JP6850628B2 - 遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は遠心ポンプに係り、特に羽根車を収容するためのケーシングに関するものである。

遠心ポンプは、一般に、主軸に固定された羽根車と、羽根車を内部に収容したケーシングとを備える。主軸はモータなどの原動機に連結されており、原動機の駆動によって主軸及び羽根車を回転させることで、ケーシングの内部に流入した液体を昇圧させてケーシングの外部に流出させるよう構成されている。

図７は、遠心ポンプの一例である従来の多段ポンプの断面を示す部分拡大図である。図７に示すように、遠心ポンプは、主軸１００と、主軸１００に固定された複数の羽根車１０１と、羽根車１０１を収容するケーシング１０２とを備えている。ケーシング１０２は、複数の羽根車１０１をそれぞれ挟むように配置された複数の主板側ケーシング１０２ａ及び複数の側板側ケーシング１０２ｂを備えている。複数の側板側ケーシング１０２ｂは重なりあってボルト１０４で互いに締め付けられている。主板側ケーシング１０２ａと側板側ケーシング１０２ｂとの間には液体の流路が形成されている。

各羽根車１０１は、各主板側ケーシング１０２ａと各側板側ケーシング１０２ｂの間に配置されている。羽根車１０１は、主板１０１ａと、側板１０１ｂと、主板１０１ａと側板１０１ｂとの間に配置された複数の翼１０１ｃとを有している。羽根車１０１の吐出側には複数のガイドベーン１０３が配置されており、主板側ケーシング１０２ａは、ガイドベーン１０３によって側板側ケーシング１０２ｂに連結されている。

ケーシング１０２は鋳造されており、ケーシング１０２の肉厚は均一に形成されている。これは、ケーシング１０２を鋳造する際に肉厚の異なる部分が存在すると、鋳型に材料を流し込んだ後に冷却する段階で、不均一な肉厚に起因した冷却速度の差異が生じ、冷却速度が遅い部分から、冷却速度が速い部分に引っ張り応力が発生し、ケーシング１０２、特にガイドベーン１０３が変形することがあるためである。

上述のように主板側ケーシング１０２ａ、側板側ケーシング１０２ｂを均一な肉厚で形成するために、羽根車１０１の主板１０１ａと対向する主板側ケーシング１０２ａの内面には、環状の主板側切り欠き部１０５ａが形成されている。同様に、羽根車１０１の側板１０１ｂと対向する側板側ケーシング１０２ｂの内面には、環状の側板側切り欠き部１０５ｂが形成されている。このような切り欠き部１０５ａ，１０５ｂを形成することで、主板側ケーシング１０２ａ、側板側ケーシング１０２ｂの肉厚を均一にできる。

特開昭６０−１９０６９５号公報 特許第３８６４１４９号公報 特開平７−３３２２７５号公報

しかしながら、このような切り欠き部１０５ａ，１０５ｂ内では羽根車１０１の回転に伴って液体の旋回流が発生する。この旋回流は、切り欠き部１０５ａ，１０５ｂの内部を浸食するだけでなく、羽根車１０１の回転エネルギーの損失を大きくし、ポンプ効率低下の一因となっていた。そこで、旋回流の発生を防止するために、主板側切り欠き部１０５ａ内には、放射状に延びるバッフル１０６ａが設けられている。同様に、側板側切り欠き部１０５ｂ内には、放射状に延びるバッフル１０６ｂが設けられている。

しかしながら、バッフル１０６ａ，１０６ｂが羽根車１０１の回転の抵抗となって、主軸１００の軸動力が大きくなり、ポンプ効率が低下するという問題があった。

本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、ポンプ効率を向上させることができるケーシングを備えた遠心ポンプを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、内部に前記羽根車を収容するケーシングとを備え、前記ケーシングは、前記羽根車の主板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する主板側ケーシングを備え、前記主板側ケーシングは、前記主板に対向する前記内面の、前記羽根車の液体入口の外縁よりも外周側に形成された環状の主板側切り欠き部を有しており、前記主板側切り欠き部の入口部には、前記入口部の外周側から内周側に向けて突出した環状の主板側鍔部が設けられていることを特徴とする遠心ポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記主板側ケーシング及び前記主板側鍔部は、鋳造によって形成された一体成形品であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記主板側鍔部の前記主板と対向する面は、前記主板の外面と平行であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ケーシングは、前記羽根車の側板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する側板側ケーシングをさらに備え、前記側板側ケーシングは、前記側板に対向する前記内面の、前記羽根車の液体入口の外縁よりも外周側に形成された環状の側板側切り欠き部を有しており、前記側板側切り欠き部の入口部には、前記入口部の外周側から内周側に向けて突出した環状の側板側鍔部が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、前記側板側ケーシング及び前記側板側鍔部は、鋳造によって形成された一体成形品であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記側板側鍔部の前記側板と対向する面は、前記側板の外面と平行であることを特徴とする。

本発明の一態様は、主軸と、前記主軸に固定された羽根車と、内部に前記羽根車を収容するケーシングとを備え、前記ケーシングは、前記羽根車の主板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する主板側ケーシングと、前記羽根車の側板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する側板側ケーシングとを備え、前記側板側ケーシングは、前記側板に対向する前記内面の、前記羽根車の液体入口の外縁よりも外周側に形成された環状の側板側切り欠き部を有しており、前記側板側切り欠き部の入口部には、前記入口部の外周側から内周側に向けて突出した環状の側板側鍔部が設けられていることを特徴とする遠心ポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記側板側ケーシング及び前記側板側鍔部は、鋳造によって形成された一体成形品であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記側板側鍔部の前記側板と対向する面は、前記側板の外面と平行であることを特徴とする。

本発明によれば、ケーシングの切り欠き部の入口部に設けられた鍔部は、切り欠き部の入口部を小さくし、切り欠き部内の旋回流を抑制することができる。その結果、主軸の軸動力を小さくし、ポンプ効率を向上させることができる。また、ケーシングの肉厚を略均一にすることができるので、鋳型工程における冷却時に、大きな引っ張り応力がケーシングに発生しない。その結果、信頼性の高いケーシングを鋳造することができる。

本発明の一実施形態に係る遠心ポンプを示す断面図である。 図１に示す主板側ケーシング、側板側ケーシング、及び羽根車を示す部分拡大図である。 図２の主板側切り欠き部を示す部分拡大図である。 図２の側板側切り欠き部を示す部分拡大図である。 本発明の遠心ポンプの一実施形態に係る単段ポンプを示す断面図である。 本発明の遠心ポンプの一実施形態に係る多段ポンプを示す断面図である。 遠心ポンプの一例である従来の多段ポンプの断面を示す部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る遠心ポンプを示す断面図である。図１に示す遠心ポンプは、複数の羽根車を備えた多段ポンプである。図１に示すように、本実施形態の遠心ポンプは、主軸１と、主軸１に固定された複数の片吸込羽根車２（以下、単に羽根車２という）及び両吸込羽根車７と、羽根車２と両吸込羽根車７をそれぞれ収容するケーシング３及びケーシング５を備えている。主軸１は、軸受２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄによって回転可能に支持されている。ケーシング３は、複数の羽根車２をそれぞれ挟むように配置された複数の主板側ケーシング３ａ及び複数の側板側ケーシング３ｂと、最終段の側板側ケーシング３ｂに接続された中間ケーシング１７とを備えている。複数の側板側ケーシング３ｂは重なりあってボルト６で互いに締め付けられている。主板側ケーシング３ａと側板側ケーシング３ｂとの間には液体の流路が形成されている。

羽根車２は、主板側ケーシング３ａと側板側ケーシング３ｂの間に配置されている。羽根車２の吐出側には複数のガイドベーン１６が配置されており、主板側ケーシング３ａは、ガイドベーン１６によって側板側ケーシング３ｂに連結されている。ケーシング３は鋳造されており、ケーシング３の肉厚は均一に形成されている。ケーシング５には２つの吸込口１３が形成され、ケーシング３には吐出口１０が形成されている。さらに、ケーシング３及びケーシング５を囲むように外側ケーシング８が配置されており、ケーシング３及びケーシング５と外側ケーシング８の間には環状流路１２が形成されている。さらに、外側ケーシング８には液体の導入口９、及びバランス配管１１が設けられている。導入口９は、環状流路１２を通じて２つの吸込口１３に連通している。

主軸１は、図示しない原動機（例えばモータ）に連結され、この原動機により羽根車２と両吸込羽根車７が回転するように構成されている。羽根車２と両吸込羽根車７が回転すると、液体は、導入口９を通って外側ケーシング８内に流入し、さらに環状流路１２を通って、吸込口１３に導かれる。吸込口１３に導かれた液体は、両吸込羽根車７の回転に伴って昇圧され、昇圧された液体は、連絡流路１４を通って羽根車２の液体入口１５に導かれる。

液体入口１５に導かれた液体は、羽根車２の回転により増速され、ガイドベーン１６を通ることで速度が圧力に変換され、さらに、液体は、次段の羽根車２の液体入口１５に導かれる。このようにして液体は、各段の羽根車２及びガイドベーン１６で順次昇圧される。最終段の側板側ケーシング３ｂは、中間ケーシング１７にボルト１８により接続されている。中間ケーシング１７と主軸１の間の流路は昇圧された液体で満たされ、吐出口１０から液体が排出される。

図１に示される遠心ポンプは、３段の羽根車２を有する多段ポンプである。上述のように液体は各羽根車２及びガイドベーン１６で順次昇圧されるため、羽根車２及びガイドベーン１６の数が増えるほど吐出圧力を高めることができる。上述した実施形態では、３段の羽根車２を有する多段ポンプについて述べたが、本発明はこれに限定されるものでなく、さらに多くの羽根車２を備えた多段ポンプにも適用できる。また、本実施形態の遠心ポンプは、両吸込羽根車７と多段の羽根車２との組み合わせを備えるが、一実施形態では、遠心ポンプは両吸込羽根車７を備えずに多段の羽根車２のみを備えてもよい。

図２は、図１に示す主板側ケーシング３ａ、側板側ケーシング３ｂ、及び羽根車２を示す部分拡大図である。図２に示すように、羽根車２は、主板２ａと、側板２ｂと、翼２ｃとを備えている。翼２ｃは、主板２ａと側板２ｂの間に配置されている。側板２ｂは、主板２ａよりも上流側に配置され、液体入口１５は、側板２ｂに形成されている。主板２ａは、主軸１に固定されており、側板２ｂは、翼２ｃによって主板２ａに接続されている。主板側ケーシング３ａは、羽根車２の主板２ａに対向する内面を有しており、さらにこの内面に形成された環状の主板側切り欠き部４ａを有している。主板側切り欠き部４ａの入口部には、環状の主板側鍔部１９が設けられている。主板側鍔部１９は、鋳造により主板側ケーシング３ａと一体に形成されており、主板側鍔部１９は、主板側切り欠き部４ａの入口部の外周側から内周側に向けて突出している。

同様に、側板側ケーシング３ｂは、羽根車２の側板２ｂに対向する内面を有しており、さらにこの内面に形成された環状の側板側切り欠き部４ｂを有している。側板側切り欠き部４ｂの入口部には、環状の側板側鍔部２０が設けられている。側板側鍔部２０は、鋳造により側板側ケーシング３ｂと一体に形成されており、側板側鍔部２０は、側板側切り欠き部４ｂの入口部の外周側から内周側に向けて突出している。切り欠き部４ａ，４ｂ、及び鍔部１９，２０は、主軸１の周りを延びる環状であり、かつ羽根車２と同心状である。主板側鍔部１９は、羽根車２の主板２ａに近接しており、側板側鍔部２０は、羽根車２の側板２ｂに近接している。これら鍔部１９，２０の存在により、切り欠き部４ａ，４ｂの入口部が狭くなっている。

羽根車２が回転すると、主板側ケーシング３ａと主板２ａの間、及び側板側ケーシング３ｂと側板２ｂの間に液体の旋回流が発生する。本実施形態によれば、切り欠き部４ａ，４ｂの入口部に鍔部１９，２０が設けられているため、切り欠き部４ａ，４ｂの入口部の開口面積が小さく、切り欠き部４ａ，４ｂ内の旋回流を抑制することができる。また、切り欠き部４ａ，４ｂの入口部を小さくしつつ、切り欠き部４ａ，４ｂの奥は広くすることができるので、ケーシング３の肉厚を略均一にすることができる。その結果、鋳型工程における冷却時にケーシング３に発生する引っ張り応力を小さくすることができる。

これにより、信頼性の高いケーシング３を鋳造することができ、かつ、このように製造したケーシング３を遠心ポンプに設けることで、主軸１の軸動力を小さくし、ポンプ効率を向上させることができる。

次に、上述のように構成された鍔部１９，２０の詳細について説明する。図３は、図２の主板側切り欠き部４ａを示す部分拡大図である。図３に示すように、主板側鍔部１９の主板２ａと対向する面１９ａは、主板２ａの外面と平行である。主板側切り欠き部４ａの内径（内側の直径）をＤ１と表し、主板側鍔部１９の内径（内側の直径）をＤ２と表すと、主板側鍔部１９と主板側切り欠き部４ａの内周面４０ａとの間には、（Ｄ２−Ｄ１）／２（単位：ｍｍ）で与えられる大きさの隙間が存在する。この隙間の大きさは、Ｄ２＝１．１５×Ｄ１（但し、２０ｍｍ≦（Ｄ２−Ｄ１）／２）という関係を満たすことが好ましい。

また、図４は、図２の側板側切り欠き部４ｂを示す部分拡大図である。図４に示すように、側板側鍔部２０の側板２ｂと対向する面２０ａは、側板２ｂの外面と平行である。側板側切り欠き部４ｂの内径（内側の直径）をＤ３と表し、側板側鍔部２０の内径（内側の直径）をＤ４と表すと、側板側鍔部２０と側板側切り欠き部４ｂの内周面４０ｂとの間には、（Ｄ４−Ｄ３）／２（単位：ｍｍ）で与えられる大きさの隙間が存在する。この隙間の大きさは、Ｄ４＝１．１５×Ｄ３（但し、２０ｍｍ≦（Ｄ４−Ｄ３）／２）という関係を満たすことが好ましい。

主板側ケーシング３ａの鋳型に砂型を利用した場合は、鋳造後に主板側切り欠き部４ａから砂を掻き出すためには、主板側切り欠き部４ａの内径Ｄ１と主板側鍔部１９の内径Ｄ２との差をある程度の大きさにする必要がある。本実施形態では、２０ｍｍ≦（Ｄ２−Ｄ１）／２という関係を満たすとき、問題なく砂を掻き出すことが可能である。側板側ケーシング３ｂでも同様に、２０ｍｍ≦（Ｄ４−Ｄ３）／２という関係を満たすことが好ましい。

鍔部１９，２０は、切り欠き部４ａ，４ｂの入口部を狭くするので、切り欠き部４ａ，４ｂ内での液体の旋回流を防止することができる。このような構成を有するケーシング３を備えた遠心ポンプは、従来の遠心ポンプよりもポンプ効率が数％向上することが実験で確認できた。

また、旋回流の周速は、内周側より外周側のほうが速くなるため、内周側より外周側の旋回流を抑制することがポンプ効率の向上により効果がある。そのため、鍔部１９，２０を切り欠き部４ａ，４ｂの入口部の外周側に設け、内周側に向かって突出する構造とした。

図５は、本発明の遠心ポンプの一実施形態に係る単段ポンプを示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。側板側ケーシング３ｂは、羽根車２の側板２ｂに対向する内面を有した端壁３ｃを備えている。本実施形態では、主板側ケーシング３ａは主板側切り欠き部４ａを有しているが、側板側ケーシング３ｂは上述した切り欠き部４ｂを有さない。そのため、本発明のケーシングの構造は主板側ケーシング３ａにのみ適用される。すなわち、羽根車２の主板２ａに対向する主板側ケーシング３ａの内面は、主板側切り欠き部４ａを有しており、該主板側切り欠き部４ａの入口部には主板側鍔部１９が形成される。本実施形態においても、従来構造の主板側ケーシングを用いた単段ポンプよりポンプ効率が向上する。

図示はしないが、遠心ポンプは、側板が省略されたセミオープン型の羽根車（すなわち、主板と該主板に固定される翼とからなる羽根車）を有していてもよい。図５に示される実施形態は、セミオープン型の羽根車を有する遠心ポンプにも適用することができる。この場合、羽根車の主板に対向する主板側ケーシングの内面は、上述した主板側切り欠き部４ａを有しており、該主板側切り欠き部４ａの入口部には上述した主板側鍔部１９が形成される。

図６は、本発明の遠心ポンプの一実施形態に係る多段ポンプを示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図１乃至図４を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、側板側ケーシング３ｂは側板側切り欠き部４ｂを有しているが、主板側ケーシング３ａは概ね均一な厚さを有しているので、切り欠き部を有さない。そのため、本発明のケーシングの構造は側板側ケーシング３ｂにのみ適用される。主板側ケーシング３ａは、羽根車２の主板２ａに対向する内面３ｄを有している。この内面３ｄの全体は平坦面であり、主板２ａの外面に平行である。羽根車２の側板２ｂに対向する側板側ケーシング３ｂの内面は、側板側切り欠き部４ｂを有しており、該側板側切り欠き部４ｂの入口部には側板側鍔部２０が形成される。本実施形態においても、従来構造の側板側ケーシングを用いた多段ポンプよりポンプ効率が向上する。図６に示される遠心ポンプは、複数の羽根車２を有する多段ポンプであるが、本実施形態はこれに限定されるものでなく、一つの羽根車２を有する単段ポンプにも適用できる。

これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ 主軸
２ 羽根車（片吸込羽根車）
２ａ 主板
２ｂ 側板
２ｃ 翼
３ ケーシング
３ａ 主板側ケーシング
３ｂ 側板側ケーシング
３ｃ 端壁
３ｄ 内面
４ａ 主板側切り欠き部
４ｂ 側板側切り欠き部
５ ケーシング
６ ボルト
７ 両吸込羽根車
８ 外側ケーシング
９ 導入口
１０ 吐出口
１１ バランス配管
１２ 環状流路
１３ 吸込口
１４ 連絡流路
１５ 液体入口
１６ ガイドベーン
１７ 中間ケーシング
１８ ボルト
１９ 主板側鍔部
２０ 側板側鍔部
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ 軸受
１００ 主軸
１０１ 羽根車
１０１ａ 主板
１０１ｂ 側板
１０１ｃ 翼
１０２ ケーシング
１０２ａ 主板側ケーシング
１０２ｂ 側板側ケーシング
１０３ ガイドベーン
１０４ ボルト
１０５ａ 主板側切り欠き部
１０５ｂ 側板側切り欠き部
１０６ａ，１０６ｂ バッフル

Claims (9)

1. 主軸と、
   前記主軸に固定された羽根車と、
   内部に前記羽根車を収容するケーシングとを備え、
   前記ケーシングは、前記羽根車の主板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する主板側ケーシングを備え、
   前記主板側ケーシングは、前記主板に対向する前記内面の、前記羽根車の液体入口の外縁よりも外周側に形成された環状の主板側切り欠き部を有しており、前記主板側切り欠き部の入口部には、前記入口部の外周側から内周側に向けて突出した環状の主板側鍔部が設けられていることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記主板側ケーシング及び前記主板側鍔部は、鋳造によって形成された一体成形品であることを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記主板側鍔部の前記主板と対向する面は、前記主板の外面と平行であることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記ケーシングは、前記羽根車の側板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する側板側ケーシングをさらに備え、
   前記側板側ケーシングは、前記側板に対向する前記内面の、前記羽根車の液体入口の外縁よりも外周側に形成された環状の側板側切り欠き部を有しており、前記側板側切り欠き部の入口部には、前記入口部の外周側から内周側に向けて突出した環状の側板側鍔部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
5. 前記側板側ケーシング及び前記側板側鍔部は、鋳造によって形成された一体成形品であることを特徴とする請求項４に記載の遠心ポンプ。
6. 前記側板側鍔部の前記側板と対向する面は、前記側板の外面と平行であることを特徴とする請求項４または５に記載の遠心ポンプ。
7. 主軸と、
   前記主軸に固定された羽根車と、
   内部に前記羽根車を収容するケーシングとを備え、
   前記ケーシングは、前記羽根車の主板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する主板側ケーシングと、前記羽根車の側板に、前記主軸の軸方向で対向する内面を有する側板側ケーシングとを備え、
   前記側板側ケーシングは、前記側板に対向する前記内面の、前記羽根車の液体入口の外縁よりも外周側に形成された環状の側板側切り欠き部を有しており、前記側板側切り欠き部の入口部には、前記入口部の外周側から内周側に向けて突出した環状の側板側鍔部が設けられていることを特徴とする遠心ポンプ。
8. 前記側板側ケーシング及び前記側板側鍔部は、鋳造によって形成された一体成形品であることを特徴とする請求項７に記載の遠心ポンプ。
9. 前記側板側鍔部の前記側板と対向する面は、前記側板の外面と平行であ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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