JPH02221700A - 回転ポンプインレット速度分布制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 皮皿立１ 本発明は１回転ポンプにおけ有改良に関するものであっ
て、更に詳細には、ロータの上流側の速度分布を修正す
ることによって回転ポンプの性能を向上させる技術に関
するものである。

１未ユｌ 殆どの従来の回転、ポンプにおける設計手順は、ロータ
ハブからチップにかけて一様なポンプインレット速度が
存在することを仮定している。しかしながら、従来の回
転ポンプにおけるインレット（入口）速度分布は一様な
ものではない、非一様ポンプインレット速度は１部分的
には、境界層から発生し、且つ部分的には、カスケード
によって誘発される入射（ＣＩＩ）で効果は角度から発
生する。（この点に関しては、例えば、５ｃｈｏｌｚ、
Ｎｏｒｂｅｒｔ著の「カスケードの空気力学（Ａｅｒｏ
ｄｙｎａｍｉｃｓ　　ｏｆ　　Ｃａ５ｃａｄｅｓ）」、
英語改定版ＡＧＡＲＤ１９７７．２１１頁、を参照する
とよい） 典型的に設計されたインデューサ先端ハブ−チップブレ
ード角度分布は、 Ｒ−ｔａｎβ＝一定 尚、Ｒ＝ハブとチップの間の位置における半径β＝Ｒに
対応するブレード角度 で表わされる式によって表示することが可能である。

実際の非一様流れにおいては、ブレードが上述した式に
基づいて構成される場合には、チップは予測されるもの
よりもより高い入射角度を経験することとなる。ハブは
、予測されるものよりもかなり低い入射角度を有するこ
ととなる。従って。

従来の設計手順では、より減少したポンプ吸引能力とな
り且つ減少したポンプ効率となる。

旦−画 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであって、上述
したごとき従来技術の欠点を解消し、高効率であり、且
つ低コストの回転ポンプを提供することを目的とする。

１−見 本発明によれば、ロータブレードのすぐ上流側において
先細即ち収束性のインレットダクト（入口ダクト）を回
転ポンプに設けることを特徴としている。この先細即ち
収束性のインレット流れダクトは、次式。

ｎ＝２、　Ｒｅ≦２３００、 ｎ＝２＋０．００４３２　　（Ｒｅ−２３００）　　、
２３００≦Ｒｅ≦３２００、 ｎ＝３　Ｒｅ　Ｉ　／　Ｉ　２、尚Ｒｅ≧３２００、ａ
　＝ＲＨＬＩＩ　　／　ＲＴ　　、 ０、８≦に５１　、 によって画定される幾何学的形状を有している。

上述の式によって決定される先細乃至は収束性のインレ
ットダクトを使用することにより、ロータブレードを有
するロータの境界層流れ及び独特の幾何学的形状（Ｒ−
ｔａｎβ＝一定）が補償される。この先細乃至は収束性
のダクトは、ロータブレード内に導入される流体内に実
質的に一様な速度分布を与える効果を有している。

夾胤困 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
について詳細に説明する。

第１図を参照すると、本発明の好適実施例が示されてお
り、それは、本発明に基づいて構成された回転ポンプ１
０の構成要素を示している。このポンプは、ハウジング
１２を有しており、その中には、シャフト１６とインペ
ラー１８とを具備する回転可能なロータ１４が収納され
ている。

ロータ１４は、ハブ回転表面２０を具備する上流側端部
を有している。複数個のロータブレード２２が、ハブ表
面２０から半径方向外側に延在している。ハブ表面２０
及びブレード２２を有する回転ポンプｌＯの部分は１通
常、インデューサと呼称される。しかしながら、その他
の実施例に関して後に説明する如く、本発明の原理を実
施化する回転ポンプは、必ずしもインデューサを必要と
するものではない、従って、本発明の技術的範囲におけ
る不明確性を回避するために、インデューサブレードは
、本明細書においては、大略ロータブレードとして説明
する。各ロータブレード２２は先端エツジ２４を有して
いる。ブレード２２は軸方向に整合されている。従って
、半径ＲＨＵＢを有する円２６は、各先端エツジ２４と
ハブ表面２０との交差部によって決定され且つ形成され
る。

（第２図参照）（Ｒイｕｓは、先端エツジハブ半径とし
て知られている。）各ロータブレード２２は、チップ２
８で終端している。チップ２８は、半径Ｒア１Ｆを持っ
た第二の円３０を決定している。

回転ポンプ１０に対するインレット流れダクトは大略３
２で示しである。ロータ１４の上流側における第一セク
ションＡは、実質的に一定の半径ＲＯを宵している。ブ
レードチップ２８の上流側であるが第一セクションＡの
下流側である第二セクションＢは先細形状即ち収束性で
ある。第二セクションの下流側の第三セクションＣは、
半径Ｒｔであり、その半径はＲＴＩＰよりも多少大きい
（即ち、チップ２８に対してクリアランスを与えるのに
十分な大きさ）、流れダクト３２は、次式、 ｎ＝２、　Ｒｅ≦２３００ ｎ＝２＋０．００４３２　　（Ｒｅ−２３００）　　、
２３００≦Ｒｅ≦３２００、 ｎ＝３Ｒｅ１／１＠、尚Ｒｅ≧３２００、σ＝Ｒ、Ｉｕ
ｓ　　／　Ｒｔ　　、 ０、　８≦に≦１、 によって決定される幾何学的形状を有している。

式（１）は、以下のごとき理論的考察によって得られる
。即ち、文献によれば、先細即ち収束性のダクト内にお
ける境界層は、末広がり又は一定な面積のダクトにおけ
るよりもかなり薄い、第３図は、Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎ
ｇ、　　Ｈ，ｒ境界層理論（Ｂｏｕｎｄａｒｙ−Ｌａｙ
ｅｒ　　Ｔｈｅ。

ｒｙ）Ｊ　、１９７９、マクグロウヒル出版、６６９頁
から抜粋したグラフである。このグラフは、先細ダクト
、末広がりダクト及び一定断面積ダクトにおけるそれぞ
れの速度分布を示している。その横軸は、無次元単位で
のダクトの中心からの位置に対応している。尚、 ｙ＝ダクト中心からの距離 ｂ＝ダクトの直径 更に、このグラフの縦軸は無次元単位での速度に対応し
ている６ Ｕ＝局所的速度 Ｕ＝最大速度（即ち、パイプ中心における速度） これらの曲線は、−８゛及び４゛の間の半円錐（包含し
た）角度を有するダクトに対する速度分布を表わしてお
り、負の記号は、先細（収束性）ダクトを表わしている
。この図から理解される如く、先細即ち収束性ダクトの
場合には、境界層が非常に薄くなっている。従って、ロ
ータブレードのすぐ上流側に先細即ち収束性のダクトを
使用する場合には、インレット（入口）速度分布は実質
的に一様となり、且つハブからチップへの先端エツジブ
レード角度分布Ｒ−ｔａｎβは正確なものとなる。一様
な速度分布に対して設計されたＲ−ｔａｎβは、非一様
速度分布にマツチさせることを必要とする複雑な形状の
ものよりも製造が簡単であり且つ記述が簡単である。こ
の先細乃至は収束性のインレットがない場合には、性能
を最適化するためには、ロータの先端エツジブレードは
、複雑な形状とせねばならず且つ製造は困難なものとな
る。

先細乃至は収束性のバイブを使用することによる余分の
損失が発生する可能性がある問題が提起されるかも知れ
ない、しかしながら、その他の文献を参照すると、先細
乃至は収束性のダクトに対してはそのような損失は比較
的小さなものである。第４図のグラフは、その図面中に
３４で示したモデルに対して与えられた圧力損失を示し
ている。（この図面は、Ｓ、Ａ、Ｅ、航空宇宙応用熱力
学マニュアル（Ａｅｒｏｓｐａｃｅ　　Ａｐｐｌｉｅｄ
　　Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ　　Ｍａｎｕａｌ）
、第二版、１９６９．１９頁からの抜粋である。）第４
図は、半径Ｒにより先細乃至は収束するパイプを仮定し
ているが、このモデルは、問題とするインレットダクト
の先細乃至は収束性の形状から発生することのある最悪
の圧力損失に関する近似を与久ている０本発明の予期す
る目的の場合には、問題となるインレットダクトはｒ／
ｄ２≦０．１２の比を有しており、従ってＫｔは出口速
度ヘッドの３％未満である。この圧力損失は、マツチし
た設計の利点によって保証されるものよりも大きい。

ロータ３８の前方における先細乃至は収束性ダクト３６
の概略的な構成を第５図に示しである。

上述した説明に鑑みて、ダクトの収縮に起因する全圧力
損失は最小であると仮定される（即ち、本発明のインレ
ットダクトは、第４図に関して上に説明した仮定となっ
ている円の半径によって形成される急激性よりも緩和さ
れた湾曲を有しているからである。）。

セクションＢにおいての速度が一定（即ち、境界層は無
視可能）であると仮定すると、次式が得られる。

尚、Ｑ＝流量、Ｕ、＝ブレード先端エツジ速度且つ Ａ＝π　（ＲＴ　　”　　−Ｒ＋＋ｕａ　　”　　）　
　　　　　　　　（３）従って、 得られる。

（この方程式に関して、Ｔ　ｔ　＃Ｒｒａｐを仮定して
いる。） Ｓｃｈｌ　ｉｃｈｔｉｎｇ、Ｈ，調「境界層理論（Ｂｏ
ｕｎｄａｒｙ−Ｌａｙｅｒ　　Ｔ　ｈ　ｅ　ｏ　ｒｙ）
Ｊ、１９７９、マクグロウヒル出版、５５９頁の文献に
記載される如く、完全に発達したバイブ流れの速度分布
は次式で表わされる。

　ｗａｘ （ｎ＋１）　　（２ｎ＋１） 尚、 ｎ＝２、Ｒｅ≦２３００、 ｎ＝２＋０．００４３２　（Ｒｅ−２３００）、尚２３
００≦Ｒｅ≦３２００、 ｎ　＝３　Ｒｅ　ｌ／　Ｉ　２、尚Ｒｅ≧３２００、Ｕ
、＝セクションＡにおける平均速度、Ｕ　ＭＡＸ　＝　
Ｋ　Ｕ　。

本発明者等の研究によれば、０，８≦に≦１の条件は、
妥当な一様なインデューサ先端エツジ分布を得ることが
可能である。

前記式（５）及び（６）をＲＯについて解くと、次式（
７）が得られる。

ある場合には、点＃！４０で示した如く、ロータが実際
にセクションＡ内に突出する場合もある。

保守的な設計プラクティスでは、このような推定も包含
している。従って、その結果書られる使用可能な式は、
上に記載した式（１）である。

先細乃至は収束性のインレットダクトを使用することに
より、ブレードチップの上流側の速度分布を一様な流れ
に修正し、その際に簡単なロータブレードハブ対チップ
ブレード角度分布を流れにマツチさせることを可能とす
る便利な方法を提供している。この簡単なブレード構成
は、ロータの製造コストを低下させている。流れのマツ
チングが良好となるので、ポンプの吸引性能が改善され
ると共に、ポンプの動作寿命が改善される１本発明者等
の研究によれば、本発明のインレットダクトを使用する
ことにより、吸引能力が最大で２０％改善され且つ効率
が最大で５％改善されることが判明した。

再度第１図を参照して、動作に付き説明すると、外部駆
動力源（不図示）からトルクがロータ１４へ印加される
。流体が、インレットダクト３２の先細乃至は収束性セ
クションＢを介して導入される。境界層を減少させるこ
とにより、速度分布が実質的に一様とされる０次いで、
流れはインデューサのインデユアサブレード２２の間を
進行し、ついでインペラー１８を介して流れる。次いで
、この流れは、出口ダクト４２を介して半径方向に排出
される。

上述した如く、インデューサ／インペラー、上述した実
施例の組合せは、高吸引性能及び高排出圧力への適用に
対して望ましいものではあるが、本発明はこれらの実施
例にのみ限定されるべきものではない。

第６図は、大略４６で示されたロータ／インデューサを
有しており且つ前の実施例に設けたインペラーが存在し
ない回転ポンプ４４を示している。第６図の実施例は、
高吸引性能及び低排出圧力への適用に望ましいものであ
る。流体は、先細乃至は収束性インレットダクト４８を
介して流れ、そのダクトは流体内に一様な速度分布を発
生させる０次いで、その流体は、インデューサ／ロータ
ブレード５０を介して流れ、且つ最終的に出口ダクト５
２を介して軸方向に排出される。

第７図は、ローフ／インペラー５４を有しており且つ前
の実施例の何れかに設けたインデューサが存在しない回
転ポンプ５２を示している。第７図の実施例は、高排出
圧力／低吸引性能への適用に望ましいものである。流体
は、先細乃至は収束性インレット５６を介し、且つイン
ペラーブレード５８を介して流れ且つ出口ダクト６０か
ら半径方向外部へ排出される。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが、本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
ではなく、本発明の技術的範囲を逸脱することなしに種
々の変形が可能であることは勿論である０例えば、第１
図、第６図及び第７図において、インレットダクトにお
ける先細乃至は収束性は直線的にテーパーした形状のも
のとして示しである。しかしながら、このダクトは、Ｒ
Ｏが実質的に一定の速度分布を与λるように上述した式
の条件を満足するようなものである限り、種々の形状を
取りつるものであって、例えば滑らかに湾曲した形状と
することも、可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はインデューサ／インペラー回転ポンプを示した
本発明の好適実施例の部分断面概略側面図、第２図は第
１図の２−２線に沿ってとった回転ポンプの端面図、第
３図は平坦な壁を有する先細乃至は末広がりチャンネル
における速度分布を示したグラフ図、第４図は収縮バイ
ブ内の圧力損失を示したグラフ図、第５図は理論的考察
のために有用な本発明の原理を使用した回転ポンプのモ
デルを示した説明図、第６図はインデューサを持った回
転ポンプを有する本発明の好適実施例の一部断面概略側
面図、第７図はインペラーを持った回転ポンプを有する
本発明の好適実施例の一部断面概略図、である。 （符号の説明） １０：回転ポンプ　　　１２：ハウジング１４：ロータ
　　　　　１８：インベラー２０：ハブ回転表面　　２
２：ロータブレード２４：先端エツジ　　　２８：チッ
プ Ｆｉｇ、　２ 止ＡＧ′″ヤ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ハウジング、前記ハウジングに回転可能に取付けら
   れておりハブ回転表面を具備する上流側端部を持ったロ
   ータ、各々が先端エッジを持っており且つ各々がチップ
   で終端し、前記ハブ表面から半径方向に延在する複数個
   のロータブレード、前記ハウジングに取付けられており
   前記ロータ内へ流れを導入させるインレット流れダクト
   手段、を有しており、前記流れダクト手段が、流れが前
   記ロータ内に導入される前に前記インレット流れダクト
   手段の流れ断面積を減少させる為に前記チップの上流側
   に先細セクションを持っており、前記先細セクションは
   ロータブレードのすぐ上流側の流れにおいて実質的に一
   様な速度分布を形成すべく構成されていることを特徴と
   する回転ポンプ。 ２、特許請求の範囲第１項において、各先端エッジは実
   質的に同一の軸方向位置において前記ハブ表面と交差し
   、前記交差部は半径が先端エッジハブ半径Ｒ＿Ｈ＿Ｕ＿
   Ｂである第一円を画定し、前記チップが半径Ｒ＿Ｔ＿Ｉ
   ＿Ｐを持った第二円を画定し、前記インレット流れダク
   ト手段が、実質的に一定の半径をＲ＿Ｏを有する前記ロ
   ータ上流側の第一セクションと、前記チップの上流側で
   あるが前記第一セクションの下流側である先細第二セク
   ションと、Ｒ＿Ｔ＿Ｉ＿Ｐにほぼ等しい半径Ｒ＿ｔを持
   っており前記第二セクションの下流側の第三セクション
   とを有しており、前記流れダクトが次式、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 尚、 ｎ＝２、Ｒｅ≦２３００、 ｎ＝２＋０．００４３２（Ｒｅ−２３００）、尚２３０
   ０≦Ｒｅ≦３２００、 ｎ＝３Ｒｅ＾１＾／＾１＾２、尚Ｒｅ≧３２００、σ＝
   Ｒ＿Ｈ＿Ｕ＿Ｂ／Ｒ＿Ｔ、 ０．８≦Ｋ≦１ によって決定される幾何学的形状を有していることを特
   徴とする回転ポンプ。 ３、特許請求の範囲第１項において、各先端エッジが実
   質的に同一の軸方向位置において前記ハブ表面と交差し
   、前記交差部が先端エッジハブ半径Ｒ＿Ｈ＿Ｕ＿Ｂの半
   径を持った第一円を画定し、前記チップが半眼Ｒ＿Ｔ＿
   Ｉ＿Ｐを持った第二円を画定し、前記インレット流れダ
   クト手段が、実質的に一定の半径Ｒ＿Ｏを持った前記ロ
   ータ上流側の第一セクションと、前記チップの上流側で
   あるが前記第一セクションの下流側における先細第二セ
   クションと、Ｒ＿Ｔ＿Ｉ＿Ｐにほぼ等しい半径Ｒ＿ｔを
   持った前記第二セクションの下流側における第三セクシ
   ョンとを有しており、前記流れダクトが次式、 ▲数式、化学式、表等があります▼ ｎ＝２、尚Ｒｅ≦２３００、 ｎ＝２＋０．００４３２（Ｒｅ−２３００）、尚２３０
   ０≦Ｒｅ≦３２００、 ｎ＝３Ｒｅ＾１＾／＾１＾２、尚Ｒｅ≧３２００、σ＝
   Ｒ＿Ｈ＿Ｕ＿Ｂ／Ｒ＿Ｔ、 ０．８≦Ｋ≦１、 によって決定される幾何学的形状を有することを特徴と
   する回転ポンプ。 ４、特許請求の範囲第１項において、前記ロータがブレ
   ードを持ったインデューサを有しており、前記ロータブ
   レードが前記インデューサのブレードであることを特徴
   とする回転ポンプ。 ５、特許請求の範囲第４項において、前記ロータは、更
   に、前記インデューサの下流側においてインペラーを有
   することを特徴とする回転ポンプ。 ６、特許請求の範囲第１項において、前記ロータは、ブ
   レードを持ったインペラーを有しており、前記ロータブ
   レードが前記インペラーのブレードであることを特徴と
   する回転ポンプ。 ７、ハウジング、前記ハウジングに回転可能に取付けら
   れておりハブ回転表面を具備する上流側端部を持ったロ
   ータ、各々が先端エッジを持っており、各先端エッジが
   実質的に同一の軸方向位置において前記ハブ表面と交差
   し、前記交差部が先端エッジハブ半径Ｒ＿Ｈ＿Ｕ＿Ｂで
   ある半径の第一円を画定しており、各ロータブレードが
   チップで終端し前記チップが半径Ｒ＿Ｔ＿Ｉ＿Ｐを持っ
   た第二円を画定しており、前記ハブ表面から半径方向に
   延在する複数個のロータブレード、前記ロータ内へ流れ
   を導入するために前記ハウジングに取付られている流れ
   ダクト、を有しており、前記流れダクトは、前記ロータ
   の上流側であって実質的に一定の半径Ｒ＿Ｏを持った第
   一セクションと、前記チップの上流側であるが前記第一
   セクションの下流側における先細第二セクションと、前
   記第二セクションの下流側であってＲ＿Ｔ＿Ｉ＿Ｐにほ
   ぼ等しい半径Ｒ＿Ｔを持った第三セクションとを有して
   おり、前記流れダクトが、次式、 ▲数式、化学式、表等があります▼ ｎ＝２、尚Ｒｅ≦２３００、 ｎ＝２＋０．００４３２（Ｒｅ−２３００）、尚２３０
   ０≦Ｒｅ≦３２００、 ｎ＝３Ｒｅ＾１＾／＾１＾２、尚Ｒｅ≧３２００、σ＝
   Ｒ＿Ｈ＿Ｕ＿Ｂ／Ｒ＿Ｔ、 ０．８≦Ｋ≦１、 によって決定される幾何学的形状を有することを特徴と
   する回転ポンプ。 ８、回転ポンプの性能を改良する方法において、回転ポ
   ンプのインレットダクト内に流れを導入し、前記流れが
   前記回転ポンプのロータ上のブレードに導入される前に
   前記流れを収束させ、前記流れが収束されて、実質的に
   一様な速度分布を形成する、上記ステップを有すること
   を特徴とする方法。