WO2019058669A1 - 遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

羽根車（５）は、回転軸（１）に固定された主板（３５）と、液体入口（３０）を有し、主板（３５）に対向するシュラウド（３７）と、主板（３５）とシュラウド（３７）との間に配置された複数の翼（３８）とを備える。主板（３５）にはバランスホール（４０）が形成されており、主板（３５）の外周部には、半径方向内側に窪んだ複数のトリムエッジ（４２）が形成されており、翼（３８）の外側部位は、複数のトリムエッジ（４２）のうちの隣り合う２つの間に位置している。遠心ポンプは、羽根車（５）のシュラウド側にのみライナーリング（３１）を持つシングルライナータイプの遠心ポンプである。

Description

遠心ポンプ

　本発明は、遠心ポンプに関し、特に単段の羽根車または多段の羽根車を備えた遠心ポンプに関するものである。

　遠心ポンプは、羽根車を回転させることで液体に遠心力を与え、液体を昇圧する。昇圧された液体の多くは、次段の羽根車に流入するか、または吐出口から吐き出されるが、昇圧された液体の一部は羽根車の主板裏側およびシュラウド裏側に流入する。羽根車の主板裏側とシュラウド裏側とでは、羽根車が液体の圧力を受ける面積の差異があるため、羽根車を吸込側に押す軸方向推力が発生する。

　このような軸方向推力を羽根車が受けるので、羽根車が固定される回転軸は、大きな軸方向推力を受けることができるハイスラスト軸受によって支持されるか、または追加のスラスト軸受によって支持される。しかしながら、軸方向推力は軸受の摩耗を早め、軸受の寿命を短くする。特に、多段遠心ポンプでは、大きな軸方向推力が発生するため、軸受の寿命が短くなる傾向が大きい。

　そこで、従来から、軸方向推力を低減させるいくつかの技術が提案されている。例えば、羽根車の主板に複数のバランスホールを設ける技術がある。羽根車の主板裏側に流入した液体は、バランスホールを通って羽根車内に流入する。その結果、羽根車の主板に作用する液体の圧力が低下し、軸方向推力が低減される。

特開２０００－９０８１号公報

　しかしながら、バランスホールは、羽根車によって昇圧された液体の一部を吸込側に戻すため、ポンプ効率を低下させてしまう。そこで、ポンプ効率を低下させることなく、軸方向推力を低減させるために、図８に示すようなダブルライナー構造が採用されることがある。このダブルライナー構造は、羽根車１００の液体入口１０１の周囲に配置された第１ライナーリング１０４と、羽根車１００の背面側（主板側）に配置された第２ライナーリング１０５とを備える。第１ライナーリング１０４は、羽根車１００のシュラウド１１０に形成された液体入口１０１と微小な隙間を介して配置され、第２ライナーリング１０５は、羽根車１００の主板（吐出側板部材）１１１に形成された円環部１１２と微小な隙間を介して配置されている。バランスホール１１５は、主板１１１に形成されており、第２ライナーリング１０５よりも半径方向において内側に位置している。

　このような位置に配置された第２ライナーリング１０５は、羽根車１００によって昇圧された液体がバランスホール１１５に到達する量を低減することができる。結果として、バランスホール１１５を通じて羽根車１００内に戻る液体の量を減らすことができる。

　しかしながら、第２ライナーリング１０５はポンプの運転時間とともに徐々に摩耗するため、第２ライナーリング１０５の定期的な交換が必要となる。さらに、多段遠心ポンプでは、各羽根車１００の吐出側には戻り羽根１２０が配置されるために、第２ライナーリング１０５を配置するのに十分な大きさのスペースがない場合もある。

　そこで、本発明は、ポンプ効率を低下させることなく、簡易な構成で軸方向推力を低下させることができる遠心ポンプを提供することを目的とする。

　本発明の一態様は、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ケーシングと、前記羽根車の液体入口の周囲に配置されたライナーリングとを備えた遠心ポンプであって、前記羽根車は、前記回転軸に固定された主板と、前記液体入口を有し、前記主板に対向するシュラウドと、前記主板と前記シュラウドとの間に配置された複数の翼とを備え、前記主板にはバランスホールが形成されており、前記主板の外周部には、半径方向内側に窪んだ複数のトリムエッジが形成されており、前記翼の外側部位は、前記複数のトリムエッジのうちの隣り合う２つの間に位置しており、前記遠心ポンプは、前記羽根車のシュラウド側にのみ前記ライナーリングを持つシングルライナータイプの遠心ポンプであることを特徴とする。

　本発明の好ましい態様は、前記主板の直径は前記シュラウドの直径と同じか、または小さいことを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記羽根車は複数設けられており、前記複数の羽根車は前記回転軸に固定されていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記主板は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有しており、前記貫通孔は、前記回転軸の断面形状とは異なる形状を有しており、前記貫通孔と前記回転軸の外面との間には複数の隙間が形成されており、前記バランスホールは、前記複数の隙間のうちの少なくとも１つから構成されていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記回転軸は、その表面にスプラインを有しており、前記主板は前記スプラインが係合する形状を有した複数のキー溝を有しており、前記バランスホールは、前記複数のキー溝のうちの一部から構成されていることを特徴とする。
　本発明の好ましい態様は、前記羽根車および前記ケーシングのそれぞれは、プレス加工された金属板の組立体であることを特徴とする。

　トリムエッジが形成された主板を有する羽根車は、一般的な羽根車に比べて、ポンプ効率を低下させることなく、主板に加わる液体の圧力を大きく減らすことが流体シミュレーションにより実証されている。羽根車の主板に加わる液体の圧力が低いほど、軸方向推力は低下し、かつバランスホールを通過する液体の量が低下する。よって、本発明によれば、図８に示す第２のライナーリングを設けることなく、かつポンプ効率を低下させることなく、軸方向推力を低下させることが可能である。

遠心ポンプの一実施形態を示す断面図である。 図１に示す遠心ポンプの一部を示す拡大断面図である。 羽根車をその吸込側から見た図である。 羽根車をその吐出側から見た図である。 図３および図４に示す羽根車の回転によって液体が昇圧されているときに主板に加わる液体の圧力の分布を示す模式図である。 図８に示す従来の羽根車の回転によって液体が昇圧されているときに主板に加わる液体の圧力の分布を示す模式図である。 図７Ａは、他の実施形態に係る羽根車をその吐出側から見た図である。 図７Ｂは、回転軸の他の実施形態を示す断面図である。 ダブルライナータイプの従来の遠心ポンプを示す断面図である。

　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、遠心ポンプの一実施形態を示す断面図である。
　遠心ポンプは、回転軸１と、回転軸１に固定された複数の羽根車５と、羽根車５が収容されたケーシング７とを備えている。回転軸１は、電動モータ８に連結されている。電動モータ８により回転軸１が回転されると、羽根車５は回転軸１とともに回転される。

　ケーシング７は、内ケーシング７Ａと外ケーシング７Ｂとを備えている。内ケーシング７Ａは外ケーシング７Ｂ内に配置されており、内ケーシング７Ａの外面は外ケーシング７Ｂによって覆われている。内ケーシング７Ａの吸込側開口は、吸込ポート１０に連結されており、外ケーシング７Ｂの吐出側開口は吐出ポート１１に連結されている。羽根車５の周囲にはディフューザ１５が配置されており、さらにディフューザ１５の吐出側には戻り羽根１６が配置されている。

　羽根車５の回転に伴い、液体は吸込ポート１０を通じて羽根車５に吸い込まれる。羽根車５を回転させることで液体の速度および圧力が上昇し、さらに液体がディフューザ１５を通過するときに液体の速度エネルギーは圧力に変換される。昇圧された液体は戻り羽根１６によって次段の羽根車５に導かれ、さらに次段の羽根車５の回転よって昇圧される。最終段の羽根車５を出た液体は、内ケーシング７Ａの端部に形成された複数の連通孔２０を通じて外ケーシング７Ｂ内に流入する。液体は外ケーシング７Ｂの内面と内ケーシング７Ａの外面との間に形成された流路２１を通って吐出ポート１１に向かい、吐出ポート１１を通って遠心ポンプの外部に吐き出される。

　ケーシング７の吐出側開口端はケーシングカバー９で塞がれている。ケーシングカバー９および回転軸１には、メカニカルシール２５が固定されている。メカニカルシール２５は、ケーシングカバー９と回転軸１との間の隙間を封止する軸シールである。羽根車５の回転によって昇圧された液体の漏洩は、メカニカルシール２５によって防止される。

　本実施形態では、羽根車５、内ケーシング７Ａ、外ケーシング７Ｂのそれぞれは、プレス加工された金属板の組立体である。より具体的には、金属の板をプレス加工することにより、羽根車５、内ケーシング７Ａ、外ケーシング７Ｂの各部品が成形され、これら部品を組み立てることで羽根車５、内ケーシング７Ａ、外ケーシング７Ｂが形成される。金属板の材料として金属は、ステンレス鋼などの耐腐食性のある金属である。本実施形態に係る遠心ポンプは、複数の（図１では４つの）羽根車５を備えた多段遠心ポンプである。一実施形態では、遠心ポンプは、１つの羽根車５を備えた単段遠心ポンプであってもよい。

　図２は、図１に示す遠心ポンプの一部を示す拡大断面図である。羽根車５は、回転軸１に固定された主板（吐出側板部材）３５と、主板３５に対向するシュラウド（吸込側板部材）３７と、主板３５とシュラウド３７との間に配置された複数の翼３８とを備えている。羽根車５の液体入口３０はシュラウド３７に形成されている。主板３５には複数のバランスホール４０が形成されている。本実施形態では、バランスホール４０は、回転軸１の周りに等間隔で配列されている。主板３５は、その中央部に、回転軸１と羽根車５とを係合させるための係合部（ボス）４５を有している。

　図２に示すように、羽根車５の液体入口３０の周囲には、羽根車５の回転によって昇圧された液体が吸込側に戻ることを防止するためのライナーリング３１が配置されている。このライナーリング３１は内ケーシング７Ａに固定されている。羽根車５の液体入口３０とライナーリング３１との間には微小な隙間が形成されている。図８に示すダブルライナータイプの遠心ポンプとは異なり、羽根車５の主板側（背面側）には第２ライナーリングは設けられていない。このような、羽根車５のシュラウド側にのみライナーリングを持ち、羽根車５の主板側にはライナーリングを持たないタイプは、シングルライナータイプと呼ばれる。

　図３は、羽根車５をその吸込側から見た図であり、図４は、羽根車５をその吐出側から見た図である。シュラウド（吸込側板部材）３７は円形であり、その中心に液体入口３０を有している。主板（吐出側板部材）３５は、星型の形状を有している。主板３５の直径は、シュラウド３７の直径と同じか、または小さい。主板３５の外周部には、半径方向内側に窪んだ複数のトリムエッジ４２が形成されている。これらのトリムエッジ４２は、羽根車５の中心の周りに等間隔に配列されている。翼３８は、羽根車５の中心の周りに等間隔に配列されており、隣り合う翼３８の間には液体の流路が形成される。各翼３８の外側部位は、隣り合うトリムエッジ４２の間に位置している。

　図４に示すように、主板３５の係合部（ボス）４５には、回転軸１が貫通する貫通孔４８が形成されている。主板３５には複数のバランスホール４０が形成されている。バランスホール４０は、羽根車５の中心の周りに等間隔で配列されており、各バランスホール４０は隣り合う翼３８，３８の間に位置している。本実施形態では、６つのバランスホール４０が形成されている。一実施形態では、５つ以下の、または７つ以上のバランスホール４０を設けてもよい。

　係合部４５は、貫通孔４８の一部を構成する複数のキー溝４６を有している。これらのキー溝４６は、羽根車５の中心の周りに等間隔で配列されている。各キー溝４６は、回転軸１の表面に形成されているスプライン５０に係合する形状を有している。スプライン５０は、回転軸１の軸方向に延びるキーである。スプライン５０はキー溝４６に係合し、これにより回転軸１から羽根車５へのトルクの伝達が確実になされる。

　図４に示す星型の主板３５を有する羽根車５は、ポンプ効率を低下させることなく、軸方向推力を低下させることができることが、流体シミュレーションにより実証されている。図５は、本実施形態の羽根車５の回転によって液体が昇圧されているときに主板３５に加わる液体の圧力の分布を示す模式図である。図５において、矢印の長さは圧力の大きさを表している。図５から分かるように、液体の圧力は主板３５の全体に亘って均一に加わる。

　図６は、図８に示す従来の羽根車１００の回転によって液体が昇圧されているときに主板１１１に加わる液体の圧力の分布を示す模式図である。図６に示すように、主板１１１に加わる液体の圧力は、図５に示す液体の圧力よりも全体的に高い。加えて、羽根車１００の外周よりも中心の方が液体の圧力は高くなる。

　図５と図６の圧力分布の対比から分かるように、図５に示す本実施形態に係る羽根車５では、主板３５の全体に加わる液体の圧力が低い。結果として、主板３５に形成されたバランスホール４０を通じて羽根車５内に戻る液体の量は少ない。したがって、図８に示す第２ライナーリングを設けることは不要である。これに対して、図６に示す従来の羽根車１００では、高い圧力が主板１１１に加わるため、液体が羽根車１００内に戻る量を低減させるためには、図８に示す第２ライナーリング１０５を設けることが必要である。

　以上述べたように、本実施形態に係る羽根車５は、図８に示す第２のライナーリング１０５を設けることなく、かつポンプ効率を低下させることなく、軸方向推力を低下させることが可能である。

　図７Ａは、他の実施形態に係る羽根車５をその吐出側から見た図であり、図７Ｂは回転軸１の他の実施形態を示す断面図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図２乃至図６を参照して説明した実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。本実施形態では、貫通孔４８は、回転軸１の断面形状とは異なる形状を有している。貫通孔４８と回転軸１の外面との間には複数の隙間が形成されており、バランスホール４０は、複数の隙間のうちの少なくとも１つから構成されている。より具体的には、係合部（ボス）４５に形成されているキー溝４６のうちの少なくとも１つは、バランスホール４０として機能する。すなわち、係合部４５のキー溝４６の数は、図７Ｂに示す回転軸１のスプライン５０の数よりも多い。したがって、スプライン５０が係合しないキー溝４６は、バランスホール４０として機能することができる。本発明は、本実施形態に限らず、貫通孔４８は、回転軸１の断面形状とは異なる四角形または六角形などの多角形状を有してもよい。また、回転軸１から主板３５へのトルク伝達は、スプライン構造に限らず、テーパコレットなどの他の機構を利用してもよい。

　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。

　本発明は、単段の羽根車または多段の羽根車を備えた遠心ポンプに利用可能である。

　１　　　回転軸
　５　　　羽根車
　７　　　ケーシング
　７Ａ　　内ケーシング
　７Ｂ　　外ケーシング
　８　　　電動モータ
　９　　　ケーシングカバー
１０　　　吸込ポート
１１　　　吐出ポート
１５　　　ディフューザ
１６　　　戻り羽根
２０　　　連通孔
２１　　　流路
２５　　　メカニカルシール
３０　　　液体入口
３１　　　ライナーリング
３５　　　主板（吐出側板部材）
３７　　　シュラウド（吸込側板部材）
３８　　　翼
４０　　　バランスホール
４２　　　トリムエッジ
４５　　　係合部（ボス）
４６　　　キー溝
４８　　　貫通孔
５０　　　スプライン

Claims (6)

1. 　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ケーシングと、
   　前記羽根車の液体入口の周囲に配置されたライナーリングとを備えた遠心ポンプであって、
   　前記羽根車は、
   　　前記回転軸に固定された主板と、
   　　前記液体入口を有し、前記主板に対向するシュラウドと、
   　　前記主板と前記シュラウドとの間に配置された複数の翼とを備え、
   　前記主板にはバランスホールが形成されており、
   　前記主板の外周部には、半径方向内側に窪んだ複数のトリムエッジが形成されており、前記翼の外側部位は、前記複数のトリムエッジのうちの隣り合う２つの間に位置しており、
   　前記遠心ポンプは、前記羽根車のシュラウド側にのみ前記ライナーリングを持つシングルライナータイプの遠心ポンプであることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 　前記主板の直径は前記シュラウドの直径と同じか、または小さいことを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 　前記羽根車は複数設けられており、前記複数の羽根車は前記回転軸に固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心ポンプ。
4. 　前記主板は、前記回転軸が貫通する貫通孔を有しており、
   　前記貫通孔は、前記回転軸の断面形状とは異なる形状を有しており、
   　前記貫通孔と前記回転軸の外面との間には複数の隙間が形成されており、
   　前記バランスホールは、前記複数の隙間のうちの少なくとも１つから構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
5. 　前記回転軸は、その表面にスプラインを有しており、
   　前記主板は前記スプラインが係合する形状を有した複数のキー溝を有しており、
   　前記バランスホールは、前記複数のキー溝のうちの一部から構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。
6. 　前記羽根車および前記ケーシングのそれぞれは、プレス加工された金属板の組立体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の遠心ポンプ。

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