JP5098866B2 - 立軸ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、斜流羽根車あるいは軸流羽根車を備える立軸ポンプに関する。

排水や用水等に、斜流羽根車あるいは軸流羽根車を備えた立軸ポンプが、多用されている。立軸ポンプでは、回転するシャフトに取り付けた羽根車が回転して、羽根車内を流通した流体を昇圧している。その際、流体が羽根車から与えられた速度エネルギーが、圧力エネルギーに効率よく変換されるように、羽根車の下流に案内羽根を設けている。案内羽根のさらに下流には、案内羽根のボス径からシャフト径まで連続的に内径が変化するコーンと通称されるケーシング部材が配置されている。コーンでは、案内羽根から出た流れを緩やかに減速させて、損失の発生を抑制している。

立軸ポンプの上流部には、吸込ケーシングと呼ばれる概略ベンド管のような流路が設けられており、立軸ポンプの羽根車に流体を導いている。それとともに、立軸ポンプの上記コーンよりも下流部には、吐出ケーシングと呼ばれる概略ベンド管のような流路が設けられており、吐出ケーシングからポンプで昇圧された流体が外部に吐出される。このような立軸ポンプの例が、特許文献１や特許文献２に記載されている。

特許第３７３５１８８号公報 特開２００７−１６２６４８号公報

近年、ポンプ機場の建設コスト縮減の要求から、ポンプスペースを低減することが求められている。また、ポンプをリプレースする際に、ポンプ用のスペースはそのままとして、ポンプの容量をアップさせ、同一のポンプ機場でも能力を増大させる要求が強まっている。ポンプ機場の建設コスト削減には、ポンプ井の掘削量を低減することも必要であり、掘削量の低減に見合ったポンプの軸方向長さの短縮が必要となっている。

その結果、ポンプへの吸込流れを誘導し、流れの方向を９０°転向させる吸込ベンドや、ポンプから吐き出される流れを同じく９０°転向させる吐出しベンドも、短縮しなければならない。両ベンドを短縮すると、吸込み流量および吐出流量を確保するためには、各ベンドを扁平化する必要が生じる。

これにより従来の断面円形ベンドに比べ、ポンプの流路設計が複雑になり、羽根車へ流入する流れが不均一になりやすい。この不均一性を是正し、ポンプ出口流れに剥離を生じておらず、エネルギー変換効率のよい流路形状とすることは、困難であるばかりでなく、製作性等を考慮すると得策ではない。

ポンプの軸方向長さを短縮する他の方法として、ポンプの案内羽根の軸方向長さを短縮する方法がある。しかしながら、案内羽根の軸方向長さを短縮すると、羽根車から流出する旋回流れを軸方向流れへと十分に転向することが困難になる。そのため、案内羽根流路の外周側及び内周側に旋回が広く残留し、この流れの旋回成分が、案内羽根の下流で損失となるおそれがある。

このような不具合を解消するために、特許文献１では、案内羽根を設けず吐出しベンドに整流板を設け、羽根車下流部の長さを短縮するとともに、羽根車からの旋回流れを整流している。しかしながら、この公報に記載のポンプでは、案内羽根を設けていないので、ポンプ性能の低下は免れない。また、特許文献２に記載のポンプでは、吸込み流れの周方向不均一については考慮されているものの、ポンプの軸方向長さの低減については、十分には考慮されていない。

本発明は、上記従来技術が有する課題に鑑みなされたものであり、その目的は、立軸ポンプの効率を向上させることと、立軸ポンプの軸方向長さを短縮させることとを両立させて、ポンプ場の省スペース化に寄与することにある。本発明の他の目的は、立軸ポンプの全体としてのエネルギー消費量を削減して、ＣＯ２排出量を低減することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、垂直方向に配置されたシャフトと、このシャフトに取付けた羽根車と、この羽根車の上方に配置した案内羽根とを備え下方から上方に揚水する立軸ポンプにおいて、前記案内羽根は周方向に間隔を置いて配置された複数の羽根を有し、前記案内羽根の各羽根は、下端部に半径方向に延びる前縁を上端部に半径方向に延びる後縁を有し、上端である後縁の位置が外径側で内径側よりも前記羽根車の回転方向に後退していることにある。

そしてこの特徴において、案内羽根の上方に、上側に行くにつれ次第に半径方向長さを減少させるコーン形状を配置し、このコーン形状の外周側に、前記案内羽根よりも半径方向長さの短い複数の整流羽根を、周方向に間隔を置いて配置してもよく、複数の整流羽根の各々は、上端である後縁の位置が外径側で内径側よりも羽根車回転方向に後退しており、さらに前記案内羽根が備える羽根に対してわずかに周方向位置を変えるようにしてもよい。

また、上記特徴において、案内羽根の上方に、上側に行くにつれ次第に半径方向長さを減少させるコーン形状を配置し、このコーン形状の外周側に、下側から上側に延びる多数のフィンまたは溝を形成してもよい。

本発明によれば、立軸ポンプが備える案内羽根の後縁を、外径側で内径側よりも羽根車の回転方向に後退させたので、ポンプ効率の向上とポンプの軸方向長さの低減を両立させることができる。また、ポンプ効率が向上したので、立軸ポンプの全体としてのエネルギー消費量が削減され、ＣＯ２排出量が低減される。

以下、本発明に係る立軸ポンプのいくつかの実施例を、図面を参照して説明する。図１に、本発明に係る立軸ポンプの一実施例を、縦断面図（同図（ａ））および横断面図（同図（ｂ））で示す。この図１では、立軸ポンプ５０の吐出側および駆動機部を省略している。

垂直方向に配置され、図示しない駆動機にカップリング等を介してシャフト４が接続されている。シャフト４の先端部には、羽根車１が取り付けられており、羽根車１はシャフト４ともに回転する。羽根車１よりも下方には、この立軸ポンプ５０に流れを導く吸い込み流路８を形成する吸込みケーシングが配置されている。吸込み流路は、図１（ａ）で右半部が半リング状であり、左半部は直管状を呈する下部と、この下部に接続する立軸の円筒状の上部とから形成されている。

吸込み流路８の上方に、羽根車１の外周部を覆うように、立軸の円柱状に形成された羽根車ケーシングが配置されている。羽根車ケーシングの上端は、吐出エルボの下端部に接続されている。吐出エルボは、吐出流路９を形成している。羽根車１の上方であって羽根車ケーシング内に、案内羽根２が配置されている。案内羽根２のさらに上方であって羽根車ケーシングの中心部には、上方に行くにしたがいその半径方向長さが短くなっている吐出コーン５が配置されている。

本実施例では、羽根車１は軸流羽根車であり、周方向にほぼ等間隔に複数枚（案内羽根２の羽根数とは異なる枚数）が配置されている。案内羽根２は、周方向にほぼ等間隔に配置された複数枚の羽根２ｃと、この羽根２ｃの内径端を取り付ける円筒状のボス３とから構成されている。案内羽根の後縁２ｂ、すなわち案内羽根２の上端部において、外径端Ｐ_１の周方向位置が、内径端Ｐ_２の周方向位置よりも、羽根車回転方向に後退している。そして案内羽根２は、従来の同容量の立軸ポンプに用いる案内羽根よりも、軸方向長さが短縮されている。

このように構成した本実施例の立軸ポンプ５０の動作を、以下に説明する。立軸ポンプ５０における羽根車１の出口の流れを、図２により説明する。半径方向をｒ方向、軸方向をｚ方向、回転方向をθ方向とする。図２（ａ）は、図１に示した実施例に用いる案内羽根２における流れの（ｒ−ｚ）面速度成分ｖ_ｒｚを示す部分縦断面図（下の図）および流れの（ｒ−θ）面速度成分ｖ_ｒθを示す横断面図（上の図）である。また同図（ｂ）に、比較のため、従来方式で軸方向長さだけを短くした案内羽根内の流れを、同様の図で示す。

羽根車１を出た流れは、羽根車１の回転により羽根車１の回転方向に旋回した流れとなる。従来の立軸ポンプの案内羽根２では、半径方向に放射状に羽根２ｄが形成されているので、羽根車１を出た流れを、案内羽根２の羽根２ｄが整流する。すなわち、羽根２ｄ、２ｄ間に形成される流路における流れの（ｒ−ｚ）面成分は、どの半径位置（ｒ）でもほぼ軸に平行な方向となる。そして、その方向を保ったまま、案内羽根２の羽根２ｄにより、周方向流れが軸方向に転向する。

図２（ｂ）で示した従来方式で軸方向長さを短くした案内羽根２では、軸方向長さを短くした分だけ、案内羽根２の羽根２ｄによる流れの拘束距離が短くなる。したがって、流れの転向作用が小さくなり、案内羽根２の出口（後縁２ｂ）であって流路の外周側及び内周側に、旋回流れが残留する。この残留した旋回流れは、案内羽根２の下流での吐出流路９で壁面摩擦による損失をもたらす。

この図２（ｂ）の場合をさらに検討する。羽根車１の出口の流れの旋回成分ｖｕが、内周から外周にかけて一定に設計されているので、前述のように案内羽根２によって得られる転向作用は、流路の外周から内周まで略一定となる。案内羽根２の下流でも、内周から外周まで旋回成分が残留し、旋回量が一定の流れとして流下する。後述する図２（ａ）の本発明によるポンプの流れに比べて、角速度の半径方向積分値が大きく、残留旋回の多い流れとなる。その結果、案内羽根下流での損失が増大する。

これに対して本発明に係るポンプでは、図２（ａ）に示すように、案内羽根２の後縁２ｂは、外径側位置Ｐ１が内径側位置Ｐ２よりも羽根車回転方向に後退している。したがって、羽根車１を出た旋回流れが案内羽根２に流入すると、この羽根２ｃの整流作用により、羽根２ｃに沿った流れに近づく。

具体的には、外周側から案内羽根２に流入した流れは、案内羽根２の羽根２ｃが回転方向に後退しているので、周方向の流れが内周側に導かれ、内周側に向かう斜めの流れとなる。つまり、案内羽根２内で、流れが斜めに流れるので、前述した従来方式の場合に比べて、羽根２の形状に応じてより長い距離流れる。その結果、旋回速度成分が低減して、旋回速度の転向角度が従来の案内羽根よりも向上する。これは、案内羽根２の羽根２ｃにより、流れが拘束される距離が長くなるからである。

また、案内羽根２内を流れが通過する過程で、残留する流れの旋回成分は案内羽根２の内周側に集まり、案内羽根２の全体の軸方向長さを短縮したにもかかわらず、外周側では旋回流れがより小さくなる傾向を示す。したがって、案内羽根２の出口（後縁２ｂ）における流れの旋回成分は、外周側で小さく、内周側でも、羽根２ｃ、２ｃ間を通過する過程で比較的良く転向された流れが流出するので小さくなる。その結果、従来の案内羽根よりも角速度の半径方向積分値が小さくなる。本実施例によれば、残留旋回の少ない流れが案内羽根２から流出し、吐出流路９における流れの損失が低減する。

図３に本発明に係る立軸ポンプ５０の他の実施例を、縦断面図で示す。本実施例が上記実施例と異なるのは、案内羽根２の下流側、すなわち案内羽根２の上方に、整流羽根１０を配置したことにある。整流羽根１０は、案内羽根２の羽根２ｃよりも半径方向長さが短く、周方向にほぼ等間隔に配置された複数枚の羽根１０ａを有している。複数枚の羽根１０ａは、内周端がコーン形状５に固定されており、固定部から外周側に放射状に延びている。

上記実施例で示した案内羽根２を用いても、案内羽根２の下流で旋回流れが所望量以上残留する場合に、用いるのに好適である。上述したように、旋回流れは外周側よりも内周側の方が大きい。外周側に残留する旋回流れは、壁面摩擦により軸方向に容易に転向する。一方、内周側の残留旋回は、内周壁面の面積が狭いから、比較的転向しにくい。そこで、案内羽根２の下流に、内周側の流れを転向させる小型の整流羽根１０を設ける。しかも、この整流羽根１０は残存する旋回流れのうちで内周側のみを整流すればよく、小型で十分にその機能を果たしうる。また、整流羽根１０であるから、流体に与えるロスも最小限であり、案内羽根２から吐出流路９に吐出する流れの旋回成分による損失を低減することができる。

図３に示した実施例の変形例を、図４を用いて説明する。図４は、図３のＢ−Ｂ矢視横断面図である。図３の実施例では、小径の整流羽根１０の羽根１０ａは放射状羽根であったが、この図４の変形例では、小径の整流羽根１１の羽根１１ｂを案内羽根２の羽根２ｃと同様に、周方向に傾けた羽根としている。その他は、図３実施例に示したものと同様である。

整流羽根１１では、羽根１１ｂの後縁の周方向位置を、外径側で内径側よりも羽根車１の回転方向に後退させている。さらに、案内羽根２の羽根２ｃを基準として、角度θだけ半回転方向側に、整流羽根１１の羽根１１ｂの周方向位置を定めている。この角度θはごく小さな値である。

案内羽根２の流れを詳しく検討すると、羽根２ｃが羽根車回転方向と向き合う面ｓａ側で、反対側の面ｓｂ側でよりも多くの流れが流れる。すなわち、面ｓａ側の速度の方が、面ｓｂ側の速度よりも大きくなる傾向にある。これは、羽根車１の出口の流れが案内羽根２により転向される際に、回転方向と向き合う面ｓａでは流れが強く拘束されるが、反対側の面ｓｂでは、流れが羽根２ｃに沿って流れにくいためである。このことは、案内羽根２の出口において、周方向にも流速の強弱の分布が存在することを示している。

したがって、本変形例によれば、小径の羽根１１ｂを案内羽根２の下流であって、しか案内羽根２の羽根２ｃとは周方向にわずかに反回転方向側に配置したので、案内羽根２の出口における強い流れの部分を整流するので、より効果的に旋回流れを抑制することが可能となる。さらに、旋回流れが抑制されたので、案内羽根２から流出する流れの損失を、低減することができる。

本発明に係る立軸ポンプ５０のさらに他の実施例を、図５、図６に縦断面図で示す。これらの実施例が、図１の実施例と異なるのは、案内羽根２の下流側、案内羽根２の上方に位置するコーン形状５の表面にフィン１２を設けるか（図５の例）に、表面に溝１３（図６の例）を設けるかしたことにある。その他は、図１の実施例と同様である。

図５に示した実施例の場合、コーン形状５の表面に、流れ方向にほぼ平行なフィン１２を多数設けている。フィン１２はその高さ（半径方向長さ）が低く、周方向には狭い間隔で配置する。案内羽根２の下流では、案内羽根２の軸方向長さを短くするにつれ、内周側であるボス３側に、旋回速度成分が若干残留する場合がある。この旋回成分を含む流れは、流体の粘性により壁面に沿って流れがちであるから、コーン形状５に沿って徐々に軸方向に流れの向きを変えて流れる。

そこで、コーン形状５の表面に、旋回流れを抑制するフィン１２を設ける。本実施例によれば、旋回流れが最も早くなるコーン形状５の壁面付近で旋回流れを抑制し、案内羽根２から流出する流れから、効果的に旋回成分を取り除くことができる。しかも、壁面付近の旋回流れを整流するためにフィン１２を取り付けるので、フィン１２の高さは非常に低くても十分な効果を発揮する。したがって、他の領域の流れを乱すことがなく、また余計な流れの損失も増加させない。本実施例によれば、さらに案内羽根２から流出する流れの損失を低減することもできる。

同様の考えで、コーン形状５の表面に、流れ方向にほぼ平行な多数の溝１３を形成しても良い。多数の溝１３により、コーン形状５の表面近傍の強い旋回流れは乱されて減速し、旋回流れが抑制される。吐出流路９は、コーン形状５の下流側端部（上端）位置ｚｂで、上流側端部位置ｚａよりも断面積が大きいので、下流側端部位置ｚｂでは流れの流速が小さくなる。ベルヌーイの法則により、流体の圧力は上流側端部よりも大きくなる。コーン形状５の表面に形成した溝１３の下流側端部では、上流側端部の圧力よりも高い圧力を周囲から受ける。

溝１３の内部には、立軸ポンプ５０の流れ方向（下から上への流れ）とは逆の下流から上流に向かう流れ（上から下への流れ）が生じる。この流れは、溝１３の上流側端部で案内羽根２のボス３付近の強い旋回流れと混合する。溝１３内を通った流れは、旋回成分を有していないので、ボス３付近の旋回流れは溝１３を流通した流れと混合して、旋回成分が弱められる。しかも、溝１３はポンプ５０の流路に突出していないので、ポンプ５０の流れを乱して損失を与えることはない。本実施例によっても、効果的に旋回流れを抑制することが可能となる。さらに、案内羽根から流出する流れの損失も低減することができる。

本発明に係る立軸ポンプの一実施例の縦断面図および横断面図である。 立軸ポンプの羽根車部における流れを説明する図である。 本発明に係る立軸ポンプの他の実施例の縦断面図である。 図３に示した立軸ポンプの変形例の横断面図である。 本発明に係る立軸ポンプのさらに他の実施例の縦断面図である。 本発明に係る立軸ポンプのさらに他の実施例の縦断面図である。

符号の説明

１…羽根車、２…案内羽根、３…ボス、４…シャフト、５…コーン形状、８…吸込流路、９…吐出流路、１０…整流羽根、１１…整流羽根、１２…フィン、１３…溝、５０…立軸ポンプ、Ｐ_１…案内羽根後縁の外径端位置、Ｐ_２…案内羽根後縁の内径端位置。

Claims (5)

1. 垂直方向に配置されたシャフトと、このシャフトに取付けた羽根車と、この羽根車の上方に配置した案内羽根とを備え下方から上方に揚水する立軸ポンプにおいて、
   前記案内羽根は周方向に間隔を置いて配置された複数の羽根を有し、前記案内羽根の各羽根は下端部に半径方向に延びる前縁を上端部に半径方向に延びる後縁を有し、上端である後縁の位置が外径側で内径側よりも前記羽根車の回転方向に後退していることを特徴とする立軸ポンプ。
2. 前記案内羽根の上方に、上側に行くにつれ次第に半径方向長さを減少させるコーン形状を配置し、このコーン形状の外周側に、前記案内羽根よりも半径方向長さの短い複数の整流羽根を、周方向に間隔を置いて配置したことを特徴とする請求項１に記載の立軸ポンプ。
3. 前記複数の整流羽根の各々は、上端である後縁の位置が外径側で内径側よりも羽根車回転方向に後退しており、さらに前記案内羽根が備える羽根に対してわずかに周方向位置を変えていることを特徴とする請求項２に記載の立軸ポンプ。
4. 前記案内羽根の上方に、上側に行くにつれ次第に半径方向長さを減少させるコーン形状を配置し、このコーン形状の外周側に、下側から上側に延びる多数のフィンを設けたことを特徴とする請求項１に記載の立軸ポンプ。
5. 前記案内羽根の上方に、上側に行くにつれ次第に半径方向長さを減少させるコーン形状を配置し、このコーン形状の外周側に、下側から上側に延びる多数の溝を形成したことを特徴とする請求項１に記載の立軸ポンプ。

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