(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、この回転軸まわりのシールを行う軸封装置と、前記回転軸に固定され、翼角が可変となるように設けられた複数の羽根を備えた羽根車とを有する可動翼ポンプにおいて、
前記軸封装置の羽根車側部分と前記羽根車の背面部分との間に圧力制御用の複数の空間を設け、
前記複数の空間のうち前記軸封装置側の第１空間を、静止体側に設けた第１連通路を介し前記羽根車の吐き出し側流路に連通させるとともに、前記複数の空間のうち前記羽根車側の第２空間を、静止体側に設けた第２連通路を介し前記羽根車の吸い込み側流路に連通させることを特徴とする可動翼ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、羽根の翼角を任意に変えることができる可動翼ポンプに係わり、例えば、排水機場に備えられる排水ポンプや揚水ポンプ等に好適な可動翼ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
可動翼ポンプは、回転軸に固定された羽根車において、例えばポンプ効率の向上等を目的として羽根の翼角を可変な構造としたものである。
【０００３】
このような可動翼ポンプの一例として、例えば、特開平８−６１２９３号公報に記載のように、略鉛直方向に配置した回転軸と、この回転軸の下端部に固定されたハブ及び翼角が可変となるようにハブに設けた複数の羽根を備えた羽根車と、ハブの上方側を覆うように設けたヘッドカバーと、ヘッドカバーと回転軸とのシールを行う軸封装置とを備えたものがある。
【０００４】
この従来技術では、羽根車の羽根は、中空のポンプ駆動軸の内部に配設され軸方向に変位可能なロッドと連結され、ステム軸の回りに回動可能な構造となっており、ロッドを軸方向に変位させることで、複数枚の羽根の翼角の大きさを適宜設定できるようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、以下の課題が存在する。
【０００６】
すなわち、上記従来技術では、羽根車のハブ内に羽根の翼角を可変とするための機構を内蔵しており、羽根車背面（言い換えればハブの回転軸側の面）とヘッドカバーとが近接した構造となる。この場合、羽根車背面とヘッドカバーとの間には、略円盤状あるいは略逆お椀状等の比較的狭い空間が形成されることとなり、羽根車の回転に伴って、この空間内に径方向中央側から外周側に向かって増大する（言い換えれば径方向外周側から径方向中央側に向かって減少する）圧力勾配が発生する。このときの径方向外周側と中央側との圧力差は、羽根車の回転速度や、当該空間の径方向寸法等に応じて決まる。
【０００７】
一方、ポンプの羽根車吐出し側流路の圧力は吸い込み側流路よりもポンプ揚程分だけ高圧となるが、例えば、排水機場に備えられる排水ポンプや揚水ポンプ等、比較的低揚程にて運転されるポンプの場合、羽根車吐き出し側流路における圧力は、大気圧に対してそれほど高くならない場合がある。このとき、上述した羽根車背面とヘッドカバーとの間の空間の外周側は羽根車吐き出し側流路に連通しておりその圧力に等しくなっていることから、ポンプの各部寸法や運転条件によっては、上述の圧力勾配によって、上記空間の径方向内周側の圧力が大気圧よりも低く（負圧）となる可能性がある。この場合、軸封装置の下端側（接液部）は上記空間の径方向内周側に連通しており負圧となることから、軸封装置の上端側から空気が流入して軸封装置の摺動部分（軸封部）が乾き状態（ドライ状態）となり、健全性を維持するのが困難となる可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、低揚程運転時においても、軸封装置の摺動部分の負圧に起因する不具合を確実に防止し、健全性を維持できる可動翼ポンプを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、回転軸と、この回転軸まわりのシールを行う軸封装置と、前記回転軸に固定され、翼角が可変となるように設けられた複数の羽根を備えた羽根車とを有する可動翼ポンプにおいて、前記軸封装置の羽根車側部分と前記羽根車の背面部分との間に圧力制御用の複数の空間を設け、前記複数の空間のうち前記軸封装置側の第１空間を、静止体側に設けた第１連通路を介し前記羽根車の吐き出し側流路に連通させるとともに、前記複数の空間のうち前記羽根車側の第２空間を、静止体側に設けた第２連通路を介し前記羽根車の吸い込み側流路に連通させる。
【００１０】
本発明においては、軸封装置側の第１空間を羽根車の吐き出し側流路に連通させることにより、羽根車の吐き出し側流路からの高圧水を常時第１空間に導入することができる。したがって、低揚程運転であるかどうか、あるいは羽根車背面とヘッドカバーとの間の空間に生じる圧力差の大小に係わらず、軸封装置の第１空間に臨む羽根車側接液部を常時大気に対し正圧に保つことができるので、従来構造のように軸封装置の摺動部分が乾き状態となり健全性が損なわれるのを確実に防止することができる。
【００１１】
またこのとき、単に第１空間に高圧水を導入するだけでは、高圧水の一部が羽根車背面とヘッドカバーとの間の空間に流入しこの空間内を径方向中央側から外周側に向かって流れる結果、羽根車をポンプ吸込側に押し付けるスラスト力を増大させ、ポンプ軸推力の増大を招き、好ましくない。そこで本発明においては、羽根車側に第２空間を設け、この第２空間を羽根車の吸い込み側流路に連通させる。これにより、第１空間からの高圧水をこの第２空間より羽根車の吸い込み側流路へと逃がすとともに、上記空間内に径方向外周側から中央側へ向かう流れを生じさせることができる。したがって、上記のような羽根車をポンプ吸込側に押し付けるスラスト力の増大を防止し、ポンプ軸推力を低減することができる。
【００１２】
以上のように、本発明によれば、軸封装置羽根車側接液部と羽根車背面との間を高圧側の第１空間及び低圧側の第２空間によって圧力的に分離するので、軸封装置の摺動部分の負圧に起因する不具合を防止でき、さらにポンプ軸推力を低減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
図１は、本発明の立軸可動翼渦巻斜流ポンプの一実施形態の全体構造を表す縦断面図であり、図２は図１中Ａ部の部分拡大縦断面図である。
【００１６】
これら図１及び図２において、本実施形態による立軸可動翼渦巻斜流ポンプ１は、この種のものとして公知の駆動機２と、この駆動機２の回転軸であり略鉛直方向に配置した主軸３と、この主軸３の下端部に固定された羽根車４と、この羽根車４の上方側に設けたヘッドカバー５と、このヘッドカバー５と前記主軸３とのシールを行う軸封装置６と、この軸封装置６の下方側接液部分６ａと前記羽根車４の上方側背面部分４ａとの間に設けられ、圧力制御用の第１空間７及び第２空間８とを有する。
【００１７】
羽根車４は、複数の羽根４ｂと、これら羽根４ｂの翼角を可変とする公知の可動翼機構（図示せず）を内蔵したハブ４ｃとで構成され、このとき羽根車４の上方側背面部分４ａは略円盤形状となりヘッドカバー５に接近した位置にある。
【００１８】
ヘッドカバー５の上方側には、主軸３を収納する略円筒状中空のベアリングカバー９が取り付けられ、ヘッドカバー５の下方側には羽根車４を収納するケーシング１０が取り付けられている。このケーシング１０の下部には下方へ向かって若干拡径する略円筒状のサクションパイプ１１が取り付けられている。そして、ボルト１２によりベアリングカバ−９とヘッドカバー５とケーシング１０とが互いに締結固定され、ボルト１３によりケーシング１０とサクションパイプ１１とが互いに締結固定されている。
【００１９】
また主軸３は、ベアリングカバー９の径方向中心側に設けた、例えばスラスト軸受１４、ラジアル軸受１５ａ，１５ｂにより回転自在に設けられている。
【００２０】
サクションパイプ１１の内周側には吸い込み側流路１６が構成され、ケーシング１０内部には吐き出し側流路１７が構成されている。
【００２１】
また、上記した軸封装置６側（図２中上方側）の第１空間７と羽根車４側（図２中下方側）の第２空間８の間にはブッシュ１８ａを、また第２空間８と羽根車背面部分４ａの間にはブッシュ１８ｂを設けており、それぞれ主軸３との隙間に流れの抵抗を生じさせて漏れ量を抑制するようになっている。そして、上方側の第１空間７は注水管１９を介して吐き出し側流路１７に連通させ、下方側の第２空間８は排水管２０を介して吸い込み側流路１６に連通させることによって、第１空間７及び第２空間８を圧力制御する（詳細は後述）ようになっている。
【００２３】
次に、本実施形態の動作を以下に説明する。
【００２４】
上記本発明の立軸可動翼渦巻斜流ポンプ１において、例えば排水機場等で排水に使用される場合には、駆動機２を駆動し、主軸３を回転させる。これにより、羽根車４が回転し、水をポンプ吸込側のサクションパイプ１１より吸い込み、吸い込み側流路１６を経て加圧し、加圧された水は吐き出し側流路１７を経てケーシング１０の吐出口（図示せず）より吐き出される。
【００２５】
このような動作における本実施形態の作用を説明するための第１の比較例による立軸可動翼渦巻斜流ポンプの軸封装置近傍の構造を表す部分拡大縦断面図を図３に示す。この比較例は前述の特開平８−６１２９３号公報にほぼ相当するものである。上記本発明の実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００２６】
この図３において、上記したように羽根車背面部分４ａは略円盤形状となりヘッドカバー５に接近した位置にある。このとき、羽根車４の回転時に生じる羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間の空間における流れは、例えば「遠心形ターボ機械の軸スラストに関する研究」（黒川、豊倉、機械学会論文集４１巻３４６号（昭５０−６）Ｐ１７５３〜１７６２）等に記載のように、一般的に容器内で回転する円板に沿う流れに置き換えて考えることができる。その詳細を図４により説明する。
【００２７】
図４は、略円筒状容器内で回転する円板に沿う流れの実験モデルの構造を表す縦断面図である。この図４において、実験モデル２１は、上面を構成する固定壁２２ａと側面及び底面を構成する円筒壁２２ｂとを備えた略円筒状容器２２と、この略円筒状容器２２内の径方向中心部に取り付けた回転軸である軸２３と、この軸２３に固定した円板２４とから構成されている。
【００２８】
このような構成において、円筒状容器２２内で回転する円板２４に沿う流れは、軸２３の回転角速度ωの１／２の角速度で回転する強制渦として捉えることができ、円板上面２４ａの径方向中心部では、径方向外周部を境界にして強制渦の動圧分の圧力低下を生じる。略円筒状容器２２内の漏れ流れが無く、円板上面２４ａと固定壁２２ａとの間に径方向の貫流が無い（後述にて説明）条件では、円板上面２４ａの流体周速度ｕ（ｕ＝Ｋｒω）は円板２４の周速度の０．３〜０．４倍（すなわち、Ｋ＝０．３〜０．４）となり、下記の式（１）より円板上面２４ａの径方向中心部における圧力低下値ΔＰが求められる。
【００２９】
−ΔＰ＝Ｐ−Ｐ０＝（１／２）Ｃｐρｒ０２ω２        （１）
ΔＰ：円板中心部の圧力低下値、Ｐ：円板中心部の圧力、
Ｐ０：円板外周部の圧力、Ｃｐ：圧力係数、ρ：流体密度、
ｒ０：円板外周部半径、ω：円板の回転角速度
ここで、この実験モデル２１を構成する固定壁２２ａは上記比較例のヘッドカバー５に、軸２３は上記比較例の主軸３に、円板上面２４ａは上記比較例の羽根車背面部分４ａにそれぞれ相当する。このため、図３において、羽根車４の回転時に生じる羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間の空間における流れは、主軸３の回転速度ωの１／２の角速度で回転する強制渦として捉えることができ、羽根車背面部分４ａの径方向中心部では、径方向外周部を境界にして強制渦の動圧分の圧力低下を生じることとなる。このとき、式（１）より求められる羽根車背面部分４ａの径方向中心部における圧力低下値ΔＰは、ポンプの設計条件、構造、仕様、運転条件等により異なるが、大きくなると例えば８ｍＡｑ程度となる場合もある。したがって、比較的低揚程にて運転される、例えば運転点における全揚程が３〜４ｍＡｑ程度の排水ポンプ等においては、羽根車背面部分４ａの径方向外周部が吐き出し側流路１７に連通しておりその圧力は大気圧に対してそれほど高くならないから、前述した圧力低下値ΔＰが大きくなって、羽根車背面部分４ａの径方向中心部は大気圧より低い負圧となる可能性がある。よって、羽根車背面部分４ａの径方向中心部に連通するこの軸封装置接液部分６ａも負圧となることから、軸封装置接液部分６ａの反対側（図中上方）から空気が流入して軸封装置６の摺動部分が乾き状態となり、軸封装置６及び主軸３の健全性が損なわれる事を防止するのが困難となる可能性があるので好ましくない。
【００３０】
次に、第２の比較例として、前記したヘッドカバー５の下端部分に複数のリブ２５を設けた立軸可動翼渦巻斜流ポンプの軸封装置近傍の構造を表す部分拡大縦断面図を図５に示し、図５中Ａ−Ａ断面による横断面図を図６に示す。これら図５及び図６において、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３１】
図５及び図６において、この比較例ではヘッドカバー５の下端部分に複数のリブ２５を設けている。これにより、羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間の空間に生じる前述した強制渦を抑制し、羽根車背面部分４ａの径方向中心部の圧力降下を防止できるようになっている。しかしながら、この場合以下のような別の懸念が生じる。
【００３２】
すなわち、前述の、例えば「遠心形ターボ機械の軸スラストに関する研究」（黒川、豊倉、機械学会論文集４１巻３４６号（昭５０−６）Ｐ１７５３〜１７６２）等に記載のように、先の実験モデル２１にて、回転する円板上面２４ａと固定壁２２ａとの間に径方向中心側へ向かう貫流が重畳すると、円板上面２４ａの径方向中心部の圧力をさらに低下させる効果があり、逆に径方向外周側へ向かう貫流が重畳すると円板上面２４ａの径方向中心部の圧力を上昇させる効果があることが既に知らされている。したがって、本比較例のようにリブ２５を設けると強制渦を抑制するかわりに羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間に径方向外周側へ向かう貫流が生じるため、羽根車背面部分４ａの中心部の圧力を上昇させ、羽根車４を主軸３と反対側に押し付けるスラスト力を増大させる。特に、羽根車４は可動翼機構を内蔵しており通常のポンプのようにバランスホールを設けることが困難であることから、この傾向が顕著となる。
【００３３】
次に、第３の比較例として、軸封装置６の下方側接液部分６ａに注水するようにした立軸可動翼渦巻斜流ポンプの軸封装置近傍の構造を表す部分拡大縦断面図を図７に示す。図７において、上記実施形態と同等の部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３４】
図７において、この比較例では、軸封装置６の下方側接液部分６ａと羽根車４の上方側背面部分４ａとの間に圧力制御用の第１空間７を設け、この第１空間７に外部給水源２６より圧力水を注水し、これにより上記第２の比較例同様に羽根車背面部分４ａの径方向中心部の圧力降下を防止できるようになっている。
【００３５】
しかしながら、この場合、軸封装置接液部６ａを正圧に保つためには十分な量と圧力を持つ外部給水源２６が必要となり、ポンプ周辺機器の大型化を招くので好ましくない。
【００３６】
また、第１空間７に導入する高圧水の一部が羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間の空間に流入し、この空間内を径方向中心側から外周側に向かって流れる。前述の第２の比較例において説明したように、この径方向外周側へ向かう貫流は、羽根車背面部分４ａの径方向中心部の圧力を上昇させる効果を生じる。よって、羽根車４を主軸３と反対側に押し付けるスラスト力を増大させ、ポンプ軸推力の増大を招くので好ましくない。
【００３７】
これに対し、上記本発明の一実施形態においては、まず、軸封装置接液部分６ａ側の第１空間７を吐き出し側流路１７に注水管１９を介し連通させることにより、吐き出し側流路１７からの高圧水を常時第１空間７に導入することができる。したがって、低揚程運転であるかどうか、あるいは羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間の空間に生じる圧力低下の数値の大きさに係わらず、軸封装置６の第１空間７に臨む軸封装置接液部６ａを常時大気圧に対し正圧に保つことができるので、従来構造のように軸封装置６の摺動部分が乾き状態となり健全性が損なわれるのを確実に防止することができる。
【００３８】
上記本発明の一実施形態においては、第１空間７の羽根車４側に第２空間８を設け、この第２空間８を吸い込み側流路１６に排水管２０を介し連通させる。これにより、第１空間７からの高圧水をこの第２空間８より吸い込み側流路１６へと逃がすとともに、羽根車背面部分４ａとヘッドカバー５との間の空間内に径方向中心側へ向かう貫流を生じさせることができる。この径方向中心側へ向かう貫流は、前述のように羽根車背面部分４ａの径方向中心部の圧力を低下させる効果を生じるので、羽根車４を主軸３と反対側に押し付けるスラスト力の増大を防止し、ポンプ軸推力を低減することができる。
【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、軸封装置接液部分６ａと羽根車背面部分４ａとの間を高圧側の第１空間７及び低圧側の第２空間８によって圧力的に分離するので、軸封装置６の摺動部分の負圧に起因する不具合を防止でき、さらにポンプ軸推力を低減することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、低揚程運転時においても、軸封装置の摺動部分の負圧に起因する不具合を確実に防止し、健全性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の立軸可動翼渦巻斜流ポンプの一実施形態の全体構造を表す縦断面図である。
【図２】図１中Ａ部の部分拡大縦断面図である。
【図３】本発明の第１の比較例による立軸可動翼渦巻斜流ポンプの軸封装置近傍の構造を表す部分拡大縦断面図である。
【図４】略円筒状容器内で回転する円板に沿う流れの実験モデルの構造を表す縦断面図である。
【図５】本発明の第２の比較例による立軸可動翼渦巻斜流ポンプの軸封装置近傍の構造を表す部分拡大縦断面図である。
【図６】図５中Ａ−Ａ断面による横断面図である。
【図７】本発明の第３の比較例による立軸可動翼渦巻斜流ポンプの軸封装置近傍の構造を表す部分拡大縦断面図である。
【符号の説明】
１      立軸可動翼渦巻斜流ポンプ
３      主軸（回転軸）
４      羽根車
４ａ    羽根車の背面部分
４ｂ    羽根車の羽根
４ｃ    羽根車のハブ
５      ヘッドカバー
６      軸封装置
６ａ    軸封装置の下方側接液部分（羽根車側部分）
７      第１空間（圧力制御用の空間）
８      第２空間（圧力制御用の空間）
１６    吸い込み側流路（ポンプ低圧部）
１７    吐き出し側流路（ポンプ高圧部）
１９    注水管
２０    排水管
【図１】
0003979061.tif 000002
【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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