JP5297047B2 - ポンプの性能特性設定方法およびディフューザベーンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ディフューザを備えたポンプの性能特性を設定するポンプの性能特性設定方法およびディフューザベーンの製造方法に関するものである。

従来のポンプとして、斜流ポンプおよび軸流ポンプが知られており、斜流ポンプおよび軸流ポンプは、回転軸方向に流体を送り出す羽根車と、羽根車の下流側に設けられたディフューザと、を備えている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、斜流ポンプは、設置する場所やその用途に応じて、効率良く運転を行うことが可能なように、設置環境に応じた適切な性能特性のものが用いられる。この場合、ディフューザに設けられた各ディフューザベーンの入口角度を、所望の入口角度に設定することにより、斜流ポンプの性能特性を所望の性能特性に設定することができる。このとき、各ディフューザベーンの曲げ曲率を変えて、各ディフューザベーンの入口角度を設定することにより、斜流ポンプの性能特性を設定することができる。しかしながら、各ディフューザベーンの曲げ曲率を大きく変化させてしまうため、最適なディフューザベーンの形状が変化してしまい、斜流ポンプの性能が低下する虞がある。このため、斜流ポンプの性能低下を抑制するには、設定された各ディフューザベーンの入口角度に合わせて、各ディフューザベーンの形状を新たに設計しなおさなければならない。つまり、斜流ポンプの所望の性能特性の設定する場合、各ディフューザベーンを新設計とする必要がある。

特開２００１−３５５５９２号公報

しかしながら、斜流ポンプの所望の性能特性に合わせて、ディフューザベーンを新設計としてしまうと、ディフューザベーンの設計を一から行わなければならず、多大な負担を要してしまう。これにより、例えば、斜流ポンプの製造期間の短縮を図ることが困難となってしまう虞がある。

そこで、本発明は、ポンプの性能低下を抑制しつつ、簡易な方法でポンプの性能特性を設定することができるポンプの性能特性設定方法およびディフューザベーンの製造方法を提供することを課題とする。

本発明のポンプの性能特性設定方法は、吸込口から流体を取り込むと共に吐出口へ向けて流体を送り出す羽根車と、羽根車と吐出口との間の流路に介設されたディフューザとを備えたポンプの性能特性を設定するポンプの性能特性設定方法において、ディフューザは、流路の中央に配設されたハブと、ハブの周囲に配設されたシュラウドと、ハブの外周面からシュラウドの内周面へ向けて放射状に配設された複数のディフューザベーンと、を有しており、ハブからシュラウドへ向かう径方向に直交する直交方向において、ハブに取り付けられる各ディフューザベーンの取付位置を、ポンプの性能特性に応じて設定する取付位置設定工程を備えたことを特徴とする。

この場合、ポンプの基本設計において、各ディフューザベーンは、基準となる基本取付位置においてハブに取り付けられており、取付位置設定工程では、基本取付位置から、ポンプの性能特性に応じて設定されたオフセット量の分、ディフューザベーンの位置を変更することにより、取付位置が設定されることが、好ましい。

本発明のディフューザベーンの製造方法は、上記のポンプの性能特性設定方法において設定された取付位置に基づいて、ディフューザベーンの材料となる板金部材を、金属板から型抜きする型抜き工程と、型抜きされた板金部材を折り曲げて、ディフューザベーンとする曲げ加工工程とを備えたことを特徴とする。

請求項１のポンプの性能特性設定方法によれば、上記の直交方向において、ディフューザベーンの取付位置を、ポンプの性能に応じて、任意の取付位置に設定することにより、簡単にポンプの性能特性を設定することができる。具体的には、上記の直交方向におけるディフューザベーンの取付位置を設定すると、この設定に応じて、ディフューザベーンの入口角度が設定される。ディフューザベーンの入口角度が設定されれば、ポンプの性能特性が設定される。このとき、ディフューザベーンは、その曲げ曲率を変えることがないため、ディフューザベーンの形状変化に伴うポンプ性能の低下を抑制することができる。これにより、ポンプの性能特性の設定に合わせて、ディフューザベーンを新設計とする必要が無いため、ディフューザベーンの取付位置を上記の直交方向において設定するという簡易な方法で、ポンプの性能特性を設定することができる。

請求項２のポンプの性能特性設定方法によれば、指標となる基本取付位置を基準とし、ポンプの性能特性に応じて設定されたオフセット量の分、ディフューザベーンの取付位置を変更すればよいため、取付位置の変更を容易に行うことが可能となる。

請求項３のディフューザベーンの製造方法によれば、設定された取付位置に取り付けられるディフューザベーンに合わせて、板金部材を型抜きすることができる。このため、型抜きした板金部材を曲げ加工することにより、取付位置に適したディフューザベーンを製造することができる。また、このディフューザベーンの製造方法によれば、ディフューザベーンの汎用化を図ることができるため、製造されるポンプの低コスト化を図ることができる。

以下、添付した図面を参照して、本発明にかかるポンプの性能特性設定方法を用いて製造されるポンプについて説明する。なお、以下の実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本実施例にかかるポンプは、いわゆる、立軸型のディフューザ斜流ポンプ（以下、斜流ポンプと言う）であり、この斜流ポンプは、羽根車を回転させることにより、吸込口から吸い込んだ流体（例えば、用水等）を、吐出口へ向けて送り出すものである。

ここで、図１は、本実施例にかかる斜流ポンプの断面構造図であり、図２は、斜流ポンプのＱ−Ｈ特性線図である。また、図３は、設定される平均入口角度に応じて変化するオフセット量の変化割合に関するグラフであり、図４は、ディフューザベーンの取付位置に関する説明図である。さらに、図５は、ディフューザベーンの板取り図であり、図６は、曲げ加工工程において曲げ加工される板金部材の説明図である。以下、図１を参照して、斜流ポンプの構成について説明する。

図１に示すように、斜流ポンプ１は、その外殻を構成する外筒ケーシング４と、外筒ケーシング４の中央内部に設けられた内筒ハブ５とを備えており、内筒ハブ５は、図示しないステイにより外筒ケーシング４に連結されて固定され、この外筒ケーシング４と内筒ハブ５との間に、流体が流れる流路８が形成されている。このとき、流体は、図示下方の最上流側から図示上方の最下流側へ向かって流れる。

外筒ケーシング４は、下端側から順に、吸込ベルマウス１０と、吸込ベルマウス１０の上方に連結された羽根車ケーシング１１と、羽根車ケーシング１１の上方に連結されたシュラウド１２と、シュラウド１２の上方に連結された揚水管１３と、揚水管１３の上方に連結された屈曲管１４とで構成されている。

吸込ベルマウス１０は、ベルマウス形状に構成されており、吸込ベルマウス１０の下端面には、吸込口１７が形成され、吸込ベルマウス１０の上端部には、羽根車ケーシング１１に連結するためのフランジが形成されている。

羽根車ケーシング１１は、逆円錐台形の筒状に構成されており、羽根車ケーシング１１の下端部には、吸込ベルマウス１０に連結するためのフランジが形成され、羽根車ケーシング１１の上端部には、シュラウド１２に連結するためのフランジが形成されている。

シュラウド１２は、略円筒形状に構成されており、シュラウド１２の下端部には、羽根車ケーシング１１に連結するためのフランジが形成され、シュラウド１２の上端部には、揚水管１３に連結するためのフランジが形成されている。なお、詳細は後述するが、シュラウド１２は、ディフューザ３０の一部を構成している。

揚水管１３は、略円筒形状に構成されており、揚水管１３の下端部には、シュラウド１２に連結するためのフランジが形成され、揚水管１３の上端部には、屈曲管１４に連結するためのフランジが形成されている。

屈曲管１４は、垂直方向に揚水された流体を水平方向に導くように円弧状に屈曲した円筒形状に構成されており、屈曲管１４の側端面には、吐出口１８が形成され、屈曲管１４の下端部には、揚水管１３に連結するためのフランジが形成されている。

そして、吸込ベルマウス１０、羽根車ケーシング１１、シュラウド１２、揚水管１３および屈曲管１４を、それぞれのフランジを介してボルト締めをすることにより、外筒ケーシング４が構成される。

内筒ハブ５は、下方側から順に、羽根車側ハブ２０と、羽根車側ハブ２０の上方に配設されたディフューザ側ハブ２１と、ディフューザ側ハブ２１の上方に配設された揚水管側ハブ２２とで構成されている。

羽根車側ハブ２０は、羽根車ケーシング１１の中央内部に配設されており、吸込ベルマウス１０側に向かって先細りとなるコーン形状に形成されている。ここで、羽根車側ハブ２０は、羽根車２５の一部を構成している。すなわち、羽根車２５は、上記の羽根車側ハブ２０と、羽根車側ハブ２０の外周に取り付けられた複数の羽根車ベーン２６と、を有しており、羽根車２５は、羽根車ケーシング１１に収容されている。複数の羽根車ベーン２６は、羽根車側ハブ２０に対し、周方向に等間隔に配設され、羽根車側ハブ２０は、後述する主軸３６の先端に固定されている。これにより、羽根車２５は、主軸３６の回転に伴って回転可能に構成されている。

ディフューザ側ハブ２１は、シュラウド１２の中央内部に配設されており、円筒状に形成されている。ここで、ディフューザ側ハブ２１は、ディフューザ３０の一部を構成している。すなわち、ディフューザ３０は、流路８の一部を構成する上記のシュラウド１２と、シュラウド１２の中央内部に配設された上記のディフューザ側ハブ２１と、ディフューザ側ハブ２１の外周面からシュラウド１２の内周面へ向けて放射状に配設された複数のディフューザベーン３１と、を有しており、羽根車２５から送り出される流体の動圧を静圧に変換している。複数のディフューザベーン３１は、その基端部がディフューザ側ハブ２１に取り付けられると共に、先端部がシュラウド１２に取り付けられており、周方向に等間隔に配設されている。これにより、ディフューザ側ハブ２１は、複数のディフューザベーン３１を介してシュラウド１２に固定されているため、ディフューザ側ハブ２１の下端部（羽根車側ハブ側）は、羽根車２５による回転を許容する構成となっている。なお、詳細は後述するが、ディフューザ側ハブ２１に取り付けられる各ディフューザベーン３１は、斜流ポンプ１の性能特性に応じて、その取付位置が適宜変更される。

揚水管側ハブ２２は、揚水管１３の下方側の中央内部に配設されており、屈曲管１４側へ向かって先細りとなるテーパー形状に形成されている。揚水管側ハブ２２の下端部は、ディフューザ側ハブ２１の上端部に連結して固定されている。

また、斜流ポンプ１は、屈曲管１４の上方に配設された駆動源３５と、駆動源３５と羽根車２５との間に配設された主軸３６とを備えている。駆動源３５は、例えば、モータ等が用いられており、主軸３６を介して羽根車２５を回転させている。主軸３６は、外筒ケーシング４の中央内部に配設されており、その基端部は屈曲管１４を貫通して駆動源３５に接続され、その先端部は揚水管側ハブ２２を貫通すると共にディフューザ側ハブ２１の内側を通過して羽根車側ハブ２０（羽根車２５）に接続されている。

ここで、斜流ポンプ１による一連のポンプ動作について説明する。斜流ポンプ１の吸込口１７および羽根車２５を水没させた状態において、駆動源３５を駆動させて羽根車２５を回転させると、回転した羽根車２５は、吸込口１７から流体を吸い込むと共に、吸い込んだ流体を吐出口１８へ向けて垂直方向に送り出す。羽根車２５から送り出された動圧の流体は、ディフューザ３０を通過することにより静圧となる。静圧となった流体は、揚水管１３および屈曲管１４を通過して、吐出口１８から水平方向に吐き出される。

ところで、上記の斜流ポンプ１では、設置する場所やその用途に応じて、効率良くポンプ動作を行うことが可能なように、斜流ポンプ１の性能特性を適宜設定する必要がある。つまり、斜流ポンプ１の性能特性を適切に設定することにより、設置する場所やその用途に合わせて、斜流ポンプ１によるポンプ動作を効率良く行うことができる。なお、斜流ポンプ１の性能特性とは、斜流ポンプ１の効率ηであり、この効率ηを設定することで、斜流ポンプ１の性能特性が設定される。

このとき、斜流ポンプ１の効率ηは、ディフューザ３０の各ディフューザベーン３１の入口角度に基づいて設定される。ここで、各ディフューザベーン３１の入口角度について説明する。各ディフューザベーンの入口角度は、ディフューザ３０の羽根車２５側（入口側）において、ディフューザ側ハブ２１の外周およびディフューザベーン３１の基端部が為すハブ側入口角度β１と、シュラウド１２の内周およびディフューザベーン３１の先端部が為すシュラウド側入口角度β２と、を平均した平均入口角度βである（図３参照）。そして、この平均入口角度βを設定することにより、斜流ポンプ１の性能特性を設定することが可能となる。

しかしながら、ディフューザベーン３１の平均入口角度βを設定すべく、ディフューザベーン３１の曲げ曲率を変化させてしまうと、斜流ポンプ１の性能特性を設定することはできるが、ディフューザベーン３１の曲げ曲率を大きく変化させてしまうため、斜流ポンプ１自体の性能が低下する虞がある。このため、本実施例では、ディフューザベーン３１の取付位置を所望の取付位置に設定することにより、ディフューザベーン３１の曲げ曲率を大きく変化させること無く、ディフューザベーン３１の平均入口角度βを設定し、これにより、斜流ポンプ１の所望の性能特性を設定している。以下、図２ないし図４を参照して、斜流ポンプ１の性能特性を変更する性能特性設定方法について具体的に説明する。

斜流ポンプ１の性能特性設定方法は、所望の斜流ポンプ１の効率ηを設定する効率設定工程と、設定した効率ηに対応するディフューザベーン３１の平均入口角度βを設定する入口角度設定工程と、設定した平均入口角度βに対応するディフューザベーン３１の取付位置を設定する取付位置設定工程とを備えている。

効率設定工程は、図２に示すＱ−Ｈ特性線図から、斜流ポンプ１の設置場所やその用途に応じて設定される設計吐出水量Ｑ１に基づいて、最高効率点η_ｍａｘとなるように、斜流ポンプ１の効率ηを設定する。

入口角度設定工程は、設定した斜流ポンプ１の効率ηに応じた平均入口角度βを、予め実験等により求められた効率ηに対応する平均入口角度βのグラフ（図示省略）から、導出する。

取付位置設定工程は、ディフューザ側ハブ２１の径方向（Ｙ方向）に直交すると共にハブ外周の接線方向に平行な直交方向（Ｘ方向）において、ディフューザ側ハブ２１に取り付けられる各ディフューザベーン３１の取付位置を、導出した平均入口角度βに基づいて設定している（図４参照）。

図４に示すように、Ｙ方向は、基本取付位置に取り付けられるディフューザベーン３１の周方向中間部５０を基準として方向が定められる。つまり、ディフューザベーン３１の周方向中間部５０における基端部とディフューザ側ハブ２１の外周との交点Ｎを通る径方向が、Ｙ方向として定められている。また、Ｘ方向は、上記交点Ｎにおけるディフューザ側ハブ２１外周の接線方向がＸ方向となり、Ｙ方向に直交している。つまり、直交方向と接線方向とは平行となっている。なお、基本取付位置（図示（１））は、斜流ポンプ１の基本設計において、ディフューザ側ハブ２１に取り付けられるディフューザベーン３１の取付基準となる取付位置である。

ここで、図３および図４を参照して、例えば、１のディフューザベーン３１をディフューザ側ハブ２１に取り付ける場合について、具体的に説明する。先ず、効率設定工程により設定された効率ηに基づいて、入口角度設定工程において平均入口角度βを導出する。次に、導出された平均入口角度βに基づいて、図３に示す平均入口角度βに対応するオフセット量のグラフから、予め設定された基本取付位置に対するオフセット量を設定する。なお、平均入口角度βを小さくさせるためには、オフセット量を増加させ、平均入口角度βを大きくさせるためには、オフセット量を減少させる。

そして、図４に示すように、取付位置設定工程によりオフセット量が設定されると、ディフューザベーン３１は、その姿勢を維持した状態で、基本取付位置から設定されたオフセット量の分、Ｘ方向にずらして取付位置が設定される。

例えば、オフセット量がゼロの場合、すなわち基本取付位置の場合、図４の（１）に示す位置において、ディフューザベーン３１がディフューザ側ハブ２１に取り付けられる。オフセット量が１００の場合、図４の（２）に示す位置において、ディフューザベーン３１がディフューザ側ハブ２１に取り付けられる。オフセット量が２００の場合、図４の（３）に示す位置において、ディフューザベーン３１がディフューザ側ハブ２１に取り付けられる。オフセット量が２５０の場合、図４の（４）に示す位置において、ディフューザベーン３１がディフューザ側ハブ２１に取り付けられる。オフセット量が３００の場合、図４の（５）に示す位置において、ディフューザベーン３１がディフューザ側ハブ２１に取り付けられる。これによれば、ディフューザベーン３１の曲げ曲率を変更することなく、取付位置を変更することにより、平均入口角度βを設定することができる。

これにより、オフセット後の取付位置に、各ディフューザベーン３１を取り付けることにより、斜流ポンプ１の性能特性を、所望の効率ηにすることが可能となる。次に、図５を参照して、設定した取付位置に基づいて、製造されるディフューザベーン３１の製造方法について説明する。

ディフューザベーン３１の製造方法は、設定されたオフセット量に基づいてディフューザベーン３１の材料となる板金部材４０を金属板４１から型抜きする型抜き工程と、型抜きした板金部材４０を曲げ加工してディフューザベーン３１を成形する曲げ加工工程とを備えている。

型抜き工程は、設定されたオフセット量に基づいて製造されるディフューザベーン３１の各部の寸法から、ディフューザベーン３１の平面展開図４２を作成する。そして、作成したディフューザベーン３１の平面展開図４２に基づいて、図５に示すような、板取り図を作成し、作成した板取り図に基づいて、金属板４１から板金部材４０を型抜きする。

曲げ加工工程は、型抜きした板金部材４０を、曲げ加工により折り曲げてディフューザベーン３１を作成する。このとき、図６に示すように、平行な２本の折り曲げ線Ｌ１，Ｌ１に沿って板金部材４０を折り曲げる二次元曲げによりディフューザベーン３１を成形しても良いし、あるいは、平行でない２本の折り曲げ線Ｌ２，Ｌ２に沿って板金部材４０を折り曲げる三次元曲げによりディフューザベーン３１を成形しても良い。

以上の構成によれば、Ｘ方向において、ディフューザ側ハブ２１に取り付けるディフューザベーン３１の取付位置を、斜流ポンプ１の効率ηに応じて適宜設定することにより、簡単に斜流ポンプ１の性能特性を設定することができる。このとき、ディフューザベーン３１は、その取付位置が変更されるだけであり、ディフューザベーン３１の曲げ曲率が大きく変わることは無いため、ディフューザベーン３１の形状変化に伴うポンプ性能の低下を抑制することができる。これにより、ディフューザベーン３１の取付位置を設定するという簡易な方法で、斜流ポンプ１の性能特性を設定することができる。

また、指標となる基本取付位置を基準とし、斜流ポンプ１の性能特性に応じて設定されたオフセット量の分、ディフューザベーン３１の取付位置を変更すればよいため、取付位置の変更を容易に行うことが可能となる。

さらに、上記の板取り図に基づいて金属板４１から板金部材４０を型抜きすると共に、型抜きした板金部材４０を曲げ加工することにより、オフセット後の取付位置に適したディフューザベーン３１を製造することができる。また、上記のディフューザベーン３１の製造方法によれば、ディフューザベーン３１の汎用化を図ることができるため、製造される斜流ポンプ１の低コスト化を図ることができる。

なお、本実施例では、斜流ポンプ１を例にして説明したが、ディフューザ３０を持つポンプであれば、斜流ポンプ１に限らず、軸流ポンプや渦巻きポンプ等の各種ポンプに適用しても良い。

本実施例にかかる斜流ポンプの断面構造図である。 斜流ポンプのＱ−Ｈ特性線図である。 設定される平均入口角度に応じて変化するオフセット量の変化割合に関するグラフである。 ディフューザベーンの取付位置に関する説明図である。 ディフューザベーンの板取り図である。 曲げ加工工程において曲げ加工される板金部材の説明図である。

符号の説明

１ 斜流ポンプ
４ 外筒ケーシング
５ 内筒ハブ
８ 流路
１０ 吸込ベルマウス
１１ 羽根車ケーシング
１２ シュラウド
１３ 揚水管
１４ 屈曲管
１７ 吸込口
１８ 吐出口
２０ 羽根車側ハブ
２１ ディフューザ側ハブ
２２ 揚水管側ハブ
２５ 羽根車
２６ 複数の羽根車ベーン
３０ ディフューザ
３１ 複数のディフューザベーン
３５ 駆動源
３６ 主軸
４０ 板金部材
４１ 金属板
４２ 平面展開図
β 平均入口角度

Claims (3)

1. 吸込口から流体を取り込むと共に吐出口へ向けて前記流体を送り出す羽根車と、前記羽根車と前記吐出口との間の流路に介設されたディフューザとを備えたポンプの性能特性を設定するポンプの性能特性設定方法において、
   前記ディフューザは、前記流路の中央に配設されたハブと、前記ハブの周囲に配設されたシュラウドと、前記ハブの外周面から前記シュラウドの内周面へ向けて放射状に配設された複数のディフューザベーンと、を有しており、
   前記羽根車の回転軸に直交する面内で、且つ、前記ハブから前記シュラウドへ向かう径方向に直交する直交方向において、前記ハブに取り付けられる前記各ディフューザベーンの取付位置を、前記ポンプの性能特性に応じて設定する取付位置設定工程を備えたことを特徴とするポンプの性能特性設定方法。
2. 前記ポンプの基本設計において、前記各ディフューザベーンは、基準となる基本取付位置において前記ハブに取り付けられており、
   前記取付位置設定工程では、前記基本取付位置から、前記ポンプの性能特性に応じて設定されたオフセット量の分、前記ディフューザベーンの位置を変更することにより、前記取付位置が設定されることを特徴とする請求項１に記載のポンプの性能特性設定方法。
3. 請求項１または２に記載のポンプの性能特性設定方法において設定された前記取付位置に基づいて、前記ディフューザベーンの材料となる板金部材を、金属板から型抜きする型抜き工程と、
   型抜きされた前記板金部材を折り曲げて、前記ディフューザベーンとする曲げ加工工程とを備えたことを特徴とするディフューザベーンの製造方法。
   

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