JP7161341B2

JP7161341B2 - 片吸込ポンプ

Info

Publication number: JP7161341B2
Application number: JP2018154896A
Authority: JP
Inventors: 祐治兼森
Original assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Torishima Pump Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2018-08-21
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2038-08-21
Also published as: JP2020029797A

Description

この発明は、片吸込ポンプに関する。

従来、片吸込ポンプとしては、ケーシングと、ケーシングに回転可能に支持された回転軸と、ケーシング内に配置されると共に回転軸に連結され、回転軸の軸方向の一方に設けられた吸込口から吸い込んだ流体を径方向外側に吐出する羽根車とを備え、羽根車の後シュラウドにバランスホールを設けたものがある(非特許文献１参照)。

上記片吸込ポンプは、羽根車の後シュラウドにも受けたバランスホールによって、軸スラストを低減している(釣合い穴法(balance hole))。

ターボ機械協会編、「ターボ機械入門編」、日本工業出版、2005年9月、p.131

しかしながら、上記従来の片吸込ポンプのバランスホールを用いた釣合い穴法では、軸スラストが完全には無くならないため、運転時にスラスト軸受に常に荷重がかかって信頼性が低下したり破損したりするという問題がある。

また、上記片吸込ポンプでは、バランスホールからの流体の漏れ量が多くなるため、漏れ損失が大きくなってポンプ効率が低下するという問題がある。

そこで、この発明の課題は、簡単な構成で軸スラストを自動的にキャンセルでき、信頼性とポンプ効率を向上できる片吸込ポンプを提供することにある。

この発明の一態様に係る片吸込ポンプは、
ケーシングと、
上記ケーシングに回転可能に支持された回転軸と、
上記ケーシング内に配置されると共に上記回転軸に連結され、上記回転軸の軸方向の一方に設けられた吸込口から吸い込んだ流体を径方向外側に吐出する羽根車と
を備え、
上記羽根車の後シュラウドまたは上記後シュラウドに対向する上記ケーシングの部分の少なくとも一方に環状の絞り凸部を設けると共に、
上記羽根車の吐出側から上記環状の絞り凸部による流体絞りを経て上記羽根車内の流路または上記羽根車の吸込口の上流側に連なる流体通路を設け、
上記流体通路は、上記羽根車の背面側と上記羽根車内の流路とが連通するように、上記羽根車の上記後シュラウドかつ上記羽根車の羽根板の負圧面側に設けられたバランスホールであって、上記流体を液体としたときに上記羽根車内に発生したキャビテーション泡が上記羽根板に再付着して崩壊する位置に配置されていることを特徴とする。

上記構成によれば、回転軸の回転により羽根車が回転して、回転軸の軸方向の一方に設けられた吸込口から吸い込んだ流体を径方向外側に吐出する。このとき、羽根車の前シュラウド側は吐出側の圧力を受けて、羽根車は、後面側に向かってほぼ一定のスラスト力Ｆｓを受ける。一方、羽根車の後シュラウド側は吐出側の圧力を受けて、羽根車は、前面側(吸込口側)に向かってスラスト力Ｆｂを受ける。

羽根車が後面側に移動すると、羽根車の後シュラウドとその後シュラウドに対向する環状の絞り凸部の先端との隙間が狭くなる。このため、羽根車の吐出側から環状の絞り凸部による流体絞りを経て羽根車内の流路(または羽根車の吸込口の上流側)に連なる流体通路を流れる流体の速度が遅くなり、羽根車の背面の圧力が上昇して、羽根車に対して前面側(吸込口側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂが増大し、Ｆｂ＞Ｆｓとなって羽根車を前面側に移動させる。

逆に、羽根車が前面側(吸込口側)に移動すると、羽根車の後シュラウドとその後シュラウドに対向する環状の絞り凸部の先端との隙間が広くなる。このため、羽根車の吐出側から環状の絞り凸部による流体絞りを経て羽根車内の流路(または羽根車の吸込口の上流側)に連なる流体通路を流れる流体の速度が速くなり、羽根車の背面の圧力が下降して、羽根車に対して前面側(吸込口側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂが減少し、Ｆｂ＜Ｆｓとなって羽根車を後面側に移動させる。

そうして、羽根車は、後面側に向かって働くスラスト力Ｆｓと前面側(吸込口側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂとが等しくなる平衡点Ｘ_０で安定的に留まる。このようにして、簡単な構成で軸スラストを自動的にキャンセルできる。また、軸スラストをキャンセルすることで、スラスト軸受の信頼性を向上できる。さらに、羽根車の吐出側から環状の絞り凸部による流体絞りを経て羽根車内の流路(または羽根車の吸込口の上流側)に連なる流体通路を流れる流体の漏れ量を少なくして漏れ損失を低減することで、ポンプ効率を向上できる。
また、羽根車の後シュラウドに設けられたバランスホールを、流体を液体としたときに羽根車内に発生したキャビテーション泡が羽根板に再付着して崩壊する位置に配置することによって、羽根車から吐出される流体が液体である場合、バランスホールを介して羽根車の背面側の高圧液体を羽根車内の流路に吐出させてキャビテーションの発生を抑制でき、キャビテーションエロージョンを低減できる。

また、一実施形態の片吸込ポンプでは、
半径が異なる複数の上記環状の絞り凸部を同心円状に設けることによって半径流ラビリンスを形成している。

上記実施形態によれば、複数の環状の絞り凸部で半径流ラビリンスを形成することによって、羽根車の軸方向の位置変化に対して、前面側(吸込口側)に向かって羽根車に作用するスラスト力Ｆｂの変化量が大きくなり、羽根車を平衡点Ｘ_０に戻す復元力を大きくできる。

また、一実施形態の片吸込ポンプでは、
上記バランスホールは、上記バランスホールの回転軌跡の少なくとも一部が、上記環状の絞り凸部と重なるように、該環状の絞り凸部の最外径よりも径方向内側に設けられている。

上記実施形態によれば、バランスホールの回転軌跡の少なくとも一部が環状の絞り凸部と重なるように、該環状の絞り凸部の最外径よりも径方向内側にバランスホールを設けることによって、羽根車の吐出側から環状の絞り凸部による流体絞りを経て羽根車内の流路(または羽根車の吸込口の上流側)に連なる流体通路を流れる流体の流量を効果的に絞ることができる。

また、一実施形態の片吸込ポンプでは、
上記バランスホールは、上記羽根車の吸込口側の外周半径をＲｓとするとき、上記バランスホールの中心位置と上記羽根車の中心軸との径方向の距離Ｒｒは、０．８Ｒｓ以上かつＲｓ以下である。

ここで、バランスホールの中心位置とは、バランスホールの幾何中心である。

上記実施形態によれば、バランスホールの中心位置と羽根車の中心軸との径方向の距離Ｒｒを０．８Ｒｓ以上かつＲｓ以下とすることによって、羽根車の背面側と羽根車内の流路との差圧を小さくでき、流体の漏れ量を抑制して漏れ損失を低減でき、ポンプ効率が向上する。

以上より明らかなように、この発明によれば、羽根車の後シュラウドまたは後シュラウドに対向するケーシングの部分の少なくとも一方に環状の絞り凸部を設けると共に、羽根車の吐出側から環状の絞り凸部による流体絞りを経て羽根車内の流路または羽根車の吸込口の上流側に連なる流体通路を設けることによって、簡単な構成で軸スラストを自動的にキャンセルでき、信頼性とポンプ効率を向上できる。

この発明の第１実施形態の片吸込ポンプの断面図。第１実施形態の片吸込ポンプの要部を示す断面図。第１実施形態の環状の絞り凸部を有するリング部材の斜視図。第１実施形態の片吸込ポンプの軸スラストを説明する図である。第１実施形態の片吸込ポンプの羽根車位置と軸スラストとの関係を示す図。第１実施形態の片吸込ポンプの羽根車のバランスホールの位置を示す図。変形例の片吸込ポンプの軸スラストを説明する図である。この発明の第２実施形態の片吸込ポンプの断面図。第２実施形態の片吸込ポンプの要部を示す断面図。第２実施形態の環状の絞り凸部を有するリング部材の斜視図。第２実施形態の片吸込ポンプの軸スラストを説明する図である。第２実施形態の片吸込ポンプの羽根車位置と軸スラストとの関係を示す図。

以下、この発明の片吸込ポンプを図示の実施の形態により詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１はこの発明の第１実施形態の片吸込ポンプ１００の断面図を示している。この第１実施形態の片吸込ポンプ１００は、片吸込遠心渦巻ポンプである。図１において、左右方向をＸ、上下方向をＹ、紙面に垂直な方向をＺとしている。

片吸込ポンプ１００は、図１に示すように、ケーシング１と、ケーシング１に回転可能に支持された回転軸２と、ケーシング１内に配置されると共に回転軸２に連結されたクローズ型の羽根車３とを備える。羽根車３は、回転軸２の軸方向(Ｘ方向)の一方に設けられた吸込口３ａから吸い込んだ液体を径方向外側に吐出する。

ケーシング１は、ケーシング本体１０と、ケーシング本体１０に固定されたケーシングカバー２０と、ケーシングカバー２０の外側に固定されたベアリングケース３０とを備える。ケーシング本体１０には、左側に円形状の吸込口１１が形成されている。ケーシング本体１０は、吸込口１１の奥側に、羽根車３を配置する配置空間部１２が形成されている。配置空間部１２の外周部には、ケーシング１内に吸い込んだ液体を吐出するボリュート通路１３が形成されている。また、ケーシング本体１０には、図１において上側に位置するように、ボリュート通路１３の出口である吐出口１４が形成されている。

回転軸２は、ケーシング１に対してＸ方向に延びるように回転可能に配置されている。回転軸２は、一端がケーシングカバー２０のシャフト穴２１から配置空間部１２内に突出している。シャフト穴２１の周囲には、液密性を保持するためのメカニカルシール２２が取り付けられている。回転軸２は、ベアリングケース３０に固定されたベアリング３１,３２によって回転可能に支持されている。ベアリングケース３０から突出した回転軸２の外端には、図示しないモータ等の駆動装置が接続される。

＜羽根車３の概要＞
羽根車３は、回転軸２の一端に固定され、ケーシング１の配置空間部１２に配置されている。羽根車３は、Ｘ方向から見て円形状であり、前シュラウド４と、後シュラウド５と、前シュラウド４と後シュラウド５との間に設けられた渦巻状の複数の羽根板６とを備える。羽根車３が回転すると、吸込口３ａから吸い込まれた液体は、ボリュート通路１３へ送出され、吐出口１４から吐出される。

図１において左側に位置する前シュラウド４は、Ｘ方向における羽根板６の前端(一端)に固定されている。前シュラウド４は、漏斗形状をしており、外周側がＸ方向に対して直交方向(ＹＺ方向)に延びている。前シュラウド４には、回転軸２と同心円形状の開口である吸込口３ａが設けられている。

図１において右側に位置する後シュラウド５は円板状であり、Ｘ方向における羽根板６の後端(他端)に配置されている。後シュラウド５は、前シュラウド４に対してＸ方向に間隔をあけて配置している。後シュラウド５の中心には、回転軸２を連結するための連結部３ｂが設けられている。

羽根車３には、隣接する羽根板６,６と、前シュラウド４と後シュラウド５とで画定された筒状の流路７が渦巻き状に複数形成される。この筒状の流路７は、羽根板６の内周側の端部が流入口を構成し、羽根板６の外周側の端部が流出口を構成する。

ケーシング本体１０には、配置空間部１２の吸込口３ａ側と前シュラウド４との間を仕切るウェアリング１５が配置されている。また、後シュラウド５とケーシングカバー２０との間には、ケーシングカバー２０と羽根車３の吐出口１４側とを仕切るウェアリング２３が配置されている。ウェアリング１５とウェアリング２３は、羽根車３との干渉による損傷を防ぐために、例えばステンレス、鋳鉄、青銅等の摺動性が良好な材料からなる。

羽根車３の後シュラウド５に対向するケーシング１の部分に環状の絞り凸部４１,４２(図２に示す)を有するリング部材４０を設けている。

図２は第１実施形態の片吸込ポンプ１００の要部を示す断面図であり、図１と同一の構成部には同一参照番号を付している。また、図３は環状の絞り凸部４１,４２を有するリング部材４０の斜視図である。図３において、リング部材４０の斜線部分は、後シュラウド５の背面と対向する先端面である。リング部材４０には、羽根車３に接触しても焼付くことがない樹脂系の材料を用いている。

図２,図３に示すように、リング部材４０は、同心円状に設けられた半径の異なる環状の絞り凸部４１,４２を備えている。外周側の環状の絞り凸部４１と内周側の環状の絞り凸部４２によって半径流ラビリンスを形成している。

環状の絞り凸部４１の先端面と後シュラウド５の背面との間隔δ１と、環状の絞り凸部４２の先端面と後シュラウド５の背面との間隔δ２との関係は、
δ１＞ δ２
となっている。

後シュラウド５の背面と環状の絞り凸部４１との隙間で流体絞りが形成され、後シュラウド５の背面と環状の絞り凸部４２との隙間で流体絞りが形成されている。

また、径方向内側の環状の絞り凸部４２に対向する後シュラウド５の部分に、周方向に間隔をあけてバランスホール５ａを設けている。羽根車３の背面側と羽根車３内の流路７とは、バランスホール５ａを介して連通する。このバランスホール５ａの中心位置と羽根車３の中心軸Ｏ１との径方向の距離をＲｒとしている。この距離Ｒｒは、羽根車３の吸込口３ａ側の外周半径をＲｓと同じにしている。

また、バランスホール５ａは、流体通路の一例であり、環状の絞り凸部４２の最外径よりも径方向内側に設けている。

図４は片吸込ポンプ１００の軸スラストＦを説明する図である。図４では、左側に羽根車３の前面の圧力分布を示し、右側に羽根車３の背面の圧力分布を示している。ここで、羽根車３の吸込口３ａにおける圧力をＰｉｎ、羽根車３の吐出側の圧力をＰｏｕｔとする。

図４に示すように、平衡点Ｘ_０から羽根車３が右方向に＋△ｘ移動すると、間隔δ１,δ２が狭くなって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａを流れる液体の速度が遅くなり、羽根車３の背面の圧力が上昇する。したがって、平衡点Ｘ_０の背面側のスラスト力Ｆｂが増大し、羽根車３を左側に戻すような軸スラストＦが発生する。

逆に、平衡点Ｘ_０から羽根車３が左方向に－△ｘ移動すると、間隔δ１,δ２が広くなって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａを流れる液体の速度が速くなり、羽根車３の背面の圧力が下降する。したがって、平衡点Ｘ_０の背面側のスラスト力Ｆｂが減少し、羽根車３を右側に戻すような軸スラストＦが発生する。

図５は片吸込ポンプ１００の羽根車位置Ｘと軸スラストＦとの関係を示している。

前シュラウド４側のスラスト力Ｆｓは、図４の左側に羽根車３の前面の圧力分布に示すように、羽根車３の前シュラウド４側の圧力により発生する。この前シュラウド４側のスラスト力Fsは、図５に示すように、羽根車３の位置に無関係であるためほぼ一定になる。

また、羽根車３の背面側のスラスト力Ｆｂは、図４の右側の羽根車３の背面の圧力分布に示すように、羽根車３の移動量△ｘに応じて変化する。

したがって、図５に示すように、羽根車３を平衡点Ｘ_０の位置に戻す復元力は、(Ｆｓ－Ｆｂ)となり、前シュラウド４側のスラスト力Ｆｓと後シュラウド５側のスラスト力Ｆｂが一致する平衡位置(平衡点Ｘ_０)で、羽根車３は安定的に留まる。

片吸込ポンプ１００の組立時に羽根車３を平衡位置(平衡点Ｘ_０)に設置すると、軸スラストＦが自動的にキャンセルされて安定した運転ができる。

図６は片吸込ポンプ１００の羽根車３のバランスホール５ａの位置を示している。図６では、図を見やすくするため前シュラウド４を省略しており、吸込側から見た図である。また、図６において、羽根車３は、反時計方向(矢印Ａの方向)に回転する。

図６に示すように、バランスホール５ａは、羽根板６の負圧面側に、翼面に沿った楕円形状に設けられている。

羽根車３の背面側からバランスホール５ａを介して羽根車３内の流路７に吐出した液体は、羽根板６の負圧面に沿って流れる。この羽根板６の負圧面に沿った楕円形状のバランスホール５ａは、機械加工で加工してもよいし、鋳抜穴として形成してもよい。

羽根車３のバランスホール５ａの形状を変えることにより、ポンプ仕様に合わせたエロージョンの発生を防止できる。これらのバランスホール５ａは、ポンプの構成などに応じて位置と形状を変えて組み合わせてもよい。

また、羽根車３の背面側からバランスホール５ａを介して羽根車３内の流路７に液体を吐出する吐出位置は、キャビテーション泡が羽根板６に再付着して崩壊する位置が好ましく、そのような位置に吐出圧力を加えることによりエロージョンを小さくできる。これにより、キャビテーションエロージョンを緩和することができる。

なお、羽根車３のバランスホール５ａは、翼面に沿った楕円形の溝穴としたが、円穴など他の形状でもよい。

上記第１実施形態では、径方向に間隔をあけて設けられた２つの環状の絞り凸部４１,４２を備えたが、流体絞りを形成する環状の絞り凸部は１つでもよい。

また、バランスホール５ａは、バランスホール５ａの回転軌跡がオーバーラップしている環状の絞り凸部４２の最外径よりも径方向内側に配置する。

バランスホール５ａによって、羽根車３内の流路７(羽根流路)の中央部(圧力Ｐｒ)に高圧側からの液体を吐出するため、バランスホール５ａの入口と出口での差圧が小さくなり、液体の漏れ量も少なく抑えられるため、漏れ損失を小さくし、ポンプ効率を向上できる。

上記構成の片吸込ポンプ１００では、回転軸２の回転により羽根車３が回転して、回転軸２の軸方向の一方に設けられた吸込口３ａから吸い込んだ液体を径方向外側に吐出する。このとき、羽根車３は、前シュラウド４側に吐出側の圧力Ｐｏｕｔを受けて、後面側に向かってほぼ一定のスラスト力Ｆｓを受ける。一方、羽根車３は、後シュラウド５側に吐出側の圧力Ｐｏｕｔを受けて、前面側(吸込口１１側)に向かってスラスト力Ｆｂを受ける。

羽根車３が平衡点Ｘ_０から後面側に移動すると、羽根車３の後シュラウド５とその後シュラウド５に対向する環状の絞り凸部４１,４２の先端との隙間が狭くなる。このため、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａ(流体通路)を流れる液体の速度が遅くなり、羽根車３の背面側の圧力が上昇して、羽根車３に対して前面側(吸込口１１側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂが増大し、Ｆｂ＞Ｆｓとなって羽根車３を前面側に移動させる。

逆に、羽根車３が平衡点Ｘ_０から前面側(吸込口１１側)に移動すると、羽根車３の後シュラウド５とその後シュラウド５に対向する環状の絞り凸部４１,４２の先端との隙間が広くなる。このため、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａ(流体通路)を流れる液体の速度が速くなり、羽根車３の背面側の圧力が下降して、羽根車３に対して前面側(吸込口１１側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂがスラスト力Ｆｓよりも減少し、Ｆｂ＜Ｆｓとなって羽根車３を後面側に移動させる。

そうして、羽根車３は、後面側に向かって働くスラスト力Ｆｓと前面側(吸込口１１側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂとが等しくなる平衡点Ｘ_０で安定的に留まる。

このようにして、上記第１実施形態の片吸込ポンプでは、簡単な構成で軸スラストＦを自動的にキャンセルすることができる。また、軸スラストＦをキャンセルすることで、スラスト軸受の信頼性を向上できる。さらに、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａ(流体通路)を流れる液体の漏れ量を少なくすることで漏れ損失を低減でき、ポンプ効率を向上できる。

また、半径の異なる複数の環状の絞り凸部４１,４２を同心円状に設けて半径流ラビリンスを形成することによって、羽根車位置Ｘの変化に対して、前面側(吸込口１１側)に向かって羽根車３に作用するスラスト力Ｆｂの変化量が大きくなり、羽根車３を平衡点Ｘ_０に戻す復元力を大きくできる。

また、羽根車３の後シュラウド５のバランスホール５ａを、羽根車３内に発生したキャビテーション泡が羽根板６に再付着して崩壊する位置に設けて、バランスホール５ａを介して羽根車３の背面側の高圧液体を羽根車３内の流路７に吐出させることで、キャビテーションの発生を抑制してキャビテーションエロージョンを低減できる。

また、バランスホール５ａ(流体通路)の回転軌跡の一部が環状の絞り凸部４２と重なるように、該環状の絞り凸部４２の最外径よりも径方向内側にバランスホール５ａを設けることによって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａ(流体通路)を流れる液体の流量を効果的に絞ることができる。

なお、環状の絞り凸部４１,４２の先端面を波打ち形状にしたり凹凸形状にしたりすることにより、流体に対する摩擦係数が大きくなって流体絞りの作用を大きくできると共に、環状の絞り凸部４１,４２と羽根車３の後シュラウド５とが万一接触したときに焼き付きを防止することができる。

また、図７に示す変形例のように、環状の絞り凸部４１がなく環状の絞り凸部４２のみを備えた片吸込ポンプにおいても、前面側(吸込口１１側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂは小さくなるが、片吸込ポンプ１００と同様の効果を奏する。

〔第２実施形態〕
図８はこの発明の第２実施形態の片吸込ポンプ２００の断面図を示している。図８において、左右方向をＸ、上下方向をＹ、紙面に垂直な方向をＺとしている。

この第２実施形態の片吸込ポンプ２００は、図８に示すように、リング部材１４０を除いて第１実施形態の片吸込ポンプ１００と同一の構成をしており、同一構成部には同一参照番号を付している。

図９は片吸込ポンプ２００の要部を示す断面図であり、図８と同一の構成部には同一参照番号を付している。また、図１０は環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３を有するリング部材１４０の斜視図である。図１０において、リング部材１４０の斜線部分は、後シュラウド５の背面と対向する先端面である。リング部材１４０には、羽根車３に接触しても焼付くことがない樹脂系の材料を用いている。

図９,図１０に示すように、リング部材１４０は、同心円状に設けられた半径の異なる環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３を備えている。外周側の環状の絞り凸部１４１と、内周側の環状の絞り凸部１４２と、環状の絞り凸部１４２よりも内周側の環状の絞り凸部１４３によって、半径流ラビリンスを形成している。

環状の絞り凸部１４１の先端面と後シュラウド５の背面との間隔δ１と、環状の絞り凸部１４２の先端面と後シュラウド５の背面との間隔δ２と、環状の絞り凸部１４３の先端面と後シュラウド５の背面との間隔δ３との関係は、
δ１＞ δ３＞ δ２
となっている。

後シュラウド５の背面と環状の絞り凸部１４１との隙間で流体絞りが形成され、後シュラウド５の背面と環状の絞り凸部１４２との隙間で流体絞りが形成され、後シュラウド５の背面と環状の絞り凸部１４３との隙間で流体絞りが形成されている。

また、環状の絞り凸部１４２に対向する後シュラウド５の部分に、周方向に間隔をあけて複数のバランスホール５ａを設けている(図６と同様)。羽根車３の背面側と羽根車３内の流路７とは、バランスホール５ａを介して連通する。このバランスホール５ａの中心位置と羽根車３の中心軸Ｏ１との径方向の距離をＲｒとする。この第２実施形態では、距離Ｒｒは、羽根車３の吸込口３ａ側の外周半径Ｒｓと同じにしている。

また、環状の絞り凸部１４３に対向する後シュラウド５の部分に、周方向に間隔をあけて複数のバランスホール５ｂを設けている。羽根車３の背面側と羽根車３内の流路７とは、バランスホール５ｂを介して連通する。このバランスホール５ｂの中心位置は、バランスホール５ａよりも径方向内側とする。

バランスホール５ａ,５ｂは、流体通路の一例である。また、バランスホール５ａは、バランスホール５ａの回転軌跡がオーバーラップしている環状の絞り凸部１４２の最外径よりも径方向内側に設けている。また、バランスホール５ｂは、バランスホール５ｂの回転軌跡がオーバーラップしている環状の絞り凸部１４３の最外径よりも径方向内側に設けている。

図１１は片吸込ポンプ２００の軸スラストＦを説明する図である。図１１では、左側に羽根車３の前面の圧力分布を示し、右側に羽根車３の背面の圧力分布を示している。ここで、羽根車３の吸込口３ａにおける圧力をＰｉｎ、羽根車３の吐出側の圧力をＰｏｕｔとする。

図１１に示すように、平衡点Ｘ_０から羽根車３が右方向に＋△ｘ移動すると、間隔δ１,δ２,δ３が狭くなって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａを流れる液体の速度が遅くなると共に、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ｂを流れる液体の速度が遅くなり、羽根車３の背面の圧力が上昇する。したがって、平衡点Ｘ_０の背面側のスラスト力Ｆｂが増大して、Ｆｂ＞Ｆｓとなって羽根車３を左側に戻すような軸スラストＦが発生する。

逆に、平衡点Ｘ_０から羽根車３が左方向に－△ｘ移動すると、間隔δ１,δ２,δ３が広くなって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａを流れる液体の速度が速くなると共に、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ｂを流れる液体の速度が速くなり、羽根車３の背面の圧力が下降する。したがって、平衡点Ｘ_０の背面側のスラスト力Ｆｂが減少し、Ｆｂ＜Ｆｓとなって羽根車３を右側に戻すような軸スラストＦが発生する。

前シュラウド４側のスラスト力Ｆｓは、図１１の左側に羽根車３の前面の圧力分布に示すように、羽根車３の前シュラウド４側の圧力により発生する。この前シュラウド４側のスラスト力Fsは、羽根車３の位置に無関係であるためほぼ一定になる。

羽根車３の背面側のスラスト力Ｆｂは、図１１の右側の羽根車３の背面の圧力分布に示すように、羽根車３の移動△ｘに応じて変化する。

したがって、図１２に示すように、前シュラウド４側のスラスト力Ｆｓと後シュラウド５側のスラスト力Ｆｂが一致する平衡位置(平衡点Ｘ_０)で、羽根車３は安定的に留まる。

片吸込ポンプ２００の組立時に羽根車３を平衡位置(平衡点Ｘ_０)に設置すると、軸スラストＦは自動的にバランスされて安定した運転ができる。

上記第２実施形態の片吸込ポンプ２００では、羽根車３のＸ方向の移動に対するスラスト力Ｆｂの大きさと特性を細やかに調整することができる。

図１２は片吸込ポンプ２００の羽根車位置Ｘと軸スラストＦとの関係を示している。なお、図１２では、第１実施形態の片吸込ポンプ１００の羽根車位置Ｘと軸スラストＦとの関係を点線で示している。

図１２に示すように、この第２実施形態の片吸込ポンプ２００(図１２に示す「３凸部」)は、第１実施形態の片吸込ポンプ１００(図１２に示す「２凸部」)に比較して、羽根車３内の流路７のバランスホール５ｂに対応する位置の圧力が吸込口３ａ側の圧力Ｐｉｎであり、羽根車３の背面に働くスラスト力Ｆｂを大きくすることができる。これにより、第２実施形態の片吸込ポンプ２００は、第１実施形態の片吸込ポンプ１００よりも、平衡点Ｘ_０が吸込口３ａ側に移動すると共に、羽根車位置Ｘが平衡点Ｘ_０からずれたときに復元力となる軸スラストＦが大きくなる。

上記構成の片吸込ポンプ２００では、簡単な構成で軸スラストＦを自動的にキャンセルすることができる。また、軸スラストＦをキャンセルすることで、スラスト軸受の信頼性を向上できる。さらに、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａ,５ｂ(流体通路)を流れる液体の漏れ量を少なくすることで漏れ損失を低減でき、ポンプ効率を向上できる。

また、半径の異なる複数の環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３を同心円状に設けて半径流ラビリンスを形成することによって、羽根車位置Ｘの変化に対して、前面側(吸込口１１側)に向かって羽根車３に作用するスラスト力Ｆｂの変化量が大きくなり、羽根車３を平衡点Ｘ_０に戻す復元力を大きくできる。

また、バランスホール５ａ(流体通路)の回転軌跡の一部が環状の絞り凸部１４２と重なるように、該環状の絞り凸部１４２の最外径よりも径方向内側にバランスホール５ａを設けることによって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ａ(流体通路)を流れる液体の流量を効果的に絞ることができる。

同様に、バランスホール５ｂ(流体通路)の回転軌跡の一部が環状の絞り凸部１４３と重なるように、該環状の絞り凸部１４３の最外径よりも径方向内側にバランスホール５ｂを設けることによって、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３による流体絞りを経て羽根車３内の流路７に連なるバランスホール５ｂ(流体通路)を流れる液体の流量を効果的に絞ることができる。

上記第１,第２実施形態では、バランスホール５ａの中心位置と羽根車３の中心軸Ｏ１との径方向の距離Ｒｒを、羽根車３の吸込口３ａ側の外周半径Ｒｓと同じにしたが、距離Ｒｒが０．８Ｒｓ以上かつＲｓ以下となるようにするのが好ましい。これによって、羽根車３の背面側と羽根車３内の流路７との差圧を小さくでき、液体の漏れ量を抑制して漏れ損失を低減でき、ポンプ効率が向上する。

なお、第２実施形態の片吸込ポンプ２００において、バランスホール５ａがなくバランスホール５ｂのみの場合も、軸スラストＦを自動的にキャンセルすることは可能である。

〔第３実施形態〕
この発明の第３実施形態の片吸込ポンプは、バランスホールの代わりに、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て羽根車３の吸込口３ａの上流側に連なるバランスパイプ(流体通路)を設けた点を除いて第１実施形態の片吸込ポンプと同一の構成をしており、図１を援用する。

詳しくは、第３実施形態の片吸込ポンプは、羽根車３の背面側かつ環状の絞り凸部４１,４２よりも径方向内側に一端が開口し、他端が吸込口３ａの上流側に開口するように設けられたバランスパイプを備える。

上記第３実施形態の片吸込ポンプでは、回転軸２の回転により羽根車３が回転して、回転軸２の軸方向の一方に設けられた吸込口３ａから吸い込んだ液体を径方向外側に吐出する。このとき、羽根車３は、前シュラウド４側に吐出側の圧力Ｐｏｕｔを受けて、後面側に向かってほぼ一定のスラスト力Ｆｓを受ける。一方、羽根車３は、後シュラウド５側に吐出側の圧力Ｐｏｕｔを受けて、前面側(吸込口１１側)に向かってスラスト力Ｆｂを受ける。

羽根車３が平衡点Ｘ_０から後面側に移動すると、羽根車３の後シュラウド５とその後シュラウド５に対向する環状の絞り凸部４１,４２の先端との隙間が狭くなる。このため、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て吸込口３ａの上流側に連なるバランスパイプ(流体通路)を流れる液体の速度が遅くなり、羽根車３の背面側の圧力が上昇して、羽根車３に対して前面側(吸込口１１側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂがスラスト力Ｆｓよりも増大し、Ｆｂ＞Ｆｓとなって羽根車３を前面側に移動させる。

逆に、羽根車３が平衡点Ｘ_０から前面側(吸込口１１側)に移動すると、羽根車３の後シュラウド５とその後シュラウド５に対向する環状の絞り凸部４１,４２の先端との隙間が広くなる。このため、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て吸込口３ａの上流側に連なるバランスパイプ(流体通路)を流れる液体の速度が速くなり、羽根車３の背面側の圧力が下降して、羽根車３に対して前面側(吸込口１１側)に向かって作用するスラスト力Ｆｂがスラスト力Ｆｓよりも減少し、Ｆｂ＜Ｆｓとなって羽根車３を後面側に移動させる。

このようにして、上記第３実施形態の片吸込ポンプでは、簡単な構成で軸スラストＦを自動的にキャンセルすることができる。また、軸スラストＦをキャンセルすることで、スラスト軸受の信頼性を向上できる。さらに、羽根車３の吐出側から環状の絞り凸部４１,４２による流体絞りを経て吸込口３ａの上流側に連なるバランスパイプ(流体通路)を流れる液体の漏れ量を少なくすることで漏れ損失を低減でき、ポンプ効率を向上できる。

また、複数の環状の絞り凸部４１,４２で半径流ラビリンスを形成することによって、羽根車位置Ｘの変化に対して、前面側(吸込口１１側)に向かって羽根車３に作用するスラスト力Ｆｂの変化量が大きくなり、羽根車３を平衡点Ｘ_０に戻す復元力を大きくできる。

上記第１～第３実施形態では、液体を送り出す片吸込ポンプ１００,２００について説明したが、気体を送り出す片吸込ポンプにこの発明を適用してもよい。

また、上記第１～第３実施形態では、羽根車３の後シュラウド５に対向するケーシングカバー２０の部分に、環状の絞り凸部４１,４２を備えたリング部材４０や環状の絞り凸部１４１,１４２,１４３を備えたリング部材１４０を設けたが、羽根車３の後シュラウド５に対向するケーシング１の部分を加工して、環状の絞り凸部をケーシング１と一体に形成してもよい。この場合、後シュラウド５とケーシング１とが接触したときの焼き付きを防止するために、ケーシング１に後シュラウド５と異なる材料を用いる。

また、羽根車３の後シュラウド５に対向するケーシング１の部分でなく、羽根車３の後シュラウド５側に環状の絞り凸部を設けてもよい。

さらに、羽根車の後シュラウドに対向するケーシングの部分に環状の絞り凸部を設けると共に、後シュラウド側に環状の絞り凸部を設けて、半径流ラビリンス(くい違いラビリンス)を形成してもよい。

この発明の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記第１～第３実施形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することができる。

１…ケーシング
２…回転軸
３…羽根車
３ａ…吸込口
４…前シュラウド
５…後シュラウド
５ａ,５ｂ…バランスホール(流体通路)
６…羽根板
７…筒状の流路
１０…ケーシング本体
１１…吸込口
１２…配置空間部
１３…ボリュート通路
１４…吐出口
１５…ウェアリング
２０…ケーシングカバー
２１…シャフト穴
２２…メカニカルシール
３０…ベアリングケース
３１,３２…ベアリング
４０,１４０…リング部材
４１,４２,１４１,１４２,１４３…環状の絞り凸部
１００,２００…片吸込ポンプ

Claims

ケーシングと、
上記ケーシングに回転可能に支持された回転軸と、
上記ケーシング内に配置されると共に上記回転軸に連結され、上記回転軸の軸方向の一方に設けられた吸込口から吸い込んだ流体を径方向外側に吐出する羽根車と
を備え、
上記羽根車の後シュラウドまたは上記後シュラウドに対向する上記ケーシングの部分の少なくとも一方に環状の絞り凸部を設けると共に、
上記羽根車の吐出側から上記環状の絞り凸部による流体絞りを経て上記羽根車内の流路または上記羽根車の吸込口の上流側に連なる流体通路を設け、
上記流体通路は、上記羽根車の背面側と上記羽根車内の流路とが連通するように、上記羽根車の上記後シュラウドかつ上記羽根車の羽根板の負圧面側に設けられたバランスホールであって、上記流体を液体としたときに上記羽根車内に発生したキャビテーション泡が上記羽根板に再付着して崩壊する位置に配置されていることを特徴とする片吸込ポンプ。
請求項１に記載の片吸込ポンプにおいて、
半径が異なる複数の上記環状の絞り凸部を同心円状に設けることによって半径流ラビリンスを形成していることを特徴とする片吸込ポンプ。
請求項１または２に記載の片吸込ポンプにおいて、
上記バランスホールは、上記バランスホールの回転軌跡の少なくとも一部が、上記環状の絞り凸部と重なるように、該環状の絞り凸部の最外径よりも径方向内側に設けられていることを特徴とする片吸込ポンプ。
請求項１から３までのいずれか一項に記載の片吸込ポンプにおいて、
上記バランスホールは、上記羽根車の吸込口側の外周半径をＲｓとするとき、上記バランスホールの中心位置と上記羽根車の中心軸との径方向の距離Ｒｒは、上記羽根車の中心軸から０．８Ｒｓ以上かつＲｓ以下であることを特徴とする片吸込ポンプ。