JP7488120B2 - キャビテーション抑制装置および渦巻ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ポンプ内部におけるキャビテーションの発生を抑制する装置に関する。また、本発明はそのようなキャビテーション抑制装置を備えた渦巻ポンプに関する。

渦巻ポンプは、液体（例えば、水）を輸送するための流体機械であり、羽根車が固定される回転軸と、羽根車入口への液体の導入および羽根車出口からの液体を出口方向に変換させる流路を形成するケーシングとを備えている。渦巻ポンプは、羽根車をケーシング内で回転させることにより液体をケーシング内で昇圧し、昇圧された液体を吐出し口から外部に吐き出す。

渦巻ポンプでは、液体の流れを羽根車に導くための舌部が羽根車の入口付近（吸込流路の出口付近）に設けられることがある。このような舌部は、例えば板状の形状を有しており、ケーシングの内面から羽根車の径方向内側に向けて突出している。（特許文献１参照）ポンプに吸い込まれた液体は、旋回しながら羽根車の入口に吸い込まれる。羽根車の入口に接近した液体は、舌部に衝突することによって流れ方向を羽根車の入口に向かう方向に変えられる。その結果、液体はスムーズに羽根車に導かれる。

特開平８－１０９８９３号公報

液体が舌部に衝突することによって、舌部の周りでの液体が減速し、羽根車の入口に入る液体の流速が不均一になる。従来の渦巻ポンプでは、この液体の流速の不均一に起因して舌部の先端からキャビテーションが発生したり、液体の流れが乱れることがあった。このようなキャビテーションは、ポンプの運転中の騒音や、羽根車の損傷の原因となり、ポンプ性能を低下させる一因となっていた。また、液体の流れが乱れることは、キャビテーションの発生や、ポンプ性能を低下させる一因となっていた。

そこで本発明は、液体を羽根車に導きつつ、液体の均一な流れを形成し、かつキャビテーションの発生を抑制することができるキャビテーション抑制装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このようなキャビテーション抑制装置を備えた渦巻ポンプを提供することを目的とする。

一態様では、回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングとを備えた渦巻ポンプの吸込みボリュートの内面に固定されるキャビテーション抑制装置であって、前記吸込みボリュートの内面側から前記羽根車の径方向内側に向けて突出した舌部を備え、前記舌部の先端縁は、前記回転軸に垂直な第１方向から見たときに前記羽根車に向かって前記回転軸から遠ざかる方向に傾いており、かつ前記回転軸および前記第１方向の両方に垂直な第２方向から見たときに前記羽根車に向かって前記第１方向に傾いている、キャビテーション抑制装置が提供される。

一態様では、回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングを備え、前記ケーシングは、吸込み口に連通する吸込みボリュートを有し、前記吸込みボリュートの内面には、キャビテーション抑制装置が設けられており、前記キャビテーション抑制装置は、前記吸込みボリュートの内面側から前記羽根車の径方向内側に向けて突出した舌部を備え、前記舌部の先端縁は、前記回転軸に垂直な第１方向から見たときに前記羽根車に向かって前記回転軸から遠ざかる方向に傾いており、かつ前記回転軸および前記第１方向の両方に垂直な第２方向から見たときに前記羽根車に向かって前記第１方向に傾いている、渦巻ポンプが提供される。

一態様では、前記キャビテーション抑制装置は、前記吸込みボリュートの内面に着脱可能に取り付けられている。
一態様では、前記渦巻ポンプは、両吸込渦巻ポンプであって、前記キャビテーション抑制装置は、前記羽根車を挟んで前記吸込みボリュートの内面の両側に設けられている。

舌部は、羽根車の流入口における液体の均一な流れを形成し、流入口における液体の速度分布や旋回角度分布の均一性を改善することができる。結果として、キャビテーション抑制装置は、キャビテーションの発生を抑制し、ポンプ性能を向上させることができる。また、キャビテーション抑制装置は、舌部による流れの減速現象を緩和し、圧力損失を低減し、かつより均一な液体の流れを羽根車に形成し、ポンプ効率を向上させることもできる。

渦巻ポンプの一実施形態を示す縦断面図である。 渦巻ポンプの一実施形態を示す水平断面図である。 図１の渦巻ポンプから回転軸を取り除いた図である。 キャビテーション抑制装置の拡大図である。 図３のＢ－Ｂ線断面図である。 図３のＣ－Ｃ線断面図である。 羽根車に流入する液体の速度ベクトルを示す図である。 図８（ａ）は、キャビテーション抑制装置を備えた渦巻ポンプの羽根車の流入口における液体の旋回角度の分布を示す図であり、図８（ｂ）は、板状の形状を有する従来の舌部を備えた渦巻ポンプの羽根車の流入口における液体の旋回角度の分布を示す図である。 図９（ａ）は、キャビテーション抑制装置を備えた渦巻ポンプの羽根車の流入口における液体の速度分布を示す図であり、図９（ｂ）は、板状の形状を有する従来の舌部を備えた渦巻ポンプの羽根車の流入口における液体の速度分布を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は渦巻ポンプの一実施形態を示す縦断面図であり、図２は渦巻ポンプの一実施形態を示す水平断面図である。図１および図２に示すように、渦巻ポンプは、回転軸１と、回転軸１に固定された羽根車２と、羽根車２を収容して液体の流路を形成するケーシング３と、ケーシング３に固定された複数の脚部５を備えている。図１には１つの脚部５のみが図示されている。図１に示すように、羽根車２は、２つの流入口２ａと、１つの液体出口２ｂを具備した両吸込型羽根車である。２つの流入口２ａは羽根車２の両側にあり、互いに反対方向を向いている。液体出口２ｂは羽根車２の外周部に位置している。本実施形態の渦巻ポンプは、両吸込型羽根車を備えた両吸込渦巻ポンプである。

ケーシング３は渦巻き形状を有している。ケーシング３は、回転軸１の中心軸線ＡＸを通る水平面で分割された上ケーシング３ａと下ケーシング３ｂとを備えている。複数の脚部５は、下ケーシング３ｂの底部に接続されている。下ケーシング３ｂは、液体の吸込み口６と、羽根車２によって昇圧された液体を吐き出す吐出し口７とを有している。吸込み口６および吐出し口７は互いに反対方向を向いている。

図１に示すように、回転軸１は、ケーシング３の両側に配置された複数の軸受１０によって回転可能に支持されている。回転軸１とケーシング３との間の隙間は、複数の軸シール装置１１によって封止されている。軸シール装置１１は、例えばメカニカルシールである。図２では軸受１０および軸シール装置１１の図示は省略されている。

上ケーシング３ａおよび下ケーシング３ｂは、吸込み口６に連通する吸込みボリュート２０を有している。吸込みボリュート２０は、吸込み口６から羽根車２の２つの流入口２ａまで延びている。上ケーシング３ａおよび下ケーシング３ｂは、吐出し口７に連通する吐出しボリュート２２をさらに有している。吐出しボリュート２２は、羽根車２の液体出口２ｂから吐出し口７まで延びている。

回転軸１は図示しない原動機（電動機または内燃機関など）に接続されている。原動機によって回転軸１および羽根車２が回転すると、液体は、吸込み口６を通じてケーシング３内に吸い込まれる。液体は、吸込みボリュート２０を通って羽根車２の流入口２ａに流入し、羽根車２の回転に伴って羽根車２の液体出口２ｂから吐出しボリュート２２に吐き出される。液体は吐出しボリュート２２を流れて吐出し口７から吐き出される。

図２に示すように、渦巻ポンプは、吸込みボリュート２０を通った液体を羽根車２の流入口２ａに導くための２つのキャビテーション抑制装置３０をさらに備えている。キャビテーション抑制装置３０は、吸込みボリュート２０の内面に設けられている。具体的には、２つのキャビテーション抑制装置３０は、吸込みボリュート２０の出口に設けられており、流入口２ａに近接している。２つのキャビテーション抑制装置３０は、羽根車２を挟んで吸込みボリュート２０の内面の両側に設けられている。

図３は、図１の渦巻ポンプから回転軸１を取り除いた図であり、図４は、キャビテーション抑制装置３０の拡大図であり、図５は、図３のＢ－Ｂ線断面図であり、図６は図３のＣ－Ｃ線断面図である。図４では、回転軸１の図示は省略されている。図２乃至図６に示すように、キャビテーション抑制装置３０は、吸込みボリュート２０の内面に接触する基部３２と、吸込みボリュート２０の内面側から羽根車２の径方向内側に向けて突出した舌部３４とを備えている。具体的には、舌部３４は、基部３２から羽根車２の径方向内側に向けて突出している。吸込みボリュート２０を通った液体が舌部３４に衝突すると、液体の流れ方向が羽根車２の流入口２ａに向かう方向に変えられる。本実施形態では、基部３２と舌部３４は一体に形成されている。

図２に示すように、下ケーシング３ｂは、ねじ孔４０を有している。図５および図６に示すように、基部３２は、ねじ孔４０にねじ込まれた複数のボルト４１によって下ケーシング３ｂに固定されている。図５および図６には、１つのボルト４１のみが図示されている。基部３２がボルト４１によって下ケーシング３ｂに固定されることで、キャビテーション抑制装置３０は、吸込みボリュート２０の内面に固定される。

図２に示すように、舌部３４の先端縁３４ａは、回転軸１に垂直な第１方向から見たときに羽根車２に向かって回転軸１から遠ざかる方向に傾いている。本実施形態では、上記第１方向は、下向きの方向である。図２、図５、および図６に示すように、先端縁３４ａの位置は、回転軸１の軸方向において羽根車２に向かうにつれて羽根車２の径方向外側に移動する（図５および図６では回転軸１は図示せず）。

舌部３４の先端縁３４ａを、回転軸１に垂直な第１方向から見たときに羽根車２に向かって回転軸１から遠ざかる方向に傾けることで、流入口２ａに近い領域、すなわちキャビテーション等が起こりやすい領域では、液体と舌部３４との衝突範囲を小さくすることができる。結果として、キャビテーションの発生や、液体の流れの乱れにより生じた渦を抑制することができる。一方、流入口２ａから離れた領域、すなわちキャビテーション等が起こりにくい領域では、液体と舌部３４との衝突範囲を十分に確保することができる。液体と舌部３４との衝突範囲を十分に確保することで、効率よく液体に旋回をつけた状態で、液体を羽根車２に流入させることができる。結果として、キャビテーション抑制装置３０は、液体を羽根車２の流入口２ａに導きつつ、設計した旋回をつけることおよびより均一な液体の流れを羽根車に形成することができ、減速による圧力損失を低減し、かつキャビテーションの発生等を抑制することができる。

本実施形態では、舌部３４の先端縁３４ａの一部は、回転軸１の軸方向から見たときに羽根車２の流入口２ａの内側に位置しているが、一実施形態では、先端縁３４ａは、回転軸１の軸方向から見たときに羽根車２の流入口２ａの外側に位置していてもよい。

図３に示すように、舌部３４の先端縁３４ａは、回転軸１および上記第１方向の両方に垂直な第２方向から見たときに羽根車２に向かって第１方向にさらに傾いている。本実施形態では、第２方向は、図３に示す渦巻ポンプの縦断面に垂直な方向である。舌部３４の先端縁３４ａを、回転軸１および第１方向の両方に垂直な第２方向から見たときに羽根車２に向かって第１方向に傾けることで、渦巻き形状を有するケーシング３からの旋回付きの流れをスムーズに流入口２ａに導くことができる。結果として、舌部３４と液体の衝突による液体の流れの乱れを緩和させることができる。

したがって、キャビテーション抑制装置３０は、キャビテーションの発生を抑制することができ、かつ流入口２ａにおける液体の均一な流れを形成し、流入口２ａにおける液体の速度分布や旋回角度分布の均一性を改善することができる。

図７は、羽根車２に流入する液体の速度ベクトルを示す図である。ここで液体の旋回角度とは、羽根車２が図７に示す矢印の方向に回転しているときの、周方向における液体の速度ベクトルＶｔと、ベクトルＶ１とが成す角度αのことである。図７のベクトルＶｍは、羽根車２の翼２ｄへの流入方向における液体の速度ベクトルである。ベクトルＶ１は、ベクトルＶｍと、ベクトルＶｔとの合成ベクトルであり、静止座標系から見た液体の絶対速度を表す速度ベクトルである。

流入口２ａにおける液体の速度分布や旋回角度分布の均一性を改善することによって、流入口２ａから羽根車２の各翼２ｄに与える角運動量が均一になり、流入口２ａの旋回角度と翼２ｄ先端角度の一致性を確保することによって、キャビテーションの発生を抑制することができる。結果として、キャビテーション抑制装置３０は、キャビテーションの発生を抑制し、ポンプ性能を向上させることができる。

図８（ａ）は、キャビテーション抑制装置３０を備えた渦巻ポンプの羽根車２の流入口２ａにおける液体の旋回角度の分布を示す図であり、図８（ｂ）は、板状の形状を有する従来の舌部を備えた渦巻ポンプの羽根車１００の流入口１００ａにおける液体の旋回角度の分布を示す図である。羽根車２と羽根車１００は同一の構造を有している。図８（ａ）および図８（ｂ）は、流体解析シミュレーションによる結果を示している。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、キャビテーション抑制装置３０を備えた渦巻ポンプは、従来の渦巻ポンプよりも、羽根車２の流入口２ａにおける液体の旋回角度の分布の均一性を改善することができることをシミュレーション結果は示している。

図９（ａ）は、キャビテーション抑制装置３０を備えた渦巻ポンプの羽根車２の流入口２ａにおける液体の速度分布を示す図であり、図９（ｂ）は、板状の形状を有する従来の舌部を備えた渦巻ポンプの羽根車１００の流入口１００ａにおける液体の速度分布を示す図である。図９（ａ）および図９（ｂ）は、流体解析シミュレーションによる結果を示している。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、キャビテーション抑制装置３０を備えた渦巻ポンプは、従来の渦巻ポンプよりも、羽根車２の流入口２ａにおける液体の速度分布の均一性を改善することができることをシミュレーション結果は示している。

本実施形態のキャビテーション抑制装置３０は、吸込みボリュート２０の内面に着脱可能に取り付けられている。キャビテーション抑制装置３０の着脱可能な構成は、舌部３４の設計変更への対応や、キャビテーション抑制装置３０のメンテナンスを容易にする。一実施形態では、キャビテーション抑制装置３０は、吸込みボリュート２０と一体に形成されていてもよい。

本実施形態の渦巻ポンプは、両吸込型羽根車を備えた両吸込渦巻ポンプであるが、本実施形態のキャビテーション抑制装置３０は、片吸込渦巻ポンプにも適用することができる。一実施形態では、本実施形態のキャビテーション抑制装置３０は、回転軸１が縦方向に延びている渦巻ポンプにも適用することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 回転軸
２ 羽根車
３ ケーシング
５ 脚部
６ 吸込み口
７ 吐出し口
１０ 軸受
１１ 軸シール装置
２０ 吸込みボリュート
２２ 吐出しボリュート
３０ キャビテーション抑制装置
３２ 基部
３４ 舌部
３４ａ 先端縁
４０ ねじ孔
４１ ボルト

Claims (4)

1. 回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記羽根車を収容するケーシングとを備えた渦巻ポンプの吸込みボリュートの内面に固定されるキャビテーション抑制装置であって、
   前記吸込みボリュートの内面側から前記羽根車の径方向内側に向けて突出した舌部を備え、
   前記舌部の先端縁は、前記回転軸に垂直な第１方向から見たときに前記羽根車に向かって前記回転軸から遠ざかる方向に傾いており、かつ前記回転軸および前記第１方向の両方に垂直な第２方向から見たときに前記羽根車に向かって前記第１方向に傾いており、
   前記先端縁は、前記回転軸の軸方向から見たときに前記羽根車の流入口の外側に位置している、キャビテーション抑制装置。
2. 回転軸と、
   前記回転軸に固定された羽根車と、
   前記羽根車を収容するケーシングを備え、
   前記ケーシングは、吸込み口に連通する吸込みボリュートを有し、
   前記吸込みボリュートの内面には、キャビテーション抑制装置が設けられており、
   前記キャビテーション抑制装置は、前記吸込みボリュートの内面側から前記羽根車の径方向内側に向けて突出した舌部を備え、
   前記舌部の先端縁は、前記回転軸に垂直な第１方向から見たときに前記羽根車に向かって前記回転軸から遠ざかる方向に傾いており、かつ前記回転軸および前記第１方向の両方に垂直な第２方向から見たときに前記羽根車に向かって前記第１方向に傾いており、
   前記先端縁は、前記回転軸の軸方向から見たときに前記羽根車の流入口の外側に位置している、渦巻ポンプ。
3. 前記キャビテーション抑制装置は、前記吸込みボリュートの内面に着脱可能に取り付けられている、請求項２に記載の渦巻ポンプ。
4. 前記渦巻ポンプは、両吸込渦巻ポンプであって、
   前記キャビテーション抑制装置は、前記羽根車を挟んで前記吸込みボリュートの内面の両側に設けられている、請求項２または３に記載の渦巻ポンプ。

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