JPH086715B2

JPH086715B2 - ターボ型高速ポンプ

Info

Publication number: JPH086715B2
Application number: JP63034070A
Authority: JP
Inventors: 徹雄深沢
Original assignee: Pacific Machinery and Engineering Co Ltd
Current assignee: Pacific Machinery and Engineering Co Ltd
Priority date: 1988-02-18
Filing date: 1988-02-18
Publication date: 1996-01-29
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH01211698A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、ターボ型高速ポンプ用入口ガイドベーン部
材、羽根車およびターボ型高速ポンプに関する。

（従来の技術）従来の高速を計ったポンプとしては、第19図に示すよ
うに、遠心型羽根車１が固定された軸２に軸流羽根３を
取りつけた構造の二段羽根型のインデューサー付ポンプ
が知られている。このポンプは、前段の軸流羽根入口縁
付近でキャビテーションが発生するが、軸流羽根の場合
には流体通路が多少狭まる程度であり、遠心羽根のよう
に発生した気泡により羽根車通路が塞がれてポンプとし
て機能しなくなるようなことは起こらず、ポンプとして
作用する。その際、この前段の軸流羽根が後段の遠心羽
根に流体を押し込む圧力を与え、これによって後段の遠
心羽根のキャビテーションを防止し、ポンプの高速化を
計っている。しかしながら、このような従来の高速ポン
プでは、前段の軸流羽根で常にキャビテーションが発生
しているため、前段の羽根に壊食が発生して破壊するの
で、或る一定期間内に交換しなければならない。また、
キャビテーションの発生に伴う騒音の発生を避けること
ができない。さらに、二段羽根のため構造が複雑であ
る。このような理由により、この種のインデューサー付
ポンプは、ロケット燃料用ポンプ等のような特殊な用途
に限られており、結局一般化できなかった。

従来のターボ型羽根車の設計では、羽根車の外径によ
り揚程を発生させることに主眼をおいた設計がなされ、
それに付随する形で吸込側羽根車の形状を決定する手法
がとられている。そのため、低比速度のポンプでは第20
図に示すように、一ポンプを高速化しかつ汎用化するた
めには、従来のインデューサー付ポンプでも低比速度の
羽根車を用いているように低比速度のポンプに基づいて
高速化を考えなければならない−大流量側では、規定回
転数でもキャビテーションが発生して揚程が発生しなく
なり、本来は破線で示す揚程特性を示さなければならな
いのであるが、実線で示す揚程特性になってしまう。ポ
ンプ内部でキャビテーションを起こさないために必要な
最小限の吸込条件である、ポンプ吸込揚程を決める正味
有効吸込ヘッドNPSHreqの値は、ポンプ回転数の二乗に
比例して増大するので、回転数を増加すればするほど、
その使用範囲が狭くなってゆくのが従来の設計で製作さ
れた羽根車のもっている特質である。前述のインデュー
サー付ポンプは、このような従来設計の遠心羽根車を取
りつけているため、後段羽根についてキャビテーション
の危険から逃れることができず、そのポンプの使用でき
る範囲が著しく狭くなり、汎用化ができなかった。

（発明の目的）本発明の目的は、キャビテーションおよびそれに伴う
騒音を発生しないでかつ簡単な構造で高速化に適するタ
ーボ型高速ポンプ用入口ガイドベーン部材、羽根車およ
びターボ型高速ポンプを提供することである。

（発明の構成）上記の目的を達成するために、本発明のターボ型高速
ポンプ用入口ガイドベーン部材は、羽根車の羽根入口側
に隣接して、それぞれ遠心型羽根車の羽根入口縁に向か
って流体通路の断面積が次第に縮小するように区画する
複数の固定案内羽根を有する。

また、本発明のターボ型高速ポンプ用遠心型羽根車
は、非常に小さい羽根入口角を有しかつこの角度で羽根
出口まで巻き回された羽根を有する。この場合、羽根車
は、ほぼ１゜より大きくかつ10゜を越えない範囲の羽根
入口角を有し、羽根入口角が１゜〜３゜の範囲にあると
きは、その範囲内の角度で出口まで変わらずに巻き回
し、羽根入口角が10゜付近のときには、角度が出口に向
かうにしたがって次第に入口角より小さくなるように巻
き回すのが好ましい。

また、本発明のターボ型高速ポンプは、前記の入口ガ
イドベーン部材と、前記の遠心型羽根車とを組み合わせ
た構造により上記の目的を有効に達成することができ
る。さらに、本発明のターボ型高速ポンプは、入口ガイ
ドベーン部材と遠心型羽根車とに加えて、羽根車の羽根
出口側に隣接して、案内羽根出口縁に向かって流体通路
の横断面積が次第に増大するように区画する複数の固定
案内羽根を有する公知技術による出口ガイドベーン部材
を備えることによりいっそう完全に上記の目的を達成で
きる。

また、入口ガイドベーン部材をケーシングに取外し可
能に形成すれば、後述する理由のために効果的である。

（発明の効果）請求項１の入口ガイドベーン部材において、遠心型羽
根車の羽根入口縁に向かって流体通路の断面積が次第に
縮小するように区画する複数の固定案内羽根を羽根車の
羽根入口側に隣接して有する逆デイフューザー形入口ガ
イドベーン部材をポンプに設けることにより、ポンプ羽
根入口での急激な流れの方向変化を起こさずに羽根車の
羽根の中へ流体を流入させることが可能となり、羽根車
の羽根の入口における損失が大幅に低減され、ポンプの
高速化が可能となる。また、キャビテーションが発生し
ないので、著しく騒音が低減される。

請求項２の遠心型羽根車は、羽根が非常に小さい羽根
入口角を有しかつこの範囲内の角度で羽根出口まで巻き
回されているので、周速度と直角な輻流方向羽根車内速
度成分Cm（メリデイアン速度）が従来の羽根車の設計の
Cmに比較して1/10程度まで小さくなる。このようにCmが
小さい羽根車を設計できることにより、羽根高さが高く
設定できるので、羽根車の羽根の片側をオープン型にし
た羽根車では、ケーシングとの間隙を大きく設定しても
ポンプ特性の低下が小さくてすみ、実用上有利となり、
かつ羽根車の羽根をクローズ型とした場合も鋳造しやす
くなり、有利である。逆に、上記のようにCmが小さい設
計ができなければ、羽根高さ（幅）が実用上製作不可能
なほど小さくなり、実際にポンプを製造できない。ま
た、Cmの小さい羽根に設計することにより、羽根内と出
口での流線の方向変化が従来設計の羽根と比較すると、
一様におだやかになるので、羽根車での騒音の発生も最
小に抑えることができる。当然のこととして、上記のよ
うな羽根の設計を行うと、発生揚程は従来の羽根車より
小さくなるが、揚程は回転数の二乗で増大するので、羽
根車の回転数を充分に上げて高速化することにより上記
の不利益をカバーすることができる。

請求項４のターボ型高速ポンプでは、前述した高速化
に適する構造の二つの構成要素である、逆デイフューザ
ー型入口ガイドベーン部材と、小さい羽根入口角で巻き
回された遠心型羽根車とを組合せたことにより、キャビ
テーションが発生せず、かつ騒音が非常に小さいターボ
型高速ポンプを実現できる。上記のように高速化するこ
とにより、ポンプを小型化することができ、これによる
受圧面積が減少し、各部材に働く力が小さくなり、従っ
て部材の肉厚を減少させたり、ボルト本数を少なくした
りすることにより軽量化が実現でき、その利益は計り知
れない。

請求項５のターボ型高速ポンプは、上記の逆デイフュ
ーザー形入口ガイドベーン部材と遠心型羽根車に加え
て、デイフューザー形出口ガイドベーン部材を有するの
で、さらに高速ポンプの性能を改善することができる。

請求項６のターボ型高速ポンプは、入口ガイドベーン
部材をケーシングに取外し可能に設けたので、ポンプ回
転数と使用流量によって流路断面積が変えられるように
種々の入口ガイドベーン部材を用意して所望により適宜
交換することができる。従って、ポンプの全範囲での運
転が可能になり、ポンプの高速化に伴う価値が高まる。

（実施例）以下、本発明を実施例について図面により詳細に説明
する。

第１図は本発明によるターボ型高速ポンプの縦断面を
示す。

この高速ポンプ10は、中心に吸込口11を有する円筒状
の吸込ケーシング12を有し、この吸込ケーシングは、吐
出流路13を有する吐出ケーシング14にフランジで取りつ
けられている。吸込口11の下流側に逆デイフューザー形
入口ガイドベーン部材15が取外し可能に取りつけられて
おり、この入口ガイドベーン部材の入口側には第２図に
示すように軸心に関して対称に二つの入口17が配置され
ており、これらの入口17、17はそれぞれ軸方向流入孔1
8、18を介して、入口ガイドベーン部材の出口側で周方
向に延びる二枚の固定案内羽根19、19の流体通路に接続
されている。これらの案内羽根は、それぞれ前記流入孔
18から周方向に延びる流体通路の断面積が羽根車22の羽
根入口縁25aに向かって半径方向に次第に縮小するよう
に形成されている。もちろん、軸方向流入孔18と、固定
案内羽根19により区画される周方向流体通路との間の接
続は、流体が抵抗なく方向変換して流れるようになめら
かなカーブで行わなければならない。

また、本発明による入口ガイドベーン部材15は、第１
図から明らかなように取外し可能に装着されているの
で、ポンプ回転数、使用流量および必要な揚程曲線の傾
きによって第３図〜第７図に示すような種々の流路断面
積と案内羽根の枚数を有する入口ガイドベーン部材と交
換することができ、ポンプの全レンジの運転が可能とな
る。第３図と第４図の入口ガイドベーン部材115と215
は、比較的流路断面積が大きく、大流量で揚程カーブの
ねたポンプに適しており、第５図〜第７図の入口ガイド
ベーン部材315、415、515は、比較的流路断面積が小さ
く、少流量のポンプに適している。なお、第２図と同様
な部分には同様な参照数字を付けてある。

また、ポンプの高速化のためには、羽根車円周方向の
不均衡によるラジアルスラストをできるだけ平衡させる
設計が必要になる。そうしないと、過度の振動や騒音の
原因となる。この入口ガイドベーン部材の場合には、こ
れを、案内羽根を二枚以上にすることにより平衡させる
ことができる。

さて、第１図において、振動部側に連結されるアダプ
ター20がポンプケーシング14に取りつけられ、アダプタ
ー20の中心を貫通して吐出ケーシング14の内部に突出す
る駆動軸21の端部には本発明による遠心型羽根車22が固
定されている。なお、駆動軸21は、アダプター20の中央
に取りつけられたブラケット23内の軸封装置24により密
封されている。羽根車22、122のそれぞれの例えば二枚
の羽根25、125は、第９図と第10図に示したように非常
に小さい羽根入口角を有し、かつこの角度で羽根出口ま
で巻き回されている。羽根入口角は例えば０゜より大き
くかつ10゜を越えない範囲の角度が好ましい。第９図の
羽根車22は比較的少流量に適し、第10図の羽根車122は
比較的大流量に適する。本発明の羽根車では、輻流方向
の羽根車内流量成分Cmが従来の羽根車の設計のCmに比較
し1/10程度まで小さくなる。ポンプの高速化のために
は、羽根車のCmをできるだけ小さい値に設計できるか否
かが逆デイフューザ型入口ガイドベーン部材と同様に重
要な技術である。上記のように、Cmの小さい羽根車は羽
根角度を小さくして巻き回すことにより得られるが、こ
の概念はラジアル型羽根車だけではなく、軸流型形状の
羽根車（特願昭60−50576）にも適用できる。このよう
な概念の羽根では、軸流羽根形状としても著しく比速度
値の小さい羽根車の設計が可能である。

本発明の逆デイフューザー型入口ガイドベーン部材と
羽根車とを組み合わせることにより、容易に高速ポンプ
を製作することができる。第11図と第12図にその組合せ
の例を示す。この場合、当然のこととして羽根車の羽根
入口径D₁は、この部分に入口ガイドベーン部材415を組
み込めるようにかつ水流速度を増大させるために大径と
なるので、羽根車入口径に対する出口径の比D₂/D₁は従
来のそれより非常に大きくなる。羽根車出口径D₂を一定
にし、かつ第11図のように羽根車22の羽根車入口径D₁を
大きくして羽根車流体通路を小さくとると、ポンプ揚程
曲線の左上がりの度合いが大きくなり、少容量高揚程の
ポンプとすることができる。この場合、外径が大きく、
羽根数の少ない第６図の入口ガイドベーン部材が適当で
ある。反対に、第12図に示すように、羽根車122の羽根
車入口径D₁を小さくして羽根車流体通路を広くすること
により、ポンプの揚程曲線の傾斜度のゆるい特性とする
ことができる。この場合は、外形が小さく、羽根数の多
い第４図の入口ガイドベーン部材が適当である。また、
D₁/D₂を一定とし、羽根プロフィルを変えずに羽根高さ
を二倍にすれば、約二倍の流量のポンプが得られる。

さらに、第１図において、公知技術によるリング状の
デイフューザー形出口ガイドベーン部材26が吐出ケーシ
ング14の吐出流路13の内側と羽根車22の間にアダプター
20に隣接して取外し可能に装着されている。この出口ガ
イドベーン部材26も第13図〜第15図に示すように、それ
ぞれ固定案内羽根27、127、227がその羽根出口縁に向か
って流体通路28、128、228の横断面積が半径方向に次第
に増大するように形成されている。この場合、出口ガイ
ドベーン部材の流路横断面積を小さくとると、高揚程少
流量型に、また流路横断面積を大きくとると、低揚程大
流量型にすることができる。従って、出口ガイドベーン
部材を適宜交換することによっても揚程、流量の調整が
可能である。

次に、第１図に示したターボ型高速ポンプの作用を簡
単に説明する。羽根車22を高速で第２図に示した矢印方
向に回転させると、入口ガイドベーン部材15の吸入口11
から流入した流体が二つの対称な入口17から軸方向流入
孔18を通り、なめらかなカーブを経て、固定案内羽根19
により区画された漸次縮小する周方向流体通路に流入し
て羽根車の回転方向と同じ方向に流れ、その際羽根車22
の羽根入口縁25aに向かって半径方向に次第に近接する
固定案内羽根19により流体が強制的に案内されて半径方
向外方に向かう遠心力を発生し、これに流れ自体の遠心
力が加わって、流れが入口ガイドベーン部材の周方向流
路より羽根車22の羽根の中へ無理なく最小の損失で流入
する。高速で回転している羽根車22（第９図）の羽根の
中へ流入した流体は、非常に小さい角度で巻き回された
羽根により区画された流路を通って遠心力を発生しなが
ら外方へ流れ、ついには羽根車出口縁から出口ガイドベ
ーン部材26（第13図）に流入して、その固定案内羽根27
により区画された漸次増大する周方向流路に沿って流
れ、ついにはその羽根出口からポンプ吐出ケーシング14
の吐出流路13へなめらかに流入し、吐出通路13により案
内された後吐出口29から吐出される。

第16図には、入口ガイドベーン部材と出口ガイドベー
ン部材の交換可能な構造を一枚羽根軸流形状の遠心型ポ
ンプ30に適用した例を示す。

駆動軸31に固定された一枚羽根形羽根車32は公知であ
るが、簡単に説明すると、羽根車32の円錐台状ハブ33
に、円筒状に流体をそぎ取るように、羽根車軸線にほぼ
垂直な流入面を有する羽根入口を形成し、そこから羽根
34が出口側まで一巻き以上連続してハブ33の周面に巻き
回され、その際出口まで遠心作用が生ずるように入口か
ら出口に向かうにしたがい羽根34が羽根車軸線に向かっ
て前方に順次傾斜してゆくように配置されている。ハブ
33の周面に隣り合う羽根と羽根の間の流路は、入口から
出口までほぼ等しい断面を有するように形成されてい
る。

ポンプケーシング35の入口側フランジに、環状の吸込
室37aを有する吸込ケーシング37が取りつけられてい
る。吸込ケーシング37には、環状の吸込室37aに開口す
る入口ポート38を有する。吸込ケーシング37とポンプケ
ーシング35に挟まれて、吸込ケーシング37の下流に、羽
根車32の羽根入口側に隣接して入口ガイドベーン部材36
が取外し可能に装着されている。入口ガイドベーン部材
36には、吸込ケーシング37に周方向に開口する流体通路
の二つの入口39aと39a′が対称に設けられ、各入口から
流体通路39はそれぞれ周方向に180゜旋回する間にその
断面積が軸方向に次第に縮小するように形成され、従っ
て流体通路39の壁面40が羽根車の羽根入口に向かって近
接してゆき、最後に下部（実線）と上部（仮想線）に示
すように羽根入口面に隣接するようになる。この構成で
は、入口ポート38から入った流体は、吸込ケーシング37
の吸込室37に流入した後、入口ガイドベーン部材36の入
口39aと39a′からそれぞれ流入して180゜旋回する間に
羽根車の羽根入口に次第に近接するように軸方向に強制
的に案内されて、ついに回転している羽根車の羽根入口
に自然に流入することができる。

さらに、羽根車32の羽根出口側に隣接してリング状出
口ガイドベーン部材41がポンプケーシング35内にアダプ
ター42により取外し可能に取りつけられている。この出
口ガイドベーン部材41の流体通路３は、その断面積が、
羽根車の羽根出口に隣接している流体通路の入口44から
出口に向かって次第に増大するように形成され、かつ出
口ガイドベーン部材の出口側でポンプケーシング35の吐
出通路35aに接続されている。なお、45は、ポンプケー
シング35の吐出通路35aに接線方向に接続された吐出ポ
ートである。

本発明の応用として、本発明の入口ガイドベーン部材
を有する遠心型ポンプを従来のインデューサーと組合せ
たポンプとすることができる。従来のインデューサー付
ポンプの設計では、後段の遠心羽根入口径の制約があっ
たが、本発明の羽根車では、入口径D₁が大きいので、前
段の軸流羽根の設計が容易となり、本来の押し込み羽根
として作用する構造をとることができ、より高速なポン
プ、より吸込性能の良いポンプの設計が可能となる。

最後に、第17図と第18図に本発明によるポンプの実験
データを示す。第17図は第１図に示したポンプの性能曲
線であり、第18図は第11図に示したポンプの性能曲線で
ある。これらの図から、ポンプの揚程特性が従来のよう
に流量が多いときでも急激に低下せずそのまま延びてい
ることが分かる。また、第18図からは、羽根車の入口径
が変わると、カーブの傾きが変わることが分かる。

本発明の技術思想を、流体にエネルギーを与えるポン
プにより説明したが、流体よりエネルギーを吸収するタ
ービンにも適用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高速ポンプの縦断面図、第２図は
第１図のポンプに組み込まれている入口ガイドベーン部
材を線II−IIの方向から見た図、第３図から第７図まで
は入口ガイドベーン部材の種々の実施例を示す、第２図
と同様な図、第８図は第１図のポンプに組み込まれる羽
根車の断面図、第９図は第８図の矢印方向IXから見た正
面図、第10図は羽根車の他の実施例を示す正面図、第11
図と第12図は入口ガイドベーン部材と羽根車の種々の組
合せを示す断面図、第13図から第15図までは出口ガイド
ベーン部材の種々の例を示す断面図、第16図は一枚羽根
型遠心ポンプに本発明の交換可能な入口ガイドベーン部
材と出口ガイドベーン部材を適用した例を示す縦断面
図、第17図は第１図のポンプの性能曲線を示す図、第18
図は第16図の一枚羽根型遠心ポンプの性能曲線を示す
図、第19図は従来のインデューサー付遠心ポンプの縦断
面図、第20図は従来の遠心羽根車を有する低比速度の遠
心ポンプの性能曲線を示す概略図である。 15,115,215,315,415,515……入口ガイドベーン部材 19,119,219,319,419,519……固定案内羽根 22,122……遠心型羽根車 25,125……羽根車の羽根 26,126,226……出口ガイドベーン部材 27,127,227……固定案内羽根

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】羽根車の羽根入口側に隣接して、羽根車の
羽根入口縁に向かって流体通路の断面積が次第に縮小す
るように区画する複数の固定案内羽根を有するターボ型
高速ポンプ用入口ガイドベーン部材。
【請求項２】非常に小さい羽根入口角を有しかつこの角
度で羽根出口まで巻き回された羽根を有するターボ型高
速ポンプ用遠心型羽根車。
【請求項３】ほぼ１゜より大きくかつ10゜を越えない範
囲にある羽根入口角を有し、羽根入口角が１゜〜３゜の
場合は、この範囲内の角度で、かつ羽根入口角が10゜付
近にあるときには、角度が出口に向かうにしたがって次
第に入口角より小さくなるように巻き回された羽根を有
する、請求項２のターボ型高速ポンプ用遠心型羽根車。
【請求項４】羽根車の羽根入口側に隣接して、羽根車の
羽根入口縁に向かって流体通路の断面積が次第に縮小す
るように区画する複数の固定案内羽根を有する入口ガイ
ドベーン部材と、非常に小さい羽根入口角を有しかつこ
の角度で羽根出口まで巻き回された複数の羽根を有する
遠心型羽根車と備えたことを特徴とするターボ型高速ポ
ンプ。
【請求項５】羽根車の羽根入口側に隣接して、羽根車の
羽根入口縁に向かって流体通路の断面積が次第に縮小す
るように区画する複数の固定案内羽根を有する入口ガイ
ドベーン部材と、非常に小さい羽根入口角を有しかつこ
の角度で羽根出口まで巻き回された複数の羽根を有する
遠心型羽根車と、羽根車の羽根出口側に隣接して、案内
羽根出口縁に向かって流体通路の横断面積が次第に増大
するように区画する複数の固定案内羽根を有する出口ガ
イドベーン部材とを備えたことを特徴とするターボ型高
速ポンプ。
【請求項６】入口ガイドベーン部材をケーシングに取り
外し可能に設けた、請求項４または５のターボ型高速ポ
ンプ。