JPS6018840B2 - ピトーポンプ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はピトーポンプに関する。

ピトー管を用いたポンプ、すなわちピトーポンプは従来
から多数知られている。

一般にこのタイプのポンプは原動機によって回転駆動さ
れる回転子を備え、回転子は固定されたピトー管を収容
している。ピトー管は流体を受入れて排出する流路を備
え、回転子内のキャビティの中を半径方向にのびている
。ピトー管は回転子の内周に近接する位置まで延び、該
位置の流体を受け入れる流入孔を備えている。この流体
は回転子を介して原動機からェネルギが与えられ、回転
子内周に沿って回転しピトー管内に速度をもって進入し
た流体の速度水頭の一部はディフューザを介して圧力水
頭に変えられる。ピトーポンプは比較的効率がよくかつ
好ましい圧力および速度特性を備えているが、更に高い
効率を有するピトーポンプの出現が望まれている。

高効率のピトーポンプを得るために考慮するべき重要な
項目は、ピトー管内の流れに生ずる境界層の剥離に基因
する流体損失及びピトー管内の流体抵抗である。これを
更に具体的に述べれは次の如くである。ピト−管は、流
入口を設けられ回転子回転の周方向に延びる周方向流路
と、該周万向流路から回転子の半径方向に嘗曲する第１
の轡曲流路と、これに続く半径方向流路と、更に回転子
の軸万向に轡曲する第２の誓曲部と、これに続く回転子
の車母方向に延びる軸万向流路を有している。上記２回
の轡曲部はほぼ９０ｏの角度で曲げられ、第１の轡曲部
は第２のそれよりも僅かに大きく形成されている。そし
てこれらの轡曲部を流体が流れるにしたがって壁面から
の流れの剥離が生じ、それによる流体損失が生ずるが、
このような轡曲部内側の断面積を増加させることによっ
て轡曲部での流体損失の発生を防止する可能性が多数の
学術論文、たとえばナサ（米国航空宇宙局）のテクニカ
ルブリーフ６８−１０３９５で論じられている。この発
明の目的は簡易な形状のピトー管を持ち、ピトー管内の
流路の流入孔と半径方向流路との間の流体損失を減少さ
せることができるピトーポンプを提供することにある。
ピトー管に生ずる流体損失は、ピトー管内の流路が円形
の流入口を有する周方向流路から、下流に移るに従って
その形を変化するほぼ卵形断面を有する流路からなる第
１の轡曲流路を経て、細長い断面形状を有する半径方向
流路に至る間の流路断面形状変化によって生ずるもので
ある。

流入口は回転子内で回転子の回転に基づいて該回転子の
中心軸線をめぐって回転する流体を受入れるように位置
されており、該流入口につながるピトー管内の流路は、
円形の流入口から半径方向流路に行くに従って、次第に
狭い形状となるように変化している。このような断面の
狭少化は第１の琴曲流略の内側では急速に行なわれ、従
って流入口に見る断面が円形から離れた形に移行する変
化は第１の轡曲流路の轡曲の外側では内側よりも緩やか
に行なわれる。すなわち上記外側に於ける流路の轡曲は
、内側に於ける流路の轡曲よりも曲率半径が大きく、半
径方向流路に接続される直前には内側外側の轡曲の曲率
は小さくなり、第１の轡曲流路は該半径方向流路に連結
される。第１の轡曲流路は卵形断面を有する。

該卵形断面は、第１の誉曲流路の轡曲の外側から内側に
向かって狭くなるほぼＶ形状に配置された２本の直線と
、上記２本の直線の外側の端を連結する大半径の円弧と
、上記２本の直線の内側の端を連結する小半径の円弧か
ら形成される。第１の轡曲流路の上記断面は円周方向流
路との結合部はほぼ円形をなし、半径方向流路方向に移
るに従って、上記断面の円弧の長さは減少され、断面の
形状は細長いものとなる。上記のように変化する第１轡
曲流路の断面を短い文言で表現することは極めて困難で
あるので、変化する断面形状の円間で生ずる形がほぼ卵
形に類似しているため、その特徴的形状をもって代表的
形状と見なし、第１賞曲流路のすべての断面を卵形断面
と記すこととする。この発明のピトーポンプの一例に於
ては、ピトーポンプは回転子を収容するハウジングを備
え、回転子は原動機に駆動されて回転軸を中心にして回
転する。

回転子のキャビテイ内に供給された流体は、原動機の駆
動に基づいて回転子内を回転する。ピトー管は回転子と
同軸にハウジングに支持されている。該ピトー管は回転
子の中心軸線方向からほぼ９０度轡曲して、半径方向に
キャビティの最外部近くまで延び、そこに流体受入れ用
の流入口が設けられている。このピトー管の流路の断面
の形はすでに述べた所である。上記第１の轡曲流路に続
く半径方向流路には、所定の半径方向長さだけ一定の断
面積を有する定断面流路と、該流路に続いて半径方向に
延び内部を流れる流体の速度水頭を圧力水頭に変換する
ディフューザが設けられている。上記定断面流路は、デ
ィフューザは流入する流体が、境界層の影響によってデ
ィフューザの入口で流体損失を発生するのを防止するた
め、および流入口から流入し、周万向流路を通った後半
径万向流路に入るように方向転換する流体の流れが、第
１の琴曲流路の内側轡曲部を通るときもこ境界層の剥離
を生ずるのを防止するために用いられる。ディフューザ
内では流路断面は、下流に進むに従って回転子の中心軸
線とほぼ平行な中を増大することによって行なわれる。
半径方向に延びるディフューザ内の流路は、馨曲した接
続部分を介して、上記回転軸とほぼ同軸に形成され流体
をピトーポンプから排出する軸方向流路に連結される。
上記援続部分を以後、第２の轡曲流路と託す。この第２
の誉曲流路は琴曲の内側で広く広がり、外側で狭く形成
されている。これはＮＡＳＡの研究に従ったものである
。ピトー管の外形は、回転子とともに移動する流体によ
って、回転子の回転方向に作用する力を極力小さくする
ように、流線形に形成されている。すなわち、ピトー管
の外形は内部の流路の緩やかな轡曲に対応して、移動す
る流体に向かっては狭く、流体の移動とほぼ平行な寸法
は長く形成されている。ピトー管内の流路の流入口と半
径方向流路間の、第１の鴬曲流路の流路の轡曲の曲率お
よび断面面積を上述のように形成することにより、本発
明のピトーポンプでは、回転子の中でピトー管にあたる
水流による力を増大させる原因となるような外形の変化
を行なうことないこ、ピトー管を通過する流体に生ずる
流体損失減少させることができるという効果を得ること
ができる。

次に図面に参照しながらこの発明の一実施例を説明する
。

第１図はピトー管１０を持つピトーポンプを示している
。

このポンプは固定的に取付けられたハウジング１２を備
えている。また回転軸１４が原動機からこのハウジング
１２内にのびて軸受１６に保持されている。この軸受１
６は軸受箱１８を介してハウジング１２に取付けられて
いる。更に丸頭ねじ２２によって回転軸１４のフランジ
２４に中空に形成された回転子２０が装着され、この回
転子はカバー２８によって一方の側すなわち図の左方側
が閉塞されたキャビティ２６を形成している。カバー２
８に形成された多数の半径方向の流路３０は環状路３２
およびその環状路への流入孔３４を介して流体源（図示
しない）に蓮通されている。回転子２０とハウジング１
２との間に配談された封止アッセンブリ３６は環状路３
２および流入孔３４内の流体を密封している。また回転
子２０はカバー２８のハプ４０とハウジングカバー４４
の凹部４２との間に配設された軸受３８に支持されてい
る。ピトー管１０は固定されてハウジング１２から回転
軸１４の中心軸線方向に回転子２０内に延出し、それか
ら回転子の半径方向に延出し、回転子２０の内周面の近
くまで延出した先端には、ピトー管１０の内部に形成さ
れた流路４７の流入口４６が設けられている。

流入口４６は回転子２０の回転に伴なう遠心力の作用で
回転子２０内を上記中心軸線をめぐって回転する流体を
容易に受け入れるように、回転子２０の回転と反対方向
に向かって閉口している。ピトー管１０内の流路４７は
、流入口４６からほぼ円周方向に延びる短かし、周万向
流路４７ａ（第３図）と第１の轡曲流路４７ｂ（第３図
）を経て半径方向流路４８に達し、更に第２の轡曲流路
６０ａ（第２図）を経て藤方向流路５０‘こ連なり、該
流路５０から外部に排出される。流入口４６から流路４
７に受入れられた流体の、速度水鏡の一部は、流体が流
路４７を通る間に圧力水頭に変換される。以下更にピト
ー管１０及びその内部の流離４７に関して詳細に説明す
る。第２図および第３図にはピトー管１０が拡大して示
されている。

第３図に示すように、流入孔４６からのびる流路４７は
ほぼ円周方向から回転子２０の半径方向５４に向かって
ほぼ９０度費曲して延出した後、更にほぼ９０度回転し
て回転子２０の中心軸線５２の方向にのびている。上記
ピトー管内の流路の轡曲の、上記第１の轡曲流路４７ｂ
に入る前と入ってからの曲率半径は第１の轡曲流路に入
ってからの方が小さい。このような第１の轡曲流路４７
ｂおよび半径方向流路４８は、上記中心軸線５２に直角
な平面内にある。流路４７の第１の轡曲流路４７ｂは内
側壁５６と外側壁５８とを有している。内側壁５６の曲
率は流入孔４６の隣接部と半径方向流路４８に近い部分
は小さいが、その中間では次第に大きくなり又小さくな
っている。周方向流路４７ａは円形断面を有し、第１の
誉曲流路４７ｂは、周方向流路４７ａから半径方向流路
４８に近付くに従って外側壁５８の側で広く内側壁５６
の側で狭くなり、半径方向流路４８の長くて幅の狭いス
ロット形断面に運通している。半径方向流路４８は、ほ
ぼ一定形状従ってほぼ一定断面積を有する定断面流路４
８ａと、これに続く、ディフューザ用の流路（以下ディ
フューザと記す）６０から成る。定断面流路４８ａはデ
ィフューザ６０内に流入する前の流体の流れを直線状の
流れとし、ディフューザ６０１こ流入する流れが境界層
の影響によってディフューザ６０の入口で損失を生じた
り、流体が第１の琴曲流路４７ｂの内側を通るとき生ず
る境界層の剥離による流体損失が増大するのを防止する
。またディフューザ６川ま速度水頭を圧力水頭に変換す
るために、中心軸線５２に近づくにつれて次第に断面積
が増加するように形成されている。ディフューザの断面
積増加は第２図に示すように回転子の中心軸線方向の長
さの変化によって行なわれる。（この場合、回転子の中
心軸線５２に直角な半径方向流路４８の寸法は一定に形
成されている。）ディフューザ６０の下流には回転子２
０の中心軸線５２方向に延出する軸方向流路５０が設け
られ、ディフューザ６０と上記流路５０の間には第２の
轡曲流路６０ａが設けられている。軸方向流路５０は流
入口４６から流入した流体を外部に送出する働きをなす
。上記第２の轡曲流路６０は第１１図に示すハブ６５の
内部に設けられ、３頂点部を円弧で丸めたほぼ２等辺三
角形状断面を有し、該２等辺三角形の底辺部１２４はピ
トー管轡曲の内側壁６４の側に位置し、底辺部１２４に
対向する頂点部１２２は蟹曲の外側壁６２側にあるよう
に配置されている。ピトー管１０の流路４７はディフユ
ーザ６０の下流端から上記第２の轡曲部６０ａを経て次
第に横断面積を増しつつ円形横断面を有する鼠方向流路
５川こ達している。第１０図および第１２図に示すよう
に、ピトー管の外面は流体の抵抗を出来得る限り小さく
するように流線形に作られている。

そしてその後端６６は前端６８よりも僅かに鋭角に形成
されている。ピトー管の流路４７は、回転子の半径方向
最外部付近からの流体を取り入れて、９０度より僅か大
きい角度で方向転換させる第１の琴曲流路４７ｂに導く
。

流体の速度水頭の一部を圧力水頭に変換する以前に、デ
ィフューザ６川こ流体が流入する際の入口に於けるェネ
ルギ損失を減少させ、又流体が第１の轡曲流路４７ｂの
内側壁５６を通るとき、該流体の流れが内側壁５６から
剥離しないように、流体は第１の響曲流路４７ｂを通過
後、直線的に延びる定断面流路４８ａに導かれ、これを
通過後ディフューザ６０‘こ流入する。流入孔４６から
軸線方向流路５０までの流路は、ピトーポンプを高効率
のものとするために、可能な限り損失を少なくするよう
に形成されている。この発明のピトーポンプに使用する
ピトー管１川こ於ては、流入口４６半径方向流路４８の
流れに伴なう損失は以下のようにして低減されている。
すなわち、内側壁５６に沿って流れる流体は緩やかに流
れ方向を変換され、従って上言己内側壁５６およびこれ
に続く壁面に沿って流れるときに流体に生ずる流体圧力
の上昇は少〈押えられる。従ってこの部分を流れる流体
による境界層の剥離を生ずることはほとんどない。又、
第１の轡曲流路４７ｂは流れを半径方向に向けて変換さ
せるために用いられるのでこの流路４７ｂに生ずるェネ
ルギの損失をもできるだけ低く押える必要がある。この
ために第１の轡曲流路４７ｂの断面は、第４図ないし第
９図に示すように形成されている。第４，５，６，７，
８，９図はそれぞれ第３図の４−４，５−５，６−６，
７−７，８−８，９−９線断面を示す。上記図に示すよ
うに、第４図から第９図に行くに従って、流路断面は中
（図の左右方向）に比べて長さ（図の上下方向）が長く
なっている。このような形状は第１の轡曲流路４７ｂに
於ての流体のヱネルギ損を低く押えるのに適している。
第４〜９図に於ては、第３図の切断線によってピト一管
を切断したとき、切断線の右側の断面部分が、該第４〜
９図の上方にあるように描かれている。上記図について
更に説明を加えれば、第４図に示す流路断面は、円形流
入孔４６の形状に極めて近似しており流路の外側壁６９
はいまだ円形をしているが、その下部には最下部で凹形
に下方に僅かに延びる内側壁７４が設けられている。上
記外側壁６９と内側壁７４は、ほぼＶ形をなす２直線か
らなる側部壁７０，７２によって連結されている。第４
図に見るように、この図の流路断面は下方で狭く、上方
に於て広くなっている。上記のような断面の形状は、第
５図においては更に強調されて続いている。すなわち第
５図では、流路の断面のうち轡曲の外側に設けられてい
る外側壁７６は第４図とほぼ同一の曲率半径を有する円
弧状をなしているが第４図に比べて下方に狭くなって延
びている。上記外側壁７６は小半径の円弧８０，８２を
介して外側壁７６，７８につながり、該外側壁の下端は
上に凹の形状をなす小半径の円弧状の内側壁８４によっ
て結合されている。第５図の断面は轡曲の外側部が広く
形成され、多くの流体を流し得るようになっている。す
なわち第５図に示すように、流路断面はピトー管１０の
轡曲の外側部では大きく広がり、轡曲の内側部分では小
半径の円弧状の内側壁８４およびＶ字形の外側壁７６，
７８で形成されて狭く絞られている。流入口４６の円形
断面から第５図に示す断面形状へ漸進的変化は第６図へ
続き、第６図において、外側壁８６は第５図の場合と同
一の曲率半径を有する円弧状をなしているが、その円弧
部の中は非常に小さくなっている。また流路断面の両側
の側部壁８８，９０は互に傾斜して誉曲の内側の方に狭
くなる２本の直線状をなしている。２個の側部壁８８，
９０の端部に連なる内側壁９２は、小半径の円弧状に形
成されている。

第７図の断面形状は第６図の断面形状とよく似ているが
、第７図では外側壁９４の円弧形状の半径はかなり小さ
く、なっており、両側部壁９６，９８は小角度をなして
下方に狭くなる２本の直線で形成され、これらの両側部
壁９６，９８は轡曲の内側に於て小半径の円弧状の内側
壁１００を介して連結されている。第７図の流路断面は
第６図の流路断面に対して細長い形状をなしている。次
第に細長くなる煩向は更に第８図に続く。第８図の流路
断面は外側壁Ｉ０２、両側部壁１０６，１０８および内
側壁９２に囲まれており、外側壁１０２の形を定める円
弧形は第７図の場合に比べてかなり小さな半径を有し、
内側壁１０４の形を定める円弧形状は第７図の場合に比
べて僅かに大きな半径をもつように形成され流路断面全
体としての形は第８図の場合の方がより細長くなってい
る。第１の鴬曲流路４７ｂの最終段の流路断面（第９図
）の断面では、両側部壁１ １０，１ １２は直線でな
く非常に大きな半径を有する円弧からなり、小半径の円
弧からなる外側壁１１４と内側壁１１６につながってい
る。定断面流路４８ａは全長にわたって第９図に示す流
路断面を有するように形成されている。ピトー管流路の
広がる部分すなわちディフューザ６０の部分の断面は第
１０図に示すように楕円形に近い形状に形成されている
。流入孔４６から流路の半径方向流路４８に属する定断
面部４８ａにかけての流路の幅は流入孔４６の直径をこ
えることはない。

従ってピトー管の外側を流れる流体に面する寸法は流入
孔４６の大きさによって決定され、その断面積はほぼ一
定に形成され大きく変化することはない。第１０図は、
半径方向流路４８のディフューザ６０と藤方向流路５０
を連結する第２の轡曲流路６０ａの入口部分の流路断面
を示す図でもある。

第２の轡曲流路６０ａの流路は第１０図に示すほぼ楕円
形断面から第１１図に示す流路断面をへて、第３図に示
す完全な円形断面に向かって次第に変化してゆく。第１
１図の流路断面は丸みを付された３頂点（以後頂点部と
記す）１１８，１２０，１２２と円弧状に曲がっている
底辺１２４を含む３辺とを有し、底辺（以下底辺部と託
す）１２４は第２の轡曲流路６０ａの誉曲の内側に向か
って位置し、底辺部１２４に対向する頂点部１２２は轡
曲の外側に位置する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のピトーボンプの縦断面図、第２図は
ポンプの回転方向に対して直角なピトー管の断面図、第
３図はポンプの回転方向に対して平行なピトー管の断面
図、第４図ないし第８図は第３図の線４−４，５−５，
６−６，７−７，８一８にそれぞれ沿った断面図、第９
図、第１０図および第１１図は第２図の線９−９、１０
−Ｉ０，１１−１１に沿った断面図、第１２図は第２図
に示すピトー管の平面図である。 １０・・・…ピトー管〜 １２……ハウジング、１４…
…回転軸、２０・…・・回転子、２６・・…・キャビテ
ィ、４６・…・・流入口、４７・・・・・・流路、４７
ａ・…・・周方向流路、４７ｂ・・・・・・第１の轡曲
流路、４８・・・・・・半径方向流路、４８ａ・・・・
・・定断面流路、５０・・・・・・軸万向流路、５２・
・・・・・中心軸線、５４・・・・・・半径方向、５６
・・・・・・内側壁、５８・・・・・・外側壁、６０・
・・・・・ディフューザ、６０ａ・…・・第２の誉曲流
路、７６，７８・・・・・・外側壁、８０，８２・・・
・・・円弧部分、８４・・・・・・内側壁、１１８，１
２０，１２２・・…・頂点部、１２４・・・・・・底辺
、底辺部。 夕多．ノ ＦＩｇ．２ タ汐．夕 夕そ．よ タり．夕 夕多夕 よそ．〆 夕ぞ．汐 みる．夕 ム夢．れり 夕多．ＺＺ 夕を．乙２

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ハウジングと； 該ハウジングに軸支され、原動機の駆動に応じて回転
   し、内容に収容した流体にエネルギを付与する回転子と
   ； 回転子内に上記流体を供給する手段と； 上記回転
   子の中に不動に取付けられ、上記回転子から上記エネル
   ギを付与された流体を受入れてポンプ外に排出するピト
   ー管を具備するピトーポンプに於て、上記ピトー管内に
   設けられた流路が、上記回転子の中心軸線を含む平面内
   で、該中心軸線から半径方向に離れた位置に設けられた
   、ほぼ円形断面を有する流入口と； 上記回転子の中心
   軸線に関してほぼ半径方向に延出し、半径方向に最も離
   れた場所で長く狭い断面形状を有し、該断面の上記長く
   延びる方向が回転子の中心軸線とほぼ直角に向くように
   形成されている半径方向流路と； 上記流入口と半径方
   向流路の間に設けられて、緩やかに彎曲し、その彎曲す
   る部分がほぼ卵形の断面形状、すなわちほぼＶ字形状に
   配置まされた２本の直線と、該２本の直線の間隔の狭い
   部分と広い部分をそれぞれ小半径および大半径の円弧で
   つないで成る形状を有し、該卵形断面の巾がピトー管の
   彎曲の曲率半径の大きい部分で最大に形成され、更に該
   断面の回転子の中心軸線にほぼ垂直な２等分面に関して
   対象的に形成されている彎曲流路を有することを特徴と
   するピトーポンプ。 ２ 上記卵形断面が、次第に狭くなつて狭い先端が小半
   径の内側円弧で連結される２つの側線と、上記流入口と
   ほぼ同じ曲率半径を有し、上記２側線の広い側の端部を
   連結する外側円弧によつて形成され、上記円弧の領域が
   、断面が上記半径方向流路に近ずくにつれて小さくなる
   ように形成されていることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載のピトーポンプ。 ３ 上記半径方向流路が、ほぼ一定の断面積を有する細
   長い形状に形成された定断面流路と、該定断面流路に連
   結され、回転子の半径方向に向かつて形成され、回転子
   の中心軸線方向に進むに従つて次第に断面積を増加する
   デイフユーザを有することを特徴とする特許請求の範囲
   第２項に記載のピトーポンプ。 ４ 上記半径方向流路に設けられたデイフユーザが、回
   転子の中心軸線をほぼ平行に設けられた平行壁と、上記
   平行壁に対してほぼ直角な平面内で広がる複数個の壁を
   有することを特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の
   ピトーポンプ。 ５ 上記ピトー管の流路は、上記デイフユーザと円形断
   面を有する軸方向流路を結合する第２の彎曲流路を備え
   、上記第２の彎曲流路が、底辺を彎曲の内側に配置され
   、該底辺に対向する頂点が彎曲の外側に配置された、ほ
   ぼ２等辺三角形状の断面を有し、該断面を有する第２の
   彎曲流路によつて、上記デイフユーザと上記軸方向流路
   が円滑に連結されることを特徴とする特許請求の範囲第
   ４項に記載のピトーポンプ。