JP4183612B2 - 軸流ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、軸流ポンプに関するものである。

従来より、水等の液体を大流量低揚程で輸送するポンプとして軸流ポンプが広く用いられている。一般の軸流ポンプは、回転翼の枚数が３枚または４枚とされており、また、子午面、周方向のいずれにおいても、前縁および後縁の中心線は回転軸に対して垂直とされている。

このように３〜４枚程度の羽根枚数では、回転翼１枚あたりの負荷が大きく、回転翼表裏間に圧力差が発生する。さらに、前縁および後縁が垂直に立設しているので、回転翼先端とケーシング内周との間の隙間で漏れ流れが多く発生し、強い渦流を発生させていた。また、圧力条件によってはキャビテーションが発生していた。

このようなキャビテーションの発生を抑制する軸流ポンプとして、特開２００２−３６４５７９号公報（特許文献１）に示されるものがある。

この文献には、回転翼を羽根車の回転方向に前進させ、かつ子午面内で前傾させた軸流ポンプが開示されている。
特開２００２−３６４５７９号公報（段落［００１９］〜［００２２］、図２及び図３）

例えば、図１２に示したキャビテーショントンネル１００では、水を循環させるために軸流ポンプ１０５が用いられる。このキャビテーショントンネルの検査領域１０３で測定対象の発生音を測定する際に、軸流ポンプ１０５から騒音が発生してしまうとノイズとなり測定精度を低下させるので、可能な限り軸流ポンプを低騒音化する必要がある。

上記文献は、流量範囲全域で安定して運転し得る大流量低揚程ポンプを提供することを目的としている（段落［０００８］参照）が、低騒音化については考慮されていない。特に、回転翼が２枚とされた実施形態が示されており、これでは回転翼への負荷が大きく、低騒音化が図れない。

また、回転翼を回転方向に前進化（スキュー）させるとの記載はあるものの、どの程度の前進が必要であるかの検討がなされていない。

本発明は、上記問題点に鑑み、低騒音化を実現する軸流ポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の軸流ポンプは、以下の手段を採用する。

本発明の軸流ポンプは、ケーシング内に回転自在に配置した羽根車に複数の回転翼を備え、前記各回転翼を、前記羽根車の回転方向に前進させ、かつ子午面内で上流側に前傾させた軸流ポンプにおいて、前記回転翼の枚数を６〜９枚とし、最外周の回転翼円筒断面における翼弦上の中心位置の前縁からの距離を、最内周の回転翼円筒断面における翼弦上の中心位置の前縁からの距離で除したスイープ比が、１．５〜４．０となるように前進させたことを特徴とする。

回転翼の前進の程度としてスイープ比を導入する。このスイープ比を１．５〜４．０としたことで、揚程を確保しつつ、損失すなわち騒音を低減することができる。スイープ比が１．５よりも小さいときは損失が大きくなり、騒音が許容レベルを超える。スイープ比が４よりも大きいときは必要な揚程が確保できない。

スイープ比は、より好ましくは、２．２〜３．４、さらに好ましくは、２．４〜３．０とされる。

回転翼の枚数を６枚以上にして回転翼１枚あたりの負荷を低減させる。これにより、回転翼表裏の圧力差が低減され、回転翼先端からの漏れ流量が減り、騒音が低下する。一方、回転翼の数が９枚を超えると、回転翼の濡れ面積が増大して性能が低下するだけでなく、コストも上昇する。

また、回転翼は子午面内で上流側に前傾させられているので、粘性損失の低減が図られ、各種渦の低減が可能となる。

また、本発明の軸流ポンプは、前記ケーシングの内周と前記回転翼先端との間のチップ間隔が、該回転翼の翼スパンに対する比で０．００１〜０．０１０とされていることを特徴とする。

チップ間隔（チップクリアランス）を、翼スパンに対する比で０．０１０以下とすることで、初生キャビテーションを低く抑えることができる。キャビテーションを回避することで、低騒音化が実現される。

一方、翼スパンに対する比を小さくするほど初生キャビテーションの低減に効果があるが、この比が０．００１を下回ると、チップ間隔が小さすぎて構造が成り立たない。

より好ましくは、チップ間隔は、翼スパンに対する比で、０．００２〜０．００７とされる。

また、本発明の軸流ポンプは、前記各回転翼の下流側に固定配置された複数の固定翼を備え、
前記回転翼の後縁と前記固定翼の前縁との間の軸間距離が、回転翼直径に対する比で０．１〜０．３とされていることを特徴とする。

軸間距離が近いほど効率は良くなるが、回転翼で発生したウェークが直後の固定翼に衝突することになり、騒音の観点から好ましくない。したがって、軸間隔を、回転翼直径に対する比で０．１以上とする。

軸間隔が大きくなると、騒音は減少するが、効率が低下する。したがって、軸間隔を、回転翼直径に対する比で０．３以下とする。

なお、「軸間距離」とは、回転翼の後縁と固定翼の前縁との間の距離をいうが、例えば、羽根車を子午面で見たときに、回転翼の後縁と固定翼の前縁との間の最も近い距離をいう。

本発明によれば、スイープ比を１．５〜４．０としたので、揚程を確保しつつ、損失すなわち騒音を低減することができる。

また、回転翼の枚数を６枚〜９枚にしたので、高性能を維持しつつ低騒音化を両立させることができる。

チップ間隔を、翼スパンに対する比で０．００１〜０．０１０程度としたので、初生キャビテーションを低く抑えることができ、低騒音化を実現することができる。

回転翼の後縁と固定翼の前縁との間の軸間隔が、回転翼直径に対する比で０．１〜０．３としたので、高効率および低騒音化を両立させることができる。

以下に、本発明にかかる軸流ポンプの実施形態について、図面を参照して説明する。

図１には、軸流ポンプに用いられる羽根車１の斜視図が示されている。

羽根車１は、ケーシング（図示せず）内に回転自在に配置される。この羽根車１には、複数のインペラ（回転翼）３が固定されている。本実施形態では、インペラ３の枚数は７枚とされている。このインペラ３は、その先端にシュラウドが設けられていないオープンインペラとなっている。

インペラ３は、図２に示すように、羽根車１の回転方向に前進するようになっている。

つまり、インペラ３は、各円筒断面において図３に示すような翼形を半径方向に積み上げた形状となっている。これら翼形上には、前縁７と後縁８とを結ぶ翼弦５が定義され、この翼弦上に中心９が位置する。各翼弦５上の中心９は、羽根車１の回転中心を通る基準線Ｌ上に配置される。この中心９をインペラ３の回転方向にずらすことにより、インペラ３は前進させられる。ここで、中心９は、最大翼厚となる翼弦５上の位置（stacking center）である。

ここで、前進の程度を表すパラメータとして、スイープ比を導入する。

スイープ比は、図３に示すように、最外周のインペラ３の円筒断面における翼弦５上の中心９位置の前縁７からの距離を、最内周のインペラ３の円筒断面における翼弦５上の中心９位置の前縁からの距離で除したものとする。

図３に示した場合では、チップ側である最外周のインペラ３の円筒断面における翼弦５ａの中心９ａは、全弦長に対して５５％だけ前縁７から離れた位置となっている。ハブ側である最内周のインペラ３の円筒断面における翼弦５ｂの中心９ｂは、全弦長に対して２５％だけ前縁７から離れた位置となっている。したがって、この場合、スイープ比は、５５／２５＝２．２となる。

図４には、インペラ３を含む羽根車１の子午面を見た図である。

インペラ３は、その前縁および後縁が流体流れの上流側に前傾させた形状を有している。

流体の流れから見てインペラ３の下流には、ディフューザ（固定翼）１１が配置されている。図示しないが、ディフューザ１１の枚数は、本実施形態において９枚とされている。

以上の構成を有する軸流ポンプは、図示しない駆動源により羽根車１を回転させ、羽根車１に固定された７枚のインペラ３によって流体を送り出す。インペラ３から送り出された流体は、ディフューザ１１によって運動エネルギーを回収する。

表１に示す諸元を有する軸流ポンプについて、数値解析を行なった。

Type A及びtype Bともに、本発明の軸流ポンプであり、回転方向に前進し、子午面内において前傾したインペラを７枚有している。また、ディフューザは９枚となっている。

インペラおよびディフューザの外径は、Type Aが３００ｍｍ、Type Bが５００ｍｍとなっている。

図５には、インペラの枚数について検討した解析結果が示されている。

（ａ）には、インペラの枚数に対して、羽根１枚あたりの負荷が相対的に示されている。

（ｂ）には、インペラの枚数に対して、減速比が相対的に示されている。

図５（ａ）からわかるように、インペラの枚数が６枚以上であれば、羽根１枚あたりの負荷が軽減されるので、インペラ先端におけるキャビテーションを防止することができ、低騒音化が図れる。

一方、図５（ｂ）からわかるように、インペラの枚数が９枚を超えると、減速比が増大し、効率が落ちる。

以上から、インペラの枚数は、６枚以上９枚以下が好ましい。より好ましくは、７枚である。

図６には、スイープ比について検討した解析結果が示されている。

（ａ）には、スイープ比に対して、損失が相対的に示されている。

（ｂ）には、スイープ比に対して、全圧が相対的に示されている。

各図において、スイープ比は、１．０，１．５，２．２，２．４，３．０，３．４，４．０，５．０についてプロットした。

これらの図からわかるように、スイープ比が大きくなるほど、損失は減る（騒音も減る）が、全圧すなわち全揚程も減少してしまう。したがって、１．５〜４．０の範囲のスイープ比が望ましい。より好ましくは、２．２〜３．４、さらに好ましくは、２．４〜３．０の範囲である。

図７には、インペラとディフューザとの軸間距離について検討した解析結果が示されている。

図７の横軸は、無次元化した軸間距離を示したものであり、縦軸はヘッドを相対的に示したものである。

軸間距離は、次のように無次元化した。すなわち、インペラのハブ側後縁とディフューザのハブ側前縁との最短距離を、インペラの外径で除した値を無次元化した軸間距離とした。

図７からわかるように、軸間距離は、無次元化した値で０．２がもっともヘッドが大きくなり、したがって、騒音も小さいことになる。

軸間距離が小さいほど効率は良くなるが、インペラで発生したウェークが直後のディフューザに衝突するので、騒音の観点から好ましくない。したがって、無次元化した軸間距離を０．１以上とするのが好ましい。

軸間距離が大きくなると、騒音は減少するが、効率が低下する。したがって、無次元化した軸間距離を０．３以下とするのが好ましい。

図８には、インペラ先端とハウジング内周との間の隙間（チップクリアランス）が初生キャビテーションに及ぼす影響について検討した解析結果を示す。

図８は、Type A（表１参照）について検討した結果である。

図８において、横軸が流量、縦軸がキャビテーション係数を示す。なお、流量は１．０を設計点とした相対的な数値である。

実線が０．１０ｍｍのチップクリアランスを示し、破線が０．５０ｍｍのチップクリアランスを示す。なお、０．１０ｍｍのチップクリアランスをインペラの翼スパンで除して無次元化すると、Type Aの翼スパンは６７．５ｍｍなので、０．００１５、０．５０ｍｍのチップクリアランスの場合は０．００７４となる。

（ａ）は、インペラ表面におけるキャビテーションについての解析結果である。

（ｂ）は、チップクリアランスにおけるキャビテーションについての解析結果である。

（ａ）からわかるように、チップクリアランスの違いは、インペラ表面における初生キャビテーションには影響を与えない。

しかし、（ｂ）からわかるように、チップクリアランスの違いは、チップクリアランスにおける初生キャビテーションに影響を及ぼす。したがって、チップクリアランスを考慮して設計を行なう必要がある。

上記検討結果から、チップクリアランスを、翼スパンに対する比で０．００１５〜０．００７程度とすることで、初生キャビテーションを低く抑えることができる。また、このようにキャビテーションを回避することで、低騒音化が実現される。

一方、翼スパンに対する比が０．００１を下回ると、チップクリアランスが小さすぎて製作の上で困難である。

図９には、Type Aについて解析された、翼スパンで除して無次元化したチップクリアランスに対する静圧係数が示されている。チップクリアランスが増加するほど、静圧係数が減少することが示されている。

しかし、チップクリアランスの翼スパンに対する比が０．０１０を超えると、キャビテーション発生が助長される。したがって、０．０１を超えない範囲でチップクリアランスの翼スパンに対する比を決定する必要がある。

図１０には、Type Aについて解析された、キャビテーション係数に対するヘッド係数が示されている。

キャビテーション係数が０．４のあたりで初生キャビテーションが確認されるが、これはポンプの運転点（ＮＰＳＨａｖ）よりも低い値となっている。したがって、キャビテーションが発生しないことがわかる。

図１１には、Type Aについて解析された、キャビテーション係数に対する音圧レベルが示されている。

この図からわかるように、キャビテーション係数が０．４を下回ると、キャビテーションにより騒音が増大することがわかる。

キャビテーション係数が０．４以上の領域では、１１０ｄＢ以下の低騒音が実現されている。

以上説明した本実施形態にかかる軸流ポンプによれば、以下の作用効果を得ることができる。

スイープ比を１．５〜４．０、より好ましくは２．２〜３．４としたので、揚程を確保しつつ、損失すなわち騒音を低減することができる。

インペラの枚数を６枚〜９枚、より好ましくは７枚にしたので、高性能を維持しつつ低騒音化を両立させることができる。

チップクリアランスを、翼スパンに対する比で、０．００１〜０．０１０、より好ましくは０．００２〜０．００７程度としたので、初生キャビテーションを低く抑えることができ、低騒音化を実現することができる。

インペラ３とディフューザ１１との間の軸間距離が、インペラ直径に対する比で０．１〜０．３、より好ましくは０．２としたので、高効率を維持しつつ低騒音化を両立させることができる。

インペラ３の枚数を７枚とし、ディフューザ１１の枚数を９枚としたので、これらの圧力バランスを最適化して騒音を低下させることができる。

本実施形態にかかる羽根車を示した斜視図である。 流体の流れからみて上流側からみたインペラを示した図である。 スイープ比の定義を示す図である。 子午面におけるインペラおよびディフューザを示した側面図である。 インペラの枚数について検討した解析結果が示されており、（ａ）には、インペラの枚数に対して、羽根１枚あたりの相対負荷が示され、（ｂ）には、インペラの枚数に対して、相対減速比が示されている。 スイープ比について検討した解析結果が示されており、（ａ）には、スイープ比に対して、損失が相対的に示されており、（ｂ）には、スイープ比に対して、全圧が相対的に示されている。 インペラとディフューザとの軸間距離について検討した解析結果が示されている。 チップクリアランスが初生キャビテーションに及ぼす影響について検討した解析結果を示し、（ａ）は、インペラ表面におけるキャビテーションについて、（ｂ）は、チップクリアランスにおけるキャビテーションについて示している。 Type Aについて解析された、チップクリアランスに対する静圧係数が示されている。 Type Aについて解析された、キャビテーション係数に対するヘッド係数が示されている。 Type Aについて解析された、キャビテーション係数に対する音圧レベルが示されている。 軸流ポンプが設けられたキャビテーショントンネルを示した側断面図である。

符号の説明

１ 羽根車
３ インペラ（回転翼）
１１ ディフューザ（固定翼）

Claims (3)

1. ケーシング内に回転自在に配置した羽根車に複数の回転翼を備え、
   前記各回転翼を、前記羽根車の回転方向に前進させ、かつ子午面内で上流側に前傾させた軸流ポンプにおいて、
   前記回転翼の枚数を６〜９枚とし、
   最外周の回転翼円筒断面における翼弦上の中心位置の前縁からの距離を、最内周の回転翼円筒断面における翼弦上の中心位置の前縁からの距離で除したスイープ比が、１．５〜４．０となるように前進させた
   ことを特徴とする軸流ポンプ。
2. 前記ケーシングの内周と前記回転翼先端との間のチップ間隔が、該回転翼の翼スパンに対する比で０．００１〜０．０１０とされていることを特徴とする請求項１記載の軸流ポンプ。
   
3. 前記各回転翼の下流側に固定配置された複数の固定翼を備え、
   
   前記回転翼の後縁と前記固定翼の前縁との間の軸間距離が、回転翼直径に対する比で０．１〜０．３とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の軸流ポンプ。

Images