JP2006291917A - 遠心ポンプ用羽根車及びそれを備えた遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 螺旋状の内部流路を有する羽根車を備えた遠心ポンプにおいて、ポンプ効率を大きく低下させることなく、ポンプを小流量域で高揚程化する。
【解決手段】 羽根車は略円筒形状に形成されており、羽根車の一端には吸込口が形成され、他端側の側方には吐出口３４が形成されている。羽根車の内部には、前記吸込口と吐出口３４とをつなぐ螺旋状の１次流路３５が形成されている。羽根車は、外周部分の一部を内側に削ったような形状の２次羽根３８を備えている。２次羽根３８は、１次流路３５と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路３７を区画している。２次羽根３８の入口位置Ｐ１における通過粒径Ａは、軸方向から見て１次流路３５の螺旋状の流線Ｓ１とフランジ部４０の外周縁とが交差する位置である羽根出口位置Ｐ２の通過粒径Ｂよりも大きい。
【選択図】 図４

Description

本発明は、例えば汚水等の搬送に好適な遠心ポンプ用の羽根車及び遠心ポンプに関するものである。

従来より、汚水等の搬送に好適なポンプとして、種々の遠心ポンプが用いられている。遠心ポンプは、主要な構成要素として、羽根車とポンプケーシングとを備えている。このような羽根車のうち、異物等の固形分を含んだ汚水等に対しても詰まりが生じにくい羽根車として、内部に螺旋状の流路が形成されたノンクロッグ型の羽根車が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。

特許文献１に開示された羽根車は、下面に形成された吸込口から上方に向かって螺旋状に延びる１次流路と、１次流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路とを有している。上記羽根車では、流路の途中で通過粒径が変わらないようになっており、１次流路の直径と２次流路の幅（羽根車の軸方向の幅。以下、羽根出口幅という）とは等しくなっている。
特開２００５−３６７７８号公報

前述したように、羽根車は遠心ポンプの主要構成要素であり、羽根車の形状や寸法等を変更することによって、遠心ポンプを高揚程化することができる。ここで、螺旋状の流路を有する羽根車を小流量域（最高効率点より締め切り側）で高揚程化するためには、羽根出口幅を小さくし、羽根車の外径を大きくする必要がある。

しかし、以下に示すように、従来の構造を保ったまま単に羽根出口幅を小さくし、外径を大きくしただけでは、小流量域で十分な高揚程化を図ることは難しかった。すなわち、羽根出口幅を１次流路と共に一律に小さくして羽根車外径を大きくしただけでは、小流量域で十分な高揚程化を図ることは難しかった。

この種の羽根車では、１次流路が螺旋状であるのに対し、２次流路は円周状である等の理由により、１次流路と２次流路との境界部分において、流れの様式が変化する。また、２次流路を区画する部分を２次羽根と称すると、単に羽根出口幅を小さくし且つ外径を大きくしただけでは、２次羽根の入口部と出口部との間での流れの相対速度の減速比が小さくなりすぎる場合がある。その結果、流れの剥離が生じ、ポンプ効率が大幅に低下するおそれがあった。したがって、従来の羽根車において、単に羽根出口幅を小さくし且つ外径を大きくしただけでは、小流量域で十分な高揚程化を図ることは難しかった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、内部に螺旋状の流路を有する羽根車を備えた遠心ポンプにおいて、ポンプ効率の大幅な低下を招くことなくポンプを小流量域で高揚程化することにある。

本発明に係る羽根車は、一端に吸込口が形成され且つ他端側の側方に吐出口が形成され、内部に前記吸込口と前記吐出口とをつなぐ螺旋状の１次流路が区画された略円筒形状の遠心ポンプ用羽根車であって、外周面における前記吐出口よりも前記吸込口側の部分から前記外周面に沿って外方に突出し、前記吸込口側と前記吐出口側とを仕切るフランジ部と、前記フランジ部よりも前記吐出口側の外周部分の一部を内側に削ったような形状に形成され、前記１次流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路を区画する羽根と、を備え、前記羽根の入口位置での通過粒径は、軸方向から見て前記１次流路の螺旋状の流線と前記フランジ部の外周縁とが交差する位置である羽根出口位置の通過粒径よりも大きいものである。

上記羽根車によれば、羽根入口位置から羽根出口位置に至る間において、通過粒径が減少している。そのため、羽根出口位置における通路の幅、すなわち羽根出口幅を小さくし、且つ外径を大きくしたとしても、羽根入口位置と羽根出口位置との間での流れの相対速度の減速比は、過剰に小さくなることはない。したがって、ポンプの効率の低下を抑制することができ、小流量域で高揚程化を図ることができる。

前記羽根車は、前記羽根入口位置と前記羽根出口位置との間において、通過粒径が連続的に減少していることが好ましい。

このことにより、流れの剥離が効果的に防止され、ポンプの効率の更なる向上及び小流量域での一層の高揚程化を図ることができる。

本発明に係る他の羽根車は、一端に吸込口が形成され且つ他端側の側方に吐出口が形成され、内部に前記吸込口と前記吐出口とをつなぐ螺旋状の１次流路が区画された略円筒形状の遠心ポンプ用羽根車であって、外周面における前記吐出口よりも前記一端側の部分から前記外周面に沿って外方に突出した第１のフランジ部と、外周面における前記吐出口よりも前記吸込口側の部分から前記外周面に沿って外方に突出し、前記吸込口側と前記吐出口側とを仕切る第２のフランジ部と、前記第１のフランジ部と前記第２のフランジ部との間の外周部分を内側に削ったような形状に形成され、前記１次流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路を区画する羽根と、を備え、前記羽根の入口部分の通過粒径は、前記第１のフランジ部と前記第２のフランジ部との間の幅よりも大きいものである。

上記羽根車においても、羽根入口位置と羽根出口位置との間での流れの相対速度の減速比が過剰に小さくなることはない。したがって、ポンプの効率の低下を抑制することができ、小流量域で高揚程化を図ることができる。

前記１次流路の通過粒径は略一定であり、前記２次流路の前記羽根出口位置よりも下流側の通過粒径も一定であってもよい。

このことにより、汚水の搬送等に好適な遠心ポンプ用羽根車を得ることができる。

本発明に係る遠心ポンプは、上記遠心ポンプ用羽根車を備えたものである。

このことにより、小流量域で揚程の高い遠心ポンプを得ることができる。

本発明によれば、ポンプ効率の大幅な低下を抑制しつつ、ポンプを小流量域で高揚程化することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、実施形態に係るポンプは、汚水処理用の水中ポンプ１０である。このポンプ１０は遠心ポンプからなり、羽根車１１と、羽根車１１を覆うポンプケーシング１２と、羽根車１１を回転させる密閉型の水中モータ１３とを備えている。

水中モータ１３は、ステータ１４及びロータ１５からなるモータ１６と、モータ１６を覆うモータケーシング１７とを備えている。ロータ１５の中心部分には、上下方向に延びる駆動軸１８が設けられている。この駆動軸１８は、上部軸受１９及び下部軸受２０によって回転自在に支持されている。駆動軸１８の下端部は羽根車１１に連結されており、水中モータ１３の回転駆動力が羽根車１１に伝達されるようになっている。

ポンプケーシング１２は、羽根車１１を覆うとともに、羽根車１１から吐出される汚水をポンプ外へ排出する流路５０を形成している。ポンプケーシング１２の内部には、断面視で半円状に湾曲した側壁１２ａにより外周側を囲まれたポンプ室２６が形成されている。図２に示すように、羽根車１１は、小径の吸込部２７と、大径の吐出部２８とを備えている。図１に示すように、ポンプ室２６内には、羽根車１１の吐出部２８（図２参照）が収容されている。

ポンプケーシング１２の下部には、下方に突出した吸込部２１が形成されている。この吸込部２１には、下方に向かって開口した吸込口２２が形成されている。吸込口２２は、羽根車１１の吸込口２９に連通している。一方、ポンプケーシング１２の側部には、側方に突出した吐出部２３が形成されている。この吐出部２３には、側方に向かって開口した吐出口２４が形成されている。この吐出口２４は流路５０の出口になっており、羽根車１１から吐出された汚水は吐出口２４からポンプ外へ排出されることになる。

図２に示すように、羽根車１１には、軸方向の下側から上側に向かって順に、吸込部２７と吐出部２８とが設けられている。これらの吸込部２７及び吐出部２８は、いずれも略円筒形状に形成されており、吐出部２８は吸込部２７よりも大径に構成されている。吐出部２８の上側には、全周にわたって側方に突出した第１フランジ部３９が形成されている。吐出部２８と吸込部２７との間にも、全周にわたって側方に突出した第２フランジ部４０が形成されている。第２フランジ部４０は、羽根車１１の吐出部２８と吸込部２７とを上下に仕切っている。すなわち、この羽根車１１は、吸込部２７と吐出部２８とが第２フランジ部４０で仕切られたクローズドタイプの羽根車である。

前述したように、吸込部２７の下端には、下方に向かって開口した吸込口２９が設けられている（図１参照）。図２に示すように、吐出部２８の上側の中心部分には、ボス部３１が設けられている。ボス部３１には、駆動軸１８の先端を挿入するための取付穴３２が形成されている。

吐出部２８の上側の一部には、下方に窪んだ窪み３３が形成されている。この窪み３３により、羽根車１１の全体の重量バランスが均一化され、回転の安定性が向上している。ただし、窪み３３の大きさや形状は、何ら限定されるものではない。また、窪み３３は必ずしも必要ではなく、吐出部２８の上側部分の形状は特に限定されるものではない。例えば、吐出部２８の上側部分は面一に形成されていてもよい。

吐出部２８の上側には、ボルトやねじ等の締結具を螺合するための孔４０ａが形成されたリブ４１が設けられている。図３に示すように、吐出部２８の上側には、窪み３３を覆う蓋４２が設けられている。蓋４２は、ボルト等の締結具４３によって吐出部２８に固定されている。これにより、羽根車１１の上側がほぼ面一の状態となっている。

図２、図４及び図１１（ａ）等に示すように、羽根車１１の吐出部２８には、側方に向かって開口する吐出口３４が形成されている。図１及び図５〜図１２に示すように、羽根車１１の内部には、吸込部２７の吸込口２９から吐出口３４に至る螺旋状の１次流路３５（螺旋状流路）が区画形成されている。図４に示すように、吐出口３４は、螺旋状の１次流路３５の延長方向に向かって開口している。なお、本明細書では、この１次流路３５を区画している区画壁を１次羽根３６と称する。

図２及び図５〜図１２に示すように、吐出部２８の第１フランジ部３９と第２フランジ部４０との間には、内側に窪んだ２次流路３７が形成されている。図４に示すように、この２次流路３７は、吐出口３４において、羽根車１１内に形成された１次流路３５の下流側と連続している。そして、２次流路３７は、羽根車１１の半周以上の長さにわたって吐出部２８を周回している。２次流路３７の下流端は、吐出口３４の近傍にまで延びている。なお、２次流路３７の長さは、半周以上且つ１周未満が好ましいが、特に限定されるものではない。

２次流路３７は、非螺旋状の流路であり、その流路中心は羽根車１１の軸線と直交する直交面上に位置している。この２次流路３７を区画している区画壁を２次羽根３８と称すると、２次羽根３８はいわゆる半径流形の羽根であり、この２次羽根３８によって汚水は外周側（径方向外側）に吐出される。図４に示すように、２次流路３７の流路の横幅は、下流側に行くに従って細くなっている。また、２次羽根３８の厚みも下流側に行くに従って薄くなっている。

本実施形態では、図４に示すように、２次羽根３８の羽根出口角θ２は、１次羽根３６の羽根出口角θ１よりも小さく設定されている。ここで、羽根出口角は、羽根の出口側の先端と円周接線とのなす角で定義される。そして、この羽根車１１では、１次羽根３６の出口側の先端（下流端）３６Ａが２次羽根３８の上流端と連続しており、１次羽根３６の出口端と２次羽根３８の入口端との境界部分が曲線で連続的につながっている。すなわち、１次羽根３６と２次羽根３８とが滑らかに連続するように形成されている。

なお、通常、羽根の設計の際には、羽根の曲線を表す所定の関数を用いることが多い。本実施形態では、１次羽根３６と２次羽根３８とでは、設計の際に用いられる関数が異なっている。

ここで、２次羽根３８の入口位置（吐出口３４の位置でもある。以下、羽根入口位置という）をＰ１、軸方向から見て、１次流路３５の螺旋状の流線Ｓ１と第２のフランジ部４０の外周縁とが交差する位置を羽根出口位置Ｐ２とすると、羽根入口位置Ｐ１と羽根出口位置Ｐ２とでは、通過粒径が異なっている。すなわち、本羽根車１１では、羽根入口位置Ｐ１の通過粒径は、羽根出口位置Ｐ２の通過粒径よりも大きくなっている。なお、通過粒径とは、当該流路を通過することのできる最大の球の直径のことである。

本実施形態では、１次流路３５の通過粒径Ａは、吸込口２９の直後ではやや大きいものの、その後は吐出口３４に至るまで一定であり、ポンプ１０の吐出口の直径とほぼ等しい。そして、２次羽根３８の羽根入口位置Ｐ１から羽根出口位置Ｐ２にわたって、通過粒径は連続的に減少している。

羽根出口位置Ｐ２における通過粒径は、第１フランジ部３９と第２フランジ部４０との間の幅、すなわち２次流路３７の縦方向の幅（以下、羽根出口幅という）Ｂに等しい。この羽根出口幅Ｂは、ポンプ１０の吐出口の直径Ａよりも小さくなっている。具体的には、本実施形態では、羽根出口幅Ｂは上記吐出口の直径Ａの０．７倍に設定されている。ただし、羽根出口幅Ｂと上記直径Ａとの比率は、特に限定される訳ではない。例えば、上記比率は０．５〜０．９であってもよく、０．６〜０．８であってもよい。

なお、羽根入口位置Ｐ１から羽根出口位置Ｐ２に至る間の通過粒径の変化の態様は、何ら限定されない。上記通過粒径は、流路に沿って直線的に減少してもよいし、曲線（例えば２次曲線等）的に減少していてもよい。流れの剥離を抑制する観点から、上記通過粒径は滑らかに減少していることが好ましい。

上記ポンプ１０では、汚水は以下のようにして吐出される。すなわち、水中モータ１３によって羽根車１１が回転し、この回転によって、羽根車１１の１次羽根３６が下側の吸込口２９から汚水を上方へ向かって吸い込む。そして、吸い込まれた汚水は、羽根車１１内の螺旋状の１次流路３５を通過し、吐出口３４及び２次羽根３８によって外周側に吐出される。吐出された汚水は、羽根車１１を覆うポンプケーシング１２によって受け止められ、流路５０を流通した後、吐出口２４からポンプ外へ排出される。

この際、１次羽根３６の出口部分、言い換えると２次羽根３８の入口部分において、流れの様式が変化する。しかしながら、２次羽根３８の羽根入口位置Ｐ１での通過粒径Ａが１次流路３５の通過粒径を確保しているので、２次羽根３８の羽根入口位置Ｐ１から羽根出口位置Ｐ２（２次羽根３８の仮想的な出口位置）に向かって通過粒径が減少し、吐出部２８の外径が大きくても、これら羽根入口位置Ｐ１と羽根出口位置Ｐ２との間での流れの相対速度の減速比が過剰に小さくなることはない。そのため、流れの剥離は起こりにくい。したがって、本羽根車１１によれば、ポンプ効率の低下を招くことなく小流量域で高揚程化を図ることができる。

次に、本実施形態の効果を確認するために行った試験の結果について説明する。この試験では、本実施形態に係る羽根車１１（実施例）と、１次流路３５から２次流路３７にわたって（つまり流路の全体にわたって）通過粒径が一定の羽根車（比較例）とについて、吐出し量に対する軸動力、揚程、及びポンプ効率をそれぞれ比較した。図１３（ａ）に示すように、吐出し量が同じ場合、実施例は比較例よりも軸動力が少なくて済むことが分かる。また、図１３（ｂ）に示すように、実施例は比較例に比べて、ポンプ効率が高く、揚程が高いことが分かる。

以上のように、本実施形態によれば、羽根出口幅の小さい羽根車を得るにあたって、全流路の通過粒径を一律に小さくするのではなく、１次流路３５の通過粒径を大きく保ったまま、２次羽根３８の羽根入口位置Ｐ１から羽根出口位置Ｐ２にかけて、通過粒径を減少させることとした。そのため、全流路の通過粒径を一律に小さくする場合に比べて、ポンプ効率を向上させることができ、ポンプを小流量域で高揚程化することができる。

また、特に本実施形態では、羽根入口位置Ｐ１と羽根出口位置Ｐ２との間において、通過粒径は連続的に減少する。そのため、流れの乱れが少なくなり、ポンプ効率をより一層向上させることができる。また、小流量域で更に高揚程化することができる。

なお、上記実施形態では、羽根車１１は吸込口２９が鉛直下向きに開口するような姿勢で設置されていたが、羽根車１１の設置姿勢は何ら限定されない。例えば、吸込口２９が横方向を向くように、羽根車１１を横置き設置することも可能である。前述の説明における上下方向は説明の便宜上の方向であり、実際の設置方向を限定するものではない。

以上説明したように、本発明は、流体を搬送する遠心ポンプについて有用であり、例えば、夾雑物等を含んだ汚水を搬送する汚水処理用ポンプ等について有用である。

水中ポンプの縦断面図である。 羽根車の斜視図である。 羽根車の平面図である。 図５のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 （ａ）は図３のＤ１方向矢視図であり、（ｂ）はＤ１方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ２方向矢視図であり、（ｂ）はＤ２方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ３方向矢視図であり、（ｂ）はＤ３方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ４方向矢視図であり、（ｂ）はＤ４方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ５方向矢視図であり、（ｂ）はＤ５方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ６方向矢視図であり、（ｂ）はＤ６方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ７方向矢視図であり、（ｂ）はＤ７方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）は図３のＤ８方向矢視図であり、（ｂ）はＤ８方向から見た羽根車の縦断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、水中ポンプの性能曲線図である。

符号の説明

１０ 遠心ポンプ
１１ 羽根車
２９ 吸込口
３４ 吐出口
３５ １次流路
３７ ２次流路
３８ ２次羽根（羽根）
３９ 第１フランジ部
４０ 第２フランジ部
Ｐ１ 羽根入口位置
Ｐ２ 羽根出口位置
Ａ 羽根入口位置での通過粒径
Ｂ 羽根出口位置での通過粒径

Claims (5)

1. 一端に吸込口が形成され且つ他端側の側方に吐出口が形成され、内部に前記吸込口と前記吐出口とをつなぐ螺旋状の１次流路が区画された略円筒形状の遠心ポンプ用羽根車であって、
   外周面における前記吐出口よりも前記吸込口側の部分から前記外周面に沿って外方に突出し、前記吸込口側と前記吐出口側とを仕切るフランジ部と、
   前記フランジ部よりも前記吐出口側の外周部分の一部を内側に削ったような形状に形成され、前記１次流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路を区画する羽根と、を備え、
   前記羽根の入口位置での通過粒径は、軸方向から見て前記１次流路の螺旋状の流線と前記フランジ部の外周縁とが交差する位置である羽根出口位置の通過粒径よりも大きい、遠心ポンプ用羽根車。
2. 前記羽根入口位置と前記羽根出口位置との間において、通過粒径が連続的に減少している、請求項１に記載の渦巻ポンプ用羽根車。
3. 一端に吸込口が形成され且つ他端側の側方に吐出口が形成され、内部に前記吸込口と前記吐出口とをつなぐ螺旋状の１次流路が区画された略円筒形状の遠心ポンプ用羽根車であって、
   外周面における前記吐出口よりも前記一端側の部分から前記外周面に沿って外方に突出した第１のフランジ部と、
   外周面における前記吐出口よりも前記吸込口側の部分から前記外周面に沿って外方に突出し、前記吸込口側と前記吐出口側とを仕切る第２のフランジ部と、
   前記第１のフランジ部と前記第２のフランジ部との間の外周部分を内側に削ったような形状に形成され、前記１次流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路を区画する羽根と、を備え、
   前記羽根の入口部分の通過粒径は、前記第１のフランジ部と前記第２のフランジ部との間の幅よりも大きい、遠心ポンプ用羽根車。
4. 前記１次流路の通過粒径は略一定であり、
   前記２次流路の前記羽根出口位置よりも下流側の通過粒径は一定である、請求項１〜３のいずれか一つに記載の遠心ポンプ用羽根車。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載の遠心ポンプ用羽根車を備えた遠心ポンプ。
   
   

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