JP7414555B2 - 遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、遠心ポンプに関する。

流体を移送するための装置の一つに遠心ポンプがある。遠心ポンプの駆動の際にNPSHa（有効吸込ヘッド）が低いと、ポンプ内部の圧力が飽和蒸気圧以下となり得、結果としてキャビテーションが発生し得る。キャビテーションが発生するとポンプの性能に悪影響を与え得る。たとえば、キャビテーションによって大きな振動や騒音が発生し、ポンプの正常な運転が妨げられ得る。キャビテーションにより顕著な流量の変動が生じ、大きな振動や騒音が発生している状況を「キャビテーションサージ」ともいう。

キャビテーションの発生を防ぐため、部分オープン型の羽根車を用いた遠心ポンプが知られている（特許文献１）。特許文献１の羽根車は、羽根車を配置するための空間（符号１５）から通水部（符号５４および５５）を介して液体を注水することでキャビテーションを防止している。

特開２０１７－１５０３５号公報 特開２０１８－５３７３０号公報

遠心ポンプにより移送される液体の流量が低い場合、羽根車の入口部分において逆流が生じ、結果として逆流によるキャビテーションが発生し得る。特許文献１には、流量の低い場合についての記載も、羽根車の入口部分において生じる逆流についての記載もない。したがって、特許文献１には、羽根車の入口部分において生じる逆流によるキャビテーションおよびキャビテーションサージを防止または抑制することについての記載はなく、その示唆もない。

本願は、逆流によるキャビテーションおよびキャビテーションサージの少なくとも一方の発生を抑制することを一つの目的とする。

本願は、一実施形態として、羽根と、羽根の前端部を露出するよう構成されたシュラウドと、を備える羽根車と、羽根の前端部より径方向外側において、羽根の前端部の近傍において生じる逆流を循環させるための逆流循環部であって、逆流循環部の吐出側端部は羽根の前端部より吐出側に位置し、逆流循環部の吸込側端部は羽根の前端部より吸込側に位置し、逆流循環部の外径は羽根の前端部の径より大きい、逆流循環部と、を備え、逆流循環部の吸込側端部は、羽根の前端部より吸込側に位置する突出部であって、羽根の前端部より外側の径方向位置から前端部と実質的に同一の径方向位置まで延びる突出部によって画定されている、遠心ポンプを開示する。

一実施形態にかかる遠心ポンプの断面図である。 一実施形態にかかる遠心ポンプの子午面断面図であり、羽根車の周辺を示す図である。 他の実施形態にかかる遠心ポンプの子午面断面図である。 図３の「Ａ」と示された位置におけるシュラウドの断面図である。 更なる他の実施形態にかかる遠心ポンプの子午面断面図である。 一実施形態による遠心ポンプの子午断面図である。 一実施形態による遠心ポンプの子午断面図である。 参考例による遠心ポンプの子午断面図である。 参考例による遠心ポンプの子午断面図である。 一実施形態による遠心ポンプの子午断面図である。 一実施形態による遠心ポンプの子午断面図である。 一実施形態による遠心ポンプの子午断面図である。 一実施形態による遠心ポンプの子午断面図である。

図１は一実施形態にかかる遠心ポンプ３０の断面図である。図１の遠心ポンプ３０は両吸込遠心ポンプである。これに代え、遠心ポンプ３０は片吸込遠心ポンプであってもよい。遠心ポンプ３０は、羽根車３２と、回転軸３１と、を有する。羽根車３２は回転軸３１に固定される。回転軸３１はたとえば水平に延びる。回転軸３１の一端は図示しない電動機などの駆動機に連結されている。駆動機によって回転軸３１が回転させられると、回転軸３１とともに羽根車３２も回転させられる。図示の例では、回転軸３１の右端部に駆動機が接続されている。また、回転軸３１は、その両端部近傍に設けられた軸受装置３９によって回転自在に支持される。

羽根車３２はポンプケーシング３５の内部に収容される。ポンプケーシング３５は羽根車３２により吐出された流体を受ける吐出室３５ａを有する。吐出室３５ａはポンプケーシング３５内部の室である。一例として、吐出室３５ａは渦巻き形状を有する渦巻き室である。吐出室３５ａの軸方向の両側には吸込室３３が配置されている。吐出室３５ａと吸込室３３との間には隔壁３５ｂが存在する。羽根車３２の吐出口は吐出室３５ａの内部に配置される。羽根車３２の吸込口は軸方向に開いている。羽根車３２の吸込口は隔壁３５ｂを貫通して吸込室３３と連通している。羽根車３２が回転すると、吸込室３３から液体が吸い込まれ、液体は吐出口３４から吐き出される。代表的な液体は水であるが、遠心ポンプで移送可能な液体であれば任意の液体が用いられてよい。

羽根車３２はおおよそクローズド型の羽根車であり、羽根３２ａとシュラウド３２ｂを有する。しかし、後述するように、一実施形態にかかるシュラウド３２ｂは羽根３２ａの全ての部分を覆っているわけではない。したがって、羽根車３２は「セミクローズド型」の羽根車であるといえる。羽根車３２は、その両側（図１の左右両側）から液体を吸い込むように構成される。遠心ポンプ３０が片吸込遠心ポンプである場合、羽根車３２はその一方の側からのみ液体を吸い込むよう構成される。

回転軸３１はポンプケーシング３５を貫通して延びている。回転軸３１とポンプケーシング３５との間の隙間は軸封装置３８によってシールされている。軸封装置３８はたとえばメカニカルシール、グランドパッキンその他のシールであってよい。

遠心ポンプ３０の運転中、吐出室３５ａ内の圧力が吸込室３３内の圧力よりも高くなり得る。すると、吐出室３５ａ内の液体が羽根車入口部４１とポンプケーシング３５との隙間を通じて吸込室３３へ逆流し得る。吐出室３５ａからの液体の逆流を抑制するため、ポンプケーシング３５の羽根車入口部４１に対向する部分にはライナリング４０が取り付けられていてよい。なお、「吐出室３５ａからの液体の逆流」は、「羽根３２ａの前端部５０の近傍において生じる逆流」とは異なり得ることに留意されたい。

図２は一実施形態にかかる遠心ポンプ３０の子午面断面図である。図２では羽根車３２の周辺が示されている。図２ではハッチングが省略されていることに留意されたい。図２で図示されていない部分は遠心ポンプ３０および羽根車３２の対称性に応じて構成されてよい。図２に示されるように、ライナリング４０とシュラウド３２ｂの間に摺動部材４２が設けられていてもよい。

羽根車３２が回転することにより液体は半径方向外側に向けた遠心力を受ける。液体の流量が低い場合、半径方向外側に向けた遠心力による圧力上昇の影響が流体の流れによる慣性力に対して相対的に大きくなる。その結果、羽根車入口部４１において、特に羽根３２ａの前端部５０の近傍において逆流が発生し得る。逆流とともに逆流に起因するキャビテーションおよびキャビテーションサージもまた発生し得る。ここで「羽根３２ａの前端部５０」とは、羽根３２ａの最も吸込側に位置する部分である。図８および図９は、参考例による、羽根車の周囲の液体の流れを示す図である。図８および図９において、羽根車の周囲の液体の流れが矢印で示されている。図８は、設計で想定している流量の液体を移送しているときの液体の流れを示している。図８に示されるように、設計で想定している流量の液体を移送するときには、液体は滑らかに羽根車の入口に流れる。図９は、流量が低い場合の液体の流れを示している。図９に示されるように、液体の流量が低い場合は、羽根車の入口から上流方向に大きな逆流が生じている。

一実施形態にかかる羽根車３２は、前端部５０より径方向外側において逆流を循環させるための空間を有する。以下では当該空間について「逆流循環部５１」と称する。逆流循環部５１は前端部５０に隣接した空間である。逆流循環部５１の吐出側端部（吸込室３３から離れた端部）は前端部５０より吐出側に位置する。逆流循環部５１の吸込側端部（吸込室３３に近い端部）は前端部５０より吸込側に位置する。逆流循環部５１の外径は前端部５０の径より大きい。

シュラウド３２ｂは前端部５０を露出するよう構成されている。一つの例では、シュラウド３２ｂは、前端部５０より径方向外側において内部側壁３２ｃを有するように構成される。内部側壁３２ｃは逆流循環部５１の少なくとも一部を画定する。図２の例では、内部側壁３２ｃの吐出側端部が逆流循環部５１の吐出側端部を画定する。さらに、図２の例では、内部側壁３２ｃが逆流循環部５１の外径を画定する。なお、内部側壁３２ｃは隔壁３５ｂの端部より径方向内側に位置することが好ましい。

逆流循環部５１の吸込側端部は突出部５２によって画定される。突出部５２は前端部５０より吸込側に位置している部分であって、前端部５０より外側の径方向位置から、前端部５０と実質的に同一から、あるいはそれ以下の径方向位置まで延びている部分である。「突出部５２が前端部５０と実質的に同一から、あるいはそれ以下の径方向位置まで延びている」とは、突出部５２の先端の内径が、前端部５０の径の５０％以上であることをいう。図２の例では、突出部５２はシュラウド３２ｂの一部である。また、突出部５２は隔壁３５ｂと同様に吸込室３３と吐出室３５ａの境界を定めている。一つの例では、突出部５２は隔壁３５ｂの延長線上にある。更なる他の例では、突出部５２は軸方向と実質的に垂直に延びている。

上述のように、逆流循環部５１の吐出側端部は前端部５０より吐出側に位置している。したがって、前端部５０の近傍で発生した逆流は容易に逆流循環部５１に流入する。逆流循環部５１に流入した逆流は内部側壁３２ｃに沿って流れる。その後、逆流は突出部５２により流れを遮られる。その結果、逆流は流れの向きを変えられ、逆流循環部５１の内部で循環する。突出部５２は前端部５０より吸込側に位置するので、循環した逆流は再び羽根３２ａに向かって流れることになる。このように遠心ポンプ３０を構成することで、逆流に起因するキャビテーションおよびキャビテーションサージの少なくとも一方を抑制で
きることがわかった。逆流は主に前端部５０よりも径方向外側において循環しており、図９に示されるような上流方向に過大に広がる逆流の成長を制限し、なおかつ羽根車に流入する流れの偏りが緩和されていることがキャビテーションおよびキャビテーションサージの少なくとも一方を抑制できた理由であると考えられる。

前端部５０から突出部５２までの間の軸方向の距離は、逆流が逆流循環部５１の内部で循環可能であるように定められる。同様に、逆流循環部５１の外径（前端部５０から内部側壁３２ｃまでの間の径方向の距離）もまた、逆流が逆流循環部５１の内部で循環可能であるように定められる。逆流が逆流循環部５１の内部で循環可能であるかどうかは種々の条件（ポンプの大きさ、ポンプの使用条件、液体の種類など）によるので、これらの距離は一義的には確定できない。しかし、一つの例における前端部５０から突出部５２までの軸方向の距離は５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。また、一つの例における逆流循環部５１の外径は、前端部５０の径より３ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲で大きくなるように定められる。このように、逆流循環部５１は比較的狭い領域となり得る。したがって、図２の遠心ポンプ３０は、大掛かりな部品等を備えずともキャビテーションおよびキャビテーションサージを抑制し得る。特に、遠心ポンプ３０が両吸込ポンプや多段ポンプなど軸方向のスペースが制限されているポンプである場合、逆流循環部５１によってキャビテーションおよびキャビテーションサージを抑制することは他の手法と比較して省スペースという点において有利であり得る。

図３に示されるように、逆流循環部５１の内部の流れを調整するためのねじ山６０および流れ調整溝６１が設けられていてもよい。ねじ山６０は、逆流循環部５１の外径を画定する壁面に設けられる。流れ調整溝６１は、逆流循環部５１の吸込側端部を画定する壁面に設けられる。具体的な例では、ねじ山６０は内部側壁３２ｃに設けられており、流れ調整溝６１は突出部５２に設けられている。ねじ山６０の方向（正ねじか、逆ねじか）は羽根車３２の回転方向および求められる性能に応じて決定されてよい。流れ調整溝６１の具体的な構造は適宜決定されてよい。たとえば図４に示されるように、流れ調整溝６１は突出部５２に放射状に設けられていてよい。なお、図４は図３の「Ａ」と示された位置におけるシュラウド３２ｂの断面図である。また、「ねじ山を設ける」ことは「ねじ溝を設ける」ことと同視されてよい。

他の実施形態にかかる遠心ポンプ３０を図５に示す。図２の例と異なり、図５の突出部５２はライナリング４０の一部である。図２の例と異なり、シュラウド３２ｂの内面ではなくライナリング４０の内面が図５の逆流循環部５１の外径を画定している。一方で、図２の例と同様、図５のシュラウド３２ｂは前端部５０を露出するよう構成されている。なお、シュラウド３２ｂの先端の形状（内部側壁３２ｃの形状）は単なる一例に過ぎない。図５の構成において摺動部材４２が設けられてもよい。ライナリング４０にねじ山６０および／または流れ調整溝６１が設けられてもよい。図５の例においても逆流は逆流循環部５１内で循環可能であり、結果としてキャビテーションおよびキャビテーションサージが抑制され得る。

これまで、シュラウド３２ｂが内部側壁３２ｃを備える例について説明した。しかし、逆流循環部５１が画定できるのであれば、シュラウド３２ｂの吸込側の先端部分は軸方向と垂直に切り取られた形状であってもよい。たとえば、図６は、一実施形態による遠心ポンプ３０を示しており、図６に示される遠心ポンプ３０は、シュラウド３２ｂの吸込側の先端部分が軸方向と垂直に切り取られた形状である。また、図７は、一実施形態による遠心ポンプ３０を示しており、シュラウド３２ｂの吸込側の先端部分は、回転軸に平行な円筒形の内部側壁３２ｃを備える形状である。

図１０は、一実施形態による遠心ポンプの断面図である。図１０に示される実施形態の
遠心ポンプは、図５に示される遠心ポンプと同様に、突出部５２を備えるライナリング４０を有している。しかし、図１０に示される遠心ポンプにおいては、循環流路５５を画定するための仕切部材５３を備える。図１０の断面図に示されるように、循環流路５５は、ライナリング４０の内部側壁３２ｃおよび突出部５２と仕切部材５３との間に画定される。図１０に示される遠心ポンプにおいては、羽根３２ａの前端部５０の近くで逆流が生じたとしても、図１０中の矢印で示されるように逆流は、循環流路５５を通って再び羽根３２ａに向かって流れる。そのため、図１０に示される遠心ポンプにおいても、キャビテーションおよびキャビテーションサージを抑制することができる。なお、仕切部材５３は、ライナリング４０と一体の構造としてもよく、ライナリング４０とは別の部材で構成してもよい。また、一実施形態において、循環流路５５の一部はライナリング４０ではなく、シュラウド３２ｂによりされるように構成してもよい。たとえば、シュラウド３２ｂを図２に示されるように突出部５２を備えるように構成し、さらに、仕切部材５３を備えるように構成することで、シュラウド３２ｂと仕切部材５３とにより循環流路５５を画定することができる。また、循環流路５５の形状は、羽根３２ａの形状や吸込室３３の形状、流体の流れる方向や生じ得る逆流の流れなどに応じて設計すればよい。

図１１は、一実施形態による遠心ポンプの断面図である。図１１に示される遠心ポンプは、図１０とともに説明した遠心ポンプと同様の構成により循環流路５５が形成されている。図１１に示される遠心ポンプにおいては、吸込室３３は非軸対象に構成されている。

図１２は、一実施形態による遠心ポンプの断面図である。図１２に示される遠心ポンプは、ポンプケーシング３５の隔壁３５ｂと仕切部材５３とにより循環流路５５が画定されている。また、図１２に示される遠心ポンプにおいては、循環流路５５は、全体として半径方向に延びる。また、図１２に示される遠心ポンプにおいては、仕切部材５３の羽根３２ａの前端部５０付近は、流体の流れ滑らかになるように、羽根３２ａの入り口付近で湾曲している。

図１３は、一実施形態による遠心ポンプの断面図である。図１３に示される遠心ポンプは、図１２に示される実施形態と同様に、ポンプケーシング３５の隔壁３５ｂと仕切部材５３とにより循環流路５５が画定されている。ただし、図１３に示される遠心ポンプにおいては、吸込室３３は非軸対象に構成されている。また、図１３に示される遠心ポンプにおいては、非軸対称な吸込室３３の形状に合わせて循環流路５５も非軸対称となるように構成されている。

以上、いくつかの本発明の実施形態について説明してきた。上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれる。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

本願は、一実施形態として、羽根と、羽根の前端部を露出するよう構成されたシュラウドと、を備える羽根車と、羽根の前端部より径方向外側において、羽根の前端部の近傍において生じる逆流を循環させるための逆流循環部であって、逆流循環部の吐出側端部は羽根の前端部より吐出側に位置し、逆流循環部の吸込側端部は羽根の前端部より吸込側に位置し、逆流循環部の外径は羽根の前端部の径より大きい、逆流循環部と、を備え、逆流循環部の吸込側端部は、羽根の前端部より吸込側に位置する突出部であって、羽根の前端部より外側の径方向位置から前端部と実質的に同一の径方向位置まで延びる突出部によって画定されている、遠心ポンプを開示する。

この遠心ポンプは、羽根車入口部における逆流、特に羽根３２ａの前端部５０の近傍における逆流に起因するキャビテーションおよびキャビテーションサージの少なくとも一方を抑制し得るという効果を一例として奏する。

さらに本願は、一実施形態として、前記突出部は軸方向と垂直に延びている、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記シュラウドは、前記羽根の前記前端部より径方向外側において内部側壁を有するように構成され、前記逆流循環部の前記吐出側端部および前記逆流循環部の前記外径は、前記シュラウドの前記内部側壁によって画定されている、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記遠心ポンプは、前記羽根車が収容されるケーシングを備え、前記ケーシングは吸込室と吐出室を備え、前記突出部は前記吸込室と前記吐出室の境界を定めている、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記突出部は前記シュラウドの一部である、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記遠心ポンプはライナリングを備え、前記突出部は前記ライナリングの一部である、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記逆流循環部の前記外径を画定する壁面にねじ山が設けられている、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記逆流循環部の前記吸込側端部を画定する壁面に流れ調整溝が設けられている、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、前記逆流循環部の内部で循環した逆流が前記羽根に向かって流れるように構成されている、遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、両吸込式または多段式の遠心ポンプを開示する。

さらに本願は、一実施形態として、羽根と、前記羽根の前端部を露出するよう構成されたシュラウドと、を備える羽根車と、前記羽根の前記前端部より径方向外側に位置する、記羽根の前記前端部の近傍において生じる逆流を循環させるための循環流路と、を有する、遠心ポンプを開示する。

３０…遠心ポンプ
３１…回転軸
３２…羽根車
３２ａ…羽根
３２ｂ…シュラウド
３２ｃ…内部側壁
３３…吸込室
３４…吐出口
３５…ポンプケーシング
３５ａ…吐出室
３５ｂ…隔壁
３８…軸封装置
３９…軸受装置
４０…ライナリング
４１…羽根車入口部
４２…摺動部材
５０…前端部
５１…逆流循環部
５２…突出部
６０…ねじ山
６１…流れ調整溝

Claims (8)

1. 羽根と、前記羽根の前端部を露出するよう構成されたシュラウドと、を備える羽根車と、
   前記羽根の前記前端部より径方向外側において、前記羽根の前記前端部の近傍において生じる逆流を循環させるための逆流循環部であって、前記逆流循環部の吐出側端部は前記羽根の前記前端部より吐出側に位置し、前記逆流循環部の吸込側端部は前記羽根の前記前端部より吸込側に位置し、前記逆流循環部の外径は前記羽根の前記前端部の径より大きい、逆流循環部と、
   を備え、
   前記逆流循環部の前記吸込側端部は、前記羽根の前記前端部より吸込側に位置する突出部であって、前記羽根の前記前端部より外側の径方向位置から前記前端部と実質的に同一の径方向位置まで延びる突出部によって画定され、
   前記シュラウドは、前記羽根の前記前端部より径方向外側において内部側壁を有するように構成され、
   前記逆流循環部の前記吐出側端部および前記逆流循環部の前記外径は、前記シュラウドの前記内部側壁によって画定されている、
   遠心ポンプ。
2. 羽根と、前記羽根の前端部を露出するよう構成されたシュラウドと、を備える羽根車と、
   前記羽根の前記前端部より径方向外側において、前記羽根の前記前端部の近傍において生じる逆流を循環させるための逆流循環部であって、前記逆流循環部の吐出側端部は前記羽根の前記前端部より吐出側に位置し、前記逆流循環部の吸込側端部は前記羽根の前記前端部より吸込側に位置し、前記逆流循環部の外径は前記羽根の前記前端部の径より大きい、逆流循環部と、
   を備え、
   前記逆流循環部の前記吸込側端部は、前記羽根の前記前端部より吸込側に位置する突出
   部であって、前記羽根の前記前端部より外側の径方向位置から前記前端部と実質的に同一の径方向位置まで延びる突出部によって画定され、
   前記突出部は前記シュラウドの一部である、
   遠心ポンプ。
3. 前記突出部は軸方向と垂直に延びている、請求項１または２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記遠心ポンプは、前記羽根車が収容されるケーシングを備え、
   前記ケーシングは吸込室と吐出室を備え、
   前記突出部は前記吸込室と前記吐出室の境界を定めている、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
5. 前記逆流循環部の前記外径を画定する壁面にねじ山が設けられている、請求項１から４のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記逆流循環部の前記吸込側端部を画定する壁面に流れ調整溝が設けられている、請求項１から５のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
7. 前記逆流循環部の内部で循環した逆流が前記羽根に向かって流れるように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
8. 前記遠心ポンプは両吸込遠心ポンプまたは多段遠心ポンプである、請求項１から７のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。

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