JP5781335B2 - ポンプ逆転水車 - Google Patents

Description

この発明は、ポンプとしての使用を主として設計されるポンプ逆転水車に関するものである。

揚水等に用いるポンプとして、渦巻きポンプやディフューザポンプが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この種のポンプは、略放射方向に延出する複数の羽根を備えた羽根車がケーシング内に配置され、羽根車を電動機等の駆動源によって回転させることにより、ケーシングの軸方向から吸い込んだ液体を周方向成分を持ちながら半径方向外側に吐出する。羽根車の各羽根は円盤状のベース部材に等間隔に設置され、駆動回転時に後縁となる径方向外側の領域が回転方向と逆向きに湾曲している。各羽根の後縁の延出端は羽根車の外周円の接線方向に略沿う平面で切断された形状とされている。また、ケーシングには、軸方向の端面に吸い込み口が設けられるとともに、羽根車の外周側に、羽根車の外周を取り囲む環状通路と、その環状通路から略接線方向に延出する直線通路と、から成る吐出通路が設けられている。

ところで、この種のポンプは、ポンプとしての使用を主としつつ、必要に応じて液体の流れを動力に変換するポンプ逆転水車として用いられることがある。このポンプ逆転水車は、例えば、高層ビルの上階の貯水槽に水を汲み上げるときにポンプとして作動させ、その汲み上げた水を流下させる際の余剰エネルギーを電力として取り出すときに水車として作動させる。

特開平５−１８７３９８号公報

上記従来のポンプは、ポンプ逆転水車として用いる場合には、ポンプ部品の各部がポンプ運転に適した形状に設計されているため、水車として運転するときにポンプ部品の各部に水流が衝突し、このとき起こる乱流によって水車効率が大きく低下してしまう。
この対策としては、ポンプ部品をポンプ運転と水車運転の両方に適した専用設計にすることも考えられるが、この場合には、ポンプ部品の各部の形状が複雑になるうえ、専用部品の追加を余儀なくされ、大幅な製品コストを招いてしまう。

そこでこの発明は、製品コストの高騰を招くことなく、簡単な構成によって水車効率を高めることのできるポンプ逆転水車を提供しようとするものである。

この発明に係るポンプ逆転水車では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、略放射状に延出する複数の羽根を有するランナ（ポンプ羽根車に相当）と、前記ランナを内部に回転可能に収容するケーシングと、を備え、前記ケーシングの内部に、前記ランナの外周側を取り囲む環状通路と、この環状通路から略接線方向に延出する直線通路とが設けられ、ポンプ運転時には、前記ランナの回転によって軸方向から吸い込んだ液体を、前記環状通路を通して前記直線通路に吐出し、水車運転時には、前記直線通路から前記環状通路に導入された液体によって前記ランナを回転させるポンプ逆転水車であって、前記ランナの各羽根の径方向外側の端縁が、先端側に向かって曲率半径が漸減する曲面形状に形成されていることを特徴とするものである。
これにより、水車運転時に直線通路から環状通路に液体が導入されると、その液体はランナの各羽根の径方向外側から内側に沿って流れ込み、このときランナに回転力を生じさせる。液体が各羽根の径方向外側の端縁に沿って流れ込むときには、液体はその端縁の曲面形状に滑らかに沿って流動する。
さらに、請求項１に係る発明は、請求項１に係るポンプ逆転水車において、前記直線通路と環状通路との分岐部に、当該環状通路の接線方向に略沿ってケーシング内側に突出する舌片部を備え、前記舌片部が、基部側から先端部側に向かって肉厚が漸減する形状に形成されていることを特徴とするものである。
これにより、水車運転時に直線通路から液体が導入されると、その液体は、直線通路と環状通路との分岐部に突設された舌片部に沿って先端側に向かって滑らかに流動する。

この発明によれば、水車運転時には、ランナの各羽根の径方向外側の縁部に設けられた曲面形状によって、衝突損失を招くことなく、スムーズに隣接する羽根間に液体を流入させることができるため、製品コストの高騰を招くことなく、簡単な構成によって水車効率を高めることができる。

この発明の一実施形態のポンプ逆転水車の図２のＡ−Ａ断面に対応する断面図である。 この発明の一実施形態のポンプ逆転水車の図１のＢ−Ｂ断面に対応する断面図である。 この発明の一実施形態のポンプ逆転水車の図１のＣ部の拡大図である。 この発明の一実施形態のポンプ逆転水車の図１のＤ部の拡大図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明においては、特別に断らない限り、「上」「下」については鉛直方向における上下を意味するものとする。また、各図中符号を付していない黒塗りの矢印は、ポンプ運転時における液体の流れを示し、同じく符号を付していない白抜き矢印は、水車運転時における液体の流れを示している。

図１，図２は、この発明の一実施形態に係るポンプ逆転水車１の概略構成を示す図であり、図１は、ポンプ逆転水車１を略水平方向で切った断面図であり、図２は、ポンプ逆転水車１を略鉛直方向で切った断面図である。
ポンプ逆転水車１は、渦巻きポンプの形態を成し、略放射方向に延出する複数の羽根１１…を有するランナ２と、このランナ２を内部に収容するケーシング３とを備えている。ランナ２には、回転シャフト４が同軸に連結され、この回転シャフト４とランナ２がケーシング３の軸心部に回転可能に支持されている。回転シャフト４には、発電機と電動機の機能を併せ持つ図示しない発電電動機が連結されている。なお、図１，図２中のＯは、回転シャフト４とランナ２の回転中心である。

ランナ２は、回転シャフト４に連結された円盤状のベース部材１２を備え、そのベース部材１２の下面側に軸心方向に向かって湾曲しながら***する湾曲ガイド面１２ａが設けられている。この湾曲ガイド面１２ａには上記の複数の羽根１１…の上面側が固定されている。この複数の羽根１１は下面側が連結リング１３によって相互に連結されている。連結リング１３の中央の開口は、導入された液体が軸方向に沿って流れるランナ２の軸方向の入出口とされ、隣接する羽根１１，１１間の隙間は、導入された液体が略半径方向に沿って流れるランナ２の径方向の入出口とされている。

ベース部材１２上に配置される各羽根１１は上記のようにベース部材１２の略放射方向に延出しているが、より正確には、各羽根１１は、図１に示すように、径方向外側の縁部が内側の縁部に対してポンプ運転時における回転方向Ｐと逆向きに湾曲している。したがって、ポンプ運転時にランナ２がＰ方向に回転すると、各羽根１１は回転中心Ｏ回りに旋回しつつ、中心側に導入された液体を遠心力によって円滑に径方向外側に吐出することになる。
また、各羽根１１の径方向外側の端縁は、図３に拡大して示すように、ランナ２の外周円の接線方向に略沿う平面Ｑで切断された形状ではなく、先端側に向かって曲率半径が漸減する曲面形状とされている。なお、図３中の１４は、羽根１１の径方向外側の端縁の曲率半径が漸減する曲面である。

一方、ケーシング３は、ランナ２の外周側を取り囲む環状通路１５と、その環状通路１５から略接線方向に延出する直線通路１６とを備え、環状通路１５の内周側がランナ２の外周側の径方向の入出口（隣接する羽根１１，１１間の隙間）に臨むとともに、直線通路１６の端部がポンプ運転時に吐出側となる外部の図示しない配管に接続されている。また、ケーシング３の下面の略中央には、ランナ２の中央の軸方向の入出口に連通する軸心通路１７が設けられ、その軸心通路１７がポンプ運転時に吸入側となる外部の図示しない配管に接続されている。

ところで、ランナ収容部１８ａを含むケーシング本体１８には、環状通路１５を構成する壁部１８ｂが一体に形成されている。この壁部１８ｂは環状通路１５の略円形の中空断面を形成している。以下、この壁部１８ｂを「中空断面壁１８ｂ」と呼ぶものとする。中空断面壁１８ｂの一部には、直線通路１６を形成する略直線状の直管部材１９が接合されている。
ケーシング本体１８の中空断面壁１８ｂの内径は一定ではなく、直管部材１９が接続される領域の内径が最も大きく、その領域からランナ収容部１８ａの周囲に沿って延出するに従って漸次内径が小さくなっている。したがって、中空断面壁１８ｂによって造形される環状通路１５はほぼ渦巻き形状を成し、中空断面壁１８ｂのうちの直管部材１９の側面に突き当たる領域の近傍の内径が最も小さくなっている。
この環状通路１５の内径の最も小さい領域と内径の最も大きい領域の間の部分は直線通路１６と環状通路１５との分岐部となり、その分岐部には、舌片部２０が設けられている。この舌片部２０は、環状通路１５の接線方向に略沿ってケーシング３内側に突出している。

舌片部２０は、図４に拡大して示すように、基部側から先端部側にかけての肉厚が一定ではなく、基部側から先端部側に向かって肉厚が漸減するように形成されている。そして、舌片部２０の先端部は、曲率半径が先端に向かって漸減する曲面によって形成されている。
なお、図２中の２１は、ケーシング本体１８内に取り付けられ、ランナ２と環状通路１５の間で液体の流れを整流する整流板である。整流板２１は、図１においては図示を省略している。

以上の構成において、このポンプ逆転水車１をポンプとして作動させる場合には、発電電動機の動力によってランナ２を図１のＰ方向に駆動回転させる。こうして、ランナ２が回転すると、ランナ２上の羽根１１…の旋回によって下方の軸心通路１７から吸い上げられた液体が環状通路１５を介して直線通路１６に吐出されるようになる。

一方、このポンプ逆転水車１を水車として作動させる場合には、直線通路１６に導入された液体を環状通路１５を通してランナ２の外周側に流入させる。こうして、ランナ２に外周側から液体が旋回して流入すると、その液体はランナ２上の各羽根１１をＧ方向に押圧しつつ、各羽根１１の外面形状に略沿って径方向外側から内側へと流入する。このときランナ２の中心側に流入した液体は軸心通路１７に排出され、ランナ２は各羽根１１に作用する押圧力によってＧ方向に回転する。これにより、発電電動機は回転シャフト４を介して駆動され、その駆動力によって発電を行うことになる。

このポンプ逆転水車１は、ランナ２の各羽根１１の径方向外側の縁部が、先端側に向かって曲率半径が漸減する曲面形状に形成されているため、水車運転時に、液体がランナ２の各羽根１１の径方向外側の端縁に沿ってランナ２の中心側に流れ込むときには、図３に示すように、液体が各羽根１１の端縁の曲面形状に沿って滑らかに流動する。したがって、液体が各羽根１１の径方向外側の端部に衝突することによる損失の発生を未然に防止し、水車効率を確実に向上させることができる。

そして、このポンプ逆転水車１の場合、成形や部品設置の容易なランナ２の各羽根１１に簡単な改良を加えるだけで水車効率を向上させることができるため、製造コストの大幅な高騰を抑制することができる。即ち、ランナ２はケーシング３の内部に設置する前の段階で別の場所で製造する部品であり、しかも、各羽根１１は加工後にベース部材に組み付けるものであるため、羽根部１１に対する加工を比較的容易に行なうことができるとともに、ケーシング３内への設置にも支障を来たすことがない。

また、このポンプ逆転水車１においては、ケーシング３側の直線通路１６と環状通路１５との分岐部に、環状通路１５の接線方向に略沿ってケーング３内側に突出する舌片部２０が設けられ、その舌片部２０が、基部側から先端部側に向かって肉厚が漸減する形状とされているため、水車運転時における舌片部２０でのウェークによる乱流の発生を抑制することができる。特に、この実施形態の場合、舌片部２０の先端部が、曲率半径が先端に向かって漸減する曲面によって形成されていることから、より確実にウェークの発生を抑制することができる。したがって、このポンプ逆転水車１においては、水車効率のさらなる向上を図ることができる。

そして、このケーシング３側の舌片部２０についても、成形や部品設置が容易な位置に簡単な改良を加えるだけで水車効率を向上させることができるため、製品コストを抑制するうえで有利となっている。

なお、この発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。

１…ポンプ逆転水車
２…ランナ
３…ケーシング
１１…羽根
１５…環状通路
１６…直線通路
２０…舌片部

Claims (1)

1. 略放射状に延出する複数の羽根を有するランナと、
   前記ランナを内部に回転可能に収容するケーシングと、
   を備え、
   前記ケーシングの内部に、前記ランナの外周側を取り囲む環状通路と、この環状通路から略接線方向に延出する直線通路と、該直線通路と該環状通路との分岐部から該環状通路の接線方向に略沿ってケーシング内側に突出する舌片部が設けられ、
   ポンプ運転時には、前記ランナの回転によって軸方向から吸い込んだ液体としての水を、前記環状通路を通して前記直線通路に吐出し、水車運転時には、前記直線通路から前記環状通路に導入された液体によって前記ランナを回転させる、揚水用のポンプ逆転水車であって、
   前記ランナの各羽根の径方向外側の端縁が、先端側に向かって曲率半径が漸減する曲面形状に形成され、
   前記舌片部が、基部側から先端部側に向かって肉厚が漸減する形状に形成されている
   揚水用のポンプ逆転水車。

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