JP6092186B2 - 遠心ポンプに用いられるインペラ - Google Patents

Description

本発明は、固体含有媒体を送るために少なくとも２つの羽根を備え、かつ遠心ポンプに用いられるインペラに関する。

特許文献１には、１つの羽根のみを備えるインペラが記載されている。鋳造法により作製されるシングルベーン型インペラにおいては、前側の被覆板及び後側の被覆板と、羽根との間に、シングルベーン型インペラの入口から出口に向かって断面積を減少させるような通路が形成されている。吸込側では、回転角の最初の１８０°にて回転軸と同心状に配置された半円が形成される。シングルベーン型インペラは、早期の気泡形成及びこれに伴うキャビテーションの発生を防止するように構成されている。羽根の頭部は非常に大きな曲率半径を有している。このような平坦化によって、長繊維の成分の堆積が防止されることとなる。

シングルベーン型インペラとは異なって複数の羽根を備えるインペラは、高い効率を有するという特徴がある。しかしながら、このようなインペラに対しては、送出経路における固体成分の堆積の防止に関して特別な要求事項もまた課せられることとなる。マルチベーン型インペラにおいては、詰まりを回避するために特別な対策を講じる必要がある。

このようなインペラによる排水の技術分野における適性は、特に、ボールの通過度を用いて検査される。ボールの通過度によって、ボールに相当する大きな固体を送るインペラの性能が表されることとなる。

特許文献２には、羽根の入口角度を０°から４０°までの間とし、かつ遠心ポンプに用いられるポンプ用インペラが記載されている。このインペラの羽根は、キャビテーションの発生を減らし、それにも関わらず過負荷領域での良好な吸込性能を保証するように構成されている。そのため、インペラの羽根の流線は、羽根の角度を最大２５°だけ増加させた区域を有している。

排水の技術分野においては、高い固有回転数を有する遠心ポンプの採用が増え続けている。このことは、従来のインペラでは、羽根への流入によってその滞留点（よどみ点）が特に部分的な負荷動作のときに、羽根の圧力側へと変位するという結果をもたらすこととなる。羽根の入口縁部は圧力側から吸込側へと環流される。圧力側に位置する滞留点によって、排水中にある繊維が羽根の表面に固定されるように圧着することとなる。

羽根の入口縁部が環流されるときには、速度の高い領域が存在する。小さな曲率半径を有する入口縁部を含んだインペラの場合には、この領域にて速度が特に高くなる。高い流速に基づいて静圧が蒸気圧よりも低下すると、キャビテーション障害につながる蒸気の気泡が形成されることとなる。

高速領域の後には速度の低い領域が続いており、そこでは死水が発生する。入口縁部に付着した繊維は、こうした死水を充填し易いという傾向がある。環流によって繊維が羽根輪郭に押し付けられ、繊維による被覆が著しく増加するおそれがある。

独国特許出願公開第４０１５３３１Ａ１号明細書 独国実用新案出願公開第８８０００７４Ｕ１号明細書

本発明の課題は、堆積物及びキャビテーションの発生を回避し、かつ高い効率を有するインペラを提供することにある。

本発明によれば、このような課題は、羽根の入口角度を０°よりも小さく形成し、羽根の角度を第１の区域にて０°の値に達するまで増加させ、次いで第２の区域にて最大値まで増加させるように形成し、第３の区域にて減少させるように形成することによって解決される。

本発明によれば、羽根の角度は入口のところでは０°よりも小さくなり、次いで増加するように形成されている。このことによって、羽根の輪郭の際立った湾曲（強い湾曲、鋭い湾曲）が生じることとなる。このような角度の推移は、羽根の面全体の均等な負荷を保証する。流れの滞留点は、圧力側から、入口縁部の最大の湾曲の領域へと変位し、乃至は吸込側にまで変位する。これによって、羽根の入口縁部への負荷が防止され、及び繊維を入口領域で圧着する力が防止されることとなる。羽根の吸込側では、付着した繊維の剥離に寄与するような速度の高い領域が形成されることとなる。最大値に達した後、羽根の角度は再び減少するように形成されている。羽根の形状はＳ字形を示すこととなる。

この設計の目的は、羽根の流入縁部の負荷と圧力側の動圧領域とを減らすことにある。

液圧的に衝撃のない羽根の流入が成されるとき、羽根のプロファイルの突起点における（流入）速度は近似的にゼロとなる。この羽根のプロファイルは均等に環流される。

これに対して、部分的な負荷動作においては斜めの羽根の流入が生じ、滞留点は羽根のプロファイルの突起点から圧力側の羽根側へと変位する。そして、部分的な負荷に関する流入は、羽根のスケルトン線に対して角度を成す。このとき、プロファイルの突起部の環流時にて、特に、最も湾曲の鋭い点（最も湾曲の強い点）、すなわち突起点で、極端に早い速度が発生することとなる。羽根の吸込側では流速の遅延が生じ、これによって、吸込側では、流動方向で見て羽根のプロファイルの突起点における後側での剥離領域の形成がもたらされる。その結果、流れが羽根に当たらなくなり、かつ羽根から剥離されて、隣接する羽根から区切られたインペラの貫流通路の断面積が狭められることとなる。突起点の後側に位置する剥離領域は、繊維を吸引することができる。

これに対して、羽根のプロファイル及びこれに伴って羽根の角度における本発明に基づく推移は、部分的な負荷領域における部分的な負荷動作の場合においても一層の流動加速を実現し、これによって、剥離領域が小さく保たれる。すなわち、流速が最高になる点が、羽根の吸込側の中央部分へと変位する。このような解決法は、流れによって一緒に運ばれる繊維等が、羽根の流入縁部に圧着されなくなるという結果をもたらす。その代わりに、繊維等が、吸込側の中央の羽根部分における高い速度によって運び出される。従って、インペラの入口の詰まりが防止されることとなる。

本発明の好ましい実施形態では、羽根の角度は後続する第４の区域にて一定に保たれるように形成されている。インペラは、ポンプの半径方向領域にて一定の小さな羽根の角度を有している。吸込側の負荷によって、圧力側における帰還流領域の面積が減少することとなる。小さな羽根の出口角度は、羽根の端部における負荷を低減するとともに、羽根の圧力側における平坦な帰還流領域を狭くすることができる。

特に、高い固有回転数について好適である本発明の好ましい実施形態では、入口領域の羽根の角度は−１０°よりも小さくなっている。小さな入口角度は、液圧的に衝撃のない流入を生じさせることとなる。

第１の区域においては、羽根の角度は０°の値に達するまで増加するように形成されている。そして、第２の区域においては、最大値に達するまで羽根の角度がさらに増加するように形成されている。羽根の角度は、第１の区域及び第２の区域において等しい勾配にて増加するように形成されるのが好ましい。

本発明の好ましい実施形態では、羽根の角度は第１の区域及び／又は第２の区域において、０．３５よりも大きな勾配にて増加するように形成されている。鋭い湾曲（強い湾曲）は、中央の羽根の面領域にて均一な羽根への負荷を生じさせることとなる。羽根の前側部分での極端な角度の増加によって、部分的な負荷の場合であっても負荷分布が維持されることとなる。これによって、通常付着効果を強めることとなる入口縁部の負荷の増加が緩和されることとなる。

羽根の角度が、第３の区域の転換点を超えてから羽根の出口角度まで減少している場合には、特に好都合であることが判明している。第４の区域においては、羽根の角度が一定に保たれているのが好ましい。

インペラが、ラジアルインペラとして構成されている場合には、特に好都合であることが判明している。このとき、羽根の入口半径に対する羽根の出口半径の比率は１．５よりも小さくなっているのが好ましい。これによって、高い固有回転数の場合であっても、インペラを効率的に作動させることができる。

従来式のインペラでは、高い環流速度及びこれと結びついたキャビティの発生を回避するために、羽根の入口縁部における大きな曲率半径が必要となる。このことによって、インペラの重量増加につながるような物質の蓄積が引き起こされることとなる。本発明に係る羽根の角度の推移に基づいて、小さな曲率半径を有する羽根の入口縁部を含んだインペラを採用することが可能である。羽根の入口縁部の曲率半径は、第４の領域における羽根の厚みの値に等しいか、又はこれよりも小さくなっているのが好ましい。その際に発生する高い環流速度に関わらず、本発明に係るインペラではキャビテーション障害は発生しない。羽根の入口縁部の小さな曲率半径に基づき、インペラを細く軽量に構成することができる。

排水を送ることに利用されるインペラは、２つ又は３つの羽根を含んでいるのが好ましい。このような実施形態は、固体混入物の割合が高い排水に特に適していて、２チャネル型インペラ又は３チャネル型インペラとも呼ばれている。羽根の数が多過ぎると、詰まりの危険が大きくなる。シングルベーン型インペラに比べて、２枚羽根又は３枚羽根のインペラは高い効率を保証するとともに、不均衡がないことや脈動の少ない送出によって、改善された動作挙動を保証する。

インペラは被覆板を有しているのが好ましく、すなわち、インペラは閉じた設計形態で構成されているのが好ましい。

本発明のその他の構成要件や利点は、図面を参照した実施形態の説明から、及び図面そのものから明らかとなる。

インペラを示す軸方向断面図である。 図２ａはインペラの羽根を示す前面図であり、かつ図２ｂはインペラの羽根を示す斜視図である。 図３ａは羽根角の推移であり、かつ図３ｂはスケルトン線の等角投影図である。 図４ａは、流線の速度の図面を含むと共にインペラを示す半径方向断面図であり、かつ図４ｂは、図４ａの羽根の入口部分を示す拡大図である。

図１には、ラジアルインペラの軸方向断面図が示されている。固体の混入物が混ざっている液体が、吸込口１を通ってインペラの中に入る。被覆板２と支持板３との間に配置された羽根４が液体を加速させる。液体は回転軸５から半径方向外側に向かって流れる。インペラは、７０を超える固有回転数にて作動する。このとき、羽根の入口半径Ｒ_１に対する羽根の出口半径Ｒ_２の小さな比率が、特に好都合であることが判明している。本実施形態では、羽根の入口半径Ｒ_１に対する羽根の出口半径Ｒ_２の比率は１．３よりも小さくなっている。

図２ａ及び図２ｂには、インペラの羽根４の前面図と斜視図とが示されている。インペラは、支持板３の上に取り付けられた２つの羽根４を含んでいる。インペラは、この図面で見て時計回りに回転する。羽根の入口縁部６は小さな曲率半径を有している。この曲率半径は本実施形態では７ｍｍになっている。固体含有媒体は羽根４によって加速されるようになっている。羽根４の圧力側７と吸込側８とが分離されている。

図３ａには、羽根の角度βの推移が示されている。図３ｂは、スケルトン線の等角投影図を示している。横軸には接触角φがプロットされている。縦軸には、スケルトン線の羽根の角度βがプロットされている。羽根の入口角度β_１が０°よりも小さくなっている。第１の区域９においては、羽根の角度βが０°の値に達するまで増加するようになっている。そして、第２の区域１０では、羽根の角度βが、最大値に達するまで、さらに連続的に増加するようになっている。第１の区域９及び第２の区域１０における羽根の角度βに関する増加の勾配はそれぞれ等しくなっている。羽根の角度βは、スケルトン線の転換点にて最大値に達している。第３の区域１１においては、羽根の角度βが、羽根の出口角度β_２の値に達するまで連続的に減少するようになっている。第４の区域１２においては、羽根の角度βが羽根の出口角度β_２の値にて一定に保たれている。

スケルトン線の等角投影図が示す通り、半径は、羽根の入口半径Ｒ_１を起点として、先ずは最小値Ｒ_ｍｉｎまで減少し、引き続いて再び羽根の出口半径Ｒ_２の値まで増加している。

図４ａ及び図４ｂは、それぞれ異なる速度を有する流線の図と共に、２ベーン型インペラの半径区域を示している。インペラは図面で見て反時計回りに回転する。従来式のインペラとは異なり、流れの滞留点１３は圧力側７ではなく、羽根の入口縁部６における最大の湾曲の領域にある。羽根４の吸込側８には、付着した繊維の剥離に貢献するような速度の高い領域１４が形成されている。

本発明に係るインペラでは、羽根の入口縁部６の負荷が低減する。これによって、入口領域にて繊維を圧着する力が低下することとなる。羽根４の吸込側における中央領域の負荷によって、そこで高い速度が発生し、これによって、付着した繊維が運び出されることとなる。

Claims (10)

1. 固体含有媒体を送るために少なくとも２つの羽根（４）を備え、かつ遠心ポンプに用いられるインペラであって、
   前記羽根の入口角度（β_１）が０°よりも小さくなっており、前記羽根の角度（β）が、第１の区域（９）にて０°の値に達するまで増加し、次いで第２の区域（１０）にて最大値まで増加し、第３の区域（１１）にて減少している、インペラ。
2. 前記羽根の入口角度（β_１）が−１０°よりも小さくなっている、請求項１に記載のインペラ。
3. 前記第１の区域（９）及び前記第２の区域（１０）における前記羽根の角度（β）が等しい勾配にて増加している、請求項１又は２に記載のインペラ。
4. 前記羽根の角度（β）は、該羽根の角度（β）が最大値となる転換点を超えると、前記第３の区域（１１）にて前記羽根の出口角度（β_２）まで減少している、請求項１〜３のいずれか一項に記載のインペラ。
5. 前記羽根の角度（β）が、前記第３の区域（１１）に後続する第４の区域（１２）にて一定に保たれている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のインペラ。
6. ラジアルインペラとして構成されている請求項１〜５のいずれか一項に記載のインペラ。
7. 前記羽根の入口半径（Ｒ_１）に対する前記羽根の出口半径（Ｒ_２）の比率が１．５よりも小さくなっている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のインペラ。
8. 前記羽根の入口縁部（６）のうち最も薄い厚さとなる入口側先端の曲率半径が、前記第３の区域（１１）に後続する第４の区域（１２）における前記羽根の厚みの値に等しくなっているか、又はこれよりも小さくなっている、請求項１〜７のいずれか一項に記載のインペラ。
9. 最大で３つの前記羽根（４）を備えている請求項１〜８のいずれか一項に記載のインペラ。
10. 被覆板（２）をさらに備えている請求項１〜９のいずれか一項に記載のインペラ。

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