JP4561852B2 - 羽根車 - Google Patents

Description

本発明はポンプ羽根車等において、羽根車に関する。

回転軸に取り付けられたポンプ羽根車において、回転軸に加わるトルクと羽根に加わる流体圧力に耐える構造が必要である。また高い流体性能を得るための曲面形状を製作するため、羽根車には一般に鋳物が用いられる。従来のポンプ羽根車の例が、特許文献１に記載されている。同公報の図６にポンプ羽根車が記載されており、ここで羽根車本体は回転軸とキーにより嵌合され、モータの回転力は回転軸からキーを通し円筒状のボスに伝わる。円錐状のハブには複数枚の羽根が取り付けられており、羽根車に伝わった回転力は羽根面に加わる流体圧力に抗する関係にあり、ハブとボスの接合部に負荷が加わる。羽根車本体は鋳物で製作されているため、羽根車のハブとボスの接合部を局所的に厚肉化することにより強度の高い構造を製作できた。

特開平１０−４７２９７号公報

しかしながら、安価で軽量な羽根車を鋳物で作製することは困難である。軽量化を実現するためには、特許文献１に記載のように材料に樹脂等の軽量な素材を用いるか、金属材料で薄肉化する方法が考えられる。羽根車には長い製品寿命も求められるため、耐腐食性の高いステンレス鋼等の金属材料が用いられ、主構造材料として安価な一様板厚の金属材料が必要である。

羽根車を製缶化することにより薄肉で軽量な構造を実現できるが、薄肉な板構造では鋳物構造に比べハブとボスの接合部の強度が著しく低下する。厚肉な構造では軽量化は実現できないため、薄肉な板構造でハブとボスの接合部の強度を向上させる構造が求められる。

本発明の目的は、第一にハブとボスの接合部を補強する方法を提供することにある。一方で、ハブとボスの接合部を補強することにより、逆に羽根付根部の強度が低下する場合がある。本発明では第二の対策として、羽根付根の強度低下を防ぐ構造を提供する。

上記の目的を達成するため本発明は、モータの回転力が伝わる円筒状のボスと、概略円錐形状のハブと、ハブとボスの接合部と、ハブ上に複数枚取り付けられる羽根とを備えた製缶ポンプ羽根車において、ハブとボスの接合部を補強することを目的としたプレートを、前記ハブの内表面と前記ボスの外表面に接合して溶接して配置し、配置する位置はハブとボスの接合部付近となる。ここで、プレートの位置はハブ上の羽根の前縁側付根の先端部の位置より、ハブとボスの接合部に近い側に配置し、プレートのハブ側の溶接個所がハブ上の羽根付根部と重ならない位置とすることが好ましい。

ハブ内外の圧力差を減少させるための円形状のバランスホールがハブに開けられた羽根車では、羽根車内外の流路を確保するため、プレートの取り付け位置をバランスホールとハブとボスの接合部の間とした密閉型のプレートと、ハブとボスの接合部とプレートの間にバランスホールを開け、プレートに開口部を開けた開放型の構造がある。後者の開放型の構造では、前述の半円あるいは半楕円状の開口部を開けたプレート形状でもバランスホールを通る流路が確保でき、また、バランスホールとプレートを矩形あるいは円筒形状のカバーで接合した構造も流路を確保できる。

本発明によれば、ポンプの羽根車において、遠心力と流体圧力を受けるハブとボスの接合部を補強することができ、従来の鋳物製に比べて軽量・高強度な羽根車形状を得ることができる。

ハブ上で羽根付根部とプレートの取り付け箇所が重なる構造では、構造的不連続性により羽根付根部の応力が増加する箇所が生じる。特に、密閉型のプレートは高い圧力差を受けるため、プレートの取り付け箇所では特に大きく応力が増加するが、開放型のプレートでは、羽根付根部に開口部を開けた形状により、ハブを補強し、且つ羽根付根部の応力増加も低減できる。

一般に溶接部は母材金属部より腐食が進展しやすく、溶接部の仕上げ処理やコーティング等の耐腐食対策が必要となる。密閉型ではハブとボスの接合部の内側の溶接個所は流体に曝されないため、耐腐食対策が必要ない。また、密閉型ではハブとボスの接合部の内側が直接には高い圧力を受けないため、ハブとボスの接合部の内側の仕上げ処理で、強度の低い条件を選択できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。なお、以下の図面では斜流ポンプを例に説明するが、羽根を有する製缶回転機械であれば、同様に本発明を適用できる。また、以下の図面ではクローズド羽根車の例を示したが、オープン羽根車にも同様に適用できる。

図１は羽根車の一点鎖線の中心線から上半分を示す部分断面と、プレート５の正面を示す図である。羽根車は複数枚の羽根１が、円錐形状のハブ２の外表面に溶接で取り付けられて構成される。回転軸にキー（図示せず）により嵌合された円筒状のボス３とハブ２を溶接した部位がハブとボスの接合部４となる。ここで、羽根１、ハブ２、ボス３として鉄系材料で、具体的にはステンレスが用いられる。製缶羽根車では、従来の鋳物製に比べてハブとボスの接合部４の肉厚が薄く、羽根１に加わる流体圧力、遠心力、羽根車内外の圧力差を支えるハブとボスの接合部４の強度を向上させる必要があり、プレート５を溶接により配置して補強する。

前記プレート５は、前記ハブ２の外表面に取り付けられた前記羽根１の前縁側付根部１ａの位置より前記接合部４に近い側で、Ａで示される範囲に配置され、前記プレート５と前記ハブ内表面の接合個所と、前記羽根の前記ハブ外表面上の付根部とが、前記ハブ２の内外面において重ならないように構成される。これは、前記ハブ上の内外面において羽根１の付根に加わる流体圧力、遠心力による応力と、プレート５の接合箇所に加わる応力とが重ならないようにして、ハブ２に部分的に応力を集中させないためである。

ここで、本実施例におけるプレート５の配置位置に関しての応力を説明する。図２（ａ）はプレート５の位置がハブ２上の羽根１の付根部と重なる場合の羽根車断面図である。図２（ｂ）と図２（ｃ）は、図２（ａ）の羽根付根の矢印ＢＣ上の位置における応力分布を示した模式図であり、図２（ｂ）はプレート５を追加する前、図２（ｃ）はプレート５を追加した後の応力分布である。なお、同図で６はハブ２の矢印ＢからＣ方向の位置を示し、７は応力の大きさを示す。図２（ｃ）に示したように、プレート５の追加による構造的不連続性により、プレート５の取付け位置Ｄの応力値が局所的に高くなる。プレート追加前の最大応力値Ｅとプレート追加後の最大応力値Ｆが、Ｅ＜Ｆの関係を示すことが多い。この場合、プレート５の追加により、ハブとボスの接合部４は補強されるが、羽根１の付根部の応力は逆に上昇するため、羽根付根部の強度が低下することを意味する。羽根付根部の最大応力値Ｆで設計強度が確保できる場合は、羽根車内部の任意の位置にプレート５を設置できるが、本実施例では特に羽根付根部（図２の矢印ＢＣ上）と重ならない位置、即ち図１のＡの範囲内にプレート５を設置する。本対策により、羽根付根部の応力上昇を抑制することができる。

なお、図２（ａ）のように前記ハブ外表面上の前記羽根付根部と前記ハブ内表面上の前記プレートの取付け位置Ｄが、前記ハブ２上の内外面において重なるように構成する場合は、流体圧力と遠心力により前記羽根付根部に最大応力が発生する位置（Ｇで示される範囲）と、前記ハブ２の内表面（裏面）の前記プレート５の取付け位置Ｄが、前記ハブの内外面で重ならないようにして、両応力が協調しあって突出しないようにするのが望ましい。

図３は、羽根車の断面とプレート５の正面を示す図である。前記図１と図２のプレート５は、円筒状のボス３とプレート５をほぼ垂直に溶接した例である。溶接継手において、互いに溶接される板のなす角度がほぼ直角に近い程強度が高く、また溶接施工性も向上する。図３の本実施例では、円筒状のボス３とプレート５を斜めに溶接し、ハブ２とプレート５をほぼ直交に溶接することにより、ハブ２側のプレート５の溶接強度を向上させる構造とする。この構造によれば、ボス３より板厚が薄く強度的に弱いハブ２とプレート５との強度を高めることでき、軽量・高強度な羽根車形状を得ることができる。

図４は、羽根車の断面とプレート５の正面を示す図である。本実施例では、プレート５のハブ２側とボス３側の両方の溶接強度を向上させる対策として、プレート５がハブ２側とボス３の両方にほぼ直交するように、プレート５を円弧の半径方向の中央で曲げた形状としている。なお、プレート５の半径方向の中央で曲がったリブ状となっているので、強度で優れる殻（シェル）形状を呈しており、同じ強度を持たせるのに板厚の薄いプレート５を用いることができ、軽量化に役立つ。また、プレート５がハブ２とボス３にほぼ垂直に溶接されるので強度が高くなる。

図５は、参考例として羽根車の断面とプレート５の正面を示す図である。ハブ２の外部は羽根１の回転により高い圧力に維持されるため、羽根車（ハブ２）内部と外部では圧力差が大きく、前記図１、３、４に示した密閉型のプレート５にも、高い圧力が加わる。本参考例では、圧力に耐える構造として強度が平板形状より優れる殻（シェル）形状のプレート５を配置した構造である。

図６は、参考例としてプレート５を有した羽根車の断面と、羽根１とプレート５の位置関係の正面を示す図である。本参考例では、ハブ２とボス３の接合部４を補強するため、羽根車内部にプレート５を溶接して配置しているが、ハブ２上で羽根１のハブ側付根部とプレート５が重なることを避けるために、ハブ側付根部とプレート５の交差する部分のプレート５に開口部８を部分的に開けている。この開口部８を設けることにより、ハブ２とボス３の接合部４の補強と、羽根付根部の応力増加の低減とが同時に可能である。また、プレート５の位置を羽根付根部とが離間しながら交差して重なる任意の位置に設置することができるため、ハブ２とボス３の狭い接合部４から離れたより広い位置に設置すれば、溶接施工性が向上する。ここで開口部８の形状として、半円、半楕円、矩形、台形等の形状が選択できる。

図７は、参考例として羽根車の断面とプレート５の正面を示す図である。前記図６と同様に、ハブ２上で羽根１のハブ側付根部とプレート５が重なることを避けるため、開口部８を設ける。ここで、前記図６では１枚のプレートに羽根枚数と同数の開口部８を開けていたが、本参考例では、周方向に分割された複数枚のプレート５で羽根付根部と重ならないように互い違いにずらして開口部８を形成し配置することを特徴とする。

図８は、参考例として羽根車の断面、プレート５の正面、およびハブとボスの接合部４を拡大して示す図である。前記図６と同様にプレート５に開口部８を開けた形状であり、且つ本参考例では、円筒カバー９を設置することを特徴とする。円筒カバー９はプレート５とハブ２に接合されており、羽根付根部がハブ上でプレート５と重ならない構造である。前記図６、７では、流体が開口部８を通るため、ハブとボスの接合部４の内側に高い圧力が加わり、また、ハブとボスの接合部４の内側の溶接部が流体に曝されるため、強度向上と腐食対策を考慮した設計が必要となる。しかし本参考例では円筒カバー９を設けることにより、ハブとボスの接合部４の内側は高い圧力差を受けず、かつ、ボス部内側の腐食対策を考慮する必要が無いという効果を有する。
〔実施例４〕

図９は、羽根車の断面、プレート５の正面、およびハブとボスの接合部４の拡大を示す図である。本実施例では、ハブ２にバランスホール１０を設け、羽根車（ハブ２）内外の圧力差を軽減している。密閉型のプレート５を追加した前記図１、３、４、５、８等の羽根車構造では、バランスホール１０を通過する流路を確保できない。本実施例では、バランスホール１０の位置よりハブとボスの接合部４に近い側にプレート５を配置することにより、ハブ２とボス３の接合部４の内側が流体と接触しない密閉型でボス部内側の腐食対策を考慮する必要が無いという効果に加え、更に羽根車内外の流路を確保できる効果を有する。
〔実施例５〕

図１０は、羽根車の断面、プレート５の正面、およびハブとボスの接合部４の拡大を示す図である。本実施例では、ハブ２の外側のバランスホール１０と対向するように、ハブ２の内側の位置に開口部８を設けた構造であり、さらにハブ２とプレート５間の流れの乱れを軽減するため、開口部８とバランスホール１０を円筒カバー９で直接繋いだ構造である。円筒カバー９はプレート５と、バランスホール１０と接合されており、前記密閉型のプレート５と同様にハブとボスの接合部４の内側は高い圧力差を受けず、また、ハブとボスの接合部４の内側の腐食対策を考慮する必要が無い。

本発明の実施例１のポンプ羽根車の部分断面とプレートの正面を示す図。 ポンプ羽根車付根部の応力分布図。 本発明の実施例２のポンプ羽根車の部分断面とプレートの正面を示す図。 本発明の実施例３のポンプ羽根車の部分断面とプレートの正面を示す図。 本発明の参考例のポンプ羽根車の部分断面とプレートの正面を示す図。 本発明の他の参考例のポンプ羽根車の部分断面とプレートの正面を示す図。 本発明の更に他の参考例のポンプ羽根車の部分断面とプレートの正面を示す図。 本発明の更に他の参考例の羽根車の断面、プレートの正面、およびハブとボスの接合部を拡大して示す図。 本発明の実施例４の羽根車の断面、プレートの正面、およびハブとボスの接合部の拡大を示す図。 本発明の実施例５の羽根車の断面、プレートの正面、およびハブとボスの接合部の拡大を示す図。

符号の説明

１…羽根、２…ハブ、３…ボス、４…ハブとボスの接合部、５…プレート、６…羽根付根位置、７…応力値、８…開口部、９…円筒カバー、１０…バランスホール。

Claims (3)

1. モータの回転力が伝わる円筒状のボスと、概略円錐形状のハブと、前記ハブと前記ボス端面または外表面の接合部と、前記ハブの外表面に複数枚取り付けられる羽根とを備えたポンプの羽根車において、
   前記ハブと前記ボスの接合部に補強用のプレートを、前記ハブの外表面に取り付けられた前記羽根の付根部の位置より前記ハブと前記ボスの接合部に近い側に前記プレートを配置し、前記プレートと前記ハブ内表面の接合個所と、前記羽根の前記ハブ外表面上の付根部とが、前記ハブ上の内外面において重ならないように構成されたことを特徴とする羽根車。
2. 請求項１に記載の羽根車において、前記ハブに円形状の穴であるバランスホールを有した羽根車において、前記バランスホールより前記ハブと前記ボスの接合部に近い側に前記プレートを配置し、前記ハブと前記ボスの接合部の内側が流体と接触しないことを特徴とする羽根車。
3. 請求項２に記載の羽根車において、前記プレートに開口部を設け、前記ハブ上の前記バランスホールと前記プレート上の開口部を矩形あるいは円筒カバーで接合し、前記ハブと前記ボスの接合部の内側が流体と接触しないことを特徴とする羽根車。

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