JP5125868B2 - ポンプインペラとインペラ翼 - Google Patents

Description

本発明はポンプに備えられたポンプインペラとインペラ翼に関する。

ポンプは、インペラ（ポンプインペラ）と、インペラの下流に設置された案内羽根を備えている。インペラは、シャフトの端部に取り付けられたハブと、そのハブ上に取り付けられた複数の翼（インペラ翼）で構成されており、ポンプ入口から流入する流体にエネルギーを与える。また、インペラはシュラウドで覆われており、シュラウドはポンプ入口から流入する流体の流路をハブとともに形成している。

インペラ翼の前縁部の形状は、例えば特開平５−２７２４９１号公報などに示されているように、ハブ側端部からシュラウド側端部に至るまで、概ねシャフトの径方向に沿って製作されることが多い。

特開平５−２７２４９１号公報

ところで、高いポンプ性能を実現するためには、ポンプ入口からの流れをインペラ翼で剥離させることなくスムーズに流すことが必要であり、これにはインペラ翼の前縁部における翼角度を流れの角度に近づけることが有効である。

インペラ翼に流入する流れの角度は、前縁部における流体の軸方向流速成分と回転方向流速成分がなす角度で決まる。ポンプ入口方向から前縁部に旋回の無い流れが一様に流入してくる場合、その軸方向流速成分（インペラの回転軸の軸方向の流速成分）は、ハブ側からシュラウド側までほぼ一定になる。一方、その回転方向流速成分（回転軸の回転方向の流速成分）は、回転軸からの距離に依存するのでハブ側よりシュラウド側が大きくなる。これにより、インペラ翼に流入する流れの角度はハブ側の方がシュラウド側に比べて大きくなるので、流れを剥離させることなく翼の周りをスムーズに流すためには、前縁部におけるハブ側の翼角度をシュラウド側より大きくする必要がある。

しかし、上記の形状の前縁部を有するインペラ翼（すなわち、ハブ側端部からシュラウド側端部まで概ねシャフトの径方向に沿って前縁部を形成したもの）でハブ側の翼角度をシュラウド側よりも大きくすると、翼の前縁部側（翼前半部）の形状がひねりをもった３次元曲面になる。このような曲面形状は、３次元的な金型を用いた鍛造あるいは鋳造で製造せざるを得ず、インペラ翼の製造コストが高くなる傾向がある。

本発明の目的は、高い流体性能を発揮し製造が容易なインペラ翼と、これを備えたポンプインペラを提供することにある。

（１）本発明は、上記目的を達成するために、シュラウドの内側に間隔を介して設けられ、回転軸を中心に回転するハブと、このハブに別途取り付けられ、前記ハブ側から前記シュラウド側に伸びた前縁部を有する複数のインペラ翼とを備え、前記インペラ翼は、ハブ側からシュラウド側に伸びる複数の可展面を連結して形成されており、前記インペラ翼の前縁部は、シュラウド側端部の周方向位置が、ハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれている。

このようにインペラ翼の前縁部を形成すると、シュラウド側翼角度の適正化を図りながら、インペラ翼を可展面のみで形成することができる。これによりプレスブレーキ等を用いた単純な曲げ加工を利用するだけでインペラ翼を成形できるので、高いポンプ性能を持つインペラ翼を安価に製造することができる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記シュラウド側端部の周方向位置は、前記ハブ側端部の周方向位置に対して、前記インペラ翼の前縁部における流路幅の３分の１以上に相当する距離だけ前記回転軸の回転方向と反対方向にずれている。

（３）上記（１）又は（２）において、好ましくは、前記インペラ翼の後縁部は、シュラウド側端部の周方向位置が、ハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれている。

（４）本発明は、上記目的を達成するために、シュラウドの内側に間隔を介して設けられ、回転軸を中心に回転するハブと、このハブに別途取り付けられ、前記ハブ側から前記シュラウド側に伸びた前縁部を有する複数のインペラ翼とを備え、前記インペラ翼は、ハブ側からシュラウド側に伸びる複数の可展面を連結して形成されており、前記インペラ翼の前縁部は、シュラウド側端部の周方向位置が、ハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれており、前記前縁部におけるシュラウド側端部の周方向位置は、前記インペラ翼を可展面で形成したときに前記シュラウド側端部の翼角度に現れる翼角度特性に基づいて、前記シュラウド側端部の翼角度が流れに対して適正化される位置まで前記回転軸の回転方向と反対方向にずらされている。

（５）また、本発明は、上記目的を達成するために、シュラウドの内側に間隔を介して設けられ回転軸を中心に回転するハブを備えるポンプインペラのインペラ翼において、前記インペラ翼は、ハブ側からシュラウド側に伸びる複数の可展面を連結して形成されており、前記インペラ翼の前縁部におけるシュラウド側端部の周方向位置は、前記前縁部におけるハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれている。

本発明によれば、インペラ翼を可展面で形成できるので、高いポンプ性能を発揮するインペラ翼を安価に製造できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１は本発明の実施の形態であるポンプインペラを備える斜流ポンプの全体図であり、図２は本発明の実施の形態であるポンプインペラの全体図である。

図１に示すポンプは、回転軸１を中心に回転するシャフト２と、ポンプ入口から流入する流体にエネルギーを与えるポンプインペラ（以下、インペラと称する）５０と、インペラ５０からの流体の旋回エネルギーを圧力に変換する案内羽根６０と、インペラ５０及び案内羽根６０を外側から覆って環状流路を形成するシュラウド８を備えている。案内羽根６０は、インペラ５０の下流に配置されており、シュラウド８の内側に間隔を介して固定され静止したハブ９と、ハブ９及びシュラウド８に取り付けられた複数の案内羽根翼７を備えている。

図１及び２に示すインペラ５０は、ハブ３と、インペラ翼４を備えている。

ハブ３は、シャフト２の端部に固定されており、回転軸１を中心に回転する。本実施の形態のハブ３は、図２に示す矢印３０の方向（すなわち、図２における左回り方向）に回転する。また、ハブ３は、シュラウド８の内側に間隔を介して設けられている。

インペラ翼４は、ハブ３に複数取り付けられており、流路の上流側（ポンプ入口側）の翼端である前縁部５と、流路の下流側（案内羽根６０側）の翼端である後縁部６を備えている。前縁部５は、ハブ３側からシュラウド８側に伸びており、ポンプ入口側から流入する流体を翼間に導く。本実施の形態のインペラ５０は、図に示すように、４枚のインペラ翼４を備えている。

インペラ翼４は、ハブ３側からシュラウド８側に伸びる複数の可展面３５を連結して形成されている。可展面３５とは、３次元的なひねりの無い曲面であり、平面展開可能な曲面のことを示す。一般的に、線分の両端を３次元空間内の２本の曲線上で連続的に移動させ、その線分の軌跡として定義される曲面は線織面（ルールドサーフェス）と呼ばれ、さらに平面展開可能な線織面は可展面と呼ばれる。すなわち、線織面は局所的に３次元的なひねりを含む曲面であるが、可展面は局所的には３次元的なひねりを含まない。可展面の一種としては、例えば、円筒面や円錐面がある。図２において、ハブ３側からシュラウド８側に伸びる線分３３は、可展面３５を定義する線素の１つである。線分３３は、概ねハブ３の回転方向に沿って複数配列されており、その配列方向に連続する複数の可展面３５を形成する。このようにインペラ翼４を可展面３５のみで形成すると、プレスブレーキ等を用いた単純な曲げ加工で成形できるので、製造コストを大きく低減できる。

ところで、高いポンプ性能を得るためには、前縁部５の形状を流れの方向に合わせて、前縁部５における流れの剥離を抑制する必要がある。

図３は前縁部５への流入角度を示す図であり、図４は本実施の形態のポンプインペラにおけるインペラ翼４の翼角度を示す図である。

図３において、ハブ３は円１１で示した位置に、シュラウド８は円１２で示した位置にあるものとする。ポンプ入口方向から旋回の無い流れ１０が一様に流入してくる場合、ポンプ回転軸１に平行な方向の流速成分（軸方向流速成分）１３，１４は、ハブ３側からシュラウド８側までほぼ一定になる。一方、回転しているインペラ翼４に対する回転方向の流速成分（回転方向流速成分）１５，１６は、回転軸１からの距離に依存し、図３に示すように、ハブ３側で小さく、シュラウド８側で大きくなる。このとき、インペラ翼４に流入する流れの角度は、軸方向流速成分と回転方向流速成分とのなす角度で決まるので、ハブ３側での流れの角度１７は、シュラウド８側での流れの角度１８に比べて大きくなる。したがって、前縁部５の形状は、図４に示すように、ハブ３側の端部（ハブ側端部）５２の翼角度（ハブ側翼角度）４０を大きく、シュラウド８側の端部（シュラウド側端部）５１の翼角度（シュラウド側翼角度）４１を小さく設定して流れの角度に近づける必要がある。

この翼角度の条件を満たすために、本実施の形態の前縁部５は、シュラウド側端部５１の周方向位置が、ハブ側端部５２の周方向位置よりも回転軸１の回転方向３０と反対方向にずれるように形成されている（図２参照）。より詳細には、回転軸１を含みハブ側端部５２を通過する平面（基準面Ｓ１）を設定すると、前縁部５のシュラウド側端部５１は、図２に示すように、基準面Ｓ１から回転方向３０と反対方向（すなわち、図２中の右回り方向）にＬ１だけ離れた距離に位置している。一方、前縁部５におけるハブ側端部５２は、ハブ側翼角度４０が流れの角度１７に近づくように構成されている。

上記のように前縁部５を形成した理由は、発明者らが調査を通じて得た下記の知見に基づく。その知見とは、上記のようにインペラ翼４を可展面で形成すると、前縁部５のシュラウド側端部５１の周方向位置とシュラウド側翼角度４１の間に所定の関係（以下、「翼角度特性」と称することがある）が現れるというものである。次にこの翼角度特性について図５を用いて説明する。

図５は、ハブ３の形状、シュラウド８の形状、及びハブ３側の翼形状を固定したときに、発明者らが知見した前縁部５のシュラウド側端部５１の周方向位置とシュラウド側翼角度４１との関係を示す図である。

この図のグラフが示すように、発明者らは、可展面３５のみから成るインペラ翼４の翼角度特性として、（１）シュラウド側翼角度４１を任意に設定することができないこと、（２）シュラウド側翼角度４１は、基準面Ｓ１（Ｌｏ）から回転方向３０と反対方向（すなわち、図４中の左方向）に進むにつれて小さくなり、ある位置（Ｌｍ）で最小値θｍｉｎに到達した後、徐々に再び大きくなること、（３）翼角度４１が最小値θｍｉｎとなる位置（Ｌｍ）には、基準面Ｓ１（Ｌｏ）から回転方向３０の反対方向に向かって、前縁部５における流路幅Ｗ（図１参照）のおよそ３分の１以上に相当する距離だけ離れれば到達可能であること（すなわち、「Ｗ／３＞Ｌｍ」）の３点を知見した。

この翼角度特性に基づけば、最小値θｍｉｎに達した以後は翼角度４１は単調に増加するため、基準面Ｓ１からＬｍ以上離れた領域（Ａｏ）内で翼角度４１を調節することができる。なお、本実施の形態では、ポンプ性能を向上させるためには翼角度４１をできるだけ小さくすることが好ましいため「Ｌ１＝Ｌｍ」としたが、領域Ａｏに属する部分であればシュラウド側端部５１を位置させることができる。

上記のように、本実施の形態の前縁部５におけるシュラウド側端部５１の周方向位置は、上記の翼角度特性に基づいて、シュラウド側翼角度４１が最小値θｍｉｎに到達した以後の領域（Ａｏ）に属するとともに、シュラウド側翼角度４１が流れの角度１８に近づいて適正化される位置（すなわち、基準面Ｓ１からＬ１だけ離れた位置）まで回転方向３０と反対方向にずらされている。このようにインペラ翼４を形成すると、インペラ翼４の前半部４２（図４参照）の曲面にひねりをもった３次元曲面を発生させることなく、シュラウド側翼角度４１を適正化することができる。

次に、従来のポンプインペラの形状を参照しつつ、本実施の形態の効果について説明する。

図６は従来からのポンプインペラの全体図である。
この図に示すポンプインペラにおけるインペラ翼の前縁部５５は、ハブ３Ａ側端部５６からシュラウド側端部５７に至るまで、概ねハブ３Ａの回転軸の径方向に沿って製作されている。このような前縁部形状を有するインペラ翼において、ハブ側翼角度２０を大きく設定しつつ、シュラウド側翼角度２１を小さく設定しようとすると、図に示すように、インペラ翼の前半部２２がひねりをもった３次元曲面になってしまう。このような曲面形状は、３次元的な金型を用いた鍛造あるいは鋳造で製造せざるを得ず、インペラ翼の製造コストが高くなる傾向がある。

これに対して、本実施の形態のポンプインペラは、シュラウド側端部５１の周方向位置が、ハブ側端部５２の周方向位置よりも回転軸１の回転方向３０と反対方向にずれている前縁部５を備えている。このように前縁部５を形成すると、シュラウド側翼角度４１の適正化を図りながら、インペラ翼４を可展面３５のみで形成することができる。これにより単純な曲げ加工を利用するだけでインペラ翼４を成形できるので、高いポンプ性能を持つインペラ翼を安価に製造することができる。

また、本実施の形態のインペラ翼４は、後縁部６に関しても、シュラウド側端部６１の周方向位置が、ハブ側端部６２の周方向位置よりも回転方向３０と反対方向へずらされている（図２参照）。一般に、翼の長さが短くなりすぎると、翼の単位長さあたりの負荷が増えるため、翼面から流れが剥離してポンプ性能が低下することがある。そこで、本実施の形態では、後縁部６におけるシュラウド側端部６１をハブ側端部６２に比べて回転方向３０と反対方向にずらすことによって、前縁部５のシュラウド側端部５１の周方向位置をずらしたことによるポンプ性能の低下を防止している。これにより、ポンプ性能を維持しながら安価なインペラ翼４を製造することができる。

なお、後縁部６におけるシュラウド側端部６１をずらす距離は、前縁部５のシュラウド側端部５１の周方向位置をずらした距離と同程度とすることが好ましい。また、後縁部６におけるハブ側端部６２とシュラウド側端部６１の角度差３２は、０度以上であれば大きな問題は生じないということが流体シミュレーションで確認された。

本発明の実施の形態であるポンプインペラを備える斜流ポンプの全体図。 本発明の実施の形態であるポンプインペラの全体図。 本発明の実施の形態であるポンプインペラにおけるインペラ翼の前縁部への流入角度を示す図。 本実施の形態のポンプインペラにおけるインペラ翼の翼角度を示す図。 本発明の実施の形態のポンプインペラにおいて発明者らが知見した翼角度特性を示す図。 従来のポンプインペラの全体図。

符号の説明

１ 回転軸
３ ハブ
４ インペラ翼
５ 前縁部
６ 後縁部
８ シュラウド
１７ ハブ３側におけるインペラ翼４に対する流れの角度
１８ シュラウド８側におけるインペラ翼４に対する流れの角度
３０ インペラ翼４の回転方向
３５ 可展面
４０ ハブ側翼角度
４１ シュラウド側翼角度
５１ 前縁部５におけるシュラウド側端部
５２ 前縁部５におけるハブ側端部
６１ 後縁部６におけるシュラウド側端部
６２ 後縁部６におけるハブ側端部

Claims (5)

1. シュラウドの内側に間隔を介して設けられ、回転軸を中心に回転するハブと、
   このハブに別途取り付けられ、前記ハブ側から前記シュラウド側に伸びた前縁部を有する複数のインペラ翼とを備え、
   前記インペラ翼は、ハブ側からシュラウド側に伸びる複数の可展面を連結して形成されており、
   前記インペラ翼の前縁部は、シュラウド側端部の周方向位置が、ハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれていることを特徴とするポンプインペラ。
2. 請求項１記載のポンプインペラにおいて、
   前記シュラウド側端部の周方向位置は、前記ハブ側端部の周方向位置に対して、前記インペラ翼の前縁部における流路幅の３分の１以上に相当する距離だけ前記回転軸の回転方向と反対方向にずれていることを特徴とするポンプインペラ。
3. 請求項１又は２記載のポンプインペラにおいて、
   前記インペラ翼の後縁部は、シュラウド側端部の周方向位置が、ハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれていることを特徴とするポンプインペラ。
4. シュラウドの内側に間隔を介して設けられ、回転軸を中心に回転するハブと、
   このハブに別途取り付けられ、前記ハブ側から前記シュラウド側に伸びた前縁部を有する複数のインペラ翼とを備え、
   前記インペラ翼は、ハブ側からシュラウド側に伸びる複数の可展面を連結して形成されており、
   前記インペラ翼の前縁部は、シュラウド側端部の周方向位置が、ハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれており、
   前記前縁部におけるシュラウド側端部の周方向位置は、前記インペラ翼を可展面で形成したときに前記シュラウド側端部の翼角度に現れる翼角度特性に基づいて、前記シュラウド側端部の翼角度が流れに対して適正化される位置まで前記回転軸の回転方向と反対方向にずらされていることを特徴とするポンプインペラ。
5. シュラウドの内側に間隔を介して設けられ回転軸を中心に回転するハブを備えるポンプインペラのインペラ翼において、
   前記インペラ翼は、ハブ側からシュラウド側に伸びる複数の可展面を連結して形成されており、
   前記インペラ翼の前縁部におけるシュラウド側端部の周方向位置は、前記前縁部におけるハブ側端部の周方向位置よりも前記回転軸の回転方向と反対方向にずれていることを特徴とするインペラ翼。

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