JP7132825B2 - ポンプケーシングおよびポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ポンプケーシングに関し、特に羽根車を収容するポンプケーシングの補強構造に関するものである。また、本発明は、そのようなポンプケーシングを備えたポンプ装置に関するものである。

渦巻ポンプは、羽根車をポンプケーシング内で回転させることにより液体をポンプケーシング内で昇圧し、該昇圧された液体を吐出し口から外部に吐き出す。液体の圧力がポンプケーシングに作用すると、ポンプケーシングの一部に高い応力が発生し、ポンプケーシングが変形する。ポンプケーシングが変形すると、羽根車の流体入口の周りに配置されたライナーリングと羽根車が接触する場合がある。そのため、ポンプケーシングの変形を一定以下にするための剛性がポンプケーシングには要求される。

渦巻室を持つポンプケーシングの形状は複雑であるため、ポンプケーシングは、一般的に、鋳造で製作される。ポンプケーシングの剛性を高めるために、ポンプケーシング全体の肉厚を厚くすると、ポンプケーシングの重量が増加してしまい、結果的に、渦巻ポンプ全体の重量が増加してしまう。

一方、ポンプケーシングを薄くすると、ポンプケーシングの機械的強度が低下し、渦巻ポンプは耐水圧試験に合格することができないことがある。この耐水圧試験は、渦巻ポンプからの水漏れを検査する目的で行われる。具体的には、ポンプケーシングから羽根車や回転軸を取り外した状態で、ポンプケーシングの吸込み口、吐出し口を含むすべての開口部を閉じて密閉空間をポンプケーシング内に形成し、この密閉空間を、ポンプの最高吐出し圧力の１．５倍の圧力の水で満たし、そのままの状態で３分間以上放置し、水漏れおよびポンプケーシングの変形を検査する。

渦巻ポンプの通常運転時は、液体の動圧が上昇し、液体の高い圧力がポンプケーシングにその内側から加わる。ポンプケーシングの吸込み口では液体の圧力は低く、吐出し口付近で液体の圧力は最大となる。このため、ポンプケーシングの吸込み側と吐出し側との間で差圧が生じる。この差圧は、ポンプケーシングに高い応力が生じさせ、ポンプケーシングを変形させる。

実開昭５４－３５４０２号公報 実開昭５４－３５４０３号公報

上述した耐水圧試験では、ポンプケーシングのボリュート室の渦巻き始点を構成する舌部において最も高い応力が発生する。一方、通常運転時には、ポンプケーシングの吸込み側と吐出し側との境界において最も高い応力が発生する。特許文献１および特許文献２には、舌部を補強するための補強構造が提案されている。しかしながら、これらの補強構造は、耐水圧試験および通常運転の両方においてポンプケーシングの変形を防ぐには十分ではない。特に、脚部を持たず、配管のみによって支持されるインラインポンプ装置は、その自重のみならず、配管荷重や配管モーメントも受けるために、ポンプケーシングに変形が生じやすい。

そこで、本発明は、耐水圧試験および通常運転の両方において液体の高い圧力を受けたときに、変形を最小にすることができるポンプケーシングを提供する。また、本発明は、そのようなポンプケーシングを備えたポンプ装置を提供する。

一態様では、液体を移送するためのポンプ装置に使用されるポンプケーシングであって、吸込み口を有する吸込みボリュートと、吐出し口およびボリュート室を有する吐出しボリュートと、前記ボリュート室の渦巻き始点を構成する舌部を囲むように前記吐出しボリュートの外面上に設けられた第１リブと、前記吐出しボリュートから前記吸込みボリュートまで延びる複数の第２リブを備え、前記第１リブは、前記ポンプケーシングの軸方向から見たときに前記舌部を横切って延びており、前記吸込み口と前記吐出し口は一直線上に並んでおり、前記吸込み口の中心と前記吐出し口の中心を通る中心線に対する前記第１リブの角度は、１５度から７５度の範囲内にある、ポンプケーシングが提供される。

一態様では、前記複数の第２リブは、前記中心線の両側に配置されている。
一態様では、前記複数の第２リブは、前記中心線に関して対称に配置されている。
一態様では、前記複数の第２リブは、放射状に延びている。

一態様では、電動機と、前記電動機に連結された回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記羽根車を収容する上記ポンプケーシングを備えたポンプ装置が提供される。

第１リブは、ポンプケーシングの軸方向から見たときに、舌部を横切って延びている。このように配置された第１リブは、舌部に発生する応力を低くできることが応力解析により判明している。よって、第１リブは、耐水圧試験時での舌部のひび割れを防止することができる。

複数の第２リブは、吐出しボリュートから吸込みボリュートまで延びている。ポンプ装置の運転時には、吐出しボリュートに加わる液体の圧力は、複数の第２リブを通じて吸込みボリュートに伝わる。つまり、通常運転時に発生する液体の圧力は、吐出しボリュート、第２リブ、および吸込みボリュートに分散され、応力が局所的に高い箇所（応力集中している箇所）の発生を防止することができる。結果として、ポンプケーシングの変形を防止することができる。さらに、複数の第２リブは、ポンプケーシングの剛性を高め、運転中のポンプケーシングの振動を防止することができる。

ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。 図１に示すポンプケーシングを軸方向から見た図である。 図２に示すポンプケーシングを裏側から見た図である。

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、ポンプ装置の一実施形態を示す断面図である。本実施形態のポンプ装置は、脚部を持たず、吸込み口および吐出し口が一直線上に並ぶインラインポンプ装置である。

ポンプ装置は、電動機１と、電動機１に連結された回転軸２と、回転軸２に固定された羽根車５と、羽根車５を収容するポンプケーシング８を備えている。羽根車５は、遠心羽根車である。回転軸２は、軸受（図示せず）に回転可能に支持されている。回転軸２と羽根車５は一体に回転可能となっている。回転軸２および羽根車５は、電動機１によって回転される。羽根車５の流体入口５ａの周囲にはライナーリング１０が配置されている。このライナーリング１０は、ポンプケーシング８に固定されている。

電動機１とポンプケーシング８との間にはケーシングカバー１２が配置されている。ポンプケーシング８の開口は、ケーシングカバー１２によって塞がれている。電動機１は、ケーシングカバー１２に固定されている。ポンプケーシング８およびケーシングカバー１２は、鋳物である。羽根車５の裏側には、回転軸２とケーシングカバー１２との間の隙間を封止する軸封装置１５が配置されている。軸封装置１５はケーシングカバー１２に保持されている。軸封装置１５の例としては、メカニカルシールが挙げられる。

ポンプケーシング８は、吸込み口２０ａを有する吸込みボリュート２０と、吐出し口２２ａおよびボリュート室２２ｂを有する吐出しボリュート２２を備えている。羽根車５は、ボリュート室２２ｂ内に配置されている。吸込み口２０ａおよび吐出し口２２ａは、一直線上に並んでいる。ポンプケーシング８は脚部を持たず、ポンプ装置の全体は、吸込み口２０ａおよび吐出し口２２ａに接続された配管（図示せず）によって支持される。吸込み口２０ａおよび吐出し口２２ａが一直線上に並んだポンプ装置は、インラインポンプ装置と呼ばれる。

電動機１が羽根車５を回転させると、液体は、吸込み口２０ａからポンプケーシング８内に流れ込む。より具体的には、液体は、吸込み口２０ａから吸込みボリュート２０に流入し、吸込みボリュート２０を通じて羽根車５の流体入口５ａに流入する。回転する羽根車５は液体に速度エネルギーを付与し、ボリュート室２２ｂを流れる液体の速度エネルギーは圧力に変換される。昇圧された液体は、吐出しボリュート２２の吐出し口２２ａを通ってポンプケーシング８から吐き出される。

図２は、図１に示すポンプケーシング８を軸方向から見た図であり、図３は、図２に示すポンプケーシング８を裏側からみた図である。ポンプケーシング８の軸方向とは、ポンプケーシング８内に配置される羽根車５に固定された回転軸２の長手方向である。ポンプケーシング８は、吸込み口２０ａを有する吸込みボリュート２０と、吐出し口２２ａおよびボリュート室２２ｂを有する吐出しボリュート２２と、吸込ボリュート２０と吐出しボリュート２２との間を延びる側壁２３と、吐出しボリュート２２に接続された周壁２４を有している。側壁２３は環状であり、側壁２３の内周部は吸込ボリュート２０の出口端部２０ｂに接続され、側壁２３の外周部は吐出しボリュート２２に接続されている。

吸込みボリュート２０は側壁２３上を延び、吸込みボリュート２０の出口端部２０ｂは、側壁２３の中央に接続されている。図３に示すように、吸込みボリュート２０の出口端部２０ｂは、羽根車５の流体入口５ａ（図１参照）に対向する流体出口２０ｃを有している。ポンプケーシング８は、周壁２４に沿って等間隔に配列された複数のねじ孔３３を有している。図示しないねじは、ケーシングカバー１２（図１参照）を通ってねじ孔３３に螺合される。ケーシングカバー１２は、ねじ孔３３に螺合されたねじによってポンプケーシング８に固定される。

ポンプケーシング８は、ボリュート室２２ｂの渦巻き始点を構成する舌部２５を囲むように設けられた第１リブ３１と、吐出しボリュート２２から吸込みボリュート２０まで延びる複数の第２リブ３２をさらに備えている。第１リブ３１は、少なくとも吐出しボリュート２２上に設けられる。本実施形態では、第１リブ３１は、吐出しボリュート２２および側壁２３上に設けられている。

複数の第２リブ３２は、放射状に延びている。複数の第２リブ３２は、少なくとも吐出しボリュート２２、吸込みボリュート２０、および側壁２３上に設けられる。本実施形態では、第２リブ３２の一端は、吸込みボリュート２０の出口端部２０ｂに接続され、第２リブ３２の他端は周壁２４に接続されている。すなわち、複数の第２リブ３２は、吐出しボリュート２２を横切って延びており、かつ吸込みボリュート２０に接続されている。各第２リブ３２には、複数のねじ孔３３のうちの１つが形成されている。

第１リブ３１は、ポンプケーシング８の軸方向から見たときに舌部２５を横切って延びている。より具体的には、第１リブ３１は、舌部２５の外側面２５ａに対して垂直である。吸込み口２０ａの中心と吐出し口２２ａの中心を通る中心線Ｌに対する第１リブ３１の角度θは、１５度から７５度の範囲内である。本実施形態では、中心線Ｌに対する第１リブ３１の角度θは、４５度である。

ポンプケーシング８の耐水圧試験では、液体の高い静圧がポンプケーシング８の内側に加わる。舌部２５には高い応力がポンプケーシング８の軸方向に生じる。第１リブ３１は、耐水圧試験時に舌部２５に発生する応力を低くするために設けられている。第１リブ３１は、舌部２５が突出する方向に対して斜めに延びている。このように配置された第１リブ３１は、舌部２５に発生する応力を低くできることが応力解析により判明している。よって、第１リブ３１は、耐水圧試験時での舌部２５のひび割れを防止することができる。

一方、第２リブ３２は、ポンプ装置の通常運転中に液体の圧力およびポンプ装置の自重がポンプケーシング８に加わったときにポンプケーシング８の変形を最小にすることができる強度をポンプケーシング８に付与するために設けられている。複数の第２リブ３２は、中心線Ｌの両側に配置されている。中心線Ｌの一方側に位置する第２リブ３２の数と、中心線Ｌの反対側に位置する第２リブ３２の数は、同じである。隣接する２つの第２リブ３２間の間隔も同じである。

本実施形態では、４組の第２リブ３２が中心線Ｌの両側に配置されているが、本発明はこの実施形態に限定されない。第２リブ３２の数は、ポンプケーシング８に必要とされる強度に基づいて決定される。一実施形態では、１組の第２リブ３２が中心線Ｌの両側に配置されてもよく、あるいは５組以上の第２リブ３２が中心線Ｌの両側に配置されてもよい。

本実施形態のポンプケーシング８は、鋳物からなる一体構造物である。各第２リブ３２は台形の断面を有している。一実施形態では、各第２リブ３２は、半円形などの他の形状であってもよい。各第２リブ３２の高さはポンプケーシング８に必要とされる強度に基づいて適宜決定される。

各第２リブ３２は、吸込みボリュート２０と吐出しボリュート２２の両方に接続されている。したがって、ポンプ装置の運転時には、吐出しボリュート２２に加わる液体の圧力は、複数の第２リブ３２を通じて吸込みボリュート２０に伝わる。つまり、通常運転時に発生する液体の圧力は、吐出しボリュート２２、第２リブ３２、および吸込みボリュート２０に分散され、応力が局所的に高い箇所（応力集中している箇所）の発生を防止することができる。結果として、ポンプケーシング８の変形を防止することができる。

複数の第２リブ３２は、吐出しボリュート２２を包み込むように設けられており、吐出しボリュート２２の全体の強度を向上させている。したがって、吐出しボリュート２２の肉厚を小さくすることができ、ポンプケーシング８の軽量化が達成される。

さらに、複数の第２リブ３２は、ポンプケーシング８の剛性を高め、運転中のポンプケーシング８の振動を防止することができる。つまり、ポンプケーシング８の剛性が上がると、ポンプケーシング８の固有振動数が高くなり、結果としてポンプケーシング８が振動しにくくなる。一般に、ポンプケーシング８の固有振動数は、ポンプケーシング８のばね定数が大きくなるにつれて、および／またはポンプケーシング８の質量が小さくなるにつれて、高くなる。第２リブ３２は、ポンプケーシング８を補強できるので、ポンプケーシング８の肉厚を小さくできる。よって、ポンプケーシング８の質量を小さくできる。

ポンプケーシング８のばね定数ｋは、次の式で表される。
ｋ＝Ｆ／ｘ
Ｆはポンプケーシング８に加わる外力を表し、ｘはポンプケーシング８の変形量を表す。Ｆの値は、ポンプ装置の運転条件が変わらない限り、一定である。第２リブ３２は、ポンプケーシング８の変形ｘを小さくすることができる。よって、ポンプケーシング８のばね定数ｋは大きくなる。第２リブ３２は、ポンプケーシング８のばね定数を大きくし、かつポンプケーシング８の質量を小さくすることができるので、ポンプケーシング８の固有振動数が高くなり、結果として、ポンプ装置の運転中にポンプケーシング８が振動しにくくなる。

図１に示すポンプ装置は脚部がないので、ポンプ装置の全体はポンプケーシング８に接続された配管のみによって支持される。ポンプ装置の設置角度は、ポンプ装置が使用される場所によって変わりうる。例えば、ポンプ装置は水平に延びる配管に接続される場合もあれば、ポンプ装置は、鉛直に延びる配管に接続される場合もある。さらに、電動機１の位置によって、ポンプケーシング８にねじりモーメントが加わることもある。

そこで、本実施形態では、ポンプ装置がどのような角度で設置された場合でも第２リブ３２がポンプケーシング８を補強できるように、複数の第２リブ３２は、吐出しボリュート２２の中心線Ｌに関して対称に配置されている。ポンプ装置自体の重量、および／またはポンプ装置に接続された配管の重量がポンプケーシング８にどの方向に掛かっても、対称に配置された第２リブ３２はポンプケーシング８の変形を防ぐことができる。

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に解釈されるものである。

１ 電動機
２ 回転軸
５ 羽根車
５ａ 流体入口
８ ポンプケーシング
１０ ライナーリング
１２ ケーシングカバー
１５ 軸封装置
２０ 吸込みボリュート
２０ａ 吸込み口
２０ｂ 出口端部
２０ｃ 流体出口
２２ 吐出しボリュート
２２ａ 吐出し口
２２ｂ ボリュート室
２３ 側壁
２４ 周壁
２５ 舌部
３１ 第１リブ
３２ 第２リブ
３３ ねじ孔
Ｌ 中心線

Claims (5)

1. 液体を移送するためのポンプ装置に使用されるポンプケーシングであって、
   吸込み口を有する吸込みボリュートと、
   吐出し口およびボリュート室を有する吐出しボリュートと、
   前記ボリュート室の渦巻き始点を構成する舌部を囲むように前記吐出しボリュートの外面上に設けられた第１リブと、
   前記吐出しボリュートから前記吸込みボリュートまで延びる複数の第２リブを備え、
   前記第１リブは、前記ポンプケーシングの軸方向から見たときに前記舌部を横切って延びており、
   前記吸込み口と前記吐出し口は一直線上に並んでおり、
   前記吸込み口の中心と前記吐出し口の中心を通る中心線に対する前記第１リブの角度は、１５度から７５度の範囲内にある、ポンプケーシング。
2. 前記複数の第２リブは、前記中心線の両側に配置されている、請求項１に記載のポンプケーシング。
3. 前記複数の第２リブは、前記中心線に関して対称に配置されている、請求項２に記載のポンプケーシング。
4. 前記複数の第２リブは、放射状に延びている、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のポンプケーシング。
5. 電動機と、
   前記電動機に連結された回転軸と、
   前記回転軸に固定された羽根車と、
   前記羽根車を収容する請求項１乃至４のいずれか一項に記載のポンプケーシングを備えたポンプ装置。

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