JPH0436099A - 軸流形流体機械 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は軸流形流体機械に関する。

〔従来の技術〕

第９図に従来の技術の例として細流ポンプの場合を示す
、ポンプは、吸込ベルマウス５．ムロ案内羽根４９羽根
車１．案内羽根２及び吐出管６からなっている０羽根車
１は原動機（図示せず）により駆動されるポンプ軸３に
取付けられ、羽根車の回転により水は下から上へ吐出さ
れる。

羽根車１は円筒状のケーシング１３の内で回転する。回
転体の羽根車１と静止体のケーシング１３の間には半径
方向の隙間１４が設けられ羽根車１とケーシング１３が
接触しないようになっている。この隙間は適度な間隔に
設定されているが。

隙間を通って羽根の圧力面側から負圧面側へ漏れる流れ
が存在する。この漏れ流れは単に漏れ流量の存在による
漏れ損失をもたらすのみでなく、漏れ流れにより羽根車
羽根間を流れる主流のティップ側の流れに逆方向の流れ
を与え子午面流速の低下をもたらす。

このような問題に対処するため羽根先端隙間を可能な限
り小さく保持することに関するものとして実開昭５７−
３８９８号がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術は次のような問題点が存在する。

第１２図は第９図の羽根車と案内羽根と軸心から半径Ｒ
の円筒面で切断し展開した面における羽根車の速度三角
形を示す、また第１０図及び第１１図はこの速度三角形
の羽根車出口子午面流速Ｃｗａｚ及び羽根車出口絶対流
速Ｃ２の軸方向から測った流出角β２を半径方向位置Ｒ
に対して示した図である。第１０図、第１１図において
、Ｃｍｚ及びβ２は設計値を示し、Ｃ１１２’及びβ２
′は実際に運転している場合の流れの測定結果を示す。

第１０図から羽根車出口子午面流速Ｃｍｚは、羽根車羽
根ティップとケーシングとの隙間１４（第９図）からの
漏れ流れ及びケーシング壁と羽根間流路を流れる相対流
れＷｌとの摩擦により境界層が発達するためティップ側
においてＣ，ｚ′となり大幅に低下すると共に損失も大
となる。その結果、第１２図の羽根車出口における速度
三角形からもわかるように、羽根車出口絶対流速の周方
向成分は、ＣｍｚからＣ１２′　に増大し、軸方向との
なす角もβ２からβ２′に増大する。一方、案内羽根の
入口角β１１は羽根車出口の絶対流速の流出角β２に合
わせて通常設計しである。従って、羽根車出口流Ｃ２の
流出方向がβ２からβ２′に増大すると、β１に対して
マツチングがとれるよう設定した案内羽根入口角βｆ１
より大きな角度で案内羽根に流入する。その角度の差（
β２−β、りすなわち迎え角α、が大きくなると案内羽
根の損失が大きくなりポンプの効率が低下し問題である
。

その対策として案内羽根入口角βｆ１を羽根車出口の実
際の流出角β２′　に合わせるように設計すればよいが
、その場合のβ、１の半径方向の分布は第１１図のβ２
′　の分布と同一になるから、案内羽根のティップ側で
極端にねじれた形状となる。

そうすると案内羽根における羽根の負荷がティップ側で
大きくなり、二次流れ損失を増大する。またそのような
羽根形状は製作しにくいものとなる。

このように従来技術は羽根車チップにおける流速の低下
により羽根車及び案内羽根の損失が増大するという問題
があった。

本発明はこのような損失を低減し高効率の細流形流体機
械を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、羽根車入口上流部に羽根車
ティップ部に向けて高流速の円環状の噴流を吹出し、羽
根車のティップ側の境界層にエネルギーを与え流速の低
下を防ぎ、羽根車出口で子午面流速が半径方向に一様に
分布するようにしたものである。

〔作用〕

軸流羽根車の直上流部の円形ケーシングの内壁に沿って
設けられた円環状のノズルから羽根車への流入流速より
大きな流速を持つ円環状の噴流がケーシング内壁に沿っ
て吹出し、噴流は羽根車のティップ付近に流入する流れ
にエネルギを与え加速する。それによって羽根車内部の
流れのティップ付近における速度低下が抑制され、且つ
、羽根とケーシングとの隙間を通る漏れ流れも抑制され
る。その結果、羽根車内部におけるティップ側の境界層
の発達による損失は低減する。また、ティップ側の案内
羽根への流入角は設計状態の案内羽根入口角とのずれが
極めて小さくなり、案内羽根の損失も低下する。

円環状ノズルから噴出させる加圧流体は、案内羽根出口
からや主羽根車のハブ内に設けた補助の遠心羽根車等に
より供給される。これら加圧流体を得るには動力が必要
であるが、上述のティップ側の流速の低下が下流側へ次
々と多くの損失を連鎖的に誘起しているので、最上流の
問題を引起こす源さえ噴流により対処出来れば、下流側
で累積される損失は低減できることになる。従って、ト
ータルの損失より小さなエネルギーで、損失の根源をな
くすことができるので、ポンプ全体としては、効率が向
上することになる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。

立形軸流ポンプの水中軸受１５で支承される回転軸３に
とりつけられた主羽根車１の下側には、入口案内羽根４
で支承された吸込コーン７が設けられている。主羽根車
を取付けであるポンプ軸３の下端には遠心形の補助羽根
車９が取付けられている。吸込コーン７の中心には吸込
口８があげられ補助羽根車９の吸込口につながっている
。吸込コーン７の主羽根車側は補助羽根車の吐出ケーシ
ングを形成している。第１図のＢ−Ｂ断面図を第３図に
示す、第３図に示すように吐出ケーシング１１は４重ボ
リュートであり各ボリュートの出口は入口案内羽根４の
厚み内に穿孔された流路工０に接続されている。流路１
０はさらに環状のノズル１２に連通されている。環状ノ
ズル１２は、円筒状のケーシングの内壁５Ｃと薄肉のリ
ング１３とで構成されている。入口案内羽根付吸込コー
ン５は５ａと５ｂの二つ部品からなりかつ案内羽根も５
ａ、５ｂの二つに分割され、補助羽根車９の組込みが可
能となるようになっている０通常のポンプと同様に補助
羽根車９とポリュートケーシング１１からなる回転部と
静止部の摺動部は十分水なる隙間とし漏れ量が少なくな
るようになっている。

このように構成された軸流ポンプにおいて軸が回転する
と次の作動が行なわれる。すなわち、主羽根車ｌの回転
により水はベルマウス５．入口案内羽根４を終で主羽根
車１に流入し、エネルギを与えられ案内羽根２で速度エ
ネルギの一部を圧力エネルギに変換し、吐出管６に吐出
される。

一方、主羽根車１の軸下端に取付けられた補助羽根車９
の回転により、ハブに穿孔された吸込口８から水を吸込
み補助羽根車９，４重ボリュートの吐出ケーシング１１
．入口案内羽根４内に穿孔された流路１０を経て環状ノ
ズル１２に導かれ環状噴流１６として吐出される。補助
羽根車９は遠心形であるため、主羽根車９と同一回転数
で且つ半分以下の羽根車径で軸流形の主羽根車の全揚程
を出すことは可能である。従って、環状ノズル１２から
は、第５図に示すように主羽根車９に流入する速度０．
１より大きな流速Ｃ，１１，で噴出させることが可能で
ある。そのような流れが主羽根車９内に入ると主羽根車
９の羽根先端９ａと円筒ケーシング１３との間の隙間１
４からの漏れ流れの逆流や、円筒ケーシング１３の内壁
との摩擦によリエネルギが低下した流れに対して噴流に
よりエネルギが付与される。その結果、羽根車出口にお
いては第１０図に示したようなティップ側で子午面流速
が極端に低下することはなくなり第６図に示すように半
径方向に−様な子午面流速の分布が得られる。従って、
羽根車出口流の流出角も第１１図の設計角β工の値とな
り、案内羽根への流入角も設計角となり、案内羽根の損
失も小さくなる。一方、主羽根車羽根とケーシングとの
隙間１４からの漏れが抑制されるため主羽根車の損失も
低減する。主羽根車及び案内羽根において損失が低減す
るのでポンプ効率は向上する。

また、主羽根車に逆流が生ずるような部分流量域におい
ては次のような新たな効果が発揮される。

第７図は、軸流ポンプの部分流量域におけるフローバタ
ンを示す、主羽根車１に流入する流れ１７は、流量が少
ないため最高効率点での流れと異なり、半径方向のバラ
ンスが崩れ遠心力の作用によりハブ寄からティップ側へ
向かう主流の流れとなる。そして羽根車羽根前縁付近に
は逆流１８が発生し、この流れがポンプ上流側の流れに
旋回を与える。その結果、第８図に示すように、ポンプ
の軸動力は、部分流量域における最高効率点における軸
動力Ｐ１に比べ大きくなり、締切点においてＰ８という
かなり大きな値となる。このような部分流量域において
、環状ノズル１２がら高速流１６が噴出すると、羽根車
入口付近においてノズルからの環状噴流１６と羽根車１
がらの逆流１８が衝突する。すなわち逆流１８は環状噴
流１６によって上流側へ逆流してゆくのが抑制される。

部分流量域において軸動力が増大するのは、この逆流が
旋回成分を有し上流部の流れに旋回の運動のエネルギを
与えるためであるが、逆流が抑制されると羽根車上流部
の旋回は抑制されるため、過大な軸動力の増大はもたら
されないことになる。

従って、部分流量域での軸動力の増大が抑制され、過大
な締切軸動力も軽減されポンプとして好ましい特性を有
することになる。

以上のように本実施例によれば、軸流ポンプのポンプ効
率の向上及び締切軸動力の低減させうる効果がある。

〔発明の効果〕

本発明によれば、羽根車ティップ隙間による漏れ損失及
び羽根車のティップ側での境界層の発達による損失、及
び案内羽根への迎え角の増大による形状損失等の損失を
低減させることができるので、ポンプの効率を上げられ
ることができる。

また、部分流量域における主羽根車からの逆流が上流側
へ進行するのを抑制することができるので、ポンプの締
切軸動力を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の立形軸流ポンプの縦断面図
、第２図は第１図のＡ−ＩＪｆ断面図、第３図は第１図
のＢ−Ｂ線断面図、第４図は第１図の案内羽根のＣ−Ｃ
線断面、第５図は第１図のＡ−Ａ線断面における子午面
流速の分布図、第６図は第１図のＥ−Ｅ線断面における
子午面流速の分布図、第７図は本発明の一実施例のポン
プの縦断面図、第８図は本発明の一実施例のポンプ軸動
力特性を示す図、第９図は従来技術の立形軸流ポンプの
縦断面図、第１０図は軸流ポンプ羽根車出口（第３図Ｄ
−Ｄ線断面部）の子午面流速、第１１図は流出角度の半
径方向の分布シ云輩図、第１２図は第９図の半径Ｒの円
筒面を展開した平面における羽根車及び案内羽根の羽根
の配列状態及び羽根車の入口、出口の速度三角形を示す
図である。 １・・・主羽根車、２・・・案内羽根、４・・・入口案
内羽根、７・・・吸込コーン、８・・・吸込口、９・・
・補助羽根車、１１・・・吐出ポリュートケーシング、
１２・・・円環状￥］ｌ　　（２） 禎５四 菊２閃 Ｌ　２　図 叢 １６−４状噌處 ／ＦＩ−遣九 回 口土広しＩ　Ｏ 遁 圀

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、羽根車直前の吸込流路のティップ側に円環状のノズ
   ルを設け、羽根車への流入速度より速い流速を持つ環状
   噴流を羽根車に向けて噴出するように構成したことを特
   徴とする軸流形流体機械。 ２、羽根車を取付けた軸の自由端面に取付けた補助羽根
   車とポンプハブ内に設けた補助吐出ケーシングからなる
   補助ポンプで発生させた圧力流体を羽根車上流部に設け
   た入口案内羽根の羽根厚内の流路を経て環状ノズルに導
   びくようにした請求項１記載の軸流形流体機械。