JP6942047B2

JP6942047B2 - ポンプ

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Publication number: JP6942047B2
Application number: JP2017248365A
Authority: JP
Inventors: ▲キン▼ 辛; 実作田
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2017-12-25
Filing date: 2017-12-25
Publication date: 2021-09-29
Anticipated expiration: 2037-12-25
Also published as: JP2019113028A

Description

本発明は、吸込ベルを備えたポンプに関する。

従来、灌漑、雨水排水、発電所における水の循環等の様々な用途にポンプが使用される。このような用途におけるポンプのコストダウンを図るのに有効な手段として、以下の式から算出される比速度Ｎｓを大きくすることが行われている。

（数１）
Ｎｓ＝Ｎ・Ｑ^{（１／２）}／Ｈ^{（３／４）}
Ｎｓ：比速度（ｍｉｎ^−１，ｍ^３／ｍｉｎ，ｍ基準）
Ｎ：回転速度（ｍｉｎ^−１）
Ｑ：流量（ｍ^３／ｍｉｎ）
Ｈ：ポンプ揚程（ｍ）

高比速度（例えばＮｓ＝７００以上、特にＮｓ＝９００以上）のポンプの一例として、特許文献１には、吐出しボウルと、該吐出しボウルに接続された吸込ベルと、該吸込ベルの内部で回転する羽根車等を備えた斜流ポンプが開示されている。該斜流ポンプは、図示しない駆動機によって主軸を回転させることによって羽根車を回転させ、該斜流ポンプが設置されているポンプ井内の流体を吸込ベルから吐出しボウル内に吸い込み、吐出配管から吐き出すように構成されている。

特開２０１０−１２１４６７号公報

吐出配管には、バルブが備えられ、バルブの開度に応じてポンプの流量が調節される。ポンプは、起動時にはバルブを全閉（締切）にした状態で駆動機が起動され、停止時には停止前にバルブを全閉（締切）にした状態で駆動機が停止される。このようなバルブが全閉された状態における運転を締切運転という。

ポンプの比速度Ｎｓが高いほど、仕様点における流量より流量が少ない部分領域、特にバルブが全閉にされる締切点付近（仕様点における流量の０〜１５％程度の流量となる領域をいう。したがって締切運転を含む。）において、羽根車は回転し流体を吐出しようとするものの吐出配管が絞られていることから、流体は羽根車の内側から外側へ流れ、吸込ベルの内周面付近において羽根車の上流側へと逆流し、これにより軸動力が増加する特性が顕著に現れる。

締切点付近における軸動力が、仕様点において要求される軸動力を大きく上回り、性能曲線上において最大となってしまうと、駆動機の仕様を決定する際に、仕様点において要求される軸動力を基準にすると、締切点付近において軸動力が不足する。一方、締切点付近において要求される軸動力を基準にすると、仕様点において軸動力が余裕となるが、駆動機のコストが高くなってしまうという問題があった。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたもので、締切点付近における運転時の軸動力の増加が抑制されたポンプを提供することを目的としている。

上述の目的を達成するための、本発明に係るポンプの特徴は、吸込ベルを備えたポンプであって、前記吸込ベルは、羽根車の上流側端部又は前記羽根車より上流側において最小の内径となる喉部を有する絞り部と、前記絞り部の上流部から吸込口にかけて拡径された口部とが備えられるとともに、前記吸込ベルの内周面に、複数枚の整流板が前記羽根車の軸心に対して放射状に突設され、前記整流板は、前記羽根車の軸心方向及び径方向に沿って延びる平坦な表裏面と、前記羽根車の軸心と平行、かつ、前記喉部における内周面よりも前記羽根車の軸心に近い位置において前記表裏面を連ねる軸心側縁部とを有する点にある。

締切点付近においては、羽根車は回転し流体を吐出しようとするものの吐出配管が絞られていることから、流体は羽根車の径方向における内側から外側へ流れ、吸込ベルの内周面付近に沿って羽根車の上流側へと逆流する。この逆流が有する周方向成分は、羽根車によって吸い込まれる流体の有する流れ方向成分と大きく異なることから、吸込ベルの内周面付近における流れを大きく乱すため、羽根車を旋回させるのに必要な軸動力が増加する。

上述の構成によれば、締切点付近における運転時に、羽根車の旋回によって発生する羽根車の上流側への逆流が有する周方向成分が、整流板によって整流されるため、羽根車によって吸い込まれる流体の流れを大きく乱すことが抑制される。結果として羽根車を旋回させるのに必要な軸動力を低減することができる。

本発明においては、前記整流板は、前記口部の上流端から下流端に亘って突設されていると好適である。

上述の構成によると、羽根車の旋回によって発生する羽根車の上流側への逆流が有する周方向成分を、整流板によってより確実に整流することができる。

本発明においては、前記軸心側縁部は、前記喉部における内周面よりも、前記羽根車の羽根高さの０．１５倍以上かつ０．４倍以下の高さだけ、前記羽根車の軸心に近くに位置すると好適である。

発明者らは、鋭意研究の結果、上述の構成のように、軸心側縁部が、喉部における内周面よりも、羽根車の羽根高さの０．１５倍以上かつ０．４倍以下の高さだけ、羽根車の軸心に近くに位置するときに、締切点付近における軸動力を最も低減することができるという知見を得た。また、軸心側縁部が、喉部における内周面よりも、羽根車の羽根高さの０．４倍より高く羽根車の軸心に近くに位置すると、最高効率が下がってしまうという知見も得た。

本発明においては、前記整流板は、前記羽根車の軸心に垂直、かつ、前記表裏面を連ねる上流側縁部を有し、前記上流側縁部は、前記吸込口における流路断面上に位置すると好適である。

上述の構成によると、吸込ベルに整流板を備えながらも、整流板が吸込口よりも外方には突出しないため、吸込ベルに整流板が備えられていない場合と同じように取り扱うことができる。

本発明においては、前記整流板は、前記口部にのみ備えられていると好適である。

発明者らは鋭意研究の結果、仕様点における運転時には、吸込ベルの口部における内周面付近の流れはそれほど強い周方向成分をもたないものの、この周方向成分は絞り部においては強まるという知見を得た。一方、締切点付近における運転時、例えば仕様点における流量の１５％程度の流量が吐き出されているときは、吸込ベルの口部における内周面付近の流れは強い周方向成分をもつものの、この周方向成分は絞り部においては弱まるという知見も得た。

ポンプの仕様点における運転時は、吸込ベル内の流体は、羽根車が有する羽根の角度に応じた角度をもって流れる必要がある。しかし、上述のように、整流板は、羽根車の上流側における吸込ベルの内周面付近の流体の周方向成分を整流してしまうことから、絞り部に整流板があると仕様点における運転時にはポンプ効率の低下を招く虞がある。さらに、絞り部に整流板があると、締切点付近における運転時には、羽根車からの逆流に対する抵抗となるため、軸動力の増加を招く虞がある。

上述の構成によると、吸込ベルの絞り部に整流板が備えられていないため、絞り部において流体は周方向成分が整流されることなく、羽根車への流入に適した角度で流れるため、仕様点における最高効率をなるべく維持しながらも、締切点付近における軸動力の増加を抑制することができる。

本発明においては、前記絞り部は、前記羽根車の軸心方向に沿って、前記喉部の内径の０．２倍以上かつ０．４倍以下の長さを有すると好適である。

発明者らは、鋭意研究の結果、整流板が備えられていない領域である絞り部が、羽根車の軸心方向に沿って、絞り部が有する最小の内径の０．２倍以上かつ０．４倍以下の長さを有していると、仕様点における軸動力の増加を抑制する効果が高いという知見を得た。また、絞り部の羽根車の軸心方向に沿った長さが、絞り部が有する最小の内径の２倍ともなると、締切点における軸動力が逆に増大してしまうという知見も得た。

本発明においては、比速度Ｎｓが７００以上であると好適である。

上述の構成によると、比速度Ｎｓが７００以上のポンプは、比速度Ｎｓが７００未満のポンプに比べて、締切点付近における軸動力が、仕様点における軸動力よりも高くなる特性が強い。このようなポンプであると締切点付近における軸動力の低減の効果が高い。なお、比速度Ｎｓが７００以上であるポンプは、斜流ポンプ又は軸流ポンプである。

斜流ポンプの説明図吸込ベルの説明図ポンプの性能曲線の説明図整流板の高さを異ならせたポンプの説明図喉部の長さを異ならせたポンプの説明図

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、図示しないポンプ井に設置されるポンプの一例としての斜流ポンプ１は、吐出しボウル２と、吐出しボウル２内において回転自在に設けられた主軸３と、主軸３の先端に取り付けられた羽根車４と、羽根車４の下流側に設けられた案内羽根ボス５と、吐出しボウル２と案内羽根ボス５との間に設けられた複数の案内羽根６と、吐出しボウル２の上流側に接続された吸込ベル７と、吐出しボウル２の下流側に接続された吐出配管８と、主軸３を回転させる駆動機としての電動機９等を備えている。

電動機９によって主軸３を回転させると、羽根車４が回転し、前記ポンプ井内の流体が吸込ベル７から吸い込まれ、吐出しボウル２内において案内羽根６によって整流された後、吐出配管８から吐き出される。

図２に示すように、吸込ベル７は、羽根車４より上流側において最小の内径Ｄ_０となる喉部１１ａを有する絞り部１１と、絞り部１１の上流部から吸込口１２にかけて拡径された口部１３とが備えられている。なお、絞り部１１は、羽根車４の軸心Ｃに沿って、長さＬを有する。

吸込ベル７の内周面１４に、４枚の整流板１５が羽根車４の軸心Ｃに対して、等間隔で放射状に突設されている。

整流板１５は、羽根車４の軸心方向及び径方向に沿って平坦に延びる表裏面１５ａ，１５ｂと、羽根車４の軸心Ｃと平行、かつ、喉部１１ａにおける内周面１４よりも羽根車４の軸心Ｃに近い位置において表裏面１５ａ，１５ｂを連ねる軸心側縁部１５ｃとを有している。

整流板１５は、喉部１１ａにおける内周面１４よりも、突出高さｈだけ軸心Ｃに向けて突設されている。すなわち、軸心側縁部１５ｃは、喉部１１ａにおける内周面１４よりも、羽根車４の軸心Ｃに近くに位置している。

さらに、整流板１５は、羽根車４の軸心Ｃに垂直、かつ、表裏面１５ａ，１５ｂを連ねる上流側縁部１５ｄ及び下流側縁部１５ｅを有している。上流側縁部１５ｄは、吸込口１２の流路断面上に位置し、下流側縁部１５ｅは口部１３と絞り部１１との境界に位置している。

この整流板１５は、鋳造や溶接によって吸込ベル７と一体に形成される。その際、整流板１５は捻じれた三次元形状をしていないことから製作作業が容易である。

〔実験１〕
本発明に係るポンプにおいて、図４に示すように、斜流ポンプ１の吸込ベル７に備えられる整流板１５の軸心側縁部１５ｃの、喉部１１ａにおける内周面１４から、羽根車４の軸心Ｃに向けた突出高さｈの違いによる、締切点における軸動力の低減の効果を調べるために以下の実験１を行った。

該実験１においては、整流板１５の軸心側縁部１５ｃの、喉部１１ａにおける内周面１４から軸心Ｃに向けた突出高さがｈ_１〜ｈ_５である斜流ポンプ１１１〜１１５、及び、吸込ベル７に整流板１５が備えられていない斜流ポンプ１１６の仕様は、吸込口径３００ｍｍ、回転速度Ｎ＝１５００ｍｉｎ^−１、流量係数φ＝０．３２、揚程係数ψ＝０．２０、比速度Ｎｓ＝１１１５、絞り部１１の羽根車４の軸心Ｃ方向に沿った長さＬ＝０．１８Ｄ_０（Ｄ_０は喉部１１ａの内径）である。

なお、斜流ポンプ１１１〜１１５については、整流板１５の軸心側縁部１５ｃの、羽根車４の軸心Ｃに向けた突出高さｈが大きく相違する。また、斜流ポンプ１１１〜１１５及び斜流ポンプ１１６は、整流板１５の有無のみが大きく相違する。

なお、羽根車４の羽根高さをｈ_０として斜流ポンプ１１１は整流板１５の突出高さｈ_１＝０．８９５ｈ_０であり、斜流ポンプ１１２は整流板１５の突出高さｈ_２＝０．５７９ｈ_０であり、斜流ポンプ１１３は整流板１５の突出高さｈ_３＝０．２６３ｈ_０であり、斜流ポンプ１１４は整流板１５の突出高さｈ_４＝０．１２６ｈ_０であり、斜流ポンプ１１５は整流板１５の突出高さｈ_５＝０ｈ_０である。

評価は、整流板１５の軸心側縁部１５ｃの、喉部１１ａにおける内周面１４から軸心Ｃに向けた突出高さがｈ_１〜ｈ_５である斜流ポンプ１１１〜１１５からそれぞれ測定した、仕様点における動力係数τ_Ｓに対する締切点における動力係数τ_０から算出される締切軸動力比τ_０／τ_Ｓと、吸込ベル７に整流板１５が備えられていない斜流ポンプ１１６から測定した、仕様点における動力係数τ_Ｓに対する締切点における動力係数τ_０から算出される締切軸動力比τ_０／τ_Ｓを算出することによって行った。

斜流ポンプ１１１は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０５９であった。斜流ポンプ１１２は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０５９であった。斜流ポンプ１１３は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０２２であった。斜流ポンプ１１４は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０８５であった。斜流ポンプ１１５は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０２８であった。また、吸込ベル７に整流板１５が備えられていない斜流ポンプ１１６は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０８０であった。

該実験１から、整流板１５の軸心側縁部１５ｃの、羽根車４の軸心Ｃに向けた突出高さｈに応じて締切軸動力比τ_０／τ_Ｓは変動し、その中でも突出高さｈ_３＝０．２６３ｈ_０である斜流ポンプ１１３が最も締切軸動力比τ_０／τ_Ｓが低いことがわかった。したがって、軸心側縁部１５ｃは、喉部１１ａにおける内周面１４よりも、羽根車４の羽根高さｈ_０の０．１５倍以上かつ０．４倍以下の高さだけ、羽根車４の軸心Ｃに近くに位置させることの効果が裏付けられる。

〔実験２〕
次に、本発明に係るポンプにおいて、図５に示すように、吸込ベル７における整流板１５のない領域である絞り部１１の長さＬの違いによる効果を調べるために以下の実験２を行った。

該実験２においては、斜流ポンプ１２２，１２３の仕様は、吸込口径３００ｍｍ、回転速度Ｎ＝１５００ｍｉｎ^−１、流量係数φ＝０．３３、揚程係数ψ＝０．２２、比速度Ｎｓ＝１０８３である。なお、斜流ポンプ１２２，１２３は、整流板１５の突出高さｈ＝０．１７２ｈ_０（ｈ_０は羽根車４の羽根高さ）であり、絞り部１１の羽根車４の軸心Ｃに沿った長さＬのみが相違する。

斜流ポンプ１２２は、吸込ベル７に整流板１５が備えられている斜流ポンプにおいて、喉部１１ａの内径をＤ_０として、絞り部１１の羽根車４の軸心Ｃに沿った長さＬ_１＝０．２８Ｄ_０であり、斜流ポンプ１２３は、絞り部１１の羽根車４の軸心Ｃに沿った長さＬ_２＝０．３８Ｄ_０である。

評価は、斜流ポンプ１２２，１２３からそれぞれ測定した、仕様点における動力係数τ_Ｓに対する、締切点における動力係数τ_０から算出される締切軸動力比τ_０／τ_Ｓを算出することによって行った。

斜流ポンプ１２２は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝１．０６であり、斜流ポンプ１２３は、締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ＝０．９９であった。したがって、絞り部１１は、羽根車４の軸心方向に沿って、喉部１１ａの内径Ｄ_０の０．２倍以上かつ０．４倍以下の長さを有することの効果が裏付けられる。

〔実験３〕
次に、斜流ポンプ１について、吸込ベル７に整流板１５が備えられていることの効果を調べるために以下の実験３を行った。

該実験３においては、吸込ベル７に整流板１５が備えられている斜流ポンプ１３１及び吸込ベル７に整流板１５が備えられていない斜流ポンプ１３２を用意した。

斜流ポンプ１３１及び斜流ポンプ１３２の仕様は、吸込口径３００ｍｍ、回転速度Ｎ＝１５００ｍｉｎ^−１、流量係数φ＝０．３０、揚程係数ψ＝０．２１、比速度Ｎｓ＝１０４４、絞り部１１の羽根車４の軸心Ｃ方向に沿った長さＬ＝０．２８Ｄ_０（Ｄ_０は喉部１１ａの内径）、整流板１５の突出高さｈ＝０．２６３ｈ_０（ｈ_０は羽根車４の羽根高さ）である。斜流ポンプ１２１〜１２３は、整流板１５の有無のみが大きく相違する。

評価は、斜流ポンプ１３１及び斜流ポンプ１３２について、仕様点における動力係数τ_Ｓに対する締切点（流量Ｑ＝０ｍ^３）における動力係数τ_０から算出される締切軸動力比τ_０／τ_Ｓを算出することによって行った。

図３に示すように、斜流ポンプ１３２は、仕様点における動力係数τ_Ｓ＝０．３３に対する、締切点における動力係数τ_０＝０．３５から算出される締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ≒１．０４であることから、電動機の選定に際して仕様点における軸動力ではなく、締切点における軸動力を考慮する必要があることがわかる。

一方、斜流ポンプ１３１は、仕様点における動力係数τ_Ｓ＝０．３３に対する、締切点における動力係数τ_０＝０．３１から算出される締切軸動力比τ_０／τ_Ｓ≒０．９４であることから、電動機の選定に際して仕様点における軸動力のみを考慮すればよいことがわかる。なお、整流板１５を備えた結果として、仕様点における効率ηの低下は、わずか０．７１ポイントにすぎなかった。

該実験３から、吸込ベル７に整流板１５が備えられていることの効果が裏付けられる。

上述した実験３の実施形態においては、絞り部１１は、羽根車４の軸心Ｃに沿って、長さＬ_１＝０．２８Ｄ_０を有する場合について説明したが、これに限らない。絞り部１１は、羽根車４の軸心方向に沿って、喉部１１ａの内径Ｄ_０の０．２倍以上かつ０．４倍以下の長さを有していればよい。

上述の実験３の実施形態においては、軸心側縁部１５ｃは、喉部１１ａにおける内周面１４よりも、羽根車４の羽根高さｈ_０の０．２６３倍の高さだけ、羽根車４の軸心Ｃに近くに位置している場合について説明したが、これに限らない。軸心側縁部１５ｃは、喉部１１ａにおける内周面１４よりも、羽根車４の羽根高さｈ_０の０．１５倍以上かつ０．４倍以下の高さだけ、羽根車４の軸心Ｃに近くに位置していればよい。

上述した実施形態においては、吸込ベルには、４枚の整流板が備えられている構成について説明したが、吸込ベルに備えられる整流板の枚数は４枚でなくてもよい。例えば、吸込ベルに、２枚や３枚、又は５枚以上の整流板が、等間隔で放射状に備えられていてもよい。

上述した実施形態においては、整流板が吸い込みケーシングに一体に形成されたものについて説明したが、整流板は吸い込みケーシングに一体に形成されていなくてもよい。例えば、整流板は、吸込ベルとは別に形成し、吸込ベルに対して溶接や接着等によって取り付けられる構成であってもよい。また、整流板は、ねじ等を用いて、吸込ベルに着脱可能に構成されてもよい。

なお、上述の実施形態においては、ポンプが比速度Ｎｓが約１１００の斜流ポンプである場合について説明したが、これに限らない。ポンプは比速度Ｎｓが７００以上、特に９００以上であればよい。このようなポンプであると締切点付近における軸動力の低減の効果が高い。

上述したいずれの実施形態も本発明の一例であり、当該記載により本発明が限定されるものではなく、各部の具体的構成は本発明の作用効果が奏される範囲において適宜変更設計可能である。

１：斜流ポンプ（ポンプ）
４：羽根車
７：吸込ベル
１１：絞り部
１１ａ：喉部
１２：吸込口
１３：口部
１４：内周面
１５：整流板
１５ａ：表裏面
１５ｂ：表裏面
１５ｃ：軸心側縁部
１５ｄ：上流側縁部
Ｃ：軸心
Ｄ_０：内径
Ｎｓ：比速度
ｈ_０：羽根高さ
ｈ：高さ

Claims

吸込ベルを備えたポンプであって、
前記吸込ベルは、羽根車の上流側端部又は前記羽根車より上流側において最小の内径となる喉部を有する絞り部と、前記絞り部の上流部から吸込口にかけて拡径された口部とが備えられるとともに、
前記吸込ベルの内周面に、複数枚の整流板が前記羽根車の軸心に対して放射状に突設され、
前記整流板は、前記羽根車の軸心方向及び径方向に沿って延びる平坦な表裏面と、前記羽根車の軸心と平行、かつ、前記喉部における内周面よりも前記羽根車の軸心に近い位置において前記表裏面を連ねる軸心側縁部とを有することを特徴とするポンプ。
前記整流板は、前記口部の上流端から下流端に亘って突設されている請求項１に記載のポンプ。
前記軸心側縁部は、前記喉部における内周面よりも、前記羽根車の羽根高さの０．１５倍以上かつ０．４倍以下の高さだけ、前記羽根車の軸心に近くに位置する請求項１又は２に記載のポンプ。
前記整流板は、前記羽根車の軸心に垂直、かつ、前記表裏面を連ねる上流側縁部を有し、
前記上流側縁部は、前記吸込口における流路断面上に位置する請求項１から３のいずれか一項に記載のポンプ。
前記整流板は、前記口部にのみ備えられている請求項１から４のいずれか一項に記載のポンプ。
前記絞り部は、前記羽根車の軸心方向に沿って、前記喉部の内径の０．２倍以上かつ０．４倍以下の長さを有する請求項１から５のいずれか一項に記載のポンプ。
比速度Ｎｓが７００以上である請求項１から６のいずれか一項に記載のポンプ。