ることのできる整流板の設置位置とすることが課題となっていた。

本発明の目的は、吐出し扁平ベンド管により土木掘削量の削減と共に水路損失の低減を図りつつ、整流板により更なる水路損失の低減と共に圧力脈動の低減及びそれに伴う振動・騒音の低減を図ることできる軸流型ポンプを得ることにある。

前記目的を達成するために、本発明では、水を軸方向である鉛直方向上方に吐出すポンプ羽根車を有する軸流型ポンプ部と、前記軸流型ポンプ部の吐出し側に連通され、上下方向から横方向に延び流路断形状が円形の吸込口から矩形の吐出し口に変化する吐出し扁平ベンド管と、吐前記出し扁平ベンド管の吸込口の中央部を鉛直に通って当該吐出し扁平ベンド管を貫通するように設けられた保護管と、前記吐出し扁平ベンド管から排出された水を所定の排出場所まで導くように設けられた放水路とを備えた軸流型ポンプにおいて、前記吐出し扁平ベンド管はその吐出し口の横幅寸法がその吸込口の直径寸法の１．９〜２．１倍の範囲内で且つ前記吐出し口の高さ寸法が前記吸込口の直径寸法の０．３〜０．５倍の範囲内に形成され、前記吐出し扁平ベンド管の流路断面を分割して流入側から流出側に延びる整流板を備え、前記整流板は、当該整流板がない場合の損失水頭よりも当該整流板がある場合の損失水頭が低くなるように、前記保護管より吐出し扁平ベンド管内壁側に位置して設けられると共に、前記吐出し扁平ベンド管の整流板内側の流路断面積と前記吐出し扁平ベンド管の全体の流路断面積との比がほぼ一定で水の流れに沿って延びて設けられている構成にしたことにある。

本発明の軸流型ポンプによれば、吐出し扁平ベンド管により土木掘削量の削減と共に水路損失の低減を図りつつ、整流板により更なる水路損失の低減と共に圧力脈動の低減及びそれに伴う振動・騒音の低減を図ることできる。

以下、本発明の一実施例について図１〜図６を用いて説明する。なお、図１〜図９における同一符号は同一物または相当物を示す。

本実施例の軸流型ポンプの全体構成に関して図１を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施例を示す軸流型ポンプの縦断面概略図である。

軸流型ポンプ１０は、吸水路１、ポンプ部９、吐出し扁平ベンド管４、整流板５、および放水路６を備えて構成されており、例えば大型排水機場などに用いられる。なお、軸流型ポンプ１０は水力機械を構成するものである。

吸水路１はポンプ部９の下部に設けられており、水中に没して下部より水を吸込み、上面よりポンプ部９へ流れるように設けられている。この吸水路１の下端部が軸流型ポンプ１０の下端部を形成している。

ポンプ部９は、ポンプ羽根車２およびポンプケーシング３を備えて構成されている。ポンプ羽根車２は、上流の吸水路１から流入する水を昇圧するものであり、具体的には、吸水路１の上部に設けられ、水を軸方向下方から吸込んで軸方向上方へ吐出すように設けられている。ポンプケーシング３は、ポンプ羽根車２で昇圧された水を整流して吐出し偏平ベンド管４へ導くものである。

吐出し扁平ベンド管４は、ポンプ部９から吐出される水の流れる方向を鉛直方向（上下方向）から水平方向（横方向）へと変化させて放水路６へと排出するものである。吐出し扁平ベンド管４は、ポンプ部９の吐出し側と放水路６の吸込側とに接続され、吸込口４ａから水を吸込んで吐出し口４ｂから放水路６へ吐出すように構成されている。整流板５は、吐出し扁平ベンド管４の流路断面を分割して流入側から流出側に延びるように設置されている。

放水路６は吐出し扁平ベンド管４から排出された水を所定の排出場所まで導くように設けられている。また、保護管７は、吐出し扁平ベンド管４の吸込口４ａの中央部を鉛直に通って吐出し扁平ベンド管４を貫通するように設けられている。

次に、吐出し扁平ベンド管４および整流板５に関して図２を参照しながらさらに具体的に説明する。図２は図１における吐出し扁平ベンド管部分の拡大図である。吐出し偏平ベンド管４内に設置された整流板５によって分割された流路における整流板５より内側の流路を内側流路４ｃと呼び、吐出し扁平ベンド管４における紙面と鉛直方向を幅方向と呼び、上下方向を高さ方向と呼ぶものとする。

吐出し偏平ベンド管４は、円形の吸込口４ａから吐出し口４ｂにかけて次第に矩形へと変化している。本実施例では、吸込口４ａの直径を１．０Ｄとした場合に、吐出し口４ｃの矩形形状は幅が２．１Ｄ、高さが０．４Ｄとなっているが、後述する吐出し扁平ベンド管４の機能を確実に満足するために、吐出し扁平ベンド管４はその吐出し口４ｂの横幅寸法が吸込口４ａの直径寸法の１．９〜２．１倍の範囲内で且つその吐出し口の高さ寸法が吸込口４ａの直径寸法の０．３〜０．５倍の範囲内に形成されている。

整流板５は、吐出し扁平ベンド管４の流路断面を分割して延びるように設けられ、流路各断面において吐出し偏平ベンド管４の全体の断面積に対する内側流路４ｃの断面積を１／５とする位置に設置されている。整流板５は吐出し扁平ベンド管４の整流板内側の流路断面積と吐出し扁平ベンド管４の全体の流路断面積との比がほぼ一定で延びるように形成されている。また、整流板５は保護管７より吐出し扁平ベンド管内壁側に位置して設置されている。

次に、吐出し扁平ベンド管４における整流板５の適切な設置位置について図３〜図６を参照しながら説明する。図３は吐出し扁平ベンド管における整流板を解析するためのモデルケースの断面概略図、図４は図３のモデルケースにおける出口側の水の流れ状態の解析図、図５は図３のモデルケースの解析結果を示す整流板位置に対する損失比の特性図、図６は吐出し扁平ベンド管のモデル実験装置による実験結果を示す流量比に対する損失ヘッド比の特性図である。

上述したように、吐出し偏平ベンド管４においても、曲がり流路にて流体に作用する遠心力により流路断面内に二次流れを発生するが、この遠心力による二次流れの現象はベンド管を偏平化することにより低減される。しかし、一方では、流路の偏平化によるベンド管の流路断面の幅方向への流路拡大による二次流れが発生し、これによる流路損失が発生する。

そこで、本発明者らは、曲がりの半径方向および流路断面の幅方向での二次流れの更なる低減効果を得るために、図３に示すように、吸込口４ａから吐出し口４ｂにかけて整流板５を設置し、整流板５の適切な設置位置を検討した。その結果、整流板５の設置による摩擦損失の増加を極力抑え、且つベンド内外周部での圧力差の均一化を図ることができる整流板５の設置位置が存在することを解析により見出した。

すなわち、吐出し扁平ベンド管４における整流板５の適切な設置位置は、従来技術２のようにベンド管外壁の曲率半径Ｒ_ｏ及びベンド管内壁の曲率半径Ｒ_ｉに基づくものではなく、吐出し扁平ベンド管４の整流板内側の流路断面積Ａ_ｉと吐出し扁平ベンド管４の全体の流路断面積Ａとの比Ａ_ｉ／Ａに基づいて存在することを見出した。具体的には、面積比Ａ_ｉ／Ａが０．０６〜０．２３の範囲内において整流板５がない場合よりも格段に損失比を低減することを見出した。

整流板５を図３に示すように面積比Ａ_ｉ／Ａが１／２、１／３、１／５となる位置で水の流れ（流線）に沿うように設置した３ケースと整流板５がないケースとの４つのケースについて、三次元粘性流れ解析を行なった。ここで、整流板５が無いケースをモデル０、面積比Ａ_ｉ／Ａ＝１／２のケースをモデル１、面積比Ａ_ｉ／Ａ＝１／３のケースをモデル２、面積比Ａ_ｉ／Ａ＝１／５のケースをモデル３と呼ぶものとする。

解析による吐出し扁平ベンド管４の損失水頭比Ｈ_ｅ／Ｈ_ｅ０を表１に示す。この損失水頭比Ｈ_ｅ／Ｈ_ｅ０は、各解析ケースの損失値Ｈ_ｅを整流板なしのモデル０の損失値Ｈ_ｅ０で除した値で示す。

なお、損失水頭Ｈ_ｅの定義式は次の式（２）で表わされる。

Ｈ_ｅ＝Ｈ_１−Ｈ_２（２）
ここで、Ｈ_ｅ：損失水頭（ｍ）、Ｈ：全圧値（ｍ）、添え字の１：吐出し扁平ベンド管４の吸込口、添え字の２：吐出し扁平ベンド管４の吐出し口である。

また、図４（ａ）にモデル０における出口側流れの状況を示し、図４（ｂ）にモデル３における出口側流れの状況を示す。なお、図４は吐出し偏平ベンド管４の吐出し口４ｂから下流側に水力直径の１倍、２倍、３倍の位置における圧力分布（右側半分のみを示す）と流速分布（左側半分のみを示す）を示したものである。

整流板５のないモデル０の場合には、図４（ａ）で明らかなように、吐出し扁平ベンド管４内に大きな二次流れが生じており、内壁側に低圧部分が存在すると共に、吐出し扁平ベンド管４の下流部においても中央で低圧、両側で高圧となる圧力の不均一分布が見られる。それに対して、整流板５を面積比Ａ_ｉ／Ａ＝１／５の位置に取付けた場合には、図４（ｂ）で明らかなように、吐出し扁平ベンド管４内の二次流れが格段に小さくなると共に、吐出し扁平ベンド管４の下流部の圧力分布が整流板５のない場合よりも格段に均一化している。これによって、損失水頭も小さくなっている。

整流板位置である面積比Ａ_ｉ／Ａを横軸とし、損失比Ｈ_ｅ／Ｈ_ｅ０を縦軸として、上述の解析結果を表わすと、図５に示すようになる。この図５から明らかなように、整流板５がない場合よりも格段に損失比を低減することができる整流板位置の位置は、図５の点線の範囲（すなわち、面積比Ａ_ｉ／Ａが０．０６〜０．２３の範囲）内である。特に、整流板位置である面積比Ａ_ｉ／Ａが１／２、１／３の場合には、整流板５を設けた方がかえって悪化してしまうものである。

本実施例の吐出し偏平ベンド管４および整流板の無い吐出し偏平ベンド管の各流量に対する損失水頭比を比較した実験結果を図６に示す。実験結果によると、整流板無しの実験により求めた損失水頭を１．００とした場合に、本実施例の吐出し偏平ベンド管４の損失水頭比は０．９６となっており約４％の損失水頭の低減が確認された。また、吐出し偏平ベンド管４の吐出し口４ｂにおいて測定した振動加速度が低減することも確認された。

本実施例よれば、偏平ベンド内流路断面内における二次流れの抑制による吸込・吐出し偏平ベンド管の損失低減及び、断面内圧力勾配の均一化による脈動の低減、またそれに起因する振動・騒音の低減が可能である。

本発明の一実施例を示す軸流型ポンプの縦断面概略図である。図１における吐出し扁平ベンド管部分の拡大図である。吐出し扁平ベンド管における整流板を解析するためのモデルケースの断面概略図である。図３のモデルケースにおける出口側の水の流れ状態の解析図である。図３のモデルケースの解析結果を示す整流板位置に対する損失比の特性図である。吐出し扁平ベンド管のモデル実験装置による実験結果を示す流量比に対する損失ヘッド比の特性図である。従来技術２の同一直径の円形断面９０度ベンド管の整流板取付け位置を示す図である。図７の円形断面９０度ベンド管の整流板取付け位置に対する損失係数を示す図である。従来の軸流型ポンプの縦断面概略図である。

符号の説明

１…吸水路、２…ポンプ羽根車、３…ポンプケーシング、４…吐出し扁平ベンド管、４ａ…吸込口、４ｂ…吐出し口、４ｃ…整流板内側流路、５…整流板、６…放水路、７…保護管、９…ポンプ部、１０…軸流型ポンプ。

Claims

水を軸方向である鉛直方向上方に吐出すポンプ羽根車を有する軸流型ポンプ部と、
前記軸流型ポンプ部の吐出し側に連通され、上下方向から横方向に延び流路断形状が円形の吸込口から矩形の吐出し口に変化する吐出し扁平ベンド管と、
吐前記出し扁平ベンド管の吸込口の中央部を鉛直に通って当該吐出し扁平ベンド管を貫通するように設けられた保護管と、
前記吐出し扁平ベンド管から排出された水を所定の排出場所まで導くように設けられた放水路とを備えた軸流型ポンプにおいて、
前記吐出し扁平ベンド管はその吐出し口の横幅寸法がその吸込口の直径寸法の１．９〜２．１倍の範囲内で且つ前記吐出し口の高さ寸法が前記吸込口の直径寸法の０．３〜０．５倍の範囲内に形成され、
前記吐出し扁平ベンド管の流路断面を分割して流入側から流出側に延びる整流板を備え、
前記整流板は、当該整流板がない場合の損失水頭よりも当該整流板がある場合の損失水頭が低くなるように、前記保護管より吐出し扁平ベンド管内壁側に位置して設けられると共に、前記吐出し扁平ベンド管の整流板内側の流路断面積と前記吐出し扁平ベンド管の全体の流路断面積との比がほぼ一定で水の流れに沿って延びて設けられている
ことを特徴とする軸流型ポンプ。