特許 5727881 輪切形多段ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5727881

(24)【登録日】2015年4月10日

(45)【発行日】2015年6月3日

(54)【発明の名称】輪切形多段ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 1/08 20060101AFI20150514BHJP

   F04D 29/44 20060101ALI20150514BHJP

   F04D 15/00 20060101ALI20150514BHJP

【ＦＩ】

   F04D1/08 C

   F04D29/44 C

   F04D29/44 D

   F04D15/00 101C

【請求項の数】4

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2011-145228(P2011-145228)

(22)【出願日】2011年6月30日

(65)【公開番号】特開2013-11241(P2013-11241A)

(43)【公開日】2013年1月17日

【審査請求日】2013年12月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(74)【代理人】

【識別番号】100093942

【弁理士】

【氏名又は名称】小杉 良二

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(72)【発明者】

【氏名】市来 勇

【審査官】 所村 陽一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平１０−２２０３９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−２７３０９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２０５１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−１９３６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４２６５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｄ １／０８

Ｆ０４Ｄ １５／００

Ｆ０４Ｄ ２９／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸と、
前記回転軸に固定された複数の羽根車と、
前記複数の羽根車を収容するポンプケーシングと、
前記回転軸に作用するスラスト力を支持するためのバランス機構と、
前記バランス機構が収容されるバランス室と、
前記バランス室内の液体を、吸込流路を有する吸込ケーシングに導くバランス配管とを備え、
前記ポンプケーシングは、前記吸込ケーシングと、吐出し流路を有する吐出しケーシングと、前記吸込ケーシングと前記吐出しケーシングとの間に配置された中間ケーシングとを有し、
前記吸込ケーシングは、前記吸込流路に接続される吸込ボリュートと、該吸込ボリュートから隔離された側室を有し、
前記吸込ボリュートは、前記吸込流路から前記複数の羽根車の初段羽根車の液体入口まで延びており、
前記バランス配管の一端は前記バランス室に接続され、他端は前記側室に接続されていることを特徴とする多段ポンプ。

【請求項2】

前記吸込ボリュートには、液体の流れを案内する案内板が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の多段ポンプ。

【請求項3】

前記吐出しケーシングは、前記吐出し流路が形成された吐出しポートと、前記羽根車から吐き出された液体が旋回する環状流路を形成する周壁とを有しており、
前記吐出しポートと前記周壁とは、湾曲した断面形状を有する接続部を介して接続されており、
前記接続部は、上流側湾曲部と下流側湾曲部とから構成されており、前記上流側湾曲部は、前記羽根車の回転方向に関して前記下流側湾曲部の上流側に位置しており、
前記上流側湾曲部の曲率半径は、下流側湾曲部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の多段ポンプ。

【請求項4】

前記吐出し流路は、その断面積が液体の流れ方向に沿って徐々に小さくなる形状を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多段ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、輪切形多段ディフューザポンプ（以下、単に多段ポンプという）に関し、特に多段ポンプのケーシング構造に関するものである。

【背景技術】

【0002】

多段ポンプは、回転軸に固定された複数の羽根車を有している（例えば、特許文献１参照）。液体は、吸込ポートからポンプケーシング内に導入され、羽根車により順次昇圧され、そして吐出しポートから吐出される。多段ポンプは、清水や海水などの様々な液体の移送に使用され、様々な場所で使用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０００−１３０４００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

多段ポンプの液体移送能力は、吸込性能（キャビテーション性能ともいう）と普通性能（一般性能ともいう）に大きく依存する。従来から、吸込性能と普通性能を向上させるために、様々な工夫がなされている。そこで、本発明は、液体移送性能を向上させた多段ポンプを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0005】

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、回転軸と、前記回転軸に固定された複数の羽根車と、前記複数の羽根車を収容するポンプケーシングと、前記回転軸に作用するスラスト力を支持するためのバランス機構と、前記バランス機構が収容されるバランス室と、前記バランス室内の液体を、吸込流路を有する吸込ケーシングに導くバランス配管とを備え、前記ポンプケーシングは、前記吸込ケーシングと、吐出し流路を有する吐出しケーシングと、前記吸込ケーシングと前記吐出しケーシングとの間に配置された中間ケーシングとを有し、前記吸込ケーシングは、前記吸込流路に接続される吸込ボリュートと、該吸込ボリュートから隔離された側室を有し、前記吸込ボリュートは、前記吸込流路から前記複数の羽根車の初段羽根車の液体入口まで延びており、前記バランス配管の一端は前記バランス室に接続され、他端は前記側室に接続されていることを特徴とする多段ポンプである。

【0006】

本発明の好ましい態様は、前記吸込ボリュートには、液体の流れを案内する案内板が配置されていることを特徴とする。

【0007】

本発明の好ましい態様は、前記吐出しケーシングは、前記吐出し流路が形成された吐出しポートと、前記羽根車から吐き出された液体が旋回する環状流路を形成する周壁とを有しており、前記吐出しポートと前記周壁とは、湾曲した断面形状を有する接続部を介して接続されており、前記接続部は、上流側湾曲部と下流側湾曲部とから構成されており、前記上流側湾曲部は、前記羽根車の回転方向に関して前記下流側湾曲部の上流側に位置しており、前記上流側湾曲部の曲率半径は、下流側湾曲部の曲率半径よりも大きいことを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記吐出し流路は、その断面積が液体の流れ方向に沿って徐々に小さくなる形状を有していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

上記構成を有する吸込ケーシングは、多段ポンプの吸込性能を向上させることができる。したがって、ポンプ性能を向上させることができる。さらに、上記構成を有する吐出しケーシングは、多段ポンプの普通性能を向上させることができる。したがって、ポンプ性能をさらに向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る多段ポンプの側面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢印Ａで示す方向から見た図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の矢印Ｂで示す方向から見た図である。

【図2】輪切形多段ディフューザポンプの断面図である。

【図3】吸込ケーシングを示す図である。

【図4】吸込ケーシングの断面図である。

【図5】吸込ケーシング内の液体の流れを解析した結果を示す図である。

【図6】従来の吸込ケーシング内の液体の流れを解析した結果を示す図である。

【図7】ポンプの吸込性能を示す指標であるＮＰＳＨＲ（必要有効吸込ヘッド）を示すグラフである。

【図8】吐出しケーシングを示す図である。

【図9】吐出しケーシングの断面図である。

【図10】吐出しケーシング内の液体の流れを解析した結果を示す図である。

【図11】吐出し流路の断面積の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る多段ポンプの側面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の矢印Ａで示す方向から見た図であり、図１（ｃ）は、図１（ａ）の矢印Ｂで示す方向から見た図である。図２は多段ポンプの断面図である。多段ポンプは、水平に延びる回転軸１と、回転軸１に固定された複数の羽根車２と、これら羽根車２を収容するポンプケーシング３とを備えている。回転軸１は、軸受９，９により回転自在に支持されている。回転軸１の一端は、モータなどの駆動源に連結され、この駆動源により回転軸１および羽根車２が回転するようになっている。

【0011】

ポンプケーシング３は、吸込ポート１１を有する吸込ケーシング１０と、吐出しポート３１を有する吐出しケーシング３０と、吸込ケーシング１０と吐出しケーシング３０との間に配置された中間ケーシング５０とを有している。中間ケーシング５０は、複数の環状のケーシングピース５０ａが軸方向に積み重なった構造を有している。各羽根車２の径方向外側には、ディフューザ４が配置されている。各ケーシングピース５０ａ内には、１組の羽根車２およびディフューザ４が配置されている。吸込ケーシング１０、中間ケーシング５０、および吐出しケーシング３０は、通しボルト６およびナット７によって互いに固定されている。

【0012】

吸込ケーシング１０および吐出しケーシング３０は、中間ケーシング５０に着脱可能に取り付けられている。すなわち、吸込ケーシング１０および吐出しケーシング３０は、通しボルト６およびナット７を取り外すことにより中間ケーシング５０から切り離すことができる。

【0013】

この多段ポンプは、羽根車２の段数を変更することが可能に構成されている。羽根車２の段数を増やす場合は、所望の数の羽根車およびこれら羽根車に対応したディフューザおよびケーシングピースを多段ポンプに追加する。一方、羽根車２の段数を減らす場合は、所望の数の羽根車およびこれら羽根車に対応したディフューザおよびケーシングピースを多段ポンプから取り外す。このように、本多段ポンプは、その用途に応じて所望の段数にすることができる。

【0014】

回転軸１は、吸込ケーシング１０および吐出しケーシング３０を貫通して延びている。吸込ケーシング１０および吐出しケーシング３０の外側には、軸封機構５５，５５がそれぞれ設けられている。軸封機構５５，５５としては、メカニカルシールやグランドパッキンなどが使用される。軸受９，９は、それぞれ軸受ケーシング６５，６５に収容されている。これら軸受ケーシング６５，６５には、それぞれ軸受カバー６７，６７がボルトにより固定されている。各軸受ケーシング６５内には潤滑オイルが充填されており、この潤滑オイルは、冷却パイプ６６によって冷却されるようになっている。

【0015】

吐出しケーシング３０には、バランス機構７０が設けられている。このバランス機構７０は、回転軸１と一体に回転するバランスディスク７１と、このバランスディスク７１に対向して配置されたバランスディスクシート７２とを有している。このバランス機構７０は、羽根車２の吸込側と吐出し側の圧力差に起因して発生するスラスト力を支持することで、回転軸１に作用するスラスト力をバランスさせる機能を有する。バランス機構７０は、バランス室７３内に配置されている。羽根車２によって昇圧された液体は、バランスディスク７１とバランスディスクシート７２との間の微小な隙間を通り、バランス室７３に流入するようになっている。

【0016】

吸込ケーシング１０の内部には、多段の羽根車２のうちの初段羽根車に隣接した側室２５が形成されている。この側室２５には、初段羽根車によって昇圧された液体の一部が流入するようになっている。バランス室７３と側室２５とは、バランス配管７５によって連結されている。したがって、バランス室７３内の圧力と、側室２５内の圧力とは、実質的に同一となっている。

【0017】

図３は、吸込ケーシング１０を示す図である。吸込ケーシング１０は、吸込流路が内部に形成された吸込ポート１１と、通しボルト６の挿入孔１２Ａ，１３Ａ，１４Ａ，１５Ａが形成された４つのボルト台座１２，１３，１４，１５とを有している。これら４つのボルト台座１２，１３，１４，１５は、回転軸１の周方向において等間隔に設けられている。

【0018】

吸込ケーシング１０には脚部８０が締結ボルト８５によって固定されている。脚部８０には、締結ボルトが挿入される通孔８０ａが形成されており、締結ボルトによって吸込ケーシング１０を共通ベースに固定することができる。

【0019】

図４は、吸込ケーシング１０の断面図である。吸込ケーシング１０には、吸込流路１１ａに接続された吸込ボリュート２０と、側室２５とが形成されている。吸込ボリュート２０と側室２５とは仕切り壁２６によって隔離されている。側室２５は、初段羽根車に隣接しており（図２参照）、初段羽根車によって昇圧された液体の一部が側室２５に流入するようになっている。側室２５内の圧力は、初段羽根車の吐出し圧力に近い圧力となっている。

【0020】

吸込ボリュート２０は、渦巻き流路である。この吸込ボリュート２０は、吸込流路１１ａから初段羽根車の液体入口まで延びており、液体は吸込ボリュート２０を通って初段羽根車に導かれる。吸込ボリュート２０には、液体の流れを案内する案内板２１が配置されている。この案内板２１は、吸込流路１１ａからの液体を吸込ボリュート２０に沿って旋回させる役割を持つ。吸込ボリュート２０の下流端には、初段羽根車の中心に向かって突出する舌部２２が形成されている。

【0021】

図５は、吸込ケーシング１０内の液体の流れを解析した結果を示す図である。図５から分かるように、液体は、吸込ボリュート２０内を滑らかに流れており、吸込流路１１ａから羽根車２（初段羽根車）の液体入口まで均一の流れが形成されている。液体は、初段羽根車の回転方向に旋回しながら、初段羽根車に吸い込まれており、液体の流れに大きな乱れは発生していない。その結果、液体の流入角度が、初段羽根車の入口角度と一致するようになり、多段ポンプの吸込性能が改善される（すなわち、キャビテーションが起こりにくくなる）と同時にポンプ性能も改善される。さらには、騒音や振動も低減される。

【0022】

図６は、従来の吸込ケーシング内の液体の流れを解析した結果を示す図である。従来の吸込ケーシング１０５では、吸込ボリュート２０は形成されておらず、中心線に沿って案内板１１０，１１１が設けられているだけである。液体は、案内板１１０，１１１の両側を流れ、そして羽根車１１２の液体入口に吸い込まれる。図６から分かるように、液体は、吸込ケーシング１０５の内面または案内板１１１に衝突して、その流れが乱されてしまう。その結果、液体の流入角度が、羽根車１１２の入口角度と一致せず、多段ポンプの吸込性能が低下する（すなわち、キャビテーションが起こりやすくなる）とともに、ポンプ性能が低下してしまう。場合によっては、大きな騒音や激しい振動が発生することもある。図５および図６との対比から分かるように、吸込ボリュート２０を持つ吸込ケーシング１０は、均一な液体の流れを形成することができ、吸込性能およびポンプ性能を向上させることができる。

【0023】

吸込ケーシング１０は、バランス配管７５（図２参照）に接続される第１の接続ポート２７を有している。この第１の接続ポート２７は、側室２５に連通しており、バランス室７３内の高圧の液体は、バランス配管７５を通って側室２５に戻されるようになっている。上述したように、側室２５は、仕切り壁２６によって吸込ボリュート２０から隔離されているので、側室２５に流入した液体は、吸込ボリュート２０を流れる液体に衝突することはない。したがって、吸込ボリュート２０を流れる液体に乱れは生じない。さらに、側室２５内は高圧の液体で満たされているので、キャビテーションも起こりにくい。その結果、吸込性能を向上させることができる。

【0024】

吸込ケーシング１０は、吸込ボリュート２０に連通する第２の接続ポート２８をさらに有している。吸込ボリュート２０を流れる液体を乱さないという観点からは、バランス室７３内の液体は、第１の接続ポート２７を通じて側室２５に戻すことが好ましい。しかしながら、多段ポンプの用途や設置場所によっては、バランス配管７５を第２の接続ポート２８に接続してもよい。第２の接続ポート２８は、省略することもできる。

【0025】

図７は、ポンプの吸込性能を示す指標であるＮＰＳＨＲ（必要有効吸込ヘッド）を示すグラフである。図７から分かるように、バランス配管７５を側室２５に接続したときのＮＰＳＨＲ（実線で示す）は、部分流量領域から過大流量領域にまでの全流量領域において、バランス配管７５を吸込ボリュート２０に接続したときのＮＰＳＨＲ（点線で示す）よりも低くなっている。これは、バランス配管７５を側室２５に接続すると、吸込ケーシング１０内でキャビテーションが起こりにくくなることを示している。

【0026】

図８は、吐出しケーシング３０を示す図である。吐出しケーシング３０は、吐出し流路が内部に形成された吐出しポート３１と、通しボルト６の挿入孔３２Ａ，３３Ａ，３４Ａ，３５Ａが形成された４つのボルト台座３２，３３，３４，３５とを有している。これら４つのボルト台座３２，３３，３４，３５は、回転軸１の周方向において等間隔に設けられている。

【0027】

吐出しケーシング３０には脚部８１が締結ボルト８５によって固定されている。脚部８１には、締結ボルトが挿入される通孔８１ａが形成されており、締結ボルトによって吐出しケーシング３０を共通ベースに固定することができる。

【0028】

図９は、吐出しケーシング３０を示す断面図である。図９に示すように、吐出しケーシング３０は、羽根車２から吐き出された液体が旋回する環状流路３６を形成する周壁３７を備えている。周壁３７と吐出しポート３１との接続部は、湾曲した断面形状を有しており、上流側湾曲部４１と下流側湾曲部４２とを構成している。上流側湾曲部４１は、矢印Ｈで示す羽根車２の回転方向に関して、下流側湾曲部４２の上流側に位置している。上流側湾曲部４１は、下流側湾曲部４２よりも大きく湾曲している。すなわち、上流側湾曲部４１の曲率半径は、下流側湾曲部４２の曲率半径よりも大きくなっている。

【0029】

図１０は、吐出しケーシング３０内の液体の流れを解析した結果を示す図である。図１０から分かるように、液体は上流側湾曲部４１に沿って流れている。一方、下流側湾曲部４２の周囲では、液体が淀んでいる。

【0030】

上流側湾曲部４１の曲率半径を大きくする理由は、周壁３７と吐出しポート３１との接続部での流速を遅くするためである。高温水が流路を高速で流れると、流路材料の腐食が促進されるという現象が知られている。このような現象はＦＡＣ（Flow Accelerated Corrosion）と呼ばれている。液体は回転する羽根車２により昇圧されるので、吐出しケーシング３０を通る液体は高温となる。結果として、吐出しケーシング３０の内壁の腐食が促進されるおそれがある。本実施形態では、上流側湾曲部４１の曲率半径を大きくすることで、周壁３７と吐出しポート３１との接続部での流速を下げることができる。したがって、吐出しケーシング３０の局所的な腐食を防止することができる。

【0031】

さらに、上流側湾曲部４１の曲率半径を大きくすることにより、液体が吐出しポート３１の内面から剥離する領域を小さくすることができる。その結果、液体がスムーズに吐き出され、ポンプ性能が向上する。一方、下流側湾曲部４２の曲率半径を小さくする理由は、液体が淀んでいる領域を小さくして、吐出し流路３１ａを流れる液体の流れを乱さないようにするためである。このように、本実施形態の吐出しケーシング３０の形状は、腐食の促進を防止するとともに、ポンプ性能を向上させることができる。

【0032】

図１１は、吐出し流路３１ａの断面積の変化を示すグラフである。図１１および図９に示すように、吐出しケーシング３０の吐出し流路３１ａは、その断面積が液体の流れ方向に沿って徐々に小さくなる形状を有している。これは、吐出し流路３１ａを流れる液体の速度をある程度上げることにより、吐出し流路３１ａ内の剥離領域を小さくするためである。したがって、ポンプ性能をさらに向上させることができる。

【0033】

上述した多段ポンプでは、４本の通しボルト６が使用されているが、羽根車の径がある程度大きい場合は、８本の通しボルトが使用される。本発明は、８本の通しボルトを有する多段ポンプにも適用可能である。

【0034】

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

【符号の説明】

【0035】

１ 回転軸
２ 羽根車
３ ポンプケーシング
４ ディフューザ
６ 通しボルト
７ ナット
９ 軸受
１０ 吸込ケーシング
１１ 吸込ポート
２０ 吸込ボリュート
２１ 案内板
２２ 舌部
２５ 側室
２６ 仕切り壁
２７，２８ 接続ポート
３０ 吐出しケーシング
３１ 吐出しポート
４１ 上流側湾曲部
４２ 下流側湾曲部
５０ 中間ケーシング
５５ 軸封機構
６５ 軸受ケーシング
６６ 冷却パイプ
７０ バランス機構
７５ バランス配管
８０,８１ 脚部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】