(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸い込まれた液体が流通する吸込流路と、
この吸込流路の下流側に接続された外ケーシングと、
この外ケーシングの内側に間隔を介して配置され、モータを内包する内ケーシングと、
この内ケーシングと前記外ケーシングが形成する環状流路に配置され、前記モータによって回転される羽根車と、
前記環状流路に設けられ、前記羽根車で昇圧された液体の圧力を回復する案内羽根と、
前記環状流路の下流に向かって渦を巻く渦巻状の閉流路が前記環状流路の出口に形成されるように、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡された静止翼と、
この静止翼が形成する閉流路の出口で前記外ケーシングに接続され、下流に向かって拡開する吐出流路とを備えることを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１記載のポンプにおいて、
前記静止翼は、前記環状流路の下流に向かって渦を巻く渦巻状の複数の閉流路が互いに隣接して前記環状流路の出口に形成されるように、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡された複数の静止翼であることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１記載のポンプにおいて、
前記静止翼は、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡された１枚の静止翼であることを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１から３いずれかに記載のポンプにおいて、
前記静止翼は、その入口角度が流れの流入角度に近づくように形成されていることを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載のポンプにおいて、
前記羽根車は、前記吸込流路からの液体を前記モータの回転軸を中心軸とする円筒面上に吐出することを特徴とするポンプ。
【請求項６】
請求項５記載のポンプにおいて、
前記環状流路は、その内径が、前記案内羽根の下流側に向かって拡大し、その後前記吐出流路の入口に向かって縮小するように形成されたチューブ形状であることを特徴とするポンプ。
【請求項７】
請求項１から４いずれかに記載のポンプにおいて、
前記羽根車は、前記吸込流路からの液体を前記モータの回転軸を中心軸とする円錐面上に吐出することを特徴とするポンプ。
【請求項８】
吸い込まれた液体が流通する吸込流路と、この吸込流路の下流側に接続された外ケーシングと、この外ケーシングの内側に間隔を介して配置され、モータを内包する内ケーシングと、この内ケーシングと前記外ケーシングが形成する環状流路に配置され、前記モータによって回転される羽根車と、前記環状流路に設けられ、前記羽根車で昇圧された液体の圧力を回復する案内羽根と、この案内羽根の下流側で前記外ケーシングに接続され、下流に向かって拡開する吐出流路とを備えるポンプの静止翼であって、
前記環状流路の下流に向かって渦を巻く渦巻状の閉流路が前記環状流路の出口に形成されるように、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡されていることを特徴とするポンプの静止翼。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体を昇圧して吐出するポンプ及びその静止翼に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体を昇圧して吐出するポンプの性能を向上させる１つの手段として、吐出流路における圧力の低損失化がある。吐出流路で発生する圧力損失には、吐出流路内で流れが混合する際に生じる損失（以下、「混合損失」とする）があり、この混合損失を低減させることがポンプの設計において重要な課題となっている。
【０００３】
例えば、チューブ状の環状流路を有するチューブラポンプでは、吐出流路の混合損失を低減するために、土木上の制約条件がある中で流路の形状を変化させて対応している。しかし、ポンプ設置場所の土木上の制限が厳しい場合には、これらの形状の変更が制限されて、混合損失を低減することが困難な場合がある。
【０００４】
吐出流路の混合損失の低減を図った技術としては、例えば、入口から出口に向かって拡開する吐出流路（ディフューザ）に、吐出流路を周方向に分割するスプリッタ（板部材）を複数取り付けたものがある（特許文献１等参照）。この技術は、主流として、旋回流を含む流れが吐出下流部の外周部にやってくるとともに、旋回流を含まない流れ（若しくは、旋回流が少ない流れ）が吐出下流部の中心部にやってきた場合を前提とするもので、スプリッタで分割された流路における外周部の旋回流の拡がり角度を制御して流れのはく離の抑制を図ろうとするものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２１０９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、吐出流路の上流で非一様な流れが形成されると、吐出流路内ではく離が発生する可能性も大きくなり、吐出流路の圧力損失全体の中で混合損失が占める割合が特に大きくなる。
【０００７】
これに対して、上記の技術は、吐出流路の入口における主流の一部に非一様な流れが残る場合のみに言及しているだけで、その全体に非一様な流れが強く残る場合の対処については言及していない。そのため、チューブ状の環状流路を液体が通過する際に非一様な流れが発生し易いチューブラポンプのように、主流の全体に非一様な流れが生じたときには、混合損失の低減を効果的に図ることが難しい。
【０００８】
また、吐出流路が拡大する箇所では、はく離が生じて非一様流れが発生することがあり、上記の技術では主流の混合が促進されず混合損失が低減できない場合もある。チューブラポンプの例で、土木上の制約条件によって吐出流路が急拡大せざるを得ない場合には、はく離が生じ易くなるため、混合損失の問題はさらに顕著となる。
【０００９】
本発明の目的は、吐出流路に到達する主流の全体に非一様性がある場合にも、混合損失を低減できるポンプ及びその静止翼を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明は、上記目的を達成するために、吸い込まれた液体が流通する吸込流路と、この吸込流路の下流側に接続された外ケーシングと、この外ケーシングの内側に間隔を介して配置され、モータを内包する内ケーシングと、この内ケーシングと前記外ケーシングが形成する環状流路に配置され、前記モータによって回転される羽根車と、前記環状流路に設けられ、前記羽根車で昇圧された液体の圧力を回復する案内羽根と、前記環状流路の下流に向かって渦を巻く渦巻状の閉流路が前記環状流路の出口に形成されるように、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡された静止翼と、この静止翼が形成する閉流路の出口で前記外ケーシングに接続され、下流に向かって拡開する吐出流路とを備えるものとする。
【００１１】
（２）上記（１）において、前記静止翼は、前記環状流路の下流に向かって渦を巻く渦巻状の複数の閉流路が互いに隣接して前記環状流路の出口に形成されるように、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡された複数の静止翼であるものとする。
【００１２】
（３）上記（１）において、前記静止翼は、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡された１枚の静止翼であるものとする。
【００１３】
（４）上記（１）から（３）いずれかにおいて、前記静止翼は、その入口角度が流れの流入角度に近づくように形成されているものとする。
【００１４】
（５）上記（１）から（４）いずれかにおいて、前記羽根車は、前記吸込流路からの液体を前記モータの回転軸を中心軸とする円筒面上に吐出するものとする。
【００１５】
（６）上記（５）において、前記環状流路は、その内径が、前記案内羽根の下流側に向かって拡大し、その後前記吐出流路の入口に向かって縮小するように形成されたチューブ形状であるものとする。
【００１６】
（７）上記（１）から（４）いずれかにおいて、前記羽根車は、前記吸込流路からの液体を前記モータの回転軸を中心軸とする円錐面上に吐出するものとする。
【００１７】
（８）本発明は、上記目的を達成するために、吸い込まれた液体が流通する吸込流路と、この吸込流路の下流側に接続された外ケーシングと、この外ケーシングの内側に間隔を介して配置され、モータを内包する内ケーシングと、この内ケーシングと前記外ケーシングが形成する環状流路に配置され、前記モータによって回転される羽根車と、前記環状流路に設けられ、前記羽根車で昇圧された液体の圧力を回復する案内羽根と、この案内羽根の下流側で前記外ケーシングに接続され、下流に向かって拡開する吐出流路とを備えるポンプの静止翼であって、前記環状流路の下流に向かって渦を巻く渦巻状の閉流路が前記環状流路の出口に形成されるように、前記内ケーシングと前記外ケーシングの間に架け渡されているものとする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、吐出流路に旋回流れを導入することができるので、吐出流路に到達する主流の全体に非一様性がある場合にも混合損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００２０】
はじめに、本発明の適用先の一例であるチューブラポンプについて説明する。  
図１はチューブラポンプの全体図である。
【００２１】
この図に示すチューブラポンプは、吸込流路６０と、環状流路４０と、吐出流路５０を備えている。なお、この図の吸込流路６０の入口付近に記された矢印は、液体の主流６が流れる方向を示している。
【００２２】
吸込流路６０は、吸い込まれた液体（水）が流通する部分で、吸込ケーシング１によって形成される流路である。吸込流路６０には、モータ（図示せず）の先端部を保護するボス７と、吸い込まれた液体を整流する整流板８が設けられている。
【００２３】
環状流路４０は、吸込ケーシング１の下流側に接続された外ケーシング（シュラウド）１３と、外ケーシング１３の内側に間隔を介して配置された内ケーシング（砲灯）１１とによって形成されるチューブ状の流路である。内ケーシング１１は、羽根車（後述）９を回転させるモータ等を内包するもので、モータ等が液体に触れないようにカバーする役目を果たしている。また、内ケーシング１１は、環状流路４０内に複数設けられたピア１２を介して外ケーシング１３と接続されており、構造的に強化されている。ここでは便宜上、環状流路４０を、上流から下流に向かって、ボウル部２、上流部３、及び下流部４に分割して説明する。
【００２４】
ボウル部２は、吸込流路６０の下流側に位置する部分であり、羽根車９と、案内羽根１１を備えている。
【００２５】
羽根車９は、内ケーシング１４に内包されたモータによって回転されるもので、吸込流路６０からの液体を吐出している。本実施の形態の羽根車９は、図１に示すように、モータの回転軸の周方向に回転するように取り付けられており、吸込流路６０からの液体をモータの回転軸を中心軸とする円筒面上に吐出している。すなわち、本実施の形態のポンプは、いわゆる軸流ポンプを形成している。なお、ここでは軸流ポンプを例に挙げたが、モータの回転軸に対して斜めに回転するように羽根車９を取り付け、吸込流路６０からの液体をモータの回転軸を中心軸とする円錐面上に吐出する斜流ポンプとしても良い。
【００２６】
案内羽根１１は、羽根車９で昇圧された液体の圧力を回復するもので、羽根車９の下流側に位置するように環状流路４０内に固定されている。
【００２７】
上流部３は、ボウル部２の下流側に位置する部分であり、下流側に向かって環状流路４０の内径が拡大するように形成されている。上流部３には、内ケーシング１１を支持する複数のピア１２が設けられている。
【００２８】
下流部４は、上流部３の下流側に位置する部分であり、下流側に向かって環状流路４０の内径が縮小して最終的には１つの流路となるように形成されている。下流部４は、下流側に向かって流路の横断面積が増加するように形成されている。本実施の形態の下流部４の縦断方向の形状（即ち、流路の中心軸を含む断面における形状）は、流路の横断面積が下流側に向かって増加するように、複数の直線を組み合わせて形成されている。
【００２９】
吐出流路５０は、下流に向かって拡開するディフューザ形状の吐出ケーシング１６によって形成される流路であり、吐出ケーシング１６は、外ケーシング１３の下流側に接続されている。本実施の形態の吐出流路５０は、円錐台形状に形成されており、その横断方向の輪郭は円形で、縦断方向の輪郭は直線で形成されている。環状流路４０を流通してきた液体は、この吐出流路５０でさらに圧力回復される。すなわち、圧力損失ができるだけ発生しないように、液体を効率良く流すのが吐出流路５０の役目である。なお、吐出流路５０と環状流路の下流部４は、ポンプ機場の一部に使用されている。
【００３０】
図２は本発明の実施の形態に係る静止翼を備えたチューブラポンプの吐出流路５０付近の側面図であり、図３は図２中のIII-III'断面における断面図である。なお、先の図と同じ部分には同じ符号を付して説明は省略する（後の図も同様とする）。
【００３１】
これらの図に示すチューブラポンプは渦巻流路部２１を備えている。
【００３２】
渦巻流路部２１は、環状流路４０の出口部分（即ち、吐出流路５０の直前部分）に設けられており、流路の周方向に隣接して設けられた複数の渦巻状の閉流路によって構成されている。この複数の渦巻流路は、複数の静止翼１８，１９，２０の翼間によって形成されている。静止翼１８，１９，２０は、それぞれ、同一の形で形成されており、上流から下流に向かって螺旋を描くように内ケーシング１１と外ケーシング１３の間に架け渡されている。本実施の形態の静止翼１８，１９，２０は、内ケーシング１１及び外ケーシング１３に対して溶接接合されており、渦巻流路部２１を上流から見たときに右回りの渦が形成されるように固定されている。
【００３３】
また、静止翼１８，１９，２０は、流路の横断面において対称配置されており、その関係を渦巻流路部２１の入口から出口に至るまで保持している。すなわち、本実施の形態の静止翼１８，１９，２０は、隣り合う２つの静止翼の成す角が常に１２０度になるように配置されており、環状流路４０を３等分している。本実施の形態では、３枚の静止翼１８，１９，２０で形成される３つの流路をすべて閉流路とするために、内ケーシング１１の周りに各静止翼１８，１９，２０が巻き回される角度（巻き角）を１２０度以上に設定している。このようにすべての流路を閉流路にすると、渦巻流路部２１に到達したすべての流れを整流することができる。なお、巻き角は、主流６と流路の摩擦損失を抑制することを考慮して、最大でも１５０度以下に設定することが好ましい。
【００３４】
さらに、各静止翼１８，１９，２０は、上流側の端部である前縁部１８ａ，１９ａ，２０ａと、下流側の端部である後縁部１８ｂ，１９ｂ，２０ｂを有している。各静止翼１８，１９，２０の前縁部１８ａ，１９ａ，２０ａは環状流路４０の下流部３の中途部分に配置されており、後縁部１８ｂ，１９ｂ，２０ｂは環状流路４０と吐出流路５０の境界に配置されている。
【００３５】
次に本実施の形態の作用及び効果について、従来技術を参照しながら説明する。
【００３６】
図４は従来のチューブラポンプの吐出流路付近の側面図であり、図５は図４中のV-V'断面における断面図である。
【００３７】
これらの図に示したチューブラポンプは、図２及び図３に示した本実施の形態に係るものと異なり、静止翼１８，１９，２０によって形成される渦巻流路部２１を有していない。
【００３８】
このチューブラポンプにおいて、羽根車９で昇圧された液体は、案内羽根１１を通過して環状流路４０を流通し、非一様な流れとなって吐出流路５０に向かう。このように非一様な流れが吐出流路５０に流入すると、流路の拡大部分において図４に示すようなはく離２９が生じ易くなるため、流れの非一様性が増加してしまう。したがって、このような非一様流れが生じると、吐出流路５０における主流６の混合が促進されず、混合損失を低減することが難しかった。特に、チューブラポンプでは、土木上の制限から吐出流路５０の急拡大を余儀なくされる場合もあり、そのような場合には混合損失の課題はさらに顕著なものとなっていた。
【００３９】
これに対して本実施の形態のチューブラポンプは、吐出流路５０の直前において、渦巻状の閉流路を形成する静止翼１８，１９，２０を備えている。この静止翼１８，１９，２０に環状流路４０からの非一様な流れが流入すると、静止翼１８，１９，２０の翼間を通過する際にそれらの翼面（正圧面２６、負圧面２７（後述の図６参照））に沿って流れが整流されるとともに、非一様性に偏りがある偏流の場合にも流れが一様化される。そして、これと同時に、渦巻状に形成された翼間によって主流６の全体に旋回成分が加えられるので、吐出流路５０に旋回流れ３０（図２参照）を導入することができる。このように旋回流れ３０が吐出流路５０に導入されると、従来生じていたはく離が抑制されるので、流れの非一様性に起因した混合損失を低減することができる。このように、本実施の形態によれば、吐出流路５０に旋回流れ３０を導入することができるので、吐出流路５０に到達する前の主流６の全体に非一様性がある場合にも混合損失を低減することができる。
【００４０】
なお、上記では静止翼が３枚の場合について説明したが、静止翼による混合損失の低減効果の程度が、静止翼との衝突損失及び摩擦損失や、旋回流による旋回損失等、他の損失と比較して大きい場合には、静止翼の枚数を３枚から適宜増減しても良い。
【００４１】
また、上記の説明では、静止翼１８，１９，２０を内ケーシング１１に固定する場合について説明したが、羽根車９を回転させるモータのシャフトの周囲に内ケーシング１１に相当する部材を別途設け、その部材に静止翼を固定して渦巻流路を構成しても良い。
【００４２】
次に、損失をさらに低減するための静止翼１８，１９，２０の形状について説明する。
【００４３】
図６は本発明の実施の形態に係る静止翼の展開図である。この図は、外ケーシング１３の外周側から静止翼１８を見た図で、前縁部１８ａから後縁部１８ｂまでが直線になるように静止翼１８を展開したものである。
【００４４】
この図において、静止翼１８は、その入口角度２４が流れの流入角度３３に近づくように形成されている。次に流入角度３３の算出方法について説明する。
【００４５】
図７は静止翼１８の入口における流れの流入角度３３を算出するための説明図である。
【００４６】
ここで、図７（ａ）に示すように、静止翼１８の入口における主流６の軸方向平均流速をベクトル３１、周方向平均流速をベクトル３２と定義する。このとき、静止翼１８の入口における流れの流入角度３３は、図７（ｂ）に示すように、流速ベクトル３１と流速ベクトル３２の和が流速ベクトル３２と成す角で表される。すなわち、静止翼１８の入口における流れの流入角度３３は、平均流速３１と周方向平均流速３２から算出される。
【００４７】
このように静止翼１８の入口角度２４を調整すると、流入角度３３を保持させながら主流６を渦巻流路２１に導くことができるので、渦巻流路部２１に主流６が流入する際に生じる衝突損失を低減することができる。
【００４８】
ところで、静止翼１８の出口角度２５は、吐出流路５０で生じるはく離損失の程度を考慮し、旋回流れ３０による旋回損失ができるだけ低減するように設定することが好ましい。
【００４９】
ここで、吐出流路５０の等価拡大角（流路の入口面積と出口面積から算出される等価直径を用いて、流路が完全な円錐台形であるとして算出される流路の拡大角（本実施の形態では図２中のθ１に相当））の大きさと、生じるはく離の程度には相関関係があり、等価拡大角が大きくなるとはく離も大きくなり、等価拡大角が小さくなるとはく離も小さくなる傾向がある。
【００５０】
したがって、吐出流路５０の等価拡大角が小さい場合には、吐出流路５０で生じるはく離が小さいため、主流６に旋回をつける必要性が低減する。そのため、渦巻流路部２１を流出する際に加えられる旋回を低減して旋回損失を抑制するために、後縁部１８ｂの方向と流れの方向が平行関係に近づくように出口角度２５を設定することが好ましい。
【００５１】
他方、吐出流路５０の等価拡大角が大きい場合には、吐出流路５０で生じるはく離が大きくなるため、主流６に旋回をつける必要性が増大する。そのため、渦巻流路部２１を流出する際に加えられる旋回を増大してはく離を抑制するために、後縁部１８ｂの方向と流れの方向が垂直関係に近づくように出口角度２５を設定することが好ましい。
【００５２】
このように出口角度２５を設定すると、吐出流路５０で生じるはく離の程度に応じて衝突損失を最適化できるので、非一様な流れによって生じる混合損失を結果的に低減することができる。
【００５３】
なお、静止翼１８の翼厚み２８は、前縁部１８ａから後縁部１８ｂまで一定又は自由に設定することができ、内ケーシング１１側から外ケーシング１３側までの翼厚みも同様である。
【００５４】
また、上記の実施の形態では、チューブラポンプの場合について説明したが、この他の軸流ポンプにも適用可能であることは言うまでもない。また、上記で触れたように、本発明は、斜流ポンプにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の適用先の一例であるチューブラポンプの全体図。
【図２】本発明の実施の形態に係る静止翼を備えたチューブラポンプの吐出流路付近の側面図。
【図３】図２中のIII-III'断面における断面図。
【図４】従来のチューブラポンプの吐出流路付近の側面図。
【図５】図４中のV-V'断面における断面図。
【図６】本発明の実施の形態に係る静止翼の展開図。
【図７】静止翼の入口における流れの流入角度を算出するための説明図。
【符号の説明】
【００５６】
１      吸込ケーシング
２      ボウル部
３      上流部
４      下流部
８      整流板
９      羽根車
１０      案内羽根
１１      内ケーシング
１２      ピア
１３      外ケーシング
１６      吐出ケーシング
１８      静止翼
１８ａ    前縁部
１８ｂ    後縁部
１９      静止翼
２０      静止翼
２１      渦巻流路部
２４      入口角度
２５      出口角度
３１      軸方向平均流速
３２      周方向平均流速
３３      流入角度
４０      環状流路
５０      吐出流路
６０      吸込流路
【図１】
0005045546.tif 000002
【図２】
0005045546.tif 000003
【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】
0005045546.tif 000008