JP2009221976A - 遠心ポンプ用羽根車及び遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】内部流路３５と外部流路３６とを有する羽根車１１を備えた遠心ポンプ１０において、通過粒径をポンプ口径比１００％に維持しつつも、小流量域で高揚程化する。
【解決手段】遠心ポンプ用羽根車１１は、内部流路３５が形成された羽根車本体、及び出口３４の位置が前縁となるように羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根３７、を備える。遠心羽根３７によって羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路３６は、出口３４に連続すると共に、羽根車本体の周面を周回している。遠心羽根３７の出口角βは、１０°以下でかつ７．５°以上に設定される。
【選択図】図３

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それを備えた遠心ポンプに関する。

従来より、汚水等の搬送に好適なポンプとして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、羽根車とケーシングとを備えている。羽根車のうち、夾雑物等の固形物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、特許文献１参照）。

特許文献１に開示された遠心ポンプの羽根車は、下面に形成された入口から上方に向かって延びる内部流路と、遠心羽根によって区画されることにより外周面に沿って周回すると共に、内部流路に連続する外部流路とを有している。この遠心ポンプでは、通過粒径（流路を通過することができる球の最大直径）がポンプの口径比１００％に設定されている。

また、特許文献２には、前記と同様に固形物を含んだ汚水等に対しても詰まりが生じにくいポンプとして、ボルテックス形ポンプが開示されている。この特許文献２に開示された羽根車では、遠心羽根の出口角を、１７．５〜３２．５°に設定しており、それによって、このボルテックス形ポンプはリミットロード特性を有するようにしている。
特開２００５−３６７７８号公報 特許第３３５２９２２号公報

こうした汚水用のポンプには、小流量域で高揚程のポンプ特性が要求されることが多い。つまり、揚程曲線（吐出量と全揚程との関係を示す曲線）の傾きを急峻にすることが求められる。

そのための方策として、羽根車の出口幅を狭くすることが考えられる。そうすることによって吐出流量が絞られるようになって揚程曲線の傾きを急峻にすることが実現し得る。

しかしながら羽根車の出口幅を狭くすることは、通過粒径を小さくすることになる。従って、通過粒径がポンプ口径比１００％とすることを維持できなくなるという不都合がある。

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、螺旋状の内部流路と揚程に寄与する外部流路とを有する羽根車を備えた遠心ポンプにおいて、通過粒径をポンプ口径比１００％に維持しつつも、小流量域で高揚程化することにある。

本発明は、羽根車の出口幅を小さくするのではなく、遠心羽根の出口角を小さくすることによって、揚程曲線の傾きを急峻にすると共に、軸動力を低下させるようにした。ここで、出口角を小さくしていくと揚程曲線の傾きは急峻になる方向に次第に変化すると共に、軸動力も次第に低下することになる。しかしながら本発明者らは、所定の出口角以下になれば、揚程曲線の傾きが変化しなくなると共に、軸動力も変化しなくなることを、実験により見出して、本発明を完成するに至ったものである。

本発明の一側面によると、遠心ポンプ用羽根車は、一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐように回転軸回りに周回しながら当該回転軸方向に延びる螺旋状の内部流路が形成された羽根車本体、及び、前記出口の位置が前縁となるように前記羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根を備えかつ、通過粒径がポンプ口径比１００％に設定された遠心ポンプ用の羽根車である。

この遠心ポンプ用羽根車は、前記遠心羽根によって前記羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路は、前記出口に連続すると共に、前記羽根車本体の周面を周回しており、前記遠心羽根の出口角は、１０°以下でかつ７．５°以上に設定されている。

前述したように、遠心羽根の出口角を小さくすることによって、揚程曲線の傾きが急峻になると共に、軸動力が低下する。このため、従来と同等の所要動力であっても、羽根車本体の外径を大きくすることが可能になり、その結果、揚程が高まることになる。つまり、小流量域での高揚程化が実現する。

ここで、遠心羽根の出口角を１０°以下にしたときには、揚程曲線の傾きも軸動力もほとんど変化しなくなるため、遠心羽根の出口角をそれ以下に小さくする必要がない。つまり、遠心羽根の出口角は、１０°以下でかつ７，５°以上に設定することが適切である。

本発明の別の側面によると、遠心ポンプは、前記の遠心ポンプ用羽根車と、前記遠心ポンプ用羽根車を収容するケーシングと、前記遠心ポンプ用羽根車を回転駆動するモータ部と、を備えている。前述したように、この遠心ポンプは、小流量域での高揚程化が実現する。

以上説明したように、本発明によると、遠心羽根の出口角を１０°以下でかつ７．５°以上に設定することによって、通過粒径をポンプ口径比１００％に維持しつつも、小流量域で高揚程化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

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である。この水中ポンプは遠心ポンプ１０からなり、羽根車１１と、羽根車１１を覆うケーシング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、これによって、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。

ケーシング１２は、その内部に、羽根車１１を覆う渦形室２６を有している。渦形室２６は、横断面視で半円状に湾曲した側壁１２ａによって区画されている。この渦形室２６の軸方向に対する幅（図１における上下方向の幅）は、後述する羽根車１１の出口３４の幅と略同じに設定されている。

ケーシング１２の下端には、下方に突出する吸込部２１が一体に形成されている。この吸込部２１には、下方に向かって開口する吸込口２２が形成されている。吸込口２２は、後述する羽根車１１の入口３３に連通している。

一方、ケーシング１２の側部には、側方に突出する吐出部２３が一体に形成されている。この吐出部２３は、渦形室２６に連通していると共に、側方に向かって開口する吐出口２４が形成されている。吐出部２３は、この実施形態ではその下流側に向かって流路径が拡大しているが、これに限らず、流路径を一定に設定してもよい。吐出部２３における入口（渦形室２６との接続口）の径は、後述する羽根車１１の出口３４の径と略同じに設定されている。つまり、吐出部２３は、羽根車１１の内部流路３５と同じ通過粒径に設定されており、このポンプの通過粒径は、ポンプ口径比１００％に設定されている。尚、吐出部２３の通過粒径は、内部流路３５の通過粒径以上であればよい。

図２〜５に示すように、羽根車１１は、上端面及び下端面とその両面の間の周面を含む略円筒形状であり、その下端面には、下向きに開口する入口３３が形成されている一方、その周面には側方に向かって開口する出口３４が形成されている。また、羽根車１１の内部には、回転軸回りに周回しながらその軸方向に延びる内部流路３５が形成されており、この内部流路３５によって入口３３と出口３４とが互いに繋がっている。図３に示すように、出口３４は、内部流路３５の延長方向に向かって開口している。入口３３及び出口３４を含む内部流路３５は、遠心ポンプ１０よりも上流側の配管径に応じて設定される通過粒径となるように構成されている。ここでは、所定の通過粒径となるように、内部流路３５の径が比較的大きく設定されている。

羽根車１１の外周面には、径方向の内方に窪んだ外部流路３６が形成されている。この外部流路３６は、回転軸方向に延びる流路ではなく、その流路中心は羽根車１１の回転軸と直交する直交面上に位置している。外部流路３６は、図３に示すように、出口３４において内部流路３５の下流側と連続している。外部流路３６は、羽根車１１の半周以上の長さにわたって周回している。具体的に、外部流路３６の下流端は、出口３４の近傍にまで延びている。尚、外部流路３６の長さは、半周以上かつ１周未満が好ましいが、特に限定されるものではない。

この外部流路３６は、羽根３７によって区画されている。この羽根３７は、いわゆる半径流形の羽根（遠心羽根）である。この遠心羽根３７によって、外部流路３６内の水が昇圧されて外周側（径方向外側）に吐出される。

遠心羽根３７の出口角βは、比較的小さく設定されており、具体的には約１０°に設定されている。これによってこの遠心ポンプ１０は、揚程曲線の傾きを急峻にすると共に、軸動力を低減させ、その分、羽根車１１の外径を大にすることを実現している。そうして、この遠心ポンプ１０では、小流量域で高揚程化が図られている。

羽根車１１において外部流路３６よりも上側には、全周にわたって側方に突出した第１フランジ部３８が形成されている。また、外部流路３６よりも下側には、同じく全周にわたって側方に突出した第２フランジ部３９が形成されている。第２フランジ部３９は、羽根車１１における、入口３３が形成された下側部分と、出口３４が形成された上側部分とを上下に仕切っている。すなわち、この羽根車１１は、入口３３と出口３４との間が第２フランジ部３９で仕切られたクローズドタイプの羽根車である。

なお、羽根車１１の上端面には、その中心にボス部３１が設けられ、このボス部３１に、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。

前記遠心ポンプ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の下側の入口３３から汚水が上方へ向かって吸い込まれる。吸い込まれた汚水は、羽根車１１内の内部流路３５を通過し、出口３４を通じて外部流路３６に至り、そこから、遠心羽根３７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を覆うケーシング１２によって受け止められ、渦形室２６内を流通した後、吐出口２４を通じてポンプ外へと排出される。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。図６は、出口角βを変化させた各遠心羽根３７を備えた遠心ポンプ１０の性能曲線（流量係数に対する、（ａ）揚程係数、（ｂ）動力係数、（ｃ）ポンプ効率）を示している。ここで、出口角βは、図３に示すように、遠心羽根３７の圧力面側の出口角β^＋と、負圧面側の出口角β⁻との平均である。出口角β＝１６．３°は、初期値に相当すると共に、１２．５°は比較例に、１０°及び７．５°は実施例にそれぞれ相当する。

先ず、予測値を参照すると、出口角βを１６．３°から、１２．５°、１０°、及び７．５°と小さくしていくことによって、揚程曲線の傾きが急峻となる方向に次第に変化すると共に、動力係数の次第に低下する。

これに対し、実測値を参照すると、出口角が１６．３°、１２．５°及び１０°にしたときは、実測値と予測値とがほぼ一致し、出口角を小さくすることに伴い、揚程曲線の傾きが急峻となる方向に次第に変化すると共に、動力係数も次第に低下する。しかしながら、出口角を７．５°にしたときには、実測値と予測値との間にずれが生じ、揚程曲線の傾き及び動力係数の値はそれぞれ、出口角が１０°のときと、ほとんど変わらない。つまり、出口角を１０°以下にしたときには、ポンプ特性はほとんど変化しないことがわかる。従って、遠心羽根３７の出口角としては、１０°以下でかつ、７．５°以上に設定することが適切であり、より好ましくは、１０°前後に設定することである。

以上説明したように、本実施形態に係る羽根車１１及び遠心ポンプ１０によると、遠心羽根３７の出口角を１０°以下でかつ、７．５°以上に設定することによって、揚程曲線の傾きが急峻になると共に、軸動力が低下する。このため、従来と同等の所要動力であっても、羽根車１１の外径を大きくすることが可能になり、その分、揚程が高まる。そうして、この遠心ポンプ１０では、小流量域での高揚程化を実現することができる。

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。 羽根車の横断面図（図５のIII−III線断面図）である。 羽根車の縦断面図（図３のIV−IV線断面図）である。 羽根車の縦断面図（図３のＶ−Ｖ線断面図）である。 実施例に係る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（羽根車本体）
１２ ケーシング
１３ 水中モータ（モータ部）
１８ 駆動軸（回転軸）
３４ 出口
３５ 内部流路
３６ 外部流路
３７ 遠心羽根

Claims (2)

1. 一端面に開口する入口と周面に開口する出口とを繋ぐように回転軸回りに周回しながら当該回転軸方向に延びる螺旋状の内部流路が形成された羽根車本体、及び、前記出口の位置が前縁となるように前記羽根車本体に設けられた一枚の遠心羽根を備えかつ、通過粒径がポンプ口径比１００％に設定された遠心ポンプ用の羽根車であって、
   前記遠心羽根によって前記羽根車本体の周面から凹陥して区画される外部流路は、前記出口に連続すると共に、前記羽根車本体の周面を周回しており、
   前記遠心羽根の出口角は、１０°以下でかつ７．５°以上に設定されている遠心ポンプ用羽根車。
2. 請求項１に記載の遠心ポンプ用羽根車と、
   前記遠心ポンプ用羽根車を収容するケーシングと、
   前記遠心ポンプ用羽根車を回転駆動するモータ部と、を備えている遠心ポンプ。

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