JPH0511238B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、多段遠心ポンプに係り、特に、最終
段デイフユーザの軸方向位置がポンプ吐出口に一
致していないものの最終段デイフユーザを改良し
た多段遠心ポンプに関するものである。

［従来の技術］ 例えば、ボイラー給水ポンプのようなバーレル
形多段デイフユーザポンプでは、そのポンプ吐出
口は最終段デイフユーザよりも吸込側に位置して
いる。

従来の多段遠心ポンプを第３図ないし第７図を
参照して説明する。

ここに、第３図は、一般的な多段遠心ポンプの
初段ステージの主要構成を示す縦断面図、第４図
は、その多段遠心ポンプの最終段ステージまわり
を示す縦断面図、第５図は、従来の二次元羽根を
採用したデイフユーザ部を示し、ａは縦断面図、
ｂは、ａのＺ−Ｚ矢視断面図、第６図は、一般的
なステージ流路における流体の流れを示す流路断
面図、第７図は、従来の三次元羽根を採用したデ
イフユーザ羽根で、ａは、第４図のＥ−Ｅ矢視断
面に相当する羽根断面図、ｂは、ａのＹ−Ｙ矢視
図である。

従来の多段遠心ポンプは、第３図および第４図
に一般的な構成を示すように、吸込流路１から吸
込まれた液体を、主軸２に嵌着され主軸２と共に
回転する遠心羽根車（以下単に羽根車という）に
より昇圧し、この羽根車３の外周に設けたデイフ
ユーザ４に吐出し、デイフユーザ４の外周に設け
た曲り流路５に流入させ、この曲り流路５で外向
き流れを内向き流れに約180゜流れ方向を変え、さ
らに曲り流路５から出る流れを戻り流路６によつ
て次段の羽根車３′の入口へ導くことでステージ
の流路を構成し、以下、同様に羽根車、デイフユ
ーザ、曲り流路および戻り流路を軸方向に複数段
配列し、最終段デイフユーザ７から出る流れをポ
ンプ吐出口に集める出口流路８に吐出したのち、
ポンプ吐出口９から吐出するように流路形状が構
成されている。

従来のデイフユーザ４と最終段デイフユーザ７
の流路は、第３図、第４図に示すように、羽根車
側板３ａ側（吸込側）のデイフユーザの側壁４
ａ，７ａ、羽根車心板３ｂ側（吐出側）のデイフ
ユーザ側壁４ｂ，７ｂ、およびデイフユーザ羽根
４ｃ，７ｃで形成されるが、前記デイフユーザの
側壁４ａ，４ｂおよび７ａ，７ｂが、主軸２の軸
心に対し直交する面内にあるように形成され、羽
根車３で昇圧された液体の半径方向の流れをその
まま半径方向へ流出させるラジアルデイフユーザ
が一般に使用されている。

また、デイフユーザ羽根４ｃの形状は、第５図
ｂに示すように側壁４ａから４ｂまで、同一形状
の二次元羽根が採用されている。

一方、デイフユーザ４の下流には曲り流路５が
設けられており、ポンプを小形化するために、第
３図のようにデイフユーザ４のすぐ外周に、曲率
をほとんど持たない角形に近い形状で形成され
る。

この場合は、第６図に示すように、半径方向の
流れv₁が軸方向の流れv₂に変化するときの運動量
変化によりＦ方向に力が作用し、Ｘ点の圧力がＹ
点の圧力より高くなるため、デイフユーザ内の出
口付近の流れは、破線矢印で示すv′_dのように側
壁４ｂ方向へ傾斜して流れようとする。

その結果、側壁４ａに沿つた境界層は著しく発
達し、側壁４ｂ側は境界層の発達が小さくなる。
この傾向は、ポンプ吐出量を設計点より減少させ
るほど著しくなり、側壁４ａ側での剥離を生じて
低流量域におけるポンプの不安定特性（揚程曲線
のへこみ）の原因となる。

これを防止し、ポンプの大形化を抑えて、しか
もポンプ効率の低下を防止するために、従来のデ
イフユーザは第７図のように形成されている。

第７図において、４caはデイフユーザ羽根の
側壁４ａと近接した位置での羽根プロフイール、
４cbは側壁４ｂと近接した位置での羽根プロフ
イールを示す。

すなわち、第７図に示すように、デイフユーザ
４の隣接する羽根４c′が重なる拡大流路部分にお
いて、側壁４ａの側では羽根間の拡大角を小さく
し、側壁４ｂの側では羽根間の拡大角を大きくな
るようにデイフユーザ羽根の形状を定めている。
しかし、第４図に示すように、最終段デイフユー
ザ７の下流側には、第３図に示すような角形に近
い形状の曲り流路５は無く、半径方向に吐出され
た液体の流れv₁は、出口流路８において軸方向の
流れv₃、すなわち第６図に示した流れv₂と逆方向
に向かう流れとなりポンプ吐出口９から流出す
る。

したがつて、最終段デイフユーザ７をデイフユ
ーザ４と同一の形状とすると、ポンプ吐出口９へ
流出する流れを阻害することになり、損失を増大
するばかりでなく、最終段デイフユーザ７の出口
の流速が過大な場合にはデイフユーザ出口の下流
にあるケーシング１０の内壁がエロージヨンによ
り著しく侵食するなどの問題がある。

なお、第３図ないし第５図に示す一般的なポン
プとしては、「火力原子力発電」昭和50年７月号
99頁記載のものがある。また、第７図に示すデイ
フユーザとしては、本発明の関連出願である特願
昭60−99563号「多段遠心ポンプ用デイフユーザ」
が一例としてあげられる。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記のように、第３図ないし第５図に示した二
次元ラジアルデイフユーザ、ならびに第７図に示
した三次元羽根を有するデイフユーザは、多段遠
心ポンプの最終段デイフユーザ出口の流れが半径
方向に流出したのち、第４図に示すように出口流
路８において吐出側から吸込側へ向く流れ成分v₃
を有しなければならない点について配慮されてい
ないためv₃の流れ成分を打消し、流れを阻害する
ようになつていた。このため、最終段デイフユー
ザ７の出口からポンプ吐出口９に到る出口流路８
内での損失が増大しポンプ効率を低下するという
問題があつた。

また、第７図に示した三次元羽根を有するデイ
フユーザを最終段デイフユーザに適用した場合、
デイフユーザ出口の流れが、羽根車側板側の側壁
７ａ（吸込側）よりも羽根車心板側の側壁７ｂ（吐
出側）に流出する傾向があるため、デイフユーザ
出口の流速が過大になるとエロージヨンが発生す
る問題がある。

一般に、大容量の多段遠心ポンプでは、コスト
との関係から羽根車、デイフユーザ、および内ケ
ーシング（ステージ）を高品質の材料として耐エ
ロージヨン性を保持しようとするが、外ケーシン
グは炭素鋼とするのが一般的である。そこで、前
述したようなエロージヨンの問題が生じると、ス
テライトなど耐エロージヨン性の高い材料を盛金
することになり、加工費がかさむという問題があ
つた。

本発明は、上記従来技術の問題点を解決するた
めになされたもので、最終段デイフユーザにおけ
る、デイフユーザ出口からポンプ吐出口までの流
体の流れを円滑化して損失を最少にするととも
に、デイフユーザ流出後の流れの軸方向成分をポ
ンプ吐出口に向けることで、ケーシング内部のエ
ロージヨンを防止しうる多段遠心ポンプを提供す
ることを、その目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明に係る多段
遠心ポンプの構成は、主軸に嵌着され主軸ととも
に回転すべき遠心羽根車と、遠心羽根車の外周に
位置し遠心羽根車から出る流れを外向きに導いて
静圧回復をはかるデイフユーザと、このデイフユ
ーザから出る外向き流れを内向き流れに導く曲り
流路と、曲り流路から出る流れを内向きに集め次
段の遠心羽根車入口へ導く戻り流路とからなるス
テージを軸方向に多段に配設し、その最終段のデ
イフユーザから出る流れを当該最終段デイフユー
ザよりも吸込側に位置するポンプ吐出口に集める
流路およびポンプ吐出口を形成したもので、複数
段のデイフユーザの羽根形状を、当該デイフユー
ザの隣接する羽根が重なる拡大流路部分における
羽根車側板側のデイフユーザ側壁に近い流路では
前記羽根間流路の側壁の拡大を小さくし、羽根車
心板側のデイフユーザ側壁に近い流路では前記羽
根間流路の拡大を大きくするように形成してなる
多段遠心ポンプにおいて、上記最終段デイフユー
ザの羽根形状のみを、当該デイフユーザの隣接す
る羽根が重なる拡大流路部分における羽根車側板
側のデイフユーザ側壁に近い流路では前記羽根間
流路の拡大を大きくして、羽根車心板側のデイフ
ユーザ側壁に近い流路では前記羽根間流路の拡大
を小さくするように形成したものである。

［作 用］ 最終段デイフユーザ出口の隣接する羽根が重な
る拡大流路部にて、羽根車側板側（吸込側）のデ
イフユーザ側壁付近では羽根間流路の拡大を大き
くし、羽根車心板側（吐出口側）のデイフユーザ
側壁付近では羽根間流路の拡大を小さくすること
により、デイフユーザ出口での流れの主流を吸込
側方向へ向けることができる。

この場合、デイフユーザ入口から隣接するデイ
フユーザ羽根が重なる流路までは通常の二次元翼
のラジアルデイフユーザと同一の形状を保つの
で、羽根車で昇圧された流れを減速し静圧回復す
るというデイフユーザの機能は損なわれない。

このことによつて、最終段のデイフユーザは、
デイフユーザ性能を低下することなく、デイフユ
ーザ出口の流れを円滑にポンプ吐出口の方向へ向
けることができるとともに、デイフユーザ出口下
流の吐出側に設置されたケーシング内面付近での
流速を低減することにより耐エロージヨン性を向
上することが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の各実施例を第１図ないし第４図
および第８図を参照して説明する。

まず、第１図は、本発明の一実施例に係る多段
遠心ポンプの最終段デイフユーザを示し、ａは第
４図のＥ−Ｅ矢視断面に相当する羽根断面図、ｂ
は、ａのＧ−Ｇ矢視図である。

本実施例の最終段デイフユーザを採用する多段
遠心ポンプの一般的な部品構成、流路構成が、先
に従来技術で説明した第３図および第４図に示さ
れている。

第３図において、１は吸込流路、２は主軸、３
は、主軸２に嵌着された遠心羽根車（以下単に羽
根車という）、４は、羽根車３の外周に位置する
デイフユーザで、このデイフユーザ４は、羽根車
３で昇圧され流出する流れを外向き（主軸２の中
心からの半径方向が大となる方向）に導きながら
減速させ、静圧回復をはかる機能を有している。

５は、外向き流れを内向き流れに導く曲り流
路、６は、曲り流路５を経た流れを内向きに集め
次段羽根車３′の入口へ導く戻り流路である。

第４図において、３″は、最終段羽根車、７は
最終段デイフユーザ、７ａは、羽根車側板３ａ側
（吸込側）のデイフユーザ側壁（以下単に側壁と
いう）、７ｂは、羽根車心板３ｂ側（吐出側）の
デイフユーザ側壁（以下単に側壁という）、８は、
最終段デイフユーザ７から出た流れをポンプ吐出
口に集める出口流路、９はポンプ吐出口、１０は
ケーシングである。

すなわち、第３図に示した初段ステージから第
４図に示した最終段ステージまわりまで、前記の
羽根車、デイフユーザ、曲り流路、および戻り流
路等を軸方向に多段に配設し、ポンプ吸込口から
ポンプ吐出口までを多段ポンプとして構成してい
る。

本実施例の多段遠心ポンプが従来のものと異な
る点は、最終段デイフユーザ羽根の形状にある。

第１図に、最終段デイフユーザ７のデイフユー
ザ羽根７ｃの形状を示す。

第１図において、７caは、デイフユーザ羽根
７ｃが側壁７ａと近接した位置での羽根プロフイ
ール、７cbは、デイフユーザ羽根７ｃが側壁７
ｂと近接した位置での羽根プロフイールを示す。

従来のデイフユーザ羽根は、先に第５図に示し
たように、羽根車側板側の側壁４ａから羽根車心
板側の側壁４ｂまで断面形状が同一に形成された
二次元羽根となつていた。

これに対し、本実施例は、最終段デイフユーザ
を除く他の複数段のデイフユーザについては第７
図に示したごとく、隣接するデイフユーザ羽根４
c′が重なる拡大流路部分における側壁４ａ側では
羽根間流路の拡大を小さく、側壁４ｂ側では羽根
間流路の拡大を大きくするようにデイフユーザ羽
根の形状を定めており、特に第１図に示すよう
に、最終段デイフユーザ７については、隣接する
デイフユーザ羽根７ｃが重なる拡大流路部分にお
ける前記側壁７ａ側では羽根間流路の拡大を大き
く、前記側壁７ｂ側では羽根間流路の拡大を小さ
くなるようにデイフユーザ羽根の形状を定めてい
る。換言すれば、隣接するデイフユーザ羽根７ｃ
が重なる拡大流路部分において、前記側壁７ａ側
では羽根間の拡大角を大きく、前記側壁７ｂ側で
は羽根間の拡大角を小さくなるように羽根の形状
を定めている。

より詳しくは、第１図に示すように、隣接する
デイフユーザ羽根７ｃが重なる拡大流路の入口Ｍ
点における羽根間流路の幅d₁は、側壁７ａ側およ
び側壁７ｂ側ともに等しい。一方、拡大流路の出
口は、側壁７ａ側はNa点であり、出口流路幅は
d_2a、Ｍ−N_a間流路長さはl_aである。また側壁７
ｂ側の拡大流路の出口はN_b点であり、出口流路
幅はd_2b、Ｍ−N_b間流路長さはl_bである。

羽根間流路の拡大角をθとすれば、側壁７ａ側
の羽根間流路の拡大角θ_a、側壁７ｂ側の羽根間流
路の拡大角θ_bは次式で与えられる。

θ_a2tan^-1（d_2a−d₁／2l_a） θ_b2tan^-1（d_2b−d₁／2l_b） 第１図に示すように、d_2b＜d_2a、 l_b＞l_a であるから、 θ_a＞θ_b となつている。

上記のように構成した多段遠心ポンプの作用に
ついて次に説明する。

主軸２が駆動され、羽根車３が回転すると、液
体は吸込流路１から羽根車３へ吸込まれる。そし
て、羽根車３により昇圧されたのちデイフユーザ
４へ流入し、ここで減速し、静圧回復したのち曲
り流路５へ流入する。曲り流路５ではデイフユー
ザ４からの外向き流れを内向き流れに方向を変
え、戻り流路６へ吐出し、さらに戻り流路６では
この流れを内向きに集め、次段の遠心羽根車３′
の入口へ導く。このように昇圧を何段か繰り返し
たのち、最終段羽根車３″により昇圧された流体
は最終段デイフユーザ７へ送られ、静圧回復した
のち出口流路８を通つてポンプ吐出口９から流出
される。

第１図の実施例では、最終段デイフユーザ羽根
７ｃの入口から、羽根凹面が次のデイフユーザ羽
根と重なる位置（Ｍ点）までを二次元形状、すな
わち、デイフユーザ羽根を軸方向から見て、側壁
７ａから側壁７ｂまで同一形状に定め、かつ、前
記羽根凹面が近接するデイフユーザと重なり始め
る位置Ｍ点から出口Na，Nbまでについて、前記
隣接するデイフユーザ羽根との間の拡大流路が、
側壁７ａ側では拡大が大きく、側壁７ｂ側では拡
大が小さくなるように羽根を傾斜させ、流路長さ
がl_b＞l_aであることからデイフユーザ出口の流れ
は、相対的に側壁７ａ側では半径方向速度が大き
く、側壁７ｂ側では周方向速度が大きくなる。こ
れに第１図ｂに示したようにデイフユーザ出口の
羽根形状が３次元翼化している形状効果により、
デイフユーザから出る流れに側壁７ｂから側壁７
ａへ向ける力が作用し、最終段デイフユーザ７か
らポンプ吐出口９への流れを円滑化するだけでな
く、主流の向きを吐出側から吸込側へ向ける効果
があるので、最終段デイフユーザの後流は、出口
流路８の中で円周方向速度を有して、外向き流れ
となり、吸込側へ向う軸方向成分v₃をもつことに
なる。これによつて、最終段デイフユーザ７から
ポンプ吐出口９までの流れの損失を低減できる。

また、従来の二次元羽根をもつ最終段デイフユ
ーザの後流は、円周方向の速度をもつ半径方向の
流速が過大な場合、ケーシング１０の内周にエロ
ージヨンが発生する問題があつたが、本実施例の
ようなデイフユーザ羽根形状による吐出側から吸
込側へ向う速度成分をデイフユーザ出口流れに付
加することにより、ケーシング内面のエロージヨ
ンを抑制する効果があり、効率が良く信頼性の高
い多段遠心ポンプを得ることができる。

次に、第２図は、本発明の他の実施例に係る多
段遠心ポンプの最終段デイフユーザを示し、ａ
は、第４図のＥ−Ｅ矢視断面に相当する羽根断面
図、ｂは、ａのＨ−Ｈ矢視図である。

図中、第１図と同一符号は同等部分を示すもの
であるから、その説明を省略する。

第２図の実施例が、第１図の実施例と異なる点
は、最終段デイフユーザ７Ａの出口部での羽根肉
厚分布にある。

第１図の実施例では、デイフユーザ出口付近の
羽根肉厚は、両側壁７ａ，７ｂ間でほぼ等しく定
め、羽根形状を、側壁７ａ側で出口角度が大き
く、側壁７ｂ側で出口角度が小となるように傾斜
させている。

これに対し第２図の実施例では、羽根凸面側は
二次元形状とし、側壁７ａ側と７ｂ側とで出口角
度を等しくし、出口付近の羽根肉厚を、羽根車側
の側板３ａの側壁７ａ側で薄く、羽根車心板３ｂ
側の側壁７ｂ側で厚くなるように、流路を横切つ
てテーパ状に定めることにより、羽根凹面側の出
口角度を、側壁７ａ側で出口角度が大きく、側壁
７ｂ側で出口角度が小となるようにしている。第
２図に示すh_aは、デイフユーザ７Ａの出口におけ
る側壁７ｂ側の羽根肉厚であり、h_b＞h_aとなつて
いる。

また、本実施例では、第２図ｂに示すように、
最終段デイフユーザ流路の出口部形状が、羽根凹
面で側壁７ａ側よりも側壁７ｂ側の出口長さが小
さくなり、しかも羽根形状がテーパ状となつてい
るため、デイフユーザ後流に吐出側（側壁７ｂ
側）から吸込側（側壁７ａ側）へ向う軸方向の流
れが生じる。

したがつて、第２図の実施例によれば、第１図
の実施例と同様の効果が期待される。

次に、第８図は、本発明のさらに他の実施例に
係る多段遠心ポンプの最終段ステージまわりを示
す縦断面図である。図中、第４図と同一符号のも
のは、一般的な多段遠心ポンプと同等部分である
から、その説明を省略する。

第８図の実施例では、最終段デイフユーザ７Ｂ
の側壁７B_aおよび７B_bを、デイフユーザ入口付
近は主軸２に直交する平面とし、デイフユーザ出
口付近は、吐出側から吸込側へ向う軸方向へα゜屈
曲、傾斜させた形状としている。

第８図の実施例では、最終段羽根車３″から流
出した流れが最終段デイフユーザ７Ｂへ流入した
のち、昇圧する時点で半径方向へ流出していく流
れに、流路を傾斜することにより吸込側へ向う速
度成分を与えるので、前述の第１図および第２図
の実施例と同様の効果が期待される。

なお、第８図の実施例では、デイフユーザ側壁
を、吐出側から吸込側へ向う軸方向α゜折れ曲るよ
うにした例を示したが、曲面をもつて湾曲させて
もよいことは言うまでもない。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明によれば、最終段デ
イフユーザにおける、デイフユーザ出口からポン
プ吐出口までの流体の流れを円滑化して損失を最
小にするとともに、デイフユーザ流出後の流れの
軸方向成分をポンプ吐出口に向けることで、ケー
シング内部のエロージヨンを防止しうる多段遠心
ポンプを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例に係る多段遠心ポ
ンプの最終段デイフユーザを示し、ａは羽根断面
図、ｂは、ａのＧ−Ｇ矢視図、第２図は、本発明
の他の実施例に係る多段遠心ポンプの最終段デイ
フユーザを示し、ａは羽根断面図、ｂは、ａのＨ
−Ｈ矢視図、第３図は、一般的な多段遠心ポンプ
の初段ステージの主要構成を示す縦断面図、第４
図は、その多段遠心ポンプの最終段ステージまわ
りを示す縦断面図、第５図は、従来の二次元羽根
を採用したデイフユーザ部を示し、ａは縦断面
図、ｂは、ａのＺ−Ｚ矢視断面図、第６図は、一
般的なステージ流路における流体の流れを示す流
路断面図、第７図は、従来の三次元羽根を採用し
たデイフユーザ羽根を示し、ａは羽根断面図、ｂ
は、ａのＹ−Ｙ矢視図、第８図は、本発明のさら
に他の実施例に係る多段遠心ポンプの最終段ステ
ージまわりを示す縦断面図である。 ２…主軸、３…羽根車、３ａ…羽根車側板、３
ｂ…羽根車心板、４…デイフユーザ、５…曲り流
路、６…戻り流路、７，７Ａ，７Ｂ…最終段デイ
フユーザ、７ａ，７Ba，７ｂ，７Bb…側壁、７
ｃ…デイフユーザ羽根、８…出口流路、９…ポン
プ吐出口。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 主軸に嵌着され主軸とともに回転すべき遠心
   羽根車と、遠心羽根車の外周に位置し遠心羽根車
   から出る流れを外向きに導いて静圧回復をはかる
   デイフユーザと、このデイフユーザから出る外向
   き流れを内向き流れに導く曲り流路と、曲り流路
   から出る流れを内向きに集め次段の遠心羽根車入
   口へ導く戻り流路とからなるステージを軸方向に
   多段に配設し、その最終段のデイフユーザから出
   る流れを当該最終段デイフユーザよりも吸込側に
   位置するポンプ吐出口に集める流路およびポンプ
   吐出口を形成したもので、 複数段のデイフユーザの羽根形状を、当該デイ
   フユーザの隣接する羽根が重なる拡大流路部分に
   おける羽根車側板側のデイフユーザ側壁に近い流
   路では前記羽根間流路の拡大を小さくし、羽根車
   心板側のデイフユーザ側壁に近い流路では前記羽
   根間流路の拡大を大きくするように形成してなる
   多段遠心ポンプにおいて、 上記最終段デイフユーザの羽根形状のみを、当
   該デイフユーザの隣接する羽根が重なる拡大流路
   部分における羽根車側板側のデイフユーザ側壁に
   近い流路では前記羽根間流路の拡大を大きくし、
   羽根車心板側のデイフユーザ側壁に近い流路では
   前記羽根間流路の拡大を小さくするように形成し
   たことを特徴とする多段遠心ポンプ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載ものにおいて、最
   終段デイフユーザの羽根形状は、当該デイフユー
   ザ羽根の入口から、羽根負圧面が隣接するデイフ
   ユーザ羽根と重なる位置までを二次元形状とし、
   この位置より後流側の羽根形状については、前記
   隣接するデイフユーザ羽根との間の拡大流路が羽
   根車側板側のデイフユーザ側壁では拡大を大き
   く、羽根車心板側のデイフユーザ側壁では拡大を
   小さくするように羽根形状を三次元翼化したこと
   を特徴とする多段遠心ポンプ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項記載のも
   ののいずれかにおいて、最終段デイフユーザの羽
   根形状は、当該デイフユーザ羽根の出口付近の羽
   根肉厚を、羽根車側板側のデイフユーザ側壁付近
   で薄く、羽根車心板側のデイフユーザ側壁付近で
   厚くなるように形成したことを特徴とする多段遠
   心ポンプ。 ４ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、
   最終段のデイフユーザは、羽根車側板側のデイフ
   ユーザ側壁および羽根車心板側のデイフユーザ側
   壁を、当該デイフユーザ入口付近は主軸に直交す
   る平面とし、当該デイフユーザ出口付近は吐出側
   から吸込側へ向う軸方向へわん曲または屈曲させ
   るように形成したことを特徴とする多段遠心ポン
   プ。