(57)【要約】【課題】キャビテーション性能を良好に維持し、またポンプの回転数を増大させずに小形化を可能にし、さらに安定な揚程曲線を呈するポンプを提供する。【解決手段】羽根車１と、後置案内羽根２とを備え、羽根車１に対峙するポンプケーシング内面１２１ａに、羽根車入口側とポンプケーシング内面１２１ａの羽根存在域とを結ぶ流体圧力の勾配方向に複数本の溝１２４が配設されたポンプにおいて、羽根車子午面のティップ側直径は、入口側から出口側まで一定とし、羽根車ハブの直径は、入口側から出口側にかけて増大する斜流形とし、後置案内羽根子午面のティップ側の直径は入口側から出口側まで一定とし、置案内羽根ハブの直径は入口側から出口側まで一定もしくは漸減させ、溝１２４の始端は羽根車上流側にあり、その終端は羽根車１の羽根入口先端と羽根出口終端との間にあるようにする。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車と、該羽根車の出口側に位置する後置案内羽根とを備え、前記羽根車に対峙するポンプケーシング内面に、該羽根車入口側と該ポンプケーシング内面の羽根存在域とを結ぶ流体圧力の勾配方向に複数本の溝が配設されたポンプにおいて、
前記羽根車子午面のティップ側直径は、入口側から出口側まで一定とし、
該羽根車ハブの直径は、入口側から出口側にかけて増大する斜流形とし、
前記後置案内羽根子午面のティップ側の直径は入口側から出口側まで一定とし、
該後置案内羽根ハブの直径は入口側から出口側まで一定もしくは漸減させ、
前記溝の始端は前記羽根車上流側にあり、その終端は該羽根車の羽根入口先端と羽根出口終端との間にあるようにすることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
羽根車に対峙するポンプケーシング内面に、該羽根車入口側と該ポンプケーシング内面の羽根存在域とを結ぶ流体圧力の勾配方向に複数本の溝が配設されたポンプにおいて、
前記羽根車子午面流路形状の半径方向高さは、羽根入口側から出口側にかけて減少させ、
該羽根車の羽根ティップ側先端の入口側から出口側に至る子午面形状は、該羽根車の回転軸に平行であり、
前記溝の始端の下流側に羽根車入口が設置され、該溝の終端は羽根入口と羽根出口との間にあるようにすることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
ポンプの比速度は、８００〜１４００（ｍ，ｍ３／ｍｉｎ，ｍｉｎ−１）に設定されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記羽根車の外径は、次の（１）式で定義される羽根車の速度係数Ｋｕ２が０．２８〜０．３２となるように設定されていることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のポンプ。
【数１】
2004076664.tif 000009
ここに、ｕ２は羽根車のティップ側出口の周速度（ｍ／ｓ）、ｇは重力の加速度（ｍ／ｓ２）、Ｈはポンプの全揚程（ｍ）である。
【請求項５】
前記羽根車の羽根前縁部及び後縁部を除き、入口から出口までの羽根肉厚が一定であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のポンプ。
【請求項６】
前記溝と前記羽根車羽根ティップとの軸方向に重なり合う部分の長さは、羽根ティップの回転軸方向長さの１／３以上であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のポンプ。
【請求項７】
前記溝の羽根車ティップ側前縁より上流側の長さは、該羽根車のティップ側の軸方向長さ以上であることを特徴とする請求項１もしくは２に記載のポンプ。
【請求項８】
前記羽根車ハブの子午面形状は、羽根入口直後付近では下に凸の曲線で形成され、羽根出口直前付近では上に凸の形状を呈する曲線で形成され、その間は滑らかに変化する子午面形状で形成されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項９】
前記羽根車出口のハブ径とティップ径との比である出口ハブ比は、０．５５以上であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプに係わり、特に、羽根入口の再循環流による予旋回を抑制することにより揚程曲線の不安定性を防止する一方、ポンプの回転速度を上げることなく大幅な小形化を図るポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、排水ポンプなどに適用されている典型的な立軸斜流ポンプの構造図である。吸込水槽９内の水は、ベルマウス６、シュラウドのないオープン羽根車１の出口側に設けられた後置案内羽根２、吐出ケーシング３、吐出ベンド管４、吐出管８を経て吐出口に導かれる。７はポンプ軸で、このポンプ軸７の下端には前記羽根車１が取り付けられている。また、吐出ベンド管４にはポンプ軸７を支持するための軸受１３が設けられ、さらにポンプケーシング１２１に固定された後置案内羽根２に支持されているハブ２１内にもポンプ軸７を回転支持する水中軸受（図示せず）が設けられている。
【０００３】
羽根車１のシュラウド側の羽根出口角は、一般には１５〜３０度位の角度が適用されている。これは、図２の破線１０Ｂで示されるように揚程曲線（揚程―流量特性曲線）に右上がりの不安定部が発生しないようにするためである。
【０００４】
上記構成のポンプにおいて、ポンプの小形化を図るには回転数を増大させることが有効な方策であるが、それにはポンプのキャビテーション性能を向上させることが必要で、この実現には技術的困難さを伴なうのが普通である。一方、回転数を増加させることなく斜流ポンプの小形化を図るには、大きな羽根出口角を適用することが有効である。すなわち、羽根車１の負荷を大きくして、羽根車１の周速度係数を小さくすることにより可能である。しかし、そうすると揚程曲線に大きな凹みがある不安定部が生じ、通常、全流量域運転が要求されるポンプにおいては、安定な運転ができなくなるという問題がある。これを解決するため、本願出願人は、大きな羽根出口角を持つポンプに対して、ポンプケーシング内面の羽根車入り口付近に、浅い複数本の溝を周方向に配設したポンプを提案し（特願２００１−５３４３０）、小形かつ右下がりの安定な揚程曲線を持つポンプを実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術には次の点に対して必ずしも配慮されているとは言えない。すなわち、斜流羽根車において羽根車外径が縮小されると、子午面を斜流形、すなわち、羽根車入口では軸方向に流入し羽根車出口ではポンプ軸に対して斜めに流出するように流路を形成すると、羽根車入口目玉径が小となる。その結果、羽根車入口流路面積が小となり子午面流速が大となって必要ＮＰＳＨ（有効吸込ヘッド）が増大し、キャビテーション性能が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、ポンプの揚程−流量特性の右上がり特性を除去し、右下がりの安定な揚程曲線を得ることが可能なポンプを提供することにある。
また本発明の他の目的は、子午面流路のティップ側は軸流形とし、羽根車入口流路断面積を最大限に採ることによって羽根車入口での速度を小さくすることができ、良好なキャビテーション性能を保持できるポンプを提供することにある。
【０００７】
さらに本発明の他の目的は、羽根車の周速度係数に小さな値を適用することにより、ポンプの回転数を上げることなく小形化が可能なポンプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明に係るポンプは、羽根車と、該羽根車の出口側に位置する後置案内羽根とを備え、該羽根車に対峙するポンプケーシング内面に、該羽根車入口側と該ポンプケーシング内面の羽根存在域とを結ぶ流体圧力の勾配方向に複数本の溝が配設されたポンプにおいて、前記羽根車子午面のティップ側直径は、入口側から出口側まで一定とし、該羽根車ハブの直径は、入口側から出口側にかけて増大する斜流形とし、前記後置案内羽根子午面のティップ側の直径は入口側から出口側まで一定とし、該後置案内羽根ハブの直径は入口側から出口側まで一定もしくは漸減させ、前記溝の始端は前記羽根車上流側にあり、その終端は該羽根車の羽根入口先端と羽根出口終端との間にあるようにするものである。
【０００９】
また、上記目的を達成するために本発明に係るポンプは、羽根車に対峙するポンプケーシング内面に、該羽根車入口側と該ポンプケーシング内面の羽根存在域とを結ぶ流体圧力の勾配方向に複数本の溝が配設されたポンプにおいて、前記羽根車子午面流路形状の半径方向高さは、羽根入口側から出口側にかけて減少させ、該羽根車の羽根ティップ側先端の入口側から出口側に至る子午面形状は、該羽根車の回転軸に平行であり、前記溝の始端の下流側に羽根車入口が設置され、該溝の終端は羽根入口と羽根出口との間にあるようにするものである。
【００１０】
このように構成することによって、羽根車入口径は従来と同じ大きさに確保できるので羽根車入口子午面速度が増大せず、良好なキャビテーション性能を得ることができる。また、ポンプケーシング内面の溝は、その始端が前記羽根車上流側にあり、その終端は該羽根車の羽根入口先端と羽根出口終端との間にあるので、安定な右下がりの揚程曲線を持つことができる。
【００１１】
より詳しくは、前記羽根車の外径は、（１）式で定義される羽根車の速度係数Ｋｕ２が０．２８〜０．３２となるように設定されている。
【００１２】
【数２】
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【００１３】
ここに、ｕ２は羽根車のティップ側出口の周速度（ｍ／ｓ）、ｇは重力の加速度（ｍ／ｓ２）、Ｈはポンプの全揚程（ｍ）である。
【００１４】
上記のように、羽根車の周速度係数に小さな値を適用することにより、ポンプの回転数を上げることなく小形化が可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である（横向きに図示）。比速度が８００〜１４００（斜流形もしくは軸流に近い斜流形）である羽根車１のポンプ子午面流路のティップ側は、ポンプ入口から羽根車１、後置案内羽根２、ポンプ出口に至るまでポンプ軸７の回転中心７ａからの半径が一定の円筒面である軸流形に形成されている。一方、羽根車１の子午面流路のハブ側は、入口側から出口側にかけて徐々に半径が増大する斜流形に形成されている。後置案内羽根２のハブ２１は、本図に示すような斜流形に形成されている。羽根車入口付近で羽根車１に対峙するポンプケーシング内面１２１ａには、複数本（例えば２０〜３０本）の軸方向の浅い溝１２４が配設されている。溝１２４の深さはポンプケーシング内径の約１％で浅く、幅はポンプケーシング内径の約４〜５％である。羽根車１の最大径は、出口周速度係数Ｋｕ２が、０．２８〜０．３２になるように設定されている。Ｋｕ２は（１）式により定義され、羽根車１の大きさを表す形状の係数である。
【００１６】
【数３】
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【００１７】
ここに、ｕ２は羽根車１の外周速度、ｇは重力の加速度、Ｈはポンプ全揚程である。Ｋｕ２＝０．２８〜０．３２　は、羽根車出口角を３５度以上に設定することにより設計可能である。
【００１８】
図２は、上記のように設計された本実施例のポンプと従来のポンプの揚程曲線で（併せて軸動力曲線も示してある）立軸に全揚程Ｈをとり、横軸に吐出し量Ｑをとったものである。図の曲線は、羽根車１に対峙するポンプケーシング１２１に溝を配設しない従来のポンプケーシングの場合（破線１０Ｂ）と、溝１２４を配設したポンプケーシング１２１（以下、溝付ポンプケーシングと呼ぶ）の場合（実線１０Ａ）とを示している。
【００１９】
図から明らかなように、従来の溝１２４がないポンプケーシングの場合は、低流量域において、揚程曲線に大きな凹みが生じている。しかし、本実施例の溝付ポンプケーシング１２１の場合は、大きな凹みはなくなり、右下がりの安定な揚程曲線を呈している。一方、図１に示されるように、本実施例の羽根車１の目玉径Ｄ１は、従来の小形化されていないポンプ羽根車（従来のポンプと呼ぶ）の目玉径Ｄ１と同じ大きさに設定されている。一般にポンプ羽根車の必要ＮＰＳＨであるＨｓｖは、（２）式で表される。
【００２０】
【数４】
2004076664.tif 000005
【００２１】
ここに、λ１は実験定数で従来は約０．２である。λ２も実験定数で従来は約１．０である。また、ｗ１は羽根車入口の相対速度で、（３）式で表される。
【００２２】
【数５】
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【００２３】
ここに、ｕ１は羽根車目玉の周速度で、ｖ１は羽根車目玉の絶対速度で、それぞれ次の（４）式、（５）式で表される。ここに、Ｄ１は羽根車目玉径（ｍ）、ｎは回転速度（ｍｉｎ−１）、Ｑはポンプの吐出し量（ｍ３／ｍｉｎ　）である。
【００２４】
【数６】
2004076664.tif 000007
【００２５】
【数７】
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【００２６】
本実施例の羽根車目玉径Ｄ１と従来のポンプ羽根車の目玉径Ｄ１とは同じ大きさに設定されているので、すなわち上記（４）式と上記（５）式とにおいて羽根車目玉径Ｄ１は一定であるから、周速度ｕ１は同じとなり、上記（２）式によって必要ＮＰＳＨも同じになる。なお羽根車１の羽根は、前縁部及び後縁部を除いて、入口から出口まで肉厚が一定であるものを使用することが可能であり、従って、製作費も低減することができる。
【００２７】
本実施例によれば、大きな羽根出口角すなわち小さな羽根車出口周速度係数を適用して設計されたポンプでも、溝付ポンプケーシングにより右下がりの安定な揚程曲線を得ることができる。また、キャビテーション性能も従来並みの性能を得ることができ、良好な性能を維持しつつ、ポンプを高速化することなく小形化することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第２の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状で、溝付ポンプケーシングの溝長さについて言及する。
羽根車１と対峙する溝１２４部分の長さＬ２は、羽根車１のティップ側羽根の軸方向長さＬｉｍｐの１／３以上の長さになるように設定されているものである。すなわち、Ｌ２＞Ｌｉｍｐ／３　に設定されている。
【００２９】
その理由は、本質的に揚程曲線が不安定性を呈するポンプに対して揚程曲線を安定化するには、羽根車１から溝１２４を通って上流側に逆流する流れが必要である。その必要な逆流量を確保するのに、羽根車１内で昇圧された個所から流れを取り出して逆流させるためである。１／３以下の長さでも溝内に逆流は生じるが、羽根車上流部で溝１２４から流出した流れが、羽根車１に入らんとする流れの旋回するのを抑制する作用・効果が低下して、安定な揚程曲線が得られないからである。
【００３０】
図４は、本発明の第３の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状で、溝付ポンプケーシング１２１の溝１２４の長さについて言及する。
ポンプケーシング内面１２１ａに配設された溝１２４の羽根車１のティップ側前縁１ａより上流側の長さＬ１は、羽根車１のティップ側の軸方向長さＬｉｍｐ以上になるように設定されている。すなわち、Ｌ１＞Ｌｉｍｐ　に設定されている。
【００３１】
このようにすれば、上記実施例と同様に揚程曲線の安定化が確実になされる。すなわち、溝１２４から放出される旋回のない流れと、羽根車１に入らんとする旋回のある流れとが混ざり合って、羽根車１に入らんとする主流の旋回強さを軽減する。その結果、揚程曲線に不安定な窪みが生ず流量域において羽根車１の理論揚程が上昇し、右下がりの安定な揚程曲線を得ることができる。
【００３２】
図５は、本発明の第４の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
羽根車１の子午面形状においてティップ側１ｂは、ポンプ軸７の中心線７ａに平行な軸流形状であるが、ハブ側の形状は、入口付近は下（回転中心側）に凸な曲線形状１ｃで、出口付近は上に（回転中心から離れる側）に凸な曲線形状１ｄとなっている。曲線１ｃと曲線１ｄとの間は、滑らかに変化する子午面形状で形成されている
このように流路を形成すると、羽根車１の出口からのハブ側の流体の流れは軸方向に向かい、後置案内羽根２の入口付近のハブ側流路形状と滑らかに接続されるため、後置案内羽根２のハブ側における流れの剥離が抑制される。特に、羽根車１の羽根出口角を大きくして羽根の負荷を大きくするポンプでは、後置案内羽根２における負荷ひいては転向角が大となり、流れはハブ側で剥離しやすい傾向にあるので、剥離を抑制するのに本実施例の形状は有効である。
本実施例によれば、後置案内羽根２において流体の流れは剥離することはないので、高い効率を維持することができる。
【００３３】
図６は、本発明の第５の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
羽根車１の出口ハブ径ｄ２ｈとティップ径ｄ２ｔとの比を０．５５以上に設定したものである。これ以下の値にすると、羽根車１のハブ側出口の周速度が小さくなり、高い効率を期待できる自由渦のフローパタンを適用して設計すると、羽根車１の羽根出口角は９０度以上となる。このため、羽根車１の羽根は非常に捻れた形状となり、製作性が悪くなったり、後置案内羽根２のハブ側の負荷が増大して剥離しやすくなり、揚程曲線の安定化が溝付ポンプケーシングのみでは達成できなくなり、もしくは境界層の発達により効率が悪化する可能性が大となる。
【００３４】
本実施例によれば、羽根車１の羽根の製作性がよく、また、揚程曲線の安定化が溝付ポンプケーシングのみで達成できる。
【００３５】
【発明の効果】
以上の詳細な説明から明らかなように、本発明によれば、低流量域において自身が昇圧した流体の一部がポンプケーシングに形成された流路を逆流し、再循環流の発生場所に噴出する。すなわち、圧力勾配方向の溝から噴出した旋回のない流れが、再循環流を形成する羽根車からの逆流の旋回成分を抑制し、もって、羽根車へ流入する流体中に予旋回が生ぜず、羽根入口における、再循環流による旋回の発生および羽根旋回失速の発生を抑制する。この結果、ポンプの揚程−流量特性の右上がり特性を除去し、右下がりの安定な揚程曲線が得られる。
【００３６】
また、羽根車入口径は案内羽根の最大径と同じ径となるように設定され、子午面流路のティップ側は軸流形としているので、羽根車入口の流路断面積を最大限に採ることが可能となって羽根車入口での速度を小さくすることができ、良好なキャビテーション性能を保持することができる。
さらに、羽根車の周速度係数に小さな値を適用することによってポンプの回転数を上げることなくポンプを小形化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
【図２】本発明の効果を従来のポンプと対比して説明するポンプの揚程曲線である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
【図５】本発明の第４の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
【図６】本発明の第５の実施例に係る斜流ポンプの子午面断面形状である。
【図７】従来の排水ポンプなどに適用されている典型的な立軸斜流ポンプの構造図である。
【符号の説明】
１…羽根車
２…後置案内羽根
３…吐出ケーシング
４…吐出ベンド管
６…ベルマウス
７…ポンプ軸
８…吐出管
１３…軸受
２１…ハブ
１２１…ポンプケーシング
１２１ａ…ポンプケーシングの内面
１２４…圧力勾配方向の溝
【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】
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【図７】
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