JP5207928B2

JP5207928B2 - 渦巻ポンプ

Info

Publication number: JP5207928B2
Application number: JP2008296189A
Authority: JP
Inventors: 弘樹細見; 靖志橋本; 圭介永岡; 浩貴柳田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: JP2010121541A

Description

本発明は渦巻ポンプに関し、特にケーシング構造に係るものである。

従来、渦巻ポンプの一種である両吸込渦巻ポンプは、図９に示すように、ケーシング１と、主軸２に設けた羽根車３を備えている。ケーシング１は吸込流路１１と羽根車３の回転軸心廻りに形成する吐出流路１２を有し、吸込流路１１が流体を吸込むポンプ吸込口１１ａとポンプ吸込口１１ａに続くノズル部１１ｂとノズル部１１ｂに続くボリュート形（渦巻形）流路部１１ｃからなり、ボリュート形（渦巻形）流路部１１ｃが羽根車３の回転軸心方向で羽根車３の側方に位置している。

羽根車３は内部に羽根車内流路１３を有しており、羽根車内流路１３は回転軸心方向に向けて開口する吸込口部１４でケーシング１の吸込流路１１に連通し、かつ回転軸心と直交する径方向に向けて開口する吐出口部１５でケーシング１の吐出流路１２に連通している。

図８に示すように、吸込流路１１を形成するケーシング１の内面は、吸込口部１４の周りで旋回し、旋回終端において舌部１６を形成する。舌部１６は吸込流路１１をケーシング１の内面に沿って旋回する旋回水流を吸込口部１４へ導く曲面をなし、羽根車３の回転軸心に向けて突出する形状をなす。

吸込流路１１は、羽根車３の回転軸心と直交するケーシング１の断面において羽根車３の回転軸心廻りに旋回する外廻り旋回面部１ａと内廻り旋回面部１ｂの間に形成し、外廻り旋回面部１ａが旋回終端において舌部１６を境として内廻り旋回面部１ｂに連続する。

舌部１６は外廻り旋回面部１ａの内壁面と内廻り旋回面部１ｂの内壁面との間に形成する舌部開き角度が鋭角をなすとともに、羽根車３の回転軸心廻りにおいて羽根車３の回転軸心を含む面であってポンプ吸込口１１ａにおける主流の流れ方向と平行な平面よりもポンプ吸込口１１ａの側、すなわち図８においては羽根車３の回転軸心を含む水平面よりも下方に位置する。

また、羽根車３の回転軸心から舌部１６の頂部先端までの最短距離は、吸込口部１４の最小半径よりも小さく、吸込流路１１のボリュート形流路部１１ｃは適度な予旋回を与えるように旋回流れ方向に向かって下流側であるほどに流路断面積が漸次に減少している。

羽根車３が主軸２の駆動により回転軸心廻りに回転する状態で、ケーシング１の吸込流路１１に流入する水は吸込流路１１のボリュート形に沿って旋回しながら羽根車３の吸込口部１４を通して羽根車内流路１３へ流入し、ケーシング１の内面に沿う旋回流れを舌部１６が吸込口部１４へ導く。羽根車内流路１３へ流入した水は羽根車３の回転による遠心力を受けて吐出口部１５からケーシング１の吐出流路１２に噴出する。先行技術文献としては特許文献１がある。
特開平３−２９００９７号公報

上記した構成において、吸込流路１１のボリュート形流路部１１ｃで旋回する水流は吸込流路１１の舌部１６の終端部へ導かれながら羽根車３の吸込口部１４の全周方向から吸込口部１４へ流入する。

また、ケーシング１の内廻り旋回面部１ｂに沿って流れる主流の水流は、吸込流路１１のポンプ吸込口１１ａからノズル部１１ｂを経て羽根車３の吸込口部１４へ最短距離を通って流れ込む。この主流に対して、舌部１６は羽根車３の吸込口部１４の前方に位置し、その先端が鋭角をなして吸込口部１４の径内に位置する。また、ポンプ吸込口１１ａからノズル部１１ｂを経て直接羽根車の吸込口部１４に至る吸込流路１１はその流路断面積をそれほど拡大することができない。このため、特にポンプを大水量域で運転する際に吸込性能が抑制され易い傾向にある。

本願発明は上記した課題を解決するものであり、ポンプ吸込性能の阻害要因となるケーシング形状の改善を図った渦巻ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の渦巻ポンプは、ケーシングと回転軸心廻りに回転する羽根車を備え、ケーシングは、流体を吸込むポンプ吸込口と前記ポンプ吸込口に連通して羽根車の回転軸心方向で羽根車の側方に位置する渦巻形流路部を備えた吸込流路と、羽根車の回転軸心廻りに形成する吐出流路を有し、羽根車は羽根車内流路が羽根車の回転軸心方向に向けて開口する吸込口部でケーシングの吸込流路に連通する渦巻ポンプであって、吸込流路は羽根車の回転軸心と直交するケーシングの断面において羽根車の回転軸心廻りに旋回する外廻り旋回面部と内廻り旋回面部の間に形成し、外廻り旋回面部が旋回終端において舌部を形成するとともに、舌部を境として内廻り旋回面部に連続し、舌部は羽根車の回転軸心を含む面であって前記ポンプ吸込口における主流の流れ方向と平行な平面を隔てたポンプ吸込口と反対側で、かつ羽根車の吸込口部の内周面より半径方向外側に位置し、羽根車の回転軸心から舌部の頂部先端までの最短距離ｒと羽根車の回転軸心から羽根車の吸込口部の内周面までの最小半径ｒ_０との比ｒ／ｒ_０が１．１３乃至１．２２の範囲内であることを特徴とする。

また、前記舌部は外廻り旋回面部の内壁面と内廻り旋回面部の内壁面との間に形成する舌部開き角度αが１２０乃至１５５度の範囲内であることを特徴とする。
また、前記舌部開き角度αが１３５乃至１５０度の範囲内であることを特徴とする。

また、前記ケーシングに前記吸込流路を羽根車の回転軸心方向の両側に有してなる両吸込渦巻ポンプであることを特徴とする。

以上のように本発明によれば、ケーシングの吸込流路の渦巻形流路部で旋回する水流は吸込流路の終端部へ導かれて羽根車の吸込口部の全周方向から吸込口部へ流入するとともに、ケーシングの内廻り旋回面部に沿う水流は、直接吸込流路の入口から羽根車の吸込口部に至る主流として流れ込む。

このとき、舌部は羽根車の回転軸心を含む面であって前記ポンプ吸込口における主流の流れ方向と平行な平面を隔てたポンプ吸込口と反対側に位置し、羽根車の回転軸心から舌部の頂部先端までの最短距離ｒと羽根車の回転軸心から羽根車の吸込口部の内周面までの最小半径ｒ_０との比ｒ／ｒ_０が１．１３乃至１．２２の範囲内であるので、従来よりもポンプ吸込口１１ａからノズル部１１ｂを経て直接羽根車の吸込口部に至る主流に対する吸込流路の流路断面積が拡大し、主流の流速を低減することができ、特にポンプを大水量域で運転する際に吸込性能が抑制される要因がなくなり、大水量域での吸込性能が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１から図２において、両吸込渦巻ポンプは、ケーシング５１の内部に主軸５２によって駆動する羽根車５３を備えている。ケーシング５１は吸込流路５４と羽根車５３の回転軸心廻りに形成する吐出流路５５を有しており、吸込流路５４は流体を吸込むポンプ吸込口１１ａとポンプ吸込口１１ａに続くノズル部５４ｂとノズル部５４ｂに続く渦巻形流路部５４ｃからなり、渦巻形流路部５４ｃが羽根車５３の回転軸心方向で羽根車５３の側方に位置している。

羽根車５３はハブ５６とシュラウド５７の間に羽根車内流路５８を有し、羽根車内流路５８の所定位置に複数の羽根５９を形成している。羽根車内流路５８は羽根車５３の回転軸心方向に向けて開口する吸込口部６０でケーシング５１の吸込流路５４に連通し、かつ羽根車５３の回転軸心と直交する径方向に向けて開口する吐出口部６１でケーシング５１の吐出流路５５に連通している。羽根５９はハブ５６とシュラウド５７とに接合し、吸込口部６０における始端位置から吐出口部６１における終端位置まで延在している。

ケーシング５１は吸込流路５４の内壁面において羽根車内流路５８の吸込口部６０の開口縁周囲に連なる部位に羽根車５３の回転軸心方向に隆起する凸状部６２を有している。この凸状部６２は、図１中で吸込口部６０の周囲に示す矢印のように、羽根車５３の吸込口部６０へ急転向する流れをスムーズに案内する役目を果たし、特に小流量域での吸込性能を向上させる。

図１に示すように、吸込流路５４は、羽根車５３の回転軸心と直交するケーシング５１の断面形状において、羽根車５３の回転軸心廻りに旋回する外廻り旋回面部５１ａと内廻り旋回面部５１ｂの間に形成し、外廻り旋回面部５１ａが旋回終端において舌部６３を形成するとともに、舌部６３を境として内廻り旋回面部５１ｂに連続している。

図３（ａ）に示すように、舌部６３は外廻り旋回面部５１ａの内壁面と内廻り旋回面部５１ｂの内壁面との間に形成する舌部開き角度αが１２０乃至１５５度の範囲内であり、望ましくは舌部開き角度αが１３５乃至１５０度の範囲内である。また、舌部６３は羽根車５２の回転軸心を含む面であってポンプ吸込口１１ａにおける主流の流れ方向と平行な平面を隔てたポンプ吸込口と反対側、すなわち図１中で羽根車５２の回転軸心を含む水平面よりも上方に後退している。

吸込流路５４の渦巻形流路部５４ｃは、その流路断面積が羽根車５３の吸込口部６０に至る旋回流れ方向の下流側であるほどに全体として減少している。そして、図８に示す従来の構成との比較においては、舌部６３の舌部開き角度αが１２０乃至１５５度の範囲内であり、望ましくは舌部開き角度αが１３５乃至１５０度の範囲内であって、舌部６３が羽根車５２の吸込口部６０の径方向外側へ後退し、かつ羽根車５２の回転軸心を含む面であってポンプ吸込口１１ａにおける主流の流れ方向と平行な平面を隔てたポンプ吸込口と反対側、すなわち図１中で羽根車５２の回転軸心を含む水平面よりも上方に後退しつつ、吸込流路５４の渦巻形流路部５４ｃにおける所定の流路断面積縮小率を維持している。

また、吸込流路５４のノズル部５４ｂの下流端に近いほどに外廻り旋回面部５１ａと内廻り旋回面部５１ｂとが離間して両者間の距離が増加し、羽根車５２の回転軸心に向けて突出する舌部６３の頂部先端と羽根車５２の回転軸心との最短距離ｒと羽根車５２の回転軸心から羽根車５２の吸込口部６０の内周面までの最小半径ｒ_０との比ｒ／ｒ_０が１．１３乃至１．２２の範囲内である。

以下、上記した構成における作用を説明する。羽根車５３が主軸５２の駆動により回転軸心廻りに回転する状態で、ケーシング５１の吸込流路５４に流入する水は渦巻形流路部５４ｃの渦巻形に沿って旋回しながら吸込流路５４の終端部へ導かれながら羽根車５３の吸込口部６０の全周方向から吸込口部６０を通して羽根車内流路５８へ流入する。羽根車内流路５８へ流入した水は羽根車５３の回転による遠心力を受けて吐出口部６１からケーシング５１の吐出流路５５に噴出する。

ケーシング５１の内廻り旋回面部５１ｂに沿って流れる水流は、吸込流路５４のポンプ吸込口５４ａからノズル部５４ｂを経て羽根車５３の吸込口部６０に直接的に流れ込む主流である。

本実施の形態では、図１に示すように、舌部６３が羽根車５３の回転軸心を含む平面よりも上方に位置することで、吸込流路５４の渦巻形流路部５４ｃはその流路断面積が羽根車５３の吸込口部６０に至る旋回流れ方向の下流側であるほどに全体として減少し、かつ羽根車５２の回転軸心に向けて突出する舌部６３の頂部先端と羽根車５２の回転軸心との最短距離ｒと羽根車５２の回転軸心から羽根車５２の吸込口部６０の内周面までの最小半径ｒ_０との比ｒ／ｒ_０が１．１３乃至１．２２の範囲内となり、吸込流路５４のノズル部５４ｂは渦巻形流路部５４ｃに近い下流端側ほど外廻り旋回面部５１ａと内廻り旋回面部５１ｂとが離間して両者の距離が増加する形状となる。

このため、従来よりも羽根車５３の吸込口部６０に直接的に流れ込む主流に対して内廻り旋回面部５１ｂに沿った吸込流路５４のノズル部５４ｂの流路断面積が羽根車５２の吸込口部６０に近づく下流側ほど増加することで主流の流速を低減することができ、ポンプを大水量域で運転する際に吸込性能が抑制される要因がなくなり、大水量域での吸込性能が向上する。

また、吸込流路５４において舌部６３が吸込口部６０の径方向外側へ後退し、つまり舌部６３が吸込口部６０の径方向内側へ張り出す距離を軽減し、シンプルな形状をなすことで、ケーシング５１の製作容易性が向上する。
実施例１
図４は、比速度Ｎｓ２８０となるケーシングと羽根車を備えたポンプにおける舌部位置角度と吸込性能Ｓ値の相関を示すグラフ図であり、最高効率における流量を１００％Ｑで示し、最高効率における流量の１２５％の流量を１２５％Ｑで示しており、それぞれの実験値と解析値における舌部位置と吸込性能Ｓ値の相関を示している。ここで舌部位置は、回転軸心廻りの角度位置で示しており、羽根車５３の回転軸心を含む面であってポンプ吸込口１１ａにおける主流の流れ方向と平行な平面より上方側を正とし、下方を負として示している。

何れの流量においても、舌部６３が羽根車５３の回転軸心を含む平面より上方に位置することで、吸込性能Ｓ値が向上している。
図５は比速度Ｎｓ２８０となるケーシング羽根車を備えたポンプにおけるｒ／ｒ_０の値と吸込性能Ｓ値の相関を示すグラフ図であり、ここでｒ_０は、羽根車５３の回転軸心から羽根車５３の吸込口部６０の内周面までの最小半径であり、ｒは羽根車５３の回転軸心から舌部６３の頂部先端までの最短距離である。そして、最高効率における流量を１００％Ｑで示し、最高効率における１２５の流量を１２５％Ｑで示している。

ｒ／ｒ_０の値が１．１３乃至１．２２の範囲内で吸込性能Ｓ値が向上している。特に１．１７乃至１．２１の範囲で吸込性能Ｓが良い値となっている。ｒ／ｒ_０の値が大きくなる、すなわち舌部６３の先端位置が回転軸心よりも吸込口部６０の径方向外側へ後退すると、従来よりも羽根車５３の吸込口部６０に直接的に流れ込む主流に対して、内廻り旋回面部５１ｂに沿った吸込流路５４のノズル部５４ｂの流路断面積が羽根車５２の吸込口部６０に近づく下流側ほど増加することで主流の流速を低減することができ、ポンプを大水量域で運転する際に吸込性能が抑制される要因がなくなり、大水量域での吸込性能が向上する。ただし、ｒ／ｒ_０の値が１．２２を超えて舌部位置が後退しすぎると、渦巻形流路部５４ｃの終端部において羽根車５３へ流れ込ませる効果が弱まり、吸込性能が悪化する。

一方、舌部６３の舌部開き角度αは、図３（ａ）に示すように、外廻り旋回面部５１ａの内壁面と内廻り旋回面部５１ｂの内壁面との間に形成する角度である。外廻り旋回面部５１ａは旋回終端において舌部６３を形成するとともに、舌部６３を境として内廻り旋回面部５１ｂに連続している。

図３（ａ）、（ｂ）に示す断面において舌部６３はその先端の近傍周辺の部分を除いて外廻り旋回面部５１ａの旋回終端と内廻り旋回面部５１ｂの側は変曲点を持たない凸状または凹状流路を形成し、その接続点において５１ａと５１ｂの接線がなす角を舌部開き角度としている。

図６は、舌部開き角度と吸込性能Ｓ値の相関を示すグラフ図であり、最高効率における流量を１００％Ｑで示し、最高効率における流量の１２５％の流量を１２５％Ｑで示しており、それぞれの実験値と解析値における舌部開き角度と吸込性能Ｓ値の相関を示している。

何れの流量においても、舌部６３の先端開き角度が１２５乃至１５５度、望ましくは１３５乃至１５０度の範囲において吸込性能Ｓ値が向上している。特に舌部開き角度が１４０°付近において吸込性能Ｓ値が最も良い値となる。

舌部６３の舌部開き角度αは大きいほど羽根車５３の吸込口部６０へ直接的に流れ込む主流の流速が低下するが、１５５度を超えると旋回流れの影響が強くなり、主流との衝突による乱れが助長されて吸込性能が悪くなる。

実施例２
図７はＮｓ１４０となるケーシングと羽根車を備えたポンプにおいて、舌部６３の舌部開き角度α＝１４８度で、θ＝１０度、ｒ／ｒ_０＝１．２０のポンプと、α＝６０度、θ＝−３０度、ｒ／ｒ_０＝１．００のポンプの吸込性能Ｓ値の実測値を示すグラフ図である。Ｎｓ１４０のポンプでも、実施例１と同様の効果があり、特にＱ／１００％Ｑが１．０以上の大流量域で吸込性能Ｓが優れていることがわかる。

尚、吸込性能Ｓ値は、３％揚程低下における吸込比速度である。また、上記実施例では両吸込渦巻ポンプを例に説明したが、吸込口が主軸と直角あるいは角度を持って配置されて羽根車の流入が急転向される形式のポンプ、例えば多段の片吸込渦巻ポンプに適用することも可能である。

本発明の実施の形態における渦巻ポンプを示し、羽根車の回転軸心と直交する断面図同実施の形態における渦巻ポンプを示し、回転軸心を含む断面図同実施の形態における渦巻ポンプを示し、羽根車の回転軸心と直交する断面図同実施の形態における渦巻ポンプの舌部位置角度と吸込性能Ｓ値の相関を示すグラフ図同実施の形態における渦巻ポンプのｒ／ｒ_０と吸込性能Ｓ値の相関を示すグラフ図同実施の形態における渦巻ポンプの舌部開き角度と吸込性能Ｓ値の相関を示グラフ図Ｎｓ１４０となるケーシングと羽根車を備えたポンプにおけるポンプの吸込性能Ｓ値の実測値を示すグラフ図従来の渦巻ポンプを示し、羽根車の回転軸心と直交する断面図従来の渦巻ポンプを示し、回転軸心を含む断面図

符号の説明

５１ケーシング
５１ａ外廻り旋回面部
５１ｂ内廻り旋回面部
５２主軸
５３羽根車
５４吸込流路
５５吐出流路
５６ハブ
５７シュラウド
５８羽根車内流路
５９羽根
６０吸込口部
６１吐出口部
６２凸状部
６３舌部
５１０吸込流路部

Claims

ケーシングと回転軸心廻りに回転する羽根車を備え、ケーシングは、流体を吸込むポンプ吸込口と前記ポンプ吸込口に連通して羽根車の回転軸心方向で羽根車の側方に位置する渦巻形流路部を備えた吸込流路と、羽根車の回転軸心廻りに形成する吐出流路を有し、羽根車は羽根車内流路が羽根車の回転軸心方向に向けて開口する吸込口部でケーシングの吸込流路に連通する渦巻ポンプであって、
吸込流路は羽根車の回転軸心と直交するケーシングの断面において羽根車の回転軸心廻りに旋回する外廻り旋回面部と内廻り旋回面部の間に形成し、外廻り旋回面部が旋回終端において舌部を形成するとともに、舌部を境として内廻り旋回面部に連続し、
舌部は羽根車の回転軸心を含む面であって前記ポンプ吸込口における主流の流れ方向と平行な平面を隔てたポンプ吸込口と反対側で、かつ羽根車の吸込口部の内周面より半径方向外側に位置し、
羽根車の回転軸心から舌部の頂部先端までの最短距離ｒと羽根車の回転軸心から羽根車の吸込口部の内周面までの最小半径ｒ_０との比ｒ／ｒ_０が１．１３乃至１．２２の範囲内であることを特徴とする渦巻ポンプ。
前記舌部は外廻り旋回面部の内壁面と内廻り旋回面部の内壁面との間に形成する舌部開き角度αが１２０乃至１５５度の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載の渦巻ポンプ。
前記舌部開き角度αが１３５乃至１５０度の範囲内であることを特徴とする請求項２に記載の渦巻ポンプ。
前記ケーシングに前記吸込流路を羽根車の回転軸心方向の両側に有してなる両吸込渦巻ポンプであることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の渦巻ポンプ。