JP4696774B2 - 両吸込渦巻ポンプ - Google Patents

Description

本発明は遠心ポンプに係わり、特に吸込口を２つ有する両吸込渦巻ポンプに関する。

遠心ポンプでは、主に羽根車の回転による遠心力で流体を昇圧する。遠心ポンプの代表的なものとして両吸込渦巻ポンプがある。両吸込渦巻ポンプでは、それぞれ複数の羽根を設けて形成された第１と第２の２つの羽根車部が背中合わせの状態で組み合わされた二重構造の羽根車（これは、２つの羽根車を背中合わせに組み合わせたような構造で形成されるが通常である）が用いられている。

こうした両吸込渦巻ポンプについては、第１と第２の各羽根車部の間で羽根の設定位置（設定位相）に所定の位相ずれ（例えば羽根間ピッチの１／２あるいは１／４）を与えるようにした羽根車を用いる構造が知られている。この構造は、低脈動型とも呼ばれ、第１と第２の各羽根車部における羽根が互いに位相を異ならせていることから、羽根とボリュート巻き始めの間での干渉でもたらされる圧力変動（圧力脈動）を低減することができ、したがってポンプの振動や騒音を低減することができる（例えば特許文献１、非特許文献１）。なお、両吸込渦巻ポンプについては、例えば特許文献２〜特許文献５などに開示の例も知られている。

特開２００２−１３８９９１号公報 特開２００３−１８４７８６号公報 特開２００５−２３８１６号公報 特開２００３−１２０５９０号公報 特開２００１−２９５７９１号公報 「ターボポンプ」ターボ機械協会編（ｐ１６８ 図１１．９）

上述のように異位相の羽根車を用いる構造は、圧力変動を低減できるという優れた特性をもっている。しかし、その一方でポンプ効率の低下という問題を抱えている。この問題について図５と図６を参照して説明する。図５の（ａ）は、従来における一般的な両吸込渦巻ポンプを縦方向に断面した状態を示している。この図に見られるように、両吸込渦巻ポンプは、そのポンプケーシング１が吸込ケーシング２とボリュートケーシング（吐出ケーシング）３を一体的に組み合わせて構成されている。ボリュートケーシング３は、そこに異位相の羽根車４が収められており、その内部がボリュート流路（吐出流路）５となっており、羽根車４の回転による昇圧を受けた流体がこのボリュート流路５で吐出されるようにされている。またそのボリュート流路５は、ダブルボリュート構造とされている。すなわちボリュート流路５は、その途中から隔壁６により２分されて外側ボリュート流路５ａと内側ボリュート流路５ｂに分岐するようにされている。このようなダブルボリュート構造は、羽根車４の回転軸４ｓにかかるスラスト力を低減するために、羽根車４における半径方向の流体力を小さくする目的で用いられている。

羽根車４は、図５の（ｂ）と（ｃ）に示すように、第１の羽根車部４ａと第２の羽根車部４ｂを背中合わせの状態で組み合わせた二重構造とされている。第１と第２の各羽根車部４ａ、４ｂは、それぞれ同数（図の例では５枚ずつ）の羽根７（羽根７ａは第１の羽根車部４ａの羽根、羽根７ｂは第２の羽根車部４ｂの羽根）を設けて形成されており、それぞれの間で羽根７の設定位置に所定の位相ずれ（図の例では羽根間ピッチの１／２の位相ずれ）が与えられている。

このような羽根車４は、一般に、羽根間流路における流体の流れが羽根車４の周方向において均一でない。すなわち図５の（ｂ）に示すように、第１の羽根車部４ａは１つの羽根７から次の羽根７の間で徐々に羽根車半径方向の流速が変化する状態の流速分布Ｄ１を有し、第２の羽根車部４ｂも同様な流速分布Ｄ２を有している。そして、不均一な各流速分布Ｄ１、Ｄ２は、両羽根車部４ａ、４ｂの間における羽根７の位相ずれに応じてずれを生じている。このため、図６に示すように、両羽根車部４ａ、４ｂそれぞれにおける出口流れの間で流速に差を生じる。つまり両羽根車部４ａ、４ｂの境界面を挟んで流速の大きい側と流速の小さい側を生じ、羽根車４の出口流れに非対称性を生じる。このような非対称性を生じると、流速の大きい側の流れが境界面を越えて流速の小さい側に影響をおよぼすようになり、その結果、ボリュート断面（流体の流れ方向に交差する方向でのボリュート流路５の断面）の方向でボリュート流路外周側内壁面に沿う２次流れとして旋回流れＣを引き起こす。この旋回流れＣは、同一のボリュート断面において羽根車４の回転にしたがって時間的に変化する。こうした２次流れは、ボリュート流路５における流体の主流の方向に影響を与える。そのため、主流の方向が同一ボリュート断面において時間変化することになり、一方の羽根車部から出た高速流が時間的にねじられながら他方の羽根車部からの低流速域と混合しつつ減速してゆくこととなる。異位相の羽根車４がもたらすこのような状態は、同位相の羽根車の場合に比較して、混合損失を大きくする。すなわち第１、第２の各羽根車部の間で羽根の設定位置に位相ずれを与えない同位相の羽根車では、図７に示すような均一で対称的な羽根車出口流れとなり、通常の旋回をしながら半径方向に自然に減速することになるが、このような場合と比較して、異位相の羽根車４では混合損失を大きくなり、したがってポンプ効率の低下をもたらすことになる。

本発明は、以上のような知見に基づいてなされたものであり、低脈動化を可能とする異位相の羽根車を用いる両吸込渦巻ポンプについて、ポンプ効率を改善することを目的としている。

本発明で上記目的のために、それぞれ複数の羽根が設けられた第１の羽根車部と第２の羽根車部を有し、前記第１と第２の各羽根車部の間で前記羽根の設定位置に所定の位相ずれが与えられている羽根車を備えるとともに、前記羽根車による昇圧を受けた流体を吐出すボリュート流路を備えた両吸込渦巻ポンプにおいて、前記第１の羽根車部からの出口流れと前記第２の羽根車部からの出口流れとの非対称性によりもたらされる２次流れを抑制する整流板が設けられていることを特徴としている。

また本発明では上記のような両吸込渦巻ポンプについて、前記整流板は、前記第１、第２の両羽根車部の境界面に沿って前記ボリュート流路をその径方向全幅と全長にわたって２分するようにして設けるようにしている。

また本発明では上記のような両吸込渦巻ポンプについて、前記ボリュート流路は、その途中から隔壁により２分することで外側ボリュート流路と内側ボリュート流路に分岐させ、前記整流板は、第１の整流板部と第２の整流板部で構成し、前記第１の整流板部は、前記ボリュート流路のボリュート巻始め部から前記外側、内側両ボリュート流路への分岐部付近までの前記ボリュート流路について、その径方向全幅にわたって２分するように設け、第２の整流板部は、前記分岐部付近から前記外側、内側両ボリュート流路の合流部の手前付近までの前記内側ボリュート流路について、その径方向全幅にわたって２分するように設けるようにしている。

また本発明では上記のような両吸込渦巻ポンプについて、前記ボリュート流路は、その途中から隔壁により２分することで外側ボリュート流路と内側ボリュート流路に分岐させ、前記整流板として第１の整流板と第２の整流板を設け、前記第１の整流板は、前記ボリュート流路のボリュート巻始め部から前記外側、内側両ボリュート流路への分岐部付近までのボリュート流路について、ボリュート流路外周側内壁面から一定範囲の径方向幅にわたって２分するように設け、前記第２の整流板は、上記分岐部付近から前記外側、内側両ボリュート流路の合流部の手前付近までの前記内側ボリュート流路について、前記隔壁の内側面から一定範囲の径方向幅にわたって２分するように設けるようにしている。

本発明では、整流板を設け、異位相の羽根車における第１、第２の各羽根車部からの出口流れとの非対称性によりもたらされる２次流れを整流板により抑制するようにしている。このため本発明によれば、ポンプ効率を低下させる要因となる旋回流れのような２次流れを有効に抑制でき、したがって異位相の羽根車による低脈動化作用を有効に活かしつつ、ポンプ効率を高めることができ、より性能の高い両吸込渦巻ポンプを実現することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。図１に、第１の実施形態による両吸込渦巻ポンプの構造を示す。図１の（ａ）は、本実施形態による両吸込渦巻ポンプを縦方向に断面した状態を示しており、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）中のＡ−Ａ線に沿って主要部分を断面した状態を示している。本実施形態の両吸込渦巻ポンプは、その基本構造において図６に関して説明した従来の両吸込渦巻ポンプと共通している。したがって以下では、本発明に特徴的な構成ついて主に説明し、共通部分については図６の場合と同一の符号を付し、それらの説明は適宜省略する。

本発明で特徴的な構成は、ボリュート流路５に整流板１１を設けていることである。整流板１１は、図２に示すように、第１の羽根車部４ａからの出口流れＳ１と第２の羽根車部４ｂからの出口流れＳ２を隔離するように整流する機能を負っている。この機能を実現させるために本実施形態では、両羽根車部４ａ、４ｂの境界面に沿ってボリュート流路５をその径方向全幅と全長にわたって２分するようにして整流板１１を設けるようにしている。

このように第１の羽根車部４ａと第２の羽根車部４ｂそれぞれからの流速の異なる出口流れＳ１、Ｓ２を整流板１１で隔離して整流することにより、上で説明した異位相の羽根車４における出口流れの流速的非対称性において流速の大きい側の流れが流速の小さい側に影響をおよぼすという現象を防止し、このことにより図６の旋回流れＣのような２次流れの発生を有効に抑制することができる。すなわち異位相の羽根車４においてポンプ効率を低下させる要因となる旋回流れＣを有効に抑制し、これによりポンプ効率の向上を図ることができる。

図３に、第２の実施形態による両吸込渦巻ポンプの構造を示す。図３における（ａ）と（ｂ）の関係は、図１におけるそれと同様である。本実施形態は、整流板１２のボリュート流路５に対する設置範囲において第１の実施形態と異なっている。すなわち本実施形態における整流板１２は、第１の整流板部１２ａと第２の整流板部１２ｂで構成されている。そして第１の整流板部１２ａは、ボリュート流路５のボリュート巻始め部１３から外側ボリュート流路５ａと内側ボリュート流路５ｂへの分岐部付近までのボリュート流路５について、その径方向全幅にわたって２分するように設けられ、一方、第２の整流板部１２ｂは、上記分岐部付近から外側ボリュート流路５ａと内側ボリュート流路５ｂの合流部の手前付近までの内側ボリュート流路５ｂについて、その径方向全幅にわたって２分するように設けられている。

このような整流板１２は、第１の実施形態における整流板１１と同様な効果が得られるのに加えて、面積が第１の実施形態における整流板１１に比べて小さくなることから、整流板１２と流体との間での壁面摩擦損失をより少なくできるという効果をもたらす。

図４に、第３の実施形態による両吸込渦巻ポンプの構造を示す。図４における（ａ）と（ｂ）の関係は、図１におけるそれと同様である。本実施形態は、第１の整流板１４と第２の整流板１５を設けるようにしている点で第１の実施形態や第２の実施形態と異なっている。第１の整流板１４は、ボリュート巻始め部１３から外側ボリュート流路５ａと内側ボリュート流路５ｂへの分岐部付近までのボリュート流路５について、ボリュート流路外周側内壁面から一定範囲の径方向幅にわたって２分するように設けられている。一方、第２の整流板１５は、上記分岐部付近から外側ボリュート流路５ａと内側ボリュート流路５ｂの合流部の手前付近までの内側ボリュート流路５ｂについて、隔壁６の内側面から一定範囲の径方向幅にわたって２分するように設けられている。

これらの整流板１４、１５は、上述のような２次流れ、つまりボリュート断面方向でボリュート流路外周側内壁面に沿う旋回流れＣ（図６）のような２次流れを阻害することに主眼をおいて機能するようにされており、その２次流れ阻害機能により旋回流れＣのような２次流れの発生を抑制する。したがって上記の「ボリュート流路外周側内壁面から一定範囲」や「隔壁６の内側面から一定範囲」は、２次流れの阻害を有効に行える範囲ということになる。このような整流板１４、１５は、第２の実施形態における整流板１２よりもさらに面積を小さくなり、流体との間での壁面摩擦損失をさらに一層少なくすることができる。

本発明は、低脈動化を可能とする異位相の羽根車を用いる両吸込渦巻ポンプについて、ポンプ効率の改善を可能とするものであり、当該分野において広く利用することができる。

第１の実施形態による両吸込渦巻ポンプの構造を示す図である。 第１の実施形態における整流板の作用を示す図である。 第２の実施形態による両吸込渦巻ポンプの構造を示す図である。 第３の実施形態による両吸込渦巻ポンプの構造を示す図である。 従来の異位相羽根車式両吸込渦巻ポンプの一般的な構造を示す図である。 図６の両吸込渦巻ポンプにおける羽根車出口流れの状態を示す図である。 同位相羽根車式両吸込渦巻ポンプにおける羽根車出口流れの状態を示す図である。

符号の説明

４ａ 第１の羽根車部
４ｂ 第２の羽根車部
５ ボリュート流路
５ａ 外側ボリュート流路
５ｂ 内側ボリュート流路
６ 隔壁
７（７ａ，７ｂ） 羽根
１１，１２ 整流板
１２ａ 第１の整流板部
１２ｂ 第２の整流板部
１３ ボリュート巻始め部
１４ 第１の整流板
１５ 第２の整流板
Ｃ 旋回流れ（２次流れ）
Ｓ１ 第１の羽根車部からの出口流れ
Ｓ２ 第２の羽根車部からの出口流れ

Claims (2)

1. それぞれ複数の羽根が設けられた第１の羽根車部と第２の羽根車部を有し、前記第１と第２の各羽根車部の間で前記羽根の設定位置に所定の位相ずれが与えられている羽根車を備えるとともに、前記羽根車による昇圧を受けた流体を吐出すボリュート流路を備えた両吸込渦巻ポンプにおいて、
   前記第１の羽根車部からの出口流れと前記第２の羽根車部からの出口流れとの非対称性によりもたらされる２次流れを抑制する整流板が設けられていると共に、 前記ボリュート流路は、その途中から隔壁により２分されることで外側ボリュート流路と内側ボリュート流路に分岐されており、
   前記整流板は、第１の整流板部と第２の整流板部で構成され、前記第１の整流板部は、前記ボリュート流路のボリュート巻始め部から前記外側、内側両ボリュート流路への分岐部付近までの前記ボリュート流路について、その径方向全幅にわたって２分するように設けられ、第２の整流板部は、前記分岐部付近から前記外側、内側両ボリュート流路の合流部の手前付近までの前記内側ボリュート流路について、その径方向全幅にわたって２分するように設けられていることを特徴とする両吸込渦巻ポンプ。
2. それぞれ複数の羽根が設けられた第１の羽根車部と第２の羽根車部を有し、前記第１と第２の各羽根車部の間で前記羽根の設定位置に所定の位相ずれが与えられている羽根車を備えるとともに、前記羽根車による昇圧を受けた流体を吐出すボリュート流路を備えた両吸込渦巻ポンプにおいて、
   前記第１の羽根車部からの出口流れと前記第２の羽根車部からの出口流れとの非対称性によりもたらされる２次流れを抑制する整流板が設けられていると共に、前記ボリュート流路は、その途中から隔壁により２分されることで外側ボリュート流路と内側ボリュート流路に分岐されており、
   前記整流板として第１の整流板と第２の整流板が設けられ、前記第１の整流板は、前記ボリュート流路のボリュート巻始め部から前記外側、内側両ボリュート流路への分岐部付近までのボリュート流路について、ボリュート流路外周側内壁面から一定範囲の径方向幅にわたって２分するように設けられ、前記第２の整流板は、上記分岐部付近から前記外側、内側両ボリュート流路の合流部の手前付近までの前記内側ボリュート流路について、前記隔壁の内側面から一定範囲の径方向幅にわたって２分するように設けられていることを特徴とする両吸込渦巻ポンプ。

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