(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングに収容された羽根車の回転駆動により同羽根車に吸い込まれる流体を、前記羽根車の回転軸方向から同羽根車に導くように管状に形成されたターボ形ポンプの吸込口部において、同吸込口部の半径方向内側に突出する旋回羽根を、前記吸込口部の内壁部に沿って螺旋状に設けることにより、前記流体を前記羽根車の回転方向に旋回させながら、同羽根車に流れ込ませるように構成したターボ形ポンプの吸込口部構造であり、
前記旋回羽根の突端部までの高さは、前記羽根車に遠い位置から同羽根車に近づくにつれて徐々に高くなっており、
前記吸込口部の軸線方向に対する前記旋回羽根のねじれ角は、前記羽根車に遠い位置から同羽根車に近づくにつれて徐々に大きくなっており、
前記吸込口部の軸線方向に垂直な前記旋回羽根の断面形状は、突端部から前記吸込口部の内壁部に近づくにつれて徐々に幅広となる略三角形状であり、且つ、流体の旋回方向の上流側である裏側が前記吸込口部の内壁部から該吸込口部の軸心に向かって略垂直に立ち上がる面となり、流体の先回方向の下流側である表側が前記吸込口部の径方向に対して傾斜する面となった略三角形状である
ことを特徴とするターボ形ポンプの吸込口部構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は遠心ポンプなどのターボ形ポンプに関し、詳しくはターボ形ポンプの羽根車に流体を導入する吸込口部の構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ケーシング内で回転する羽根車の作用により、水などの流体に圧力エネルギーや速度エネルギーを与え、これらのエネルギーを利用してその流体を低所から高所へ揚水するようにしたターボ形ポンプが広く用いられている。ターボ形ポンプは、羽根車から吐き出される流体の流れ方向の違いによって三つの形式に大別される。その方向がほぼ羽根車の回転軸に垂直な平面内にあるものは遠心ポンプ、回転軸を中心とする円錐面上にあるものは斜流ポンプ、回転軸と同心の円筒面上にあるものは軸流ポンプと呼ばれる。
【０００３】
これらのターボ形ポンプのなかで、代表的な形式である遠心ポンプの一例を図７に示す。遠心ポンプ１１は、主軸１３の端部に固着された羽根車１２が、ケーシング１４の内部に回転自在に収容され、羽根車１２は図示しない原動機によって主軸１３とともに回転する。また、ケーシング１４には、羽根車１２の中心部に対向して開口する管状の吸込口部１５が設けられる。したがって、水などの流体は、この吸込口部１５を通じて主軸１３に沿った方向から導入され、羽根車１２の回転によりその中心部に吸い込まれる。そして、吸い込まれた流体は、回転する羽根車１２の遠心作用によりその外周部から吐き出され、渦巻室２８から吐出口２９へ導かれる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような構成を備える遠心ポンプ１１では、主軸１３に沿った方向から羽根車１２に吸い込まれた流体は、羽根車１２の回転半径方向に吐き出され、その流れ方向が羽根車１２内で略直角に変換される。吸込口部１５までスムーズに流れていた流体は、こうして流体の流れ方向が大きく変えられることと相まって、羽根車１２に流れ込む際には、羽根車１２の回転作用によって一時的に激しい乱流状態となる。このため、その流体抵抗などによって流速や圧力などの損失が発生し、これらの種々の損失が、遠心ポンプ１１の運転効率を低下させる要因となっていた。なお、このような問題点は、羽根車を回転させるようにした他の形式のターボ形ポンプにおいても同様に存在する。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、流体が羽根車へ流入する直前で生じる種々の損失を低減させるべく、その流体に旋回流を発生させる旋回羽根を設けるようにした、ターボ形ポンプの吸込口構造を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、まず、ケーシングに収容された羽根車の回転駆動により同羽根車に吸い込まれる流体を、前記羽根車の回転軸方向から同羽根車に導くように管状に形成されたターボ形ポンプの吸込口部において、同吸込口部の半径方向内側に突出する旋回羽根を、前記吸込口部の内壁部に沿って螺旋状に設けることにより、前記流体を前記羽根車の回転方向に旋回させながら、同羽根車に流れ込ませるように構成するものである。ここで、「ターボ形ポンプ」とは、回転する羽根車の作用により、水などの流体を揚水するための圧力エネルギーや運動エネルギーを与えるポンプ装置をいう。
【０００７】
上記構成によると、羽根車に吸い込まれる流体が吸込口部を流れる際に、その内壁部近傍の流体は、羽根車の回転方向に曲げられた螺旋状の旋回羽根に沿うようにして流れる。このとき、流体には円周方向の流れ成分が与えられ、次第にその円周方向に旋回するようになる。こうした旋回羽根の作用により、吸込口部を流れる流体には、羽根車と同じ回転方向の旋回流が発生する。そして、この旋回流により旋回しながら羽根車の直前に到達した流体は、回転する羽根車に相乗るようにして、その羽根車の内部に流れ込む。これによって、羽根車の直前における激しい乱流状態が解消され、あるいはその程度が緩和されるようになる。
【０００８】
また、本発明では、前記旋回羽根の突端部までの高さが、前記羽根車に遠い位置から同羽根車に近づくにつれて徐々に高くなっている。
【０００９】
上記構成によると、旋回羽根の高さが羽根車に近づくにつれて徐々に高くなり、羽根車直前で最大となるため、吸込口部で発生する旋回流の大きさもまた、羽根車に近づくにつれて徐々に大きくなり、羽根車直前で最大となる。一方、旋回羽根の高さを高くすると、流体の受ける抵抗がそれだけ大きくなり、流速の損失の度合いも大きくなる傾向がある。しかし、旋回羽根を上記のような構成とすることで、流速の損失をできるだけ抑えながら、羽根車により近いところで効果的に旋回流が発生するようになる。
【００１０】
また、本発明では、前記吸込口部の軸線方向に対する前記旋回羽根のねじれ角が、前記羽根車に遠い位置から同羽根車に近づくにつれて徐々に大きくなっている。
【００１１】
上記構成によると、旋回羽根のねじれ角が羽根車に近づくにつれて徐々に大きくなり、羽根車直前で最大となるため、吸込口部で発生する旋回流の大きさもまた、羽根車に近づくにつれて徐々に大きくなり、羽根車直前で最大となる。一方、旋回羽根のねじれ角を大きくすると、その旋回羽根に沿って流れる流体の円周方向の速度成分がより大きくなる反面、吸込口部の軸線方向の速度成分がそれに応じて減ぜられる。しかし、旋回羽根を上記のような構成とすることで、羽根車により近いところで効果的に旋回流が発生するようになる。
【００１２】
また、本発明では、前記吸込口部の軸線方向に垂直な前記旋回羽根の断面形状が、突端部から前記吸込口部の内壁部に近づくにつれて徐々に幅広となる略三角形状であり、且つ、流体の旋回方向の上流側である裏側が前記吸込口部の内壁部から該吸込口部の軸心に向かって略垂直に立ち上がる面となり、流体の先回方向の下流側である表側が前記吸込口部の径方向に対して傾斜する面となった略三角形状である。
【００１３】
上記構成によると、流体の旋回方向の上流側である旋回羽根の表側が羽根車の反回転方向に傾斜した面であることから、旋回羽根は、流体に旋回流を生じさせるとともに、流体を吸込口部の内壁部付近からその軸中心方向に流れるよう案内する。これにより、旋回羽根が直接作用しない吸込口部の軸中心付近においても、旋回流が効果的に発生するようになる。また、一般的に管路を流れる流体の流速はその内壁部で最も小さく、内壁部から離れるにしたがって上昇し、軸中心付近で最大となる傾向にある。しかし、上記のように構成された旋回羽根は、流速の遅い管路の内壁部付近の流体を、より流速の速いその軸中心付近に誘導するため、管路内の流体全体の流れがよりスムーズになる。
また、流体の旋回方向の下流側である旋回羽根の裏側が吸込口部の内壁部から吸込口部の軸心に向かって略垂直に立ち上がる面であることから、旋回羽根の裏側に半ば閉塞した空間が生じることがないため、旋回羽根の裏側に回り込んだ流体がそこで滞り、流体全体のスムーズな流れを阻害するような状態が発生するのを回避することができる。
【００１５】
また、旋回羽根の断面が末広がり状となるように形成することで、旋回羽根自体の強度及びその取り付け強度が十分に確保され、鋳造など比較的容易な方法による一体形成が可能となる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をターボ形ポンプの一形式である遠心ポンプの吸込口部に具体化した一実施形態につき、図面に基づいて説明する。図１は本実施形態における遠心ポンプの主要部を示す正面図であり、図２は同主要部をＸ−Ｘ間で破断して示す側面断面図である。
【００１７】
図１及び図２に示すように、本実施形態の遠心ポンプ１１は、羽根車１２と、これを固定する主軸１３と、これらを収容するケーシング１４と、ケーシング１４内に流体を導入する吸込口部１５とを備える。この遠心ポンプ１１は、横方向に設置される主軸１３の端部に単一の羽根車１２が取り付けられ、かつ、その羽根車１２の側面から流体を導入するようにした管状の吸込口部１５が設けられることから、横軸単段片吸込形遠心ポンプとも呼ばれる。
【００１８】
羽根車１２は、複数枚の湾曲した羽根２１が、主板２２及び側板２３の２枚の円板で挟まれた構造を有する。主板２２はナット２４により主軸１３の一方の端部に固定され、側板２３には羽根車１２内に流体を吸い込ませるための吸込口が開口している。主軸１３は、ケーシング１４の軸封部２６により、横向きに回転自在に軸支され、軸封部２６には、ケーシング１４内から高圧の流体が漏れ出るのを防止するためグランドパッキンが圧入される。ケーシング１４にはさらに、渦巻室２８及び吐出口２９が設けられる。渦巻室２８は、ケーシング１４内の羽根車１２の外側において、上方に向けて開口した吐出口２９に向かって緩やかに断面積の拡大する渦巻状に形成される。
【００１９】
この遠心ポンプ１１では、羽根車１２を主軸１３とともに矢印Ｒの方向に回転駆動すると、水などの流体が吸込口部１５を通じて主軸１３に沿った矢印Ｆの方向から、主板２２及び側板２３に挟まれた羽根車１２の内部に流れ込む。そして、羽根車１２の内部に吸い込まれた流体は、回転する羽根車１２の遠心作用により、羽根車１２の外周部から渦巻室２８に吐き出され、その渦巻き形状に沿って吐出口２９へ導かれる。
【００２０】
続いて、本発明の特徴部分である吸込口部１５の構成について詳細に説明する。図３は吸込口部１５をＸ−Ｘ間で破断して示す部分斜視図であり、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）は吸込口部１５に設けられる旋回羽根１６の１つを、それぞれ矢印Ａ，矢印Ｂ，矢印Ｃの方向から概略的に示す図であり、図５及び図６は吸込口部１５をＹ−Ｙ間で破断して示す部分断面図である。なお、図５は、本発明に直接関係するものではないが、図６に示す断面形状が略三角形状となった本発明に係る旋回羽根１６を理解しやすいように比較のために例示したものである。
【００２１】
図３に示すように、吸込口部１５は、羽根車１２と同軸の略円筒形に形成され、一方の端部においてケーシング１４に取り付けられる。吸込口部１５の内壁部１７には、複数枚（図では６枚）の旋回羽根１６が一定の間隔で設けられる。各旋回羽根１６は、吸込口部１５を矢印Ｆの方向に流れる流体が、羽根車１２の回転方向Ｒに旋回するように、吸込口部１５の内壁部１７に沿って回転方向Ｒに曲げられた螺旋状に設けられる。
【００２２】
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、旋回羽根１６は複雑なねじれ羽根状に形成される。旋回羽根１６は、まず、吸込口部１５の内壁部１７から突端部１８までの高さが、矢印Ｆの方向、すなわち羽根車１２に遠い位置からその羽根車１２に近づくにつれて、徐々に高くなるように形成される。また、旋回羽根１６は、吸込口部１５の軸線方向に対するねじれ角αが、矢印Ｆの方向、すなわち羽根車１２に遠い位置からその羽根車１２に近づくにつれて、徐々に大きくなるようにして設けられる。さらに、旋回羽根１６は、その突端部１８の位置を、吸込口部１５の半径方向から羽根車１２の回転方向Ｒの反対側に、傾斜角βだけ傾斜させ、側面部１９が傾斜した状態となるようにして設けられる。
【００２３】
次いで、上記のように構成される吸込口部１５の作用及び効果について説明する。
【００２４】
羽根車１２の回転駆動により吸い込まれる流体は、吸込口部１５を通じて羽根車１２の入口に導かれる。このとき、内壁部１７近傍を流れる流体の一部が旋回羽根１６の側面部１９に当たり、螺旋状に設けられた旋回羽根１６の側面部１９に沿って流れる。これにより、流体には円周方向Ｒの流れ成分が与えられ、次第にその円周方向Ｒに旋回するようになる。そして、旋回流となって羽根車１２の直前に到達した流体は、回転する羽根車１２に相乗るようにして流れ込んでいく。羽根車１２の内部では、流体の流れ方向が略直角に変換されるが、その際に流速や圧力など種々の損失の発生を伴う。しかし、本実施形態のように、予め流体に旋回流を与えて羽根車１２に流れ込ませるようにすれば、このような損失をある程度低減させることができる。
【００２５】
また、実際に吸込口部１５を流れる流体が、層流状態となっていることはほとんどない。特に、羽根車１２に流れ込む直前では、羽根車１２の回転により一時的に激しい乱流状態となり、この乱流による流体抵抗によって、流速や圧力など種々の損失が発生していると考えられる。しかし、本実施形態では、旋回羽根１６の旋回流を与える作用により、流れに方向性が与えられるため、激しい乱流状態を解消し、あるいはその程度を緩和することができる。
【００２６】
さらに、旋回羽根１６を上述したような構成とすることにより、旋回流を効果的に発生させることができる。すなわち、旋回羽根１６の高さが羽根車１２に近づくにつれて徐々に高くなっており、かつ、旋回羽根１６のねじれ角αが羽根車１２に近づくにつれて徐々に大きくなっているため、旋回羽根１６による流速の損失の影響をできるだけ抑えながら、羽根車１２の直前でその大きさが最大となるようにして旋回流を発生させることができる。
【００２７】
さらに、旋回羽根１６の表側（流体の旋回方向の下流側）の面が傾斜角βだけ傾斜させて設けられることにより、吸込口部１５の内壁部１７付近における流体の流れが、その軸中心方向に向かうようになるため、旋回羽根１６の作用が直接及ばない軸中心付近にも旋回流を発生させることができる。また、流速が遅い内壁部１７付近の流体が、より流速が速い軸中心付近に誘導されるため、吸込口部１５内の流体全体の流れを、よりスムーズにすることができる。
また、旋回羽根１６の裏側（流体の旋回方向の上流側）の面が吸込口部１５の内壁部から吸込口部１５の軸心に向かって略垂直に立ち上がる面となっており、旋回羽根１６の裏側に半ば閉塞した空間が生じることがないため、旋回羽根１６の裏側に回り込んだ流体がそこで滞り、流体全体のスムーズな流れを阻害するような状態が発生するのを回避することができる。
【００２８】
以上のように、本実施形態の遠心ポンプ（ターボ形ポンプ）の吸込口部構造によれば、羽根車に流入する直前の流体に旋回流を発生させることにより、その際に生じる種々の損失を低減させることができ、これによりポンプの揚水効率を向上させることができる。また、羽根車の負荷が軽減されるため、羽根車を駆動させる原動機の駆動力をより少なくすることができる。
【００２９】
なお、本発明のターボ形ポンプの吸込口部構造は、上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に記載された内容を逸脱しない範囲内において変更が可能である。例えば、次に示すような構成とすることもできる。
【００３０】
（１）旋回羽根１６の大きさや形状、あるいはその取り付け枚数や場所といった条件は適宜変更が可能であり、ポンプの形式や揚水能力、吸い込まれる流体の物性（粘度など）などに応じて、最適の流れ（旋回流）が得られるように調整すればよい。
【００３２】
（２）吸込口部はポンプ本体にどのように取り付けられていてもよく、例えば、羽根車などを収容するケーシングに、予め一体形成されていてもよい。また、吸込口部の形状は羽根車と同軸の円筒状であればよく、例えば、吸込口部を構成する配管が、羽根車に近づくにつれて次第にその口径が大きくなる末広がり状に形成されたものであってもよい。
【００３３】
（３）遠心ポンプの形式は、本実施形態で示したものに限定されない。例えば、上記の実施形態では、羽根車１２として羽根２１が主板２２と側板２３とで挟まれたクローズド羽根が用いられているが、側板を持たず羽根が吸込口部側で開放された形状のオープン羽根が用いられるポンプにおいても、同様に適用可能である。また、遠心ポンプは、上記実施形態のような形式の他に、ケーシング内の羽根車の外側に案内羽根と呼ばれる固定した翼を備えるものが知られている。このような形式の遠心ポンプをタービンポンプ（又はディフューザポンプ）といい、案内羽根を持たないタイプを渦巻きポンプ（又はボリュートポンプ）という。しかし、本発明の特徴部分である吸込口部付近の構造に違いはないため、いずれの形式の遠心ポンプにおいても、本発明は適用可能である。
【００３４】
（４）本発明は、ケーシング内で回転する羽根車に、その回転軸に沿った方向から流体を吸い込ませるように構成された吸込口部を備える限りにおいて、あらゆる形式のターボ形ポンプに適用可能である。例えば、回転する羽根車の揚力の作用で揚水する軸流ポンプや、遠心力と揚力の両作用で揚水する斜流ポンプにも同様に適用できる。これらの形式のポンプにおいても、旋回羽根を設けることで、その旋回羽根の作用により旋回流の与えられた流体が、回転する羽根車に相乗るようにして吸い込まれるようになる。したがって、遠心ポンプの場合と同様に、羽根車直前における流体の乱流状態が解消又は緩和され、これによりポンプの運転効率の向上などの効果を奏することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、羽根車に吸い込まれる流体に羽根車と同じ回転方向の旋回流を与えることにより、流体を回転する羽根車に相乗るようにして効率良く流れ込ませることができる。これにより、流体が羽根車に流れ込む直前で生じる種々の損失を低減させることができ、ひいては羽根車の負荷の低減を図ることができる。
【００３６】
また、流速の損失をできるだけ抑えながら、羽根車に近いところで効果的に旋回流を発生させることができる。
【００３７】
また、旋回羽根が直接作用しない吸込口部の軸中心付近においても、旋回流を効果的に発生させることができる。また、内壁部付近を流れる流速の遅い流体を、より流速の速い軸中心付近に誘導することにより、流体の流れをスムーズにして効率良く羽根車に流れ込ませることができる。
【００３８】
また、旋回羽根自体の強度やその取り付け強度を高めることができる。
また、旋回羽根の裏側に回り込んだ流体がそこで滞り、流体全体のスムーズな流れを阻害するような状態が発生するのを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した一実施形態である遠心ポンプの主要部を示す正面図である。
【図２】同遠心ポンプの主要部をＸ−Ｘ間で破断して示す部分断面図である。
【図３】同遠心ポンプの吸込口部をＸ−Ｘ間で破断して示す部分斜視図である。
【図４】同遠心ポンプの吸込口部における旋回羽根の１つを、それぞれ異なる方向から概略的に示す図であって、（ａ）は矢印Ａの方向から示す図であり、（ｂ）は矢印Ｂの方向から示す図であり、（ｃ）は矢印Ｃの方向から示す図である。
【図５】同遠心ポンプの吸込口部をＹ−Ｙ間で破断して示す部分断面図である。
【図６】本発明を具体化した別の実施形態である遠心ポンプの吸込口部を、図５と同様に破断して示す部分断面図である。
【図７】従来の遠心ポンプ（ターボ形ポンプ）の一例を示す側面断面図である。
【符号の説明】
１１  遠心ポンプ（ターボ形ポンプ）
１２  羽根車
１３  主軸
１４  ケーシング
１５  吸込口部
１６  旋回羽根
１７  内壁部
１８  突端部
１９  側面部
Ｒ  羽根車の回転方向
Ｆ  羽根車の回転軸方向
【図１】
0004605881.tif 000002
【図２】
0004605881.tif 000003
【図３】
0004605881.tif 000004
【図４】
0004605881.tif 000005
【図５】
0004605881.tif 000006
【図６】
0004605881.tif 000007
【図７】
0004605881.tif 000008