(57)【要約】【課題】ポンプ性能を低下させる羽根車の吸込口の入口部分でのキャビテーションの発生を抑制する羽根車を提供する。【解決手段】羽根車は、羽根車の半径方向において回転軸１６ａ側に設けられた内縁３６と、回転軸１６ａを基準として、内縁３６に比べて半径方向に遠い側に設けられた外縁３８を有する。さらに、羽根車は、内縁３６と外縁３８との間に設けられた複数の羽根２８を有する。羽根２８−２１の内面４０１と内縁３６との交線４９−２上の第１の点４４と、第１の点４４よりも外縁３８に近い内面４０１上の第２の点Ｘ”との間の領域Ｒ，Ｓにおいて、内面４０１上の表面粗さは、第２の点Ｘ”における表面粗さは、第１の点４４における表面粗さより粗い。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸によって回転する羽根車であって、
前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、
前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、
前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、
前記羽根の前記内縁に向く内面と前記内縁との交線上の第１の点と、前記第１の点よりも前記外縁に近い前記内面上の第２の点との間の領域において、該羽根の前記内面上の表面粗さに関して、前記第２の点における表面粗さは、前記第１の点における表面粗さより粗いことを特徴とする羽根車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体ポンプ用羽根車のキャビテーション発生の緩和または防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を輸送するポンプには、遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプが知られている。図３は、遠心ポンプ１０ａ、斜流ポンプ１０ｂ、軸流ポンプ１０ｃの羽根車１２ａ，１２ｂ，１２ｃにおける子午面の形状と流体の流れ１４ａ，１４ｂ，１４ｃを表した模式図である。流れ１４ａ，１４ｂ，１４ｃは矢印１４ａ，１４ｂ，１４ｃで示されている。図３（ａ）は、遠心ポンプ１０ａ、図３（ｂ）は、斜流ポンプ１０ｂ、図３（ｃ）は、軸流ポンプ１０ｃをそれぞれ示す。
遠心ポンプ１０ａや斜流ポンプ１０ｂでは、回転駆動される羽根車１２ａ，１２ｂによって液体に、軸１６ａ，１６ｂから外周方向に、運動エネルギーと、遠心力による圧力エネルギーが与えられる。羽根車１２ａ，１２ｂの吐出し側で運動エネルギーは、圧力エネルギーに変換される。軸流ポンプ１０ｃは、羽根の揚力作用によって揚液に圧力と速度エネルギーを与える。羽根車１２ｃから、軸１６ｃに平行に出た揚液の速度エネルギーは、案内羽根１８を有するケーシング２０により圧力エネルギーに変換される。
【０００３】
図４は、遠心ポンプ１０ａの羽根車１２ａの模式図である。矢印１４ａは流体の流れる向きをあらわしている。羽根車１２ａは、吸込口２２である開口２２が中央にあるシュラウド面２４と、円板形状のハブ面２６と、シュラウド面２４とハブ面２６との間に挟まれた中心から外周に向かって延びる複数の羽根２８とを有する。羽根車１２ａの吸込部分は開口２２にある。吸込口２２から流入する流体は吸込口２２から、羽根車１２ａの各羽根２８と、シュラウド面２４と、ハブ面２６との間に形成された流路を通りながら、出口２９に抜けていく。
【０００４】
図５は、遠心ポンプ１０ａの羽根部分の横断面の模式図である。図４における羽根車１２ａは、図５に示すように回転軸１６ａと固定され、ポンプのケーシング３０内部に回転自在に配置される。図５のように、遠心ポンプ１０ａには、回転する羽根車１２ａの外周部に、ケーシング３０に固定された案内羽根（ディフューザまたはガイドベーン）３２が備えられているものがある。
案内羽根３２は、羽根車１２ａからの流体の速度を圧力に変換する。ディフューザ３２を通過した液体はケーシング３０内の流路（ボリュート）３４内壁に沿ってケーシング外部に吐出される。
【０００５】
ところで、ポンプを低い吸込圧力で運転したり、定格よりも大きな流量で使用したりすると、キャビテーションが発生することがある。ポンプの吸込側の静圧は、ポンプの羽根車入口付近の羽根面上、すなわち図４における開口２２で最も低くなる。
【０００６】
図６は、遠心ポンプ１０ａの羽根車１２ａのディフューザ３２近傍の横断面（図６（ａ））と縦断面（図６（ｂ））を示したものである。部位Ｋ１〜Ｋ６は羽根車１２ａのキャビテーション発生頻度が高い部位、部位Ｋ’１〜Ｋ’２はディフューザ３２のキャビテーション発生頻度が高い部位である。キャビテーションはこれらのどこに発生しても、性能、振動、寿命に影響があるが、なかでも部位Ｋ２にキャビテーションが発生するとポンプ性能が大きく損なわれる。
図６における羽根車１２ａのキャビテーションは、図７に示すような斜流ポンプ１０ｂの羽根車１２ｂにも同様に発生する。ここで、図７は、斜流ポンプの羽根車の縦断面（図７（ａ））、横断面（図７（ａ））、斜視図（図７（ａ））を示す。
【０００７】
なお、キャビテーションを防止する従来技術としては、特開２００２−１２２０９５号公報に、ポンプケーシングの内部に羽根車を配置した片吸込遠心ポンプにおいて、羽根車の通液路断面が翼の入口から出口まで正方形であるものが開示されている。しかし、この技術は、大流量の場合にキャビテーションを防止する技術は開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−１２２０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本願発明は、遠心ポンプや斜流ポンプの羽根車について、ポンプ性能を低下させる羽根車の吸込口の入口部分でのキャビテーションの発生を抑制する羽根車、及びそれを備えたポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の形態によれば、上記の課題を解決するために、回転軸によって回転する羽根車であって、前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、前記羽根の前記内縁に向く内面と前記内縁との交線上の第１の点と、前記第１の点よりも前記外縁に近い前記内面上の第２の点との間の領域において、該羽根の前記内面上の表面粗さに関して、前記第２の点における表面粗さは、前記第１の点における表面粗さより粗いこととしたものである。ここで羽根車の内縁とは、羽根車の回転軸への取付部であり、羽根車の外縁とは、羽根車の外周部である。
本発明の第２の形態によれば、回転軸によって回転する羽根車であって、前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、前記羽根の前記外縁に向く外面と前記内縁との第１の交線上の点から引かれる該外面の法線が、該羽根の該外面と対面しかつ隣接する前記羽根の前記内縁に向く内面と交わる部分から、該隣接する羽根の前記内面と前記内縁との第２の交線上の点までの該隣接する羽根の前記内面に関して、該隣接する羽根の前記内面は、前記第２の交線上の前記点から前記交わる部分までのうち、前記第２の交線上の前記点の近傍の表面粗さより、前記交わる部分の近傍の表面粗さの方が粗いこととしたものである。
本発明の第３の形態によれば、前記第２の交線上の前記点の近傍の範囲は、前記第２の交線上の前記点と前記交わる部分との間の中央地点から、前記第２の交線上の前記点までの範囲であり、前記交わる部分の近傍の範囲は、前記中央地点から、前記交わる部分までの範囲であることとしたものである。
本発明の第４の形態によれば、前記隣接する羽根の前記内面の表面粗さに関して、前記交わる部分における表面粗さは、前記第２の交線上の前記点における表面粗さより粗いこととしたものである。
本発明の第５の形態によれば、回転軸によって回転する羽根車であって、前記羽根車は、前記羽根車の半径方向において前記回転軸側に設けられた内縁と、前記回転軸を基準として、前記内縁に比べて前記半径方向に遠い側に設けられた外縁と、前記内縁と前記外縁との間に設けられた複数の羽根とを備え、前記羽根の前記外縁に向く外面上の第１の点と、該羽根の該外面と対面しかつ隣接する前記羽根の前記内縁に向く内面上の第２の点とを結ぶ線分のうち、長さが最短である線分を構成する前記第２の点から、該隣接する羽根の前記内面と前記内縁との交線上の点までの該隣接する羽根の前記内面に関して、該隣接す
る羽根の前記内面は、前記交線上の前記点から前記第２の点までのうち、前記交線上の前記点の近傍の表面粗さより、前記第２の点の近傍の表面粗さの方が粗いこととしたものである。
本発明の第６の形態によれば、前記交線上の前記点の近傍の範囲は、前記交線上の前記点と前記第２の点との間の中央地点から、前記交線上の前記点までの範囲であり、前記第２の点の近傍の範囲は、前記中央点から前記第２の点までの範囲である。
本発明の第７の形態によれば、前記隣接する羽根の前記内面の表面粗さに関して、前記第２の点における表面粗さは、前記交線上の前記点における表面粗さより粗い。
【００１１】
本発明の第８の形態によれば、ポンプは、第１の形態から第７の形態までのいずれかに記載の羽根車を備える。
以上のような構造の羽根車又はポンプとすることにより、羽根車入口における表面の違いにより、キャビテーションの発生と発達を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の羽根車の実施例の説明図である。
【図２】本発明の羽根車の流れの説明図である。
【図３】典型的なポンプの子午面における断面図である。
【図４】遠心ポンプの羽根車の説明図である。
【図５】遠心ポンプの横断面図である。
【図６】キャビテーションの発生頻度と発生部位の説明図である。
【図７】斜流ポンプの羽根車の説明図である。
【図８】従来の羽根車の説明図である。
【図９】従来の羽根車の流れの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を添付図面とともに説明する。なお、添付図面において、同一または類似の構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。
【００１４】
本発明を説明する前に、従来技術に係わる羽根車の構造を説明する。図８は、従来技術に係わる羽根車１２ａの横断面を部分的に拡大した図である。この羽根車は、遠心ポンプ１０ａ又は斜流ポンプ１０ｂに適したものである。羽根車１２ａは、回転軸１６ａによって回転する。羽根車１２ａは、羽根車１２ａの半径方向における回転軸１６ａ側に設けられた内縁３６と、回転軸１６ａを基準として、内縁３６に比べて半径方向に遠い側に設けられた外縁３８とを有する。羽根車１２ａは、羽根車１２ａの内縁３６と外縁３８の間に、複数の羽根２８を有する。本図では説明のため便宜的に羽根２８−１と羽根２８−２をとりあげる。また各羽根２８の内縁３６に向く面を内面４０、外縁３８に向く面を外面４２−１，４２−２と呼ぶ。
【００１５】
羽根２８−１と羽根２８−２の間を内縁３６から外縁３８に向けて水等の液体の流体が流れると、羽根２８−２の内面４０−２と、内縁３６との交点４４近傍からキャビテーションが発生する場合がある。ここで発生したキャビテーションは特に低流量時に発達し、羽根２８−２の内面４０−２に沿って外縁３８に向けてキャビテーションの範囲が広がる。
【００１６】
ところで、図８に示した羽根２８−１の外面４２−１と内縁３６の交点Ｘにおける羽根２８−２の内面４０−２に向けた羽根２８−１の外面４２−１の法線Ｘ−Ｘ’を引く。ここで、点Ｘ’は、当該法線と羽根２８−２の内面４０−２との交点である。線分Ｘ−Ｘ’が、羽根２８−１と羽根２８−２との間の流路のうち、一番狭い流路幅であることがわか
る。
別の表現をすると以下のとおりである。羽根２８−１の外縁３８に向く外面４２−１と内縁３６との交線４９上の点Ｘから、外面４２−１の法線Ｘ−Ｘ’を引く。部分Ｘ’は、以下のように規定される部分である。羽根２８−１の外面４２−１と対面し、かつ当該羽根２８−１に隣接する羽根は、羽根２８−２である。法線Ｘ−Ｘ’が、当該隣接する羽根２８−２の内縁３６に向く内面４０−２と交わる部分を部分Ｘ’とする。このように規定された法線Ｘ−Ｘ’において、一番狭い流路幅が形成される。なお、交線４９は図４に示す。
羽根２８−２の内側（内面４０−２）に沿って羽根車１２ａの外縁３８に向かって広がってきたキャビテーションが、内面４０−２の点Ｘ’の近傍に近づくに従い、よりキャビテーションが激しくなり、線分Ｘ−Ｘ’で表される流路全面にキャビテーションが広がってしまう。このような現象に至ると、ポンプ性能が急速に低下し、ポンプの機能を果たせなくなってしまう。
【００１７】
そこで本願における発明では、図１に示すように対策を行ったものである。すなわち、羽根２８−１１の外面４２１と内縁３６との交点Ｘにおける羽根２８−２１の内面４０１に向けた法線Ｘ−Ｘ”と羽根２８−２１の内面４０１との交点をＸ”とする。また、点Ｘ”から、内面４０１と内縁３６との交点４４までの内面４０１について、点Ｘ”から交点４４の方向に所定の距離までの範囲Ｒの表面粗さを、交点４４からの残りの範囲Ｓの表面粗さより粗くしたものである。
なお、点Ｘ及び点Ｘ”は、流路６４の狭い部分を示す点であり、羽根の形状によっては、上記のように規定される法線の位置からずれてもよい。図１の場合は、上記のように規定される法線の位置と、流路６４の狭い部分の位置が一致するものである。従って、領域Ｒ，Ｓの位置は次のように規定することもできる。
第１の点４４よりも外縁３８に近い内面４０１上の点であって、流路６４の幅が狭い点を第２の点Ｘ”とする。交線４９−２上の第１の点４４と、第２の点Ｘ”との間の領域Ｒ，Ｓにおいて、内面４０１上の表面粗さに関して、第２の点Ｘ”における表面粗さは、第１の点４４における表面粗さより粗い。さらに、内面４０１上の表面粗さは、領域Ｒ，Ｓの少なくとも一部（本実施例では、領域Ｒと領域Ｓとの境界）において増加する。そして、領域Ｒ及び領域Ｓ内においては、図１の場合、表面粗さは、同一である。
別の表現をすると、羽根２８−１１の外縁３８に向く外面４２１と内縁３６との第１の交線４９−１上の点Ｘから、外面４２１の法線Ｘ−Ｘ”を引く。法線Ｘ−Ｘ”が、外面４２１と対面しかつ隣接する羽根２８−２１の内面４０１と部分Ｘ”で交わる。部分Ｘ”から、隣接する羽根２８−２１の内面４０１と内縁３６との第２の交線４９−２上の点４４までの内面４０１に関して、次のようになっている。内面４０１は、点４４から交わる部分Ｘ”までのうち、点４４の近傍の表面粗さより、交わる部分Ｘ”の近傍の表面粗さの方が粗い。
さらに、流路６４の狭い部分は、内面４０１と外面４２１との間の距離が短い部分であることに注目すると、点Ｘ及び点Ｘ”は、流路６４の狭い部分を示す点であり、点Ｘ及び点Ｘ”は、以下のように規定することもできる。図１の羽根車の場合は、上記のように規定される法線Ｘ−Ｘ”の位置と、以下に規定する線分Ｘ−Ｘ”の位置が一致するものである。
羽根２８−１１の外縁３８に向く外面４２１上の第１の点Ｙと、外面４２１と対面しかつ隣接する羽根２８−２１の内縁３６に向く内面４０１上の第２の点Ｙ”とを線分Ｙ−Ｙ”で結ぶ。このような線分は無数に存在する。しかし、このような線分Ｙ−Ｙ”のうち、長さが最短である線分Ｘ−Ｘ”を構成する第２の点Ｘ”から、内面４０１と内縁３６との交線４９−２上の点４４までの内面４０１は、次のようになっている。内面４０１は、交線４９−２上の点４４から第２の点Ｘ”までのうち、交線４９−２上の点４４の近傍の表面粗さより、第２の点Ｘ”の近傍の表面粗さの方が粗い。
ここで点Ｘ”から交点４４の方向に所定の距離までの範囲Ｒの表面粗さは、交点４４か
らの残りの範囲Ｓの表面粗さより３倍以上粗い。粗さについては、規則的な粗さでも良いが不規則である方が好ましい。また、点Ｘ”から交点４４の方向に所定の距離の範囲Ｒと、交点４４からの残りの範囲Ｓとで、両者の境界はなだらかに表面粗さが異なるのではなく、明確に境界で表面粗さの違いがあることが好ましい。
表面粗さは、サンドぺーパーなどで表面を研磨することで得られる。この場合、表面粗さは、ＪＩＳ Ｂ００６１の定義による。ＪＩＳ Ｂ００６１には、工業製品の表面粗さを表すパラメーターとして、算術平均粗さ(Ra)、最大高さ(Rz)、十点平均粗さ(Rzjis)等が規定されている。算術平均粗さ(Ra)の場合、範囲Ｒの表面粗さは、例えば、１２．５ｓ以上であり、交点４４からの残りの範囲Ｓの表面粗さは、３．２ｓである。この場合、範囲Ｒの表面粗さは、範囲Ｓの表面粗さより、３倍以上粗い。
大型ポンプの場合、羽根の内面に突起を設けることにより、表面を粗くしてもよい。例えば、羽根車の直径が数メートルである大型ポンプの場合、１個の突起のサイズは、高さ及び直径が１ｍｍであることも可能である。このような突起を範囲Ｒに複数設ける。
また、点Ｘ”から交点４４の方向への範囲Ｒの領域は、点Ｘ”から交点４４までの距離Ｌ１の半分、すなわちＬ１/２とすることができる。範囲Ｒの長さの許容幅としては、距離Ｌ１の±10％である。
なお、図１においては、点Ｘ”から交点４４までの範囲を２等分しているが、点Ｘ”から交点４４までの範囲を３等分、４等分、・・・としてもよい。また、点Ｘ”から交点４４までの範囲を不等分してもよい。さらに、点Ｘ”から交点４４までの範囲において、交点４４から点Ｘ”に向かって、表面粗さが連続的に増加してもよい。
【００１８】
次に、流れの状態について、図１と図８の羽根を比較して説明する。図２は、図１の本発明の一実施例の羽根車における流れの説明図である。図９は、従来の羽根車における流れの説明図である。図２と図９は、それぞれ、交点４４から点Ｘ′又は点Ｘ”に至る範囲における、羽根２８−２，２８−２１の表面４０−２，４０１から離れるにしたがって、流れの状態がどのように移り変わるかを示した模式図である。
図２(ａ)、図２(ｂ)、図２(ｃ)、図２(ｄ)は、それぞれ、交点４４から距離０、Ｌ１／３，２×Ｌ１／３、Ｌ１だけ離れた点５０１，５０２，５０３，５０４における流速を示す。流速の大きさは矢印５０の長さで示す。長い矢印５０ほど流速が速い。図２(ａ)、図２(ｂ)、図２(ｃ)、図２(ｄ)の各図の横軸は流速、縦軸は、羽根２８−２の内面４０１上から測った、内面４０１に垂直な方向の距離である。
図９(ａ)、図９(ｂ)、図９(ｃ)、図９(ｄ)は、それぞれ、交点４４から距離０、Ｌ１／３，２×Ｌ１／３、Ｌ１だけ離れた点５０１，５０２，５０３，５０４における流速を示す。流速の大きさは矢印５０の長さで示す。長い矢印５０ほど流速が速い。図９(ａ)、図９(ｂ)、図９(ｃ)、図９(ｄ)の各図の横軸は流速、縦軸は、羽根２８−２の内面４０−２上から測った、内面４０−２に垂直な方向の距離である。
図９に示すように従来例では、交点４４から侵入した層流状態の流れは、羽根２８−２の内面４０−２に近い所において流速が急速に小さくなる。交点４４から距離Ｌ１/２だけ離れたあたりで、流速の方向が逆転し始め、流れの剥離が生じる、このような逆転領域は羽根２８−２の内面４０−２から離れたところにまで広がり、乱流が広がっていく。キャビテーションは、層流が剥離したり、乱流になる場合に、発生と成長が促進される。
図２に示すように、本実施例では、交点４４から侵入した層流状態の流れが、羽根２８−２１の内面４０１に近い所において流速が急速に小さくなる。ところで、Ｌ１/２あたりから羽根２８−２１の内面４０１の表面粗さが急激に粗くなっているので、表面近傍にだけ、小さな規模の乱流が生成する。乱流の部分は表面近傍だけにとどまり、従来のように流れの剥離が点Ｘ”の位置まで生じない。したがって、キャビテーションの発生と促進が抑制される。
【００１９】
このようにキャビテーションの発生と成長が抑制されるので、ポンプ性能が急速に低下することはなく、ポンプの機能は維持される。
【００２０】
以上のように本願発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。また、上述の実施形態のそれぞれの特徴は互いに矛盾しない限り組み合わせまたは交換することができる。
【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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【図８】
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【図９】
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