JP6267173B2 - インペラ - Google Patents

Description

本発明はインペラ、特に船舶の推進装置に用いられるインペラに関するものである。

水上滑走艇などの船体の推進装置の一つにウォータージェットポンプが知られている。該ポンプは、ケーシング内に設けたインペラを流体（水）中で強制的に回転駆動させることで水に運動量の変化を与え、船体の推進力を発生させる仕組みである。

従来のウォータージェットポンプに用いられてきたインペラの一例として、図７に示すインペラ１００（以下、シングルインペラと称す。）が公知である（非特許文献１・第４３頁参照）。

一般に、プロペラやインペラなど水中を高速回転する動翼の周辺では圧力が非常に小さくなり、飽和蒸気圧以下になると気泡が発生する、いわゆるキャビテーションという物理現象が問題視されている。流体機械はこのキャビテーションが発生しないときに最高性能を発揮するよう設計されており、キャビテーションが発生すると、水を後方へ十分に押し出すことができなくなるため（揚程低下）、無駄なエネルギーを消費することとなる。さらに、非定常なキャビテーションが発生すると、それにより流場が変動するので、流れの圧力に変動が生じ、騒音や振動の原因ともなる。

キャビテーションにより生じた気泡は、より圧力の高いところへ流入すると瞬間的に崩壊するが、その際の衝撃波やマイクロジェットによる衝撃圧が動翼表面にエロージョン（壊食）を起こすことが知られている。初期の壊食面では凹凸が生じる程度であるが、進行すると貫通穴が生じたり、翼の端がボロボロに欠落したりすることもある。

一方、回転数を上げるのではなく、翼面積を大きくした場合には、翼の外径部分の流速が上がり、低圧化をもたらす結果、キャビテーションが発生しやすくなるので、翼面積の増大化も高速化には向かないことが知られている。

以上、キャビテーションは、水上滑走艇などの船体の高速化を阻害する大きな要因となっており、かねてより当業者の間でこれを解消すべく取り組みがなされてきた。

上記課題を解決する具体策の一つとして、図８に示すインペラ２００（以下、ツインインペラと称す。）が公知である（非特許文献・第４４頁参照）。該インペラ２００は、メインインペラ（Ｘ）の上流に、該メインインペラより外径の小さな動翼（Ｙ）をリーディングインペラとして別途設けたインペラである。
これは、遠心ポンプ等において、キャビテーションの回避・防止策として採用されている技術であって、主羽根車の上流にインデューサーと呼ばれる与圧羽根車を設けた二重翼列式羽根車（インデューサー圧力面上の流れが後置羽根車の負圧面側に流入するようインデューサーが配置された技術）を応用したものと考えられている。

前記シングルインペラ１００の場合、インペラの外径部の水の流速とセンター廻りの水の流速とが異なることにより生じる圧力差がキャビテーション発生の一因である。したがって、ツインインペラとすることで、進行方向前部のリーディングインペラ（Ｙ）が水を素早く掴み、後部のメインインペラ（Ｘ）が水を拾いやすいようにすることで、センター廻りの水の流速を外径部の水の流速に近づけ、前記圧力差を解消し、キャビテーションの発生を抑制しようとするものである。また、同時に、翼の外径を大きくせずに翼面積が増大するため、馬力の向上も期待される技術である。

ＱＵＡＮＴ２０１１年４月号増刊「ホットウォータースポーツマガジン」Ｎｏ．９１特別付録

ツインインペラ２００によれば、シングルインペラ１００に比べて低・中速域での推進効率が大幅に改善され、キャビテーションの発生についても一定の抑制効果があった。
しかし、高回転域では、リーディングインペラ（Ｙ）が水を外方向(回転軸中心から円周方向)へまき散らしてしまい、メインインペラ（Ｘ）のセンター廻りへの水の送り込みが少なくなるという現象が起き、回転数を上げれば上げるほど、外径部とセンター廻りとの間に生じる流速差が大きくなることからキャビテーションを起こしやすくなり、高回転域に応じた加圧噴出ができない、即ち高速域が伸びない点が指摘されてきた。

そこで、本発明はツインインペラのかかる問題点を解消すべく新たなインペラを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載のインペラは、第一ボス部（１０）に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根（１０ａ，１０ｂ，１０ｃ）と、前記第一ボス部に固定された二ボス部（２０）に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根であって前記第一ボス部の羽根よりも回転半径の小さな羽根（２０ａ，２０ｂ，２０ｃ）を備え、該第二ボス部は駆動軸（ｓ）の端部に固定される構成において、該第二ボス部の羽根周囲に所定幅のリング状の帯状体（３０）を具備し、該帯状体の前端部周縁に円中心へ向けたテーパ加工（ｉ）が施されたことを特徴とする。

また、請求項２に記載のインペラは、 第一ボス部に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根と、前記第一ボス部に固定された第二ボス部に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根であって前記第一ボス部の羽根よりも回転半径の小さな羽根を備え、該第二ボス部は駆動軸の端部に固定される構成において、該第二ボス部の羽根周囲に所定幅のリング状の帯状体を具備し、該帯状体は、前記第二ボス部の羽根の少なくとも先端部（ｔ）を覆うように設け、且つ、該帯状体の前端部周縁に円中心へ向けたテーパ加工が施されたことを特徴とする。

請求項１に記載のインペラによれば、第二ボス部の羽根周囲に設けた所定幅のリング状の帯状体により、高回転域においても、第二ボス部の羽根による水のまき散らしを抑制できることから、メインインペラのセンター廻りへ水を無駄なく強制的に送り込むことができる。その結果、外径部と内径部との流速差がなくなり、圧力差が解消されることから、キャビテーションの発生を抑制することができるという利点に加え、該帯状体の前端部周縁に設けた円中心へ向けたテーパ形状により、インペラ全体としての整流効果を高めることができる。

請求項２に記載のインペラによれば、第二ボス部の羽根周囲に設けた所定幅のリング状の帯状体により、高回転域においても、第二ボス部の羽根による水のまき散らしを抑制できることから、メインインペラのセンター廻りへ水を無駄なく強制的に送り込むことができる。その結果、外径部と内径部との流速差がなくなり、圧力差が解消されることから、キャビテーションの発生を抑制することができるという利点に加え、
前記第二ボス部の羽根の少なくとも先端部、即ち水との最終接点を前記帯状体で覆うこととなるため、上記効果をより向上させることができ、更には、該帯状体の前端部周縁に設けた円中心へ向けたテーパ形状により、インペラ全体としての整流効果を高めることができる。

本発明のインペラを示す斜視図である。 本発明のインペラを示す側面図である。 図２のＰ矢視図である。 本発明の効果を示す説明図である。 本発明の第二の実施例に係るインペラを示す斜視図である。 本発明の第三の実施例に係るインペラを示す側面図である。 従来のインペラ（シングルインペラ）を示す斜視図である。 従来のインペラ（ツインインペラ）を示す斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明のインペラ１ａを示す斜視図、図２は同側面図、図３は図２のＰ矢視図であり、第一ボス部１０に３枚の羽根１０ａ，１０ｂ，１０ｃが一体に形成され、該第一ボス部１０に一体に固定された第二ボス部２０に３枚の羽根２０ａ，２０ｂ，２０ｃが形成された構成において、該羽根２０ａ，２０ｂ，２０ｃの所定位置へリング状の帯状体３０を半田付け等公知の方法により取り付けてなる。ここで所定位置とは、該帯状体３０の後端部３０ａが前記第一ボス部１０の３枚の羽根１０ａ，１０ｂ，１０ｃの前縁に接する位置をいう（図２）。
なお、第二ボス部２０には、駆動軸（ｓ）（図４（ｂ））を嵌入する駆動軸受（ｈ）を設けてなる。

本実施例における該帯状体３０の厚みは１ｍｍ、同内径は羽根２０ａ，２０ｂ，２０ｃの外径相当長とし、羽根２０ａ，２０ｂ，２０ｃの各先端部（ｔ）を少なくとも覆うように設けてなる（図２、図３）。なお、リング幅、厚みは適宜変更してよく、材質も公知のインペラと同じか若しくは同等の材質で形成してよい。

図４は、本発明の効果を示す説明図であり、図４（ａ）は、従来のツインインペラ２００の水流の模式図であり、図４（ｂ）は、本発明のインペラ１ａの水流の模式図である。

従来のツインインペラ２００では、図４（ａ）に示すように、駆動軸（ｓ）の回転により生じた水流（Ｗ１）は、リーディングインペラ（Ｙ）が水を外方向へまき散らす（Ｗ２）結果、メインインペラ（Ｘ）による水の高圧化が十分でなく（Ｗ３）、所望の推進力が得られない。

一方、本発明のインペラ１によれば、図４（ｂ）に示すように、駆動軸（ｓ）の回転により生じた水流（Ｗ１）は、帯状体３０を設けた結果、水を外方向へまき散らすことなく、リーディングインペラ２０が水をメインインペラ１０のセンター廻りへ強制的に送り込む（Ｗ４）こととなる結果、メインインペラ１０は、本来予定された水の高圧化（Ｗ５）を実現することができる。

そして、上記作用により、センター廻りの水の流速を外径部の水の流速に近づけることができるため、センター廻りと外径部との圧力差が解消され、キャビテーションの発生を効果的に抑制することができる。

また、ウォータージェットポンプの出力向上を企図したインペラの角度調整には限界があることから、大径のインペラへ交換する場合があるが、インペラが収納されるハウジングの大きさの都合上、一定の制限は避けられない。
しかし、本実施例によれば、水に対する作用効率が著しく向上することから、大径のインペラに頼ることなく、即ちハウジング径を考慮することなく出力を向上させることができる。

次に、本発明の異なる実施例について、図を参照しながら説明する。図５は、本発明に係る第二の実施例のインペラ１ｂを示す斜視図である。

本実施例に係るインペラ１ｂは、リング状の帯状体３１の前端部、即ち、駆動軸受（ｈ）側に円中心へ向けたテーパ加工（ｉ）が施された点を除き、前記実施例１と同じである。

かかる形状としたことで、整流効果の更なる向上が見られた。

更に、本発明の異なる実施例について、図を参照しながら説明する。図６は、本発明に係る第三の実施例のインペラ１ｃを示す側面図である。

本実施例に係るインペラは、リング状の帯状体３０が、該帯状体３０の後端部３０ａと第一ボス部１０の３枚の羽根１０ａ，１０ｂ，１０ｃの前縁とが一定の間隔Ｅを空けた状態で固定された点を除き、前記実施例１と同じである。なお、該帯状体３０は、前記実施例２における帯状体３１と置き換えてもよい。

本実施例によっても、前述の実施例と同等の効果を得ることが可能である。

キャビテーション現象は、液体を作動流体とする流体機器の性能向上を阻む大きな要因である。本発明は、水上滑走艇などの船体等に限定されるものではなく、これら流体機器に対して幅広く応用できる可能性を秘めており、産業上、極めて有用な技術であると言える。

１ 本発明のインペラ
１０ 第一ボス部
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 羽根
２０ 第二ボス部
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 羽根
３０，３１ 帯状体

Claims (2)

1. 第一ボス部に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根と、
   前記第一ボス部に固定された第二ボス部に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根であって前記第一ボス部の羽根よりも回転半径の小さな羽根を備え、該第二ボス部は駆動軸の端部に固定される構成において、
   該第二ボス部の羽根周囲に所定幅のリング状の帯状体を具備し、
   該帯状体の前端部周縁に円中心へ向けたテーパ加工が施されたインペラ。
2. 第一ボス部に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根と、
   前記第一ボス部に固定された第二ボス部に一体に固定され或は一体形成された複数枚の羽根であって前記第一ボス部の羽根よりも回転半径の小さな羽根を備え、該第二ボス部は駆動軸の端部に固定される構成において、
   該第二ボス部の羽根周囲に所定幅のリング状の帯状体を具備し、
   該帯状体は、前記第二ボス部の羽根の少なくとも先端部を覆うように設け、且つ、
   該帯状体の前端部周縁に円中心へ向けたテーパ加工が施されたインペラ。

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