JP5060737B2 - 遠心ポンプ及びそのインペラ - Google Patents

Description

本発明は、遠心ポンプ及びそのインペラに関する。本発明は特に、最適動作点の容量よりも大きな容量で、軸封装置又は同種のものを損傷する危険無く遠心ポンプを使用することができるように、前記ポンプのインペラを改良することに関する。

液体又は懸濁液を遠心ポンプでポンピングする際、インペラの作動羽根がインペラ前方の液体の圧力を増加させると、液体が、遠心ポンプのインペラ後方の空間内に取り込まれることが既に知られている。したがって、ポンプの圧力開口部を通して圧力導管に排出されることに加えて、ポンピングされる液体は、加圧液体によってインペラ後方の空間も埋める傾向にある。インペラとポンプ後壁との間の液体が回転しても、平均的に見て（インペラ・シュラウドに所謂裏羽根又は同種のリブが無い場合）、それはインペラの速度の半分でしかなく、したがって、遠心力を生み出しながら、ポンプ・シャフト域のインペラ後方の封鎖空間（ｓｅａｌｉｎｇ ｓｐａｃｅ）に広がる圧力をある程度減少させるが、相当程度の圧力が必然的に、ポンプの後壁に関連する又はその後方の軸封装置にも影響を及ぼす。したがって部分的に所謂裏羽根がインペラ・シュラウドの背面に配置され、その裏羽根が、その空間に進入した液体を外向きにポンピングし、それによってインペラ後部の空間の圧力が大幅に減少する。

しかし裏羽根は、それらがポンプの特定の容量範囲内でしか最適に動作しないように寸法決めしなければならず、前記容量範囲からのいずれの方向への逸脱も、裏羽根域内及び封鎖空間に広がる圧力が変化するという結果をもたらす。ポンプ出力が増加すると、裏羽根が最悪の場合負圧力を生み出し、最悪の場合、特に液体を高温でポンピングする時、それが封鎖空間の液体を沸騰させることもある。同様に、容量を縮小する時、例えば弁で圧縮することによって縮小する時、インペラ後方の圧力は増加し、応力も増加する。同時に軸受部への応力も必然的に増加する。

同様の目的のために、即ちインペラの異なる側に広がる圧力を釣り合せるために、複数の釣合穴を使用することも提案されているが、それらの穴は、インペラのハブ付近のインペラ・シュラウドに作られたポンプの軸と平行の穴であり、そこから、インペラの圧力の高い方の側からの液体が低い圧力の区域へと排出される。言い換えれば、釣合穴の流れはいずれの方向であることもできる。

しかし、いずれの釣り合せ方法も使用されているが、Ｈ、Ｑ（水頭、容量）図の所謂ポンプ曲線に沿って、即ちより高い容量の方向に右に移動する時、従来技術による釣り合せは、封鎖空間の圧力が、ポンプのインペラ前方に広がる圧力よりも下降するのを充分に防ぐことができない場合がある。これが問題であるのは、液体が封鎖から流出する時に、封鎖空間の負圧力が、ポンピングする液体又は封鎖部の他の液体の潤滑効果が縮小するという事実につながるからである。封鎖のタイプによって、液体の封鎖からの流出は、封鎖の乾燥を引き起こし、これが封鎖のタイプによっては極めて急速に封鎖の損傷につながる。

遠心ポンプで使用される他の封鎖のタイプは、所謂運動用シールであり、その動作は、ポンプの後壁後方の個別チャンバで回転する回転子の動作に基づく。良好な圧力条件では、実質的に放射状の円板と、ポンプのインペラに対してその円板の背面に配置された羽根とを備えた回転子は、チャンバで液体リング（ｌｉｑｕｉｄ ｒｉｎｇ）を回転させるが、それは、前記液体リングが、前記円板とチャンバ壁との間の空間を封鎖し、同時にポンプ自体も封鎖するように行う。このような回転液体リングが充分に大きな圧力差を受ける場合、液体リングは低い方の圧力に向かって流出する。大気圧力よりも低い圧力が、ポンプのインペラ後部で作り出される場合、それは液体リングを封鎖チャンバから引き出す傾向にある。これが起こると、空気が容易にポンプ後方からポンプ内へと流入するようになる。空気も同様の形で、ポンプの機械的軸封装置を通って、ポンプに流入することができる。空気が漏洩することのポンピングそれ自体に対する影響は、空気が最悪の場合、ポンピングを停止させてしまうことである。

本発明は、上述の問題の少なくとも幾つかと、従来技術による遠心ポンプの欠点とを、新しい種類のインペラを導入することによって解消する傾向にあるもので、新しい種類のインペラでは、インペラ・シュラウド内での釣合穴の配置が、シュラウド正面の前記穴の開口部が、シュラウド背面に位置する開口部より前にあって、前記インペラの回転方向に、且つ前記インペラ・シュラウド背面の開口部よりも前記ポンプの軸により接近するようになされる。

本発明に特徴的な他の特色は、添付請求項から明らかになるであろう。

本発明を、添付図面を参照して例として以下に論じる。

図１は、従来技術による遠心ポンプのインペラ１０の従来型構造の概略を示す。この図は又、ポンプ・ボリュート２、前記ポンプの後壁４、軸８を備えたポンプ・シャフト６などのポンプ構成要素も示す。インペラ１０は、作動羽根１４を備えたシュラウド１２と、釣合穴１６と、場合によって裏羽根とを備える。釣合穴の中心線１８がポンプの軸８と平行であることが、従来技術による釣合穴の特徴である。さらに、釣合穴１６は、ポンプの軸８に比較的接近して設けられており、作動羽根１４の圧力面に形成される。羽根の圧力面とは、羽根の凸側、即ちポンピングする液体が押し当てられる面であって、ポンピングする液体がその面に沿って圧力開口部に向かって流れる面を指す。同様に、羽根の負圧面とは、羽根の凹側であって、インペラが回転する時、ポンピングする液体の慣性及び遠心力によって低圧域が生み出される側を指す。上述の穴の位置決めの目的は、液体流れの一部が穴を通過してインペラ１０の裏側に至って、封鎖空間Ｓの圧力を上げるのを保証することにある。

図２は、異なった３つのインペラをポンプで試験した際の、遠心ポンプの容量曲線と、その封鎖空間Ｓに広がる圧力の両方を、全て同一のＨ−Ｑ（水頭、容量）図で示すものである。連続線で示す均一な下降曲線は、異なった容量のポンプの水頭を示す。破線ａ〜ｃは、ポンプ容量の関数としてのポンプの封鎖空間の圧力変化の概略を示す。水平軸はポンプの水頭のゼロ値に加えて大気圧をも示し、それによって大気圧よりも高い圧力は水平軸の上の域で広がり、大気圧よりも低い圧力は水平軸の下の域で広がるようになる。

図２の曲線は、ポンプのインペラ・シュラウドに全く釣合穴が無い状況を示す。したがって、封鎖空間の圧力は、既に小さな体積流量Ｑ１を伴って負の値に減少する。したがって、上述の損傷又は漏洩の状況が発生する場合がある。図面に示す状況が意味するのは、体積流量Ｑ１よりも大きな体積流量でポンプを使用するのは安全ではない、言い換えればその全水圧容量範囲を超える寸前でさえ安全ではないということである。曲線ａの状況を訂正するために、真っ直ぐな軸方向釣合穴が、インペラ・シュラウドを通して配置され、その結果曲線ｂが生成され、これが、体積流量Ｑ２で、言い換えれば体積流量Ｑ１よりも著しく大きな容量によって、水平軸を交差する。言い換えれば、従来技術によって裏羽根及び釣合穴が設けられたポンプは、体積流量Ｑ２が左側に、言い換えれば下方側に留まる用途では安全に使用することができる。ポンプの水圧容量が多量に残されているので、容量を体積流量Ｑ２から上に増大することが可能である。しかし、従来技術の構造を使用してそれを実施することはできず、その理由は、そのような場合、ポンプの封鎖空間の圧力が大気圧よりも下に低下することになり、且つポンプ・シールが乾燥し、又は運動用シールが漏洩する危険が高くなり過ぎるからである。

図２の曲線ｃは、本発明によるインペラを使用することによって得られる利点を示す。曲線ｃはポンプの最大容量まで実質的に水平に続き、そのため、曲線ｃに従って、封鎖空間の圧力はポンプの容量範囲全体にわたって正のままであり、シールが乾燥することからシールが損傷する、又はポンプの運動用シールで空気が漏洩する危険が無くなり、又はほとんど無くなる。

図３は、図２の曲線ｃが与える結果を得る解決方法を示す。この解決方法が含む、本発明の好ましい実施例による遠心ポンプのインペラ２０は、インペラ・シュラウド２２と、作動羽根２４と、場合によって裏羽根と、ポンプ及びインペラ両方の軸８も備える。図３の構造で新しいものは、釣合穴２６であり、その中心線２８の方向はポンプの軸８から逸れる。図面３に示す実施例では、穴２６の中心線２８に沿って断面図を画く。したがって、図３は、穴が軸平面に位置するという考えを抱かせるかもしれないが、穴２６は実際には傾斜され、言い換えればそれらは軸平面から半径方向且つ円周方向に逸れていることが明らかである。ポンプの吸込導管（図面の左）に面するインペラ・シュラウド側の開口部３０は、インペラ・シュラウド後方の、即ち釣合穴の反対側端部の開口部３２よりもポンプの軸８に接近している（即ちより小さな直径である）ことが、この実施例による釣合穴２６の中心線２８と釣合穴２６の両方の特色である。実施した試験が示すのは、穴２６の入口開口部がインペラの軸８に接近しているほど、それらの穴はその計画された目的においてよりうまく機能するということである。実際には、インペラの中心に、インペラのハブを通過して延びるポンプ・シャフト用の中央開口部がほぼ必ずあって、それによってポンプの吸込導管側の釣合穴の開口部３０が、ポンプの軸８までも延在することを防止する。したがって、開口部は、可能な限りポンプ・シャフト用の開口部に接近して形成される。したがって、ポンプの吸込導管に面する側のインペラ・シュラウドの前記開口部３０が、自由縁（インペラ・シュラウド２２の反対側の縁、即ちポンプ・ケーシングに面する縁）の径方向内側の先端Ｅによって形成される回転円の内側に形成されることが、本発明の本質的な特徴である。この円の直径はほとんどの場合、ポンプの吸込導管の直径に対応する。前記開口部３０は、作動羽根の先端域、より正確には例えば作動羽根２４がそこから始まるインペラ・シュラウド２２の円周などに配置されることが好ましい。構造の他の部分（例えばシャフト用の開口部又はインペラの取付ナット）が許容しさえすれば開口部３０は軸８にさらに接近して形成されることがより好ましい。本発明の特徴は、穴２６が部分的に円周方向に方向付けられ、それによってその方向がインペラ羽根の通路に沿い、即ち作動羽根同士間の空洞に沿い、即ち液体の流れ方向になることである。言い換えれば、インペラ・シュラウドの背面の釣合穴の開口部３２は、釣合穴２６の反対端部の開口部３０の後方、即ちインペラ・シュラウドの正面、又その径方向外側のインペラの回転方向に形成される。

図４は、図３によるインペラの正面図を示す。この図面は、インペラ・シュラウド２２及びインペラ羽根通路３４での釣合穴２６の位置を破線で示す。この図面は、釣合穴２６が円周方向に傾斜して延びること、即ち各穴それぞれがそれ自体のインペラ羽根通路３４に向かって向けられることを示す。したがって各釣合穴はそれぞれ周囲方向、且つインペラ・シュラウドの正面の開口部３０から径方向外向きの方向に傾斜される。釣合穴２６がインペラ・シュラウド２２を通って少なくとも実質的にインペラ羽根通路３４の方向に延びる目的は、一方では、穴２６を介して裏羽根域に流れる液体の速度が正しい方向にあって、流れる液体をインペラ２０後方の空間から外にポンピングするのに、裏羽根がより少ない仕事しか必要無くなるようにすることである。他方では、その目的は、釣合穴２６を通って裏羽根域に至る液体の流量を増大し、それによって封鎖空間Ｓの圧力が、ポンプの容量範囲全体にわたって正のままであるようにすることである。

以上の記述は、釣合穴及びそれらの方向を極めて一般的に論じている。穴に関して、例えば形状においてそれらが大きく変化する場合があることに留意されたい。言い換えれば、円形状、楕円形状、及び角形状の全てを議論することができる。穴の断面域は、穴の長さ全体にわたって一定であることもでき、或いは穴の長さの少なくとも一部において変化することもできる。さらに以上の記述及び添付請求項のいずれにおいても、穴の方向とは、穴のいずれの特定壁の方向よりも、穴の中心線又は軸線の方向を指す。

以上の記述から分かるように、従来技術のインペラの欠点を解消する新たなインペラが開発された。本発明によるインペラは、シールを損傷する危険無く、最適動作点の容量よりも大きな容量でもポンプを使用することを可能にする。本発明を本明細書では例として、現在好ましい実施例と考えられるものに関連して述べたが、本発明は、開示した実施例に限定されず、添付請求項に規定する通りの本発明の範囲内で、その特色と他の用途との様々な組合せ及び／又は修正形態を網羅することを意図するものである。

軸方向の釣合穴を明確に示す、従来技術によるインペラの概略を示す図である。 Ｈ、Ｑ図に画かれる、インペラの様々な代替物に関する封鎖空間のポンプ曲線及び圧力曲線を示す図である。 本発明の好ましい実施例による、傾斜付き釣合穴を備えたインペラの軸方向図の概略を示す図であり、又、釣合穴の中心線に沿って部分的に断面化されている図である。 本発明の第２の好ましい実施例による、吸込導管の方向から見たインペラの正面の概略を示す図である。

符号の説明

２ ポンプ・ボリュート
４ ポンプの後壁
６ ポンプ・シャフト
８ ポンプ・シャフト及びインペラの軸
１０、２０ インペラ
１２、２２ インペラ・シュラウド
１４、２４ 作動羽根
１６、２６ 釣合穴
１８、２８ 釣合穴の中心線
３０、３２ 開口部
３４ 羽根通路

Claims (12)

1. 遠心ポンプにおいて、ポンプ・ボリュート（２）と、前記ポンプの後壁（４）と、ポンプ・シャフト（６）と、インペラ（２０）とを備え、該インペラは、シュラウド（２２）、該シュラウド（２２）の正面に配置された複数の作動羽根（２４）であって隣り合う２つの作動羽根の間にそれぞれインペラ羽根の通路を規定する作動羽根（２４）、及び前記シュラウド（２２）を通って延びる釣合穴を有し、前記インペラ（２０）が前記ポンプ・シャフト（６）に取り付けられ、前記ポンプ・ボリュート（２）の内側で回転する遠心ポンプであって、前記釣合穴（２６）のシュラウド（２２）での配置が、前記インペラ・シュラウド（２２）の正面に位置する前記釣合穴（２６）の開口部（３０）が、前記インペラ・シュラウド（２２）の背面に位置する開口部（３２）より前にあって前記インペラの回転方向に、且つ前記インペラ・シュラウド（２２）の背面の開口部（３２）よりも前記ポンプの軸（８）により接近するようになされること、及び、前記インペラ（２０）を正面から見た場合に前記釣合穴（２６）の方向即ち前記正面に位置する前記開口部（３０）と前記背面に位置する前記開口部（３２）を結ぶ方向が各インペラ羽根の通路の方向に向かっていることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記インペラ・シュラウドの背面の前記釣合穴開口部（３２）の円周方向での配置が、前記インペラの正面の前記釣合穴開口部（３０）と比較する時、前記釣合穴（２６）の方向が、前記インペラ（２０）をその正面から見た時、実質的にインペラ羽根の通路（３４）の方向であるようになされることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記インペラ・シュラウド（２２）の正面の前記釣合穴開口部（３０）が、前記インペラが回転する間に作動羽根（２４）の自由縁の径方向内側の先端Ｅによって形成される円の中に位置付けられることを特徴とする、請求項１又は２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記インペラ・シュラウド（２２）の正面の前記釣合穴開口部（３０）が、前記インペラ・シュラウド（２２）の前記作動羽根（２４）がそこから始まる円周に実質的に位置付けられることを特徴とする、請求項１から３までのいずれかに記載の遠心ポンプ。
5. 前記インペラ（２０）の正面の前記釣合穴開口部（３０）が、前記インペラ・シュラウド（２２）の前記作動羽根（２４）が始まるような円の中に位置付けられることを特徴とする、請求項１から４までのいずれかに記載の遠心ポンプ。
6. 遠心ポンプのインペラにおいて、少なくともシュラウド（２２）と、そのシュラウド正面に配置されてシュラウドとの間にインペラ羽根の通路（３４）を形成する作動羽根（２４）と、前記シュラウド（２２）を通って延びる釣合穴とを備えるインペラであって、前記釣合穴（２６）の前記インペラ・シュラウド（２２）での位置付けが、前記シュラウド（２２）の正面の前記釣合穴（２６）の開口部（３０）が、前記シュラウド（２２）の背面の前記釣合穴（２６）の開口部（３２）より前にあって前記インペラの回転方向に、且つ前記インペラ・シュラウド（２２）の背面の前記開口部（３２）よりも前記インペラの軸（８）により接近するようになされること、及び前記インペラ（２０）を正面から見た場合に前記釣合穴（２６）の方向即ち前記正面に位置する前記開口部（３０）と前記背面に位置する前記開口部（３２）を結ぶ方向が各インペラ羽根の通路の方向に向かっていることを特徴とする遠心ポンプのインペラ。
7. 前記インペラ・シュラウドの背面の前記釣合穴開口部（３２）の、前記インペラ・シュラウドの正面の前記開口部（３０）に対する円周方向における配置が、前記釣合穴（２６）の方向が、前記インペラ（２０）の正面から見て実質的に前記インペラ羽根通路（３４）の方向であるようになされることを特徴とする、請求項６に記載のインペラ。
8. 前記インペラ・シュラウド（２２）の正面の前記釣合穴開口部（３０）が、前記インペラが回転する間に前記作動羽根（２４）の自由縁の内側先端Ｅによって形成される円の中に形成されることを特徴とする、請求項６又は７のいずれかに記載のインペラ。
9. 前記インペラ・シュラウド（２２）の正面の前記釣合穴開口部（３０）が、前記インペラ・シュラウド（２２）の前記作動羽根（２４）がそこから始まる円に実質的に形成されることを特徴とする、請求項６から８までのいずれかに記載のインペラ。
10. 前記インペラ・シュラウド（２２）の正面の前記釣合穴開口部（３０）が、前記インペラ・シュラウド（２２）の前記作動羽根（２４）がそこから始まる円の中に形成されることを特徴とする、請求項６から９までのいずれかに記載のインペラ。
11. 前記インペラ・シュラウド（２２）の背面の開口部（３２）は、インペラ羽根の通路内に形成されることを特徴とする、請求項６から１０までのいずれかに記載のインペラ。
12. 前記インペラ・シュラウド（２２）の背面の開口部（３２）は、インペラ羽根の通路内に形成されることを特徴とする、請求項１から５までのいずれかに記載の遠心ポンプ。

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