(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水を輸送するための遠心型または半軸流型のポンプ羽根車において、羽根車が一つまたはいくつかの羽根（２）を備え、羽根（２）の前縁（３）が前縁（３）の連結部（４）から前縁（３）の周囲（５）に向かってハブ（１）後方に曲線を描いて延在し、ハブ連結部（４）と周囲（５）との間の前縁（３）の点における前縁（３）に対する垂線（６）と、前記点に投影されたポンプで輸送される媒体の相対速度
【外１】
0004143184.tif 000024
との間で画成されたスイープ角度（α）が、ハブ（１）と前縁（３）との連結部（４）における下限４０度と上限６０度との間に限定される値を有し、前縁（３）の周囲（５）で下限５５度と上限７５度との間に限定される値を有すると共にハブ連結部から周囲に向かって連続的に増大することを特徴とするポンプ羽根車。
【請求項２】
スイープ角度（α）が、ハブ（１）に対する前縁の連結部（４）で４５−５５度内の値、及び前縁（３）の周囲で６２−７２度内の値を有することを特徴とする請求項１に記載のポンプ羽根車。
【請求項３】
ハブ（１）に対する連結部（４）と前縁の周囲との間の羽根（２）の前縁（３）が羽根車の軸（Ｚ）に垂直な平面内に配置され、ポンプで輸送される媒体の絶対速度が軸線方向であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ羽根車。
【請求項４】
ハブ（１）に対する前縁（３）の連結部（４）が前記ハブ（１）の端部（８）と隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ羽根車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はポンプの羽根車に関しかつさらに正確に述べると流体、主として、下水を輸送するための遠心ポンプまたは半軸流ポンプ用のポンプ羽根車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
文献には、この目的のための多数の型式のポンプおよびポンプ羽根車が記載されている。しかしながら、これらのポンプおよびポンプ羽根車には、ある不利点がある。とりわけ、この不利点は、詰まり（ｃｌｏｇｇｉｎｇ）および低い効率等の問題に関する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
下水は多数の異なる型式の汚染物を含んでおり、汚染物の量および構造は、汚染物から水が放出される季節および領域の型式により左右される。都市においては、プラスチック材料、衛生物品、織物等が共通であるのに対して、産業領域は摩滅粒子を発生することがある。経験によれば、最悪の問題が羽根の前縁に粘着しかつ羽根車のハブのまわりにからみつくぼろ布および同様な物質であることが判明している。このような事件は、しばしば、修理のための時間間隔を必要とし、かつ作業効率が低下する。
【０００４】
農業およびパルプ産業においては、異なる種類の特殊ポンプが使用され、これらの特殊ポンプは、麦わら、草、葉およびその他の有機材料を処理すべきである。この目的のために、汚染物が前縁に粘着するかわりに、汚染物を周囲に向かって外方に送るために、羽根の前縁が後方に曲線を描いて延在している。異なる種類の崩壊装置が材料を切断しかつ流れをさらに容易にするために、しばしば、使用されている。例はスウェーデン特許第４３５９５２号、スウェーデン特許第３７５８３１号および米国特許第４３４７０３５号の各明細書に示されている。
【０００５】
下水内の汚染物は制御することがさらに困難であるその他の型式でありかつ下水ポンプの操作回数が通常はるかに長いので、前述した特殊ポンプは、下水をポンプで輸送するときに、信頼性の観点および効率の観点から要求条件を満たしていない。
【０００６】
下水ポンプは、かなりしばしば１日当たり１２時間まで操作されるが、これはエネルギの消費がポンプの全効率に大いに左右されることを意味している。
【０００７】
テストにより、既知の下水ポンプと比較して、本発明による下水ポンプにより効率を５０％まで改良することができることが証明されている。電動ポンプに対するライフサイクルコストが通常全体としてエネルギコスト（８０％）のかなりの部分を占めているので、このような劇的な増大が極めて重要であることは明らかである。
【０００８】
文献には、ポンプ羽根車の設計が特に前縁のスイープ（運動曲線）（ｓｗｅｅｐ）について非常に一般的に記載されている。前記スイープの明白な定義はない。
【０００９】
テストにより、前縁のスイープ角分布の設計がポンプ羽根車の必要な自浄能力（ｓｅｌｆ  ｃｌｅａｎｉｎｇ  ａｂｉｌｉｔｙ）を得るために非常に重要であることが判明した。汚染物の性質もまた、良好な機能を提供するために、異なるスイープ角を必要とする。
【００１０】
文献には、羽根の前縁に沿って半径方向に外方に汚染物の滑り輸送を行うために必要な事項に関するいかなる情報も記載されていない。記述されている事項は、一般に、前縁が鈍角をなして後方に曲線を描いて延在すること等である。スウェーデン特許第４３５９５２号参照。
【００１１】
より小さい汚染物、例えば、草およびその他の有機材料がポンプで輸送されるときには、半径方向の輸送を可能にしかつポンプ羽根車と周囲のハウジングとの間のスロット内の汚染物を崩壊するために比較的に小さい角度で十分であるかもしれない。実際の問題として、羽根車が１０〜２５ｍ／ｓの周速度で回転するときに、粒子が羽根車とハウジングとの接触により切断されることにより崩壊が得られる。この切断工程は、切断装置、すなわち、スロットまたは同様な部材を備えている表面により改良される。スウェーデン特許第４３５９５２号と比較されたい。このようなポンプは、パルプ、有機質肥料等の輸送のために使用される。
【００１２】
自浄作用を得るために、後方に曲線を描いて延在する羽根の前縁を有するポンプ羽根車を設計するときに、スイープ角の分布と性能およびその他のパラメータとの間に抵触が起きる。増大したスイープ角により詰まりが起きるおそれがより少なくなることを意味するが、同時に効率が低下することは一般に真実である。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、汚染物、例えば、ボロ布、繊維等を含む下水の確実なかつ経済的なポンプ輸送を行うために異なる機能および品質を得るように羽根の前縁を最適な方法で設計することを可能にするものである。
【００１４】
本発明は、原則的に、請求項に記載した三つの構成部分を含む。
【００１５】
図５に示した第１構成部分は、良好な機能および効率を可能にするスイープ角の分布の帯域（ｂａｎｄ）を定量化する。その範囲は、サイズ、周速度および材料の摩擦と関連している。この範囲、この場合には正規半径と呼ばれている事項を記載するために使用される独立変数は次のように定義される。
【００１６】
［数１］
正規半径＝（ｒ−ｒ１）／（ｒ２−ｒ１）        等式１
式中、ｒ１は中心からハブとの連結部までの半径であり（図２及び図３を参照）、ｒ２は中心から前縁の周囲までの外側の半径であり（図２及び図３を参照）、かつ羽根車の軸の中央部に原点（ｏｒｉｇｏ）を有するシリンダ座標系による半径が実際の点と羽根車の軸の延長部上の点との間に最短距離を画成している。
【００１７】
本発明のこの部分における基本は、前縁のスイープ角がハブとの連結部における最小値の４０度から周囲における最小値の５５度までかなり外方に増大することにある。上限の６０〜７５度は、より広い線を画成し、その上方の効率ならびに信頼性は、負の方向に影響をうける。
【００１８】
本発明の第２部分は、特殊の実施例に関する。この特殊の実施例は、スイープ角が操作上の点、すなわち、異なる速度三角形
【外３】
0004143184.tif 000002
と対応する異なる流量および水頭と殆ど無関係であるという点で非常に有利である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
スイープ角の定義は、同封した図面を参照して以下に説明する。
図１は、本発明によるポンプ羽根車の三次元図を示す。図２は、本発明による略図で描いたポンプの半径方向切断図（ｒａｄｉａｌ  ｃｕｔ）を示し、一方、図３は羽根車の入口の軸線方向の略図を示す。図４は羽根車の羽根の前縁の部分の拡大図を示し、一方、図５は前縁の斜め後方への傾斜部（ｂａｃｋ  ｓｗｅｅｐ）と本発明による標準半径との間の関係を示す図である。
【００２０】
図面において、１は羽根車のハブを示し、２は前縁３を有する羽根を示し、４はハブと前縁との連結部を示し、かつ５は前縁の周囲を示し、６は前縁のある点における垂線を示し、７はポンプハウジングの壁部を示し、８はハブの端部を示し、９は回転方向を示し、αはスイープ角（ｓｗｅｅｐ  ａｎｇｌｅ）を示し、ＷＲは投影相対速度、すなわち、同時に回転する座標系内の流体の速度を示し、かつＺは羽根車の軸線方向を示す。
【００２１】
所望のポンプの羽根車の形状を最適な方法で設計するために、前記スイープ角の正しい定義が提供される。正確なスイープ角αは、一般に、子午線図（ｒ−ｚ）ならびに軸線方向図（ｒ−θ）における前縁の形状の関数である。図２および図３参照。
【００２２】
正確な定義は、前縁３の形態を描く曲線およびその曲線における局部的な相対速度
【外４】
0004143184.tif 000003
の関数である。これは次の方法で数学的に述べることができる。
【００２３】
速度の三角形
【外５】
0004143184.tif 000004
の伝統的な呼称により、相対速度
【外６】
0004143184.tif 000005
は共に回転する円筒座標系（ｃｏ−ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｃｙｌｉｎｄｒｉｃ  ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ  ｓｙｓｔｅｍ）における位置のベクトル
【外７】
0004143184.tif 000006
の関数である。通常の方法では、相対速度
【外８】
0004143184.tif 000007
は、また、その成分
【外９】
0004143184.tif 000008
において説明することができる。
【００２４】
前縁３に沿った三次元曲線は、対応した共に回転する座標系において、位置のベクトル
【外１０】
0004143184.tif 000009
に依存する関数
【外１１】
0004143184.tif 000010
すなわち、
【外１２】
0004143184.tif 000011
として描くことができる。
【００２５】
あらゆる点において前縁と平行である無限小のベクトルは、
【外１３】
0004143184.tif 000012
として定義することができる。スカラー積の定義から、
【外１４】
0004143184.tif 000013
に対する垂線と零入射点での
【外１５】
0004143184.tif 000014
方向の
【外１６】
0004143184.tif 000015
の正射影である
【外１７】
0004143184.tif 000016
との間のスイープ角αに対する式が得られる。これは
【外１８】
0004143184.tif 000017
とがベスト効率点、公称作用点かまたはそれに近いことを意味する。
【００２６】
【数２】
0004143184.tif 000018
【００２８】
もしも絶対入口速度が正規のいかなる円周方向成分も有していないと仮定すれば、
【外２０】
0004143184.tif 000019
は羽根車の周囲速度と等しくなる。
【００２９】
これらの定義や仮定により、以下に、ある状態におけるαが流れと無関係であることが示される。これらの状態は、前縁が羽根車軸の方向Ｚに対して本質的に垂直である平面内にありかつ前縁が絶対入口速度が本質的に軸線方向に向いている箇所に配置され、
【外２１】
0004143184.tif 000020
の径方向成分がゼロに近いことを意味する。同じ理由から、
【外２２】
0004143184.tif 000021
の円周方向成分、すなわち、θ方向における成分は、羽根車の周囲速度と等しくかつ流れに無関係である。
【外２３】
0004143184.tif 000022
の軸線方向の成分は、上記によりｄＲｚがゼロであるときに、αに対して無視可能である。これは、スカラー積の定義から得られる、従って、流れに従属する変数
【外２４】
0004143184.tif 000023
は等式２においてαに影響をおよぼさず、分母と同様に分子は比例的に変わるからである。
【００３０】
本発明の好ましい一実施例によれば、羽根の前縁が羽根車の軸に本質的に垂直な平面内に配置されている。ポンプが非常にしばしば容積の流れ（ｖｏｌｕｍｅｆｌｏｗ）および水頭に関する広い分野内で作動するということを知っていれば、好ましい実施例は、異なる作動状態と関係なく、自浄能力を保つことができる。
【００３１】
本発明の第３部分は、ハブと前縁との連結部がハブ１の端部８と隣接して配置され、すなわち、ハブ１の端部が中央部に突出した先端部を有していない好ましい一実施例に関する。これにより、汚染物が羽根車の中央部にからみつくおそれが減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるポンプの羽根車の三次元図。
【図２】本発明による略図で描いたポンプの半径方向切断図。
【図３】羽根車の入口の軸線方向の略図。
【図４】羽根車の羽根の前縁の拡大図。
【図５】前縁の斜め後方への傾斜部と本発明による標準半径との間の関係を示す図。
【符号の説明】
１  羽根車のハブ
２  前縁３を有する羽根
３  前縁
４  ハブと前縁との連結部
５  前縁の周囲
６  前縁のある点における垂線
７  ポンプハウジングの壁部
８  ハブの端部
９  回転方向
α  スイープ角
ＷR   相対角度
【図１】
0004143184.tif 000025
【図２】
0004143184.tif 000026
【図３】
0004143184.tif 000027
【図４】
0004143184.tif 000028
【図５】
0004143184.tif 000029