JP4577938B2 - 高軸流ガラス被覆羽根車 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は耐蝕性混合羽根車に関し、特に、ガラス被覆金属混合羽根車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属基材のガラス被覆は、例えば、米国特許RE35,625号、第3,775,164号及び第3,788,874号に記載されたように良く知られている。ガラス被覆混合羽根車も又、例えば、米国特許第3,494,708号、第4,213,713号、第4,221,488号、第4,264,215号、第4,314,396号、第4,601,583号及びD262,791号に記載されるように知られている。米国特許第4,601,583号は、非常に堅い摩擦嵌めを得るために極低温冷却によってシャフトに嵌められたガラス被覆羽根車を記載する。羽根車は、複ハブ羽根車、即ち、各々２枚の羽根を担持する２つのハブの羽根車である。ハブは、羽根がシャフトを中心に互いに９０度に向けられるように、互いに近接してシャフトに配置される。その特許は又、“複フライト（dual flight）”形態として知られる、シャフトに互いに間隔を隔てて設けられた複数の羽根車を示す。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
或るガラス被覆羽根車をシャフトに配置することができることが知られているにもかかわらず、良好なガラス被覆の高軸流羽根車は入手できなかった。かかる高軸流羽根車は、半径方向流羽根車、例えば、タービンタイプ羽根車だけが使用されるとき起ることがある分離層の心配なしにタンク全体の急速な混合を保証する、鉛直方向流れを急速に得ることができることが望ましい。米国特許第4,601,583号は軸流特性を有する羽根車を開示するが、羽根車の軸線方向流れ数（flow number）によって測定された軸流出力はとても所望されるほど良くない。
高軸流羽根車は、金属の非ガラス被覆形態で、例えば、船舶に普通に見出されるようなプロペラの形態で知られてきた。それらの同じ高流れ羽根車のガラス被覆形態は、かかる高軸流金属羽根車が一般的に、効果的なガラス被覆を妨げると考えられる多くの角及び縁を有するので、製造することができないと考えられた。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、今、高軸流羽根車を設計することができ、かつガラス被覆することができ、所望ならば、複ハブ形式に組立てることができることが発見された。
従って、本発明は、ハブ及びそれに取付けられた羽根を有するガラス被覆高軸流羽根車からなる。ハブは、駆動シャフトを通すように寸法決めされ、かつ中心軸線を有する中央配置の穴を有する。駆動シャフトは長手方向軸線を有し、穴にシャフトを通したとき、中央配置の穴の中心軸線がシャフトの長手方向軸線と一致する。羽根車は複数の角及び縁を有し、それらの全ては、クラック、裂け目又は著しいひび割れなくガラスで覆うことを可能にするために丸味形態を有する。
羽根車は更に少なくとも２つの可変ピッチ羽根を含む。各羽根は、両方とも、前端及び後端を有する内側縁と、前端及び後端を有する外側縁と、内側縁の前端を外側縁の前端に連結する前縁と、内側縁の後端を外側縁の後端に連結する後縁と、によって定められる前面及び背面を有する。ここで使用される“前縁”は、羽根車を流体中で回転させたとき、最初に流体に接触し、流体を移動させる縁を意味する。“後縁”は、羽根車が回転するとき、最後に流体に接触する縁を意味する。
【０００５】
各羽根の外側縁が内側縁の長さの約１．５乃至２．５倍であることが本発明の重要な部分である。内側縁と外側縁の長さのこの違いが本発明の羽根車の高流れ特性に著しく寄与する。残念ながら、その違いが独特の角及び隅を生じることがある。かかる角及び隅は、かかる羽根車の形態を実際にはガラス被覆受けない従来技術の信念の寄与要因であると考えられる。本発明によれば、かかる鋭い角及び隅はガラスで覆う前に丸くされる。羽根は、内側縁が、取付けたハブの中心軸線から約４５乃至約６０度の角度であり、外側縁が、前記ハブの中心軸線から約５０乃至約７０度の角度であるように、羽根の内側縁でハブに対称的に取付けられる。しかしながら、全ての場合、前記ハブの中心軸線に対する内側縁の角度は、中心軸線に対する外側縁の角度よりも約６乃至約１２度小さく、好ましくは、約７乃至約９度小さい。ハブ及びそれに取付けた羽根はガラスの連続被覆によって覆われる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の羽根車は当業者に知られた手段によってガラス被覆される。一般的には、金属基材が清掃され、ガラスフリット配合物で被覆され、焼付られる。
ここで使用する“軸流”は羽根車の中心軸線に平行な方向の流れを意味する。
軸流は流れ数（Ｆｎ）によって特徴づけられる。ＦｎはＱ／（ｒｐｍ×Ｄ³）として定義され、ここで、Ｑはタービンのポンプ容積、ｒｐｍはタービンの回転速度、Ｄはタービンの直径である。実際には、タービンのｒｐｍ及び直径Ｄは既知である。既知のｒｐｍ及びタービンの直径でのポンプ容積を、例えば、流体中に懸濁した粒子の速度を所定の領域に亘って測定するレーザー流れ測定によって測定する。すると、流れ数を計算することができる。特定のタービン形態の流れ数が一旦知られれば、次に、それを使って種々のｒｐｍで、タービンの種々の直径についてポンプ容積を決定することができる。高流れ数を有する羽根車は、同じ回転速度及び羽根車の直径で、低流れ数の羽根車よりも高いポンプ容積を有する。
【０００７】
本発明の羽根車は通常、ガラス被覆金属である。金属は通常、低炭素鋼又はステンレススチールのような耐食性合金である。タービンは、任意適当な方法で、例えば、羽根をハブに溶接することによって、又は羽根車全体を一体として鋳造又は鍛造することによって形成することができる。全ての場合、角は、後で付けられるガラス被覆にかかる応力を減じるために丸味がつけられる。ガラス被覆を形成するには、多ガラス付与、例えば、２回の下地コートに続いて４回のカバーコートを使用する。
羽根車のハブは、一体の混合ユニットを形成するために駆動シャフト上を摺動するように寸法決めされた、中心を通る穴を有する。羽根車を、摩擦嵌めによって、又は締付け手段又はネジ結合のような他の手段によってシャフトに保持することができる。
【０００８】
羽根車のハブは中心を通る穴を有し、ガラス被覆される。例えば、シャフトを極低温に冷却してシャフトの直径を収縮させ、次にハブをシャフトに滑入させることによって駆動シャフトに摩擦嵌めするために、穴を構成する面を厳密な公差までホーニングするのが好ましい。冷却する際、シャフトは膨張して羽根車を摩擦嵌めによってシャフトに固着的に保持し、（シャフトと羽根車とを結合した）一体の混合ユニットを形成する。
混合ユニットは少なくとも２つの羽根車を有するのが良く、羽根車の各々は、羽根車のハブの穴に駆動シャフトを嵌めることによって駆動シャフトに固着される。本発明によれば、少なくとも１つの羽根車は本発明による高軸流羽根車である。
【０００９】
混合ユニットは、４枚羽根を有する高軸流羽根車を効果的に形成するために、例えば、少なくとも２つの本発明の高流れ羽根車の組み合わせからなるのが良い。かかる場合には、羽根車の各々は羽根車のハブの中央の穴に駆動シャフトを嵌めることによって駆動シャフトに組み付けられて固着される。第１羽根車の羽根を、第２羽根車の羽根の向きに対してシャフトの長手方向軸線を中心に約３０乃至約９０度回す。その上、第１及び第２羽根車のハブは、互いに近接し、即ち、それらのハブが直接接触し、或いは単一のハブの厚さよりも通常小さい短い距離だけ分離される。かかる構成では、一方の羽根車の羽根とハブとの取付は、第１及び第２羽根車両方の羽根の前縁が同一平面にあるように、オフセットされるのが良い。
【００１０】
本発明によれば、第１及び第２羽根車の組合わせは約０．７５乃至約０．８５の流れ数を有する。組合せた羽根車を追加の羽根車、例えば、湾曲羽根又は平羽根のタービン羽根車と一緒にシャフトに付けても良い。かかる場合には、“追加の”羽根車は通常、タンク又は他の容器の底の近くにあり、本発明の組合せた羽根車はタンク又は他の容器の頂部の近くにある。その構成では、本発明の高流れ羽根車は流体をタンクの底へ押しやり、タービンが流体を半径方向に差し向ける。流体は、次いで、上方に流れ、本発明の羽根車に戻る。この仕方で、非常に効果的な鉛直方向の攪拌が達成され、層になることが回避される。
本発明は本発明の好ましい実施形態を図示する図面を参照することによって、より良く理解されるだろう。図示した実施形態は本発明を示す目的のものであり、限定する目的ではないことを理解すべきである。
【００１１】
図面から分かるように、ガラス被覆軸流羽根車１０は中心軸線１６を有する中央配置の穴１４をもつハブ１２を有する。穴は、長手方向軸線２０を有するシャフト１８に通るように寸法決めされ、従って、穴１４の中心軸線１６はシャフト１８の長手方向軸線２０と一致する。羽根車は少なくとも２つの可変ピッチ羽根２２を有する。各羽根２２は、両方とも、前端３０及び後端３２を有する内側縁２８と、前端３６及び後端３８を有する外側縁３４とによって定められた前面２４と背面２６とを有する。前面２４及び背面２６は、内側縁２８の前端３０を外側縁３４の前端３６に連結する前縁４０と、内側縁２８の後端３２を外側縁３４の後端３８に連結する後縁４２とによって更に定められる。羽根は、内側縁２８がハブ１２の中心軸線１６から約４５乃至約６０度の角度αであり、外側縁３４がハブ１２の中心軸線１６から約５０乃至約７０度の角度βであるように、内側縁２８でハブに対称的に取付けられる。ハブ１２とそれに取付けられた羽根２２とを含む羽根車１０全体はガラス４４の連続被覆で覆われる。羽根車は複数の角及び縁、例えば、２８、３４、４０、４２、α及びβを有し、それら全ては耐久性のある安定したガラス被覆を形成するのを助けるために丸味形態を有する。
【００１２】
図５で最も良く分かるように、少なくとも２つの羽根車１０を、混合ユニットを形成するために羽根車のハブ１２の穴１４に駆動シャフトを嵌めることによって駆動シャフト１８に固着するのが良い。羽根車の少なくとも一方は先に説明したような高軸流羽根車である。
先に説明したような少なくとも２つの羽根車を有する混合ユニット４６を図５に示すように形成し、この場合、羽根車１０の各々を羽根車１０のハブ１２の中央の穴１４を介して駆動シャフト１８に組み付けてこれに固着する。このような場合には、第１羽根車の羽根を、望ましくは、第２羽根車の羽根の向きに対してシャフト１８の長手方向軸線２０を中心に約３０乃至約９０度回す。２つの羽根車のハブは互いに近接して４枚羽根を有する組み合わせ羽根車を効果的に形成することができる。この文脈で使用されたような“互いに近接”は、少なくとも１つの羽根車の羽根２２の少なくとも一部が、他方の羽根車の羽根の少なくとも一部とシャフト１８を中心とする同一の回転平面で作動するように、羽根車１０のハブ１２を配置したことを意味する。
【００１３】
図５に示すように、本発明の羽根車は、シャフトによって本発明の羽根車と同じ又は異なる他の羽根車と組合せることができる。図５に示す混合ユニット４６は本発明の２つの上部羽根車１０と、平羽根タービン形態の下部羽根車４８とを有する。
図６に示すように、本発明の羽根車の羽根は、２つの羽根車がそれらのハブ１２が互いに近接するように取付けられたとき、両方の羽根車の羽根２２の前縁４０がシャフトを中心に実質的に同一回転平面で作動するように、オフセットされるのが良い。
【００１４】
本質的に図３に示すような形態の本発明の羽根車をテストし、乱流低粘度流体中の懸濁粒子の流れを測定するレーザーとして使用して羽根車からの軸流を測定することによって、軸線方向流れ数Ｆｎを決定した。その結果を、公知のターボホイル（turbofoil）（ＴＢＦ）タイプ羽根車、及び本質的に米国特許第4,601,583号の図５ａに示すような公知のピッチ羽根タービン（ＰＢＴ）羽根車と比較した。全ての羽根車は本質的に同じ直径、４枚羽根の形態を有し、これを同じ速度で回転させた。本発明の羽根車の形態は約０．８１の流れ数を有する。ピッチ羽根タービンは約０．６５の流れ数、ターボホイル羽根車は約０．４５の流れ数を有していた。これらの数値は、本発明の羽根車が、本発明以前に唯一入手可能であった大きな半径方向流をもたらすガラス被覆羽根車であるターボホイル羽根車及びピッチ羽根タービン羽根車のどちらよりも非常に大きな流れをもたらすことを示す。その結果を図７のグラフに示す。グラフのＹ軸の数値は前記の公式を使用して計算した流れ数を指示する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明による２枚羽根羽根車の端面図を示す。
【図２】図２は図１の羽根車の側面図を示す。
【図３】図３は、互いに９０度の向きでシャフトに取付けられた場合に見られるような、本発明の２つの２枚羽根タービンの側面図を示す。
【図４】図４は、互いに９０度の向きでシャフトに取付けられた場合に見られるような、本発明の２つの２枚羽根タービンの平面図を示す。
【図５】図５は、シャフトの上部分に互いに近接して取付けられた本発明の２つのタービンと、シャフトの下部分に取付けられたタービンタイプ羽根車とを示す本発明の混合ユニットの立面図を示す。
【図６】図６は、羽根がシャフトを中心に同一半径方向平面で作動するように、オフセットされた羽根を有する本発明の２つのタービンを示す。
【図７】図７は本発明の羽根車の流れ数を、軸流特性を有する公知の羽根車の流れ数と比較するグラフを示す。
【符号の説明】
１０ 羽根車
１２ ハブ
１４ 穴
１６ 中心軸線
２２ 羽根
２４ 前面
２６ 背面
２８ 内側縁
３０ 前端
３２ 後端
３４ 外側縁
３６ 前端
３８ 後端
４０ 前縁
４６ 混合ユニット
４８ 下部羽根車

Claims (20)

1. 羽根車が中央配置の穴を有するハブを有し、前記穴が中心軸線を有し、前記穴は長手方向軸線を有する駆動シャフトを通すように寸法決めされ、かつ中央配置の穴の中心軸線がシャフトの長手方向軸線と一致し、前記羽根車は複数の角及び縁を有し、角及び縁の全ては丸味形態を有し、前記羽根車は少なくとも２つの可変ピッチ羽根を更に有し、各羽根は、両方とも、前端と後端とを有する内側縁と、前端と後端とを有する外側縁と、内側縁の前端を外側縁の前端に連結する前縁と、内側縁の後端を外側縁の後端に連結する後縁とによって定められた前面及び背面を有する、ガラス被覆軸流羽根車において、各羽根の前記外側縁が内側縁の長さの１．５乃至２．５倍であり、前記羽根の内側縁が取付けたハブの中心軸線から４５乃至６０度の角度であり、前記羽根の外側縁が前記ハブの中心軸線から５０乃至７０度の角度であって、なおかつ前記ハブの中心軸線に対する内側縁の角度が前記ハブの中心軸線に対する外側縁の角度よりも６乃至１２度小さいように前記羽根が前記羽根の内側縁で前記ハブに対称的に取付けられ、前記ハブ及びハブに取付けられた羽根がガラスの連続被覆によって覆われることを特徴とする、ガラス被覆軸流羽根車。
2. 前記ハブの中心軸線に対する内側縁の角度が前記ハブの中心軸線に対する外側縁の角度よりも７乃至９度小さいことを更に特徴とする、請求項１に記載の羽根車。
3. ２枚の羽根が前記ハブの両側に取付けられることを更に特徴とする、請求項１に記載の羽根車。
4. 羽根が溶接によってハブに取付けられることを更に特徴とする、請求項１に記載の羽根車。
5. 羽根がハブと一体的に鍛造されることによってハブに取付けられることを更に特徴とする、請求項１に記載の羽根車。
6. 羽根がハブと一体成形されることによってハブに取付けられることを更に特徴とする、請求項１に記載の羽根車。
7. 羽根車がガラス被覆スチールからなることを更に特徴とする、請求項２に記載の羽根車。
8. スチールがステンレススチールであることを更に特徴とする、請求項７に記載の羽根車。
9. ハブの穴に駆動シャフトを嵌めることによって駆動シャフトに固着される請求項２に記載の羽根車を有することを特徴とする、混合ユニット。
10. 羽根車が摩擦嵌めによって駆動シャフトに固着されることを更に特徴とする、請求項９に記載の混合ユニット。
11. 駆動シャフトがガラス被覆スチールからなることを更に特徴とする、請求項９に記載の混合ユニット。
12. 駆動シャフトがガラス被覆ステンレススチールからなることを更に特徴とする、請求項１０に記載の混合ユニット。
13. 少なくとも２つの羽根車を有し、羽根車の各々が羽根車のハブの穴に駆動シャフトを嵌めることによって駆動シャフトに固着され、羽根車の少なくとも１つが請求項２に記載した羽根車であることを特徴とする、混合ユニット。
14. 少なくとも２つの請求項２に記載した羽根車を有し、羽根車の各々が羽根車のハブの中央の穴に駆動シャフトを嵌めることによって駆動シャフトに組み付けられて固着される混合ユニットにおいて、第１及び第２の羽根車のハブが互いに近接し、第１の羽根車の羽根が、第２の羽根車の羽根の向きに対してシャフトの長手方向軸線を中心に３０乃至９０度回されることを特徴とする、混合ユニット。
15. 第１及び第２の羽根車の組合せが０．７５乃至０．８５の流れ数を有することを更に特徴とする、請求項１４に記載の混合ユニット。
16. 少なくとも２枚の羽根のハブへの取付が、第１及び第２の羽根車両方の羽根の前縁が同じ平面にあるようにオフセットしていることを更に特徴とする、請求項１４に記載の混合ユニット。
17. 羽根車がシャフトを中心に同じ回転平面で回転しないように、本質的に鉛直なシャフトの下部位置に取付けられた第２の羽根車に対してシャフトの上部位置に取付けられた請求項１に記載の第１の羽根車を有することを特徴とする、混合ユニット。
18. 第２の羽根車が第１の羽根車よりも低い軸線方向流れ数を有することを更に特徴とする、請求項１７に記載の混合ユニット。
19. 第２の羽根車が平羽根タービンであることを更に特徴とする、請求項１８に記載の混合ユニット。
20. 第２の羽根車が湾曲羽根タービンであることを更に特徴とする、請求項１８に記載の混合ユニット。

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