JP6793254B2 - 高効率二重吸込インペラ - Google Patents

Description

本開示は、高効率二重吸込インペラ、例えば遠心ポンプに使用できるものに関する。

ラジアルフローターボの機械装置は、インペラと呼ばれる回転装置で流体を加速（または減速）させることによって、シャフトの動力を運動エネルギーに変換する（及びその逆）ように特に適合される。動力吸収装置として使用するとき、インペラは一般に、流体の圧力を上昇させるため、または配管システムにて流体の流れを誘導するために使用される。

インペラは、ターボ機械の中で、回転しながら流体とエネルギーを交換する装置である。その最も簡素な実装では、インペラはハブプレートに取り付けられた複数のブレードを含む。インペラのブレードの形及び幾何学形状は、ターボ機械の用途、定格、性能に応じてさまざまな多くの種類があり得る。

ポンプの比速度ＮＳは、次のように定義されている。

式中、
ｎ＝毎分の回転時の回転速度
Ｑ＝体積流量［ｍ^３／ｈ］
Ｈ＝差動ヘッド［ｍ］

低程度または中程度の比速度の値（例えばＮＳ＜１６００）及び二重吸引構成で設計された１０ｍ＾３／ｈを超える容量の遠心ポンプでは、ヘッド対流量を安定させ続け、また流れゼロに向かって継続的に上昇させるのを維持するために、少数のブレードを備えたインペラが必要である。この要件は、それぞれが利用可能な流れの一部で作動する、２つ以上の遠心ポンプを並行して使用する場合は特に、極めて重要である。さらに、低程度または中程度の比速度の値、及び中程度または高程度の値の油圧ヘッド用に設計される大容量の遠心ポンプは、長い直径及び狭い出口の幅を有するインペラが必要となる。二重吸込インペラは、通常、それぞれが全流量の半分を作り出して背中合わせの構成で配置される２つの単一吸込インペラによって構成されている。

中央縁と千鳥状ブレードを備えたインペラを有する最新式の遠心ポンプでは、インペラ出口の幅ｂ２とインペラの直径Ｄ２との間の比率は、０．０５より十分に低くなり得る。この種のインペラは頻繁に、不安定なヘッド対流量特性曲線を示す。それに加えて、この種のインペラの別の欠点は、許容可能なスリップ因子の値を維持するために必要とされる、低ブレード出口角度（通常１５°〜２０°）及び対応する大きなラップ角度（通常１２０°〜２７０°）にある。結果として、この種の最新式のインペラの油圧効率は、典型的には９５％より小さい。

さらに、この種のインペラに典型的な低いブレードの負荷（通常、１未満のヘッド係数「ｐｓｉ」に対応し、ｐｓｉは以下の式に等しい。

式中、
ｇ＝重力加速度［ｍ／ｓ＾２］
Ｈ＝差動ヘッド［ｍ］

ｕ２＝インペラの周速［ｍ／ｓ］）が、必要なインペラの直径を増加させるため、１より大きいヘッド係数を有するインペラと比べて、ディスクの摩擦損失が１％〜２％増加する。

達成可能なヘッド係数は、通例のスプリットブレードインペラを使用することによって増加させることができるが、この選択をしても、ｂ２／Ｄ２が狭いという問題やヘッドカーブの安定性が低いという問題は解決しない。さらに、通例のスプリットブレードインペラの前縁の数が２倍になり、さらなる油圧の損失が生じる。

したがって、本発明の実施形態は、両方の入口から始まりインペラ出口の中心軸を横切るブレードの間に溝を有し、その結果として、等価のブレード数が、２つの単独の吸込インペラを連結することによって得られる通例の構成に対して二倍になるような二重吸込インペラに関する。

新規のインペラでは、ブレードの等価数を増やすことによりスリップが減少し、インペラの直径を短くすることが可能になり、かくして該インペラを設置するポンプの大きさ、したがって製造コストが低減する。

スプリッタブレードを備えた通例のインペラと比較して、新規のインペラの実施形態は、いかなる追加の前縁も導入せず、対応する損失ももたらさない。

低比速度ポンプの場合、インペラのブレード間溝の新規の形状は、流体圧の直径が増し、各溝の長さが短くなるため、通例のインペラと比較して流体圧の損失が減少する。

インペラのブレード間溝の断面積は、ブレード間溝の内部の流れの速度を制御するように設計されている。したがって、ブレード間溝の形状は、インペラのブレード間溝が互いに交差することを回避し、同時に流路に沿ってその形状を変化させる断面積を有するように適合される。

さらに、インペラの直径を小さくすることでまた、ディスクの摩擦による損失が大幅に減少し、ポンプ全体の効率が向上する。

等価の最新式のインペラに対して、新規の二重吸込インペラに関連する利点及び利益は、新規の二重吸込インペラの動作速度が低下するにつれて増大する。

インペラは、シュラウド付きでもシュラウド付きでなくてもよく、またそれは単一の部品、または反対側から来るブレードが隣接するところで一体化された２つの部品で作られていてもよい。

新規の二重吸込インペラの主な用途は、遠心ポンプ、タービンとしてのポンプ（ＰＡＴ）内であり、特にハイドロリックパワーリカバリータービン（ＨＰＲＴ）であるが、排他的ではなく、製油所、石油化学製品およびパイプライン用に意図されている。しかし、他の用途も可能であり、考えられる。

本発明の実施形態のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと、よりよく理解される。図面において、類似した文字は図面全体で類似した部分を表している。

最新式の二重吸込インペラの子午断面を示す。 最新式の二重吸込インペラのブレード間溝を示す。 最新式の二重吸込インペラの外径配置の詳細を示す。 新規の二重吸込インペラの実施形態の断面の詳細を示す。 新規の二重吸込インペラの別の実施形態のブレード間溝の見え方を示す。 新規の二重吸込インペラの別の実施形態の外径配置の詳細を示す。 新規の二重吸込インペラの別の実施形態の第１の正面の見え方を示す。 新規の二重吸込インペラの実施形態の子午断面を示す。 新規の二重吸込インペラの実施形態の側面図を示す。 最新式のインペラと比較した新規の二重吸込インペラの効率及びヘッド係数対流量係数をプロットしたグラフを示す。

添付の図面を参照すると、また例示的な実施形態によれば、本発明の実施形態は、特に遠心ポンプ用の新規の二重吸込インペラに関し、それにおいては流路の配置が、インペラの外径で互いに交差するブレード間の溝によって特徴付けられる。

一実施形態では、新規の二重吸込インペラは、添付の図１、図２、及び図３に示すように、中央縁の２つの単独吸込インペラに単純に隣接することによって得られる通例の構成に対して等価のブレードの数が２倍になるように、ブレードの間に、両方の入口から始まってインペラの外径で交差する溝を含む。

より詳細には、添付の図４、図５、図６、図７、図８及び図９を参照すると、新規の二重吸込インペラはシュラウド付きインペラ１０を含む。シュラウド付きインペラ１０はさらに、管状中心孔１２と関連するハブ１１を含むことができる。管状中心孔１２は、一般的にはキー及びキー溝によって、そこに駆動するよう連結されているインペラ駆動シャフトを受容するように適合させてもよい。

シュラウド付きインペラ１０は、１つの単一部品または組立体のいずれかで作ることができ、あるいは複数の組立体で作ることができて、例えば１つの左シュラウド、１つの右シュラウド、及び中央コアを含む。

一実施形態では、新規のインペラは単一の組立体で構成され、ハブ１１は、ハブ１１及び一対の一体型シュラウドに一体的に取り付けられた複数のブレード１３、左側シュラウド１４、及び右側シュラウド１５をさらに含む。一体型シュラウド１４、１５のそれぞれには、インペラアイを構成する中央開口部１６、３１が設けられている。インペラアイは、該管状中心孔１２に隣接しており、開口部縁部の半径を有する開口部縁部１７と、開口部縁の半径を有する開口部縁１８とを備える。

左側シュラウド１４は、本発明による二重吸込インペラの左側開口部を画定し、右側シュラウド１５は、右側開口部を画定する。

該左側シュラウド１４の外縁部及び該右側シュラウド１５の外縁部は、インペラ出口を画定し、該インペラ出口は、幅１９及び中央平面２０を有する。

より詳細には、該複数のブレード１３の各対の隣接するブレード１３は、添付の図５に示すように、複数のブレード間の溝を画定する。該ブレード間溝は、該左側シュラウド１４及び該右側シュラウド１５の両方の中央開口部の内部に配置された複数の投入開口部を、該インペラ出口に配置された複数の排出開口部に接続するように適合される。

特に添付の図４及び図６を参照すると、該ブレード間溝は、該左側シュラウド１４の中央開口部の内部に配置されているそれぞれの投入開口部２２を有する左側ブレード間溝２１、及び該右側シュラウド１５の中央開口部の内部に配置されているそれぞれの投入開口部２５を有する右側ブレード間溝２４を備える。

有利にも、該左側ブレード間溝２１及び該右側ブレード間溝２４は、該左側ブレード間溝２１の排出開口部２３を一直線上に整列させ、該インペラ出口において、該右側ブレード間溝２４の排出開口部２６と交差して配置するように該インペラ出口の中央平面２０を横切っている。

動作中、回転すると、流体は矢印２７、２８で示すようにインペラ内に軸方向に引き込まれ、ハブ１１と該左右のシュラウド１４、１５との間を通る複数のブレード１３によって推進され、最後に矢印２９で示すように、該出口を経て半径方向に排出される。インペラは、軸方向の入口と円周方向の渦巻きまたはディフューザ排出口通路とを有する適切なハウジングにて矢印３０の方向に延びる。

本発明による二重吸込インペラにおいて、インペラ出口の中心軸線の該ブレード間溝による交差に関連する効果は、２つの単一吸込インペラの連結によって得られる通例の構成に対して、等価のブレード数が２倍であるようにすることである。

添付の図２を参照すると、部分３３は最新式のインペラの溝の入口に対応し、領域３２は最新式のインペラの溝の排出口に対応する。

添付の図５を参照すると、部分３５は新規のインペラの溝の入口に対応し、領域３４は新規のインペラの溝の排出口に対応する。

先行技術の二重吸込インペラのブレード間溝を新規の二重吸込インペラのブレード間溝と比較すると、新規の二重吸込インペラのブレード間溝の排出口領域３４が、最新式のインペラのアスペクト比に対して１に遥かに近いアスペクト比を有する矩形の形状を有することは明白である。

ブレード間溝の断面積は、ブレード間溝の内側の流れの速度を制御するように設計されている。さらに、ブレード間溝の形状は、対向する溝の間の交差を回避し、同時に目標の断面積を維持するようにする。

新規のブレード間溝の形状は、溝の内側での速度の適切な分布を確実にし、溝の交差を回避するように適合されている。さらに、新規のブレード間溝の形状は、溝の断面の面積が徐々に変化するようになっており、内部の流速を正確に制御できる。この特徴は、溝間の相互交差を回避するために溝の内側断面の面積が急激に変化する解決策、または溝の内側断面の面積が一定に保たれる解決策と比較して、より高い性能及びより高い全体効率をもたらす。好ましい実施形態では、溝の断面積は、溝の内側の流体の速度がその一次及び二次導関数で連続的な関数によって記述されることを可能にするようにする。非限定的な例として、そのような関数はベジェ曲線によって表されるものであり得る。

別の実施形態によれば、二重吸込インペラのブレード間溝は、可変の断面の形状を有する。溝は本質的に四辺形の断面を有する入口で始まる。次に、流れに沿って排出口に向かって移動すると、溝の断面は五角形になって、インペラ排出口の前で短い全長部に至り、溝の断面が変化して実質的に四辺形に戻る。付加的な第５の辺は、溝の吸込面とハブ表面との間の溝の断面を特徴付ける。溝の断面の付加的な第５の辺の全長部はゼロから始まり、それがその最大の全長に達するまで増加し、その後減少してゼロに戻る。

最後に、新規の二重吸込インペラによってもたらされる利点には、とりわけ、スリップの低減及び流体圧の損失の低減が含まれる。これらの削減により、効率が約３％から４％に向上し、最終的には運用支出と設備投資が減少する。

例示的な実施形態の上記説明は、添付の図面について言及している。異なる図面の同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を識別する。以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。

本明細書全体で、「一実施形態」または「実施形態」と言及した場合、実施形態に関連して説明した特定の特徴、構造、または特性が、開示された主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書を通して様々な箇所で「一実施形態では」または「実施形態では」という句が現れていても、必ずしも同じ実施形態を示してはいない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせることができる。上記の詳細な説明は、特許請求の範囲に記載されている発明の範囲を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により定義される。

Claims (7)

1. 管状中心孔（１２）を有するハブ（１１）と、
   前記管状中心孔（１２）を囲むように構成された中央開口部（１６）を有する左側シュラウド（１４）と、
   前記管状中心孔（１２）に囲むように構成された中央開口部（３１）を有する右側シュラウド（１５）と、
   前記ハブ（１１）と前記左側シュラウド（１４）とに一体的に接続される複数のブレードと、前記ハブと前記右側シュラウド（１５）とに一体的に接続される複数のブレードとを含む複数のブレード（１３）と、
   前記左側シュラウド（１４）の外側縁部と前記右側シュラウド（１５）の外側縁部の間に位置するインペラ出口と、を備え、
   前記ハブ（１１）と前記左側シュラウド（１４）とに接続される前記複数のブレード（１３）の隣接するブレード（１３）の各対が、複数の左側ブレード間溝（２１）を画定し、各々の該左側ブレード間溝（２１）が前記左側シュラウド（１４）の前記中央開口部（１６）の内部に配置されるそれぞれの投入開口部（２２）を前記インペラ出口に配置される排出開口部（２３）に接続し、
   前記ハブ（１１）と前記右側シュラウド（１５）とに接続される前記複数のブレード（１３）の隣接するブレード（１３）の各対が、複数の右側ブレード間溝（２４）を画定し、各々の該右側ブレード間溝（２４）が、前記右側シュラウド（１５）の前記中央開口部（３１）の内部に配置されるそれぞれの投入開口部（２５）を前記インペラ出口に配置される排出開口部（２６）に接続し、
   前記左側ブレード間溝（２１）の前記排出開口部（２３）と前記右側ブレード間溝（２４）の前記排出開口部（２６）は、前記インペラ出口の中央平面（２０）上で交互に配置され、
   前記左側ブレード間溝（２１）及び前記右側ブレード間溝（２４）が可変の断面の形状を有し、各々の前記断面の形状が前記投入開口部（２２、２５）で実質的に四辺形であり、その後実質的に五角形になり、次いで、前記排出開口部（２３、２６）で実質的に四辺形になる、
   二重吸込インペラ。
2. 前記左側ブレード間溝（２１）及び前記右側ブレード間溝（２４）が、中を通過する流体の速度が一次及び二次導関数が連続である関数によって記述されることを可能にするように適合されている、請求項１に記載の二重吸込インペラ。
3. 単一部品から作られることを特徴とする、請求項１または２に記載の二重吸込インペラ。
4. 前記管状中心孔（１２）がインペラ駆動シャフトを受容するように適合されており、前記インペラ駆動シャフトがキーとキー溝で前記管状中心孔（１２）に駆動するよう接続されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の二重吸込インペラ。
5. 各々の前記中央開口部（１６、３１）が開口部縁部（１７）と開口部縁（１８）とを備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の二重吸込インペラ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の二重吸込インペラを備える遠心ポンプ。
7. 請求項１から５のいずれか１項に記載の二重吸込インペラを備えるハイドロリックパワーリカバリータービン。