JP6359845B2 - 渦巻きポンプ - Google Patents

Description

本発明は、渦巻きポンプに係り、特に、細かい粒子あるいは粗いサンド・礫等の固体粒子を含有する流体の移送用に好適な渦巻きポンプのインペラに関する。

固体粒子を含有する流体を移送する渦巻きポンプに重要な課題は、流体に接するインペラやケーシング内面の摩耗を極力少なくして、性能低下を防止または抑制することである。また、ポンプの長期間に亘る運転によってインペラやケーシング等の部品が摩耗して性能低下を生じた際に、初期性能までとは行かないものの、ある程度の性能を復帰させるべき調整機構を設け、寿命の延命化をはかることも重要な課題である。

この種のポンプは一般的にスラリーポンプと呼称される。スラリーポンプにおいて、直接、液接する部品であるインペラやケーシングの金属材料としては、コスト面と耐摩耗性を考慮して、一般的に、コスト面で安価な高クロム鋳鉄やニ・ハード鋳鉄等の材料を使用して耐寿命化をはかっている。
ところで、この種の渦巻きポンプに用いられるインペラには、クローズド型（例えば特許文献１参照）と、セミオープン型（例えば特許文献２参照）とがある。

図３に示すように、クローズド型のインペラ２１０は、主板２１３と、主板２１３の吸込口側を向く面に設けられた複数の羽根２１１とを有し、さらに、羽根２１１の前面に円環状の前部側板（「シュラウド」ともいう）２１４を有する。前部側板２１４は、羽根２１１の前縁部と一体に形成され、この前部側板２１４が、静止（固定）したケーシングの吸込みカバー内壁面２０７に対向して回転する（同図（ｃ）参照）。

一方、図４に示すように、セミオープン型のインペラ１１０は、主板１１３と、主板１１３の吸込口側を向く面に設けられた複数の羽根１１１とを有するが、羽根１１１の前面には前部側板を有しておらず、複数の羽根１１１の前縁部１１２が、静止（固定）した吸込みカバーの内壁面１０７に対向して回転する（同図（ｃ）参照）。
ここで、移送する流体中の固体粒子の塊が群をなしてインペラの羽根の入口から出口にかけて流入すると、上記前部側板の有無の相違が要因となって、クローズド型インペラは、隣り合う羽根同士の間の流路に、流体中の固体粒子の郡塊が楔状になって流路の閉塞が頻発する。

これに対し、セミオープン型インペラは、クローズド型インペラと比較すると流路が極度に閉塞し難い。セミオープン型インペラの流路が閉塞し難い理由は、前部側板を有しないため、静止（固定）した吸込みカバー内壁面に対してインペラの羽根の回転力が楔作用を解除するためである。そのため、固体粒子の大きな塊が流体中に混入するか否かがインペラの型式選定の決め手になる。つまり、細かい粒子あるいは粗いサンド・礫等の固体粒子を含有する流体の移送用としては、セミオープン型インペラを有する渦巻きポンプが好適である。

特開２０１１−３２９８３号公報 特開平７−２４３３９８号公報

しかしながら、セミオープン型インペラは、流体中の比較的小さな固体粒子が吸込みカバー内壁面とインペラの羽根前面が形成する隙間を流れたり、若しくは噛み込んだりして羽根の摩耗を促進させるため、羽根の摩耗によってポンプ性能（流量、圧力、効率）が次第に低下するという問題がある。
図４に二点鎖線にて羽根の摩耗箇所のイメージを示すように、羽根の摩耗箇所は、特に回転方向Ｒを向く圧力面側Ｐｆに生じ、また、周速度の速い出口側（外周の側）へ向かうに連れて激しさを増す傾向にある。一方、前部側板を有するクローズド型インペラは、セミオープン型インペラと比較すると羽根の摩耗は著しく少なく性能低下も小さい。

セミオープン型インペラの性能低下の主要因は、上述したような、（１）圧力面側の羽根外周部付近の摩耗、（２）吸込みカバー内壁面とインペラの羽根前面との摩耗によって、吸込みカバー内壁面とインペラとが形成する隙間（以下、「クリアランス」ともいう）が広がることによる。つまり、この「クリアランス」が大きくなればなるほど、図５に羽根近傍での流体の流れのイメージを示すように、所期の流れである、羽根１１１の圧力面に沿った流れＦ１に対し、羽根１１１の圧力面側から隣の流路（非圧力面側）へ向かう分流の流れＦ２が増大して、隣の流路に漏洩する流体の流量も大きくなる。そのため、揚程や効率の性能低下も大きくなるのである。
ここで、通常のスラリーポンプにおいては、上記（２）の対策として、摩耗によって広がった「クリアランス」を狭めるための隙間調整機構を具備しているのが一般的である。

例えば、クローズド型インペラを有する渦巻きポンプの場合は、マウスリング（またはウエアリング）の部分的箇所で隙間を狭め、吸込みカバーを駆動源側へ移動して「クリアランス」を調整している（特許文献１参照）。また、セミオープン型インペラを有する渦巻きポンプの場合は、吸込みカバー内壁面と主羽根前面、及びケーシング側壁と裏羽根面などの隙間を、パッキン等を介装することによって調整している（特許文献２参照）。しかし、このような隙間調整機構は、隙間を調整するためのメンテナンスとその管理に手間を要するという問題がある。また、インペラ自体の性能を長く維持させてインペラの寿命を延ばすものではない。

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、従来のセミオープン型インペラを有する渦巻きポンプに比べて、インペラの所期性能を長く維持させて寿命を延ばすことができるセミオープン型インペラを有する渦巻きポンプを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、セミオープン型インペラの羽根の摩耗箇所を仔細に調査したところ、図４（ｃ）に従来形状の羽根１１１での顕著な摩耗箇所を網掛け（符号１１２ｍ）にて示すように、羽根１１１の前面における前縁部１１２の圧力面側外周部１１２ｍにおいて、羽根の厚み方向の面と幅方向の面とがなす角部１１２ｋを起点として摩耗が進行するという知見を得た。

この羽根前面の圧力面側外周部１１２ｍの摩耗が生じる要因は、吸込みカバー内壁面１０７と羽根１１１の前面１１２とが形成する「クリアランス」を流体中の固体粒子が流れるためであり、さらに、羽根の厚み方向の面と幅方向の面とがなす角部１１２ｋ付近に流体中の固体粒子が衝突するためである。特に、圧力面側Ｐｆの羽根外周部１１２ｍ付近の摩耗が進行すると、著しくインペラの所期性能の低下を来たすことが判明した。

そして、図５に羽根の近傍での流体の流れの状況のイメージを示したように、通常は、羽根１１１の圧力面の形状に沿って符号Ｆ１に示すように流体が流れるところ、セミオープン型インペラの羽根の場合は、羽根の形状に沿う流れＦ１の他に、羽根前面１１２と吸込みカバー内壁面１０７の対向する隙間Ｔ（図４（ｃ）参照）を通って隣の流路（非圧力面側）へ向かう分流Ｆ２が生じるため、これにより、羽根前面１１２と吸込みカバー内壁面１０７の隙間Ｔの広がりが大きくなるとそれに応じて分流の流れＦ２の量も益々大きくなる。そのため、羽根の圧力側前面と羽根幅部がなす角部１１２ｋからの摩耗が更に進行することがわかった。なお、図５では、羽根の圧力面側の外周に向かうに連れて摩耗が激しさを増す様子のイメージを二点鎖線にて示している。

これに対し、クローズド型インペラの羽根は、羽根の前面が前面側板に遮られているので、羽根の前面と吸込みカバー内壁面の隙間を通って隣の流路へ向かう分流が生じることがない。これが、クローズド型インペラにおいて、羽根の摩耗を少なくし且つ性能低下を生じさせない決定的な理由である。本発明は、このような知見に基づいて鋭意検討の結果完成したものである。

すなわち、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る渦巻きポンプは、ケーシングと、該ケーシング内に設けられるセミオープン型のインペラとを備え、前記ケーシングは、前記インペラよりも軸方向前面側に設けた吸込みカバーの中央部に形成された吸込口と、前記インペラの径方向外側に設けた吐出口とを有し、前記インペラは、主板と、該主板に吸込口側を向く面に設けられた複数の羽根とを有し、複数の羽根の前縁部が前記吸込みカバーの内壁面に対向して回転する渦巻ポンプであって、前記複数の羽根は、羽根の回転方向に対向する圧力面側に形成された突条部を有し、該突条部は、前記吸込みカバーの内壁面と羽根の前縁部前面との対向隙間を一定に維持しながら前記回転方向に向けて張り出すとともに羽根の前縁部の圧力面側表面積が拡大されるように当該前縁部に沿って形成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る渦巻きポンプによれば、セミオープン型のインペラを備えているので、固体粒子を含有する流体を移送する場合であっても流路が閉塞し難い。そして、インペラの複数の羽根は、羽根の回転方向に対向する圧力面側に形成された突条部を有し、この突条部は、回転方向に向けて張り出すとともに羽根の前縁部に沿って形成され、さらに、吸込みカバーの内壁面と羽根の前縁部前面との対向隙間を一定に維持しながら回転方向に向けて張り出しているため、羽根の圧力面に沿った流れにおいて、羽根の前面と吸込みカバー壁内面の隙間を通って隣の流路へ向かう分流量を少なくすることができる。そして、羽根の前縁部の圧力面側表面積が拡大されるように当該前縁部に沿って形成されているので、羽根の圧力側前面と羽根幅部がなす角部から摩耗が進行することを抑制することができる。

なお、突条部は、いずれは摩耗によって無くなるものであるが、突条部によって隣接する流路への分流量を抑制可能な状態が継続している間は、クリアランス調整を行うことによって、ポンプ性能の安定状態を持続させることができ、また、インペラの摩耗による寿命を延命させることができる。
すなわち、このインペラは、クローズド型のインペラの前部側板（シュラウド）の一部をセミオープン型のインペラの羽根前面の縁部に追加した形状であり、クローズド型の長所とセミオープン型の長所を併せ持つインペラであるともいえる。

ここで、前記突条部は、その基端部が、羽根の圧力面に滑らかな円弧によって連続していれば、性能に著しく悪影響を及ぼさず且つ摩耗に因る寿命を延命する上で好適である。
また、前記突条部は、羽根とは別個の部材からなる耐摩耗金属により形成されており、自身の基端部が羽根の圧力面に嵌め込まれて固定されていれば、突条部の耐摩耗性を向上させる上で好適であり、また、突条部の摩耗に応じ、突条部の部品のみを交換することもできる。

上述のように、本発明によれば、従来のセミオープン型インペラに比べて、性能を長く維持させてインペラの寿命を延ばすことができる。

本発明の一態様に係るセミオープン型インペラを備える渦巻きポンプの一実施形態の説明図であり、同図は軸線に沿った断面を示している。 本発明の一態様に係るセミオープン型インペラの説明図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）での側面視において一部を軸線に沿った断面で示し、（ｃ）は（ａ）でのＺ−Ｚ断面図を示す。 クローズド型インペラの一例を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）での側面視において一部を軸線に沿った断面で示し、（ｃ）は（ａ）でのＺ−Ｚ断面図を示す。 従来のセミオープン型インペラの一例を説明する図であって、本発明に至る知見を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は（ａ）での側面視において一部を軸線に沿った断面で示し、（ｃ）は（ａ）でのＺ−Ｚ断面図を示す。また、同図（ａ）、（ｂ）では、摩耗箇所を二点鎖線にて示す。 従来のセミオープン型インペラの一例に基づき、本発明に至る知見を説明する図であり、同図は、セミオープン型インペラの正面図である。

以下、本発明の一態様に係るセミオープン型インペラを備える渦巻きポンプの一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示すように、この渦巻きポンプ１は、軸方向の前面側（同図の左側）から順に、吸込みカバー６、ケーシング本体８およびケーシング側壁部９を有するケーシング２を備えている。ケーシング２の背面側（同図の右側）には、フレーム５０の上部に載置固定されたハウジング（軸受箱）３０が設けられ、ハウジング３０内に、不図示のモータの駆動により回転自在に回転軸３が支持されている。なお、ハウジング３０は、フレーム５０上の所定位置に、前後二箇所のハウジング押え５２によって固定され、また、ケーシング２のケーシング側壁部９は、その背面が、フレーム５０の前側面に固定されている。

回転軸３の先端３ｓは、ケーシング側壁部９の中央からケーシング２の内部に張り出しており、この回転軸３の先端３ｓにセミオープン型のインペラ（羽根車）１０が片持ち支持されている。インペラ１０の軸方向の背面側には、ケーシング側壁部９とハウジング３０との間に、軸封装置４０が回転軸３を囲繞するように配されている。インペラ１０の軸方向の前面側には吸込口４が上記吸込みカバー６の中央部に形成され、また、インペラ１０の径方向の上方には吐出口５がケーシング本体８の上部に設けられ、インペラ１０の回転により吸込口４から流体Ｆを吸い込んでその流体Ｆを吐出口５から吐出するようになっている。

インペラ１０は、耐摩耗性材料または耐食性材料を使用しており、図２に示すように、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１３の表側の面であって、吸込口４に近い側の面）に設けられた複数の羽根１１を有している。複数の羽根１１は、前縁部１２が吸込みカバー内壁面７に対向して回転する（図１参照）。主板１３の裏面には、軸封装置４０を減圧するための裏羽根１５が設けられている。なお、裏羽根１５とケーシング側壁９の隙間は、フレーム５０上のハウジング３０を、調整ボルト６０を使用して駆動源側へ移動して狭めることにより調整可能になっている。

この例では、図２（ａ）に示すように、複数の羽根１１は、それぞれ主板１３の表側の面に対して４箇所に等配されている。各羽根１１は、主板１３の中心から周方向に向かって渦巻き状に湾曲形成されるとともに、隣接する羽根１１との対向方向の距離が拡幅するように設けられている。隣接する羽根１１同士の間が、移送する流体Ｆの流路になっている。本実施形態では、各羽根１１の湾曲形状、幅寸法および厚さ寸法は、基本的に同一としており性能が同じになっている。

ここで、複数の羽根１１は、羽根の回転方向Ｒに対向する圧力面側Ｐｆに形成された突条部２０を有する。この突条部２０は、回転方向Ｒに向けて張り出すとともに羽根１１の前縁部１２に沿って形成されている。突条部１２の基端部は、同図（ｃ）に示すように、羽根１１の圧力面１１ｆに滑らかな円弧２１によって連続している。この例では、突条部２０の断面形状は、基端部の幅が最も広く、張り出し方向の先端に向かうにつれて幅が狭くなる台形形状となっている。突条部２０の長さと厚み（張り出した高さ）は、性能に著しく悪影響を及ぼさず且つ摩耗に因る寿命を延命することができる範囲で設定する。なお、突条部２０は、羽根１１と一体に形成してもよいし、羽根１１とは別個の部材から形成してもよい。本実施形態では、突条部２０と羽根１１とを一体形成している。

次に、この渦巻ポンプ１の作用・効果について説明する。
この渦巻きポンプ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、複数の羽根１１の遠心力の作用によって流体Ｆを吸込口４から吸い込み、羽根１１の周方向に沿って径方向の外側に向けて揚液して吐出口５から吐出する。
この渦巻きポンプ１によれば、インペラ１０がケーシング２内の回転軸３の先端側に片持ち支持される構成なので、構造が簡単で分解、組み立てが容易であり、製造費用を安くすることができる。また、耐摩耗性材料または耐食性材料をインペラ１０に用いているので、細かい粒子あるいは粗いサンド・礫等の固体粒子を含有する流体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できる。そして、インペラ１０がセミオープン型なので、固体粒子を含有する流体を移送する場合であっても流路が閉塞し難い。

そして、この渦巻きポンプ１によれば、インペラ１０の複数の羽根１１は、羽根１１の回転方向Ｒに対向する圧力面１１ｆの側（Ｐｆ）に形成された突条部２０を有し、この突条部２０は、回転方向Ｒに向けて張り出すとともに羽根１１の前縁部１２に沿って形成されているので、羽根１１の圧力面１１ｆに沿った流れにおいて、羽根１１の前面と吸込みカバー壁内面７の隙間を通って隣の流路へ向かう分流量を少なくすることができる。すなわち、このインペラ１０は、クローズド型のインペラの前部側板（シュラウド）の一部をセミオープン型のインペラの羽根前面の縁部に追加した形状であり、クローズド型の長所とセミオープン型の長所を併せ持つインペラであるともいえる。

したがって、羽根１１の圧力側前面と羽根幅部がなす角部（図４（ｃ）における符号１１２ｋで示す角部を参照）から摩耗が進行することを抑制することができる。よって、上述した「クリアランス」を調整するためのメンテナンスとその管理に手間を大きく軽減することができる。また、この突条部２０は、いずれは摩耗によって無くなるものであるが、突条部２０によって隣接する流路への分流量を抑制可能な状態が継続している間は、クリアランス調整を行うことによって、ポンプ性能の安定状態を持続させることができ、また、インペラ１０の摩耗による寿命を延命させることができる。

以上説明したように、この渦巻きポンプ１によれば、インペラの所期性能を長く維持させて寿命を延ばすことができる。なお、本発明に係る渦巻きポンプは、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。
例えば、上記実施形態では、突条部２０を羽根１１と一体形成した例で説明したが、これに限定されず、突条部２０を羽根１１とは別個の部材から形成してもよい。

例えば、突条部２０を、羽根１１とは別個の部材からなる耐摩耗金属により形成して、その基端部が羽根１１の圧力面１１ｆに嵌め込まれて固定された構成とすることは好ましい。このような構成であれば、突条部２０の耐摩耗性を向上させる上で好適であり、また、突条部２０の摩耗に応じ、突条部２０の部品のみを交換することもできる。

１ 渦巻きポンプ
２ ケーシング
３ 回転軸
４ 吸込口
５ 吐出口
６ 吸込みカバー
７ 吸込みカバー内壁面
８ ケーシング本体
９ ケーシング側壁部
１０ インペラ（羽根車）
１１ 羽根
１２ 羽根の前縁部
１３ 主板
１５ 裏羽根
２０ 突条部
２１ 円弧
３０ ハウジング（軸受箱）
４０ 軸封装置
５０ フレーム
５２ ハウジング押え
６０ 調整ボルト
Ｆ 流体
Ｆ１ 羽根の圧力面に沿った流れ
Ｆ２ 隣の流路へ向かう分流の流れ
Ｒ 羽根の回転方向
Ｐｆ 羽根の圧力面側
Ｐｒ 羽根の圧力面側とは反対の側
Ｔ 羽根前面と吸込みカバー内壁面の隙間（クリアランス）

Claims (3)

1. ケーシングと、該ケーシング内に設けられるセミオープン型のインペラとを備え、前記ケーシングは、前記インペラよりも軸方向前面側に設けた吸込みカバーの中央部に形成された吸込口と、前記インペラの径方向外側に設けた吐出口とを有し、前記インペラは、主板と、該主板に吸込口側を向く面に設けられた複数の羽根とを有し、複数の羽根の前縁部が前記吸込みカバーの内壁面に対向して回転する渦巻ポンプであって、
   前記複数の羽根は、羽根の回転方向に対向する圧力面側に形成された突条部を有し、該突条部は、前記吸込みカバーの内壁面と羽根の前縁部前面との対向隙間を一定に維持しながら前記回転方向に向けて張り出すとともに羽根の前縁部の圧力面側表面積が拡大されるように当該前縁部に沿って形成されていることを特徴とする渦巻ポンプ。
2. 前記突条部は、その基端部が、羽根の圧力面に滑らかな円弧によって連続していることを特徴とする請求項１に記載の渦巻ポンプ。
3. 前記突条部は、羽根とは別個の部材からなる耐摩耗金属により形成されており、自身の基端部が羽根の圧力面に嵌め込まれて固定されていることを特徴とする請求項１に記載の渦巻ポンプ。

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