(57)【要約】【課題】遠心流体機械である遠心ポンプのイニシャルコストを上げずに、遠心ポンプの高効率と高キャビテーション性能を維持し、圧力脈動の低減化および騒音の低減化を実現できる小形低比速度遠心ポンプを提供する。【解決手段】流体を遠心ポンプの吸込口９に吸込み、吐出口１０に吐出する羽根車１と流体を吐出管１３へ接続する渦巻室２からなり、複数枚の羽根５を有する羽根車主板４と羽根車側板６からなる羽根車１は、羽根車１の全周において、羽根圧力面７から羽根負圧面８までの範囲で、かつ、羽根車入口１４から羽根車出口１５まで又は羽根車入口１４と羽根車出口１５までの間の羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６を羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７より狭くした小形低比速度遠心ポンプである。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
遠心羽根車を有する遠心流体機械において、遠心羽根車は、羽根圧力面から羽根負圧面までの羽根間で、かつ、遠心羽根車入口から羽根車出口に向かう間で、羽根圧力面側の軸方向流路幅と羽根負圧面側の軸方向流路幅が相違していることを特徴とする遠心流体機械。
【請求項２】
羽根圧力面側の軸方向流路幅と羽根負圧面側の軸方向流路幅の相違は、羽根圧力面側の軸方向流路幅に比して羽根負圧面側の軸方向流路幅が拡大していることからなることを特徴とする請求項１に記載の遠心流体機械。
【請求項３】
羽根車は外径が２００ｍｍ以下でかつ比速度Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４が２００以下の小形低比速度であることを特徴とする請求項１または２に記載の遠心流体機械。
【請求項４】
羽根車はその最大外径における対面する２枚の羽根間において、羽根圧力面側の軸方向流路幅に対する羽根負圧面側の軸方向流路幅が１より大でかつ４以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心流体機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、遠心流体機械に有する遠心羽根車の構造に関し、特に遠心ポンプの遠心羽根車の構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図１に示す遠心流体機械の遠心羽根車（以下、「羽根車」という。）１では、図２に示すように、羽根車の羽根圧力面７から羽根負圧面８までの羽根間１２、あるいは羽根厚さを無視した場合での、羽根圧力面から羽根負圧面までの羽根間のＺ×θ［θ＝３６０°／Ｚ、Ｚ：羽根枚数］の範囲で、かつ、羽根車入口１４から羽根車出口１５に向かっての各羽根半径において、軸方向流路幅１６が一定である。ところで、角速度ωで回転する羽根車１内を相対速度Ｗで流れる密度ρの流体には、単位体積当たり２ρωＷのコリオリ力が他の力より大きく作用する。一方、小形低比速度の遠心流体機械に対しては、軸方向流路幅１６が狭くなり、２ρωＷのコリオリ力もさらに大きくなると考えられる。このため、図３の（ｂ）に示すように、羽根車主板４の面または羽根車側板６の面の近くの境界層では、流体は羽根５間の羽根圧力面７から羽根負圧面８に向かって流れて、羽根負圧面８付近、特に羽根車側板６の面と羽根負圧面８の角の付近に低エネルギー流体２０が集積し、この低エネルギー流体２０である二次流れが流路通路の大部分を占め、羽根負圧面８付近における主流１９である非低エネルギー流体の有効流路幅が著しく狭くなる。このため、羽根５間で圧力が一様でなくなり、図１において、羽根車出口１５の流れと渦巻室２の舌部３などとのポテンシャル干渉と粘性後流干渉によって、吐出口１０における圧力は、（回転数ｎ）×（羽根枚数ｚ）の基本成分を持つ周期変動ΔＰ（圧力脈動）を繰り返す。
【０００３】
遠心流体機械の低振動化と低騒音化のため、従来、図１に示す、渦巻室２の舌部３と羽根車外径１１との隙間１８を拡大したり、渦巻室２の舌部３の形状を変えるなどの対策が行われてきた。このようにすることで、遠心流体機械の振動および騒音または圧力脈動はある程度低減することができる。しかし、羽根車１と渦巻室２との間における流体損失が多く生じる場合があり、遠心流体機械の性能が下がってしまう傾向もある。
【０００４】
一方、遠心流体機械の羽根車１を遠心ポンプ（以下、「ポンプ」という。）の羽根車１とした場合では、ポンプのキャビテーション性能については、羽根車１の羽根枚数を減らしたり、羽根車入口１４における流速を遅くしたり、羽根５の形状を最適化すること等によって、ポンプのキャビテーション性能を向上できる。しかし、ポンプのキャビテーション性能とポンプの効率との間にトレードオフの関係があり、これらがポンプの高効率維持に悪影響をもたらす問題がある。
【０００５】
【特許文献１】
特願２００２−１１９７６４（平成１４年４月２２日出願）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、遠心流体機械のイニシャルコストアップ無しに、遠心流体機械の高効率またはポンプとした場合の高キャビテーション性能を維持して、羽根車出口流れと渦巻室の舌部とのポテンシャル干渉と粘性後流干渉の低減を図ることによって、圧力脈動の低減化および騒音の低減化を実現できる遠心流体機械を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための本発明の手段は、請求項１の発明では、モータにより駆動されることにより、流体を吸込口９に吸込み、渦巻室２内の羽根車１から遠心力により羽根車１の周辺の渦巻室２の周辺部へ吐出し、吐出された流体を渦巻室２の周辺部から集めて吐出口１０へ一括して吐出するた吐出管１３からなる遠心流体機械であり、この遠心流体機械では羽根車１は最も重要な要素であって、複数枚の羽根５とそれらが結合されている羽根車主板４と羽根車側板６からなり、羽根車１の隣り合う２枚の羽根５並びに羽根車主板４と羽根車側板６で形成される羽根間流路１２は、羽根車入口１４から羽根車出口１５に向かう間に、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６を羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７と相違するものとした遠心流体機械である。この場合、羽根圧力面７から羽根負圧面８までの羽根５間で、かつ、羽根車入口１４から羽根車出口１５に向かう間に、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６と羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が相違してゆくものも上記の遠心流体機械に含まれている。
【０００８】
このようにすることによって、遠心流体機械の運転時に、羽根車１の、羽根間流路１２における流れまたは遠心力とコリオリ力などにより生じた低エネルギー流体２０の二次流れと羽根車出口１５の流れ分布をコントロールすることを可能とする。
【０００９】
請求項２の発明では、隣り合う２枚の羽根５並びに羽根車主板５と羽根車側板６で形成される羽根間流路１２は、羽根車入口１４から羽根車出口１５に向かう間に、羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に比べて拡大していることを特徴とする、または拡大してゆくことを特徴とする遠心流体機械である。
【００１０】
このようにすることで羽根負圧面８付近における主流の有効流路幅が増やされ、羽根車出口１５における流れの周方向分布がある程度均一化されることが考えられ、羽根車出口１５の流れと渦巻室２の舌部３との干渉を低減することで、遠心流体機械の圧力脈動や騒音を低減できる。
【００１１】
一方、羽根車入口１４においても、羽根負圧面８側の羽根車主板４と羽根車側板６の間である軸方向流路幅１７は羽根圧力面７側の羽根車主板４と羽根車側板６の間である軸方向流路幅１６に比べて拡大されており、あるいは、拡大されてゆくものである。このようにすることで、遠心流体機械の羽根車１、例えば遠心ポンプの羽根車１としたときのポンプの高キャビテーション性能を維持することができる。
【００１２】
請求項３の発明では、羽根車１は外径が２００ｍｍ以下でかつ比速度Ｎｓ＝ｎＱ１／２／Ｈ３／４が２００以下の小形低比速度であることを特徴とする請求項１または２の手段の遠心流体機械である。
【００１３】
請求項４の発明では、羽根車１はその最大外径における対面する２枚の羽根５、５間において、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に対する羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が１より大でかつ４以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項の手段の遠心流体機械である。
【００１４】
ところで、一般的に遠心流体機械の性能の面から考慮して、羽根車入口１４における軸方向流路幅は羽根車出口１５における軸方向流路幅と同じとするか又はそれより大きくすることを基本とする。その上で、羽根車入口１４側における羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に対する羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７の比率を異なるものとする場合もある。一方、圧力脈動の低減のみを重視する場合では、羽根車入口１４側において、従来の様に羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に対する羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７を同一とすることもある。
【００１５】
ここで、本発明の作用について説明する。先ず、従来の遠心流体機械の低振動化や低騒音化に当たっては、渦巻室２の舌部３と羽根車外径１１との隙間１８を広げたり、渦巻室２の舌部３の形状を変えることなどによって、遠心流体機械の振動および騒音をある程度まで低減できた。しかし、これらは、羽根車１と渦巻室２との間における流体損失が多く生じる場合があり、遠心流体機械の性能が下がってしまう傾向があり、また遠心流体機械のサイズアップを図らなければならない傾向もある。一方、遠心流体機械として遠心ポンプとした場合のポンプのキャビテーション性能については、羽根車１の羽根５の枚数を減らしたり、羽根車入口１４における流速を遅くさせたり、羽根車入口１４の形状と羽根５のの枚数を減らしたり、羽根車入口１４における流速を遅くさせたり、羽根５の形状を最適化することなどによって、キャビテーション性能が向上できる。しかし、ポンプのキャビテーション性能とポンプの効率との間にはトレードオフの関係があり、ポンプの高効率維持に悪影響をもたらす。これに対して、本発明の流体機械では、請求項１の手段における羽根車１を採用することによって遠心流体機械の高効率、かつ、遠心ポンプとした場合のポンプの高キャビテーション性能を維持することができ、圧力変動が大幅に低減される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は羽根車と渦巻室の断面図である。図２は従来の遠心流体機械の羽根車の構造をその内径側（ａ）と外径側（ｂ）で切断した端面を模式的に直線化して示して説明する断面図と、羽根車の半径分を示す模式図である。図３は、従来の羽根車出口における流体の流れ構造および圧力脈動の説明図て、（ａ）は圧力脈動の模式図で、（ｂ）は羽根車内の流れ構造の模式図である。羽根車の半径分を示す模式図である。図４は本発明の遠心流体機械の一実施の形態の羽根車の構造をその内径側（ａ）と外径側（ｂ）で切断した端面を模式的に直線化して示して説明する断面図と、羽根車の半径分を示す模式図である。図５は本発明の遠心流体機械の他の一実施の形態の羽根車の構造をその内径側（ａ）と外径側（ｂ）で切断した端面を模式的に直線化して示して説明する断面図と、羽根車の半径分を示す模式図である。図６は本発明の遠心流体機械のさらに他の一実施の形態の羽根車の構造をその内径側（ａ）と外径側（ｂ）で切断した端面を模式的に直線化して示して説明する断面図と、羽根車の半径分を示す模式図である。図７は本発明の遠心流体機械のさらに他の一実施の形態の羽根車の構造をその内径側（ａ）と外径側（ｂ）で切断した端面を模式的に直線化して示して説明する断面図と、羽根車の半径分を示す模式図である。図８は従来の羽根車の遠心ポンプと本発明の羽根車の遠心ポンプの性能比較図である。図９は従来の羽根車の遠心ポンプと本発明の羽根車のＮＰＳＨ３（３％揚程低下）の測定比較図である。図１０は従来の羽根車の圧力脈動波形を示す図である。図１１は本発明の羽根車の圧力脈動波形を示す図である。
【００１７】
本発明の一実施の形態における遠心流体機械は遠心ポンプである。図１に示すように、この遠心ポンプは、渦巻室２内に、モータの駆動により汲み上げる液体を、遠心ポンプの吸込口９に吸込み、遠心ポンプの吐出口１０に吐出すための、羽根車１を有し、さらに羽根車１より吐出され液体を集める渦巻室２を有する。この羽根車１は本発明の遠心流体機械において最も重要な要素であって、複数枚の羽根５と羽根５を垂直に結合して挟持している羽根車主板４と羽根車側板６から形成されている。羽根車１の隣り合う２枚の羽根５並びに羽根車主板４と羽根車側板６で形成される羽根間流路１２は、図４に示すように、羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に比べて拡大された状態を保ちつつ、羽根車入口１４から羽根車出口１５まで形成されている。
【００１８】
このようにすることで、羽根車１の羽根負圧面８付近の流れ有効流路を拡大して、羽根車出口１５側における流れを含めた羽根間流路１２の流れがある程度均一化され、羽根車出口１５の流れと渦巻室２の舌部３との干渉を低減することで、遠心流体機械の圧力脈動や騒音を低減できる。一方、羽根車１の羽根車入口１４においては、羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に比べ拡大され、あるいは拡大されてゆき、羽根車入口１４側付近の羽根負圧面８における相対流速も減少されることによって、遠心ポンプの羽根車１としたポンプの高キャビテーション性能を維持できる。
きる。
【００１９】
さらに、図５に示す実施の形態では、その（ａ）に示すように羽根車入口１４側である羽根車１の内径側の部分では、軸方向流路幅１２は羽根圧力面７側が羽根負圧面８側も共に同じ軸方向流路幅を有している。しかし、図５の（ｂ）に示すように羽根車出口１５側である羽根車１の外径側の部分では、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に比して羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が徐々に拡大されている。
【００２０】
さらに、図６に示す実施の形態では、図５における実施の形態と同様に、その（ａ）に示すように、羽根車入口１４側である羽根車１の内径側の部分では、軸方向流路幅１２は羽根圧力面７側が羽根負圧面８側も共に同じ軸方向流路幅である。しかし、図６の（ｂ）に示すように羽根車出口１５側である羽根車１の外径側の部分では、羽根車主板４の板厚は一定のものであるが、羽根車側板６の板厚はその内面側のみにテーパーが形成されることで、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に比して羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が徐々に拡大されている。
【００２１】
さらに、図７に示す実施の形態では、その（ａ）に示すように羽根車入口１４側である羽根車１の内径側の部分では、軸方向流路幅１２は羽根圧力面７側が羽根負圧面８側も共に同じ軸方向流路幅である。しかし、図７の（ｂ）に示すように羽根車出口１５側である羽根車１の外径側の部分では、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６が羽根負圧面８側への一定の長さの間は軸方向流路幅１６が一定の狭い幅をしているが、その途中から羽根負圧面８側になるに連れて羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７が徐々に拡大されて行くものである。
【００２２】
以上のようにことで、本発明の遠心流体機械の実施の形態である遠心ポンプでは、低圧力脈動や低騒音とすることができる。
【００２３】
さらに、他の実施の形態では、羽根圧力面７側の軸方向流路幅１６に対する羽根負圧面８側の軸方向流路幅１７は、１より大で、かつ、４以下とする小形低比速度の遠心ポンプである。
【００２４】
【実施例】
先ず、図４に示す本発明の実施例の遠心ポンプの仕様の諸寸法を例示すると、羽根車１の外径は６２ｍｍ、羽根車入口１４の羽根負圧面８の軸方向流路幅は５．８ｍｍ、羽根車入口１４の羽根圧力面７の軸方向流路幅は３．８ｍｍ、羽根車出口１５の羽根負圧面８の軸方向流路幅は４．５ｍｍ、羽根車出口１５の羽根圧力面７の軸方向流路幅は２．５ｍｍである。
【００２５】
さらに、図５に示す本発明の実施例の遠心ポンプの仕様の諸寸法を例示すると、羽根車１の外径は６２ｍｍ、羽根車入口１４の軸方向流路幅は羽根負圧面８も羽根圧力面７も同じ幅で４．８ｍｍ、羽根車出口１５の羽根負圧面８の軸方向流路幅は４．５ｍｍ、羽根車出口１５の羽根圧力面７の軸方向流路幅は２．５ｍｍである。
【００２６】
なお、比較のために従来の軸方向流路幅が羽根負圧面側も羽根圧力面側も同一である遠心ポンプの諸寸法を示すと、羽根車１の外径は６２ｍｍ、羽根車入口１４の軸方向流路幅は４．８ｍｍ、羽根車出口１５の軸方向流路幅は３．５ｍｍである。上記において、渦巻室２を含めた遠心ポンプの他の諸寸法は全て同一であり、設計流量Ｑｄは３０ｌ／ｍｉｎとしている。
【００２７】
図８に従来の羽根車を装備した遠心ポンプと本発明における上記の図４に示す実施例の羽根車１を装備した遠心ポンプの性能を比較して示す。ただし、本発明の図５に示す実施例の羽根車１を装備した遠心ポンプの性能が図４に示す実施例の羽根車１を装備した遠心ポンプの性能一致しているため、本発明における図４に示す羽根車１を装備した遠心ポンプの性能を従来の羽根車を装備した遠心ポンプと比較している。全流量域において、本発明における羽根車を装備した遠心ポンプ効率は、従来のポンプの効率と変わらないものの、全揚程Ｈが少々高く現れ、遠心羽根車の内部流れと出口流れがコントロールされていることが推測される。
【００２８】
図９に、従来の羽根車を装備した小形低比速度遠心ポンプと本発明における上記の図４の実施例の羽根車１を装備した小形低比速度遠心ポンプの揚程３％低下を対比して示す。従来のポンプに比べ、揚水量Ｑが増加するに連れて本発明の遠心羽根車を有する遠心ポンプのキャビテーション性能が僅かに良くなっている傾向が見られる。
【００２９】
図１０に、従来の羽根車を装備した遠心ポンプの吐出口における圧力変動を示し、図１１に本発明の図４に示す実施例の羽根車を装備した遠心ポンプの吐出口における圧力変動を、それぞれ（ａ）の流量Ｑを０とする場合、（ｂ）の流量Ｑを１／２×設計流量Ｑｄの場合、（ｃ）の流量Ｑを設計流量Ｑｄの場合として示した。これら２図の対比からわかるように、本発明の遠心羽根車を装備した遠心ポンプは、（ａ）の流量Ｑを０とする場合、（ｂ）の流量Ｑを１／２×設計流量Ｑｄの場合、（ｃ）の流量Ｑを設計流量Ｑｄの場合のいずれにおいても圧力変動は小さくなり、ポンプの圧力脈動が大幅に低減されていることがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、従来の遠心流体機械と比べ、本発明は、軸方向流路幅を羽根圧力面側と羽根負圧面側で相違するものとし、特に羽根圧力面側の流路幅に比べ羽根負圧面側の流路幅が拡大する、または、徐々に拡大してゆくことで、遠心流体機械のイニシャルコストを格別にかけることなく、遠心流体機械の高効率化、さらに、遠心ポンプとした場合でのポンプ高キャビテーション性能を維持しながら、遠心流体機械すなわち遠心ポンプの圧力脈動を低減化し、さらに騒音の低減化を図ることができ、本発明は従来にない優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】羽根車と渦巻室の断面図である。
【図２】従来の羽根車の構造を模式的に説明する断面図である。
【図３】本発明の羽根車出口における流れ構造および圧力脈動の説明図である。
【図４】本発明の遠心流体機械の一実施の形態の羽根車の構造を模式的に説明する断面図である。
【図５】本発明の遠心流体機械の他の実施の形態の羽根車の構造を模式的に説明する断面図である。
【図６】本発明の遠心流体機械の他の実施の形態の羽根車の構造を模式的に説明する断面図である。
【図７】本発明の遠心流体機械のさらに他の実施の形態の羽根車の構造を模式的に説明する断面図である。
【図８】従来の羽根車の遠心ポンプと本発明の羽根車を有する遠心ポンプの性能比較図である。
【図９】従来の羽根車と本発明の羽根車のＮＰＳＨ３（３％揚程低下）測定比較図である。
【図１０】従来の羽根車出口における圧力脈動波形図である。
【図１１】本発明の羽根車出口における圧力脈動波形図である。
【符号の説明】
１  羽根車
２  渦巻室
３  舌部
４  羽根車主板
５  羽根
６  羽根車側板
７  羽根圧力面
８  羽根負圧面
９  吸込口
１０  吐出口
１１  羽根車外径
１２  羽根間流路
１３  吐出管
１４  羽根車入口
１５  羽根車出口
１６  流路幅
１７  流路幅
１８  隙間
１９  主流
２０  低エネルギー流体
【図１】
2005009361.tif 000003
【図２】
2005009361.tif 000004
【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】
2005009361.tif 000009
【図８】
2005009361.tif 000010
【図９】
2005009361.tif 000011
【図１０】
2005009361.tif 000012
【図１１】
2005009361.tif 000013