JP6805003B2

JP6805003B2 - 羽根車及びポンプ

Info

Publication number: JP6805003B2
Application number: JP2017011936A
Authority: JP
Inventors: 竜介三好; 雅彦島津
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2017-01-26
Filing date: 2017-01-26
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-01-26
Also published as: JP2018119484A

Description

本発明は、羽根車及びポンプに関する。

ポンプに用いられる羽根車について薄肉で軽量な構造を実現するために、羽根車を製缶化することが行われている。しかし、薄肉な板構造では鋳物構造に比べハブとボスの接合部の強度が著しく低下する。厚肉な構造では軽量化は実現できないため、薄肉な板構造でハブとボスの接合の強度を向上させる構造が求められる。

これに対し、特許文献１では、ハブとボスの接合部に補強部材としての補強用プレートを、ハブの内表面とボスの外表面に接合して配置することにより、ハブとボスの接合の強度を向上させることが開示されている。更に特許文献１では、ハブ内外の圧力差を減少させるための穴（バランスホールともいう）がハブに設けられており、ハブとボスの接合部と補強プレートの間にバランスホールが開けられ、補強プレートに開口が開けられていることが開示されている。

特開２００９−２３５９３２号公報

ハブに設ける穴（バランスホール）は、ハブの吸い込み側と吐き出し側との差圧を逃がすために、できるだけハブの吸い込み側に設けられることが望ましい。ここで、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合には、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さ（例えば補強部材がリング状のプレートの場合、内外径差）が小さくなり、バランスホールと同じ長径（例えば真円の場合、直径）の開口を補強部材に開けると、補強部材の強度が落ちてしまい、補強部材の表面と裏面に圧力差に耐えることができないという問題がある。また、ハブとボスとの角度が更に小さくなって、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さが、バランスホールの長径（例えば真円の場合、直径）以下になるほどハブとボスとの角度が小さい場合には、バランスホールと同じ長径（例えば真円の場合、直径）の開口を補強部材に開けることが物理的にできなくなるという問題もある。

このため、ハブに設ける穴（バランスホール）を、補強部材よりも吐き出し側に配置せざるを得なくなってしまう。ここでハブの吸い込み側から吐き出し側に沿って圧力が高くなるので、バランスホールが補強部材よりも吐き出し側（すなわち圧力が高い側）に配置されると、ハブ内外の圧力差を十分に減少させることができない。これにより、回転軸には、吐き出し側から吸い込み側に大きなスラスト力が働いてしまうという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することを可能とする羽根車及びポンプを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様に係る羽根車は、中空の構造であり、当該中空に回転軸が嵌まって回転力が伝達されるボスと、前記ボスに取り付けられており、且つ複数の穴が設けられたハブと、前記ハブの外表面に取り付けられた複数の羽根と、前記ボスの外表面に取り付けられ、前記穴に比べて前記ハブと前記ボスの接合部から離れた位置において前記ハブの内表面に取り付けられており、且つ複数の開口が設けられた補強部材と、を備え、前記ハブと前記ボスとの角度が規定の角度より小さく、前記複数の開口それぞれの開口の断面積は、前記穴の断面積より小さく、前記開口の数は、前記穴の数よりも多く、前記複数の開口の断面積の合計が、前記複数の穴の断面積の合計以上である。

この構成によれば、複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上であるため、補強部材の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本発明の第２の態様に係る羽根車は、第１の態様に係る羽根車であって、前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の長径以下である。

この構成によれば、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さが当該穴の長径以下であるほどハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本発明の第３の態様に係る羽根車は、第１または２の態様に係る羽根車であって、前記補強部材は、リング状のプレートであり、前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さは、前記補強部材の内外径差である。

この構成によれば、補強部材がリング状のプレートにおいて、補強部材の内外径差が当該穴の長径以下であるほどハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本発明の第４の態様に係る羽根車は、第２または３の態様に係る羽根車であって、前記穴の形状は略円であり、前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の直径以下である。

この構成によれば、穴の形状を略円にしたときにおいて、ボスの長軸に対して略垂直方向における補強部材の内縁から補強部材の外縁までの長さが当該穴の直径以下であるほどハブとボスとの角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本発明の第５の態様に係る羽根車は、第１から４のいずれかの態様に係る羽根車であって、前記穴の形状は略円であり、前記開口の形状は略円であり、前記開口の直径は、前記穴の直径よりも小さい。

この構成によれば、穴の形状を略円且つ開口の形状を略円にしたときにおいて、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本発明の第６の態様に係るポンプは、第１から５のいずれかの態様に係る羽根車を備える。

本発明の一態様によれば、複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上であるため、補強部材の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブとボスとの角度が規定の角度より小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本実施形態に係るポンプの斜視図である。本実施形態に係る羽根車の斜視図である。本実施形態に係る羽根車の正面図である。図３のＡ−Ａ’断面図である。図４の矢印Ａ１から見た場合における本実施形態に係る補強部材の正面図である。図４の矢印Ａ１から見た場合における変形例に係る補強部材の正面図である。

以下、各実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係るポンプは一例としてポンプ機場などで用いられる大型の立軸ポンプである。なお、ポンプは、横軸ポンプであってもよいし、小型のものであってもよいし、羽根車は１段ではなく複数段であってもよい。

図１は、本実施形態に係るポンプの模式図である。図１に示すように、本実施形態に係るポンプ１００は、ポンプベース１１４を有し、ポンプベース１１４は水槽上部のポンプ据付床１０１に設置される。羽根車１を収容するガイドケーシング１０６が吊下管１０２を介してポンプ据付床１０１から吊り下げられる。羽根車１は回転軸１０９の一端部に固定されており、回転軸１０９は外軸受１１０および水中軸受１０８により回転自在に支持される。回転軸１０９は、ガイドケーシング１０６、吊下管１０２、及び吐出曲管１０４内を通って鉛直方向に延びている。回転軸１０９の他端部は、駆動機の一例である電動機１１１の回転軸１１２に連結されている。

電動機１１１により回転軸１０９を介して羽根車１を回転させると、水槽内の水（取扱液）が、ガイドケーシング１０６の下端から吸い込まれ、ガイドケーシング１０６、吊下管１０２、吐出曲管１０４を通って図示しない吐出配管に移送される。なお、ポンプ運転時においては、羽根車１や水中軸受１０８を収容するガイドケーシング１０６は、液面よりも下に位置している。

図２は、本実施形態に係る羽根車の斜視図である。図３は、本実施形態に係る羽根車の正面図である。図２に示すように、羽根車１は、中空１６の構造であり、当該中空１６に回転軸１０９が嵌まって回転力が伝達されるボス３が設けられている。また羽根車１にはハブ２が設けられており、このハブ２は、ボス３に取り付けられており且つ複数の穴２１、…、２５（図３参照）が設けられている。図３に示すように、穴の形状は一例として略円であり、穴（バランスホールともいう）２１、…、２５の直径はＤ１である。

更に図２及び３に示すように、羽根車１には、略円錐形状のハブ２の外表面に溶接で取り付けられた複数の羽根１１、…、１５が設けられている。なお、羽根が５枚あるのは一例であって、羽根の数は何枚であってもよい。

図４は、図３のＡ−Ａ’断面図である。図４に示すようにハブ２には穴２１が設けられている。図５は、図４の矢印Ａ１から見た場合における本実施形態に係る補強部材の正面図である。図４のハブ２とボス３の接合部４において、ハブ２は、ボス３の外表面に溶接によって取り付けられている。また、図４に示すように、羽根車１には、補強部材５が設けられている。図４のボス３と補強部材５の接合部６において、補強部材５は、ボス３の外表面に溶接によって取り付けられている。また図４のハブ２と補強部材５の接合部７において、補強部材５は、穴２１に比べてハブ２とボス３の接合部４から離れた位置においてハブ２の内表面に溶接によって取り付けられている。図５に示すように、本実施形態に係る補強部材５は、一例としてリング状のプレートであり、図４に示すように、補強部材５は一例として、吸い込み側（ｚ軸負側）より吐き出し側（ｚ軸正側）の方が、内外径差が小さくなっている。図５に示すように複数の開口３１、…、４８が周回上に設けられており、その一つの開口３４が図４に示されている。

ハブ２とボス３との角度は規定の角度より小さい。ここで規定の角度とは、補強部材５を、ハブ２とボス３の接合部４とは反対側のボス３の端部に配置した場合において、ボス３の長軸に対して略垂直方向における補強部材５の内縁から補強部材５の外縁までの長さ（すなわち補強部材５の内外径差）が、穴２１、…、２５の直径Ｄ１に所定のマージンを足した長さになる角度である。ここで所定のマージンは、補強部材５の強度が、補強部材５の表面と裏面にかかる圧力差に耐えられるように設定される。

本実施形態では、ハブ２とボス３との角度の一例として、図４に示すように、ボス３の長軸に対して略垂直方向における補強部材５の内縁から補強部材５の外縁までの長さ（すなわち補強部材５の内外径差）Ｌ１（図４参照）が穴２１、…、２５の直径Ｄ１以下になるほどハブ２とボス３との角度が小さい。

図５に示すように開口の形状は一例として略円であり、複数の開口３１、…、４８の直径はＤ２である。ここで破線の円ＢＬ１は、ハブ２に設けられた穴２１、…、２５の大きさを表している。このように、開口３１、…、４８の直径Ｄ２は、ハブ２に設けられた穴２１、…、２５の直径Ｄ１よりも小さい。また、補強部材５の内外径差Ｌ１が穴２１、…、２５の直径Ｄ１以下になるほどハブ２とボス３との角度が小さい。そして、複数の開口３１、…、４８の断面積の合計（＝１８×π×（Ｄ２／２）²）が、複数の穴２１、…、２５の断面積の合計（＝５×π×（Ｄ１／２）²）以上である。

この構成により、吸い込み側（羽根車１の正面側）から吸い込まれ、羽根１１とボス２に沿って増圧された水の一部が、吐き出し側（羽根車１の裏面側）から、補強部材５の開口３１、…、４８を通り、更にハブ２の穴２１、…、２５を通って、吸い込み側（羽根車１の表面側）に戻される。このとき、補強部材５の内外径差が穴２１、…、２５の直径以下になるほどハブ２とボス３との角度が小さい場合であっても、複数の開口３１、…、４８の断面積の合計が、複数の穴２１、…、２５の断面積の合計以上であるため、補強部材５の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブ２とボス３との角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

本実施形態では一例として、鉄板からリング状のプレートを切り出し、切り出したプレートに開口３１、…、４８を設けることで補強用プレートが補強部材５として製造される。そして、本実施形態の羽根車１は、ハブ２とボス３と補強用プレートとを溶接することにより製造する。ここで補強用プレートの溶接は、補強用プレートの全周に渡って溶接してもよいし、部分的に溶接してもよい。

例えば、ボス３にハブ２を取り付け、その後に補強用プレートを取り付けて製造してもよいし、ボス３に補強用プレートを取り付け、その後にハブ２を取り付けてもよいし、ハブ２に補強用プレートを取り付け、その後に、ハブ２と補強用プレートが合体したものをボス３に取り付けてもよい。また、ハブ２に羽根１１〜１５を予め付けておく場合と、ハブ２をボス３及び／または補強用プレートに取り付けてから羽根１１〜１５を付ける場合がある。

続いて図６を用いて補強部材の変形例について説明する。図６は、図４の矢印Ａ１から見た場合における変形例に係る補強部材の正面図である。図６に示すように、変形例に係る補強部材５ｂには、異なる直径を有する二つの周回上に開口５１、…、８０が設けられている。ここで破線の円ＢＬ２は、ハブ２に設けられた穴２１、…、２５の大きさを表している。このように、開口５１、…、８０の直径Ｄ２’は、ハブ２に設けられた穴２１、…、２５の直径Ｄ１よりも小さい。また、補強部材５ｂの内外径差Ｌ１’が穴２１、…、２５の直径Ｄ１以下になるほどハブ２とボス３との角度が小さい。

なお、穴２１、…、２５の形状は一例として略円としたが、これに限らず、三角形以上の多角形でも、星形でもよく、どんな形状であってもよい。また、開口３１、…、４８の形状は一例として略円としたが、これに限らず、三角形以上の多角形でも、星形でもよく、どんな形状であってもよい。この場合であっても、補強部材５の複数の開口それぞれの開口の断面積は、ハブ２の穴の断面積より小さい。そして、補強部材５の開口の数は、ハブ２の穴の数よりも多い。複数の開口の断面積の合計が、複数の穴の断面積の合計以上である。ボス３の長軸に対して略垂直方向における補強部材５の内縁から補強部材５の外縁までの長さが穴２１、…、２５の長径以下になるほどハブ２とボス３との角度が小さい。

この場合であっても、複数の開口３１、…、４８の断面積の合計が、複数の穴２１、…、２５の断面積の合計以上であるため、補強部材５の表面と裏面に圧力差が生じない。このため、ハブ２とボス３との角度が小さい場合であっても、回転軸にかかるスラスト力を低減することができる。

なお、補強部材はリング状のプレートとしたが、複数のリブであってもよい。その場合、補強部材の開口は、リブの間の空間が該当する。しかし、リブの場合、位置合わせが大変であるので溶接が難しい。

以上、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１羽根車
１１〜１５羽根
１６中空
２ハブ
２１〜２５穴
３ボス
３１〜４８開口
４、６、７接合部
５、５ｂ補強部材
５１〜８０開口
１００ポンプ
１０１ポンプ据付床
１０２吊下管
１０４吐出曲管
１０６ガイドケーシング
１０８水中軸受
１０９回転軸
１１０外軸受
１１１電動機
１１２回転軸
１１４ポンプベース

Claims

中空の構造であり、当該中空に回転軸が嵌まって回転力が伝達されるボスと、
前記ボスに取り付けられており、且つ複数の穴が設けられたハブと、
前記ハブの外表面に取り付けられた複数の羽根と、
前記ボスの外表面に取り付けられ、前記穴に比べて前記ハブと前記ボスの接合部から離れた位置において前記ハブの内表面に取り付けられており、且つ複数の開口が設けられた補強部材と、
を備え、
前記ハブと前記ボスとの角度が規定の角度より小さく、
前記複数の開口それぞれの開口の断面積は、前記穴の断面積より小さく、
前記開口の数は、前記穴の数よりも多く、
前記複数の開口の断面積の合計が、前記複数の穴の断面積の合計以上である
羽根車。
前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の長径以下である
請求項１に記載の羽根車。
前記補強部材は、リング状のプレートであり、
前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さは、前記補強部材の内外径差である
請求項２に記載の羽根車。
前記穴の形状は略円であり、
前記ボスの長軸に対して略垂直方向における前記補強部材の内縁から前記補強部材の外縁までの長さが、前記穴の直径以下である
請求項２または３に記載の羽根車。
前記穴の形状は略円であり、
前記開口の形状は略円であり、
前記開口の直径は、前記穴の直径よりも小さい
請求項１から４のいずれか一項に記載の羽根車。
請求項１から５のいずれか一項に記載の羽根車を備えるポンプ。