JP7388631B2

JP7388631B2 - ポンプ装置

Info

Publication number: JP7388631B2
Application number: JP2019184626A
Authority: JP
Inventors: 毅小西; 康之平野
Original assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Current assignee: Tokyo Metropolitan Industrial Technology Research Instititute (TIRI)
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2039-10-07
Also published as: JP2021060008A

Description

本発明は、ポンプ装置に関し、詳しくは、軸スラスト力を抑制可能なポンプ装置に関するものである。

従来より、主板と側板を有する羽根車をケーシング内に備えた所謂クローズド型のシールレスポンプは、構造上液漏れが発生しづらいことから、信頼性、安全性が求められる場所に多く使用されている。

一方、一般的なシールレスポンプは、羽根車の回転軸がモータの回転軸に直接接続されていない構造のため、例えば、回転により図３に示すポンプ装置１の羽根車２の主板２２とポンプケーシング３の主板側３２の間及び、羽根車２の側板２１とポンプケーシング３の側板側３１の間に発生する圧力差によって軸２３に軸スラスト力が生じる。これにより羽根車２の一部とポンプケーシング３が接触し、ポンプケーシング内部のライナリング等の部品摩耗や、ポンプ効率が低下するという問題があった。

このような問題に対して、軸スラスト力の低減を目的にしたポンプケーシングを用いたポンプ装置が開発されている。例えば、特許文献１には、ポンプケーシングと羽根車の主板側又は側板側のいずれか一方との間の隙間に旋回流を抑制しながら流す、圧力調整流路として機能する溝を設けたポンプ装置が開示されている。この提案によれば、ポンプケーシングに設けた溝により、主板側と側板側のそれぞれに働く軸スラスト力を制御できるとしている。

特開平９－３１７６８５号公報

しかしながら、ポンプケーシングに形成された溝については、これまでに、レイノルズ数が高い場合や溝本数が多い場合において、ポンプ効率が低下することが示唆されている。この現象は、形成した溝によって流体とポンプケーシングとの摩擦力が増大するためと考えられる。従って、特許文献１に記載されているようなポンプケーシング内に溝を形成した構成では、軸スラスト力を制御する効果は得られるものの、ポンプ効率が低下するという問題があった。

本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、ポンプ効率を維持しながら、軸スラスト力が低減可能なポンプ装置を提供することを課題としている。

本発明のポンプ装置は、上記の技術的課題を解決するためになされたものであって、以下のことを特徴としている。

即ち、本発明のポンプ装置は、ポンプケーシング内に主板と側板を有する羽根車が回転自在に設けられたポンプ装置において、前記ポンプケーシングの羽根車側板側における、羽根車の回転領域を周方向に等分する各々の領域に、流体の流れに沿って、前記羽根車側板の表面からの距離が軸方向に徐々に大きくなる傾斜面を有する段差構造が形成されていることを特徴とする。

また、上記の発明のポンプ装置において、前記段差構造の外周側の前記羽根車側板の表面からの距離が、内周側の前記羽根車側板の表面からの距離に比べて徐々に大きくなるように形成されていることが好ましい。

本発明のポンプ装置によれば、羽根車側板側のポンプケーシングに特定の形状の段差構造を設けることにより、軸スラスト力を低減させることができるとともに、本来のポンプ効率を維持することができる。

本発明に係るポンプ装置におけるポンプケーシングの実施形態を示した構成概略図である。図１に示すポンプケーシングにおける１つの段差構造の概略拡大図である。ポンプ装置の構造を示す概略断面図である。流量係数φとポンプ効率ηとの関係を示すグラフである。流量係数φとスラスト係数Ｃ_Ｔとの関係を示すグラフである。

以下、本発明に係るポンプ装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係るポンプ装置１の実施形態を示した構成概略図であり、図２は、図１に示すポンプケーシング３１における１つの段差構造５の概略拡大図である。なお、図１は、羽根車２を取り外した状態の側板側のポンプケーシング３１を示しており、図２は、羽根車側板２１表面の一部を点線の領域で示している。

本発明のポンプ装置１では、ポンプケーシング３内に主板２２と側板２１を有する羽根車２が回転自在に設けられたポンプ装置１において、ポンプケーシング３の羽根車側板側３１における、羽根車２の回転領域を周方向に等分する各々の領域４に、傾斜面を有する段差構造５が形成されている。そして、段差構造５は流体の流れに沿って、羽根車側板２１の表面からの距離が軸方向に徐々に大きくなるように形成されている。

羽根車２の回転領域を周方向に等分する領域４は、羽根車側板側２１に対向するポンプケーシング３の表面（羽根車側板側３１）に形成されており、その領域４に段差構造５が形成されている。なお、図１に示す実施形態では、領域４は６区分となっており、各領域４に１つずつ、計６個の段差構造５が形成されている。

ここで、ポンプケーシング３の羽根車側板側３１における羽根車２の回転領域とは、回転する羽根車側板２１がかかる領域であり、羽根車側板２１の一部がかかる領域であっても全てがかかる領域であっても構わない。一方、ポンプケーシング３の羽根車側板側３１と羽根車側板２１との間に発生する旋回流を出口３５の流路に向かって滑らかに流すという、本発明の効果を最大限に発現させる観点からは、羽根車側板２１の全てがかかる領域であることが好ましい。

図１に示す実施形態では、上記領域４内の段差構造５は、矢印で示す流体の流れに沿った時計回りに、徐々に深くなるように形成されている。

本発明に係る段差構造５において、羽根車側板２１の表面からの距離が最も小さい（近い）部分と最も大きい（遠い）部分の寸法は、ポンプ装置１の大きさや性能、使用用途等に応じて適宜決定することができるが、例えば、羽根車２の外径が１００ｍｍ、回転数が１５００ｍｉｎ^－１程度のポンプ装置１においては、最も小さい部分は、羽根車側板２１の表面から０．１～１０ｍｍ程度、最も大きい部分は、羽根車側板２１の表面から０．５～５０ｍｍ程度であることが好ましい。

また、本発明のポンプ装置１では、段差構造５における、外周側の羽根車側板２１の表面からの距離が内周側の羽根車側板２１の表面からの距離に比べて徐々に大きくなるように形成することが好ましい（Ｂ≧Ｃ、Ｃ≧Ａ_１、Ａ_２≧Ａ_１）。具体的には、図２に示す実施形態のように、外周側の羽根車側板２１の表面からの距離Ｂを内周側の羽根車側板２１の表面からの距離Ｃに比べて大きく形成させる。また、外周側の羽根車側板２１の表面からの距離Ａ_２を内周側の羽根車側板２１の表面からの距離Ａ_１に比べて大きく形成させてもよい。

すなわち、羽根車側板２１の表面からの距離Ｂ及び羽根車側板２１の表面からの距離Ｃは羽根車側板２１の表面からの距離Ａ_１、Ａ_２から連続的に大きくなっており、段差構造５の傾斜面を形成している。なお、図２では、段差構造５の傾斜面に斜線を付しており、羽根車側板２１の表面の一部を破線で囲んだ面として表している。

段差構造５を上記のような形状の傾斜面とすることにより、ポンプケーシング３の羽根車側板側３１と羽根車側板２１との間に発生する旋回流を出口３５の流路に向かって滑らかに流すことができるため、本来のポンプ効率を維持することができる。

また、領域４の数、即ち段差構造５の数は、ポンプ装置１の大きさや性能、使用用途、また、流体の流量等に応じて適宜決定することができ限定されるものではないが、通常４～１８０、好ましくは６～１２０の配設が考慮される。

上記のように、本発明のポンプ装置１におけるポンプケーシング３の羽根車側板側３１に設けた段差構造５は、羽根車側板２１とポンプケーシング３の羽根車側板側３１の隙間に発生する旋回流を抵抗なく出口３５の流路に向かって流すために、流路面積、即ち流路容積が徐々に拡大する形状に形成されている。これにより流体の抵抗を小さくすることができ、ポンプ効率の低減を抑制するとともに、軸スラスト力を抑制することが可能となる。

以下、本発明のポンプ装置について、実施例により具体的に説明する。但し、本発明は実施例に限定されるものではない。

表１に示すシールレスポンプを用い、そのポンプケーシングに、図２における羽根車側板２１からの距離Ａ_１～Ｃが表２に示す値となる段差構造を装着してポンプ性能を測定した。なお、段差構造は３Ｄプリンタ（ＦｕｓｅｄＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＭｏｄｅｌｉｎｇ）により製作した。段差構造の形成は、ポンプケーシングの羽根車側板側を切削除去し、そこに製作した段差構造を装着して形成した。

なお、表２における段差構造数０は、Ａ_１、Ａ_２、Ｂ、Ｃがそれぞれ１ｍｍであり、従来のシールレスポンプケーシングの仕様に等しい。

ポンプ性能の測定項目は、吐出流量毎の揚程、ポンプ効率、軸スラスト力を対象とし、以下に示す方法により測定した。また、試験装置は、脱気された水がタンク、吸込管、ポンプ、吐出し管、電磁流量計、ゲートバルブを通過して再びタンクへ戻る閉ループ型の装置構成とした。なお、吸込み口及び吐出口の口径は４０ｍｍとした。

また、流量Ｑは、ポンプ装置の下流に設置した電磁流量計により計測し、吐出流量が０．１ｍ^３ｍｉｎ^－１毎に増加するようにゲートバルブの開閉を調整した。

（揚程）
揚程Ｈは、静圧差に静圧測定点における断面平均流速より算出した動圧差を加えることにより算出した。静圧は、羽根車の上流、下流各々８０ｍｍの位置に設置した取圧孔により壁面静圧差を計測した。

（ポンプ効率）
ポンプ効率は、回転トルクメータにより回転軸のトルクτを計測し、算出した。なお、損失トルクは、羽根車を装着しない、すなわち回転軸のみを回転させた際の値とした。

（軸スラスト力）
羽根車の軸スラスト力Ｔは、ポンプケーシングに負荷を与えるため、ポンプケーシング外側にひずみゲージを接着して軸スラスト力を計測した。

上記で得た流量Ｑ、揚程Ｈ、軸スラスト力Ｔの値から、流量係数φ、スラスト係数Ｃ_Ｔを以下に示す式を用いて求めた。
流量係数φは流量Ｑを用いて次式で表される。

流量係数φとポンプ効率ηとの関係を図４に、流量係数φとスラスト係数Ｃ_Ｔとの関係を図５にそれぞれ示す。
ポンプ効率ηは、次式で表される。

（式中、ｇは重力加速度、ρは流体の密度）
スラスト係数Ｃ_Ｔは軸スラスト力Ｔを用いて次式で表される。

図４から、ポンプケーシングに段差構造を設けた本発明のポンプ装置は、従来のケーシングと比較し、同等のポンプ効率を有することが確認された。

また、図５から、従来の段差構造のないポンプケーシングを用いたポンプ装置に比べて、本発明に係る段差構造を形成したポンプ装置は、スラスト係数が低下しており、軸スラスト力が制御されていることが確認された。

１ポンプ装置
２羽根車
２１側板
２２主板
２３軸
３ポンプケーシング
３１ポンプケーシング（側板側）
３２ポンプケーシング（主板側）
３４入口
３５出口
４領域
５段差構造

Claims

ポンプケーシング内に主板と側板を有する羽根車が回転自在に設けられたポンプ装置において、
前記ポンプケーシングの羽根車側板側における、羽根車の回転領域を周方向に等分する各々の領域に、流体の流れに沿って、前記羽根車側板の表面からの距離が軸方向に徐々に大きくなる傾斜面を有する段差構造が形成されており、該段差構造において、外周側の前記羽根車側板の表面からの距離が、内周側の前記羽根車側板の表面からの距離に比べて徐々に大きくなるように形成されていることを特徴とするポンプ装置。
前記段差構造の軸方向の立上りが、ほぼ直角に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ装置。