JP6539182B2 - 遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は遠心ポンプの揚程特性に関する。

遠心ポンプは最も一般的に使用されており、近年、地球温暖化を防止する観点よりポンプの省エネが求められている状況において、効率改善と軸動力低減が最も求められる機器の一つである。

先行技術はポンプの羽根車へ流入する水流が旋回流になるようにする技術であり、羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流の場合に揚程が減少し、逆方向の旋回流の場合は揚程が増加することが示されている。

特許第３１２７２７０号公報

遠心ポンプの揚程特性は図５に示すとおり、横軸に流量、縦軸に揚程をとり特性を示すと、流量の増加に反比例して揚程が下がる、所謂、「右下がり特性」になっている。一方、ポンプに求められる現地の揚程特性は流量増加に対して平坦な揚程特性であり、これを実現するため給水装置ではインバータによるポンプの回転速度制御が行われ、所謂、「吐出し圧力一定」の揚程特性を実現している。

各種の用途に使われるポンプはポンプ単体で使用されている場合が圧倒的に多く、それらを給水装置に置き換えることは、既設配管との取り合いの違い、スペース不足の点で困難である。したがって、ポンプの揚程特性そのものの改善が求められている。このような背景に鑑み、ポンプ単体の揚程特性を平坦な特性にする技術として特許文献１がある。

しかしながら，先行技術はポンプの吸い込み口に渦室を設けるものでありポンプの外形寸法が従来の一般的なポンプに比べて大きくなること、ポンプ吸込ノズルと吐出しノズルの位置関係が従来の一般的なポンプより大きくなるため、ポンプを交換するときに既設の配管に接続できない、という問題がある。

本発明の課題は，従来の一般的なポンプの外形寸法を変えることなく、ポンプの羽根車へ流入する水流を旋回流にする技術を提供することである。

上記の課題を解決するため本発明は，ポンプケーシング内において羽根車を軸の周りに回転駆動させることにより揚程を得る遠心ポンプにおいて、前記ポンプケーシングの吸込部において、前記羽根車が設けられた軸の周りを回転する案内羽根と、 前記ポンプケーシングの吸込部に設けられ、前記案内羽根の回転を制御する部品と、を備え、前記部品は、遠心ポンプの吐出側の圧力により、前記案内羽根の回転を制御する構成とする。

本発明によれば、従来技術のポンプの外形寸法を変えることなく、ポンプの運転点に応じてポンプ羽根車に流入する水流を旋回流にすることができるので、ポンプの揚程特性を平坦にすることができる。

本発明の遠心ポンプの断面図 本発明の案内羽根の概観図 本発明の筒形部品の作用を示す説明図 本発明の案内羽根の作用を示す説明図 遠心ポンプの揚程特性を示す図

図１に本発明のポンプの断面図を示す。羽根車が取り付けられている軸1は吸込ノズル２の近傍まで延長されている。軸の延長部分にはパッド３、案内羽根（Ａ）４、ワッシャ（Ａ）５、案内羽根（Ｂ）６、ワッシャ（Ｂ）７が取り付けられ、軸先端部はナット８でワッシャ（Ｂ）７が固定されている。図２は案内羽根（Ａ）４の概観図を示す。

案内羽根（Ａ）４はボス４１の周りに複数枚の羽根４２を持ち、羽根４２の外周端にバンド４３を有している。図１に示すように案内羽根（Ａ）４のボスの軸穴の内径と軸の外径はギャップが設けられており、案内羽根（Ａ）４は軸を中心に自由に回転できる構造になっている。案内羽根（Ａ）４のボス４１の端面は凸になっており、ワッシャ（Ａ）５、ワッシャ（Ｂ）７との接触面積が小さくなるように作られている。案内羽根（Ａ）４の羽根の向きは、案内羽根（Ａ）４が固定されたときに、案内羽根（Ａ）４を通過して羽根車へ流入する水流が、羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流となるように作られている。実施例では羽根枚数は10枚であるが、ポンプの仕様によって最適な枚数は異なる。

案内羽根（Ｂ）６は案内羽根（Ａ）４と同様の構造になっているが、羽根の向きと角度が案内羽根（Ａ）４と異なる。案内羽根（Ｂ）６の羽根６２の向きは、案内羽根（Ｂ）６が固定されたときに、案内羽根（Ｂ）６を通過して羽根車へ流入する水流が、羽根車の回転方向と逆方向の旋回流となるように作られている。

案内羽根（Ａ）４と相対する軸方向位置におけるポンプケーシング吸込部の円周上の４箇所には穴（Ａ）９が設けられ、各々の穴（Ａ）９には案内羽根（Ａ）４の回転制御を行う筒形部品（Ａ）１０が取り付けられている。筒形部品（Ａ）１０は筒の中に円筒部品（Ａ）１０１がバネで支えられている。円筒部品（Ａ）１０１はバネで支えられている面の反対側の端面に力が作用すると、軸中心に向かって動くことができるようになっている。筒形部品（Ａ）１０は細い配管１１でケーシング吐出し側とつながっており、吐出し圧力が配管１１を介して円筒部品（Ａ）１０１の外周側端面に作用する構造になっている。円筒部品（Ａ）１０１の外周側端面に作用する吐出し圧力はバネ力と相殺する関係にあるが、吐出し圧力がポンプの運転状態により変化するので、それに対応して円筒部品（Ａ）１０１は図１−Ｂの中で上下に動くようになる。バネ力の強さは、ポンプが最高効率点で運転しているときの吐出し圧力と均衡するように作られており、この状態で円筒部品（Ａ）１０１の内径側端面がポンプケーシング吸込部の内面１４と一致するように円筒部品（Ａ）１０１が作られている。

案内羽根（Ｂ）６と相対する軸方向位置におけるポンプケーシング吸込部の円周上の４箇所には穴（Ｂ）１２が設けられ、各々の穴（Ｂ）１２には案内羽根（Ｂ）６の回転制御を行う筒形部品（Ｂ）１３が取り付けられている。筒形部品（Ｂ）１３は筒形状であり、筒の中に円筒部品（Ｂ）１３１がバネで支えられている。円筒部品（Ｂ）１３１はバネで支えられている面の反対側の端面に力が作用すると、外周側に向かって動くことができるようになっている。筒形部品（Ｂ）１３は細い配管１１でケーシング吐出し側とつながっており、吐出し圧力が配管を介して円筒部品（Ｂ）１３１の端面に作用する構造になっている。円筒部品（Ｂ）１３１のバネ力の強さは、円筒部品（Ａ）１０１と同様にポンプが最高効率点で運転しているときの吐出し圧力と均衡するように作られており、この状態で円筒部品（Ｂ）１３１の内径側端面がポンプケーシング吸込部の内面と一致するように円筒部品（Ｂ）１３１が作られている。

このような構造になっているので、図３−Ａに示すようにポンプが停止しているときは吐出し圧力が０なので、筒形部品（Ａ）１０の円筒部品（Ａ）１０１はバネ力により外周側へ押し出されている。円筒部品（Ａ）１０１の内径側端面は案内羽根（Ａ）４のバンド外周面と接触しないので、案内羽根（Ａ）４は軸を中心に自由に回転できる。

一方、筒形部品（Ｂ）１３ではバネ力が円筒部品（Ｂ）１３１を軸中心に向かって押し下げるので、円筒部品（Ｂ）１３１の内径側端面は案内羽根（Ｂ）６のバンド外周面と接触する。円筒部品（Ｂ）１３１が押圧部として案内羽根（Ｂ）６の回転を制御する。即ち、接触摩擦力により案内羽根（Ｂ）６は固定され回転しない。

次にポンプが運転されて最高効率点の状態では、図３−Ｂに示すように、バネ力と吐出し圧力は均衡しているので、円筒部品（Ａ）１０１、円筒部品（Ｂ）１３１ともに内径側端面はポンプケーシング内面１４と同じ位置になる。したがって、案内羽根（Ａ）４、案内羽根（Ｂ）６ともに固定されないので軸を中心に自由に回転することができる。

ポンプが最高効率点で運転されているときは、案内羽根（Ａ）４、案内羽根（Ｂ）６ともに水流の力によって自由に回転する。このときの速度三角形を図４−Ａに示す。案内羽根（Ａ）４と案内羽根（Ｂ）６は羽根の向きが逆で羽根角度も異なるが、各々の羽根入口角度と羽根出口角度は同じ角度で作られている。したがって、図４−Ａに示すとおり、案内羽根を通過する前と通過した後の速度三角形は同じになる。即ち、入口速度ベクトルＶ１は出口速度ベクトルＶ２と同じであるので、案内羽根を通過して羽根車へ流入する水流は旋回流にならない。

次にポンプの運転点が最高効率点の流量(Qd)よりも少ない流量(Qmin)で運転されている状態の案内羽根（Ａ）４、案内羽根（Ｂ）６の作用を説明する。流量Qminの吐出し圧力は流量Qdの吐出し圧力よりも大きい。図３−Ｃに示すとおり、筒形部品（Ａ）１０では円筒部品（Ａ）１０１の外側端面に作用する力がバネ力よりも大きくなるので、円筒部品（Ａ）１０１の内側端面は案内羽根（Ａ）４のバンド外周面と接触し、接触摩擦により案内羽根（Ａ）４は固定される。そうすると案内羽根（Ａ）４は水流の向きを羽根の方向へ変えるように作用するので、速度三角形は図４−Ｂになる。即ち、出口速度ベクトルＶ２は周方向速度成分Ｖｕ２を持つので、羽根車へ流入する水流は旋回流になる。

筒形部品（Ｂ）１３では円筒部品（Ｂ）１３１の端面に作用する力がバネ力よりも大きくなるので、円筒部品（Ｂ）１３１は外側に押し付けられ、案内羽根（Ｂ）６は水流により自由に回転し、ポンプが最高効率点で運転されたときと同じく、水流は案内羽根（Ｂ）６を通過しても流れの向きは変わらない。

次にポンプの運転点が最高効率点の流量(Qd)よりも大きい流量(Qmax)で運転されている状態の案内羽根Ａ、案内羽根Ｂの作用を説明する。流量Qmaxの吐出し圧力は流量Qdの吐出し圧力よりも小さい。この状態は、吐出し圧力が０と同様になるので図３−Ａに示すように、筒形部品（Ｂ）１３では円筒部品（Ｂ）１３１の端面に作用する力がバネ力よりも小さくなるので、円筒部品（Ｂ）１３１は軸中心に向かって押し下げられ、円筒部品（Ｂ）１３１の内側端面は案内羽根（Ｂ）６のバンド外周面と接触し、接触摩擦により案内羽根（Ｂ）６は固定される。そうすると案内羽根（Ｂ）６は水流の向きを羽根の方向へ変えるように作用するので、速度三角形は図４−Ｃになる。即ち、出口速度ベクトルＶ２は周方向速度成分Ｖｕ２を持つので、羽根車へ流入する水流は旋回流になる。

筒形部品（Ａ）１０では円筒部品（Ａ）１０１の外側端面に作用する力がバネ力よりも小さくなるので、円筒部品（Ａ）１０１はバネ力により外側に押し付けられ、案内羽根（Ａ）４は水流により自由に回転し、ポンプが最高効率点で運転されたときと同じく、水流は案内羽根（Ａ）４を通過しても流れの向きは変わらない。

ここで、羽根車へ流入する水流が旋回流のときに羽根車の揚程特性に与える影響について説明する。ポンプの揚程は「オイラーのポンプの式」で定義される。(1)式に示す。
Ｈ＝η／ｇ×（Ｕ２×Ｖｕ２−Ｕ１×Ｖｕ１）……(1)
ここに、Ｈは揚程、ηはポンプ効率、ｇは重力加速度、Ｕ２は羽根車出口の周速度、Ｖｕ２は羽根車出口の水流の周方向速度、Ｕ１は羽根車入口の周速度、Ｖｕ１は羽根車入口の水流の周方向速度である。

従来技術のポンプでは、羽根車へ流入する水流は流量の大小に係わらず旋回流無しでまっすぐ羽根車へ流入するからＶｕ１＝０である。
∴Ｈ＝η／ｇ×Ｕ２×Ｖｕ２＝Ｈ０……(2)
ここで旋回流無しの揚程をＨ０とする。

本発明では、羽根車の上流に案内羽根Ａ、案内羽根Ｂが設けられており、ポンプが運転される流量の大小により、羽根車へ流入する水流の向きが変わる。最高効率点では羽根車へ流入する水流は案内羽根Ａ、案内羽根Ｂを通過しても水流の向きは変わらずまっすぐに羽根車へ流入するから、このときの揚程ＨｄはＨｄ＝Ｈ０である。

次にポンプ最高効率点の流量Qdよりも少ない流量Qminでポンプが運転される場合は、水流は案内羽根Ａを通過することにより向きを変えられて、羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流として羽根車へ流入するのでＶｕ１＞０、
Ｈｍｉｎ＝η／ｇ×（Ｕ２×Ｖｕ２−Ｕ１×Ｖｕ１）……(3)である。
旋回流無しの揚程と比較するため、(3)式から(2)式を引くと、
Ｈｍｉｎ−Ｈ０＝−Ｕ１×Ｖｕ１、∴Ｈｍｉｎ＝Ｈ０−Ｕ１×Ｖｕ１
したがって、流量Qminの揚程Ｈｍｉｎは旋回流無しの揚程Ｈ０よりもＵ１×Ｖｕ１だけ小さくなる。

次にポンプ最高効率点の流量Qdよりも大きい流量Qmaxでポンプが運転される場合は、水流は案内羽根Ｂを通過することにより、羽根車の回転方向と逆方向の旋回流として羽根車へ流入するのでＶｕ１＜０、
Ｈｍｉｎ＝η／ｇ×（Ｕ２×Ｖｕ２＋Ｕ１×Ｖｕ１）……(4)である。
旋回流無しの揚程と比較するため、(4)式から(2)式を引くと、
Ｈｍａｘ−Ｈ０＝＋Ｕ１×Ｖｕ１、∴Ｈｍａｘ＝Ｈ０＋Ｕ１×Ｖｕ１
したがって、流量Qmaxの揚程Ｈｍａｘは旋回流無しの揚程Ｈ０よりもＵ１×Ｖｕ１だけ大きくなる。

以上説明したとおり、本発明によればポンプ最高効率点を境に、ポンプ最高効率点の流量Qdよりも少ない流量Qminでポンプが運転される場合は、羽根車へ流入する水流が案内羽根Ａにより羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流になるので、水流がまっすぐに羽根車へ流入する従来技術のポンプに比べて揚程が小さくなる。

一方、ポンプ最高効率点の流量Qdよりも大きい流量Qmaxでポンプが運転される場合は、羽根車へ流入する水流が案内羽根Ｂにより羽根車の回転方向と逆方向の旋回流になるので、水流がまっすぐに羽根車へ流入する従来技術のポンプに比べて揚程が大きくなる。

したがって、本発明によるポンプの揚程特性は、図５に示すとおり従来技術のポンプに比べ平坦な特性になる。ここで、ポンプが必要とする動力Ｌｐは(5)式で示される。
Ｌｐ＝ρ×ｇ×Ｑ×Ｈ……(5)
ここに、ρは水の密度、ｇは重力加速度、Ｑは流量、Ｈは揚程である。

本発明によるポンプの軸動力は、従来技術のポンプの軸動力に比べ、最高効率点の流量よりも小さい流量では揚程が小さくなるので軸動力も小さくなり、省エネでポンプを運転できる。また、最高効率点の流量よりも大きい流量では揚程が大きくなるのでポンプの運転範囲を広げることができる。

このように、本発明によれば従来技術のポンプと同じ外形寸法で羽根車へ流入する水流を旋回流にすることができるので、既設のポンプと交換することができ、既設ポンプ設備の省エネ化、運転範囲の拡大を図ることができる。

さらに案内羽根（Ａ）４、案内羽根（Ｂ）６の効果を詳細に調べるため、流れ解析によるシミュレーションを実施した。その結果、従来技術のポンプでは、ポンプ最高効率点の流量よりも少ない流量になると、羽根車へ流入する水流の羽根車に対する入射角度が小さくなり、水流の向きが羽根の向きよりも小さくなるため、剥離が生じて圧力損失が大きくなるのに対し、本発明では水流が羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流になるので、水流の羽根車に対する入射角度は最高効率点の流量の場合と同様になり、水流の向きと羽根の向きがほぼ一致するので圧力損失が発生せず、従来技術のポンプの比べ効率が高くなることが分かった。

また、ポンプ最高効率点の流量よりも大きい流量になると、羽根車へ流入する水流の羽根車に対する入射角度が大きくなり、水流の向きが羽根の向きよりも大きくなるため、剥離が生じて圧力損失が大きくなるのに対し、本発明では水流が羽根車の回転方向と逆方向の旋回流になるので、水流の羽根車に対する入射角度は最高効率点の流量の場合と同様になり、水流の向きと羽根の向きが一致するので圧力損失が発生せず、従来技術のポンプの比べ効率が高くなることが分かった。

尚、本実施例では、案内羽根（Ａ）４、案内羽根（Ｂ）６の２つを設けているが、流量に応じていずれか一方だけ設けることも可能である。

以上をまとめると、本発明においては、遠心ポンプの軸を吸込ノズルの近傍まで延長し、延長した軸に案内羽根を取り付け、案内羽根は軸に対し独立しており、軸を中心に自由に回転するように設けられている。案内羽根は外周端にバンドを有している。ポンプが運転すると水は案内羽根に流入する。軸に支持されて軸を中心に自由に回転することができる案内羽根は、水流の力を受けて軸を中心に回転する。

ポンプケーシングの吸込部には、案内羽根のバンドと相対する軸方向位置の円周上に複数個の穴が開いており、穴には筒形部品が取り付けられており、筒形部品の内部には凸形状の円筒部品がＯリングで筒形部品に支えられており、さらに、円筒部品を軸の半径方向外向きに円筒部品を押し上げるばねが設けられている。

また、筒形部品には継手が取り付けられており、継手は細い配管でポンプ吐出し側のケーシングとつながっている。ポンプ吐出し側の水圧は細い配管を介して円筒部品の外側端面に作用する。

ばね力は、ポンプ最高効率点の吐出し圧力が円筒部品に作用したときに、ばね力と圧力が均衡するように設定されている。そして、円筒部品の内径側端面はケーシング内面と一致するように作られている。

ポンプの運転点がポンプ最高効率点の流量よりも少ない流量に移ると、吐出し揚程は最高効率点の吐出し揚程よりも大きくなる。これにより筒形部品の内部の凸形状の円筒部品の外側端面に作用する水圧が大きくなり、円筒部品を支えているばね力よりも外側端面に作用する力が大きくなると、円筒部品はポンプの軸中心方向に押し出される。そうすると、円筒部品の内側端面が案内羽根バンドの外周面に接触する。案内羽根バンド外周面を押す円筒部品の力は水圧の上昇に比例して大きくなり、円筒部品の内側端面と案内羽根バンド外周面の接触摩擦が増大する。その結果、水流により自由に回転している案内羽根は、接触摩擦の増大するにつれ、即ち、ブレーキがかかることにより、回転速度が遅くなり、最終的に案内羽根は固定され回転を停止する。

以上の通り、本発明によれば、図５に示すように、ポンプ最高効率点を境に、ポンプ最高効率点の流量よりも少ない流量では従来技術に比べ揚程を小さくすることができ、ポンプ最高効率点の流量よりも大きい流量では従来技術に比べ揚程を大きくすることができるので、従来技術に比べ揚程が平坦な特性になり、ポンプの省エネ化、運転範囲の拡大を図ることができる。さらに、ポンプ最高効率点の流量より小さい流量及び大きい流量の何れにおいても従来技術に比べポンプ効率が高くなるので、広い運転範囲に渡って高効率なポンプを提供することができ、より一層の省エネ化を図ることができる。

１ 軸
２ ポンプケーシング吸込ノズル
３ パッド
４ 案内羽根Ａ
４１ 案内羽根Ａのボス
４２ 案内羽根Ａの羽根
４３ 案内羽根Ａのバンド
５ ブッシュＡ
６ 案内羽根Ｂ
６１ 案内羽根Ｂのボス
６２ 案内羽根Ｂの羽根
６３ 案内羽根Ｂのバンド
７ ブッシュＢ
８ ナット
９ 穴Ａ
１０ 筒形部品Ａ
１０１ 部品Ａの円筒部品
１１ 細い配管
１２ 穴Ｂ
１３ 筒形部品Ｂ
１３１ 部品Ｂの円筒部品
１４ ポンプケーシング吸込部の内面
２０ 羽根車

Claims (9)

1. ポンプケーシング内において羽根車を軸の周りに回転駆動させることにより揚程を得る遠心ポンプにおいて、
   前記ポンプケーシングの吸込部において、前記羽根車が設けられた軸の周りを回転する案内羽根と、
   前記ポンプケーシングの吸込部に設けられ、前記案内羽根の回転を制御する部品と、を備え、
   前記部品は、遠心ポンプの吐出側の圧力により、前記案内羽根の回転を制御することを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記案内羽根は、前記羽根車へ流入する水流を、ポンプ最高効率点の流量より少ない流量のときは、前記羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流に変更し、ポンプ最高効率点の流量より大きい流量のときは、前記羽根車の回転方向と逆方向の旋回流に変更し、前記旋回流の旋回強さは、運転流量とポンプ最高効率点の流量との差に比例して強くなるように、前記羽根車へ流入する水流を変えることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記案内羽根は前記軸の周りに二段に構成され、それぞれ羽根の向きを異ならせて設置されることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
4. 二段に構成された前記案内羽根の一方はポンプの運転流量がポンプ最高効率点の流量よりも少ない流量のときに固定されることで前記羽根車へ流入する水流が羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流に変更し、他方はポンプの運転流量がポンプ最高効率点の流量よりも大きい流量のときに固定されることで、前記羽根車へ流入する水流が羽根車の回転方向と逆方向の旋回流に変更されることを特徴とする請求項３に記載の遠心ポンプ
5. 前記部品には、バネが設けられており、そのバネ力は、ポンプが最高効率点で運転しているときの吐出圧力と均衡することを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
6. 前記案内羽根には周囲にバンド部が形成され、前記部品の一部が、前記バンド部を押圧することで、前記案内羽根の回転にブレーキをかけて固定することを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
7. 前記案内羽根は前記軸から独立しており軸を中心に自由に回転できる構造であり、前記案内羽根のボスには複数枚の羽根が取り付けられ、前記羽根の向きは案内羽根が固定されたときに案内羽根を通過する水流が羽根車の回転方向と同じ方向の旋回流になるように構成され、前記羽根の外周端にバンドを有し、前記ポンプケーシングの吸込部には、前記案内羽根の前記バンドと相対する軸方向位置の円周上に前記部品が取り付けられており、前記部品はポンプの運転流量がポンプ最高効率点の流量よりも少ない流量のときは、前記案内羽根の前記バンドに対しブレーキをかけて前記案内羽根を固定することを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
8. 前記案内羽根は前記軸から独立しており軸を中心に自由に回転できる構造であり、前記案内羽根のボスには複数枚の羽根が取り付けられ、前記羽根の向きは案内羽根が固定されたときに案内羽根を通過する水流が羽根車の回転方向と逆方向の旋回流になるように構成され、前記羽根の外周端にバンドを有し、前記ポンプケーシングの吸込部には、前記案内羽根の前記バンドと相対する軸方向位置の円周上に前記部品が取り付けられており、前記部品はポンプの運転流量がポンプ最高効率点の流量よりも大きい流量のときは、前記案内羽根の前記バンドに対しブレーキをかけて前記案内羽根を固定することを特徴とする請求項１記載の遠心ポンプ。
9. 前記ブレーキの強さが、前記運転流量と前記ポンプ最高効率点の流量との差に比例して強くなることを特徴とする請求項７または８に記載の遠心ポンプ。
   

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