JPH10288199A - 気液混相流用ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本来、斜流ポンプの領域であるポンプ比速度
の領域を完全軸流型形式で実現し、気液混相流の昇圧と
輸送の性能を高める。 【解決手段】 気相と液相を含む気液混相流体を昇圧し
輸送するための気液混相流用ポンプにおいて、回転軸１
２と一体のインペラ２４と固定側のガイドベーン２６と
を有するディフューザ型の軸流型ポンプであって、比速
度が１０００［ｍ，ｍ³/min，min^-1］以下であることを
特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、海底油
井から油分とガス分とを含む気液混相流体をそれぞれの
成分に分離せずに昇圧し、輸送するための気液混相流用
ポンプに関する。

【０００２】

【従来の技術】気液混相流体を、気相と液相を分離する
ことなく同時に昇圧・輸送するためには、気相部の気泡
を可能な限り微細化し、液相部に気相部を均質に混合さ
せること、および気相部の気泡の内部滞留を抑制するこ
とが重要である。

【０００３】従来の気液混相流用のポンプとしては、主
に設計・製作の比較的容易さから遠心型の二次元翼のポ
ンプが用いられていた。気相と液相を均質に混合するた
めの技術としては、前後する翼が相反する方向に回転し
ポンプ内を流れる気泡を粉砕・微細化するもの（二重反
転型インペラまたはコントラ・ローテーティングポン
プ）や、吸込上流部に気相と液相の均質混合のための混
合器（ミキサー）を設置したものがある。

【０００４】気相部の気泡の内部滞留を抑制するための
技術としては、主に気泡が滞留しやすいインペラにおい
てインペラ翼を短くして滞留領域を制限するものや、イ
ンペラの中間翼により気泡滞留部を小さく分断するも
の、インペラのシュラウドを取り除きインペラ翼先端の
漏れ流れの作用により滞留域を抑制するもの、インペラ
翼枚数を３枚と少翼でかつ翼形状がインデューサーに類
似して長くした軸斜流型の形式のものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の技術においては、以下のような課題が残さ
れていた。すなわち、遠心型ポンプは一段当たりの昇圧
量が高いことから多段の場合でも他のポンプ形式にくら
べ少ない段数で高圧を得ることができるが、ポンプの外
径が他の形式のものに比べ大きくなってしまう。

【０００６】一方、外径を小さくすれば一段当たりの昇
圧量は低下し、同じ昇圧量を得るには回転数を増加させ
なければならない。しかしながら、インペラを高速回転
すると、遠心力による径方向の圧力差が生じて液相部と
気相部の分離および気相部の気泡の内部滞留を生むこと
になる。つまり、遠心型ポンプではその昇圧機構そのも
のが気液混相流体の昇圧・輸送にとって大きな妨げとな
っている。

【０００７】一方、軸流型は、遠心型に比べて上記のよ
うな問題はなく、気液混相流体の昇圧・輸送に好適であ
ると想定される。しかしながら、ポンプの比速度が８０
０［ｍ，ｍ³/min，min^-1］以下であるような領域で完全
な軸流型として設計したものはなく、気液混相流体用の
軸流系のポンプとしてはポンプハブを傾斜した斜流と軸
流の中間の形状のものの範囲をでていない。

【０００８】本発明は、気液混相流体用のポンプにおい
て、液相部と気相部の均質混合および気相部の気泡の内
部滞留抑制に対し能動的処置を施し、気相と液相を可能
な限り均質混合化した状態で昇圧及び／または輸送し、
かつ本来、斜流ポンプの領域であるポンプ比速度の領域
を完全軸流型形式で実現し、気液混相流の昇圧と輸送の
性能を高めることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、気相と液相を含む気液混相流体を昇圧し輸送するた
めの気液混相流用ポンプにおいて、回転軸と一体のイン
ペラと固定側のガイドベーンとを有するディフューザ型
の軸流型ポンプであって、比速度が１０００［ｍ，ｍ³/
min，min^-1］以下で、かつ、インペラの翼枚数が１１枚
以上であることを特徴とする気液混相流用ポンプであ
る。

【００１０】比速度が大きいと一段当たりの昇圧量が低
下してポンプ全体の段数が増加し、ポンプが大型化する
ので、構造上好ましくない。従って、比速度は、６００
［ｍ，ｍ³/min，min^-1］以下であることが好ましく、さ
らには５６０［ｍ，ｍ³/min，min^-1］以下であることが
好ましい。

【００１１】これにより、本来斜流のポンプ形式である
ようなポンプ比速度の領域までを完全軸流型で実現でき
る。従って、遠心力による径方向の圧力差が少なく、液
相部と気相部の分離および気相部の気泡の内部滞留が起
きにくいので、気泡の生成を抑制して混相流を効率良く
昇圧及び／または輸送することができる。また、完全軸
流型であるので多段にすることが容易であり、占有スペ
ースが小さい等の利点もある。

【００１２】請求項２に記載の発明は、前記ガイドベー
ンの翼枚数が１２枚以上であることを特徴とする請求項
１に記載の気液混相流用ポンプである。

【００１３】請求項３に記載の発明は、前記ガイドベー
ンの翼枚数がインペラの翼枚数の２倍以上であることを
特徴とする請求項１に記載の気液混相流用ポンプであ
る。

【００１４】請求項４に記載の発明は、気相と液相を含
む気液混相流体を昇圧し輸送するための気液混相流用ポ
ンプにおいて、回転軸と一体のインペラと固定側のガイ
ドベーンとを有するディフューザ型の軸流型ポンプであ
って、インペラのソリディティーが１．８以上であるこ
とを特徴とする気液混相流用ポンプである。

【００１５】請求項５に記載の発明は、前記ガイドベー
ンのソリディティーが２．１以上であることを特徴とす
る請求項４に記載の気液混相流用ポンプである。

【００１６】請求項６に記載の発明は、前記インペラと
ガイドベーンが同一の内外径を有することを特徴とする
請求項１ないし５のいずれかに記載の気液混相流用ポン
プである。

【００１７】請求項７に記載の発明は、前記インペラ及
び／又はガイドベーンのハブ比が０．７以上であること
を特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の気液
混相流用ポンプである。このようにハブ比を大きくとる
ことにより、ポンプ内に流入する流体の流入状態をほぼ
均一なものとすることができる。

【００１８】請求項８に記載の発明は、前記ポンプが多
段の軸流型であることを特徴とする請求項１ないし７の
いずれかに記載の気液混相流用ポンプである。

【００１９】請求項９に記載の発明は、前記インペラと
ガイドベーンが、同一段においては同一の内外径を有す
ることを特徴とする請求項８に記載の気液混相流用ポン
プである。

【００２０】請求項１０に記載の発明は、ハブ比が後段
になるに従い大きくなることを特徴とする請求項９に記
載の気液混相流用ポンプである。

【００２１】請求項１１に記載の発明は、前記インペラ
および／またはガイドベーンの最大翼弦長さがチップ径
の０．５以下であることを特徴とする請求項１ないし１
０のいずれかに記載の気液混相流用ポンプである。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１ないし図４は、本発明の１つ
の実施の形態の気液混相流用の軸流ポンプを示すもので
ある。図１は全体の構成を概観する断面図であって、上
側にモータ部１０が、下側にポンプ部２０がシャフト１
２を共通として配置されている。ポンプ部１０は、円筒
状のポンプケーシング２２に多段（例では１５段）の軸
流ポンプが構成されているもので、シャフト１２に固定
されたインペラ２４とケーシング２２に固定されたガイ
ドベーン２６とが軸方向に交互に配置され、ケーシング
２２の下端には吸込口２８が、上端には吐出口３０が設
けられている。

【００２３】図２及び図３は、ポンプ部２０の１段の軸
流ポンプを構成するインペラ２４とガイドベーン２６を
示すもので、インペラ２４は、シャフト１２と一体のハ
ブ３２の外周面に回転翼３４が形成されて構成されてい
る。一方、ガイドベーン２６は、ケーシング２２に取り
付けられた固定翼３６の内端に、シャフト１２を挿通さ
せる穴を有するリング状のハブ（固定ハブ）３８が取り
付けられて構成されている。この例では、一段当たりに
回転翼３４は１２枚、固定翼３６は２５枚が設けられて
いる。

【００２４】図４は、ポンプ部を軸線を含む断面で破断
した模式的な断面図を示すもので、それぞれの段におい
ては、インペラ２４とガイドベーン２６の内径（ハブ３
２，３８の外径Ｒ₁）及び外径（翼３４，３６の外径
Ｒ₂）はそれぞれ等しくなっている。これにより、同一
段の軸流ポンプの中での遠心流れを抑制して気相の生成
を防止している。

【００２５】また、各段のハブ比（ν＝Ｒ₁／Ｒ₂）はそ
れぞれ０．７以上に設定されている。このように、ハブ
比νを０．７以上に設定することにより、ポンプに流入
する流体の径方向の流入状態の差異を抑え、本来、斜流
型であるポンプ比速度の領域までを完全軸流型で必要十
分に実現することができる。

【００２６】ハブ比νは、多段ポンプの後段になるに従
い増加している。これにより、後段側で気液混相流体中
の気相部が圧縮されて全体積流量が減少しても、ハブ比
νが増加して流路面積が減少するので、各段への流入条
件を平均化して安定な昇圧を行わせる。

【００２７】これらのインペラ２４及びガイドベーン２
６は、図４に示すように、それぞれソリディティーσ
ｉ，σｇ、すなわち、弦長（ｌｉ，ｌｇ）とピッチ（ｔ
ｉ，ｔｇ）の比が、それぞれ一定の値以上になるように
設定されている（ いずれもハブ３２，３８を基準）。
すなわち、インペラ２４のソリディティーσｉは１．８
以上であり、ガイドベーン２６のソリディティーσｇは
２．１以上に設定されている。

【００２８】前記のソリディティーの値は、単段の軸流
ポンプを用いて数値実験により定めたものである。図５
は、ソリディティーを変化させた場合のポンプ効率を示
すもので、これによると、 σｉ＝ｌｉ/ ｔｉ≧１．８ σｇ＝ｌｇ/ ｔｇ≧２．１ の領域において最適な効率が得られることが分かった。

【００２９】さらに、この実施の形態では、インペラ２
４の回転翼３４及びガイドベーン２６の固定翼３６の形
状を以下のような考え方に基づいて設計している。すな
わち、液相または気相のどちらかの単相流を扱う場合に
おいて、インペラ２４入口から出口までの間で圧力がほ
ぼ一定の勾配で増加するように翼形状を設計している。
これにより、インペラ２４内の圧力場を平均化して大き
な圧力勾配の発生を防止し、インペラ２４の負圧面に気
泡が局所的に滞留する傾向を軽減し、または抑制するこ
とができる。

【００３０】さらに、上記の実施の形態では、インペラ
２４及びガイドベーン２６ともに、最大翼弦長さのチッ
プ径（翼の最外径）に対する比を０．５以下になるよう
に設定している。このように比較的短い翼構造とするこ
とで、混相流から分離して生成した気泡が翼にトラップ
されにくくなり、内部滞留せずにポンプから吐出され
る。

【００３１】さらにこの多翼構造は、気液混相流体の気
泡をインペラ２４の回転翼３４の剪断作用により微細化
し、均質混合化することができる。インペラ２４からガ
イドベーン２６に流入する場合でも同様の作用が得られ
る。

【００３２】

【実施例】翼面圧力分布がポンプの気液二相流特性に与
える影響を検討するために、以下に示すように、比速度
が６００［ｍ，ｍ³/min，min^-1］の二種類の翼負荷分布
を持つインペラ２４を設計した。 すなわち、同一の子午
面形状を持ち、図６ (ａ)に示す様な、翼の前半で翼負
荷（圧力差）が大きい「前半負荷形」のインペラ２４
と、同図 (ｂ) に示す翼後半で翼負荷が大きい「後半負
荷形」のインペラ２４を設計した。

【００３３】前半負荷形のインペラ２４では、翼負圧面
側の圧力の谷間（図６（ａ）Ａ部）に気泡が滞留しやす
い。後半負荷形のインペラ２４では、上述のような圧力
の谷間はないが、翼後縁付近の負圧面側で大きな圧力勾
配が生じる。

【００３４】上記のような圧力分布を持つインペラを、
三次元粘性流れ解析コード（Ｗalker, Ｄawes, １９９
０） によってインペラ２４内流れと性能を確認し、翼
形状を修正した反復設計を行ってインペラ２４の設計を
行った。また、ガイドについても同様に設計した。

【００３５】実験装置は、図７に示すように、貯水槽Ｐ
の水をブースターポンプ４０で汲上げ、ベンチュリー流
量計４２、流量調節弁４４を経て供試ポンプ４６へ導
く。供試ポンプ４６を出た気液混合流体を吐出側流量調
節弁４８を経て貯水タンク５０に導き、気体を分離した
後、貯水槽Ｐへ戻す配管系統である。空気は、圧縮機か
ら空気タンク、減圧弁、流量調節弁、空気流量計をへ
て、供試ポンプインペラ直前に設けた吐出ノズルより水
中に混入させる。

【００３６】図８，９に、前半負荷形及び後半負荷形の
インペラに空気を混入させた場合の性能試験結果を示
す。 ここで、試験回転数は１５ＯＯrpm で一定とし、体
積ボイド率αは０％〜３５％（吸込圧力換算）の範囲で
変化させた。いずれの場合も、体積ボイド率αの増加に
伴い、効率のピーク位置が過少流量側にシフトし、最高
効率値が低下することが認められる。

【００３７】体積ボイド率αが３０％の場合、前半負荷
形でηmax ＝３３％、後半負荷形ではηmax ＝３０％程
度の結果が得られた。通常の遠心型インペラの同程度の
体積ボイド率αにおける効率が１０％程度であることと
比較すると、本発明の型式のインペラの方が混相流に対
して良好な特性を有することがわかる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、本来斜流のポンプ形式であるようなポンプ比速度の
領域までを完全軸流型で実現したので、気泡の生成を抑
制して混相流を効率良く昇圧及び／または輸送すること
ができ、かつ、多段にすることが容易であり、占有スペ
ースが小さい気液混相流用ポンプを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施の形態の気液混相流ポンプの
構成を模式的に示す図である。

【図２】図１の実施の形態の１段のポンプ部の構成を示
す図である。

【図３】図２のポンプ部の側面図である。

【図４】図１の実施の形態のポンプ部の構成を模式的に
示す断面図である。

【図５】（ａ）インペラのソリディティーとポンプ効率
の関係を示すグラフ、（ｂ）ガイドベーンのソリディテ
ィーとポンプ効率の関係を示すグラフである。

【図６】この発明の実施例のインペラの断面形状を示す
図である。

【図７】この発明の混相流用ポンプの実験装置を示す図
である。

【図８】この発明の混相流用ポンプの試験結果を示すグ
ラフである。

【図９】この発明の混相流用ポンプの試験結果を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１２ シャフト ２２ ケーシング ２４ インペラ ２６ ガイドベーン ２８ 吸込口 ３０ 吐出口 ３２，３８ ハブ ３４，３６ 翼 σ ソリディティー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 正則 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 後藤 彰 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 岡本 秀伸 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 江頭 和幸 神奈川県川崎市川崎区南渡田町１番１号 ＮＫＫエンジニアリング研究所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気相と液相を含む気液混相流体を昇圧し
   輸送するための気液混相流用ポンプにおいて、 回転軸と一体のインペラと固定側のガイドベーンとを有
   するディフューザ型の軸流型ポンプであって、 比速度が１０００［ｍ，ｍ³/min，min^-1］以下で、か
   つ、インペラの翼枚数が１１枚以上であることを特徴と
   する気液混相流用ポンプ。
2. 【請求項２】 前記ガイドベーンの翼枚数が１２枚以上
   であることを特徴とする請求項１に記載の気液混相流用
   ポンプ。
3. 【請求項３】 前記ガイドベーンの翼枚数がインペラの
   翼枚数の２倍以上であることを特徴とする請求項１に記
   載の気液混相流用ポンプ。
4. 【請求項４】 気相と液相を含む気液混相流体を昇圧し
   輸送するための気液混相流用ポンプにおいて、 回転軸と一体のインペラと固定側のガイドベーンとを有
   するディフューザ型の軸流型ポンプであって、 インペラのソリディティーが１．８以上であることを特
   徴とする気液混相流用ポンプ。
5. 【請求項５】 前記ガイドベーンのソリディティーが
   ２．１以上であることを特徴とする請求項４に記載の気
   液混相流用ポンプ。
6. 【請求項６】 前記インペラとガイドベーンは、同一の
   内外径を有することを特徴とする請求項１ないし５のい
   ずれかに記載の気液混相流用ポンプ。
7. 【請求項７】 前記インペラ及び／又はガイドベーンの
   ハブ比が０．７以上であることを特徴とする請求項１な
   いし６のいずれかに記載の気液混相流用ポンプ。
8. 【請求項８】 前記ポンプは多段の軸流型であることを
   特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の気液混
   相流用ポンプ。
9. 【請求項９】 前記インペラとガイドベーンは、同一段
   においては同一の内外径を有することを特徴とする請求
   項８に記載の気液混相流用ポンプ。
10. 【請求項１０】 ハブ比が後段になるに従い大きくなる
    ことを特徴とする請求項９に記載の気液混相流用ポン
    プ。
11. 【請求項１１】 前記インペラおよび／またはガイドベ
    ーンの最大翼弦長さがチップ径の０．５以下であること
    を特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載の気
    液混相流用ポンプ。