JP6702841B2 - 両吸込ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止する機能を具備した両吸込ポンプに関するものである。

両吸込ポンプの主要部は、輸送される液体の配管系につながるケーシングと、ケーシング内に配置された両吸込羽根車と、羽根車を回転駆動する主軸とから構成される。モータ等の駆動機によって主軸および羽根車が回転駆動されると、液体はケーシングの吸込口から吸い込まれ、両吸込羽根車の両側にある吸込口からそれぞれ羽根入口部に流入し、羽根車の遠心力により複数の羽根間の流路を内側から外側に向かって流れ、ケーシングの吐出口から吐出される。

両吸込ポンプは、高速で回転する羽根車によって液体にエネルギーを与え、液体の圧力を上げて押し出す機械と云えるが、ある部分では液体の圧力を下げる機械でもある。河川等の水をポンプで吸い込む際に、ポンプの入口部の圧力が河川等の中の取水口の静圧より低くなければ、そもそも水を吸い込むことはできない。そして、水がポンプ本体に吸い込まれた後に、羽根車の作用で水の圧力が高まる。このポンプ入口部近傍の圧力が低下する箇所で静圧が飽和蒸気圧まで低下すると、キャビテーションが発生する。

岡村共由、"ポンプのキャビテーション（損傷を中心として）"［online］、平成１８年１１月２２日、ターボ機械協会第７２回セミナー、［平成２８年７月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://kamome.lib.ynu.ac.jp/dspace/bitstream/10131/3946/1/okamura-01.pdf＞

このように、ポンプにおける代表的なキャビテーションは、ポンプ入口部、すなわち、羽根車の羽根入口部において、液体が羽根車に入るときに圧力が低下することによって液体の飽和蒸気圧以下となり、蒸発現象によりキャビティ（気泡）を発生することにより生じるものである。発生したキャビティ（気泡）は、成長し、そして圧力の回復に伴ってつぶれるが、このキャビティ（気泡）がつぶれる際に羽根車やケーシングの壁面に損傷を与える。この現象はキャビテーションエロージョン（キャビテーション壊食）と呼ばれ、ポンプの大型化、高速化を阻む大きな原因となってきた。

両吸込ポンプは、羽根車が左右対称に配置された両吸込羽根車を備え、各羽根車における羽根の表裏は、圧力が上昇する圧力面と、圧力が低下する負圧面に区別されるが、各羽根車でキャビテーションが発生しやすい面は圧力が低下する負圧面（羽根裏側）である。したがって、キャビテーションが発生しやすい箇所は、最も液体の圧力が低下しやすい箇所の一つである羽根車の羽根入口部の負圧面（羽根裏側）であると云える。

従来にあっては、キャビテーション壊食に対して、羽根車の交換が行われていた。これに対して、最近では羽根車に耐久皮膜材等を溶射し、羽根車の寿命延長が試されている。この耐久皮膜材溶射は試験的であり効果については不明であり、キャビテーション壊食をゼロにすることはできないという問題点がある。

本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、羽根車の外形形状を変更する設計を必要とせず、きわめて簡易な手段によって、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止することができる両吸込ポンプを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明の両吸込ポンプは、ケーシング内に配置された両吸込羽根車と、該両吸込羽根車を回転駆動する主軸とを備えた両吸込ポンプにおいて、前記両吸込羽根車は、中心部に主軸が連結されるボス部を有した円板状の主板と、該主板の両側面にそれぞれ配列され径方向に弧状に延びる複数の羽根とを備え、前記主板は、前記ボス部の内部に形成された環状空間と、前記主板の外周縁から前記環状空間まで半径方向に延びる半径方向貫通孔と、前記主板の両側面から前記環状空間まで軸方向に延びる貫通孔であって前記各羽根の入口部の負圧面に沿って形成されている複数の軸方向貫通孔とを備え、前記両吸込羽根車で昇圧された液体の一部を前記半径方向貫通孔、前記環状空間および前記軸方向貫通孔を介して羽根車の吸込側に戻すようにしたことを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記複数の軸方向貫通孔の１つは、前記各羽根の入口に接するか又は近接して設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記各羽根の入口は、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ１の円上に位置し、前記各羽根の入口に接するか又は近接して設けられている前記軸方向貫通孔は、貫通孔の直径をｄとすると、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ２＝（Ｄ１−ｄ）〜（Ｄ１−２．４ｄ）の円上に位置していることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の軸方向貫通孔は、前記主板の側面と負圧面との交線と、前記複数の軸方向貫通孔の中心を通る弧状の曲線との間隔ＬがＬ＝（０．５〜１．２）ｄに設定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の軸方向貫通孔のうち、相隣接する軸方向貫通孔の中心間の距離Ｒは、Ｒ＝（２．５〜３）ｄに設定されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記主板に対向して、該主板とともに前記複数の羽根を挟持する環状の側板を設け、該側板は中央部に吸込口を備えることを特徴とする。

本発明によれば、両吸込羽根車の主板に、環状空間と、主板の外周縁から環状空間まで延びる半径方向貫通孔と、各羽根の入口部の負圧面に沿って複数の軸方向貫通孔とを形成するだけで、羽根入口部におけるキャビティ（気泡）の発生を抑制または防止することができる。したがって、以下に列挙する効果を奏する。
１）羽根車の外形形状を変更する設計を必要とせず、貫通孔を設けるだけというきわめて簡易な手段によって、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止することができる。
２）キャビテーション壊食による羽根車の損傷を軽減し、羽根車の長寿命化を達成できる。
３）キャビティの発生を抑制又は防止することにより、羽根入口部にはキャビティの成長による空洞部が無くなり、円滑な液体の流れが可能となり、吸込性能を向上させることができる。
４）低ＮＰＳＨに適した羽根車の開発および設計に有効な手段となる。
５）なお、両吸込羽根車は、主板のボス部の内部に軽量化を図る等の理由から環状空間を形成している場合が多いため、この元からある環状空間を利用すればよい。

図１は、本発明の両吸込ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。 図２は、図１に示す両吸込ポンプの両吸込羽根車の拡大断面図である。 図３は、両吸込羽根車を吸込側から見た図であり、一方の側板を除去して主板上に配置された数枚の羽根と他方の側板とを示す正面図である。 図４は、図３の要部拡大図である。

以下、本発明に係る両吸込ポンプの実施形態を図１乃至図４を参照して説明する。図１乃至図４において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明の両吸込ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。図１に示すように、両吸込ポンプは、ケーシング１と、ケーシング１内に配置された両吸込羽根車２と、両吸込羽根車２を回転駆動する主軸３とを備えている。両吸込ポンプはバレル１０内に設置されている。ケーシング１には、上ベルマウス４と下ベルマウス５とが固定されている。両吸込羽根車２は、軸方向から液体を吸い込み半径方向に吐き出す遠心羽根車を背面対向させた形状になっている。両吸込羽根車２は、中央にある円板状の主板（仕切り板）２１と、主板２１の左右に配設された環状の側板２２，２２と、主板２１の両側面にそれぞれ配列された数枚の螺旋状の羽根２３とを備えたクローズド形の両吸込羽根車から構成されている。前記数枚の螺旋状の羽根２３は、主板２１と各側板２２とに挟持されている。

両吸込羽根車２の主板２１の中央部には、左右対称の肉厚部からなるボス部２１ａが形成されており、このボス部２１ａがキー３１により主軸３に固定されることにより、両吸込羽根車２が主軸３に固定されている。主軸３は上下の軸受ユニット３２，３３により支持されている。両吸込羽根車２の各側板２２の中央部には、前方に突出する円筒状の吸込部２２ａが形成されており、この吸込部２２ａの内部が吸込口２２ｓになっている。各側板２２の吸込部２２ａの外周側には、ライナーリング２５が配置されている。主板２１の両側面に配列された各羽根２３は、側板側においては吸込部２２ａの前端部近傍から側板２２の外周端まで、および主板側においては径方向中間部位から主板２１の外周縁を越えて径方向に螺旋状（又は弧状）に延びている。主板２１のボス部２１ａの中央部には、環状空間２１Ｓが形成されている。主板２１には、主板２１の両側面から環状空間２１Ｓまで軸方向に延びる複数の軸方向貫通孔２１ａｈが形成されている。複数の軸方向貫通孔２１ａｈは、羽根２３の半径方向内端（すなわち羽根入口）の近傍から羽根２３に沿って径方向に所定の範囲まで間隔をおいて形成されている。したがって、環状空間２１Ｓは軸方向貫通孔２１ａｈを介して両吸込羽根車２の各吸込側に連通している。また、主板２１には、主板２１の外周縁から環状空間２１Ｓまで半径方向に延びる複数の半径方向貫通孔２１ｒｈが形成されている。

図２は、図１に示す両吸込ポンプの両吸込羽根車２の拡大断面図である。図２に示すように、両吸込羽根車２は、中央にある円板状の主板（仕切り板）２１と、主板２１の左右に配設された環状の側板２２，２２と、主板２１の両側面にそれぞれ配列された数枚の螺旋状の羽根２３とを備えたクローズド形の両吸込羽根車から構成されている。前記数枚の螺旋状の羽根２３は、主板２１と各側板２２とに挟持されている。主板２１の両側面に配列された各羽根２３は、側板側においては吸込部２２ａの前端部近傍から側板２２の外周端まで、および主板側においては主板２１の径方向中間部位から主板２１の外周縁を越えて径方向に螺旋状（又は弧状）に延びている。主板２１のボス部２１ａの中央部には、環状空間（中空部）２１Ｓが形成されている。主板２１には、主板２１の両側面から環状空間２１Ｓまで軸方向に延びる複数の軸方向貫通孔２１ａｈが形成されている。複数の軸方向貫通孔２１ａｈは、羽根２３の半径方向内端（すなわち羽根入口）の近傍から羽根２３に沿って径方向に所定の範囲まで間隔をおいて形成されている（後述する）。したがって、環状空間２１Ｓは軸方向貫通孔２１ａｈを介して両吸込羽根車２の各吸込側に連通している。また、主板２１には、主板２１の外周縁から環状空間２１Ｓまで半径方向に延びる複数の半径方向貫通孔２１ｒｈが形成されている。

図３は、両吸込羽根車２を吸込側から見た図であり、一方の側板２２を除去して主板２１上に配置された数枚の羽根２３と他方の側板２２とを示す正面図である。図４は、図３の要部拡大図である。両吸込羽根車２においては、主板２１の一側面に配置された数枚の羽根２３と、主板２１の他側面に配置された数枚の羽根２３とは鏡面対称になっているため、主板２１の一側面側の構成のみについて説明する。
図３に示すように、主板２１上には、数枚の羽根２３が固定されている。羽根２３は円周方向に等ピッチで配置され、図示例では羽根２３の枚数は６枚に設定されている。図３において、両吸込羽根車２の回転方向は時計方向であり、回転の向きに対して羽根２３の前面の圧力が後面の圧力よりも高くなり、圧力の高い羽根前面が圧力面ＰＳ、圧力の低い羽根後面が負圧面ＳＳである。各羽根２３は主板２１の径方向中間部位から主板２１の外周縁を越えて側板２２の外周縁まで弧状に湾曲して延びている。

図３および図４に示すように、各羽根２３の径方向内端（すなわち羽根入口）は、主板２１の中心（すなわち両吸込羽根車２の中心）Ｏを中心とする直径Ｄ１の円上に位置している。Ｄ１は羽根車の大きさによって決まるので、以下の各寸法（ｄ、Ｄ２、Ｌ）をＤ１を用いて表す。主板２１の一側面から環状空間２１Ｓまで軸方向に延びる複数（図示例では３個）の軸方向貫通孔２１ａｈは、各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って所定の間隔をおいて形成されている。各軸方向貫通孔２１ａｈの直径ｄは、ｄ＝（０．０３〜０．０６）×Ｄ１に設定されている。各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って形成されている複数の軸方向貫通孔２１ａｈは、負圧面ＳＳから、正確には主板２１の上面と負圧面ＳＳとの交線から所定間隔をおいた位置にある。すなわち、負圧面ＳＳ、正確には主板２１の上面と負圧面ＳＳとの交線と、複数の軸方向貫通孔２１ａｈの中心を通る弧状の曲線との間隔Ｌは、Ｌ＝（０．５〜１．２）ｄに設定されている。各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って形成されている複数の軸方向貫通孔２１ａｈのうち、最内側の軸方向貫通孔２１ａｈは、羽根入口２３ｉに接するか又は近接して設けられており、主板２１の中心Ｏを中心とする直径Ｄ２＝（Ｄ１−ｄ）〜（Ｄ１−２．４ｄ）の円上に位置している。最内側の軸方向貫通孔２１ａｈの中心と中間位置の軸方向貫通孔２１ａｈの中心との間の距離Ｒおよび中間位置の軸方向貫通孔２１ａｈの中心と最外側の軸方向貫通孔２１ａｈの中心との間の距離Ｒは、Ｒ＝（２．５〜３）ｄに設定されている。また、主板２１には、主板２１の外周縁から環状空間２１Ｓまで半径方向に延びる複数（図示例では６個）の半径方向貫通孔２１ｒｈが円周方向に等間隔で形成されている。

次に、図１乃至図４に示すように構成された遠心ポンプの作用を説明する。
モータ等の駆動機によって主軸３および両吸込羽根車２が回転駆動されると、液体は上下ベルマウス４，５から吸い込まれ、両吸込羽根車２の両側にある吸込口２２ｓからそれぞれ羽根入口部に流入し、液体は羽根車の遠心力により複数の羽根２３，２３間の流路を内側から外側に流れ、両吸込羽根車２の外周縁より外側に吐出される。両吸込羽根車２から吐出された液体は、ケーシング１内の吐出流路１ｄを介して上方にある吐出口（図示せず）から外部へ吐出される。

両吸込羽根車２で昇圧された液体の一部は、主板２１に形成された複数の半径方向貫通孔２１ｒｈを通って環状空間２１Ｓに流れ込む。環状空間２１Ｓに流入した液体は、両吸込羽根車２の主板２１に形成された軸方向貫通孔２１ａｈを通って両吸込羽根車２の吸込側に戻る。このように、主板２１に形成された複数の半径方向貫通孔２１ｒｈは、両吸込羽根車２で昇圧された液体の一部を環状空間２１Ｓに導入する圧力液導入孔として機能する。そして、環状空間２１Ｓ内の圧力は、両吸込羽根車２の吸込側の液体に比べて高圧であり、すなわち環状空間２１Ｓは両吸込羽根車２によって昇圧された高圧の液体を収容する圧力室を構成している。

各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って形成されている複数の軸方向貫通孔２１ａｈのうち、最内側の軸方向貫通孔２１ａｈは、羽根入口２３ｉに接するか又は近接して設けられ、最内側の軸方向貫通孔２１ａｈより半径方向外側の他の軸方向貫通孔２１ａｈも負圧面ＳＳに接するか又は近接して設けられている。したがって、圧力室２１Ｓ内の所定圧力を持った高圧の液体は、複数の軸方向貫通孔２１ａｈを通って各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って噴出する。

上述したように、各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳは、最も液体の圧力が低下しやすい箇所の一つであってキャビティ（気泡）が発生しやすい箇所であるが、この羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って両吸込羽根車２により昇圧された高圧の液体を噴出することにより、羽根入口部の負圧面ＳＳ近傍にある液体の圧力を上昇させることができるため、羽根入口部の負圧面ＳＳにおけるキャビティ（気泡）の発生を抑制または防止することができる。このように羽根入口部の負圧面ＳＳにおいてキャビティの発生を抑えることにより、羽根入口部にはキャビティ成長による空洞部が形成されることがなく、円滑な液体の流れが可能となり、キャビテーション壊食を抑制することにより羽根車の寿命延長が可能となる。また、吸込性能を向上させることができるから、低ＮＰＳＨ（Net Positive Suction Head）に適した羽根車の開発および設計に有効な構成である。

図１乃至図４に示す実施形態においては、クローズド形の両吸込羽根車の場合を例示したが、側板のないオープン形の両吸込羽根車であってもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ ケーシング
２ 両吸込羽根車
３ 主軸
４ 上ベルマウス
５ 下ベルマウス
１０ バレル
２１ 主板
２１ａ ボス部
２１ａｈ 軸方向貫通孔
２１ｒｈ 半径方向貫通孔
２１Ｓ 環状空間（圧力室）
２２ 側板
２２ａ 吸込部
２２ｓ 吸込口
２３ 羽根
２３ｉ 羽根入口
２５ ライナーリング
３１ キー
３２，３３ 軸受ユニット
ＰＳ 圧力面
ＳＳ 負圧面

Claims (6)

1. ケーシング内に配置された両吸込羽根車と、該両吸込羽根車を回転駆動する主軸とを備えた両吸込ポンプにおいて、
   前記両吸込羽根車は、中心部に主軸が連結されるボス部を有した円板状の主板と、該主板の両側面にそれぞれ配列され径方向に弧状に延びる複数の羽根とを備え、
   前記主板は、前記ボス部の内部に形成された環状空間と、前記主板の外周縁から前記環状空間まで半径方向に延びる半径方向貫通孔と、前記主板の両側面から前記環状空間まで軸方向に延びる貫通孔であって前記各羽根の入口部の負圧面に沿って形成されている複数の軸方向貫通孔とを備え、前記両吸込羽根車で昇圧された液体の一部を前記半径方向貫通孔、前記環状空間および前記軸方向貫通孔を介して羽根車の吸込側に戻すようにしたことを特徴とする両吸込ポンプ。
2. 前記複数の軸方向貫通孔の１つは、前記各羽根の入口に接するか又は近接して設けられていることを特徴とする請求項１記載の両吸込ポンプ。
3. 前記各羽根の入口は、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ１の円上に位置し、前記各羽根の入口に接するか又は近接して設けられている前記軸方向貫通孔は、貫通孔の直径をｄとすると、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ２＝（Ｄ１−ｄ）〜（Ｄ１−２．４ｄ）の円上に位置していることを特徴とする請求項２記載の両吸込ポンプ。
4. 前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の軸方向貫通孔は、前記主板の側面と負圧面との交線と、前記複数の軸方向貫通孔の中心を通る弧状の曲線との間隔ＬがＬ＝（０．５〜１．２）ｄに設定されていることを特徴とする請求項３記載の両吸込ポンプ。
5. 前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の軸方向貫通孔のうち、相隣接する軸方向貫通孔の中心間の距離Ｒは、Ｒ＝（２．５〜３）ｄに設定されていることを特徴とする請求項３記載の両吸込ポンプ。
6. 前記主板に対向して、該主板とともに前記複数の羽根を挟持する環状の側板を設け、該側板は中央部に吸込口を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の両吸込ポンプ。

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