JP5638349B2 - 片吸込み渦巻きポンプ - Google Patents

Description

本発明は、清水や固形物を含有するスラリーあるいはサンド流体の輸送用に好適な片吸込み渦巻きポンプに関する。

渦巻きポンプでは、要求ＮＰＳＨ（Net Positive Suction Head：正味吸込ヘッド）を小さくして、ポンプが流体を羽根車に吸い込む（押し込む）性能を向上させることが重要な課題である。以下、まず、低ＮＰＳＨのポンプが必要な理由について説明する。なお、以下の説明では、槽内の液面高さに関わらず、ポンプの吸込み圧力が、負圧を受けて揚液する場合について述べる。

図７において、液槽４００内の流体の液面がＬ１でポンプ３００を運転すれば、マイナスの実揚程（−ｈｓ１）が作用し、ポンプ３００の吸込口には負圧が作用する。また、流体の液面がＬ２に位置すれば、プラスの実揚程（＋ｈｓ２）が作用し、通常ならばポンプ３００の吸込口には正圧が働く。しかし、流体の温度如何ではポンプ３００の吸込口には必ずしも正圧が働くとは限らず、負圧が働く場合も起こり得る。これは、流体の温度が高くなれば、飽和蒸気圧力も上昇するためである（但し、吸込み配管の諸損失についての説明は省略）。

ここで、要求ＮＰＳＨ（Ｒ−ＮＰＳＨ）とは、ポンプ３００が流体Ｆを羽根車３１０に吸い込む（押し込む）ために必要なヘッドであって、羽根車３１０の入口部の最大圧力降下である。つまり、羽根車３１０の入口部においては、流体が軸方向から半径方向に急激に方向変換するために圧力の低下を生じる。このＲ−ＮＰＳＨを式で表したものが次の（１）式である。
Ｒ−ＮＰＳＨ＝αｘＱ^２／３ｘＮ^４／３ｘ１０^−５ｍ （１）
但し、α：構造・設計によって異なる実験係数（６．０〜８．０が使用される）
Ｑ：流量（ｍ^３／ｍｉｎ）
Ｎ：回転速度（ｍｉｎ^−１）

一方、ポンプの吸込み液面に大気圧が作用している場合を想定し、大気圧からポンプと吸込み液面との落差、吸込み配管の損失水頭、流体（液温度、液比重）の飽和蒸気圧等の吸込み全揚程を差し引いたものを有効ＮＰＳＨ（Ａ−ＮＰＳＨ）という。このＡ−ＮＰＳＨを式で表したものが次の（２）式である。
Ａ−ＮＰＳＨ＝Ｈａ＋ｈｓ−ｈｖ−ｈｆｍ （２）
但し、Ｈａ：大気圧（ｍ）
ｈｓ：吸込み実揚程（ｍ）押し込みはプラス、吸込みはマイナス
ｈｖ：液温に対する飽和蒸気圧（ｍ）
ｈｆ：吸込み管の全損失水頭（ｍ）

ここで、Ａ−ＮＰＳＨ≦Ｒ−ＮＰＳＨのとき、つまり、流体が蒸気圧力もしくはそれ以下に低下すると、気体が生じた部分が空洞化し、圧力が高い部分で空洞が破壊されるというキヤビテーション現象（空洞現象）を生じる。この時のポンプ運転状況は、音響と振動を伴うばかりか、現象の程度が過酷になれば、やがては揚液が不能に陥る。また、キヤビテーション現象を生じたまま運転を継続すると、ポンプの羽根や胴体（ケース）に忽ち腐食が進行する。

キヤビテーション現象を生じた場合の解消方法は、上記Ａ−ＮＰＳＨを大きくするか、
またはＲ−ＮＰＳＨを小さくするかのいずれかである。前者の場合、ポンプと吸込み液面との配置や、吸込み配管（サイズ、長さ）、流体条件等を変更することは、一般的な現場では困難なことであり、運転現場においては、後者のＲ−ＮＰＳＨを小さくすることが常套手段である。

後者のＲ−ＮＰＳＨを小さくする最も簡単な方法は、流体が清水であれば、ポンプ吐き出し側に設けられた制御弁を絞ることによって、流量を少なくすることである。しかし、流体が固形物を含有したスラリーやサンドの場合は、制御弁内の弁体と弁箱の隙間に固形物を噛み込んだり、流量が少ないために輸送配管途中に固形物の沈降を招いたりするという問題が生じる。

一方、新規に設備を計画する場合は、上記の吸込み諸条件（Ｈａ，ｈｓ，ｈｖ，ｈｆ）に対して、Ａ−ＮＰＳＨに見合うポンプ機種の選定を行うことができる。Ａ−ＮＰＳＨが小さい場合は、計画流量と揚程の仕様に対して回転速度の遅い、低Ｒ−ＮＰＳＨのポンプ機種を選定することが好ましい。結局、いずれにしても吸込み諸条件が問題になるような現場では、低Ｒ−ＮＰＳＨのポンプが必要になる。

ここで、最も代表的な低Ｒ−ＮＰＳＨの渦巻きポンプは、羽根を背中合わせにして羽根車両側から流体を吸い込む構造を有する両吸込み型渦巻きポンプである。両吸込み型渦巻きポンプによって、Ｒ−ＮＰＳＨが低くなる理由は、上記（１）式において流量Ｑを半分として計算することができるからである。これはポンプ単体を２台並列運転した原理に基づく。両吸込み型ポンプの断面図を図８に示す。
同図に示すように、一般的な両吸込み型渦巻きポンプ２０１は、その組み立て上、ケース（胴体）２０２を上下水平割りまたは縦割りとするとともに、回転軸２０３を両持支持とした構造であり、主板２１３に対して背中合わせにした羽根車２１０の両側から流体を吸い込ませる構成となっているので、構造が極めて複雑になるという欠点がある。

これに対し、片吸込み型渦巻きポンプは構造が簡単である。従来技術としては、例えば特許文献１に開示されるような、回転軸の先端側に支持される羽根車と、この羽根車の背面側に配された軸封装置とを有し、羽根車の主板に単一または複数の貫通孔を設けたものがある。主板に設けた貫通孔はバランスホールと呼ばれる。その他、例えば特許文献２には、図９に要部を示すように、主板１１３の裏面１１３ｒに、補助羽根１１２を設けた羽根車１１０を有するものがある。バランスホールや補助羽根を主板に設けると、軸封装置の圧力を減じるとともに、軸方向推力を釣り合わすことができる。

特開平６−１４７１８２号公報 特開２００４−１１６４５４号公報（図１）

しかし、上述したバランスホールや補助羽根は、軸封装置の圧力を減じたり、軸方向推力を釣り合わせたりする目的においては効果的であるものの、いずれの技術においても、キヤビテーション現象を生じた場合の解消方法としての課題を掲げるものではないので、要求ＮＰＳＨを小さくして、吸込み性能を向上させる上で不十分である。

つまり、一般的に知られるバランスホールを有するポンプには、主板背面に補助羽根（裏羽根）は無く、主羽根で揚液した流体の一部が、主板の裏側を通ってバランスホールから主羽根の吸込みに逆流し、ポンプ効率を低下させることになる。仮に、羽根幅が小さな
補助羽根を主板背面に設け、同時にバランスホールを設けたポンプが存在し、流れの方向を変えられたとしても、要求ＮＰＳＨを低下する手段にはなり得ない。それは、吸込み口からバランスホールを通過し主板背面へ流れる流量が微量だからである。
そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、要求ＮＰＳＨを小さくし、吸込み性能を向上させ得る簡単な構造の片吸込み渦巻ポンプ装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明は、ケーシング内の回転軸の先端側に支持される羽根車と、該羽根車の背面側に配された軸封装置とを有し、前記羽根車の回転軸方向に設けた一つの吸込口から流体を吸い込んでその流体を主流路を介して羽根車の回転円周方向の吐出口から吐出する片吸込み渦巻ポンプ装置であって、前記羽根車は、主板と、該主板の吸込口側を向く面に設けられた第一の羽根と、該主板の軸封装置側を向く面に設けられた第二の羽根とを有し、前記羽根車の基端部には、前記主板の吸込口側から吐出口側への流路となる単一または複数の貫通孔が第二流路として形成されており、該第二流路の開口面積の総和は、前記主流路の開口面積よりも小さく、且つ前記第二の羽根の外径は、相互の揚液能力が第一の羽根側の能力に対して第二の羽根側の能力が勝るように前記第一の羽根の外径よりも大きくなっていることを特徴とする。

本発明に係る片吸込み渦巻ポンプ装置によれば、ポンプが片吸込み型なので、上記両吸込み型に比べて構造が簡単である。そして、主板の吸込口側を向く面および軸封装置側を向く面それぞれに第一の羽根および第二の羽根（以下、「主板表裏の羽根」ともいう）を形成し、羽根車の基端部に単一または複数の第二流路を設けたので、主板裏側（軸封装置側）の第二の羽根の流路が生じ、これにより、主板表裏の羽根によりポンプ単体を２台並列運転した原理が作用し、主板表裏の羽根の能力に応じて、流量を分配することが可能となり、各々の羽根吸込み部の最大圧力降下を減じるため、要求ＮＰＳＨが小さくなり、吸込み性能を向上させることができる。

さらに、本発明に係る片吸込み渦巻ポンプ装置によれば、第二流路の開口面積の総和は、主流路の開口面積よりも小さく、且つ第二の羽根の外径は、相互の揚液能力が第一の羽根側の能力に対して第二の羽根側の能力が勝るように第一の羽根の外径よりも大きくなっているので、主板表裏の羽根が、相互の揚液能力が第一の羽根側の能力に対して第二の羽根側の能力が勝る。そのため、第二流路の開口面積の総和が、第一の羽根側の主流路（目玉部）の開口面積に対して小さくとも主板表裏の流量のバランスをとることができる。
また、本発明に係る片吸込み渦巻ポンプ装置において、前記貫通孔内に軸流形羽根を設けることは好ましい。このような構成であれば、第二の羽根側での流体の吸込みを助長する上で好適である。

上述のように、本発明によれば、要求ＮＰＳＨを小さくし、吸込み性能を向上させ得る簡単な構造の片吸込み渦巻ポンプ装置を提供することができる。

本発明に係る片吸込み渦巻ポンプ装置の第一実施形態の説明図であり、同図はポンプ装置の要部を軸方向に沿った断面で示している。 第一実施形態の羽根車を説明する図であり、同図（ａ）は図１でのＡ矢視図、同図（ｂ）は図１でのＢ矢視図である。 第一実施形態の羽根車に設けられる羽根の説明図（斜視図）である。 本発明に係る片吸込み渦巻ポンプ装置の第二実施形態の説明図であり、同図はポンプ装置の要部を軸方向に沿った断面で示している。 第二実施形態の羽根車を説明する図であり、同図（ａ）は図１でのＡ矢視図、同図（ｂ）は図１での下半分をも含めて図示したものである。 羽根車の構造的な分類を説明する図であり、同図（ａ）は、セミオープン羽根、（ｂ）はクローズ羽根、（ｃ）はオープン羽根である。 低ＮＰＳＨのポンプが必要な理由について説明する模式図である。 従来の両吸込み渦巻ポンプ装置の一例を説明する図である。 補助羽根を有する従来の羽根車の一例を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
本発明に係る片吸込み型渦巻きポンプの一実施形態の概要図を図１に示す。
同図に示すように、この片吸込み型渦巻きポンプ１は、ケーシング２内に支持された回転軸３が不図示のモータの駆動により回転自在に設けられ、この回転軸３の先端側に羽根車１０が片持ち支持されている。なお、本実施形態の羽根車１０の構造はセミオープン型（図６（ａ）参照）とした例である。

この羽根車１０の背面側（同図の右側であって吸込口４とは反対の側）には、軸封装置４０が回転軸３を囲繞するように配されている。そして、この羽根車１０は、耐摩耗性材料または耐食性材料を使用しており、円盤状の主板１３と、この主板１３の吸込口４側を向く面（主板の表面であって、吸込口４に近い側の面）に設けられた第一の羽根１１と、主板１３の軸封装置４０側を向く面（主板の裏面）に設けられた第二の羽根１２とを有している。この羽根車１０の回転軸３方向の一端には一つの吸込口４が形成され、また、羽根車１０の回転円周方向には吐出口５が設けられている。

さらに、この片吸込み型渦巻きポンプ１は、羽根車１０の基端部に、主板１３の吸込口４側から吐出口５側への流路となる、単一または複数個の貫通孔が第二流路３０として形成されている。図２に示すように、本実施形態の例では、第二流路３０は、主板１３の周方向の３箇所に等配されており、各第二流路３０の開口形状は、四隅を円弧とした台形をなしている。ここで、この第二流路３０の開口面積の総和は、主流路２０の開口面積よりも小さい。なお、この第二流路３０の数と開口面積の大きさは、スラリーやサンド流体のような固形物を含有する流体における当該固形物が、第二流路３０を閉塞することなく、スムーズに流れる数と大きさに設定されている。

また、第一の羽根１１と第二の羽根１２は、図２に示すように、上記第二流路３０にそれぞれ対応した位置に、且つ主板１３の周方向の３箇所に等配されており、各羽根１１，１２は、隣接する羽根１１，１２同士の距離が拡幅するように、中心から外径方向に向けて渦巻き状に湾曲形成されている。
ここで、本実施形態では、第一の羽根１１と第二の羽根１２の形状及び図３に示す幅寸法（ｂ）および厚さ寸法（ｔ）の設計は、能力の異なった２台のポンプ単体を並列運転するのと同様に、それぞれ異ならせて、第一の羽根１１と第二の羽根１２の性能を変えて流量のバランスをとるものである。具体的には、第二の羽根１２の外径は、相互の揚液能力が第一の羽根側の能力に対して第二の羽根側の能力が勝るように第一の羽根１１の外径よりも大きくなっている。

構造上、第二流路３０の開口面積（総和）は、第一の羽根１１側の主流路（目玉部（図２（ａ）に符号２０で示す円環状部分））２０の流路断面積（主流路（目玉部（図２（ａ）に符号２０で示す円環状部分から第二流路３０の開口面積（総和）を除いた部分の面積））に対して小さくなる。そのため、仮に第一の羽根１１と第二の羽根１２の遠心力の作用が同一であれば、第一の羽根１１側の能力に対して第二の羽根１２側の能力が劣る。つまり、主板表裏の羽根の枚数・形状・幅・厚み・出口径（外径）が全て同一の場合、開口
面積の広いＦ１流れの流量＞開口面積の狭いＦ２流れの流量となることは明白である。開口面積が狭ければ、流体が通過する際の損失抵抗は大きくなるからである。また、主板１３に設けた単一または複数の第二流路３０への流体は、第二流路３０が回転しながら分流するために水力学的な損失も生じる。よって、主板表裏の羽根１１，１２の出口径比を違えることが、上記の不等号をイコールに近づける簡単な手段となる。そこで、本実施形態では、第一の羽根１１の能力に対して第二の羽根１２の能力が勝るように構成している。すなわち、第二の羽根１２の外径＞第一の羽根１１の外径とする。

これにより、この片吸込み型渦巻きポンプ１は、不図示のモータの駆動により回転軸３が回転すると、図１に示すように、流体Ｆは、上記第一の羽根１１および第二の羽根１２の両方で同図矢印Ｆ１，Ｆ２の流れのように吸込口４から吸込まれて、遠心力の作用で揚液され、主流路２０（Ｆ１）および第二流路３０（Ｆ２）を介して吐出口５から吐出されるようになっている。

次に、この片吸込み渦巻ポンプ装置の作用・効果について説明する。
上述した渦巻きポンプ１は、片吸込み型を採用しているので、一般の両吸込み型ポンプに比べて、構造が簡単で分解、組み立てが容易であるばかりでなく、製造費用を安くすることが可能である。また、上述した従来技術のバランスホールや補助羽根と同様に、軸封装置４０の減圧と軸方向推力の軽減が図れる。また、耐摩耗性材料や耐食性材料を羽根車１０に使用することによって、スラリーやサンド等や化学液の流体などの流体全般に亘って使用することが可能である。

また、この片吸込み型渦巻きポンプ１によれば、主板１３の表裏にそれぞれ第一の羽根１１および第二の羽根１２を設け、且つ主板１３の基端部に、主板１３の吸込口４側から吐出口５側への流路となる一または複数（この例では３つ）の第二流路３０を形成しているので、これにより、主板表裏の羽根１２，１３によりポンプ単体を２台並列運転した原理が作用し、主板表裏の羽根の能力に応じて、流量を分配することが可能となり、各々の羽根吸込み部の最大圧力降下を減じるため、要求ＮＰＳＨが小さくなり、吸込み性能を向上させることができる。また、バランスホールを有する片吸込み渦巻ポンプ装置に比べて効率が向上する。その理由は、一般的な片吸込み渦巻ポンプ装置には補助羽根が無く、バランスホールのみを有するポンプなので、主羽根で揚液した一部の流体が、主板の裏側を通ってバランスホールから主羽根の吸込口に逆流するためである。この片吸込み渦巻ポンプ装置１ではこの逆流が生じない。

そして、特にこの片吸込み型渦巻きポンプ１によれば、第二流路３０の開口面積の総和は、主流路（目玉部）２０の開口面積よりも小さいものの、第二の羽根１２の外径が、相互の揚液能力が第一の羽根側の能力に対して第二の羽根側の能力が勝るように第一の羽根１１の外径よりも大きくしているので、主板表裏の羽根１１，１２が、相互の能力が第一の羽根１１側の能力に対して第二の羽根１２側の能力が勝る。そのため、第二流路３０の開口面積の総和が、第一の羽根１１側の主流路（目玉部）の開口面積に対して小さくとも主板表裏の流量のバランスをとることができる。
以上説明したように、この片吸込み渦巻ポンプ装置１によれば、簡単な構造によって、要求ＮＰＳＨを小さくし、吸込み性能を向上させることができる。

なお、本発明に係る片吸込み渦巻ポンプ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能であることは勿論である。
例えば、上記実施形態では、第二の羽根１２の外径は、第一の羽根１１の外径よりも大きく構成した例で説明したが、これに加え、図４と図５に示すような、軸流形羽根１５を第二流路３０内に設け、第二の羽根１２側の吸込みを助長する構成とすることができる。このような構成とすれば、第二の羽根１２側での流体の吸込みを助長する上で好適である
。

また、例えば上記実施形態では、羽根車１０の第一の羽根１１および第二の羽根１２をセミオープン型とした例で説明したが、これに限定されず、第一の羽根１１および第二の羽根１２を、図６（ｂ）に示す側板１４を有するクローズ型としてもよい。ここで、羽根車を構造的に分類すると、図６（ａ）に示すように、主板に羽根を設けたセミオープン羽根、同図（ｂ）に示す、セミオープン羽根の前面に側板１４を設けたクローズ羽根、および同図（ｃ）に示す、主板の一部を利用して羽根を設けたオープン羽根がある。本発明は、羽根車１０に、セミオープン羽根、またはクローズ羽根を採用することができる。

１ 片吸込み型渦巻きポンプ
２ ケーシング
３ 回転軸
４ 吸込口
５ 吐出口
１０ 羽根車
１１ 第一の羽根
１２ 第二の羽根
１３ 主板
１４ 側板
１５ 軸流形羽根
２０ 主流路
３０ 第二流路
４０ 軸封装置
Ｆ 流体
Ｆ１ 主流路への流体の流れ
Ｆ２ 第二流路への流体の流れ

Claims (2)

1. ケーシング内の回転軸の先端側に支持される羽根車と、該羽根車の背面側に配された軸封装置とを有し、前記羽根車の回転軸方向に設けた一つの吸込口から流体を吸い込んでその流体を、主流路を介して羽根車の回転円周方向の吐出口から吐出する片吸込み渦巻ポンプ装置であって、
   前記羽根車は、主板と、該主板の吸込口側を向く面に設けられた第一の羽根と、該主板の軸封装置側を向く面に設けられた第二の羽根とを有し、
   前記羽根車の基端部には、前記主板の吸込口側から吐出口側への流路となる単一または複数の貫通孔が第二流路として形成されており、該第二流路の開口面積の総和は、前記主流路の開口面積よりも小さく、且つ前記第二の羽根の外径は、相互の揚液能力が第一の羽根側の能力に対して第二の羽根側の能力が勝るように前記第一の羽根の外径よりも大きくなっていることを特徴とする片吸込み渦巻ポンプ装置。
2. 前記貫通孔内には、軸流形羽根が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の片吸込み渦巻ポンプ装置。

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