JP4893125B2 - 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つ持つ，対称形状の翼を背中合わせに組み合わせた羽根車を用いた両吸込渦巻ポンプの羽根車の改良に係わるものである。

主に羽根車の回転による遠心力を流体に与えて昇圧する遠心ポンプにおいて、２つの翼を背中合わせに組み合わせ、一つの吐出しボリュートによって流体を輸送する両吸込渦巻ポンプが知られている。この場合、羽根車の翼は非特許文献１に示されたような対称形状のものを背中合わせに組合わせた形状となっている。

ターボポンプ ターボ機械協会編 ｐ１６８ 図１１．９

従来提案されている両吸込渦巻ポンプについて説明する。

この両吸込渦巻ポンプは、吸込ケーシング部と吐出ケーシング部からなるポンプケーシングと、対称形状の翼を背中合わせに組み合わせた羽根車によって概略構成されている。

回転軸とともに羽根車が回転することにより両吸込渦巻ポンプ内を流体が移動し、吸込ケーシング部の渦巻形状によって旋回流れが羽根車の吸込口にもたらされる。

その流体が羽根車に流入した後、羽根車の回転によって流体に遠心力が与えられ、昇圧された後、吐出ケーシング部によって羽根車の吐出口から流出された流体が一つに集められて両吸込渦巻ポンプを出て行くものである。

この形式の両吸込渦巻ポンプでは、締切付近の低流量域において、入口側に発生する逆流の流れが吸込ケーシングの渦巻形状によって特に抑えられることなく入口付近で旋回する。

この旋回する再循環流れによって羽根車の入口付近で角運動量が増加した流れが羽根車に流入するため、全揚程が低下する。この結果として流量―全揚程の性能曲線が右下がりの安定なカーブとならず、締切付近で全揚程が低下して山なりなカーブとなる傾向が強かった。

この場合、例えばポンプの起動時にシステムカーブとの交点が定まらず、運転が不安定になり、最悪の場合はそのままバルブを開放しても規定の流量が出ない場合などが生じ、問題となることが多かった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、右下がりの安定な揚程カーブを提供するのみでなく、羽根車の効率をより一層向上させ、エネルギー消費量の削減に大きく貢献する性能の良い両吸込渦巻ポンプを提供することにある。

上記目的を解決するために、本発明は、ポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に回転自在に備わる羽根車を有し、前記羽根車は、中央主板と、前記主板の両面に背中合わせに複数配置される対称形状の翼と、前記主板の反対側になる前記翼の端部に設けられる外側板を有する両吸込渦巻ポンプにおいて、前記翼は、前記外側板側の端部が前記中央主板側の端部よりも前記羽根車の回転方向前方に位置するように傾斜していることを特徴とする両吸込み渦巻ポンプにある。

更に具体的には、上記構成の両吸込み渦巻ポンプにおいて、前記中央主板は、前記外側板よりも外径が小さく、前記主板の両面に背中合わせに配置される隣合せの翼が中央主板の外周縁より先側では、中央主板を介さず直に接合することを特徴とする。

また更に具体的には、上記構成の両吸込み渦巻ポンプにおいて、前記主板を挟む一方の翼と他方の翼は、前記羽根車の回転方向にずれていることを特徴とする。

本発明によれば、右下がりの安定な流量−全揚程カーブが得られ、かつポンプ効率を従来より一層向上させた、性能の良い両吸込渦巻ポンプを提供することができる。

本発明の実施例について、図を引用して説明する。

以下、本発明の第１の実施例を図１、図３〜図５を参照して説明する。

図１、図３〜図５に示すように、両吸込渦巻ポンプは、羽根車３０と、羽根車３０を回転自在に内置するポンプケーシング１００と、羽根車３０を固定する回転軸２０を有する。

羽根車３０は、図１、図３、図４に示すように、中央主板２００と、中央主板２００の両面に背中合わせに複数配置される対称形状の翼２１０と、中央主板２００の反対側になる翼２１０の端部に設けられる外側板２２０を有する。翼２１０は、外周側が羽根車３０の回転方向後方になる湾曲形状している。

ポンプケーシング１００は、図３、図４に示すように、羽根車３０の外周吐出側を包むように囲う吐出ケーシング部２３０と、羽根車３０の中心寄り両側に設けられている二つの吸込口２４０、２５０に対応する二つの吸込ケーシング部２６０、２７０を有する。二つの吸込ケーシング部２６０、２７０は渦巻き形状を有する。

メカニカルシール２８０、２９０は、羽根車３０の二つの吸込口２４０、２５０と、二つの吸込ケーシング部２６０、２７０との摺動部に設けられる。このメカニカルシール２８０、２９０により、羽根車３は吐出ケーシング部２３０側から吸込ケーシング部２６０、２７０への流体リークが抑えられる。

羽根車３０の翼２１０は、図３の（ロ）に示すように、外側板２２０側の端部が中央主板２００側の端部よりも羽根車３０の回転方向前方に位置するように傾斜している。

傾斜の角度は、５°〜１５°程度の傾きである。

この翼２１０の傾斜に関する作用を説明する。

両吸込渦巻ポンプの羽根車内部の流れから説明する。

一般に両吸込渦巻ポンプに使用される羽根形状は遠心羽根車であり、その内部流れは、非特許文献１「ターボ機械」Ｐ３５に示されているように非常に複雑である。

羽根車の内部流れによって損失がもたらされるメカニズムを概説すると、その大きな要因のひとつに羽根車流路断面方向の面内速度である２次流れの存在があり、これが損失の大小、すなわち羽根車の流線方向の流れの不均一の発生に大きく関わっている。

図２Ａは従来の両吸込渦巻ポンプの羽根車形状を軸方向から見た図、図２Ｂは従来の羽根車の翼近傍の流れの方向を示す概要図である。

羽根車内部の主流は，翼の吸込口から翼の吐出口にかけて子午面形状に沿って流れの方向を軸方向から半径方向に変えられる。この際、この主流によってもたらされる遠心力と、子午面でみた中央主板側から外側板側にかけて生じる圧力降下はつりあっているが、翼面付近に生じる境界層内部の流速の遅い部分は遠心力が小さい。

このため，圧力勾配に対抗できずに図２Bに示すように中央主板側から外側板側に向かって流れる。

更に翼間流路において外側板付近を流れている境界層内の速度の遅い流れも、翼面を沿って流れる主流のコリオリ力によってもたらされる翼圧力面，負圧面間の圧力勾配に対抗できないために、外側板付近を翼圧力面から負圧面方向に流れる。

従って、それらの主流方向に速度の遅い流れが図２Ｂに示すように結果的に羽根車の出口付近の翼負圧面、外側板側に集積し、この付近と他の部分で主流方向の速度差が大きくなり、これが翼出口で混合するために損失が生じる。

従って、この主流方向速度差を抑制して損失を低減するためには、以上説明したような翼流路断面の２次流れをコントロールする必要がある。

これに対して、本発明の第１の実施例では、羽根車３０が中央主板２００と、中央主板の両面に背中合わせに複数配置される対称形状の翼２１０と、中央主板２００の反対側になる翼２１０の端部に設けられる外側板２２０を有する両吸込渦巻ポンプにおいて、外側板側２２０の端部が中央主板２００側の端部よりも羽根車３０の回転方向前方に位置するように翼２１０を傾斜させた。

この様な形状にすることにより、翼２１０の吸込口から吐出口にかけて、常に翼の外側板側が回転方向前方に位置して回転することになる。このため、翼２１０付近の境界層の流れは、図３の（ロ）に示すように、外側板２２０から中央主板２００方向の流れが生じ、これが前述した中央主板２００から外側板２２０にかけて生じている圧力勾配に対抗する。

従って、子午面でみた翼２１０近傍の流れは図２Bの（ロ）に示した従来の羽根と異なり、図３に示すように翼２１０の出口方向に流れることになる。

この流れの改善によって、翼２１０の吐出口付近では翼２１０面付近の境界層内部の速度の遅い流れの集積が弱まり、翼２１０の吐出口付近において損失を増大させる主流方向速度の不均一を抑制し、羽根車効率が向上する。

従ってポンプ効率も向上し、エネルギー消費を抑えた優れた両吸込渦巻ポンプを得ることができる。

以上説明した内容は、ポンプの設計点付近の流れに関するものであるが、次にポンプの締切付近の低流量域における流れの様子について説明する。

締切付近では、図４（ロ）に示すように、従来の羽根車では吸込口及び吐出口にそれぞれ再循環流れが生じ、羽根車内部の主流は大きく曲げられることになる。

特に両吸込渦巻ポンプの場合は吸込ケーシングに渦巻型のものが適用されるため、羽根車の回転とともに回転している吸込口側の再循環流れによって羽根車に流入する流れに大きな旋回が与えられる。吸込口側の角運動量が大きくなり、低流量域では全揚程が低下し、結果として全揚程カーブが山形の特性となる。

これに対して、本発明の第１の実施例では、翼２１０の吸込口から吐出口にかけて、常に翼２１０の外側板２２０側が回転方向前方に位置して回転することで、吐出口の再循環流れの様子が変化する。

すなわち、出口付近での再循環流れは翼流路の相対速度の遅い領域である。

この流れが本発明の第１実施例の場合は、図４（イ）に示すように従来の羽根車と比較して再循環流れの領域が変化する。

従って、この逆流域のために翼２１０の吐出口付近の流出角度が非常に大きくなり、締切付近の低流量域の全揚程を増大させる。

その結果、図５に示すように締切から大流量域まで安定した右下がりの全揚程カーブを得られ、運転流量全域において安定したポンプの運転を達成することができる。

図６は，本発明の第２の実施例に係わる両吸込渦巻ポンプの羽根車３０の断面を示すものである。

この実施例でも、羽根車３０の外側板２２０との交線（外側板と翼との交差部）がポンプ回転軸方向から見て中央主板２００と翼２１０の交線よりも回転方向前方に位置していることは実施例１と変わらない。特徴点は、翼２１０の吐出口付近では中央主板２００は存在せず、背中合わせに組み合わされた対称形状の双方の翼２１０同士で結合している。

すなわち、中央主板２００は、外側板２２０よりも外径が小さく、中央主板２００の両面に背中合わせに配置される隣合せの翼２１０が中央主板２００の外周縁より先側では、中央主板２００を介さず直に接合する。

この様にすることで，実施例１に示す効果が得られることはもちろん、中央主板２００が外周側に存在しないことで摩擦損失も低減でき、更にポンプ効率の良い、エネルギー消費を抑えた両吸込渦巻ポンプを得ることができる。

図７は、本発明の第３の実施例に係わる両吸込渦巻ポンプの羽根車の断面を示すものである。

この実施例でも、羽根車３０の外側板２２０との交線がポンプ回転軸方向から見て中央主板２００と翼２１０の交線よりも回転方向前方に位置していることは実施例１と変わらない。特徴点は、中央主板２００の両面に形成された多数の翼２１０が羽根車３０の回転方向に等ピッチで設けられ、中央主板２００の一方に並ぶ翼２１０と他方に並ぶ翼２１０が回転方向にずれて背中合わせになっている。

しかも、その回転方向のずれ位置が、中央主板２００の反対側に並ぶ翼２１０間の中間点に来る。

このようにすることで、実施例１に示す効果が得られることはもちろん、羽根車３０の翼２１０から翼２１０までの流路で生じる回転方向の圧力の変動が、お互いに翼２１０から翼２１０までの距離の半分だけ回転方向にずれていることによってお互いに相殺される。

このため、羽根車全体として羽根車の吐出口における圧力変動を小さくすることができ，振動や騒音を抑えた両吸込渦巻ポンプを得ることができる。

本発明の第１の実施例に係わる羽根車の軸方向断面図（ロ）と、羽根車を外周側から見た図（イ）である。 従来技術の両吸込渦巻ポンプの羽根車形状と内部の流れの様子を示す断面図（ロ）と、羽根車を外周側から見た図（イ）である。 従来技術の両吸込渦巻ポンプの羽根車の軸方向断面図（ロ）と、羽根車を外周側から見た図（イ）である。 本発明の第１の実施例に係わる両吸込渦巻ポンプの軸方向断面図（イ）と、羽根車内部の流れの様子を示す図（ロ）である。 本発明の第１の実施例に係わる両吸込渦巻ポンプの羽根車内部の流れの様子を示す断面図（イ）・（ロ）の二例である。 本発明の第１の実施例に係わる効果を示す図である。 本発明の第２の実施例に係わる両吸込渦巻ポンプの断面図（イ）と羽根車の内部の流れの様子を示す図（ロ）である。 本発明の第３の実施例に係わる両吸込渦巻ポンプの断面図（イ）と羽根車の内部の流れの様子を示す図（ロ）である。

符号の説明

１００…ポンプケーシング、３０…羽根車、２００…中央主板、２１０…翼、２２０…外側板。

Claims (4)

1. ポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に回転自在に備わる羽根車を有し、
   前記羽根車は、中央主板と、前記中央主板の両面に背中合わせに複数配置される対称形状の翼と、前記中央主板の反対側になる前記翼の端部に設けられる外側板を有する両吸込渦巻ポンプにおいて、
   前記翼は、少なくとも前記羽根車の外周側で、前記外側板側の端部が前記中央主板側の端部よりも前記羽根車の回転方向前方に位置するように傾斜し、
   前記翼は、外周側が前記羽根車の回転方向後方になる湾曲形状を有し、
   前記翼の前記傾斜は、５°〜１５°程度の傾きであることを特徴とする両吸込渦巻ポンプ。
2. 請求項１記載の両吸込渦巻ポンプにあって、
   前記翼は、前記羽根車の回転方向に等ピッチで設けられ、
   前記翼の回転方向のずれ位置が、前記中央主板の反対側に並ぶ翼間の中間点に来ることを特徴とする両吸込渦巻ポンプ。
3. 前記請求項１記載の両吸込渦巻ポンプにおいて、
   前記傾斜の角度は、前記羽根車の中心側で大きく、外周側で小さいことを特徴とする両吸込渦巻ポンプ。
4. 前記請求項１記載の両吸込渦巻ポンプにおいて、
   前記ポンプケーシングは、前記羽根車の外周吐出側を包むように囲う吐出ケーシング部と、前記羽根車の中心寄り両側に設けられている二つの吸込口に対応する二つの吸込ケーシング部とを有し、
   前記二つの吸込ケーシング部は渦巻き形状を有することを特徴とする両吸込渦巻ポンプ。

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