JP6078303B2 - 遠心式流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、遠心式のポンプや遠心圧縮機等の遠心式流体機械に関する。

遠心式流体機械として流体の圧送を行う遠心ポンプは、ケーシングの内部にケーシングとの間で相対回転可能に設けられた羽根車を備えており、ケーシングの外部から取り込んだ流体を羽根車を回転させて羽根車内の流路の径方向外側へ圧送する。

ここで、このような遠心ポンプ等の遠心式流体機械においては、流量Ｑと揚程Ｈとの関係を示す特性曲線は、基本的には流量Ｑが増加するにつれて揚程Ｈが減少する右下がりの曲線（以下Ｑ−Ｈ曲線とする）となる。

このＱ−Ｈ曲線における１００％流量となる設計点では、羽根車内を流通する流体の主流はスムーズに流通する。しかしながら、１００％流量点よりも小流量状態で運転すると、図８に示すように羽根車１００の入口付近において、羽根車１００のカバー１０１の内側と主流Ｆ０との間に主流Ｆ０の流れとは逆を向かう逆流Ｆ１、即ち、上流側に向かう渦状の逆流Ｆ１が生じる。さらにこのような逆流Ｆ１は羽根車１００とともに回転するため回転方向への旋回成分を有することとなり、旋回成分を有したまま主流Ｆ０に合流することで主流Ｆ０に旋回成分を付与してしまう。また逆流Ｆ１は流量が小さくなればなるほど上流側に延びるように大きく成長する（図８の破線矢印参照）ことから、小流量であればあるほど揚程Ｈが低くなってしまい、小流量域でのＱ−Ｈ曲線が右上がりの曲線を描き（右上がり特性；図４の破線を参照）、サージングの発生の要因となる。このため、非常に不安定な状態となってしまう。

これに対して特許文献１には、このような小流量域での揚程Ｈの低下を防止し、サージング発生を抑制して性能向上を図った遠心ポンプが開示されている。この遠心ポンプでは、羽根車の入口で発生した逆流を羽根車入口対向して配置された返し羽根に導いて、この返し羽根に衝突させることで逆流の旋回成分を取り除いている。

特開２００１−７３９９３号公報

しかしながら、特許文献１に開示された遠心ポンプにおいては、発生した逆流の旋回成分を取り除くことができるものの、場合によっては逆流が返し羽根に衝突した後に拡散し主流の流れを妨げることで、流体の羽根車への吸込み性能を低下させてしまうおそれがある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、羽根車への吸込み性能の低下を抑制可能な遠心式流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る遠心式流体機械は、回転軸と、前記回転軸に固定され、該回転軸の軸線方向に向かって流入する流体を流路を流通させて径方向外側に向かって流出させる羽根車と、前記回転軸及び前記羽根車を覆って、前記羽根車に流入する前記流体が流通する吸込流路を画成するケーシングと、前記吸込流路において前記ケーシングの径方向内側を向く面側から径方向内側に突出して前記流路に向かって延びる偏流板と、を備え、前記偏流板の前記ケーシングの径方向内側を向く面側から前記径方向内側に向かっての突出寸法が、前記吸込流路の上流側に向かうに従って大きくなるとともに、前記偏流板は前記軸線に平行となるように設けられ、前記偏流板の前記径方向内側を向く面が、前記径方向外側に凹となるように、前記上流側に向かうに従って前記径方向に沿うように湾曲する曲面に形成されていることを特徴とする。

このような遠心式流体機械によると、羽根車への流体の入口付近での吸込流路において上流側に向かう逆流の渦が生じるとともに、この渦が羽根車の回転にともなって回転方向の旋回成分を有することとなる。ここでこの逆流の渦は偏流板に衝突するため、旋回成分を取り除くことができ、この状態で羽根車の径方向外側に向かって流通する主流に合流させることができる。さらにこの際、偏流板は上流側に向かって徐々に径方向への突出寸法が大きくなっているため、流量が比較的大きく、より羽根車の入口に近い位置に小さな逆流の渦が形成されている場合には、偏流板に逆流が衝突する面積を小さくできる。一方で流量が比較的小さく、より羽根車の入口から上流に向かって延びるように大きな逆流の渦が形成されている場合には、偏流板に逆流が衝突する面積を大きくできる。即ち、逆流の渦の成長に合わせて旋回成分を逆流から取り除くことができるため、必要以上に逆流の衝突を抑制でき、逆流の偏流板への衝突によって拡散した流れが主流に及ぼす影響を抑えながら、主流に旋回成分を付与してしまうことを防止できる。

また、本発明に係る遠心式流体機械は、前記吸込流路に、上流側から流通する前記流体の旋回成分を除去するリターンベーンが設けられ、前記偏流板が前記リターンベーンに一体に設けられていてもよい。

このようなリターンベーンに偏流板を付加することでコストを抑え、また偏流板の設置の手間を低減しながら逆流の旋回成分を除去して、羽根車の吸込み性能低下を抑制することができる。

さらに、本発明に係る遠心式流体機械は、前記軸線を中心とする環状をなして、前記ケーシングの径方向内側を向く面に設けられたライナリングを備え、前記偏流板が前記ライナリングに一体に設けられていてもよい。

偏流板をライナリングに予め設けた状態でこのライナリングをケーシングに取り付けることで、容易に偏流板の設置が可能である。

本発明の遠心式流体機械によると、上流側に向かうに従って径方向内側への突出寸法が大きくなる偏流板を設けたことで、羽根車入口で発生する逆流の大きさに応じてこの逆流の旋回成分を除去することができるため、羽根車への吸込み性能の低下を抑制可能となる。

本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプ全体断面図である。 本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプを示す要部断面図である。 本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプに関し、インペラを軸線方向の上流側から見た図であって、逆流が偏流板に衝突する様子を示す。 本発明の第一実施形態に係る遠心ポンプに関し、流量Ｑと揚程Ｈとの関係を示すＱ−Ｈ曲線である。 本発明の第一実施形態の変形例に係る遠心ポンプを示す要部断面図であって、（ａ）は第一変形例を示し、（ｂ）は第二変形例を示す。 本発明の第二実施形態に係る遠心ポンプを示す要部断面図である。 本発明の遠心ポンプに関し、（ａ）はライナリングに偏流板を設けた場合を示す要部断面図であって、（ｂ）は、ライナリングを軸線方向から見た図である。 内部ケーシングの流路における渦状の逆流の発生の様子を示す図である。

〔第一実施形態〕
以下、本発明の実施形態に係る遠心ポンプ（遠心式流体機械）１について説明する。
図１に示すように、遠心ポンプ１は、例えば給水ポンプであり、本実施形態では多段ポンプとなっている。そしてこの遠心ポンプ１は、外部ケーシング２と、外部ケーシング２の内部に配置されている内部ケーシング（ケーシング）３と、内部ケーシング３を貫通するように配置された軸線Ｏを中心に延在する回転軸４と、キーを介して回転軸４に一体回転可能に固定された両吸込インペラ５及び複数のインペラ（羽根車）６とを主に備えている。

外部ケーシング２は、中空形状をなし、径方向内側に向かって流体を吸い込む吸込口８と、径方向外側に向かって流体を吐き出す吐出口９が形成されている。

また、外部ケーシング２の一端部（図１の左端部）にケーシングカバー１１が装着されているとともに、外部ケーシング２の他端部にケーシングカバー１２が装着され、ケーシングカバー１１、１２がそれぞれ複数の締結ボルト１３、１４により固定されることで、外部ケーシング２、内部ケーシング３、及びケーシングカバー１１、１２が一体化されている。また、吸込口８には、不図示の復水回収ラインが連結され、吐出口９には不図示の給水ラインが接続されている。

内部ケーシング３は、外部ケーシング２の内部に配置されており、複数のリング部材１０を回転軸４の軸線Ｏ方向に配列した構成をなしている。またこの内部ケーシング３には、吸込口８及び吐出口９にそれぞれ連通して、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間にはインペラ６が収容される。そして、インペラ６を収容した際にインペラ６同士の間となる位置にインペラ６を流通する流体Ｆを上流側から下流側に流通させるケーシング流路７が形成されており、吸込口８と吐出口９とはインペラ６及びケーシング流路７を介して連通している。

回転軸４は、内部ケーシング３に収容されたインペラ６及び両吸込インペラ５が外嵌されて、これらと共に軸線Ｏを中心に回転する。またこの回転軸４は図示しない軸受によって外部ケーシング２及び内部ケーシング３に対して回転自在に支持されており、また図示しない原動機によって回転駆動される。

両吸込インペラ５は、外部ケーシング２の内部に収容されており、吸込口８から流体Ｆを吸込むように構成されている。

複数のインペラ６は、両吸込インペラ５よりも軸線Ｏ方向の下流側となる一方側（図１における紙面に向かって右側）で、内部ケーシング３における各々のリング部材１０の内部に、回転軸４の軸線Ｏ方向に間隔を空けて収容されている。
また各々のインペラ６は、図１及び図２に示すように、吐出口９側に進むにつれて漸次拡径した略円盤状のディスク１８と、ディスク１８の表面から回転軸４の外部ケーシング２の一端部となる軸線Ｏの他方側に立ち上がるように、ディスク１８に放射状に取り付けられて周方向に並んだ複数のブレード１９とを有している。さらにこのインペラ６は、軸線Ｏ方向の他方側からこれら複数のブレード１９を周方向に覆うように取り付けられたカバー２０を有している。さらにこのカバー２０と内部ケーシング３との間は、インペラ６と内部ケーシング３とが接触しないように間隙Ｓが画成されている。

さらに、インペラ６においては、ディスク１８のブレード１９の取付面とカバー２０の内壁面とで囲まれた空間が、上流側から送られてきた流体Ｆを圧縮する圧縮流路（流路）２３となっている。

ここで、各々のインペラ６間を繋ぐように、流体Ｆが段階的に圧縮されるように上記ケーシング流路７は形成されている。そして、両吸込インペラ５の吐出側が図示しない給水経路を介して軸線Ｏ方向の他方側の端部に設けられた最前段のインペラ６の吸入側に接続され、各々のインペラ６の吐出側は隣接するインペラ６の吸入側にケーシング流路７を介して接続されている。また、軸線Ｏ方向の一方側の端部に設けられた最後段のインペラ６の吐出側は吐出口９に接続されている。

そして、ケーシング流路７について詳細に説明すると、このケーシング流路７は、インペラ６の圧縮流路２３へ流体Ｆを導入する吸込流路２２と、圧縮流路２３から流体Ｆが導入されるディフューザ流路２４と、ディフューザ流路２４から流体Ｆが導入されるリターン流路２５とを有している。

吸込流路２２は、径方向外方から径方向内方に向かって流体Ｆを流した後、流体Ｆの向きをインペラ６の直前で回転軸４の軸線Ｏ方向に変換させる流路である。

ディフューザ流路２４は、径方向内方側が圧縮流路２３に連通しており、インペラ６によって圧縮された流体Ｆを径方向外側に向かって流通させる。このディフューザ流路２４には回転軸４の軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置された複数のディフューザベーン１６が設けられている。

リターン流路２５は、一端側がディフューザ流路２４に連通し、他端側が吸込流路２２に連通するようになっている。このリターン流路２５は、ディフューザ流路２４を通って径方向外側に向かって流れてきた流体Ｆの向きを径方向内側に向くように反転させるコーナ部２６と、径方向外方から径方向内方に向かって延出するストレート部２７とを有している。

ストレート部２７は、内部ケーシング３に一体的に取り付けられた隔壁部材３ａの下流側側壁２６ａと、内部ケーシング３に一体的に取り付けられて径方向内方に延伸した延伸部３ｂの上流側側壁２６ｂとで囲まれた流路である。また、ストレート部２７には、回転軸４の軸線Ｏを中心として周方向に等間隔に配置された複数のリターンベーン１７が設けられている。

次に、内部ケーシング３の吸込流路２２が形成された位置での構成について説明する。
図２に示すように、遠心ポンプ１は、上記吸込流路２２において内部ケーシング３の径方向内側を向く面側から径方向内側に向かって突出する偏流板３０をさらに備えている。

偏流板３０は、各々のインペラ６における圧縮流路２３の入口、即ち圧縮流路２３の上流側となる吸込流路２２内に配されるように、内部ケーシング３の径方向内側を向く面側から径方向内側に突出し、かつ軸線Ｏ方向に圧縮流路２３に向かって延出する板状の部材である。また、この偏流板３０は、周方向に間隔をあけて複数が軸線Ｏに平行となるように設けられている。なお、この偏流板３０は少なくとも一つが設けられていればよく、必ずしも複数である必要はない。

そして、各々の偏流板３０は、吸込流路２２内において、径方向内側への突出寸法が、下流側から上流側に向かうに従って大きくなっていく。このようにして偏流板３０は、周方向視で、径方向外側を底辺とした直角三角形状をなしている。

このような遠心ポンプ１においては、各々のインペラ６へ流体Ｆの入口付近となる吸込流路２２において、主流Ｆ０の流れとは逆方向となる上流側に向かう逆流Ｆ１の渦が生じる（図８参照）とともに、この渦がインペラ６の回転にともなって回転方向Ｒへの旋回成分を有することとなる。

ここで、内部ケーシング３に偏流板３０が設けられて、インペラ６の圧縮流路２３の上流側となる吸込流路２２に配されているため、図３に示すように、逆流Ｆ１の渦はこの偏流板３０に衝突することとなる。よって、逆流Ｆ１の渦から旋回成分を取り除くことができ、この状態で圧縮流路２３を流通する主流Ｆ０に逆流Ｆ１の渦を形成していた流体Ｆを合流させることができる。

即ち、図４の破線に示すような小流量域での流量Ｑと揚程Ｈとが右上がり特性を示してしまうことを回避でき、図４の実線に示すようにＱ−Ｈ曲線が滑らかに右下がりの曲線を描くこととなる。

さらにこの際、偏流板３０は上流側に向かって徐々に径方向への突出寸法が大きくなっているため、流量が比較的大きく、よりインペラ６の圧縮流路２３の入口に近い位置に小さな逆流Ｆ１の渦が形成されている場合（図８の実線矢印）には、偏流板３０に逆流Ｆ１が衝突する面積を小さくできる。
一方で流量が比較的小さく、よりインペラ６の入口から上流に向かって延びるように大きな逆流Ｆ１の渦が形成されている場合（図８の破線矢印）には、偏流板３０に逆流Ｆ１が衝突する面積を大きくできる。

即ち、流体Ｆの主流Ｆ０の流量の低下にともなう逆流Ｆ１の渦の成長に合わせ、逆流Ｆ１の渦の旋回成分を逆流Ｆ１から取り除くことができるため、必要以上の偏流板３０への逆流Ｆ１の衝突を抑制でき、逆流Ｆ１の衝突によって拡散した流れが主流Ｆ０に及ぼす影響を抑えながら、主流Ｆ０に旋回成分を付与してしまうことを防止できる。

本実施形態の遠心ポンプ１によると、上流側に向かうに従って径方向内側への突出寸法が大きくなる偏流板３０をインペラ６の圧縮流路２３の入口側に設けたことで、この位置で発生する逆流Ｆ１の大きさに応じて、この逆流Ｆ１の旋回成分を除去することができるため、インペラ６の吸込み性能低下を抑制できる。

ここで、図５（ａ）に示すように、偏流板３０Ａは、径方向内側に凸となるように、径方向内側を向く面が、上流側に向かうに従って軸線Ｏ方向に沿うように湾曲する曲面に形成されていてもよい。また、図５（ｂ）に示すように偏流板３０Ｂは、径方向外側に凹となるように、径方向内側を向く面が、上流側に向かうに従って径方向に沿うように湾曲する曲面に形成されていてもよい。即ち、偏流板は、偏流板３０のように直角三角形状である必要はなく、少なくとも上流側に向かうに従って径方向への突出寸法が大きくなる形状であればよい。

〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態に係る遠心ポンプ５０について説明する。
なお、第一実施形態と共通の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態では、偏流板６０が第一実施形態とは異なっている。

図６に示すように、偏流板６０は、リターン流路２５に設けられたリターンベーン１７に一体に設けられて、吸込流路２２内に軸線Ｏに平行となるように配され、内部ケーシング３の径方向内側を向く面側から径方向内側に突出している板状の部材であり、第一実施形態の偏流板３０と同様に、径方向内側への突出寸法が、下流側から上流側に向かうに従って大きくなっていく直角三角形状をなしている。

このような遠心ポンプ５０によると、上流側に設けられた前段側のインペラ６を通過した後の流体Ｆは旋回成分を有している。そしてこの旋回成分をリターンベーン１７によって取り除いた状態で、流体Ｆが下流側に隣接するインペラ６に流入する必要があるため、多段ポンプにおいては二段目以降のインペラ６の上流側にリターンベーン１７が設けられている。

従って、既に設けられたリターンベーン１７に偏流板６０を付加することで、コストを抑えて、偏流板６０の設置の手間を低減しながら逆流Ｆ１の旋回成分を除去し、インペラ６の吸込み性能低下を抑制することが可能となる。

なお、偏流板６０の形状は、第一実施形態で説明した偏流板３０Ａ、３０Ｂと同様であってもよく、直角三角形状に限定されない。

以上、本発明の実施形態について詳細を説明したが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
上述の実施形態では、内部ケーシング３に偏流板３０（３０Ａ、３０Ｂ）を直接設置したり、リターンベーン１７に偏流板６０を一体で設けたりしているが、例えば図７に示すように、軸線Ｏを中心とする環状をなして、内部ケーシング３の径方向内側を向く面にライナリング７０を設け、このライナリング７０に偏流板３０（３０Ａ、３０Ｂ）を設けることも可能である。このようにすることで、偏流板３０（３０Ａ、３０Ｂ）の設置の手間を削減できる。

また、偏流板３０（３０Ａ、３０Ｂ、６０）は必ずしも内部ケーシング３の径方向内側を向く面と接した状態で設けられていなくともよく、内部ケーシング３と径方向に離間して設けられていてもよい。

１…遠心ポンプ（遠心式流体機械） ２…外部ケーシング ３…内部ケーシング（ケーシング） ４…回転軸 ５…両吸込インペラ ６…インペラ（羽根車） ７…流路 ８…吸込口 ９…吐出口 １０…リング部材 １１…ケーシングカバー １２…ケーシングカバー １３…締結ボルト １４…締結ボルト １６…ディフューザベーン １７…リターンベーン １８…ディスク １９…ブレード ２０…カバー ２２…吸込流路 ２３…圧縮流路（流路） ２４…ディフューザ流路 ２５…リターン流路 ２６…コーナ部 ２７…ストレート部 Ｆ…流体 Ｓ…間隙 Ｏ…軸線 Ｆ０…主流 Ｆ１…逆流 ３０…偏流板 ３０Ａ…偏流板 ３１Ｂ…偏流板 ５０…遠心ポンプ ６０…偏流板 ライナリング

Claims (3)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定され、該回転軸の軸線方向に向かって流入する流体を流路を流通させて径方向外側に向かって流出させる羽根車と、
   前記回転軸及び前記羽根車を覆って、前記羽根車に流入する前記流体が流通する吸込流路を画成するケーシングと、
   前記吸込流路において前記ケーシングの径方向内側を向く面側から径方向内側に突出して前記流路に向かって延びる偏流板と、
   を備え、
   前記偏流板の前記ケーシングの径方向内側を向く面側から前記径方向内側に向かっての突出寸法が、前記吸込流路の上流側に向かうに従って大きくなるとともに、前記偏流板は前記軸線に平行となるように設けられ、前記偏流板の前記径方向内側を向く面が、前記径方向外側に凹となるように、前記上流側に向かうに従って前記径方向に沿うように湾曲する曲面に形成されていることを特徴とする遠心式流体機械。
2. 前記吸込流路に、上流側から流通する前記流体の旋回成分を除去するリターンベーンが設けられ、
   前記偏流板が前記リターンベーンに一体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。
3. 前記軸線を中心とする環状をなして、前記ケーシングの径方向内側を向く面に設けられたライナリングを備え、
   前記偏流板が前記ライナリングに一体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の遠心式流体機械。

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