(57)【要約】【課題】簡単な操作で翼全体を１度に引き抜いて形成することができる返し羽根を提供する。【解決手段】返し羽根１０は、羽根車２から出た流体の流れを径方向外側に案内する案内翼８と、径方向外側に向かった流れを径方向内側に戻す戻り翼９とを備えている。案内翼８および戻り翼９は、周方向に沿った翼の断面線と軸方向Ａとのなす角として定義される翼傾斜角度θＡとθＢの正接が軸中心からの半径に比例するように形成されている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車から出た流体の流れを径方向外側に案内する案内翼と、前記径方向外側に向かった流れを径方向内側に戻す戻り翼とを有する返し羽根であって、
前記案内翼と前記戻り翼の少なくとも一方の翼は、周方向に沿った前記翼の断面線と軸方向とのなす角として定義される翼傾斜角度の正接が軸中心からの半径に比例するように形成されていることを特徴とする返し羽根。
【請求項２】
前記案内翼は、所定の平面の両側で異なる翼傾斜角度を有することを特徴とする請求項１に記載の返し羽根。
【請求項３】
前記案内翼と前記戻り翼とを滑らかにつなげたことを特徴とする請求項１または２に記載の返し羽根。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の返し羽根を備えたことを特徴とする多段ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、返し羽根に係り、特に複数の羽根車を有する多段ポンプにおいて案内翼と戻り翼を有する返し羽根に関するものである。また、本発明は、かかる返し羽根を備えた多段ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多段ポンプにおいては、各段の羽根車から出た流体の流れをさらに径方向外側に案内し流れを遅くして速度水頭を揚程に転換する案内翼と、径方向外側に向かった流れを径方向内側に戻して軸心近傍にある羽根車の入口に導入する戻り翼とを有する返し羽根が用いられている。通常、このような返し羽根を砂型鋳造で作る場合は、木型や金型で製品のオス模型が作られ、そこに鋳型砂を入れ固めて模型翼型が引き抜かれる。従来の返し羽根においては、案内翼と戻り翼のいずれも軸方向に沿って垂直に設けられているものが大部分を占めている。このように軸方向に平行に翼を形成すれば、径方向に翼が曲がった形状を有していても、砂型鋳造のときに翼全体を１度で引き抜くことができる。
【０００３】
また、軸方向に平行でない翼を有する返し羽根も一部では作られている。これらの翼は一定の規則に従って設計されるものではなく、設計ルールは存在していない。このような翼を有する返し羽根を砂型鋳造で作る場合には、翼全体を１度に引き抜くことはできないため、それぞれの翼を単体で砂型から引き抜くか、あるいは寄せ中子を用いて形成する必要がある。このように寄せ中子を用いて製作した場合は、精度のバラツキが大きい。
【０００４】
また、最近では、模型を消失させる技術を用いて、引き抜きに関する制約を受けない製造方法もある。この方法によれば、翼全体を１度に引き抜けなくてもよいことになるが、模型を毎回作成し消失させなければならず、コストと手間がかかる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、簡単な操作で翼全体を１度に引き抜いて形成することができ、バラツキをなくして精度を向上させた返し羽根およびかかる返し羽根を有する多段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】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、簡単な操作で翼全体を１度に引き抜いて形成することができる返し羽根が提供される。この返し羽根は、羽根車から出た流体の流れを径方向外側に案内する案内翼と、上記径方向外側に向かった流れを径方向内側に戻す戻り翼とを備えている。上記案内翼と上記戻り翼の少なくとも一方の翼は、周方向に沿った上記翼の断面線と軸方向とのなす角として定義される翼傾斜角度の正接（ｔａｎ）が軸中心からの半径に比例するように形成されている。
【０００７】
上記案内翼は、所定の平面の両側で異なる翼傾斜角度を有していてもよい。また、上記案内翼と上記戻り翼とを滑らかにつなげてもよい。
【０００８】
本発明の第２の態様によれば、上述した返し羽根を備えた多段ポンプが提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、案内翼と戻り翼の少なくとも一方の翼傾斜角度が半径に比例するように形成されているため、返し羽根の鋳型や模型を作るときに、翼全体を一体に形成した模型を軸を中心として回転させながら引き抜くことにより鋳型や模型を作ることができる。このように、本発明によれば、簡単な操作で翼全体を１度に引き抜いて形成することができる。また、案内翼と戻り翼の少なくとも一方の翼傾斜角度が半径に比例するように形成されていて、同じ方向に傾斜を持つように設計されるため、案内翼と戻り翼とを無理なくスムーズにつなぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係る返し羽根の実施形態について図１から図８を参照して詳細に説明する。なお、図１から図８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。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態における多段ポンプを示す断面図である。図１に示すように、この多段ポンプは、回転軸１と、回転軸１に固定された複数の羽根車２と、これらの羽根車２を収容した外胴３とを備えている。回転軸１は、モータ等の駆動源（図示せず）に連結されており、駆動源により羽根車２が回転軸１を中心として回転するようになっている。羽根車２は、キー４により回転軸１に固定されており、隣接する羽根車２の間に配置された位置決めリング５とスペーサリング６により軸方向の位置が位置決めされている。
【００１２】
また、外胴３と羽根車２との間には、羽根車２の回転によって流体に与えられた速度エネルギを圧力に変換するための複数の案内翼８と、次段の羽根車２の吸込口に導入される流体を整流するための複数の戻り翼９が配置されている。仕切板１３と前板１４の間に挟まれた案内翼８は、図２に示すように回転軸１に垂直な面内で外周側に向かって延びており、隣り合う案内翼８の間には案内通路１１が形成されている。この案内翼８は、各段の羽根車２から出た流体の流れを径方向外側に案内し流れを遅くして速度水頭を揚程に転換する役割を有する。
【００１３】
また、戻り翼９は、回転軸１に垂直な面内で図３に示すように延びており、隣り合う戻り翼９の間には戻り通路１２が形成されている。この戻り翼９は、径方向外側に向かった流れを径方向内側に戻して軸心近傍にある次段の羽根車２の入口に導入する役割を有する。上述した案内翼８および戻り翼９は円板状の仕切板１３の表裏に取り付けられており、案内翼８の仕切板１３とは反対側には円環状の前板１４が取り付けられている。
【００１４】
上述した案内翼８、戻り翼９、仕切板１３、および前板１４により本発明に係る返し羽根１０が構成される。
【００１５】
各段の羽根車２の吸込側流体と吐出側流体との間には圧力差が生じるため、羽根車２と外胴３との間の隙間から流体の漏れが生じるが、この流体の漏れを抑えるために、外胴３の最内周縁部と返し羽根１０の仕切板１３の最内周縁部にライナーリング７が設けられている。
【００１６】
羽根車２の吸込口から吸い込まれた流体は、羽根車２の回転によりエネルギが付与され、羽根車２の外周部から高速で飛び出す。この流体は、案内通路１１により径方向外側に案内され、ここで減速されて流体の速度水頭が圧力に転換される。その後、流体は次段の外胴３の内周面と仕切板１３で形成された戻り通路１２に導入され、次段の羽根車２になるべく回転を伴わずに導入するためにここで整流される。
【００１７】
このようにして、羽根車２において流体に速度エネルギを与え、返し羽根１０で流体を昇圧することが羽根車２の段数だけ繰り返される。複数段の羽根車２を通過した流体は、最終的にはポンプの吐出口から排出される。
【００１８】
図４は、図１の部分拡大図である。図４に示すように、返し羽根１０の案内翼８は、内周８１から外周８２に向かうにつれ、軸方向翼高さが徐々に大きくなるように形成されている。すなわち、案内翼８により形成される案内通路１１は、外周側に向かうにつれて徐々に広くなるように設計されている。これにより、羽根車２から出た流体は、案内通路１１で広がりながら減速される。
【００１９】
また、返し羽根１０の戻り翼９は、外周から内周に向かうにつれ、できるだけ旋回を少なくし、軸方向に向かうように設計されている。これにより、案内通路１１から排出された流体は、戻り通路１２で整流されて次段の羽根車２に導入される。
【００２０】
図２は、図４の案内翼８の所定の翼高さにおける断面を示す模式図、図３は、図４の戻り翼９の所定の翼高さにおける断面を示す模式図である。図２および図３においては、それぞれの翼８，９は厚みがないものとして翼厚の中心線で表されている。図２および図３の翼形状は、図４に示す翼高さｈ８１における案内翼８の形状と翼高さｈ９１における戻り翼９の形状とが示されている。本実施形態では、案内翼８における翼高さは前板１４からの高さを基準とし、戻り翼９の翼高さは次段の羽根車２（外胴３）側の端面からの高さを基準として説明するが、翼高さは、回転軸１を中心とした回転面であればどのような面を基準としてもよい。
【００２１】
図２に示すように、翼高さｈ８１における案内翼８の形状８ａは、案内翼８の前板１４への付け根部の形状８ｂを軸心Ｏを中心としてα°だけ回転したものである。また、案内翼８の外周８２は内周８１からγ°だけ位置がずれている。
【００２２】
図５（ａ）は、案内翼８の内周８１を周方向に展開した展開図であり、羽根車２から出た流体はこの位置から返し羽根１０の案内翼８に流入する。図５（ａ）に示すように、案内翼８の内周断面の展開図は直線となっており、この翼断面線と軸方向Ａとのなす角（翼傾斜角度）はθ８１となっている。また、図５（ｂ）は、案内翼８の外周８２を周方向に展開した展開図である。図５（ｂ）に示すように、案内翼８の外周断面の展開図は直線となっており、この断面線と軸方向Ａとのなす角（翼傾斜角度）はθ８２となっている。
【００２３】
ここで、内周８１の半径をｒ８１とし、外周８２の半径をｒ８２とすると、案内翼８は、以下の関係式が成り立つように形成されている。
ｔａｎθ８１／ｒ８１＝ｔａｎθ８２／ｒ８２    ・・・（１）
【００２４】
すなわち、案内翼８の翼傾斜角度の正接はその半径位置に比例するようになっており、案内翼８の任意の位置の半径をｒＡ、その位置における翼傾斜角度をθＡとすると、以下の関係式が成り立つ。
ｔａｎθＡ＝ｋＡ×ｒＡ    ・・・（２）
ここで、ｋＡは比例定数である。
【００２５】
また、図３に示すように、次段の羽根車側の端面における戻り翼９の形状９ｂは、翼高さｈ９１における戻り翼９の形状９ａを軸心Ｏを中心としてβ°だけ回転したものである。また、戻り翼９の内周９１は外周９２からδ°だけ位置がずれている。
【００２６】
図６（ａ）は、戻り翼９の外周９２を周方向に展開した展開図である。図６（ａ）に示すように、戻り翼９の外周断面の展開図は直線となっており、この断面線と軸方向Ａとのなす角（翼傾斜角度）はθ９２となっている。また、図６（ｂ）は、戻り翼９の内周９１を周方向に展開した展開図である。図６（ｂ）に示すように、戻り翼９の内周断面の展開図は直線となっており、この断面線と軸方向Ａとのなす角（翼傾斜角度）はθ９１となっている。
【００２７】
ここで、内周９１の半径をｒ９１とし、内周９２の半径をｒ９２とすると、戻り翼９は、以下の関係式が成り立つように形成されている。
ｔａｎθ９１／ｒ９１＝ｔａｎθ９２／ｒ９２    ・・・（３）
【００２８】
すなわち、戻り翼９の翼傾斜角度の正接はその半径位置に比例するようになっており、戻り翼９の任意の位置の半径をｒＢ、その位置における翼傾斜角度をθＢとすると、以下の関係式が成り立つ。
ｔａｎθＢ＝ｋＢ×ｒＢ    ・・・（４）
ここで、ｋＢは比例定数である。
【００２９】
なお、戻り翼９は仕切板１３に取り付けられるものであるため、戻り翼９の外周の位置は特に決まっておらず、戻り翼９の流体入口は翼高さを徐々に高くしたり、仕切板１３の肉厚を均一にしたりすることができる。また、下流の内周側においては、部材の接触を避けるために翼高さを低くすることがあり、翼高さは場所によって状況に応じて適宜決められる。
【００３０】
また、図４に示すように、戻り翼９の内周側の翼高さを小さくすることはよくあることであるが、上述したように翼傾斜角度の正接は半径に比例しているため、この内周の傾きは小さくなり、高さも小さくなる。このため、戻り翼９の出口（次段の羽根車の入口）付近では、翼傾斜角度が非常に小さくなり、さらに翼の付け根の丸みをも考慮すると、翼が傾斜しているという認識がなくなる程度に傾斜が小さくなる。このように、翼傾斜角度の正接を半径に比例させることと流体を軸方向に導くこととの間には矛盾があまり生じず、戻り翼９の形状が理想的なものとなる。
【００３１】
上述したように、案内翼８および戻り翼９は、その翼傾斜角度の正接が半径に比例するように形成されているため、返し羽根１０の鋳型や模型を作るときに、翼全体を一体に形成した模型を軸を中心として回転させながら引き抜くことにより鋳型や模型を作ることができる。また、案内翼８および戻り翼９の翼傾斜角度の正接が半径に比例するように形成されているため、案内翼８と戻り翼９とを外周部分で一体引抜きに影響のない領域で無理なくスムーズにつなぐことができる。なお、案内翼８および戻り翼９は、それぞれ別個に設計してもよく、いずれか一方の翼傾斜角度の正接のみを半径に比例させてもよい。
【００３２】
なお、案内翼８と戻り翼９の位置関係は重要な設計事項として慎重に決定されるものであるが、本発明においては、翼の傾斜角度の正接をどのように設定するかが問題であり、案内翼８と戻り翼９の位置関係やこれらの翼高さは問題とされない。ただし、各戻り翼９は、それぞれの案内翼８に対して同一の相対的位置関係を保つように配置される、したがって、案内翼８と戻り翼９の数は同数であり、案内翼８と戻り翼９は周方向に等間隔に配置されることが好ましい。
【００３３】
また、戻り翼９を上流側の案内翼８につなげるように形成してもよい。戻り翼９を完全に滑らかに案内翼８につなげるように形成することは難しいが、なるべく滑らかにつなげることが好ましい。また、案内翼８および戻り翼９は、できるだけ流れ損失を少なくすることができれば、途中で切れていてもよい。
【００３４】
木型や金型にかかわらず、型を使い鋳砂を固めて鋳型を作る場合であっても、精密鋳造のようにワックスで消失模型を作る場合であっても、いずれの場合でも、案内翼８は他の部材に囲まれているので中子を作らざるを得ない。したがって、主型で作ることができる戻り翼９とは製造方法が異なる。上述したように、案内翼８と戻り翼９は外周部分で滑らかにつながっていることが好ましく、これらの型が抜ければよい。このような型抜きについては、この外周部分において中子幅木を用いて行うこともできるので、かなり自由に翼の形状を決めることができる。
【００３５】
これまで、案内翼８および戻り翼９に関して、単純化のために肉厚を持たないものとして説明してきたが、上述の説明を肉厚中心に対するものとして読み換えることで肉厚を持つ翼に対しても本発明を適用することができる。
【００３６】
図７（ａ）は、肉厚を有する案内翼８を示す展開図である。実際に肉厚を持つ案内翼８を作る場合には、図７（ａ）に示すように、隅丸み２０を形成する。また、型を鋳型やワックス型から引き抜く場合には、１〜３°の抜け勾配２２などを設けて、型を抜けやすくすることが好ましい。
【００３７】
案内翼８は中子で作るので、案内翼８そのものを引き抜くことになる。上述したように、翼と仕切板１３および前板１４の両側に隅丸み２０を型に設ける場合は、両側に丸みがあると片側からの引き抜きで案内翼８全体を作ることができない。そこで、軸に垂直な型割面Ｐを決めて、型割面Ｐの両側の案内翼８をそれぞれ引き抜くことにより形成する。型割面Ｐは、どこにしてもよいが、図７（ａ）に示す例では、隅丸み２０がなくなる部分に近い位置に設定されている。
【００３８】
この場合には、継ぎ目である型割面Ｐにバリが発生しやすく手入れをしなければならないので、できるだけ外から見やすく、手入れし易い部分、すなわち、隅丸み２０がなくなる部分に近い位置に型割面Ｐを設定している。
【００３９】
図７（ａ）に示す例では、案内翼８の中心線の傾斜角度が型を引き抜く方向になるので、その両側に最低でも１°程度は逃げとしての抜け勾配２２を設けることが好ましい。また、図７（ａ）に示す型割面Ｐよりも上方の案内翼８についても抜け勾配を設けることが好ましい。この抜け勾配は隅丸み２０にかかってもよい。また、隅丸み２０は、鋳物製作上の都合でおのおの寸法が変わってもよい。
【００４０】
図７（ｂ）は、肉厚を有する戻り翼９を示す展開図である。戻り翼９についても、図７（ｂ）に示すように、隅丸み２４を形成する。また、鋳型を型から直接作るためには、案内羽根の様に翼型を型模型として使うが、ワックス模型を作る場合は、ワックスで現型を作るために翼形状を掘り込んだ型が使用される。いずれにしても、型がオス型であってもメス型であっても、図７（ｂ）に示すように、１〜３°の抜け勾配２６を設けることが好ましい。加工しやすさという観点からも抜け勾配２６を設けることが好ましい。また、戻り翼９の先端には仕上代２８が設けられている。
【００４１】
なお、上述した隅丸み２０，２４、抜け勾配２２，２６、仕上代２８は、型を崩さずに一度で翼全体を作ることおよび作業のしやすさを考慮すると、大きい方がよい。
【００４２】
図８は、本発明の第２の実施形態における案内翼１０８を示す展開図である。案内翼の様に中子を使う場合は、型割面Ｐの両側から型を引き抜くことができるので、図８に示すように、型割面Ｐの上方の案内翼１０８ａの翼傾斜角度θＡ１と、型割面Ｐの下方の案内翼１０８ｂの翼傾斜角度θＡ２とを変えることもできる。
【００４３】
このような中折れ型の案内翼１０８を用いた場合には、流体が仕切板１３を超えて戻り通路１２に入るときに、この案内翼１０８の背を超えることとなる。したがって、仕切板１３側の翼傾斜角度θＡ１を大きくすることにより、流体を滑らかに戻り通路１２に導入することができる。このように、中折れ型の案内翼１０８を用いることで、返し羽根１０の性能を向上することができる。
【００４４】
また、仕切板１３側から湯を流し込み、湯口と押湯を仕切板１３側に設けることが、鋳物設計上は得策である。一方、傾斜角度が大きくなると、鋳物では鋭角の部分に欠陥が集まりやすいため、鋭角の部分に形成する隅丸みを大きくせざるを得ないが、隅丸みを大きくするとその部分の肉厚が厚くなる。この肉厚の厚い部分が押湯の下流にあれば、肉厚の厚い部分に湯が回らなくなり引巣が生じてしまう。
【００４５】
したがって、押湯の上流側に位置する（仕切板１３側の）案内翼１０８ａの翼傾斜角度θＡ１を大きくすることにより、押湯効果を向上することができる。一方、押湯の下流側に位置する（前板１４側の）案内翼１０８ｂの翼傾斜角度θＡ２を小さくして直角Ｔ字に近づけることができるので、比較的均等な肉厚に設計しやすくなる。
【００４６】
返し羽根１０の場合、前板１４側に押湯を設けることも現在多くなされているが、これでは押湯量が多くなり過ぎてあまりよくないため、本実施形態では、前板１４側に押湯を設けないで、仕切板１３側にまとめている。この場合には、上述したように、仕切板１３側の翼傾斜角度θＡ１を大きくし、前板１４側の翼傾斜角度θＡ２を小さくすることが好ましい。このような中折れ型の案内翼１０８を用いることで、返し羽根１０の鋳物製造上の改善がなされる。
【００４７】
なお、上側の案内翼１０８ａと下側の案内翼１０８ｂとを型割面Ｐで滑らかにつなげることが難しくなるため、案内翼１０８ａの翼傾斜角度θＡ１と案内翼１０８ｂの翼傾斜角度θＡ２との差を大きくすることはできない。すなわち、翼傾斜角度θＡ１と翼傾斜角度θＡ２との差は、鋳物上に丸みをつけなければならない程大きいものにしてはならない。したがって、型割面Ｐがハグミ線として残る可能性がある。このため、型割面Ｐはできるだけ流線に沿わせるようにし、押し湯側はハグミ分だけわずかに厚く型を作ることが好ましい。
【００４８】
これまで本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。たとえば、本発明を単段ポンプの案内翼に適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の第１の実施形態における多段ポンプを示す断面図である。
【図２】図１の多段ポンプにおける案内翼１枚だけの所定の翼高さにおける断面を示す模式図である。
【図３】図１の多段ポンプにおける戻り翼１枚だけの所定の翼高さにおける断面を示す模式図である。
【図４】図１の部分拡大図である。
【図５】図５（ａ）は図４の案内翼の内周円筒展開図、図５（ｂ）は図４の案内翼の外周円筒展開図である。
【図６】図６（ａ）は図４の戻り翼の外周円筒展開図、図６（ｂ）は図４の戻り翼の内周円筒展開図である。
【図７】図７（ａ）は図４の案内翼を示す展開図、図７（ｂ）は図４の戻り翼を示す展開図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における返し羽根の案内翼を示す展開図である。
【符号の説明】
【００５０】
θ８１，θ８２，θ９１，θ９２，θＡ，θＡ１，θＡ２，θＢ    翼傾斜角度
ｈ８１，ｈ８２，ｈ９１，ｈ９２    翼高さ
１    回転軸
２    羽根車
３    外胴
４    キー
５    位置決めリング
６    スペーサリング
７    ライナーリング
８，１０８    案内翼
８ａ  案内翼の前板側形状
８ｂ  案内翼の仕切板側形状
９    戻り翼
９ａ  戻り翼の付け根側形状
９ｂ  戻り翼の先側形状
１０    返し羽根
１１    案内通路
１２    戻り通路
１３    仕切板
１４    前板
８１    案内翼の内周円筒面
８２    案内翼の外周円筒面
９１    戻り翼の内周円筒面
９２    戻り翼の外周円筒面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008008261.tif 000008
【図７】
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【図８】
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