JP4964308B2 - 両吸込ポンプ - Google Patents

Description

本発明は両吸込ポンプに関する。

両吸込ポンプはインペラが左右対称に配置されているため、理論的には主軸に軸スラストは発生しない。実際、設計点（通常は最高効率点又はその付近）での運転の場合、両吸込ポンプにおける主軸の軸スラストは極めて小さい。

しかし、小流量領域や締切点では、左右のインペラに吸い込まれる流量が時間的に不均一になるため左右のインペラの吸込口に時間的に変動する差圧が生じる。その結果、小流量領域や締切点では、時間的に変動する軸スラストが発生する。

両吸込ポンプにおける小流量領域での軸スラストを抑制する技術としては、以下が知られている。まず、特許文献１には、左右のインペラの側板の外側とポンプケーシング（吐出ボリュート）の間にウエアリングを設けて側板の外側への流体の回り込みを防止することで、軸スラストを抑制することが記載されている。また、特許文献２には、左右のインペラの吸込口を分離する仕切部を貫通するバランスホールを設け差圧の発生を防止することで、軸スラストを抑制することが記載されている。

しかし、特許文献１のウエアリングには高精度が要求される。言い換えれば、特許文献１に記載されている軸スラスト抑制のための技術を採用すると、両吸込ポンプの構造が複雑化する。また、特許文献２のようなバランスホールは、例えば汚水ポンプのように揚水中に異物が存在するような用途では閉塞が生じるおそがあり、適用できない。

特開２００７−１９８２７０号公報 特開平１１−３０３７８９号公報

本発明は、簡易な構成で効果的に変動軸スラストを抑制でき、かつ揚水中に異物が存在するように用途にも適用できる両吸込ポンプを提供することを課題とする。

本発明は、主軸に取り付けられたボス部と、前記ボス部の両側に間隔をあけて位置する一対の側板と、前記一対の側板と前記ボス部との間にそれぞれ設けられた複数の羽根と、一方の側板側の前記羽根と他方の側板側の前記羽根を仕切る前記ボス部に設けられた仕切部とを有し、前記一対の側板の内周側がそれぞれ吸込口となり、前記一対の側板の外周側がそれぞれ吐出口となるインペラをケーシング内に備えた両吸込ポンプであって、前記仕切部の直径が前記インペラの吸込口の直径よりも小さく、かつ、前記一対の側板の外面に向けてそれぞれ突出する一対のランド部を前記ケーシングに設けるとともに、前記一対の側板のうち一方の対応する前記ランド部との隙間を、前記一対の側板のうちの他方の対応する前記ランド部との隙間よりも小さく設定していることを特徴とする、両吸込ポンプを提供する。

仕切部の直径をインペラの吸込口よりも小さく設定することで、一方の側板側の吸込口と他方の側板側の吸込口とが連通する。そのため、小流量域や締切点でこれらの吸込口間に吸い込まれる流量が時間的に不均一になっても、それに起因するこれらの吸込口間で差圧の発生やその変動を抑制できる。その結果、小流量域や締切点における時間的に変動する軸スラストの発生を防止できる。また、吸込口間を連通させる領域は十分に広い面積を有するので揚水中の異物を通過させることができ、異物による閉塞が生じない。

側板の外面とランド部の先端側との間に乱流が生じて圧力が低下する。この圧力低下により側板に対して作用する主軸の軸線方向の力が減少する。そのため、ランド部を設けることで小流量域や締切点における軸スラストの変動をさらに抑制できる。

また、一方の側板の対応するランド部との隙間を、他方の側板の対応するランド部との隙間よりも小さく設定することにより、一対の側板に作用する主軸の軸線方向の力を互いに異ならせることができる。その結果、一対の側板のいずれか一方側に主軸を付勢する静的スラストが生じる。この静的スラストにより小流量域や締切点における軸スラストの変動をさらに抑制できる。

好ましくは、前記仕切部の直径、前記インペラの吸込口の直径、及び前記ボス部の直径は、下記の式で定義される係数αが０＜α＜０．５となるように設定されている。

本発明の両吸込ポンプは、仕切部の直径をインペラの吸込口よりも小さく設定することで、小流量域や締切点における時間的に変動する軸スラストを抑制できる。また、吸込口間を連通させる領域は十分に広い面積を有するので揚水中に異物が存在するような用途にも適している。ランド部を設けることで、小流量域や締切点における軸スラストの時間変動をより効果的に抑制できる。

本発明の実施形態に係る両吸込渦巻ポンプの断面図。 図１の部分拡大図。 流量と揚程、効率、及び軸動力の関係を示す線図。 設計点における軸動力の時間変動を示す線図であり、（Ａ）は比較例の場合を示し、（Ｂ）は実施形態の場合を示す。 締切点における軸動力の時間変動を示す線図であり、（Ａ）は比較例の場合を示し、（Ｂ）は実施形態の場合を示す。 流量と変動軸スラスト係数の関係を示す線図。 軸スラストの時間変動を示し、（Ａ）は比較例の場合を示し、（Ｂ）は実施形態の場合を示す。

図１及び図２は本発明の実施形態に係る横軸の両吸込渦巻ポンプ１を示す。この両吸込渦巻ポンプ１のケーシング２を貫通して主軸３が水平方向に延びている。主軸３にインペラ４が取り付けられている。ケーシング２の主軸３が貫通する部分には軸封装置５Ａ，５Ｂが取り付けられている。また、ケーシング２に固定されたブラケット６Ａ，６Ｂに保持されたスラスト軸受７とラジアル軸受８により、主軸３が回転自在に支持されている。

インペラ４が収容されているケーシング２内の渦巻室１１は、吸込側渦巻室１３Ａ，１３Ｂと吐出側渦巻室１４とを備えている。インペラ４の後述する吸込口２１Ａ，２１Ｂは吸込側渦巻室１３Ａ，１３Ｂに開口し、インペラ４の後述する吐出口２２Ａ，２２Ｂは吐出側渦巻室１４に開口している。主軸３の図において右側に連結された原動機により主軸３が回転するとインペラが回転し、両吸込渦巻ポンプ１の吸込口（図示せず）から吸込側渦巻室１３Ａ，１３Ｂに流入した水（他の液体でもよい）は、吸込口２１Ａ，２１Ｂからインペラ４に吸い込まれ、吐出口２２Ａ，２２Ｂから吐出側渦巻室１４へ吐出され、両吸込渦巻ポンプ１の吐出口（図示せず）から排出される。

インペラ４は図におい左側の左側インペラ部１５Ａと、この左側インペラ部１５Ａに対して左右対称である図において右側インペラ部１５Ｂとを備える。左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂは共通のボス部１６を備える。ボス部１６は主軸３に取り付けられている。左側インペラ部１５Ａはボス部１６に対して主軸３の軸線Ｒの方向に離れて位置して外形が円形の側板１７Ａを備える。ボス部１６と側板１７Ａとの間には複数の羽根１８Ａが設けられている。側板１７Ａの内周側には両端開口筒状のマウスピース部２０Ａが設けられている。右側インペラ部１５Ｂはボス部１６に対して主軸３の軸線Ｒの方向に離れて位置して外形が円形の側板１７Ｂを備える。ボス部１６と側板１７Ｂとの間には複数の羽根１８Ｂが設けられている。側板１７Ｂの内周側には両端開口筒状のマウスピース部２０Ｂが設けられている。ボス部１６の主軸３の軸線方向の中央部には左右のインペラ部１５Ａ，１５Ｂの羽根１８Ａ，１８Ｂを仕切る仕切部１９が設けられている。

幅広円環状である側板１７Ａ，１７Ｂの内周に位置するマウスピース部２０Ａ，２０Ｂで囲まれた部分は、羽根１８Ａ，１８Ｂの入口に望んでおり、左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂの吸込口２１Ａ，２１Ｂとして機能する。一方、羽根１８Ａ，１８Ｂの出口が位置する側板１７Ａ，１７Ｂの外周側が左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂの吐出口２２Ａ，２２Ｂとして機能する。

図２を参照すると、仕切部１９の直径Ｄｆを左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂの吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも小さく設定している。この小径の仕切部１９により左側インペラ部１５Ａの吸込口２１Ａと右側インペラ部１５Ｂの吸込口２１Ｂとが連通する。そのため、小流量域や締切点でこれらの吸込口２１Ａ，２１Ｂ間に吸い込まれる流量が時間的に不均一になっても、それに起因するこれらの吸込口２１Ａ，２１Ｂ間での差圧の発生やその変動を抑制できる。その結果、小流量域や締切点における時間的に変動する軸スラストの発生を防止できる。以下、この点についてより詳細に説明する。

小流量域や締切点では左側インペラ部１５Ａの吸込口２１Ａや右側インペラ部１５Ｂの吸込口２１Ｂに逆流が発生する場合がある。図２では、実線Ａで通常時の水の流れを、点線Ｂで逆流を、それぞれ模式的に示している。逆流Ｂは一般に左右の吸込口２１Ａ，２１Ｂで同時に起こらない。仕切部１９の直径Ｄｆが吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径よりも大きいと、吸込口２１Ａ，２１Ｂの一方に逆流Ｂが発生した場合、吸込口２１Ａ，２１Ｂから吸い込まれる流量が時間的に不均一となり、左右のインペラ部１５Ａ，１５Ｂから主軸３に対して作用するスラスト方向の力に不均衡が生じる。この不均衡が小流量域や締切点における軸スラストの時間的な変動の原因となる。本実施形態では、仕切部１９の直径Ｄｆを吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも小さく設定することで左右の吸込口２１Ａ，２１Ｂを連通させ、吸込口２１Ａ，２１Ｂにおける圧力を均一化している。そのため、吸込口２１Ａ，２１Ｂの一方に逆流Ｂが発生した場合でも左右のインペラ部１５Ａ，１５Ｂから主軸３に対して作用するスラスト方向の力に不均衡が生じない。この理由で、仕切部１９の直径Ｄｆを吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも小さく設定することにより、小流量域や締切点における軸スラストの時間的な変動を防止できる。

また、仕切部１９の直径Ｄｆを吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも小さく設定したことで、十分や面積を有する円環状の領域を介して左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂの吸込口２１Ａ，２１Ｂが連通しているため、揚水中の異物を通過させることができ、異物による閉塞が生じない。

図３に示す設計点Ｑ_BEP（この例では最高効率点付近）における軸スラストの時間変化を図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す。また、締切点（Ｑ＝０）における軸スラストの時間変化を図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図４（Ａ）及び図５（Ａ）は、仕切部１９の直径Ｄｆを吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも大きく設定した（例えば仕切部１９の外周が羽根１８Ａ，１８Ｂの出口側の先端までの延びている）比較例の場合である。図４（Ｂ）及び図５（Ｂ）は、これらの仕切部１９の直径Ｄｆを吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも小さく設定した本実施形態の場合である。設計点Ｑ_BEPでは仕切部１９の直径Ｄｆと吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅの大小関係にかかわらず軸スラストの時間変動は殆ど生じていないが（図４（Ａ）及び（Ｂ））、締切点では比較例では顕著な軸スラストの変動があるのに対し（図４（Ａ））本実施形態では軸スラストの変動が効果的に抑制されることを確認できる（図４（Ｂ））。

仕切部１９の直径Ｄｆ、左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂの吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅ、及びボス部１６の直径Ｄｂは、下記の式（２）で定義される係数αが０＜α＜０．５となるように設定することが好ましい。

係数αの下限値０は以下の理由による。α＝０は直径Ｄｅと直径Ｄｂが等しい場合であるので、仕切部１９の直径Ｄｆが吸込口２１Ａ，２１Ｂの直径Ｄｅよりも小さいためには係数αが０よりも大きい必要がある

一方、係数αの上限値０．５は以下の理由による。仮にα＝１とすると直径Ｄｂと直径Ｄｆが等しい、つまりボス部１６から仕切部１９が突出していない場合となる。このように場合、左右の吸込口２１Ａ，２１Ｂから吸入された水が、主軸３の軸線方向にいわば正面衝突することになり、左右の吸込口２１Ａ，２１Ｂで流入量が不均一となる。左右の吸込口２１Ａ，２１Ｂから吸入される水の正面衝突を防止するには、仕切部１９がボス部１６からある程度の量は突出しているという条件を満たす必要があり、この条件がα＝０．５に相当する。

ケーシング２の吐出側渦巻室１４を構成する部分の内面には、左側及び右側インペラ部１５Ａ，１５Ｂの側板１７Ａ，１７Ｂの外面であって外周（吐出口２２Ａ，２２Ｂ）に近い部分に向けて突出する環状のランド部２５Ａ，２５Ｂが設けられている。個々のランド部２５Ａ，２５Ｂの先端は平坦面である。ランド部２５Ａ，２５Ｂの先端と左右の側板１７Ａ，１７Ｂの外面との間の隙間Ｓ１，Ｓ２は、ケーシング２の内面と側板１７Ａ，１７Ｂの外面の他の部分における距離よりも十分狭く設定している。

隙間Ｓ１，Ｓ２を狭く設定しているため、吐出口２２Ａ，２２Ｂから吐出側渦巻室１４に吐出された水が側板１７Ａ，１７Ｂの外面とランド部２５Ａ，２５Ｂとの間を通過すると乱流が生じ圧力が低下する。この圧力低下により側板１７Ａ，１７Ｂに作用する主軸３の軸線Ｒの方向の力が減少する。そのため、ランド部２５Ａ，２５Ｂを設けることで小流量域や締切点における主軸３の軸スラストの変動をさらに効果的に抑制できる。

本実施形態では、左側の側板１７Ａとランド部２５Ａの隙間Ｓ１よりも、右側の側板１７Ｂとランド部２５Ｂの隙間Ｓ２を狭く設定している。このように隙間Ｓ１，Ｓ２を不均一にすることで、左右の側板１７Ａ，１７Ｂに作用する主軸３の軸線Ｒの方向の力を互いに異ならせることができる。その結果、左右の側板１７Ａ，１７Ｂの一方側に主軸３を付勢する実質的に時間変動しないスラスト（静的スラスト）を生じさせることができる。この静的スラストによっても小流量域や締切点における軸スラストの変動を抑制できる。

図６はランド部２５Ａ，２５Ｂを設けて隙間Ｓ１よりも隙間Ｓ２を２ｍｍ程度小さく設定してる本実施形態の場合と、ランド部２５Ａ，２５Ｂを設けない比較例とで、軸スラスト係数Ｋａを比較したグラフである。軸スラスト係数Ｋｓは主軸３に作用する軸スラストＦａと下記の式（３）の関係がある。式（３）から明らかなように、軸スラスト係数Ｋｓが小さい程、軸スラストＦａも小さくなる。

図６に示すように、設計点Ｑ_BEPでは比較例と本実施形態のいずについてもスラスト係数Ｋａは０．００８程度であり顕著な差は認められない。締切点では比較例のスラスト係数Ｋａが０．２３程度である。これに対して、締切点における本実施形態のスラスト係数Ｋａは０．０８程度であり、スラスト係数Ｋａが比較例と比べて１／２〜１／３程度に低下している。このように本実施形態では、締切点でのスラスト係数Ｋａが大幅に抑制されるので、主軸３のスラストＦａも大幅に低減する。図７（Ａ）に示すように、比較例では軸スラストの時間変動が顕著である。これに対し、図７（Ｂ）に示すように、本実施形態では締切点において前述した静的スラストが発生し、スラストの時間変動成分（変動軸スラスト）は小さい。

１ 両吸込渦巻ポンプ
２ ケーシング
３ 主軸
４ インペラ
５Ａ，５Ｂ 軸封装置
６Ａ，６Ｂ ブラケット
７ スラスト軸受
８ ラジアル軸受
１１ 渦巻室
１３Ａ，１３Ｂ 吸込側渦巻室
１４ 吐出側渦巻室
１５Ａ 左側インペラ部
１５Ｂ 右側インペラ部
１６ ボス部
１７Ａ，１７Ｂ 側板
１８Ａ，１８Ｂ 羽根
１９ 仕切部
２０Ａ，２０Ｂ マウスピース部
２１Ａ，２１Ｂ 吸込口
２２Ａ，２２Ｂ 吐出口
２５Ａ，２５Ｂ ランド部

Claims (2)

1. 主軸に取り付けられたボス部と、前記ボス部の両側に間隔をあけて位置する一対の側板と、前記一対の側板と前記ボス部との間にそれぞれ設けられた複数の羽根と、一方の側板側の前記羽根と他方の側板側の前記羽根を仕切る前記ボス部に設けられた仕切部とを有し、前記一対の側板の内周側がそれぞれ吸込口となり、前記一対の側板の外周側がそれぞれ吐出口となるインペラをケーシング内に備えた両吸込ポンプであって、
   前記仕切部の直径が前記インペラの吸込口の直径よりも小さく、かつ、
   前記一対の側板の外面に向けてそれぞれ突出する一対のランド部を前記ケーシングに設けるとともに、
   前記一対の側板のうち一方の対応する前記ランド部との隙間を、前記一対の側板のうちの他方の対応する前記ランド部との隙間よりも小さく設定している
   ことを特徴とする、両吸込ポンプ。
2. 前記仕切部の直径、前記インペラの吸込口の直径、及び前記ボス部の直径は、下記の式で定義される係数αが０＜α＜０．５となるように設定されている、請求項１に記載の両吸込ポンプ。
   

   

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