JP5164558B2 - 流体機械およびポンプ - Google Patents

Description

本発明は流体機械およびポンプに関し、流体（海水、雨水、排水等）を扱うポンプや水車等の流体機械の羽根の製造技術に係り、鋳物製作していた羽根を鋼板部材等の板材で形成するものである。

従来のポンプ装置の構成の一例として立軸斜流ポンプ装置を図６〜図８に示す。図６〜図８において、立軸斜流ポンプ装置１のポンプケーシング２は下端から順に吸込ベルマウス３、ボウル部４、揚水管５で構成され、上端にベンド管６を配置している。

ケーシング２の内部には回転軸７を挿通しており、回転軸７の下端に装着した羽根車８が吸込ベルマウス３およびボウル部４の内部に位置し、回転軸７を複数の軸受装置９が支持している。

ボウル部４の内部には案内羽根１０が配置してあり、案内羽根１０は複数の翼１３からなり、翼１３はチップ側がボウル部４の外筒１１に接合し、ボス側が内筒１２に接合している。

羽根車やポンプケーシングは、ポンプ性能に影響する主要な部品であり、その羽根形状は３次元の複雑な曲面形状をなしている。
このため、従来においては、羽根車やポンプケーシングの案内羽根は鋳物製作しており、その製作フローは、図９に示すように、はじめに木型の模型を製作し、次に鋳型を製作して造形組立し、鋳型に溶湯を鋳込んで鋳物を鋳造し、離型した鋳物に砂落としショットブラストを施して斫りおよび清掃を行い、その後に熱処理を施して荒引加工及び検査を行うものであった。

しかしながら、案内羽根は通常６〜１０枚の翼を必要とし、その径が大きい場合には、鋳物コスト、加工コストが高くなる。また、鋳物製作では、製作的な問題から材質や口径範囲毎に肉厚を定めており、鋳造限界がある。このため過剰肉厚と成り易く、過剰品質、コストアップとなる。

このため、案内羽根を鋼板で製作して溶接により取り付けることが提案されている。
例えば、特許文献１では、羽根車の羽根出口における流出角度がハブ側からチップ側にかけて略同一であるとともに板金製の案内羽根が前後に複数に分割されて断面がそれぞれの半径で円弧状をなし互いに回転方にずらして取り付ける構成が開示されている。

また、特許文献２では、ハブ面に直交し回転軸に交叉する基準線を想定し、この基準線に直交させて複数の平行な平面を仮想し、これらの平面と羽根車羽根の交線を同一半径の円の円弧でしかもその円中心点が同一直線上にあるようにしてそれぞれに近似し、これらの近似円弧を周面に含み前記直線上に中心軸を有する楕円筒を仮想し、この楕円筒の前記近似円弧がある部分の周面を前記直線と平行な中心軸を有する円筒で近似し、この円筒の周面の一部を切り取って羽根車羽根とし、必要に応じて羽根車羽根の入口辺の入口角および出口辺の出口角を流体の流れ角と一致するように前記円筒の径と中心軸の方向を調整する構成が開示されている。他の先行技術文献としては特許文献３〜８がある。
特開平６−２１３１８９号公報 特開２００２−１４７３９０号公報 特開平１０−１８９９７号公報 特開２００２−１９５１８５号公報 特開２００１−１０７８９７号公報 特開２００５−８３２３２号公報 特開２００１−１２３９９４号公報 特開２０００−１４５６０７号公報

ところで、鋳物製作に係る羽根形状（以下においては鋳物形状と称す）は３次元の複雑な曲線形状をなしているが、この鋳物形状をそのままに製缶化することは困難である。このために、上述した各特許文献１乃至８においては製缶するポンプケーシングの案内羽根を分割したり、羽根形状（以下においては製缶形状と称す）に種々の工夫を行っている。

しかしながら、製缶によって理想的な三次元曲面を実現するためには、複雑な構造の金型等の型を必要とし、その製作コストが高くなる。そのため、これまでの製缶形状の案内羽根は、鋳物形状の案内羽根に比べて流体ロスが大きくなり、ポンプ性能が低下する要因となっている。

本発明は上記した課題を解決するものであり、製缶による成形性を考慮して羽根のメリディアン形状を簡略化し、かつ製缶化による流体機械性能の低下を抑制することができる流体機械および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、本発明の流体機械は、ケーシング内に同軸心上に配置するボス部と、ボス部の軸心廻りに所定角度間隔で配置した複数の翼とを備え、翼は、板材を製缶により所定形状に形成してなり、かつボス側をボス部に接合して配設し、チップ側の翼端とボス側の翼端とにおいて同じ曲線形状に湾曲し、チップ側の翼面における羽根角度とボス側の翼面における羽根角度が同じである複数の異なる曲面の組み合わせからなる翼面形状をなすとともに、チップ側の入口部がボス側よりも流れ方向上流側へ所定長さに延びた形状をなし、かつ翼面の曲面形状の終端をなす基準点からこの基準点における接線方向に沿って平面状に伸長した形状をなすことを特徴とする。
本発明の流体機械は、ケーシング内に同軸心上に配置するボス部と、ボス部の軸心廻りに所定角度間隔で配置した複数の翼とを備え、翼は、板材を製缶により所定形状に形成してなり、かつボス側をボス部に接合して配設し、チップ側の翼端とボス側の翼端とにおいて同じ曲線形状に湾曲し、チップ側の翼面における羽根角度とボス側の翼面における羽根角度が同じである複数の異なる曲面の組み合わせからなる翼面形状をなすとともに、出口部の形状がチップ側とボス側における出口側の縁端をケーシング軸心方向において同じ位置に揃えた形状をなすことを特徴とする。

また、翼は、翼面形状が２つの曲率の異なる円柱面の組み合わせからなることを特徴とする。

本発明のポンプは、上述した流体機械であって、翼が回転羽根車の近傍に設けられる静置案内羽根の翼をなすことを特徴とする。

本発明のポンプは、上述した流体機械であって、翼がケーシング内で回転する回転羽根車の翼をなすことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、翼がチップ側とボス側とで同じ曲線形状に湾曲した曲面形状の翼面を備え、三次元の３軸方向に変化する複雑な形状ではなく、二次元の２軸方向にのみ変化する形状をなすので、メリディアン形状（ポンプの軸心を含む断面形状）を簡略化し、製缶化において容易な成形性を実現し、型の簡略化もしくは不要化を図って安価に製作することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態においては、先に図８に示した立軸斜流ポンプの案内羽根に本発明を適用する場合について説明し、同様の構成要素には同符号を付して説明を省略する。なお、本発明は立軸斜流ポンプの案内羽根に限らず、流体（海水、雨水、排水等）を扱う流体機械の回転羽根の製造に適用可能である。また、水車の案内羽根やランナにも適用できる。

図１〜図３は本実施の形態に係る鋼板等の板材からなる案内羽根を示すものである。図１〜図３において、案内羽根２１はポンプケーシング（ケーシングの一例）２のボウル部４の外筒２２と内筒２３の間に配設した複数の翼２４からなり、翼２４はチップ側が外筒２２に溶接で接合し、ボス側が内筒２３に溶接で接合している。

本実施の形態に係る案内羽根２１は、その製缶による成形性を考慮してメリディアン形状（ポンプの軸心を含む断面形状）を簡略化している。また、ポンプケーシング２のボウル部４をなす外筒２２と内筒２３は、上部円錐部２２ａ、２３ａ、円筒部２２ｂ、２３ｂ、下部円錐部２２ｃ、２３ｃからなり、これらの部材についても鋼板等の板材を製缶により所定形状に形成して、ポンプケーシング２の軸心方向において曲線形状を無くした形状をなす。

さらに、図５と図６において、本実施の形態における製缶化した案内羽根と従来の鋳物製作の案内羽根とを比較して示すように、メリディアン形状における流体ロス、動圧回収を考慮して、翼２４は出口部の形状がチップ側とボス側における出口側の縁端をポンプ軸心方向において同じ位置に揃えた形状をなし、出口側の縁端がポンプケーシング２の軸心と直交する方向に沿った直線形状をなし、ここでは上部円錐部２２ａ、２３ａ、円筒部２２ｂ、２３ｂの境を含む平面上に出口側の縁端がある。この結果、ボウル部４の短面化設計が可能となった。

図３において（ａ）は翼のボス側における翼断面を示し、（ｂ）は翼のチップ側における翼断面を示している。図中において破線は従来の鋳物製作に係る案内羽根の翼断面を示している。

図３に示すように、翼２４は、外筒２２および内筒２３の円筒部２２ｂ、２３ｂ、下部円錐部２２ｃ、２３ｃに対応する区間において、翼面形状が２つの曲率Ｒａ、Ｒｂの異なる円柱面をなす曲面２４ａ、２４ｂを接合点Ｐでつなぎ合わせて形成したものであり、外筒２２に接合するチップ側の翼端と内筒２３に接合するボス側の翼端とが同じ曲率Ｒａ、Ｒｂの曲線形状に湾曲して、チップ側の翼面における羽根角度とボス側の翼面における羽根角度が同じ翼面形状をなす。しかしながら、翼面の曲面形状は、２つの曲率Ｒａ、Ｒｂの異なる円柱面の組み合わせに限らず、円柱面、放物線柱面、楕円柱面等の２つの曲率や種類が異なる曲面２４ａ、２４ｂを接合点Ｐでつなぎ組み合わせて形成することも当然に可能である。

比較として示すように、従来の鋳物製作に係る案内羽根の翼断面は、チップ側とボス側において形状が相違している。
このように、翼２４がチップ側とボス側とで同じ曲率の曲線形状に湾曲した曲面形状の翼面をなすことで、翼２４は三次元の３軸方向に変化する複雑な形状ではなく、二次元の２軸方向にのみ変化する形状をなすので、製缶化において容易な成形性を実現し、型の簡略化を図って安価に製作することが可能となった。

また、翼２４が２つの曲率Ｒａ、Ｒｂの異なる曲面を組み合わせた形状をなすことで、設計パラメータを設定した設計思想を構築できる。つまり、曲率を変化させることで、異なる定格のポンプを容易に設計できる。さらに、翼２４の全体を１つの曲面で形成する場合に比べて、ポンプ性能の低下を抑制できる。また、案内羽根を分割した場合よりも性能の低下を抑制でき、施工性も向上する。

図１〜図２に示すように、翼２４は、入口部の形状がボウル部４の内筒２３の下部円錐部２３ｃよりも下方へ、つまり流れ方向上流側へ所定長さに延びた形状をなし、かつ翼面の曲面形状の終端をなす基準点からこの基準点における接線方向に沿って平面状に伸長した形状をなす。この翼２４の入口部における平面状の翼面２４ｃの羽根角度は、遠心力による周方向速度成分の大きいチップ側の翼面における羽根角度を基準としてチップ側とボス側とで同じ羽根入口角度に設定している。各翼２４の位置はボス側の内筒２３を基準として設定している。

上述したように、翼２４の入口部における平面状の翼面の羽根角度を設定することで、流れによるチップ側の迎え角による影響を小さくできる。ボス側ではチップ側に比べて若干迎え角があるが、乖離．等の性能への影響はないものと推量できる。これは表１に示す解析結果および図４に示す速度ベクトル図より明らかである。

上記実施例では、２つの円柱曲面を接合した例で説明したが、３つ以上の曲面を組み合わせても良いし、円柱面と放物線柱面の組み合わせであっても良い。なお、ここで用いる曲面とは曲率≒０の平面をも含む概念である。

図４において、（ａ）はチップ側における速度ベクトルの分布を示し、（ｂ）はボス側における速度ベクトルの分布を示している。図４に示すように、チップ側においては翼２４の羽根角度α１に対して流れ角度α２は小さくなり、ボス側においては翼２４の羽根角度α１に対して流れ角度α３は大きくなる。しかしながら、α１、α２、α３の角度差は数度で僅かである。

本発明の実施の形態における案内羽根を示す正面図 同案内羽根のチップ側の翼断面を示す断面図 （ａ）はボス側の翼断面を示す断面図、（ｂ）はチップ側の翼断面を示す断面図 解析結果を示す速度ベクトル図 本発明の実施の形態における他の角度から見た案内羽根を示す正面図 従来の鋳物製作に係る案内羽根を示す正面図 従来の鋳物製作に係る案内羽根を示し、（ａ）は軸線を通る断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視断面図 従来の立軸斜流ポンプを示す断面図 従来の鋳物製作工程を示すフロー図

符号の説明

１ 立軸斜流ポンプ装置
２ ポンプケーシング（ケーシングの一例）
３ 吸込ベルマウス
４ ボウル部
５ 揚水管
６ ベンド管
７ 回転軸
８ 羽根車
９ 軸受装置
１０ 案内羽根
１１ 外筒
１２ 内筒
１３ 翼
２１ 案内羽根
２２ 外筒
２２ａ、２３ａ 上部円錐部
２２ｂ、２３ｂ 円筒部
２２ｃ、２３ｃ 下部円錐部
２３ 内筒
２４ 翼
２４ａ、２４ｂ 曲面
２４ｃ 平面状の翼面
Ｐ 接合点

Claims (5)

1. ケーシング内に同軸心上に配置するボス部と、ボス部の軸心廻りに所定角度間隔で配置した複数の翼とを備え、
   翼は、板材を製缶により所定形状に形成してなり、かつボス側をボス部に接合して配設し、チップ側の翼端とボス側の翼端とにおいて同じ曲線形状に湾曲し、チップ側の翼面における羽根角度とボス側の翼面における羽根角度が同じである複数の異なる曲面の組み合わせからなる翼面形状をなすとともに、チップ側の入口部がボス側よりも流れ方向上流側へ所定長さに延びた形状をなし、かつ翼面の曲面形状の終端をなす基準点からこの基準点における接線方向に沿って平面状に伸長した形状をなすことを特徴とする流体機械。
2. ケーシング内に同軸心上に配置するボス部と、ボス部の軸心廻りに所定角度間隔で配置した複数の翼とを備え、
   翼は、板材を製缶により所定形状に形成してなり、かつボス側をボス部に接合して配設し、チップ側の翼端とボス側の翼端とにおいて同じ曲線形状に湾曲し、チップ側の翼面における羽根角度とボス側の翼面における羽根角度が同じである複数の異なる曲面の組み合わせからなる翼面形状をなすとともに、出口部の形状がチップ側とボス側における出口側の縁端をケーシング軸心方向において同じ位置に揃えた形状をなすことを特徴とする流体機械。
3. 翼は、翼面形状が２つの曲率の異なる円柱面の組み合わせからなることを特徴とする請求項１または２に記載の流体機械。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の流体機械であって、翼が回転羽根車の近傍に設けられる静置案内羽根の翼をなすことを特徴とするポンプ。
5. 請求項１〜３の何れか１項に記載の流体機械であって、翼がケーシング内で回転する回転羽根車の翼をなすことを特徴とするポンプ。

Images