JP4674206B2 - 改良されたポンプのインペラ - Google Patents

Description

本発明はインペラに関し、とりわけ遠心力ポンプで用いられるのに適したインペラに関する。

一般に、選鉱および浚渫業において、粒状固形物を含む液状混合物を処理するために遠心力ポンプが用いられる。これらのポンプは、フロー中の粒子による過酷なスラリ摩耗を受けやすく、こうした作業に対する相当な経済的な得失をもたらす。この問題を改善しようと、製造業者およびユーザが相当な努力を費やしている。

こうした遠心力ポンプは、内部にポンプチャンバを含むポンプハウジングと、回転軸の周りに回転するポンプチャンバ内に配置されたインペラとを有する。インペラは、その一方の面で駆動シャフトに作動可能に連結され、他方の面には吸入口が設けられている。インペラは、駆動シャフトが連結されたハブと、少なくとも１つのシュラウドとを有する。シュラウドの一方の面の上には複数のポンプ翼が設けられる。ポンプ翼は、しばしば２つのシュラウドの間に設けられる。一般に、吸入口に隣接する方のシュラウドを前面シュラウドといい、他方のシュラウドを後面シュラウドという。

特にスラリを運ぶために用いられる遠心力ポンプは、一般に、シュラウドおよびサイドライナの間の空間内にある流体を回転させやすくするために、ポンプのインペラの後面および前面シュラウド上に設けられたいわゆる「放出」翼または補助翼を利用する。補助翼の形状は、個々の設計者の好みにより異なっていてもよい。

インペラとサイドライナの間の空間にある流体を回転させることにより、遠心力の流れ（渦巻効果）が生じ、インペラの吸入口側の静圧が減少するため、補助翼の間にある流体がインペラの周縁部に向かって流れる。インペラの吐出口と吸入口の間の全体的な推進圧力差により流体はサイドライナの面に沿って流れ落ちる。遠心力が粒子を補助翼の間隙内に引き込む力より大きい場合には、流体内の粒子は同様に間隙から押し出される。

インペラの前面シュラウドの上の補助翼の主な目的は、推進圧力を抑制して、フローを渦巻き部からインペラの中心へ引き戻す（再循環フロー）ことにある。再循環するフローの速度を低減することにより、インペラおよびこれに係合する吸入口側のサイドライナの摩耗を実質的に低減することができる。

本願明細書および特許請求の範囲において、文中で特に指定しない限り、次の用語「備える（comprise）」、およびその変形した用語「備えた（comprises）」または「備えている（comprising）」は、明示した整数、ステップ、または整数またはステップのグループを含み、任意の他の整数、ステップ、または整数またはステップのグループを排除しないことを意味すると理解すべきである。

本願明細書中の任意の従来技術への言及は、従来技術がオーストラリアでの一般常識であると示唆または容認するものであると解釈すべきではない。

数多くの異なる形状を有する補助翼が、これまでに既存のインペラについて開発され、使用されている。

特許文献１に記載された１つの具体例において、数多くの放射状の補助翼が利用されており、特許文献１の内容はここに一体のものとして統合される。これらの補助翼は前面シュラウドまたは後面シュラウドの面の上に配置され、環状の突起部が補助翼の周縁部に配置され、隣接する補助翼の間の環状の突起部を通って延びるチャネルが形成されている。
米国特許第４６６４５９２号

外周部に環状の突起部を有するか否かにかかわらず、補助翼に関する問題は、（翼端渦流に類似の）先端の渦が形成され、粒子が取り込まれると、インペラの周縁部および隣接するサイドライナにおいて局部的に深い窪みを形成するように摩耗し得ることである。

部品が摩耗するほど、突出した翼の先に形成される渦流はより大きく、かつ強くなり、隣接したサイドライナの摩耗速度がますます増大する。

ウォーターポンプは、シュラウドおよび主翼の直径（これらは通常同じ）よりも小さな直径の補助翼を有するものとして知られている。その理由は、摩耗を減らすためではなく、インペラに作用する軸方向の水圧の水力を減らすためである。補助翼の直径は水圧の軸方向の水力の均衡を保たせるような寸法を有する。

本発明の１つの形態によれば、遠心力ポンプで用いられるのに適したインペラが提供され、上記インペラが、遠心力ポンプで用いられるのに適したインペラであって、対向する面、外縁端部、および回転軸を有するシュラウドと、シュラウドの一方の面上にあって、回転軸から離れる方向に延び、外周端を有する複数のポンプ翼と、シュラウドの他方の面上にある複数の補助翼とを備え、各補助翼が外側端を有し、回転軸からシュラウドの外縁端部までの寸法Ｄａが、回転軸から補助翼の外側端までの寸法Ｄｂよりも大きいことを特徴とする。

１つの好ましい形態では、インペラは、２つのシュラウド（前面シュラウドおよび後面シュラウド）を有し、これらの間にはポンプ翼が設けられ、一方または両方のシュラウドの上には補助翼が設けられる。１つの実施の形態では、前面シュラウドが補助翼および主ポンプ翼の直径より長い。別の実施の形態では、後面シュラウドが補助翼および主ポンプ翼の直径より長い。さらに別の態様では、前面シュラウドおよび後面シュラウドの両方が、補助翼および主ポンプ翼の直径より長い。好ましくは、ポンプ翼および補助翼の直径は、例えば互いに対して約５％の範囲内でほぼ同じである。

好ましくは、ポンプ翼および補助翼は、十分に圧力を低減し、再循環流を抑制するために同等の直径を有するが、インペラのシュラウドはポンプ翼および補助翼の両方より長く延びるものである。

シュラウドが長く延びるように構成したインペラに係る利点は、各補助翼から先端渦流が、長く延びたシュラウドの面に沿って流れ落ち、シュラウドと隣接したサイドライナとの間の間隔または空間内に保持されることである。この構成により、インペラおよびライナに対する摩耗が実質的に抑制される。有効な効果は、本発明により先端渦流が完全に形成されることを阻止することよる。

さらに、本発明の１つの実施の形態では、直径Ｄａのシュラウドを有するインペラが設けられ、直径Ｄｂを有する前面シュラウドの面の上にある主に半径方向に延びる複数の補助翼が設けられ、翼の半径方向の最も外側にある端部は、シュラウドの後方に角度Ｚで傾斜している。ＤｂがＤａの０．９５倍より小さいとき、好適にはＤｂがＤａの０．６５〜０．９５倍の範囲にあるとき、より好適にはＤｂがＤａの０．６５〜０．９倍の範囲にあるとき、シュラウド、サイドライナ、および補助翼の摩耗が抑制されることが確認されている。これは、補助翼の先端およびシュラウドの外縁端部の間に、渦流を保持するのに十分な空間があるためであると考えられる。直径Ｄｂは、主ポンプ翼の直径とほぼ等しいことが好ましい。この関係により、主ポンプ翼により生成される圧力に比較して、補助翼による圧力低減機能が実質的に損なわれないようにすることができる。

本発明の好適な実施形態について、添付図面を参照しながら具体例をもって以下説明する。

図１に示す従来技術によるインペラは、米国特許第４，６６４，５９２号において十分に記載されており、その明細書を参照すれば理解される。

図２に示すように、インペラ２０はケーシング・ライナ２１の中に収納されている。インペラがケーシング・ライナ２１内で回転するとき、スラリは、各ポンピングチャンバ２４の吸入口２２から吐出口２３へインペラ２０を通って搬送される。スラリは吐出口２３から吸入口２２へ自然に再循環し、これにより吸入口側のサイドライナ２５が摩耗する。放出翼または補助翼２６は、再循環するスラリ２７を粒子２８で示すようにインペラの吐出口へ戻すよう機能する。インペラ２０とサイドライナ２５の間に形成されたスラリの流路が図３でより詳細に図示されている。

図４の写真で明らかな補助翼の摩耗状態は、産業が直面する問題を示すものであり、本発明の実施の形態の態様により改善すべきものである。

図５は、図２および図３で示す構成部品に対して同様の参照番号を含む。本発明のこの実施の形態では、補助翼はまっすぐであり、Ｄａをシュラウドの直径とすると、補助翼２６上の図示されたポイントまでの直径Ｄｂは０．８５Ｄａであり、角度Ｚは４５°である。直径Ｄｂは、図５のＤｃで示す主ポンプ翼の直径とほぼ等しい。

本発明のこの実施の形態について試験を行い、図４に示す従来技術に係る具体例のものと結果を比較すると、ほぼ同じ動作時間において、翼の先端部であってサイドライナに隣接する側面における摩耗が相当に軽減されていることが分かる。

図６の写真から分かるように、これらの従来技術に係るインペラの補助翼上の摩耗は甚大である。

これに対して、図７のインペラの補助翼は、同様な期間、同様な環境下で作動させたが、図６に示す補助翼よりもかなりよい状態である。

図８に示す態様のインペラ３０は、図５および図７に示す態様のように直線的なものではなく、湾曲した前縁端部および後縁端部を有する補助翼３１で形成されている。対応する従来技術の構成は図６に図示されている。また、本発明の態様は、同様な作動時間で従来技術の同等物と比較すると、翼の先端における摩耗がかなり抑制されていることを示す。

図９に示す実施形態は、インペラ４０の補助翼４１に関するさらに別の変形例による形態を示す。

最後に、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変形例、修正例、および／または追加例をさまざまな部品の構造および構成に組み込むことができる点を理解されたい。

米国特許第４６６４５９２号の図１に示す従来技術によるインペラの斜視図である。 従来技術に係る遠心力ポンプのインペラおよびエクスペラまたは補助翼の部分断面図である。 補助翼とケーシング・ライナの間のスラリの流路を示す図２の円形部分の拡大図である。 典型的な放出翼の摩耗形態を示す一連の写真である。 本発明に係る実施形態によるインペラの図２と同様の部分断面図である。 従来技術に係るインペラの補助翼の摩耗形態を示す写真である。 本発明の実施形態にかかるインペラの補助翼の摩耗形態を示す写真である。 本発明にかかる別の実施形態によるインペラの軸方向端面図である。 本発明に係るさらに別の実施形態によるインペラの軸方向端面図である。

２０ インペラ
２２ 吸入口
２３ 吐出口
２４ ポンピングチャンバ
２５ サイドライナ
２６ 補助翼
２７ 再循環スラリ
２８ 粒子
３０ インペラ
３１ 補助翼
４０ インペラ
４１ 補助翼

Claims (15)

1. 粒状固形物を含む液状混合物を処理する遠心力ポンプで用いられるのに適したインペラであって、
   対向する面、外縁端部、および回転軸を有するシュラウドと、
   シュラウドの一方の面上にあって、回転軸から離れる方向に延び、外周端を有する複数のポンプ翼と、
   シュラウドの他方の面上にある複数の補助翼とを備え、
   各補助翼が外側端を有し、
   回転軸からシュラウドの外縁端部までの寸法Ｄａが、回転軸から補助翼の外側端までの寸法Ｄｂよりも大きく、かつ、回転軸からポンプ翼の外周端までの寸法Ｄｃより大きいことを特徴とするインペラ。
2. 上記シュラウドが前面シュラウドであることを特徴とする請求項１に記載のインペラ。
3. 上記インペラは、後面シュラウドをさらに有し、
   ポンプ翼は、前面シュラウドと後面シュラウドとの間にあり、
   補助翼は、一方のシュラウドの他方の面の上にあることを特徴とする請求項２に記載のインペラ。
4. 上記インペラは、後面シュラウドをさらに有し、
   ポンプ翼は、前面シュラウドと後面シュラウドとの間にあり、
   補助翼は、それぞれのシュラウドの他方の面の上にあることを特徴とする請求項２に記載のインペラ。
5. 前面シュラウドの上記寸法Ｄａは、上記寸法Ｄｂおよび上記寸法Ｄｃよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のインペラ。
6. 後面シュラウドの上記寸法Ｄａは、上記寸法Ｄｂおよび上記寸法Ｄｃよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のインペラ。
7. 前面シュラウドおよび後面シュラウドの上記寸法Ｄａは、上記寸法Ｄｂおよび上記寸法Ｄｃよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載のインペラ。
8. 前面シュラウドの上記寸法Ｄａは、上記寸法Ｄｂおよび上記寸法Ｄｃよりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のインペラ。
9. 後面シュラウドの上記寸法Ｄａは、上記寸法Ｄｂおよび上記寸法Ｄｃよりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のインペラ。
10. 前面シュラウドおよび後面シュラウドの上記寸法Ｄａは、上記寸法Ｄｂおよび上記寸法Ｄｃよりも大きいことを特徴とする請求項５に記載のインペラ。
11. 上記寸法ＤｂおよびＤｃが等しいことを特徴とする請求項５に記載のインペラ。
12. 上記寸法ＤｂおよびＤｃが、互いに対して５％の差異の範囲内の長さであることを特徴とする請求項１１に記載のインペラ。
13. 上記寸法Ｄｂが上記寸法Ｄａの０．９５倍より小さいことを特徴とする請求項１２に記載のインペラ。
14. 上記寸法Ｄａに対するＤｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）の範囲が０．６５〜０．９５の範囲にあることを特徴とする請求項１３に記載のインペラ。
15. 上記寸法Ｄａに対するＤｂの比（Ｄｂ／Ｄａ）の範囲が０．６５〜０．９の範囲にあることを特徴とする請求項１３に記載のインペラ。

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