JP6768428B2 - 先行待機運転ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、先行待機運転ポンプに関する。

先行待機運転とは、局地的な集中豪雨（いわゆるゲリラ豪雨）対策として、地下に設けられた地下河川等に一旦雨水を流入させるにあたり、事前にポンプの運転を開始しておき、急変する水量に対応させる運転方法である。

図１は、先行待機運転の運転状態を説明するための図である。図１に示すように、先行待機運転では、まず、吸込水位に関係なく降雨情報等に基づいて、インペラ没水前の気中状態でインペラを回転させ始める（Ａ：気中運転）。低水位の状態から水位が上昇するに従って、インペラの位置まで水位が達し、ポンプの運転状態は、インペラで水を撹拌する運転（Ｂ：気水撹拌運転）から、吸気口から供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（Ｃ：気水混合運転）を経て、定格流量での水の排出を行う通常運転（Ｄ：定常運転）へと移行する。

ところで、通常の立軸ポンプでは、高水位から水位が低下してベル吸込口以下に達すると、大気中に露出したベル吸込口から一気に大量の空気が入り込むことで、激しい振動および騒音が発生することになる。

一方、先行待機運転ポンプには、水位低下に伴うベル内の静圧低下に対応して大気中の空気をベル内に自然吸気する吸気口が設けられている。これにより、高水位から水位が低下するときは、定常運転から、吸気口から供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（Ｃ：気水混合運転）へ移行する。水位がさらに低下して所定のエアロック水位に至ると、インペラの下方に空気だまりが形成され、インペラの上方の水がインペラに撹拌される運転（Ｅ：エアロック運転）へ移行する。エアロック運転状態では、インペラの上方にある水がインペラにより攪拌されているだけであり、ポンプ流量はゼロである。水位が再び上昇すると、気水混合運転に移行する。

このような先行待機運転ポンプでは、吸気構造に起因する以下のような課題がある。すなわち、（１）気水混合運転時に吸気口部分の静圧変動が大きいほど、それによってポンプに振動が発生しやすい。また、（２）定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域において吸気口からの吸気量が少ないと、吸気量不足によりエアロックが成立しないことがある。この場合、水位がさらに低下してベル吸込口以下に達するときに大きな振動および騒音が発生する。

特許文献１には、ベルの内面から突き出すようにパイプが設けられ、パイプの先端に吸気口が形成された構造が開示されている。また、特許文献２には、ベルの内面に周方向に沿ってスリット状に吸気口が形成された構造が開示されている。

特開平３−１３８４８１号公報 特許第４４６３４８４号公報

特許文献１に開示された吸気構造では、半径方向内側に突出したパイプの影響によりベルマウス内において不純物がパイプ部に堆積することによるポンプ流量の低下、もしくは閉塞等の懸念がある。また、先行待機運転ポンプは公共事業で用いられることが多いため、長期的な信頼性を確保するために、ベルマウス等の各部品を鋳造により一体製造することが顧客から要求されるものの、ある程度の肉厚を有するケーシングに対して薄肉で事足りるパイプを一体に鋳造で製作しようとすると、高コストになる。

一方、特許文献２に開示された吸気構造では、吸気口がケーシング内面に形成されている。一般に、水位低下に伴って流量が減少するにつれて、ケーシング内面での遠心場が強くなるため、特許文献２に開示された吸気構造では、水位が低下してエアロック水位に近づくほど、強まる遠心場の影響により吸気量が減少し、エアロックが成功しづらくなる。また、ケーシング内面近傍では、インペラ回転の影響による静圧変動が大きいため、吸気時における振動発生の原因となる。

本発明は、以上のような点を考慮してなされたものである。本発明は、定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域における吸気量を増加できる先行待機運転ポンプを提供することを目的とする。

一実施の形態による先行待機運転ポンプは、
インペラと、前記インペラを収容するケーシングとを備え、
前記インペラより主流方向上流側の前記ケーシング内面に凸部が設けられており、
前記凸部の頂点付近に吸気口が形成されており、
前記凸部は、主流方向上流側及び主流方向下流側にそれぞれ、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく案内面を有している。

上記の先行待機運転ポンプによれば、吸気口の主流方向上流側及び主流方向下流側にそれぞれ案内面が設けられているため、案内面近傍に沿って流れる吸気口近傍の流体は、案内面より離れた流路を流れる流体と比較して、流速が増加する傾向となる。ベルヌーイの式により流速増加は静圧低下を伴うため、吸気口近傍では静圧が低下することになる。これにより、定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域において吸気口から供給される吸気量を増加することができ、エアロックの成功率を高めることができる。また特に定格流量時においては、インペラ回転の影響により、インペラより軸方向上流側のベルマウス内部においても、周方向に周期的な静圧変動が生じる。本件発明者らは、当該部における静圧変動がベルマウス内壁近傍（半径方向外側）ほど大きいことを経験的に知っており、流れ解析による予測でも確認している。本実施の形態による吸気形状では、ケーシング内面より半径方向内側に位置している凸部の頂点付近に吸気口が設けられているため、吸気口近傍での静圧変動が低減される。これにより、吸気時における振動発生を低減することができる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、二次流れ方向上流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく案内面を有していてもよい。

ここで定格運転時から気液混合運転を開始し、徐々にエアロックへ向かうに従い水流量は減少するため、ポンプとしては部分流量域の運転となる。部分流量域においては主流方向の流量低下に伴い、一定回転速度のインペラの影響がより増すことになるため、ベルマウス内の二次流れ方向成分が増加し、エアロック近傍では二次流れ方向成分が支配的となる。そこでこのような態様によれば、案内面に沿って二次流れ方向に流れる吸気口近傍の流体は、案内面より離れた流路を二次流れ方向に流れる流体と比較して、流速が増加する傾向となる。ベルヌーイの式により流速増加は静圧低下を伴うため、吸気口近傍では静圧が低下することになる。これにより、吸気口から供給される吸気量を更に増加することができ、エアロックの成功率を更に高めることができる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、二次流れ方向下流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく案内面を有していてもよい。

このような態様によれば、二次流れ方向に流れる吸気口近傍の流体は、流体の粘性の効果により二次流れ方向下流側に設けられた案内面に沿うように流れるようになる。これにより、案内面からの剥離を抑制できるため、剥離の影響によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生を低減できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記案内面は、それぞれの流れ方向に対して曲率を有していてもよい。

このような態様によれば、それぞれの流れ方向に流れる吸気口近傍の流体を、案内面に滑らかに沿うように案内することができる。これにより、案内面からの剥離を抑制できるため、剥離の影響によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生を低減できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記案内面は、主流方向下流側における突出量の減り方が主流方向上流側における突出量の減り方より少なくてもよい。

このような態様によれば、吸気口近傍の主流方向流れが、案内面に沿うように案内されやすくなる。これにより、特に下流側案内面からの剥離を抑制できるため、剥離の影響によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生を低減できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも主流方向上流側、もしくは主流方向下流側に位置していてもよい。

本件発明者らの検証によれば、ベルマウス内壁の形状、凸部の形状、およびポンプ運転状況によっては、頂点よりも主流方向上流側、もしくは下流側において静圧が、より低くなる傾向が生じることがある。したがってベルマウス内壁の形状、凸部の形状、およびポンプの運転状況により好適に吸気口位置を設計することが可能となる。このような態様によれば、吸気口近傍において流体の静圧をより低下させることができ、吸気口から供給される吸気量を更に増加できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも二次流れ方向上流側、もしくは二次流れ方向下流側に位置していてもよい。

本件発明者らの検証によれば、ベルマウス内壁の形状、凸部の形状、およびポンプ運転状況によっては、頂点よりも二次流れ上流側、もしくは下流側において静圧が、より低くなる傾向が生じることがある。したがってベルマウス内壁の形状、凸部の形状、およびポンプの運転状況により好適に吸気口位置を設計することが可能となる。このような態様によれば、吸気口近傍において流体の静圧をより低下させることができ、吸気口から供給される吸気量を更に増加できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、前記ケーシング内面から突出する円筒部を有し、
前記吸気口と前記案内面とは前記円筒部の先端に配置されていてもよい。

このような態様によれば、吸気口がケーシング内面より内径側の筒部の先端付近に設けられているため、インペラ回転の影響による吸気口近傍での静圧変動が低減される。これにより、吸気時における振動発生を低減することができる。

このような態様によれば、円筒部基端部の主流方向下流側部分とケーシング内面との間での応力集中を緩和して壊れにくくすることができる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部の突出量は、前記凸部と同じ軸方向位置における前記ケーシング直径の２５％未満であってもよい。

このような態様によれば、凸部の突出量が比較的小さいため、凸部の影響によるベルマウス内の不純物堆積の懸念が少なくなる。また、凸部はパイプ形状のような薄肉である必要はなく、さらに吸気口は後加工で設ければよいため、ケーシングと一体に鋳造で製作する際の製作コストを大幅に低減できる。

一実施の形態による先行待機運転ポンプは、
インペラと、前記インペラを収容するケーシングとを備え、
前記インペラより主流方向上流側の前記ケーシング内面に凸部が設けられており、
前記凸部の頂点付近に吸気口が形成されており、
前記凸部は、主流方向上流側において、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有している。

上記の先行待機運転ポンプによれば、吸気口の主流方向上流側に曲率を有する案内面が設けられているため、主流方向に流れる吸気口近傍の流体を、案内面に滑らかに沿うように案内することができる。これにより吸気口上流側において、流体の衝突によるよどみ領域の発生を防止することができ、流路損失増加によるポンプ効率低下を低減できる。また、案内面に沿って流れる吸気口近傍の流体は、案内面より離れた流路を流れる流体と比較して、流速が増加する傾向となる。ベルヌーイの式により流速増加は静圧低下を伴うため、吸気口近傍では静圧が低下することになる。これにより、定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域において吸気口から供給される吸気量を増加することができ、エアロックの成功率を高めることができる。また、吸気口がケーシング内面より内径側の凸部の頂点付近に設けられているため、インペラ回転の影響による吸気口近傍での静圧変動が低減される。これにより、吸気時における振動発生を低減することができる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、主流方向下流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有していてもよい。

このような態様によれば、主流方向に流れる吸気口近傍の流体は、流体の粘性の効果により主流方向下流側に設けられた案内面に滑らかに沿うように流れるようになる。これにより、案内面からの剥離を抑制できるため、剥離の影響によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生を低減できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、二次流れ方向上流側において、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有していてもよい。

このような態様によれば、二次流れ方向に流れる吸気口近傍の流体を、案内面に滑らかに沿うように案内することができ、案内面からの剥離を抑制できる。また、案内面に沿って二次流れ方向に流れる吸気口近傍の流体は、案内面より離れた流路を二次流れ方向に流れる流体と比較して、流速が増加する傾向となる。ベルヌーイの式により流速増加は静圧低下を伴うため、吸気口近傍では静圧が低下することになる。これにより、吸気口から供給される吸気量を更に増加することができ、エアロックの成功率を更に高めることができる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、二次流れ方向下流側において、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有していてもよい。

このような態様によれば、二次流れ方向に流れる吸気口近傍の流体は、流体の粘性の効果により二次流れ方向下流側に設けられた案内面に滑らかに沿うように流れるようになる。これにより、案内面からの剥離を抑制できるため、剥離の発生によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生を低減できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記案内面は、主流方向下流側における突出量の減り方が、主流方向上流側における突出量の減り方より少なくてもよい。

このような態様によれば、主流方向に流れる吸気口近傍の流体が、特に主流方向下流側に設けられた案内面に沿うように案内されやすくなる。これにより、案内面からの剥離を抑制できるため、剥離の影響によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生を低減できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも主流方向上流側、もしくは主流方向下流側に位置していてもよい。

本件発明者らの検証によれば、ベルマウス内壁の形状、凸部の形状、およびポンプ運転状況によっては、頂点よりも主流方向上流側、もしくは下流側において静圧が、より低くなる傾向が生じることがある。したがって、このような態様によれば、吸気口近傍において流体の静圧をより低下させることができ、吸気口から供給される吸気量を更に増加できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも二次流れ方向上流側、もしくは二次流れ方向下流側に位置していてもよい。

本件発明者らの検証によれば、ベルマウス内壁の形状、凸部の形状、およびポンプ運転状況によっては、頂点よりも二次流れ方向上流側において静圧が、より低くなる傾向が生じることがある。したがって、このような態様によれば、吸気口近傍において流体の静圧をより低下させることができ、吸気口から供給される吸気量を更に増加できる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部は、前記ケーシング内面から突出する円筒部を有し、
前記吸気口と前記案内面とは前記円筒部の先端に配置されていてもよい。

このような態様によれば、吸気口がケーシング内面より半径方向内側の筒部の先端付近に設けられているため、インペラ回転の影響による吸気口近傍での静圧変動が低減される。これにより、吸気時における振動発生を低減することができる。

このような態様によれば、円筒部基端部の主流方向下流側部分とケーシング内面との間での応力集中を緩和して壊れにくくすることができる。

上記の先行待機運転ポンプにおいて、
前記凸部の突出量は、前記凸部と同じ軸方向位置における前記ケーシング直径の２５％未満であってもよい。

このような態様によれば、凸部の突出量が比較的小さいため、凸部の影響によるベルマウス内の不純物堆積の懸念が少なくなる。また、凸部はパイプ形状のような薄肉である必要はなく、さらに吸気口は後加工で設ければよいため、ケーシングと一体に鋳造で製作する際の製作コストを大幅に低減できる。

本発明によれば、先行待機運転ポンプにおいて、定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域における吸気量を増加できる。

図１は、先行待機運転の運転状態を説明するための図である。 図２は、一実施の形態による先行待機運転ポンプの構造を示す概略図である。 図３は、図２に示すポンプのケーシングの下端部、特に吸気口が位置するベルマウス部を拡大して示す概略図である。 図４は、図３に示すケーシングの下端部の内面を主流方向下流側から見た概略図である。 図５Ａは、凸部の一例をポンプの半径方向内側から見た正面図である。 図５Ｂは、図５Ａに示す凸部を二次流れ方向から見た側面図である。 図５Ｃは、図５Ａに示す凸部を主流方向から見た側面図である。 図５Ｄは、凸部の一変形例を二次流れ方向から見た側面図である。 図５Ｅは、凸部の一変形例を主流方向から見た側面図である。 図５Ｆは、凸部の一変形例を二次流れ方向から見た側面図である。 図６Ａは、凸部の一変形例をポンプの半径方向内側から見た正面図である。 図６Ｂは、図６Ａに示す凸部を二次流れ方向から見た側面図である。 図６Ｃは、図６Ａに示す凸部を主流方向から見た側面図である。 図７は、一実施の形態による吸気口のような曲面を有する壁面近傍において、静圧が低下する物理的メカニズムを説明するための模式図である。 図８は、凸部のさらに別の変形例を二次流れ方向から見た側面図である。 図９は、第１実施例及び比較例における吸気口位置の静圧変動を示すグラフである。 図１０は、第２実施例及び比較例における吸気口位置の静圧変動を示すグラフである。

以下に、添付の図面を参照して、一実施の形態による先行待機運転ポンプを詳細に説明する。なお、本明細書に添付する図面においては、図示の理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

図２は、一実施の形態による先行待機運転ポンプの構造を示す概略図である。図３は、図２に示すポンプのケーシングの下端部、特に吸気口が位置するベルマウス部を拡大して示す概略図である。図４は、図３に示すケーシングの下端部の内面を主流方向下流側から見た概略図である。

図２〜図４に示すように、先行待機運転ポンプ１０は、インペラ１１と、インペラ１１を収容するケーシング１２とを備えている。

このうちケーシング１２は、軸方向に延びる筒形状を有しており、ケーシング１２の内部には回転軸１８が回転可能に挿設されている。インペラ１１は、回転軸１８の下端部に同軸状に固定されている。インペラ１１の羽根の枚数は例えば５枚である。

回転軸１８の上端部には原動機１９が取り付けられており、原動機１９から出力される駆動力によってインペラ１１と回転軸１８とが一体に回転される。インペラ１１の回転によりケーシング１２内の流体が流動されることで、ケーシング１２の上端部から流体が吐き出されるとともに、ケーシング１２の下端部から新たな液体が吸い込まれるようになっている。

本明細書では、ケーシング１２が延びる方向（すなわち軸方向）を主流方向２１と呼び、インペラ１１の回転方向を二次流れ方向２２と呼ぶ。

本実施の形態では、図３に示すように、ケーシング１２は、インペラ１１が格納された本体部１２ａと、本体部１２ａの下方に配置されたベルマウス１２ｂとを有している。本体部１２ａとベルマウス１２ｂとは、インペラ１１の上流端位置においてフランジ１２ｃで連結されている。

図２〜図４に示すように、インペラ１１より主流方向２２上流側のベルマウス１２ｂ内面には、複数の凸部１３が周方向（二次流れ方向２２）に等間隔に設けられている。図示された例では、凸部１３の数が４つであるが、これに限定されず、１〜３あるいは５つ以上であってもよい。

凸部１３の頂点付近には、吸気口１４が形成されている。吸気口１４から延びる円筒形状の空間（吸気孔）は、凸部１３を貫通するように形成されており、凸部１３の外側に設けられた環状の空気室１７に連通されている。空気室１７には、一端が大気中に露出された空気管１６が接続されており、吸気口１４近傍の圧力と大気圧との差圧に応じて、大気中の空気が、空気管１６から空気室１７を通って吸気口１４へと供給されるようになっている。

凸部１３は、例えばケーシング１２と一体に鋳造で製作され得る。凸部１３の突出量が小さいほど、凸部１３をケーシング１２と一体に鋳造で製作する際の製作コストを低減できるとともに、凸部１３の影響によるベルマウス１２ｂ内の不純物堆積の懸念が少なくなるため、好ましい。例えば、凸部１３の突出量は、凸部１３と同じ軸方向位置におけるケーシング１２の直径の２５％未満であってもよい。

図５Ａは、凸部１３の一例をポンプ１０の半径方向内側から見た正面図である。図５Ｂは、図５Ａに示す凸部１３を二次流れ方向２２から見た側面図である。図５Ｃは、図５Ａに示す凸部１３を主流方向２１下流側から見た側面図である。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、凸部１３は、主流方向２１上流側において、吸気孔１４端部から離れるにつれて徐々にケーシング１２内面からの突出量が減っていく主流方向上流側案内面１５ａを有している。吸気口１４の主流方向上流側に案内面１５ａが設けられていることで、吸気口１４近傍における静圧を低下させることができる。

図７は、吸気口近傍において静圧が低下する物理的メカニズムを説明するための模式図である。図７に示すように、流路に向かって凸部形状となる案内面を有している場合、案内面に近い流路Ａを流れる流体は、案内面に沿って流れようとする傾向がある。

ここで、案内面に沿って流れる流体は、案内面より離れた流路Ｂを流れる流体と比較して、流れ方向の断面Ｓ１−Ｓ２間を通過する道のりが長くなるから、案内面近傍の流体は、流速が増加する傾向となる。

ベルヌーイの式により、流速増加は静圧低下を伴うから、結果的に、案内面近傍において静圧は低下する傾向となる。したがって、案内面に形成された吸気口近傍において静圧が低下することになる。

ところで、背景技術の欄でも言及したように、従来の先行待機運転ポンプでは、吸気構造に起因する以下のような課題があった。すなわち、（１）気水混合運転時に吸気口部分の静圧変動が大きさほど、それによってポンプに振動が発生しやすい。また、（２）定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域において吸気口からの吸気量が少ないと、吸気量不足によりエアロックが成立しないことがある。この場合、水位が低下してベル吸込口以下に達するときに大きな振動および騒音が発生する。

一方、本実施の形態では、上述したように、吸気口１４の主流方向上流側に案内面１５ａが設けられているため、案内面１５ａに沿って流れる吸気口１４近傍の流体は、案内面１５ａより離れた流路を流れる流体と比較して、流速が増加する傾向となる。ベルヌーイの式により流速増加は静圧低下を伴うため、吸気口近傍では静圧が低下することになる。これにより、定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域において吸気口１４から供給される吸気量を増加することができ、エアロックの成功率を高めることができる。

また、本実施の形態では、吸気口１４がベルマウス１２ｂ内面より内径側の凸部１３の頂点付近に設けられているため、インペラ１１の回転の影響による吸気口１４近傍での静圧変動が低減される。これにより、吸気時における振動発生を低減することができる。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、主流方向上流側案内面１５ａは、主流方向２１に対して曲率を有していることが望ましい。この場合、主流方向２１に流れる吸気口１４近傍の流体を、主流方向上流がわ案内面１５ａに滑らかに沿うように案内することができ、主流方向上流側案内面１５ａからの剥離を抑制できる。

本実施の形態では、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、凸部１３は、主流方向２１下流側に、吸気口１４端部から離れるにつれて徐々にベルマウス１２ｂ内面からの突出量が減っていく主流方向下流側案内面１５ｂを有している。吸気口１４の主流方向下流側にも案内面１５ｂが設けられていることで、主流方向２１に流れる吸気口１４近傍の流体は、主流方向下流側案内面１５ｂに滑らかに沿うように流れるようになる。これにより、案内面１５ａ、１５ｂからの剥離を抑制できるため、剥離の影響によるポンプ効率の低下、および振動・騒音の発生、静圧増加による吸気量の減少を低減できる。

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、主流方向下流側案内面１５ｂは、主流方向２１に対して曲率を有していることが望ましい。この場合、主流方向２１に流れる吸気口１４近傍の流体を、主流方向下流側案内面１５ｂに滑らかに沿うように案内することができ、主流方向下流側案内面１５ｂからの剥離をより効果的に抑制できる。

本実施の形態では、図５Ａ及び図５Ｃに示すように、凸部１３は、二次流れ方向２２上流側に、吸気口１４端部から離れるにつれて徐々にケーシング１２内面からの突出量が減っていく二次流れ方向上流側案内面１５ｃを有している。吸気口１４の二次流れ方向上流側に案内面１５ｃが設けられていることで、図７を参照して説明した物理的メカニズムにより、吸気口１４近傍における静圧をさらに低下させることができる。

図５Ａ及び図５Ｃに示すように、二次流れ方向上流側案内面１５ｃは、二次流れ方向２２に対して曲率を有していることが望ましい。この場合、二次流れ方向２２に流れる吸気口１４近傍の流体を、二次流れ方向上流側案内面１５ｃに滑らかに沿うように案内することができ、二次流れ方向上流側案内面１５ｃからの剥離をより効果的に抑制できる。

さらに、図５Ａ及び図５Ｃに示すように、凸部１３は、二次流れ方向２２下流側に、吸気口１４端部から離れるにつれて徐々にケーシング１２内面からの突出量が減っていく二次流れ方向下流側案内面１５ｄを有している。吸気口１４の二次流れ方向下流側にも案内面１５ｄが設けられていることで、二次流れ方向２２に流れる吸気口１４近傍の流体は、二次流れ方向下流側案内面１５ｄに滑らかに沿うように流れるようになる。これにより、案内面１５ｃ、１５ｄからの剥離を抑制でき、静圧増加による吸気量の減少を抑制できる。

図５Ａ及び図５Ｃに示すように、二次流れ方向下流側案内面１５ｄは、二次流れ方向２２に対して曲率を有していることが望ましい。この場合、二次流れ方向２２に流れる吸気口１４近傍の流体を、二次流れ方向下流側案内面１５ｄに滑らかに沿うように案内することができ、二次流れ方向下流側案内面１５ｄからの剥離をより効果的に抑制できる。

なお、本実施の形態では、図５Ａ〜図５Ｃに示すように、吸気口１４の中心が凸部１３の頂点と一致するように位置決めされているが、これに限定されない。

例えば、図５Ｄに示すように、吸気口１４の中心は、凸部１３の頂点よりも主流方向上流側、もしくは主流方向下流側に位置していてもよい。本件発明者らの検証によれば、流路形状（すなわちベルマウス内壁の形状、凸部１３の形状）、もしくはポンプ運転状況により、凸部１３の頂点よりも主流方向上流側、もしくは主流方向下流側において静圧が、より低くなる傾向がある場合があることを確認できた。したがって、このような態様によれば、吸気口１４近傍において流体の静圧をより低下させることができ、吸気口１４から供給される吸気量を更に増加できる。

また、例えば、図５Ｅに示すように、吸気口１４の中心は、凸部１３の頂点よりも二次流れ方向上流側、もしくは二次流れ方向下流側に位置していてもよい。本件発明者らの検証によれば、流路形状、もしくはポンプ運転状況により、凸部１３の頂点よりも二次流れ方向上流側、もしくは二次流れ方向下流側において静圧が、より低くなる傾向がある場合があることを確認できた。したがって、このような態様によれば、吸気口１４近傍において流体の静圧をより低下させることができ、吸気口１４から供給される吸気量を更に増加できる。

また、本実施の形態では、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、案内面１５ａ、１５ｂは、主流方向下流側における突出量の減り方が主流方向上流側における突出量の減り方と一致するようなっていたが、これに限定されない。

例えば、図５Ｆに示すように、案内面１５ａ、１５ｂは、主流方向下流側における突出量の減り方が主流方向上流側における突出量の減り方より少なくなっていてもよい（すなわち、主流方向下流側案内面１５ｂは主流方向上流側案内面１５ａより傾斜がなだらかであってもよい）。この場合、主流方向２１に流れる吸気口１４近傍の流体は、主流方向下流側に設けられた案内面１５ｂに沿うように案内されやすくなる。これにより、案内面１５ｂからの剥離を抑制でき、静圧増加による吸気量の減少を抑制できる。

図６Ａは、凸部１３の一変形例をポンプ１０の径方向から見た正面図である。図６Ｂは、図６Ａに示す凸部１３を二次流れ方向２２から見た側面図である。図６Ｃは、図５Ａに示す凸部１３を主流方向２１から見た側面図である。

図６Ａ〜図６Ｃに示す例では、凸部１３は、主流方向上流側および主流方向下流側にそれぞれ、吸気口１４端部から離れるにつれて徐々にケーシング１２内面からの突出量が減っていく案内面１５ａ、１５ｂを有しているが、二次流れ方向上流側および二次流れ方向下流側にはそのような案内面を有していない。この場合も、主流方向に流れる流体に関しては、図５Ａ〜図５Ｃに示す態様と同様に、図７を参照して説明した物理的メカニズムにより、吸気口１４近傍における静圧を低下させることができる。これにより、定格流量からエアロックへ遷移する部分流量域において吸気口から供給される吸気量を増加することができ、エアロックの成功率を高めることができる。

図８は、凸部１３のさらに別の変形例を二次流れ方向２２から見た側面図である。図８に示す例では、凸部１３は、ケーシング１２内面から突出する円筒部３１を有し、吸気口１４と案内面１５ａ、１５ｂとは円筒部３１の先端に配置されている。

このような態様によれば、図５Ｂに示す態様に比べて、吸気口１４が、より内径側に位置決めされるため、インペラ１１の回転の影響による吸気口１４近傍での静圧変動がより効果的に低減される。これにより、吸気時における振動発生をより効果的に低減することができる。

また、図８に示す例では、円筒部３１の基端部全周にフィレット３２が設けられている。この場合、円筒部３１基端部とケーシング１２内面との接する部分の角度が１８０°に近くなる。これにより、円筒部３１基端部とケーシング１２内面との間での応力集中を緩和して壊れにくくすることができる。

以下、実施例を用いて上述した実施の形態をより詳細に説明するが、本実施の形態は以下の実施例に限定されるものではない。

第１実施例として、図１〜図３に示すように、ベルマウス１２ｂ内面に４つの凸部１３が設けられたポンプ１０を設計した。第１実施例では、各凸部１３の突出量（凸部高さ）は、吸気口１４が位置する軸方向位置におけるベルマウス直径の１６％（＝１５ｍｍ）に設定した。

また、第２実施例として、第１実施例と同様に、ベルマウス１２ｂ内面に４つの凸部１３が設けられたポンプ１０を設計した。第２実施例では、各凸部１３の突出量（凸部高さ）は、吸気口１４が位置する軸方向位置におけるベルマウス直径の３２％（＝３０ｍｍ）に設定した。

また、第１比較例として、特開平３−１３８４８１号公報を参照し、上記実施例と同じ寸法のベルマウス内面から突き出すようにパイプが設けられ、パイプの先端に吸気口が形成された構造を有するポンプを設計した。パイプの突出量は、第２実施例における凸部１３の突出量の２倍に設定した。

また、第２比較例として、特許第４４６３４８４号公報を参照し、第１〜第３実施例と同じ寸法のベルマウス内面に周方向に沿ってスリット状に吸気口が形成された構造を有するポンプを設計した。

次に、第１及び第２実施例ならびに第１及び第２比較例のポンプについて、インペラ回転時における吸気口位置での静圧変動を、定格流量および３０％流量の各々の条件において、数値解析（非定常単相流解析の流体シミュレーション）により検証した。

図９は、第１実施例ならびに第１及び第２比較例における吸気口位置の静圧変動を示すグラフである。図１０は、第２実施例ならびに第１及び第２比較例における吸気口位置の静圧変動を示すグラフである。

図９及び図１０に示すように、第１及び第２実施例（凸部方式）の結果を、第１比較例（パイプ方式）、および第２比較例（スリット方式）の結果と比較すると、凸部方式では、定格流量において吸気口位置における静圧が最も低く、さらに静圧変動も小さいことがわかった。したがって、上記実施例のポンプを用いれば、吸気量が多くなり、脈動も小さくなることが予測できる。

また、図９に示すグラフにおいて、部分流量である３０％流量（エアロック近傍）に着目すると、凸部方式では、スリット方式の部分流量時のような静圧上昇を生じることなく、スリット方式の定格流量時、およびパイプ方式の部分流量時と同等の静圧分布を維持することが可能であることがわかった。

１０ 先行待機運転ポンプ
１１ インペラ
１２ ケーシング
１３ 凸部
１４ 吸気口
１５ａ （主流方向上流側）案内面
１５ｂ （主流方向下流側）案内面
１５ｃ （二次流れ方向上流側）案内面
１５ｄ （二次流れ方向下流側）案内面
１６ 空気管
１７ 空気室
１８ 回転軸
１９ 原動機
２１ 主流方向
２２ 二次流れ方向
３１ 筒部
３２ フィレット

Claims (18)

1. インペラと、前記インペラを収容するケーシングとを備え、
   前記インペラより主流方向上流側の前記ケーシング内面に凸部であって、当該凸部と同じ軸方向位置における前記ケーシング内面に対して突出する凸部が設けられており、
   前記凸部の頂点付近に吸気口が形成されており、
   前記凸部は、主流方向上流側及び主流方向下流側にそれぞれ、前記吸気口端部を含む案内面で、前記凸部の頂点から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく案内面を有している
   ことを特徴とする先行待機運転ポンプ。
2. 前記凸部は、二次流れ方向上流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく案内面を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の先行待機運転ポンプ。
3. 前記凸部は、二次流れ方向下流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく案内面を有している
   ことを特徴とする請求項２に記載の先行待機運転ポンプ。
4. 前記案内面は、それぞれの流れ方向に対して曲率を有している
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
5. 前記案内面は、主流方向下流側における突出量の減り方が主流方向上流側における突出量の減り方より少ない
   ことを特徴とする請求項１に記載の先行待機運転ポンプ。
6. 前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも主流方向上流側または主流方向下流側に位置している
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
7. 前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも二次流れ方向上流側または二次流れ方向下流側に位置している
   ことを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
8. 前記凸部は、前記ケーシング内面から突出する円筒部を有し、
   前記吸気口と前記案内面とは前記円筒部の先端に配置されている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
9. 前記凸部の突出量は、前記凸部と同じ軸方向位置における前記ケーシング直径の２５％未満である
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
10. インペラと、前記インペラを収容するケーシングとを備え、
    前記インペラより主流方向上流側の前記ケーシング内面に凸部であって、当該凸部と同じ軸方向位置における前記ケーシング内面に対して突出する凸部が設けられており、
    前記凸部の頂点付近に吸気口が形成されており、
    前記凸部は、主流方向上流側に、前記吸気口端部を含む案内面で、前記凸部の頂点から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有している
    ことを特徴とする先行待機運転ポンプ。
11. 前記凸部は、主流方向下流側に、前記凸部の頂点から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有している
    ことを特徴とする請求項１０に記載の先行待機運転ポンプ。
12. 前記凸部は、二次流れ方向上流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有している
    ことを特徴とする請求項１０または１１に記載の先行待機運転ポンプ。
13. 前記凸部は、二次流れ方向下流側に、前記吸気口端部から離れるにつれて徐々に前記ケーシング内面からの突出量が減っていく曲率を有する案内面を有している
    ことを特徴とする請求項１２に記載の先行待機運転ポンプ。
14. 前記案内面は、主流方向下流側における突出量の減り方が主流方向上流側における突出量の減り方より少ない
    ことを特徴とする請求項１１に記載の先行待機運転ポンプ。
15. 前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも主流方向上流側または主流方向下流側に位置している
    ことを特徴とする請求項１０〜１４のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
16. 前記吸気口中心は、前記凸部の頂点よりも二次流れ方向上流側または二次流れ方向下流側に位置している
    ことを特徴とする請求項１２または１３に記載の先行待機運転ポンプ。
17. 前記凸部は、前記ケーシング内面から突出する円筒部を有し、
    前記吸気口と前記案内面とは前記円筒部の先端に配置されている
    ことを特徴とする請求項１０〜１６のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。
18. 前記凸部の突出量は、前記凸部と同じ軸方向位置における前記ケーシング直径の２５％未満である
    ことを特徴とする請求項１０〜１７のいずれかに記載の先行待機運転ポンプ。