(57)【要約】【課題】羽根車の外形形状を変更する設計を必要とせず、またインデューサ等の別途の手段を設けることなく、きわめて簡易な手段によって、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止することができるターボポンプを提供することを目的とする。【解決手段】ケーシング１内に配置された羽根車２と、羽根車２を回転駆動する主軸３とを備えたターボポンプにおいて、羽根車２は、中心部に主軸３が連結される円板状の主板２１と、主板２１の前面に配列され径方向に弧状に延びる複数の羽根２３とを備え、主板２１に、各羽根２３の入口部の負圧面ＳＳに沿って複数の貫通孔２１ｈを形成し、羽根車２から吐出された液体の一部を貫通孔２１ｈを介して羽根車２の吸込側に戻す。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内に配置された羽根車と、該羽根車を回転駆動する主軸とを備えたターボポンプにおいて、
前記羽根車は、中心部に主軸が連結される円板状の主板と、該主板の前面に配列され径方向に弧状に延びる複数の羽根とを備え、
前記主板に、前記各羽根の入口部の負圧面に沿って複数の貫通孔を形成し、前記羽根車から吐出された液体の一部を前記貫通孔を介して羽根車の吸込側に戻すようにしたことを特徴とするターボポンプ。
【請求項２】
前記主板の背面に、ライナーリングと摺動する円筒状のライナー部を設け、該ライナー部の半径方向内側に空間を形成し、該空間と前記羽根車の吸込側とを前記貫通孔を介して連通させたことを特徴とする請求項１記載のターボポンプ。
【請求項３】
前記複数の貫通孔の１つは、前記各羽根の入口に接するか、または近接して設けられていることを特徴とする請求項１記載のターボポンプ。
【請求項４】
前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の貫通孔は、前記各羽根の入口に近接した位置から前記ライナー部の半径方向内側までにあることを特徴とする請求項２または３記載のターボポンプ。
【請求項５】
前記各羽根の入口は、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ１の円上に位置し、前記各羽根の入口に接するか、または近接して設けられている前記貫通孔は、貫通孔の直径をｄとすると、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ２＝（Ｄ１−ｄ）〜（Ｄ１−２．４ｄ）の円上に位置していることを特徴とする請求項３または４記載のターボポンプ。
【請求項６】
前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の貫通孔は、前記主板の側面と負圧面との交線と、前記複数の貫通孔の中心を通る弧状の曲線との間隔Ｌは、Ｌ＝（０．５〜１．２）ｄに設定されていることを特徴とする請求項５記載のターボポンプ。
【請求項７】
前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の貫通孔のうち、相隣接する貫通孔の中心間の距離Ｒは、Ｒ＝（２．５〜３）ｄに設定されていることを特徴とする請求項５記載のターボポンプ。
【請求項８】
前記主板に対向して、該主板とともに前記複数の羽根を挟持する環状の側板を設け、該側板は中央部に吸込口を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のターボポンプ。
【請求項９】
前記ターボポンプは、遠心ポンプ又は斜流ポンプであることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のターボポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止する機能を具備したターボポンプに係り、特にターボポンプのうち遠心ポンプ並びに斜流ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
遠心ポンプまたは斜流ポンプからなるターボポンプの主要部は、輸送される液体の配管系につながるケーシングと、ケーシング内に配置された羽根車と、羽根車を回転駆動する主軸とから構成される。モータ等の駆動機によって主軸および羽根車が回転駆動されると、液体はケーシングの吸込口から吸い込まれて羽根車の羽根入口部に流入し、羽根車の遠心力により複数の羽根間の流路を内側から外側に向かって流れ、ケーシングの吐出口から吐出される。
【０００３】
ターボポンプは、高速で回転する羽根車によって液体にエネルギーを与え、液体の圧力を上げて押し出す機械と云えるが、ある部分では液体の圧力を下げる機械でもある。河川等の水をポンプで吸い込む際に、ポンプの入口部の圧力が河川等の中の取水口の静圧より低くなければ、そもそも水を吸い込むことはできない。そして、水がポンプ本体に吸い込まれた後に、羽根車の作用で水の圧力が高まる。このポンプ入口部近傍の圧力が低下する箇所で静圧が飽和蒸気圧まで低下すると、キャビテーションが発生する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】岡村共由、“ポンプのキャビテーション（損傷を中心として）”［online］、平成１８年１１月２２日、ターボ機械協会第７２回セミナー、［平成２８年７月１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://kamome.lib.ynu.ac.jp/dspace/bitstream/10131/3946/1/okamura-01.pdf＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように、ポンプにおける代表的なキャビテーションは、ポンプ入口部、すなわち、羽根車の羽根入口部において、液体が羽根車に入るときに圧力が低下することによって液体の飽和蒸気圧以下となり、蒸発現象によりキャビティ（気泡）を発生することにより生じるものである。発生したキャビティ（気泡）は、成長し、そして圧力の回復に伴ってつぶれるが、このキャビティ（気泡）がつぶれる際に羽根車やケーシングの壁面に損傷を与える。この現象はキャビテーションエロージョン（キャビテーション壊食）と呼ばれ、ポンプの大型化、高速化を阻む大きな原因となってきた。
【０００６】
ターボポンプの羽根の表裏は、圧力が上昇する圧力面と、圧力が低下する負圧面に区別されるが、ターボポンプでキャビテーションが発生しやすい面は圧力が低下する負圧面（羽根裏側）である。したがって、キャビテーションが発生しやすい箇所は、最も液体の圧力が低下しやすい箇所の一つである羽根車の羽根入口部の負圧面（羽根裏側）であると云える。
【０００７】
従来にあっては、キャビテーションの防止対策として、ポンプの羽根車入口部での圧力低下量が少ない形状にする、羽根への入射角を小さくしてキャビテーションの発生量を減らす、主羽根の前にインデューサを設けるなどの方法が採用されている。しかしながら、従来のキャビテーションの防止対策は、ポンプの基本的構成要素である羽根車やケーシングなどの外形形状を変更する設計が必要となり、またインデューサ等の高価な手段を別途設ける必要があるという問題点がある。
【０００８】
本発明は、上述の事情に鑑みなされたもので、羽根車の外形形状を変更する設計を必要とせず、またインデューサ等の別途の手段を設けることなく、きわめて簡易な手段によって、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止することができるターボポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明のターボポンプは、ケーシング内に配置された羽根車と、該羽根車を回転駆動する主軸とを備えたターボポンプにおいて、前記羽根車は、中心部に主軸が連結される円板状の主板と、該主板の前面に配列され径方向に弧状に延びる複数の羽根とを備え、前記主板に、前記各羽根の入口部の負圧面に沿って複数の貫通孔を形成し、前記羽根車から吐出された液体の一部を前記貫通孔を介して羽根車の吸込側に戻すようにしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の好ましい態様は、前記主板の背面に、ライナーリングと摺動する円筒状のライナー部を設け、該ライナー部の半径方向内側に空間を形成し、該空間と前記羽根車の吸込側とを前記貫通孔を介して連通させたことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記複数の貫通孔の１つは、前記各羽根の入口に接するか、または近接して設けられていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の貫通孔は、前記各羽根の入口に近接した位置から前記ライナー部の半径方向内側までにあることを特徴とする。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、前記各羽根の入口は、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ１の円上に位置し、前記各羽根の入口に接するか、または近接して設けられている前記貫通孔は、貫通孔の直径をｄとすると、前記主板の中心を中心とする直径Ｄ２＝（Ｄ１−ｄ）〜（Ｄ１−２．４ｄ）の円上に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の貫通孔は、前記主板の側面と負圧面との交線と、前記複数の貫通孔の中心を通る弧状の曲線との間隔Ｌは、Ｌ＝（０．５〜１．２）ｄに設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、前記各羽根の羽根入口部の負圧面に沿って形成されている前記複数の貫通孔のうち、相隣接する貫通孔の中心間の距離Ｒは、Ｒ＝（２．５〜３）ｄに設定されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の好ましい態様は、前記主板に対向して、該主板とともに前記複数の羽根を挟持する環状の側板を設け、該側板は中央部に吸込口を備えることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ターボポンプは、遠心ポンプ又は斜流ポンプであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、羽根車の主板に、各羽根の入口部の負圧面に沿って複数の貫通孔を形成するだけで、羽根入口部におけるキャビティ（気泡）の発生を抑制または防止することができる。したがって、以下に列挙する効果を奏する。
１）羽根車の外形形状を変更する設計を必要とせず、またインデューサ等の別途の手段を設けることなく、貫通孔を設けるだけというきわめて簡易な手段によって、羽根車の羽根入口部におけるキャビテーションの発生を抑制または防止することができる。
２）キャビテーション壊食による羽根車の損傷を軽減し、羽根車の長寿命化を達成できる。
３）キャビティの発生を抑制又は防止することにより、羽根入口部にはキャビティの成長による空洞部が無くなり、円滑な液体の流れが可能となり、吸込性能を向上させることができる。
４）低ＮＰＳＨに適した羽根車の開発および設計に有効な手段となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明のターボポンプである遠心ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。
【図２】図２は、羽根車を吸込側から見た図であり、側板を除去して主板上に配置された数枚の羽根を示す正面図である。
【図３】図３は、図２の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係るターボポンプの実施形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１乃至図３において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１は、本発明のターボポンプである遠心ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。
図１に示すように、遠心ポンプは、ケーシング１と、ケーシング１内に配置された羽根車２と、羽根車２を回転駆動する主軸３とを備えている。ケーシング１の開口端にはベルマウス４が固定されている。羽根車２は、円板状の主板２１と、中央部に吸込口２２ｓを有した環状の側板２２と、主板２１と側板２２とに挟持された数枚の螺旋状の羽根２３とを備えたクローズド形の遠心羽根車から構成されている。
【００１６】
羽根車２の主板２１の中央部には、肉厚部からなるボス部２１ａが形成されており、このボス部２１ａがキー３１およびナット３２により主軸３に固定されることにより、羽根車２が主軸３に固定されている。主軸３はケーシング１に固定された軸受１１により支持されている。羽根車２の側板２２の中央部には、前方に突出する円筒状の吸込部２２ａが形成されており、この吸込部２２ａの内部が吸込口２２ｓになっている。主板２１の背面には、後方に突出する円筒状のライナー部２１ｂが形成されており、このライナー部２１ｂの外周側および側板２２の吸込部２２ａの外周側には、それぞれライナーリング２５が配置されている。すなわち、羽根車２は、主板２１および側板２２の両方にライナーリング２５を配置した両ライナー形式のものであり、主板２１のライナー部２１ｂの半径方向内側に空間２６が形成されている。主板２１と側板２２とに挟持された各羽根２３は、側板側においては吸込部２２ａの後端から側板２２の外周端まで、および主板側においては径方向中間部位から主板２１の外周縁まで螺旋状（又は弧状）に延びている。主板２１には、羽根２３の半径方向内端（すなわち羽根入口）の近傍からライナー部２１ｂの内周の近傍までの範囲において複数の貫通孔２１ｈが間隔をおいて形成されている。したがって、空間２６は貫通孔２１ｈを介して羽根車２の吸込側に連通している。
【００１７】
図２は、羽根車２を吸込側から見た図であり、側板２２を除去して主板２１上に配置された数枚の羽根２３を示す正面図である。図３は、図２の要部拡大図である。図２に示すように、主板２１上には、数枚の羽根２３が固定されている。羽根２３は円周方向に等ピッチで配置され、図示例では羽根２３の枚数は７枚に設定されている。図２において、羽根車２の回転方向は反時計方向であり、回転の向きに対して羽根２３の前面の圧力が後面の圧力よりも高くなり、圧力の高い羽根前面が圧力面ＰＳ、圧力の低い羽根後面が負圧面ＳＳである。各羽根２３は主板２１の径方向中間部位から主板２１の外周縁まで弧状に湾曲して延びている。
【００１８】
図２および図３に示すように、各羽根２３の径方向内端（すなわち羽根入口）は、主板２１の中心（すなわち羽根車２の中心）Ｏを中心とする直径Ｄ１の円上に位置している。Ｄ１は羽根車の大きさによって決まるので、以下の各寸法（ｄ、Ｄ２、Ｌ）をＤ１を用いて表す。主板２１を貫通して主板２１の背面側と前面側とを連通させる複数（図示例では３個）の貫通孔２１ｈは、各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って所定の間隔をおいて形成されている。各貫通孔２１ｈの直径ｄは、ｄ＝（０．０３〜０．０６）×Ｄ１に設定されている。各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って形成されている複数の貫通孔２１ｈは、負圧面ＳＳから、正確には主板２１の上面と負圧面ＳＳとの交線から所定間隔をおいた位置にある。すなわち、負圧面ＳＳ、正確には主板２１の上面と負圧面ＳＳとの交線と、複数の貫通孔２１ｈの中心を通る弧状の曲線との間隔Ｌは、Ｌ＝（０．５〜１．２）ｄに設定されている。各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って形成されている複数の貫通孔２１ｈのうち、最内側の貫通孔２１ｈは、羽根入口２３ｉに接するか、または近接して設けられており、主板２１の中心Ｏを中心とする直径Ｄ２＝（Ｄ１−ｄ）〜（Ｄ１−２．４ｄ）の円上に位置している。最内側の貫通孔２１ｈの中心と中間位置の貫通孔２１ｈの中心との間の距離Ｒおよび中間位置の貫通孔２１ｈの中心と最外側の貫通孔２１ｈの中心との間の距離Ｒは、Ｒ＝（２．５〜３）ｄに設定されている。
【００１９】
次に、図１乃至図３に示すように構成された遠心ポンプの作用を説明する。
モータ等の駆動機によって主軸３および羽根車２が回転駆動されると、液体はベルマウス４を介して羽根車２の吸込口２２ｓに吸い込まれて羽根車２の羽根入口部に流入し、液体は羽根車２の遠心力により複数の羽根２３，２３間の流路を内側から外側に流れ、羽根車２の外周縁より外側に吐出される。羽根車２から吐出された液体は、ケーシング１内の吐出流路１ｄを介して外部へ吐出される。
【００２０】
羽根車２から吐出された液体の一部は、羽根車２の主板２１の背面側を通って主板２１のライナー部２１ｂとライナーリング２５の摺動部間隙から空間２６に漏れ込み、また主軸３と軸受１１の摺動部間隙から空間２６に漏れ込む。空間２６に流入した液体は、羽根車２の主板２１に形成された貫通孔２１ｈを通って羽根車２の吸込側に戻る。この場合、羽根車２から吐出された液体の吐出圧力をＰとすると、空間２６内の圧力は、０．１Ｐ〜０．３Ｐとなる。一例では、空間２６内の圧力は概略０．２Ｐとなる。このように、空間２６内の圧力は、羽根車２の吸込側の液体に比べて高圧であり、すなわち空間２６は羽根車２によって昇圧された高圧の液体を収容する圧力室を構成している。
【００２１】
各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って形成されている複数の貫通孔２１ｈのうち、最内側の貫通孔２１ｈは、羽根入口２３ｉに接するか又は近接して設けられ、最内側の貫通孔２１ｈより半径方向外側の他の貫通孔２１ｈも負圧面ＳＳに接するか又は近接して設けられている。したがって、圧力室２６内の所定圧力を持った高圧の液体は、複数の貫通孔２１ｈを通って各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って噴出する。
【００２２】
上述したように、各羽根２３の羽根入口部の負圧面ＳＳは、最も液体の圧力が低下しやすい箇所の一つであってキャビティ（気泡）が発生しやすい箇所であるが、この羽根入口部の負圧面ＳＳに沿って羽根車２により昇圧された高圧の液体を噴出することにより、羽根入口部の負圧面ＳＳ近傍にある液体の圧力を上昇させることができるため、羽根入口部の負圧面ＳＳにおけるキャビティ（気泡）の発生を抑制または防止することができる。このように羽根入口部の負圧面ＳＳにおいてキャビティの発生を抑えることにより、羽根入口部にはキャビティ成長による空洞部が形成されることがなく、円滑な液体の流れが可能となり、吸込性能を向上させることができる。したがって、低ＮＰＳＨ（Net  Positive  Suction  Head）に適した羽根車の開発および設計に有効な構成である。
【００２３】
図１乃至図３においては、ターボポンプが遠心ポンプの場合を例示したが、本発明は斜流ポンプにも適用することができる。また、羽根車は、側板のないオープン形の羽根車であってもよい。
【００２４】
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とすべきである。
【符号の説明】
【００２５】
１    ケーシング
１ｄ  吐出流路
２    羽根車
３    主軸
４    ベルマウス
１１    軸受
２１    主板
２１ａ  ボス部
２１ｂ  ライナー部
２１ｈ  貫通孔
２２    側板
２２ａ  吸込部
２２ｓ  吸込口
２３    羽根
２３ｉ  羽根入口
２５    ライナーリング
２６    空間（圧力室）
３１    キー
３２    ナット
ＰＳ    圧力面
ＳＳ    負圧面
【図１】
2018044465.tif 000003
【図２】
2018044465.tif 000004
【図３】
2018044465.tif 000005