(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプ軸に液体の流通方向の上流側から下流側に向かって周方向に傾斜して取付けられた複数の動翼と、この動翼の外周と隙間を介して配置されたシュラウドとを備えてなる軸流ポンプにおいて、前記動翼の回転方向の前側となる動翼前縁の半径方向の断面を上流側に向かって凸形状に形成すると共に、前記動翼の回転方向の後側となる動翼後縁の半径方向の断面を下流側に向かって凸形状に形成したことを特徴とする軸流ポンプ。
【請求項２】
ポンプ軸に上流側から下流側に向かって周方向に傾斜して取付けられた複数の動翼と、この動翼の外周と隙間を介して配置されたシュラウドとを備えてなる軸流ポンプにおいて、前記動翼の回転方向の前側となる動翼前縁の半径方向の断面を上流側に向かって凸形状に形成すると共に、前記動翼の回転方向の後側となる動翼後縁の半径方向の断面を下流側に向かって凸形状に形成し、かつ、前記動翼の周方向の断面を上流側に向かって凸形状に形成したことを特徴とする軸流ポンプ。
【請求項３】
ポンプ軸に上流側から下流側に向かって周方向に傾斜して取付けられた複数の動翼と、この動翼の外周と隙間を介して配置されたシュラウドとを備えてなる軸流ポンプにおいて、前記動翼の回転方向の前側となる動翼前縁の半径方向の断面を上流側に向かって凸形状に形成すると共に、前記動翼の回転方向の後側となる動翼後縁の半径方向の断面を下流側に向かって凸形状に形成し、かつ前記動翼の周方向断面の形状を上流側に向かって凸形状に形成し、前記動翼の半径方向の中間部における周方向断面の凸形状を半径方向の他の部位における周方向の断面の凸形状よりも大きく上流側に向かって突出させたことを特徴とする軸流ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は軸流ポンプに係り、特に、上流側から下流側に向かって周方向に傾斜してポンプ軸に取付けられた複数の動翼を備えた軸流ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の動翼を、上流側から下流側に向かって周方向に傾斜するようにポンプ軸の同一円周上に取付けた軸流ポンプは、例えば特許文献１に記載のように既に提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２４７７８８号公報（図４参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の軸流ポンプを含むポンプ全般における基本性能は、液体を汲み上げる能力、即ち、ポンプ揚程が大きいことである。このポンプ揚程は、動翼の正圧面と負圧面間の圧力差が大きいほど大きな揚程が得られる。要求されるポンプ揚程は、ポンプの使用条件によって仕様として予め決定され、その決定された揚程を維持することがポンプに求められる必須の条件である。
【０００５】
ところで動翼の正圧面と負圧面の差を大きくして大きな揚程を実現することは上述の通りであるが、ポンプは作動流体が液体であるために、キャビテーションの発生が問題となる。キャビテーションは、流体内部の圧力が飽和蒸気圧以下になったときに減圧沸騰して気泡が発生する現象であり、このキャビテーションの発生は動翼が流体に与えるエネルギーの伝達効率を低下させたり、発生した気泡が消滅する際に生じる衝撃で動翼を損傷させたりすることがある。
【０００６】
軸流ポンプの場合には、動翼のチップである動翼先端側における負圧面の前縁近傍で圧力が最も低くなり、そこでキャビテーションが発生し易い。このため、ポンプ内で発生するキャビテーションの領域は可能な限り小さくすることが、ポンプに求められている。
【０００７】
また、動翼のチップ側は、その外周側に位置するシュラウドとの間に微小隙間を介在して対向している。そのため、前記圧力差が大きくなると、前記微小隙間を境として動翼の正圧面側から負圧面側に流体の漏れ流れが発生し、この漏れ流れも動翼の液体に対するエネルギー伝達効率を低下させることになる。このため、動翼のチップ側における漏れ流れを抑制することが求められる。
【０００８】
本発明の目的は、ポンプ揚程を維持しつつ、キャビテーション及び漏れ流れの発生を抑制できる軸流ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために、ポンプ軸に上流側から下流側に向かって周方向に傾斜して取付けられた複数の動翼の、回転方向の前側となる動翼前縁の半径方向断面を上流側に向かって凸形状に形成すると共に、前記動翼の回転方向の後側となる動翼後縁の半径方向断面を下流側に向かって凸形状に形成したのである。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、動翼の回転方向前縁の径方向断面を上流側に向かって凸形状に形成することで、少なくとも動翼の回転方向前縁近傍における動翼先端側の負圧面側の圧力を上昇させることができ、その結果、キャビテーションの発生領域を狭めることができる。また、負圧面側の圧力が上昇した位置における正圧面との圧力差を小さくできるので、その分、動翼の正圧面側から負圧面側への液体の漏れ流れを抑制することができる。
【００１１】
そして、動翼の回転方向後縁の径方向断面を下流側に向かって凸形状に形成することで、動翼の半径方向中間部における周方向断面の上流側へ突出する反りを大きくすることができ、動翼の負荷配分を半径方向中間部に重点化させることができる。その結果、動翼先端側の負圧面の圧力を低下させずに、云い代えれば、キャビテーション及び漏れ流れの発生を抑制しながら、ポンプ揚程を維持することができるのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明による軸流ポンプの一実施の形態を図１〜図４に基づいて説明する。
【００１３】
軸流ポンプ１は、駆動軸２に連結されたポンプ軸３のハブ４の外周に設けた動翼５と、この動翼５の外周である動翼先端５Ｔ側を微小隙間を介して覆うシュラウド６と、このシュラウド６に固定された案内羽根７と、この案内羽根７の内径側を固定し前記ハブ４の外周と同じ周面を有するケーシング８とを備えている。
【００１４】
前記動翼５は、ポンプ軸３のハブ４上の同一周面上に複数取付けられており、夫々が上流側から下流側に向かって周方向に傾斜して形成されている。
【００１５】
上記構成の軸流ポンプ１を駆動することで、動翼５はポンプの入り口側（上流側）から流入する液体Ｑに旋回エネルギーを与え、下流側の案内羽根７でその旋回エネルギーを圧力に変換する。
【００１６】
ここで、駆動軸２やポンプ軸３の長手方向を円筒座標のｚ軸にとり、ポンプの回転方向（駆動軸２やポンプ軸３の周方向）をθ、駆動軸２を中心とした半径方向をｒとし、図２の矢印Ｒで示すように、液体Ｑの流入する方向に動翼５を回転させると、液体Ｑは周方向の前側に位置する動翼前縁５Ｆから周方向の後側に位置する動翼後縁５Ｒに向かって流れる。そして、動翼５の動翼前縁５Ｆ側の半径方向ｒ及びｚ軸方向に延在する平面をＬ、動翼後縁５Ｒ側の半径方向ｒ及びｚ軸方向に延在する平面をＴとし、さらに、駆動軸２からの半径方向ｒの距離が一定となる円筒面を想定し、ハブ４に近い側の円筒面をＡ、動翼先端５Ｔ側に近い円筒面をＣ、これら円筒面Ａ，Ｃの中間の円筒面をＢとすると、本実施の形態における動翼５の平面Ｌにおける断面は、図１に示す断面５ＦＬとなり、平面Ｔにおける断面は、断面５ＲＴとなる。即ち、動翼先端５Ｔ側の断面５ＦＬは、液体Ｑの上流側に向かって凸形状をなし、動翼後縁５Ｒ側の断面５ＲＴは、液体Ｑの下流側に向かって凸形状をなすように形成されている。尚、図２において、各点ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ，ＴＡ，ＴＢ，ＴＣは、平面Ｌ，Ｃと円筒面Ａ、Ｂ，Ｃとが動翼５の負圧面（上流側面）上で交わった位置を示す。
【００１７】
また、各円筒面Ａ、Ｂ，Ｃにおける動翼５の断面は、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す周方向断面５Ａ，５Ｂ，５Ｃとなる。このような各周方向断面５Ａ，５Ｂ，５Ｃにおける液体Ｑの上流側となる負圧面と下流側となる正圧面の圧力は、図６に示すようになる。即ち、周方向断面５Ａにおける圧力は正圧５ＡＨ，負圧５ＡＬとなり、周方向断面５Ｂにおける圧力は正圧５ＢＨ，負圧５ＢＬとなり、周方向断面５Ｃにおける圧力は正圧５ＣＨ，負圧５ＣＬとなる。
【００１８】
ここで、動翼５の外周部である動翼先端５Ｔ側に近い円筒面Ｃにおける周方向断面５Ｃの正圧５ＣＨと負圧５ＣＬの差圧が最も大きくなり、従来においては負圧５ＣＬの最低圧力の領域が飽和蒸気の発生する領域の広範囲に亘っていた。
【００１９】
次に、動翼先端５Ｔ側の断面５ＦＬを、液体Ｑの上流側に向かって凸形状とした作用を説明する。
【００２０】
即ち、動翼５の円筒面Ｃにおける周方向断面５Ｃの負圧５ＣＬの最も低い圧力部分を高くして正圧５ＣＨとの圧力差を小さくすれば、飽和蒸気の発生は抑制されてキャビテーションの発生は少なくなり、動翼先端５Ｔ側とシュラウド６との微小隙間を通しての下流側から上流側への液体Ｑの漏れ流れが抑制できる。
【００２１】
そのため、図１において、動翼５の平面Ｌ内の円筒面Ｃ内の存在するある２つの点Ｐ１，Ｐ２について考察する。点Ｐ１は動翼５の負圧面（上流側面）に近い点で、点Ｐ２は負圧面から上流側に離れた点である。図６に示すように、一般的に、動翼５の負圧面側では圧力が全般的に低下し、しかも、動翼５の表面上が最も低くなるので、表面から離れた点Ｐ２では、点Ｐ１に比べて圧力は高くなる。したがって、点Ｐ１，Ｐ２における圧力ｐ（Ｐ１）及びｐ（Ｐ２）は、
ｐ（Ｐ１）＞ｐ（Ｐ２）
の関係になる。
【００２２】
次に、図１において、動翼５の半径方向ｒの中間部である円筒面Ｂ内において、負圧面（動翼の上流側面）に近い２つの点Ｐ３，Ｐ４について考察する。点Ｐ３は動翼先端５Ｔ側の断面５ＦＬを、２点差線で示す液体Ｑの上流側に向かって凸形状に形成していない動翼の負圧面上の点で、点Ｐ４は凸形状に形成した動翼５における負圧面上の点である。点Ｐ３も点Ｐ４も動翼に同じように接近しているので、それらの点における圧力はほとんど同じである。そのため、点Ｐ３，Ｐ４における圧力ｐ（Ｐ３）及びｐ（Ｐ４）は、
ｐ（Ｐ３）≒ｐ（Ｐ４）
となる。
【００２３】
ここで、動翼５の負圧面近傍において、ポンプ軸３へ向かう点Ｐ１，Ｐ２から点Ｐ３，Ｐ４への圧力勾配ｄｐ（Ｐａ），ｄｐ（Ｐｂ）を考察する。円筒面Ｂと円筒面Ｃとの間の半径方向ｒの距離をｄｒ（Ｂ，Ｃ）とすると、圧力勾配ｄｐ（Ｐａ）及びｄｐ（Ｐｂ）は、夫々
ｄｐ（Ｐａ）＝（ｐ（Ｐ４）−ｐ（Ｐ２））／ｄｒ（Ｂ，Ｃ）
ｄｐ（Ｐｂ）＝（ｐ（Ｐ３）−ｐ（Ｐ１））／ｄｒ（Ｂ，Ｃ）
となり、ｐ（Ｐ１）＞ｐ（Ｐ２）とｐ（Ｐ３）≒ｐ（Ｐ４）の関係を用いれば、
ｄｐ（Ｐａ）＞ｄｐ（Ｐｂ）
となり、動翼先端５Ｔ側の断面５ＦＬを、液体Ｑの上流側に向かって凸形状に形成した本発明の方が、ポンプ軸３側へ向かう圧力勾配ｄｐ（Ｐａ）が大きくなり、この圧力勾配ｄｐ（Ｐａ）によってポンプ軸３側へ向かう流れが発生することが分かる。
【００２４】
ところで、一般に、軸流ポンプの動翼の負圧面近傍の液体Ｑの流れは、ポンプ軸３から遠ざかる方向、即ち、半径方向ｒが大きくなる方向に向かう２次流れＦｒを生じ、この２次流れＦｒによって動翼先端５Ｔ側に液体Ｑの流れが偏り、動翼先端５Ｔ側の翼負荷がより大きくなる傾向にある。しかし、本発明の実施の形態のように、動翼先端５Ｔ側の断面５ＦＬを、液体Ｑの上流側に向かって凸形状に形成することで、ポンプ軸３側へ向かう圧力勾配ｄｐ（Ｐａ）を大きくでき、この圧力勾配ｄｐ（Ｐａ）によって生じるポンプ軸３側へ向かう流れが、２次流れＦｒと相殺して抑制できるので、動翼先端５Ｔ側の負荷を軽減することができる。また、ポンプ軸３側へ向かう流れによって、動翼先端５Ｔ側の負圧面の圧力が上昇するので、図６に示す飽和蒸気圧発生領域に含まれる負圧を少なくできるので、キャビテーションの発生領域を縮小できると共に、動翼先端５Ｔ側における正圧側（下流側）から負圧側（上流側）への漏れ流れを減少させることができるのである。
【００２５】
ところで、動翼先端５Ｔ側の断面５ＦＬを、液体Ｑの上流側に向かって凸形状に形成するだけでは、キャビテーションや漏れ流れは抑制できるが、動翼先端５Ｔ側の負荷も減るので、軸流ポンプ全体としてのポンプ揚程が低下してしまう。したがって、キャビテーションや漏れ流れを抑制すると同時に、ポンプ揚程を維持するために、本発明による実施の形態では、動翼後縁５Ｒ側の平面Ｔに沿う半径方向ｒの断面５ＲＴを、液体Ｑの下流側に向かって凸形状に形成したのである。これを図７に示すと、動翼前縁５Ｆの各点ＬＡ，ＬＢ，ＬＣの位置関係が、上流側に凸形状に形成されている状態
ｚ（ＬＢ）＞（ｚ（ＬＡ）＋ｚ（ＬＣ））／２
に対し、動翼後縁５Ｒの各点ＴＡ，ＴＢ，ＴＣの位置関係が、下流側（上流側）に凸形状（凹形状）に形成されている状態
ｚ（ＴＢ）＜（ｚ（ＴＡ）＋ｚ（ＴＣ））／２
となる。
【００２６】
このように、動翼後縁５Ｒ側の平面Ｔに沿う半径方向ｒの断面５ＲＴを下流側に向かって凸形状に形成することで、動翼５の半径方向ｒの中間部である円筒面Ｂにおける動翼５の周方向断面５Ｂの上流側への反りＸを大きくすることができ、翼負荷を大きくできる。この反りＸは、動翼５の半径方向ｒの他の部位（周方向断面５Ａ，５Ｃ）における上流側へ突出する反りよりも大きく形成されている。しかし、周方向断面５Ｂの上流側への反りＸを大きくしても、円筒面Ｃ内の周方向断面５Ｃの翼負荷は増加せず、動翼先端５Ｔ側の負圧面の最低圧力は変化しないので、前述したキャビテーションや漏れ流れの抑制効果は損なわれない。その結果、動翼前縁５Ｆ側の平面Ｌに沿う半径方向ｒの断面５ＦＴを下流側に向かって凸形状に形成することで損なわれたポンプ揚程の低下を、翼負荷の増加分で補うことができるので、ポンプ揚程を維持したまま、キャビテーションや漏れ流れを抑制できる軸流ポンプを得ることができる。
【００２７】
尚、本実施の形態における動翼５の形状の具体的な表現は、動翼前縁５Ｆにおいて、各点ＬＡ，ＬＢ，ＬＣのｚ座標の位置関係として、
ｚ（ＬＢ）＞（ｚ（ＬＡ）＋ｚ（ＬＣ））／２
が成り立ち、同時に動翼後縁５Ｒにおいて、各点ＴＡ，ＴＢ，ＴＣのｚ座標の位置関係として、
ｚ（ＴＢ）＜（ｚ（ＴＡ）＋ｚ（ＴＣ））／２
が成り立つことで表現できる。尚、不等号の程度は、
ｄｚ（Ｌ）＝ｚ（ＬＢ）−（ｚ（ＬＡ）＋ｚ（ＬＣ））／２
ｄｚ（Ｔ）＝（ｚ（ＬＡ）＋ｚ（ＬＣ））／２−ｚ（ＴＢ）
の値で表現できる。そして、軸流ポンプの種々の形状に対する流体解析の結果、望ましくは、シュラウド６の半径の０．５％以上とすることで、負荷分布の改善効果が顕著に現れることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明による軸流ポンプの動翼前縁と動翼後縁を示す模式図。
【図２】本発明による軸流ポンプの一部の動翼を示す平面図。
【図３】本発明による軸流ポンプを示す一部破断斜視図。
【図４】図３の一部縦断側面図。
【図５ａ】図１の動翼の円筒面Ａに沿う縦断側面図。
【図５ｂ】図１の動翼の円筒面Ｂに沿う縦断側面図。
【図５ｃ】図１の動翼の円筒面Ｃに沿う縦断側面図。
【図６】図５ａ〜図５ｃに示す各断面における動翼の圧力分布図。
【図７】図５ａ〜図５ｃに示す各断面における動翼を重ねて表示した不連続断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１…軸流ポンプ、２…駆動軸、３…ポンプ軸、４…ハブ、５…動翼、５Ｆ…動翼前縁、５Ｒ…動翼後縁、５Ｔ…動翼先端、５ＦＬ，５ＲＴ…断面、６…シュラウド、７…案内羽根、８…ケーシング、Ａ，Ｂ，Ｃ…円筒面、Ｌ，Ｔ…平面、Ｑ…液体。
【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５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７】
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