特許 7495202 遠心ポンプ

(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】

(24)【登録日】2024-05-27

(45)【発行日】2024-06-04

(54)【発明の名称】遠心ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 7/04 20060101AFI20240528BHJP

   F04D 29/22 20060101ALI20240528BHJP

   F04D 29/66 20060101ALI20240528BHJP

【ＦＩ】

F04D7/04 J

F04D29/22 B

F04D29/22 E

F04D29/66 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2018078964

(22)【出願日】2018-04-17

(65)【公開番号】P2019183807

(43)【公開日】2019-10-24

【審査請求日】2020-12-11

【審判番号】

【審判請求日】2022-11-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000150844

【氏名又は名称】株式会社鶴見製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100104433

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 博一

(72)【発明者】

【氏名】田中 裕之

(72)【発明者】

【氏名】新家 寿和

(72)【発明者】

【氏名】金子 智矢

(72)【発明者】

【氏名】清山 幹弘

【合議体】

【審判長】窪田 治彦

【審判官】関口 哲生

【審判官】伊藤 秀行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１２１５４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５７－８６５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２５５３２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－４７７４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

F04D7/04

F04D29/22

F04D29/66

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ボリュート形状の内部空間を有するポンプケーシングと、
１枚羽根、または、１つの流路を有し、回転軸の軸方向において、前記ポンプケーシングの吸込口側とは逆側に配置される主板と、前記主板の前記吸込口側に配置される羽根部とを含み、前記ポンプケーシングの前記内部空間に配置され、前記回転軸周りに回転する羽根車と、
前記羽根車内の流路、前記羽根部および前記ポンプケーシング内の流路により形成される主流部と、
前記羽根車の上方に配置されるオイルケーシングと、を備え、
前記羽根車は、前記羽根部の前記吸込口側に配置される側板を有するクローズド羽根車を含み、
前記主板は、前記羽根部側に凹むとともに前記羽根部の軸方向長さの０．２５倍以上の深さに形成されている凹部を有し、
前記回転軸の軸方向に直交する方向における前記主板の外側面と前記ポンプケーシングとの間の隙間、および、前記回転軸の軸方向における前記主板の前記吸込口側とは逆側の端面と前記オイルケーシングとの間の隙間の少なくとも一方が、２ｍｍ以下となるように形成され、
前記主流部は、前記回転軸の回転方向の全位相において、前記主流部を形成する前記羽根車の流路および前記羽根部に作用するラジアル荷重の位相が、前記主板から前記回転軸に作用する、前記羽根車が回転する際の前記主板の前記凹部の外側面に作用する力と内側面に作用する力との合力であるラジアル荷重の位相に対して、１８０度ずれた軸対称位置から±９０度の範囲内に収まるように、前記ボリュート形状の前記内部空間の基礎円の直径が、前記羽根部の外側直径の１．１５倍以上１．２５倍以下となるように形成され、前記回転軸の軸方向において、前記クローズド羽根車の吸込口から前記ポンプケーシングの吐出口の中心位置までの距離が、前記吐出口の直径の１．３倍以上１．５倍以下となるように形成され、
前記ポンプケーシングの前記ボリュート形状は、前記回転軸の回転中心軸線と前記ポンプケーシングの舌部との間の距離が前記羽根部の外側直径の半分の１．１倍以上１．２倍以下となり、かつ、舌部が基礎円の内側に配置されるように位置調整され、
前記主流部は、前記ポンプケーシングの吐出口から前記回転軸の回転方向の上流側４５度の位置において、前記ポンプケーシングの内側面とボリュート状の前記内部空間の基礎円との間の距離が、前記吐出口の直径の０．３倍以上０．４倍以下となるように形成され、
前記クローズド羽根車の吸込口は、前記回転軸と同心である円形の吸込み口を底面とする下流側に向けて狭まる円錐形状の角度が４５度以上７５度以下のテーパ状に形成されている、遠心ポンプ。

【請求項2】

前記凹部には、制御ウェイトが設けられている、請求項１に記載の遠心ポンプ。

【請求項3】

前記制御ウェイトの上端は、前記凹部の内底面の最も浅くなっている部位よりも低い位置に形成されている、請求項２に記載の遠心ポンプ。

【請求項4】

前記制御ウェイトの前記羽根車の回転方向に対する上流側は、前記凹部の内底面のうち、前記羽根車の流路に沿って肉盛りされた内底面の部分に接続されている、請求項２または３に記載の遠心ポンプ。

【請求項5】

前記制御ウェイトの内径側形状は、前記羽根車の回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が増加するよう形成されている、請求項２～４のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

【請求項6】

前記制御ウェイトは、内径側形状と前記回転軸が挿通される前記羽根車のボス部とで構成される溝が円周方向に６０度以上にわたって形成されている、請求項２～５のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

【請求項7】

前記制御ウェイトの外径側形状は、前記羽根車の回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が減少するよう形成されている、請求項２～６のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

【請求項8】

前記制御ウェイトは、外径側形状と前記凹部の外側面で構成される溝が円周方向に６０度以上にわたって形成されている、請求項２～４または７のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、遠心ポンプに関し、特に、汚水や汚物の排出に適している遠心ポンプ用の１枚羽根、または、１つの流路を有する羽根車を備える遠心ポンプに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、１枚羽根、または、１つの流路を有する遠心ポンプが知られている（たとえば、特許文献１および２参照）。

【0003】

上記特許文献１には、ボリュート形状の内部空間を有するポンプケーシングと、羽根部を挟み込む主板および側板を有し、ポンプケーシングの内部空間に配置され、回転軸回りに回転するクローズド羽根車（１つの流路を有する羽根車）とを備える遠心ポンプが開示されている。

【0004】

また、上記特許文献２には、ポンプケーシングと、ポンプケーシングの内側に配置され、回転軸回りに回転するセミオープン羽根車（１枚羽根の羽根車）とを備える遠心ポンプが開示されている。

【0005】

ここで、上記特許文献１および上記特許文献２に開示の遠心ポンプでは、水を吐出することにより、流体反力を受ける。なお、流体反力の大きさ、および、流体反力の向き（位相）は、水の吐出状態（吐出し量を含む）により変動する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００６－２９１９３７号公報

【文献】特開昭５７－８６５９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上記特許文献１のような従来の遠心ポンプおよび上記特許文献２のような従来の遠心ポンプでは、遠心ポンプの吐出状態（吐出し量）が大きく変動した際に、羽根車が回転する中で非軸対称に羽根車から流出する水の反作用力として回転軸の半径方向の内向きに受ける流体反力が作用する大きさおよび向き（位相）が大きく変化することに起因して、水の反作用力の釣り合い（水力的バランス）が崩れるという問題点がある。なお、水の反作用力の釣り合い（水力的バランス）が崩れると、羽根車の回転に伴って遠心ポンプに振動が発生する。

【0008】

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、１枚羽根、または、１つの流路を有する遠心ポンプにおいて、流体反力の大きさおよび向きが変化したとしても流体反力を減殺する（打ち消す）ことが可能な遠心ポンプを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するために、本発明者が鋭意検討した結果、羽根車内の流路、羽根部およびポンプケーシング内の流路により形成される主流部を、回転軸の回転方向の全位相において、主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から±９０度の範囲内に収まるような構造を有するように構成することによって、回転軸の回転方向の全位相において水の反作用力（ラジアル荷重）の釣り合いを保つことができることを見出した。なお、回転軸の回転方向の全位相において水の反作用力（ラジアル荷重）の釣り合いが保たれることにより、遠心ポンプの振動を抑制することができる。そして、本発明に想到するに至った。

【0010】

すなわち、この発明の一の局面における遠心ポンプは、ボリュート形状の内部空間を有するポンプケーシングと、１枚羽根、または、１つの流路を有し、回転軸の軸方向において、ポンプケーシングの吸込口側とは逆側に配置される主板と、主板の吸込口側に配置される羽根部とを含み、ポンプケーシングの内部空間に配置され、回転軸周りに回転する羽根車と、羽根車内の流路、羽根部およびポンプケーシング内の流路により形成される主流部と、羽根車の上方に配置されるオイルケーシングと、を備え、羽根車は、羽根部の吸込口側に配置される側板を有するクローズド羽根車を含み、主板は、羽根部側に凹むとともに羽根部の軸方向長さの０．２５倍以上の深さに形成されている凹部を有し、回転軸の軸方向に直交する方向における主板の外側面とポンプケーシングとの間の隙間、および、回転軸の軸方向における主板の吸込口側とは逆側の端面とオイルケーシングとの間の隙間の少なくとも一方が、２ｍｍ以下となるように形成され、主流部は、回転軸の回転方向の全位相において、主流部を形成する羽根車の流路および羽根部に作用するラジアル荷重の位相が、主板から回転軸に作用する、羽根車が回転する際の主板の凹部の外側面に作用する力と内側面に作用する力との合力であるラジアル荷重の位相に対して、１８０度ずれた軸対称位置から±９０度の範囲内に収まるように、ボリュート形状の内部空間の基礎円の直径が、羽根部の外側直径の１．１５倍以上１．２５倍以下となるように形成され、回転軸の軸方向において、クローズド羽根車の吸込口からポンプケーシングの吐出口の中心位置までの距離が、吐出口の直径の１．３倍以上１．５倍以下となるように形成され、ポンプケーシングのボリュート形状は、回転軸の回転中心軸線とポンプケーシングの舌部との間の距離が羽根部の外側直径の半分の１．１倍以上１．２倍以下となり、かつ、舌部が基礎円の内側に配置されるように位置調整され、主流部は、ポンプケーシングの吐出口から回転軸の回転方向の上流側４５度の位置において、ポンプケーシングの内側面とボリュート状の内部空間の基礎円との間の距離が、吐出口の直径の０．３倍以上０．４倍以下となるように形成され、クローズド羽根車の吸込口は、回転軸と同心である円形の吸込み口を底面とする下流側に向けて狭まる円錐形状の角度が４５度以上７５度以下のテーパ状に形成されている。

【0011】

この発明の一の局面による遠心ポンプでは、上記のように構成することによって、回転軸の回転方向の全位相において、主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）を、主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の逆向きに向けることができるので、回転軸の回転方向の全位相において、主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）を、主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）で効果的に相殺することができる。これにより、１枚羽根、または、１つの流路を有する遠心ポンプにおいて、流体反力の大きさおよび向きが変化したとしても流体反力を減殺して（打ち消して）、水の反作用力の釣り合い（水力的バランス）を保つことができる。つまり、主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）と主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）との合力の最大値を小さくすることができるので、遠心ポンプに作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の最大値を小さくすることができる。以上により、遠心ポンプの振動を抑制することができる。また、主流部は、ボリュート形状の内部空間の基礎円の直径が、羽根部の外側直径の１．１５倍以上１．２５倍以下となるように形成されている。この値は一般的に設計される遠心ポンプの設計値より大きな値である。これにより、ポンプケーシングの内部空間が回転軸の回転方向の全位相において一律に大きく形成されるので、内部空間内の流れの流速差が小さくなり内部空間内の圧力差を小さくすることができる。例えば、上記内部空間の回転対称位置の断面積の比が３：５だったとしてその比は０．６０だが、基礎円を大きくしたことにより断面積の比が４：６となればその比は約０．６７となり差が縮まる。その結果、内部空間内の圧力差により生ずる主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の静的成分を小さくすることができるので、吐出し量に対する主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相変化を小さくすることができるとともに、主流部を形成する羽根車の流路と羽根部に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）を主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）でより効果的に相殺することができる。また、羽根車は、羽根部の吸込口側に配置される側板を有するクローズド羽根車を含み、主流部は、回転軸の軸方向において、クローズド羽根車の吸込口からポンプケーシングの吐出口の中心位置までの距離が、吐出口の直径の１．３倍以上１．５倍以下となるように形成されている。これにより、羽根車の流路長さを比較的長く取ることができるので、水から羽根車の流路内面に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）を相殺されやすくすることができる。また、回転軸の回転中心軸線とポンプケーシングの舌部との間の距離を羽根部の外側直径の半分の１．１倍以上１．２倍以下とすることにより、舌部を内部空間のボリュート形状の基礎円の内側に配置することができる。その結果、内部空間のボリュート形状の巻き始めから巻き終わりの間における圧力の漏れ（圧力損失）を抑制することができる。これにより、揚程の低下を抑制することができる。また、凹部は、羽根部の軸方向長さの０．２５倍以上の深さに形成されている。これにより、遠心ポンプの振動をより抑制することができる。このような効果は本願発明者が鋭意検討の結果、見出した。また、羽根車の上方に配置されるオイルケーシングを備え、回転軸の軸方向に直交する方向における主板の外側面とポンプケーシングとの間の隙間、および、回転軸の軸方向における主板の吸込口側とは逆側の端面とオイルケーシングとの間の隙間の少なくとも一方が、２ｍｍ以下となるように形成されている。これにより、回転軸の軸方向に直交する方向における主板の外側面とポンプケーシングとの間の隙間、および、回転軸の軸方向における主板の吸込口側とは逆側の端面とオイルケーシングとの間の隙間を介して、オイルケーシングと主板との間に水が到達するのを抑制することができる。その結果、オイルケーシングと主板との間に水が到達することに起因する遠心ポンプの吐出し量の変化に対する主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の変化の影響を小さくすることができるので、主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の大きさを安定させる（主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）のラジアルリサージュ曲線をより真円形状に近づける）ことができる。その結果、遠心ポンプの全体に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）をより安定させることができる。また、主流部は、ポンプケーシングの吐出口から回転軸の回転方向の上流側４５度の位置において、ポンプケーシングの内側面とボリュート状の内部空間の基礎円との間の距離が、吐出口の直径の０．３倍以上０．４倍以下となるように形成されている。これにより、ポンプケーシングの流路の吐出口側が比較的大きく形成されるので、流路の吐出側の流速を遅くして圧力を上げることができ、吐出し量が多い範囲（過大流量域）において、より流路内の圧力差を小さくすることができる。その結果、内部空間内の圧力差により生ずる主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の静的成分を小さくすることができるので、主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の向き（位相）が大きく変化する過大流量域において、より吐出し量に対する主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重（半径方向荷重）の位相変化を小さくすることができるとともに、主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重（半径方向荷重）と主板に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）とをより効果的に相殺することができる。また、羽根車は、羽根部の吸込口側に配置される側板を有するクローズド羽根車を含み、クローズド羽根車の吸込口は、回転軸と同心である円形の吸込み口を底面とする下流側に向けて狭まる円錐形状の角度が４５度以上７５度以下のテーパ状に形成されている。これにより、クローズド羽根車に水を十分に吸込可能に構成しつつ、吸込口を円錐形状にして余計なラジアル荷重を発生させないので、羽根車の流路内面における水から受けるラジアル荷重（半径方向荷重）の偏りを抑制することができる。

【0012】

ここで、従来より、遠心ポンプの分野では、機械的バランス（空気中における羽根車の回転中心軸線に対する動的および静的な釣り合い）を確保するために、羽根車に不釣り合い質量を設けたり、羽根車から除肉をすることが一般的に行われていた。しかし、不釣り合い質量や、除肉を行うことに起因して水力的バランスを確保することが困難であった。すなわち、機械的バランスおよび水力的バランスの両方を確保することが困難であった。そこで、本発明では上記のように構成することで、羽根車の回転中心軸線に対する動的および静的な釣り合いを略変えることなく水力的バランスを確保することができる。すなわち、機械的バランスに略影響を及ぼすことなく（機械的バランスを略損なうことなく）水力的バランスを確保することができる。したがって、水力的バランスを確保することができるとともに、機械的バランスを確保（保持）することが可能となる。

【0023】

上記主板が凹部を有する構成において、好ましくは、凹部には、制御ウェイトが設けられている。このように構成すれば、羽根車の回転中心軸線に対する動的および静的な釣り合いを確実に確保して、遠心ポンプの振動を一層抑制することができる。

【0024】

この場合、好ましくは、制御ウェイトの上端は、凹部の内底面の最も浅くなっている部位よりも低い位置に形成されている。

【0025】

上記凹部に制御ウェイトが設けられる構成において、好ましくは、制御ウェイトの羽根車の回転方向に対する上流側は、凹部の内底面のうち、羽根車の流路に沿って肉盛りされた内底面の部分形状に接続されている。

【0026】

上記凹部に制御ウェイトが設けられる構成において、好ましくは、制御ウェイトの内径側形状は、羽根車の回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が増加するよう形成されている。

【0027】

上記凹部に制御ウェイトが設けられる構成において、好ましくは、制御ウェイトは、内径側形状と回転軸が挿通される羽根車のボス部とで構成される溝が円周方向に６０度以上にわたって形成されている。

【0028】

上記凹部に制御ウェイトが設けられる構成において、好ましくは、制御ウェイトの外径側形状は、羽根車の回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が減少するよう形成されている。

【0029】

上記凹部に制御ウェイトが設けられる構成において、好ましくは、制御ウェイトは、外径側形状と凹部の外側面で構成される溝が円周方向に６０度以上にわたって形成されている。

【発明の効果】

【0030】

本発明によれば、上記のように、１枚羽根、または、１つの流路を有する遠心ポンプにおいて、流体反力の大きさおよび向きが変化したとしても流体反力を減殺する（打ち消す）ことができる。

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明の一実施形態による遠心ポンプを示した概略図である。

【図2】本発明の一実施形態による遠心ポンプの主板および主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の位相および大きさについて説明するための図である。

【図3】図１のＡ－Ａ線に沿ったクローズド羽根車の断面矢視図である。

【図4】図１のＢ－Ｂ線に沿った主流部の断面矢視図である。

【図5】図３のＣ－Ｃ線に沿ったクローズド羽根車の断面矢視図である。

【図6】本発明の一実施形態による遠心ポンプのクローズド羽根車を上方から示した斜視図である。

【図7】本発明の一実施形態による遠心ポンプのクローズド羽根車を下方から示した斜視図である。

【図8】本発明の一実施形態による遠心ポンプのフルモデル解析を行う領域を示した図である。

【図9】比較例による遠心ポンプのクローズド羽根車の主板に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相について説明するための図である。

【図10】本発明の一実施形態による遠心ポンプの全揚程、ポンプ効率と、吐出し量の関係を示した図である。

【図11】比較例による遠心ポンプを示した概略図である。

【図12】図１１のＡ１－Ａ１線に沿った蓋を取り外したクローズド羽根車の断面矢視図である。

【図13】図１１のＢ１－Ｂ１線に沿った主流部の断面矢視図である。

【図14】図１２のＣ１－Ｃ１線に沿ったクローズド羽根車の断面矢視図である。

【図15】ラジアル荷重の静的成分および動的成分について説明するための図である。

【図16】比較例の遠心ポンプの全体の解析点１～４のラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図17】比較例の遠心ポンプの全体、主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）、主板の解析点１のラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図18】比較例の遠心ポンプの全体、主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）、主板の解析点４のラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図19】クローズド羽根車の所定回転位置におけるラジアル作用位相と吐出し量との関係を示した図である。

【図20】参考例の遠心ポンプ（主板ラジアル制御のみ）および比較例の遠心ポンプの主板の解析点１および４におけるラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図21】参考例の遠心ポンプ（主板ラジアル制御のみ）および比較例の遠心ポンプの全体の解析点１および４におけるラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図22】比較例の遠心ポンプの解析点１におけるラジアル作用位相とクローズド羽根車の回転角度との関係を示した図である。

【図23】比較例の遠心ポンプの解析点４におけるラジアル作用位相とクローズド羽根車の回転角度との関係を示した図である。

【図24】本発明の遠心ポンプの解析点１におけるラジアル作用位相とクローズド羽根車の回転角度との関係を示した図である。

【図25】本発明の遠心ポンプの解析点４におけるラジアル作用位相とクローズド羽根車の回転角度との関係を示した図である。

【図26】本発明の遠心ポンプ（主流部のラジアル位相制御）および比較例の遠心ポンプの主板の解析点１および４におけるラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図27】本発明の遠心ポンプ（主流部のラジアル位相制御）および比較例の遠心ポンプの主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）の解析点１および４におけるラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図28】本発明の遠心ポンプ（主流部のラジアル位相制御）および比較例の遠心ポンプの全体の解析点１および４におけるラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図29】本発明の遠心ポンプの主板の解析点１および４において、主流部ラジアル位相制御のみを行った場合と、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御を行った場合とを比較して説明するための主板のラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図30】本発明の遠心ポンプの全体の解析点１および４において、主流部ラジアル位相制御のみを行った場合と、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御を行った場合とを比較して説明するための全体のラジアルリサージュ曲線を示した図である。

【図31】本発明の一実施形態の第１変形例による遠心ポンプを示した概略図である。

【図32】図３１のＡ２－Ａ２線に沿ったクローズド羽根車の断面矢視図である。

【図33】図３１のＢ２－Ｂ２線に沿った主流部の断面矢視図である。

【図34】図３２のＣ２－Ｃ２線に沿ったクローズド羽根車の断面矢視図である。

【図35】本発明の一実施形態の第１変形例による遠心ポンプのクローズド羽根車を上方から示した斜視図である。

【図36】本発明の一実施形態の第１変形例による遠心ポンプのクローズド羽根車を下方から示した斜視図である。

【図37】比較例（本発明の一実施形態の第１変形例の比較例）のクローズド羽根車の平面図である。

【図38】本発明の一実施形態の第２変形例による遠心ポンプを示した概略図である。

【図39】本発明の一実施形態の第１変形例による遠心ポンプのクローズド羽根車の制御ウェイトの他の例を示した平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0032】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

【0033】

（遠心ポンプの構成）
図１～図３０を参照して、本発明の一実施形態について説明する。

【0034】

図１～図９を参照して、本実施形態による遠心ポンプ１００の構成について説明する。本実施形態による遠心ポンプ１００は、汚水に含まれる固形物（異物）をクローズド羽根車４内の流路４ａに詰まらせることなく通過させて排出するように構成されたノンクロッグ型のポンプである。なお、クローズド羽根車４は、特許請求の範囲の「羽根車」の一例である。

【0035】

図１に示すように、遠心ポンプ１００は、モータ１と、オイルケーシング２と、ポンプケーシング３と、クローズド羽根車４と、主流部５とを備えている。

【0036】

モータ１は、ステータ１１と、ロータ１２と、ステータ１１およびロータ１２を覆うモータケーシング１３と、回転軸１４とを含んでいる。回転軸１４は、上下方向（Ｚ方向）に延びており、軸受１５に回動可能に支持されている。また、回転軸１４は、下端部にクローズド羽根車４が取り付けられている。モータ１は、回転軸１４を介してクローズド羽根車４を回転させるように構成されている。

【0037】

オイルケーシング２は、オイル室２１とオイル室２１の下側に配置されるポンプ室（後述する内部空間３１）とを仕切るように、オイル室２１とポンプ室（内部空間３１）との間に設けられている。オイルケーシング２は、クローズド羽根車４の上方に配置されており、クローズド羽根車４の後述する主板４２の上端面４２２に対向配置されている。

【0038】

ポンプケーシング３は、オイルケーシング２に下側から接触するように設けられている。ポンプケーシング３は、上側に開口部を有している。開口部には、オイルケーシング２の下部が配置されている。ポンプケーシング３には、下方側からマウスリングＭ１が設置されている。

【0039】

ポンプケーシング３は、内部空間３１と、吸込口３２と、吐出口３３とを含んでいる。

【0040】

内部空間３１は、モータ１およびオイル室２１の直下に配置されている。内部空間３１は、内側にクローズド羽根車４が配置されており、ポンプ室として機能する空間である。内部空間３１は、平面視で（Ｚ１側から見て）、ボリュート形状に形成されている。

【0041】

吸込口３２は、内部空間３１の直下に配置されており、内部空間３１（クローズド羽根車４）に送られる水を吸い込む入口部分である。吐出口３３は、内部空間３１の側方に配置されており、内部空間３１（クローズド羽根車４）から送られた水を吐出する出口部分である。

【0042】

クローズド羽根車４は、円形状の１つの流路４ａを有するブレードレス形の羽根車である。クローズド羽根車４は、ポンプケーシング３の内部空間３１に配置され、回転軸１４の回転中心軸線Ｏの周りに回転するように構成されている。

【0043】

クローズド羽根車４は、側板４１と、主板４２と、羽根部４３と、ボス部４４とを含んでいる。

【0044】

側板４１は、概して、円環形状を有している。側板４１は、回転軸１４の軸方向（Ｚ方向）において、ポンプケーシング３の吸込口３２側（下側、Ｚ２側）に配置されている。側板４１は、ポンプケーシング３の吐出口３３の中心の高さ位置（図１において下方側の一点鎖線で示す高さ位置）よりも低い高さ位置に配置されている。

【0045】

主板４２は、概して、円環形状を有している。主板４２は、回転軸１４の軸方向（Ｚ方向）において、側板４１（ポンプケーシング３の吸込口３２側）とは逆側に配置されている。すなわち、主板４２は、側板４１の上側（Ｚ１側）に配置されている。

【0046】

主板４２は、回転軸１４の半径方向外側に配置される円環形状の環状部４２ａと、回転軸１４の半径方向内側（環状部４２ａの内側）に配置され、下方に窪む凹部４２ｂとを含んでいる。凹部４２ｂは、概して、クローズド羽根車４内の流路４ａに沿った湾曲形状を有している。

【0047】

環状部４２ａは、ポンプケーシング３に水平方向に対向して配置される外側面４２１と、オイルケーシング２に対向して配置される上端面４２２とを有している。外側面４２１は、回転軸１４の回転方向の全周にわたり、ポンプケーシング３と所定の隙間Ｇ１を隔てて対向している。上端面４２２は、回転軸１４の回転方向の全周にわたり、オイルケーシング２と所定の隙間Ｇ２を隔てて対向している。上端面４２２および外側面４２１は、共に環状形状を有している。

【0048】

羽根部４３は、側板４１と主板４２との間に挟まれるように配置されている。羽根部４３の内径側には、平面視で（Ｚ１側から見て）、渦状の流路４ａが形成されている。

【0049】

ボス部４４は、回転軸１４と同軸上に配置され、凹部４２ｂの中心位置から上方に延びる円筒形状に形成されている。ボス部４４には、回転軸１４が挿通され、羽根車４３を回転軸１４に固定している。

【0050】

主流部５は、クローズド羽根車４内の流路４ａと羽根部４３およびポンプケーシング３内の流路３ａにより形成されている。すなわち、主流部５は、遠心ポンプ１００が水を送るために備える全体の流路である。

【0051】

ここで、従来の一般的な遠心ポンプでは、機械的バランスを調整するために不釣合い質量の存在する部分を除肉して主板または側板に凹部を設けるなどしていた。この場合、羽根車の軽量化や材料費の低減、鋳造時の各部の冷却速度差を小さくして鋳造精度を向上させるため肉厚を等しくしようとすれば、必然的に凹部の形状は羽根または流路の形状を写し取ることになる。このため、凹部も回転中心について非軸対称な形状となると共に、凹部の所定の角度位置における体積も決定されることになり、凹部の非軸対称な形状を開放したまま水中で羽根車を回転させると流体の乱れによる動力損失が発生するため、凹部は蓋で覆われているが、蓋を設けたことで凹部内に侵入した水が凹部内に閉じ込められることになり、羽根車の水中での回転に伴って凹部内の水に作用する非軸対称な遠心力によって振動が大きくなる。本実施形態における遠心ポンプ１００は、このような凹部４２ｂ内の水に作用する非軸対称な遠心力による振動を抑制するために蓋を設けない構成とし、蓋を設けない構成としても上記動力損失を小さく抑制できるように形成することで、水力的バランスを確保するとともに、機械的バランスを確保することが可能なように構成されている。以下、主流部ラジアル位相制御について説明する。

【0052】

（主流部ラジアル位相制御）
図１に示す遠心ポンプ１００は、運転時における空気中の回転軸１４に作用する力のバランス（機械的バランス）が取れるように構成されているのみならず、主流部ラジアル位相制御（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相に基づく制御（設計））の下、運転時における水中の回転軸１４に作用する力のバランス（水力的バランス）も調整することが可能なように構成されている。すなわち、遠心ポンプ１００は、主流部ラジアル位相制御により、水中での振動を抑制可能なように構成（設計、調整）されている。なお、遠心ポンプ１００の機械的バランスは、空気中におけるクローズド羽根車４などの回転体の静的および動的な釣り合いを調整することにより取られている。

【0053】

主流部ラジアル位相制御とは、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相を調整することにより、回転軸１４の回転方向において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３から回転軸１４）に作用するラジアル荷重と、主板４２（から回転軸１４）に作用するラジアル荷重と、の合力の大きさの最大値を小さく抑制する制御である。主流部ラジアル位相制御により、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３から回転軸１４）に作用するラジアル荷重と、主板４２（から回転軸１４）に作用するラジアル荷重とを効果的に相殺することが可能である。なお、主流部ラジアル位相制御においては、位相の確認を行いながら設計を行う。また、主流部ラジアル位相制御は、流体解析（ＣＦＤ；Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｆｌｕｉｄ Ｄｙｎａｍｉｃｓ）を実施することにより行われる。また本発明では、図８に示す従来の解析領域に加えて、図８に示す斜線領域のすべてについて解析（フルモデル解析）を行う。

【0054】

ここで、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさ、および、位相は、回転軸１４の回転方向におけるクローズド羽根車４の位相（回転角度）に応じて変動する。すなわち、クローズド羽根車４の位相（回転角度）が変化するにつれて、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさと位相が変化する。また、クローズド羽根車４の位相（回転角度）が変化するにつれて、同じ変化幅で、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相が変化するものではない。

【0055】

具体的な一例を示すと、クローズド羽根車４が回転軸１４周りに＋１０度回転した場合、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相は、回転軸１４周りに＋１２度だけ回転し、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさは、１．３倍になる。さらに、クローズド羽根車４が回転軸１４周りに＋１０度回転した場合、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相は、回転軸１４周りに＋１５度だけ回転し、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさは、０．８倍になる。要するに、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重のラジアルリサージュ曲線は、回転軸１４の回転中心位置に配置される真円形状ではなく、湾曲した形状になる。詳細については後述する。

【0056】

この理由としては、まず、クローズド羽根車４が回転してクローズド羽根車４内の流路４ａおよび羽根部４３とポンプケーシング３内の流路３ａとの相対位置が変動することなどにより、クローズド羽根車４内の流路４ａおよび羽根部４３からの吐出状態（吐出し量を含む）が変動する。その結果、吐出した水から受ける反力（流体反力）が変動するため、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさ、および、位相が変動する。本実施形態の主流部ラジアル位相制御は、回転軸１４の回転に伴い変動する主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相を調整して、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相が変動する中でも、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重と、主板４２に作用するラジアル荷重と、の合力の大きさの最大値を小さく抑制する制御（設計）である。

【0057】

主流部ラジアル位相制御の下、主流部５は、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±９０度の範囲に収まるような構造を有するように構成されている。また、主流部５は、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重と主板４２に作用するラジアル荷重との合力の最大値が小さくなるような構造を有するように構成されている。

【0058】

すなわち、主流部ラジアル位相制御の下、主流部５は、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重と主板４２に作用するラジアル荷重との合力の大きさを、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相および大きさの調整により、小さくするように構成されている。

【0059】

要するに、図２に示すように、主流部ラジアル位相制御の下、主流部５は、平面視で（Ｚ１側から見て）、主板４２（から回転軸１４）に作用するラジアル荷重Ｆ１とは反対側にあるハッチングにより示す位相範囲において、回転軸１４の位相（回転角度）に拘わらず主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３から回転軸１４）にラジアル荷重Ｆ２が作用するように構成されている。

【0060】

図１に示す遠心ポンプ１００は、設計上、主流部５（ポンプケーシング３、クローズド羽根車４）の形状を変更（調整）することにより、主流部ラジアル位相制御を行うように構成されている。主流部ラジアル位相制御のための主流部５の設計上の形状変更（調整）については後述する。

【0061】

主流部ラジアル位相制御の下、主流部５は、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±６０度の範囲に収まるような構造を有するように構成されているのがより好ましい。主流部ラジアル位相制御を行うと、後述するラジアルリサージュ曲線を小さくすることが可能となる。

【0062】

（主板ラジアル制御）
図１に示す遠心ポンプ１００は、主流部ラジアル位相制御に加えて、主板ラジアル制御を行うことにより、水中での振動をより抑制可能なように構成（設計）されている。すなわち、本実施形態の主板ラジアル制御は、必須の制御ではなく、主流部ラジアル位相制御に加えて行われる補助的な制御である。

【0063】

主板ラジアル制御とは、主板４２（から回転軸１４）に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相の少なくとも一方を変更（調整）することにより、回転軸１４の回転方向の全位相において、主板４２（から回転軸１４）に作用するラジアル荷重と、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３から回転軸１４）に作用するラジアル荷重と、の合力の大きさの最大値を小さく抑制する制御（設計）である。主板ラジアル制御により、主板４２（から回転軸１４）に作用するラジアル荷重と、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３から回転軸１４）に作用するラジアル荷重とを効果的に相殺することが可能である。主板ラジアル制御は、流体解析（ＣＦＤ）を実施することにより行われる。

【0064】

なお、主板ラジアル制御では、主板４２は、要求されるポンプ運転範囲において最大振動が小さくなるように、最適な主板４２のラジアル荷重の大きさと位相とが算出され、その結果に基づいて主板４２の具体的な形状が設計される。

【0065】

主板ラジアル制御の下、主板４２は、回転軸１４の回転方向において、主板４２に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相の少なくとも一方を変更（調整）することにより、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）および主板４２に作用するラジアル荷重の合力の大きさを小さくするように形成されている。

【0066】

なお、主板４２に作用するラジアル荷重は、主流部５のように流体反力の影響をほとんど受けることがない。すなわち、クローズド羽根車４の位相（回転角度）が変化しても、主板４２に作用するラジアル荷重の大きさは略変化しない。また、クローズド羽根車４の位相（回転角度）が変化するにつれて、略同じ変化幅で、主板４２に作用するラジアル荷重の位相が変化する。

【0067】

具体的な一例を示すと、クローズド羽根車４が回転軸１４周りに＋１０度回転した場合、主板４２に作用するラジアル荷重の位相は、同様に回転軸１４周りに約＋１０度だけ回転し、主板４２に作用するラジアル荷重の大きさは、略変化しない。さらに、クローズド羽根車４が回転軸１４周りに＋１０度回転した場合、同様に、主板４２に作用するラジアル荷重の位相は、回転軸１４周りに約＋１０度だけ回転し、主板４２に作用するラジアル荷重の大きさは略変わることはない。要するに、主板４２に作用するラジアル荷重のラジアルリサージュ曲線は、概して、中心が回転軸１４の回転中心軸線Ｏ上に配置される真円形状になる。

【0068】

遠心ポンプ１００は、設計上、主板４２の形状などを変更（調整）することにより、主板ラジアル制御を行うように構成されている。主板ラジアル制御のための主板４２の設計上の形状変更（調整）については後述する。

【0069】

（主流部ラジアル位相制御のための主流部の設計上の形状変更（調整）について）
次に、主流部ラジアル位相制御のための主流部５の設計上の形状変更（調整）について、主流部５の具体的な形状（構成）を示して説明する。

【0070】

なお、図１に示す遠心ポンプ１００の実際の設計においては、遠心ポンプ１００に所定のポンプ運転範囲において要求される仕様を満たすための所定の設計をした上で、主流部ラジアル位相制御（流体解析）を行い主流部５の具体的な形状（パラメータ）を決定していく。具体的には、主流部ラジアル位相制御では、流路４ａの形状および羽根部４３の形状を変更する。

【0071】

主流部５は、ポンプケーシング３の内部空間３１のボリュート形状を変更することにより、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±９０度の範囲内に収まるような構造を有するように構成されている。

【0072】

主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重は、ボリュート形状によって生じる内部空間３１内の圧力差による静的な力と、クローズド羽根車４の回転により流路４ａおよび羽根部４３から吐出される水の流れの反作用力による動的な力（流体反力）とが足し合わさったものである。このため、ボリュート形状を変更することにより、主流部５に作用するラジアル荷重の静的な力を変化（調整）させて、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相に影響を与えることが可能となる。このような目的のために、ボリュート形状を変更（調整）している。動的な力、静的な力については後述する（後述する比較例とともに説明する）。

【0073】

具体的には、図４に示すように、ボリュート形状の調整のために、主流部５は、ボリュート形状の内部空間３１の基礎円Ｊの直径Ｄ３が、羽根部４３の外側直径Ｄ２の約１．１５倍以上１．２５倍以下となるように形成されている。基礎円Ｊとは、ボリュート形状を設計する際に用いられる基礎となる円である。なお、外側直径Ｄ２は、たとえば、２６２ｍｍに設定される。

【0074】

また、ボリュート形状の調整のために、主流部５は、ポンプケーシング３の吐出口３３から回転軸１４の回転方向の上流側４５度の位置において、ポンプケーシング３の内側面３ｂとボリュート状の内部空間３１の基礎円Ｊとの間の距離Ｈが、吐出口３３の直径Ｔの約０．３倍以上０．４倍以下となるように形成されている。

【0075】

また、ボリュート形状の調整のために、主流部５は、回転軸１４の回転中心軸線Ｏとポンプケーシングの舌部３４との間の距離Ｚが、羽根部４３の外側直径Ｄ２の半分の約１．１０倍以上１．２０倍以下となるように形成されている。また、舌部３４は、基礎円Ｊの内側に配置されている。

【0076】

図１に示すように、主流部５は、回転軸１４の軸方向において、クローズド羽根車４の吸込口４５からポンプケーシング３の吐出口３３の中心位置（図１において下方側の一点鎖線で示す高さ位置）までの距離Ｋが、吐出口３３の直径Ｔの約１．３倍以上１．５倍以下となるように形成されている。吐出口３３の直径Ｔは、たとえば、１００ｍｍに設定される。また、回転軸１４の半径方向において、クローズド羽根車４内の流路４ａの広がりを抑えるために、流路４ａを回転軸１４の比較的近傍（比較的半径方向内側）に配置した。このように、流路４ａの半径方向への広がりを抑えることにより、回転軸１４の軸方向（Ｚ方向）において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重が作用する高さ位置を、ポンプケーシング３の吐出口３３の中心位置（図１において下方側の一点鎖線で示す高さ位置）に近づけることが可能となり、主流部ラジアル位相制御を行いやすくすることが可能となる。

【0077】

図５に示すように、クローズド羽根車４の吸込口４５（開口角度Ｍ）は、下流側に向けて狭まる約４５度以上７５度以下のテーパ状に形成されている。たとえば、クローズド羽根車４の吸込口４５は、下流側に向けて狭まる６０度のテーパ状に形成されている。

【0078】

図４に示すように、主流部ラジアル位相制御では、ポンプケーシング３の吐出口３３の中心位置（図１において下方側の一点鎖線で示す高さ位置）におけるクローズド羽根車４の水平断面形状Ｓを変更（調整）することにより、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重と主板４２に作用するラジアル荷重と、の合力の大きさの最大値を小さくことも可能である。具体的には、羽根部４３の巻き終わり角度Ｆを調整する。羽根部４３の巻き終わり角度Ｆとは、平面視で（Ｚ１側から見て）、クローズド羽根車４の水平断面形状Ｓにおいて、ポンプケーシング３の吐出口３３の中心および回転軸１４の回転中心を通る線Ｌ１と、羽根部４３の巻き終わり端部および回転軸１４の回転中心を通る線Ｌ２とのなす角度である。なお、通常、羽根部の巻き終わり角度Ｆは、羽根部内での相対位置、羽根部の巻き始めと巻き終わりの位置で調整される。しかし、本実施形態では、主流部ラジアル位相制御のため、羽根部４３の巻き終わり角度Ｆは、羽根部４３の巻き終わりの位置とポンプケーシング３の吐出口３３中心線との相対位置の調整が重要となる。

【0079】

たとえば、遠心ポンプ１００は、平面視で（Ｚ１側から見て）、線Ｌ２が線Ｌ１の上流側（時計回り方向側）に配置され、羽根部４３の巻き終わり角度Ｆが、約１３．７度に設定される。また、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の大きさやその位相は、設計上、クローズド羽根車４の水平断面形状Ｓの各位相における面積や軸方向長さや、半径、回転方向に対する傾斜角度等の設計パラメータに大きく影響されて変動するため、フルモデル解析結果を用いて上記ラジアル荷重の大きさや位相が目標値となるよう、水平断面形状Ｓは設計される。

【0080】

（主板ラジアル制御のための主板の設計上の形状変更（調整）について）
次に、主板ラジアル制御のための主板４２の設計上の形状変更（調整）について、主板４２の具体的な形状（構成）を示して説明する。

【0081】

なお、図１に示す遠心ポンプ１００の実際の設計においては、主流部ラジアル位相制御（流体解析）を行い具体的な形状（パラメータ）を決定した上で、主板ラジアル制御（流体解析）を行い主板４２などの具体的な形状（パラメータ）を決定していく。

【0082】

回転軸１４の軸方向に直交する方向における主板４２（外側面４２１）とポンプケーシング３との間の隙間Ｇ１が、２ｍｍ以下となるように形成されている。なお、隙間Ｇ１は、回転軸１４の軸方向における主板４２（上端面４２２）とオイルケーシング２との間の隙間Ｇ２よりも小さい。すなわち、隙間Ｇ２は、２ｍｍよりも大きく形成（たとえば、１０ｍｍに形成）されている。

【0083】

主板４２には、従来より一般的に用いられている凹部４２ｂを塞ぐための蓋部が設けられてはいない。蓋部を設けないことにより、凹部４２ｂに浸入して閉じ込められた水に作用する遠心力に起因する振動を防止することが可能となる。

【0084】

〈主板の圧力分布について〉
主板４２の圧力分布は、回転軸１４の回転中心からの距離が大きくなるほど圧力が大きくなり、凹部４２ｂが所定深さ（羽根部４３の軸方向長さＱの０．２５倍）以上となる場合に回転軸１４に対する対称性（等圧線が同心円状）が略維持される。主板４２のラジアル荷重には、主流部５の流れ場が影響しにくい。特に、隙間Ｇ１が２ｍｍ以下であれば、主板４２のラジアル荷重は、主流部５の流れ場が一層影響しにくい。主板４２の形状変更による主板４２のラジアル荷重の位相の制御は機械的バランスを調整する必要があるため±３０度ぐらいが限度であり、主板４２のラジアル荷重の大きさの制御は要求されるモータ出力によりクローズド羽根車の外径が制限されるため後述する遠心ポンプ２００（従来設計）に対して－５０％～＋１０％程度となる。

【0085】

凹部４２ｂは、羽根部４３の軸方向長さＱの０．２５倍以上の深さに形成されている。これにより、遠心ポンプ１００は、振動をより効果的に抑制可能である。

【0086】

主板４２のラジアル荷重は、ラジアルリサージュ曲線において、略真円形状で、クローズド羽根車４の回転角度に対する角度変化が略均等であるため、要求されるポンプ運転範囲において主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重との合力が最小となる主板ラジアル荷重の大きさと位相をエクセルのソルバー機能などにより決定することができる。

【0087】

なお、図９に示すように、主板４２のラジアル荷重の大きさおよび位相は、クローズド羽根車４が回転する際に、主板４２の凹部４２ｂの外側面（大きな破線矢印）と、内側面とに作用する力（小さな破線矢印）との合力（実線矢印）により導かれる。凹部４２ｂは、回転方向において外側面や内側面の半径方向位置やＺ方向への深さが均一ではないため、主板４２のラジアル荷重の位相は、回転軸１４の所定の回転方向に向く。この作用を利用して、目標とする主板ラジアル荷重の大きさと位相となるよう、凹部４２ｂの外側面や内側面の半径方向位置やＺ方向の深さを設計する。

【0088】

（遠心ポンプの解析）
図１０～図３０を参照して、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御の下、設計された遠心ポンプ１００の解析結果について説明する。なお、比較例として従来の遠心ポンプ２００についても説明する。

【0089】

図１０に示すように、互いに異なる４つの吐出し量において解析を行い、それぞれ回転中心軸線Ｏ周りのラジアル荷重を算出した。なお、以下では、吐出し量が少ない解析点から順に解析点１、解析点２、解析点３、解析点４とする。また、解析点３は、ポンプ効率の最高効率点（近傍）にある。ここで、遠心ポンプ１００の振動は、最高効率点（解析点３）近傍では小さく、最高効率点（解析点３）から離れるほど大きくなる傾向がある。また、遠心ポンプ１００の振動は、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）および主板４２に作用するラジアル荷重の合力の最大値が大きい程、大きくなる。そこで、以下では、遠心ポンプ１００の振動に影響が大きい解析点１および解析点４について主に説明する。

【0090】

以下では、最高効率点よりも小さい吐出し量の範囲を部分流量域と称し、最高効率点よりも大きい吐出し量の範囲を過大流量域と称して説明する。すなわち、解析点１は、部分流量域の解析点であり、解析点４は、過大流量域の解析点である。

【0091】

ここで、図１０に示すグラフでは、一般的に、ポンプが要求される運転範囲の端部においてラジアル荷重が大きくなるＶ字傾向にある。ブレードレス形ポンプでは部分流量側より過大流量側が大きいことが多い。実験によりポンプ振動は、ラジアルの変動幅より最大値と相関が高いことが分かっている。したがって、ポンプ運転範囲の振動を低減しようとすれば、運転範囲の端部のラジアルリサージュ曲線が小さくなるよう水力的バランスを調整してやればよい。

【0092】

なお、解析は、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）および主板４２にそれぞれ作用するラジアル荷重と、遠心ポンプ１００のポンプ部に作用するラジアル荷重（主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）および主板４２に作用するラジアル荷重の合力に、側板４１側に作用するラジアル荷重などを合わせた合力）が得られるように実施した。すなわち、解析は、クローズド羽根車４の裏側（オイルケーシング側）への循環流や、クローズド羽根車４の吸込口４５への還流などの遠心ポンプ１００内の全体の流れを考慮して解析モデル化したフルモデル解析（図８にフルモデル解析の範囲を示す）により実施した。

【0093】

〈比較例の遠心ポンプの構成〉
ここで、図１１～図１４を参照して、比較例の遠心ポンプ２００の構成について簡単に説明する。なお、図１２では、説明の便宜上、凹部を塞ぐ蓋部の図示を省略している。

【0094】

図１１に示す遠心ポンプ２００は、遠心ポンプ１００の構成と同様の構成を備えている。遠心ポンプ２００は、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御の下で設計されたポンプではなく、従来の一般的手法により設計されたポンプである。

【0095】

図１３に示すように、比較例の遠心ポンプ２００では、ボリュート形状の内部空間の基礎円Ｊ１の直径Ｄ３１が、羽根部の外側直径Ｄ２１の１．０５倍以上１．１３倍以下となるように形成されている。

【0096】

図１３に示すように、また、比較例の遠心ポンプ２００では、クローズド羽根車の吸込口からポンプケーシングの吐出口の中心位置（図１１において下方側の一点鎖線で示す高さ位置）までの距離Ｋ１が、吐出口の直径Ｔ１の１．１５倍以上１．２５倍以下となるように形成されている。直径Ｔ１は、たとえば、１００ｍｍに設定される。

【0097】

また、比較例の遠心ポンプ２００は、平面視で（Ｚ１側から見て）、直線Ｌ２１（水平断面形状Ｓ１において、羽根部の巻き終わり端部および回転軸の回転中心を通る直線）が直線Ｌ１１（水平断面形状Ｓ１において、ポンプケーシングの吐出口の中心および回転軸の回転中心を通る直線）の下流側（反時計回り方向側）に配置され、羽根部の巻き終わり角度Ｆ１が、０．８度である。

【0098】

また、図１４に示すように、比較例の遠心ポンプ２００では、クローズド羽根車の吸込口（開口角度Ｍ１）は、下流側に向けて狭まる８０度～９０度のテーパ状に形成されている。

【0099】

また、図１１に示すように、比較例の遠心ポンプ２００では、回転軸の軸方向における主板とポンプケーシングとの間の隙間Ｇ１１が、３ｍｍ～１０ｍｍとなるように形成されている。隙間Ｇ２１も同様に、比較的大きく（３ｍｍ以上で）形成されている。

【0100】

なお、比較例の遠心ポンプ２００の主板には、凹部を塞ぐ蓋部が設けられている。

【0101】

〈ラジアルリサージュ曲線について〉
ここで、遠心ポンプ１００（２００）の以下で説明するラジアルリサージュ曲線について簡単に説明する。ラジアルリサージュ曲線は、回転軸の回転中心を基準とした主流部（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）などに作用するラジアル荷重の大きさと位相との関係を示す図である。横軸（Ｙ軸）および縦軸（Ｘ軸）は、それぞれ、ラジアル荷重の互いに直交する所定の水平方向成分の大きさ［Ｎ］を示している。要するに、ラジアルリサージュ曲線は、クローズド羽根車４の回転する中で、遠心ポンプ１００（２００）の各部に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相の変化の態様を示した図である。

【0102】

なお、ラジアルリサージュ曲線は、ポンプケーシング３の内部空間３１内の圧力差による静的な力（静的成分）と、クローズド羽根車４の回転に伴い流路４ａおよび羽根部４３から吐出される流れの反作用力による動的な力（動的成分）との合力である。また、最高効率点では、ポンプケーシング３による静的な力が最小となるので、ラジアル荷重は、最高効率点の近傍で小さくなりやすい。

【0103】

ここで、図１５を参照して上述した動的な力、静的な力について説明する。ポンプケーシング３（ボリュートケーシング）を大きくすることでボリュートケーシング内の圧力差が小さくなるため、圧力差によって生じるラジアル荷重の静的成分を小さくすることができる。図１５に示すように、矢印Ｙ１０が矢印Ｙ１１になり、小さくなっており、解析点４（過大流量域）において、より小さくなっている。矢印Ｙ１３と矢印Ｙ１４とは、ラジアル荷重の動的成分を表している。ラジアル荷重の静的成分とは、回転軸１４からのリサージュ図芯の偏芯量を意味する。ラジアル荷重の静的成分は、吐出し量が最高効率点より離れるほど大きくなり主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の位相に影響を与える。静的成分を小さくすることで、吐出し量に対する位相変化を小さくすることができるとともに、回転軸１４を中心とした略真円形状の主板ラジアルとの相殺がしやすくなる。

【0104】

〈解析点１～４における比較例のラジアルリサージュ曲線について〉
まず、図１６を参照して、比較例の遠心ポンプ２００の全体に作用するラジアル荷重について、解析点１～４における解析結果について説明する。

【0105】

図中において破線で示す円形状は、ラジアル荷重の最大値の大きさを示している。したがって、解析点４でラジアル荷重が最も大きくなり、次いで、解析点１、解析点３、解析点２の順にラジアル荷重の最大値が小さくなることがわかった。

【0106】

〈解析点１および４における比較例のラジアルリサージュ曲線について〉
まず、図１７を参照して、比較例の遠心ポンプ２００の解析点１（部分流量域）における解析結果について説明する。

【0107】

主板のラジアルリサージュ曲線は、概して、Ｘ軸とＹ軸の交点（回転中心軸線Ｏ）を中心とする真円形状になった。主板のラジアルリサージュ曲線では、クローズド羽根車４の所定の基準角度（位相）からの回転角度が０度の位置を実線矢印により示し、基準角度からの回転角度が１８０度の位置を破線矢印により示している。なお、矢印の大きさは、ラジアル荷重の大きさを示している（矢印が大きい程、ラジアル荷重は大きい）。また、以下に示す他のラジアルリサージュ曲線においても、実線と破線との関係は同様である。

【0108】

主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアルリサージュ曲線は、Ｙ方向の一方に偏った湾曲した円形状になった。主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアルリサージュ曲線は、主板のラジアルリサージュ曲線よりも、大きな部位を有する曲線となった。したがって、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の最大値は、主板に作用するラジアル荷重の最大値よりも大きくなった。

【0109】

全体のラジアルリサージュ曲線は、Ｙ方向の一方に偏り、比較的小さな湾曲した形状になった。全体に作用するラジアル荷重の最大値は、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の最大値よりも小さくなった。

【0110】

次に、図１８を参照して、比較例の遠心ポンプ２００の解析点４（過大流量域）における解析結果について説明する。

【0111】

主板のラジアルリサージュ曲線は、概して、回転中心軸線Ｏを中心とする真円形状になった。

【0112】

主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアルリサージュ曲線は、Ｙ方向の他方に偏った湾曲した円形状になった。主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアルリサージュ曲線は、主板のラジアルリサージュ曲線よりも、大きな部位を有する曲線となった。したがって、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の最大値は、主板に作用するラジアル荷重の最大値よりも大きくなった。

【0113】

全体のラジアルリサージュ曲線は、Ｙ方向の他方に偏り、比較的大きな湾曲した形状になった。全体に作用するラジアル荷重の最大値は、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）および主板に作用するラジアル荷重の最大値よりも大きくなった。

【0114】

なお、図１７では、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重（白丸でしめす解析点１）と、主板のラジアル荷重（黒丸で示す解析点１）とが互いに相殺されて、全体のラジアルリサージュ曲線が小さくなった。また、図１８では、主流部（主流部を形成する羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重（白四角でしめす解析点４）と、主板のラジアル荷重（黒四角で示す解析点４）とが互いに相殺できず、全体のラジアルリサージュ曲線が大きくなった。

【0115】

〈クローズド羽根車の所定回転角度において主板および主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の作用角度〉
図１９を参照して、クローズド羽根車の所定回転角度において主板および主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の作用角度について説明する。説明は、遠心ポンプ１００および２００のそれぞれについて行う。

【0116】

遠心ポンプ１００および２００では、吐出し量が変化しても、主板に作用するラジアル荷重の作用位置は、ポンプ運転範囲の全体にわたって略変わらなかった。

【0117】

遠心ポンプ２００では、ポンプ運転範囲の所定の吐出し量までは、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重の位相が、主板のラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±３０度の範囲内に収まった。しかしながら、遠心ポンプ２００では、ポンプ運転範囲の所定の吐出し量（変化点）を超えると、吐出し量の変化に比例して、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重の位相が急激に変化した。したがって、遠心ポンプ２００では、ポンプ運転範囲において、主流部のラジアル荷重の位相が、約１４０度の変動幅で大幅に変動した。

【0118】

したがって、遠心ポンプ２００は、ポンプ運転範囲の所定の吐出し量（変化点）までの部分流量域では、主板のラジアル荷重と、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重とが、互いに相殺し合うことが分かった。また、遠心ポンプ２００は、ポンプ運転範囲の所定の吐出し量（変化点）を超える過大流量域では、主板のラジアル荷重と、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重とが、互いに相殺しにくくなり、もしくは相殺できなくなり、全体のラジアル荷重が大きくなることが分かった。

【0119】

遠心ポンプ１００では、ポンプ運転範囲において、遠心ポンプ２００のように主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重の位相が大きく変わることはなかった。具体的には、ポンプ運転範囲において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の位相が、主板４２のラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±１５度の範囲内に収まった。なお、遠心ポンプ１００では、ポンプ運転範囲の外に上記変化点が位置している。

【0120】

したがって、遠心ポンプ１００は、ポンプ運転範囲の全体にわたり、主板４２のラジアル荷重と、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重とが、互いに相殺し合うことが分かった。

【0121】

〈解析点１および４における主板ラジアル制御について〉
次に、図２０および図２１を参照して、遠心ポンプ１００ａおよび２００の主板ラジアル制御について説明する。なお、本実施形態の遠心ポンプ１００では、主流部ラジアル位相制御を行うことに加えて、主板ラジアル制御を行うように構成されており、主流部ラジアル位相制御を行わずに、主板ラジアル制御のみを行うものではない。そこで、以下では、主流部ラジアル位相制御を行わずに、主板ラジアル制御のみを行った遠心ポンプ１００ａについて参考例として説明する。

【0122】

図２０に示すように、遠心ポンプ１００ａの主板４２のラジアル荷重の大きさが、遠心ポンプ２００の主板のラジアル荷重の大きさよりも大幅に小さくなった。また、遠心ポンプ１００ａの主板４２のラジアル荷重の位相が、遠心ポンプ２００の主板のラジアル荷重の位相から約１５度ずれた位相となった。主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の位相が吐出し量によって大きく変化するため、解析点４ではラジアル荷重の方向が同じになり、主板４２のラジアル荷重は、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重を相殺できないので、主板４２のラジアル荷重は、小さくすることで全体のラジアル荷重を低減することが可能となる。

【0123】

図２１に示すように、解析点４では、遠心ポンプ１００ａの全体のラジアル荷重の大きさの最大値が、遠心ポンプ２００のラジアル荷重の大きさの最大値よりも小さくなった。また、解析点１では、遠心ポンプ１００ａの全体のラジアル荷重の大きさの最大値が、遠心ポンプ２００のラジアル荷重の大きさの最大値よりも大きくなった。

【0124】

解析点１および４における遠心ポンプ１００ａの全体のラジアル荷重の大きさの最大値は、解析点１および４における遠心ポンプ２００の全体のラジアル荷重の大きさの最大値よりも僅かに小さくなった。すなわち、遠心ポンプ１００ａのポンプ運転範囲における全体のラジアル荷重の大きさの最大値は、遠心ポンプ２００よりも僅かに小さくなった。

【0125】

解析点１（部分流量域）と解析点４（過大流量域）との全体のラジアル荷重は、互いに、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）のラジアル荷重の位相が大きく変化する（異なる）ため、つまり、トレードオフの関係であるため、主板ラジアル制御による設計では限界があることがわかった。すなわち、解析点１（部分流量域）と解析点４（過大流量域）との全体のラジアル荷重の最大値は、主板ラジアル制御のみでは、一方を小さくしたとしても、他方が大きくなってしまうことがわかった。

【0126】

〈クローズド羽根車１回転当たりのラジアル作用位相の変化〉
次に、図２２～図２５を参照して、遠心ポンプ１００および２００のクローズド羽根車の１回転当たりのラジアル作用位相の変化について説明する。図２２～図２５では、横軸はクローズド羽根車の回転角度を示しており、縦軸はラジアル荷重が作用する位相を示している。なお、図２２および図２３に示す遠心ポンプ２００の結果では、主流部ラジアル位相制御を行っていない主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）、主板、主板以外の構成（全体から主板を除いた構成）の３つについての結果を示している。一方、図２４および図２５に示す遠心ポンプ１００の結果では、主流部ラジアル位相制御を行った主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）、主板、主板以外の構成（全体から主板を除いた構成）の３つについての結果を示している。

【0127】

図２２に示すように、遠心ポンプ２００の解析点１では、回転軸の回転方向の全位相において、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置（二点鎖線）から、±９０度の範囲（斜線領域）に収まった。なお、主流部（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重は、主板に作用するラジアル荷重に平行な二点鎖線により示す斜線上に位置するのが好ましい。なお、遠心ポンプ２００の全体から主板を除いた構成も主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）と略同じ結果が得られた。すなわち、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重により、主板に作用するラジアル荷重を、全位相において相殺（弱める）することができた。

【0128】

図２３に示すように、遠心ポンプ２００の解析点４では、回転軸の回転方向の一部の位相において、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置（二点鎖線）から、±９０度の範囲（斜線領域）に収まらなかった。すなわち、主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重により、主板に作用するラジアル荷重を相殺（弱める）することができない位相範囲があることがわかった。

【0129】

図２４に示すように、遠心ポンプ１００の解析点１では、遠心ポンプ２００の解析点１と同様に、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重により、主板４２に作用するラジアル荷重を、全ての位相において相殺（弱める）することができた。

【0130】

図２５に示すように、遠心ポンプ１００の解析点４では、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置（二点鎖線）から、±９０度の範囲（斜線領域の一点鎖線で挟まれる範囲）に収まった。すなわち、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重により、主板４２に作用するラジアル荷重を、全位相において相殺（弱める）することができた。

【0131】

さらに、遠心ポンプ１００の解析点４では、回転軸１４の回転方向の全ての位相において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置（二点鎖線）から、±４５度の範囲（斜線領域の一点鎖線で挟まれる範囲）に収まった。

【0132】

なお、遠心ポンプ１００の解析点４では、遠心ポンプ１００の全体から主板４２を除いた構成（側板４１を含む）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置（二点鎖線）から、±６０度の範囲（斜線領域の破線で挟まれる範囲）に収まった。

【0133】

主流部ラジアル位相制御により、要求されるポンプ運転範囲において、ポンプ性能を維持しつつ、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の位相の変化幅を主板４２のラジアル荷重で相殺できる範囲に抑えられることが分かった。

【0134】

〈解析点１および４における遠心ポンプのラジアルリサージュ曲線について〉
図２６～図２８を参照して、比較例の遠心ポンプ２００と、主流部ラジアル位相制御を行った遠心ポンプ１００とに作用するラジアル荷重について、解析点１および４における解析結果について説明する。

【0135】

図２６に示すように、遠心ポンプ２００の解析点１および４における主板に作用するラジアル荷重は、略同じ大きさとなった。遠心ポンプ１００の解析点１および４における主板４２に作用するラジアル荷重は、遠心ポンプ２００よりも小さくなった。

【0136】

図２７に示すように、遠心ポンプ１００の解析点１における主流部を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重の最大値は、遠心ポンプ２００の解析点１における主流部を形成するクローズド羽根車４の流路と羽根部に作用するラジアル荷重の最大値よりも大きくなった。一方、遠心ポンプ１００の解析点４における主流部を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重の最大値は、遠心ポンプ２００の解析点４における主流部（主流部を形成するクローズド羽根車の流路および羽根部）に作用するラジアル荷重の最大値よりも小さくなった。

【0137】

図２８に示すように、遠心ポンプ１００の解析点１における全体に作用するラジアル荷重の最大値は、遠心ポンプ２００の解析点１における全体に作用するラジアル荷重の最大値よりも僅かに大きくなった。一方、遠心ポンプ１００の解析点４における全体に作用するラジアル荷重の最大値は、遠心ポンプ２００の解析点４における全体に作用するラジアル荷重の最大値よりも大幅に小さくなった。

【0138】

主流部ラジアル位相制御を行うことにより、主板４２に作用するラジアル荷重と、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重との相殺量が増えるので、ラジアル荷重が大きくなる過大流量域側で全体に作用するラジアル荷重を大幅に小さくすることができる。このため、主流部ラジアル位相制御のみを行う場合には、図２１に示したように主板ラジアル制御のみを行う場合と比較して、ポンプ運転範囲における全体のラジアル荷重の最大値を小さくすることができ、遠心ポンプ１００の振動を抑制することができる。

【0139】

〈主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御〉
図２９および図３０を参照して、主流部ラジアル位相制御に加えて、主板ラジアル制御を行った場合のラジアルリサージュ曲線について説明する。

【0140】

図２９に示すように、解析点１および４において、主流部ラジアル位相制御のみを行った場合と比較して、主板ラジアル制御をさらに行った場合には、主板４２のラジアル荷重が大きくなった。また、主板４２のラジアル荷重の位相は、略変わらなかった。解析点１および４において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の位相が大きく変化しないため、主板４２のラジアル荷重とは方向が逆になるので、主板４２のラジアル荷重を大きくする方が、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重と主板４２のラジアル荷重との相殺量が増えて全体のラジアル荷重を低減することが可能である。

【0141】

図３０に示すように、解析点１および４において、主流部ラジアル位相制御のみを行った場合と比較して、主板ラジアル制御をさらに行った場合には、全体のラジアル荷重を僅かに小さくすることができた。また、主板ラジアル制御をさらに行った場合には、全体のラジアル荷重の最大値を小さくすることができた。すなわち、遠心ポンプ１００の振動をさらに小さくすることができた。なお、主流部ラジアル位相制御のみを行った場合と、主板ラジアル制御をさらに行った場合とを比較すると、ラジアルリサージュ曲線の形状は、略相似形状となった。

【0142】

（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

【0143】

本実施形態では、上記のように、要求されるポンプの運転範囲にわたり、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと、羽根部４３に作用するラジアル荷重を主板４２に作用するラジアル荷重の逆向き範囲に向けることができるので、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと、羽根部４３に作用するラジアル荷重を、主板４２に作用するラジアル荷重で効果的に相殺することができる。これにより、要求されるポンプの運転範囲にわたり、１枚羽根、または、１つの流路を有する遠心ポンプ１００において、流体反力の大きさおよび向きが変化したとしても流体反力を減殺して（打ち消して）、水の反作用力の釣り合い（水力的バランス）を保つことができる。つまり、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと、羽根部４３に作用するラジアル荷重と主板４２に作用するラジアル荷重との合力の最大値を小さくすることができるので、遠心ポンプ１００に作用するラジアル荷重の最大値を小さくすることができる。以上により、遠心ポンプ１００の振動を抑制することができる。

【0144】

ここで、従来より、遠心ポンプの分野では、機械的バランス（空気中における羽根車の回転中心軸線に対する動的および静的な釣り合い）を確保するために、羽根車に不釣り合い質量を設けたり、羽根車から除肉をすることが一般的に行われていた。しかし、不釣り合い質量や、除肉を行うことに起因して水力的バランスを確保することが困難であった。すなわち、機械的バランスおよび水力的バランスの両方を確保することが困難であった。そこで、本実施形態では上記のように構成することにより、クローズド羽根車４の回転中心軸線Ｏに対する動的および静的な釣り合いを略変えることなく水力的バランスを確保することができる。すなわち、機械的バランスに略影響を及ぼすことなく（機械的バランスを略損なうことなく）水力的バランスを確保することができる。したがって、水力的バランスを確保することができるとともに、機械的バランスを確保（保持）することが可能となる。

【0145】

本実施形態では、上記のように、主流部５は、遠心ポンプ本体（遠心ポンプ１００）が使用される吐出し量の全範囲（ポンプ運転範囲の全範囲）に亘り、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±９０度の範囲内に収まるような構造を有するように構成されている。これにより、遠心ポンプ本体（遠心ポンプ１００）が使用される吐出し量の全範囲に亘り、遠心ポンプ１００の振動をより確実に抑制することができる。

【0146】

本実施形態では、上記のように、主流部５は、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと、羽根部４３の形状を変更（回転軸１４の回転方向の全位相における接液面積や軸方向長さ、半径、回転方向に対する傾斜角度等をフルモデル解析のラジアル荷重の位相を指標として変更）することにより、回転軸１４の回転方向の全位相において、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと、羽根部４３）に作用するラジアル荷重の位相が、主板４２に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±９０度の範囲内に収まるような構造を有するように構成されている。これにより、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）のうち、クローズド羽根車４の回転によってクローズド羽根車４から吐出される流れによって発生するラジアル荷重の内、動的な成分を変動させることができる。このため、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）と主板４２に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）とが効果的に相殺されるように調整することができる。

【0147】

本実施形態では、上記のように、主流部５は、ボリュート形状の内部空間３１の基礎円Ｊの直径Ｄ３が、羽根部４３の外側直径Ｄ２の１．１５倍以上１．２５倍以下となるように形成されている。この値は一般的に設計される遠心ポンプの設計値より大きな値である。これにより、ポンプケーシング３の内部空間３１が回転軸１４の回転方向の全位相において一律に大きく形成されるので、内部空間３１内の流れの流速差が小さくなり内部空間３１内の圧力差を小さくすることができる。例えば、内部空間３１の回転対称位置の断面積の比が３：５だったとしてその比は０．６０だが、基礎円を大きくしたことにより断面積の比が４：６となればその比は約０．６７となり差が縮まる。その結果、内部空間３１内の圧力差により生ずる主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の静的成分を小さくすることができるので、吐出し量に対する主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重の位相変化を小さくすることができるとともに、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重を主板４２に作用するラジアル荷重でより効果的に相殺することができる。

【0148】

本実施形態では、上記のように、主流部５は、ポンプケーシング３の吐出口３３から回転軸１４の回転方向の上流側４５度の位置において、ポンプケーシング３の内側面とボリュート状の内部空間３１の基礎円Ｊとの間の距離Ｈが、吐出口３３の直径の０．３倍以上０．４倍以下となるように形成されている。これにより、ポンプケーシング３の流路３ａの吐出口３３側が比較的大きく形成されるので、流路３ａの吐出側の流速を遅くして圧力を上げることができ、吐出し量が多い範囲（過大流量域）において、より流路３ａ内の圧力差を小さくすることができる。その結果、内部空間３１内の圧力差により生ずる主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の静的成分を小さくすることができるので、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路および羽根部４３）に作用するラジアル荷重（半径方向荷重）の向き（位相）が大きく変化する過大流量域において、より吐出し量に対する主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重の位相変化を小さくすることができるとともに、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）のラジアル荷重と主板４２に作用するラジアル荷重とをより効果的に相殺することができる。

【0149】

本実施形態では、上記のように、主流部５は、回転軸１４の回転中心軸線とポンプケーシング３の舌部３４との間の距離Ｚが、羽根部４３の外側直径Ｄ２の半分の１．１倍以上１．２倍以下となるように形成され、かつ、舌部３４を内部空間３１のボリュート形状の基礎円Ｊの内側に配置されている。その結果、内部空間３１のボリュート形状の巻き始めから巻き終わりの間における圧力の漏れ（圧力損失）を抑制することができる。これにより、揚程の低下を抑制することができる。

【0150】

本実施形態では、上記のように、主流部５は、回転軸１４の軸方向において、羽根部４３の吸込口４５側に配置される側板４１を有するクローズド羽根車４の吸込口４５からポンプケーシング３の吐出口３３の中心位置までの距離Ｋが、吐出口３３の直径の１．３倍以上１．５倍以下となるように形成されている。これにより、クローズド羽根車４の流路長さを比較的長く取ることができるので、水からクローズド羽根車４の流路内面に作用するラジアル荷重を相殺されやすくすることができる。

【0151】

本実施形態では、上記のように、羽根部４３の吸込口４５側に配置される側板４１を有するクローズド羽根車４の吸込口４５（開口角度Ｍ）は、下流側に向けて狭まる４５度以上７５度以下（６０度）のテーパ状に形成されている。これにより、クローズド羽根車４に水を十分に吸込可能に構成しつつ、吸込口を円錐形状にして余計なラジアル荷重を発生させないので、クローズド羽根車４の流路内面における水から受けるラジアル荷重の偏りを抑制することができる。

【0152】

本実施形態では、上記のように、回転軸１４の軸方向に直交する方向における主板の外側面とポンプケーシング３との間の隙間Ｇ１が、２ｍｍ以下となるように形成されている。これにより、回転軸１４の軸方向に直交する方向における主板４２の外側面とポンプケーシング３との間の隙間Ｇ１を介して、オイルケーシングと主板４２との間に水が到達するのを抑制することができる。その結果、オイルケーシングと主板４２との間に水が到達することに起因する遠心ポンプの吐出し量の変化に対する主板４２に作用するラジアル荷重の変化の影響を小さくすることができるので、要求されるポンプの運転範囲にわたって主板４２に作用するラジアル荷重の大きさを安定させる（主板４２に作用するラジアル荷重のラジアルリサージュ曲線をより真円形状に近づける）ことができる。その結果、遠心ポンプ１００の全体に作用するラジアル荷重をより安定させることができる。

【0153】

本実施形態では、上記のように、主板４２は、回転軸１４の回転方向の全位相において、主板４２に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相の少なくとも一方を変更することにより、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）および主板４２に作用するラジアル荷重の合力の大きさを小さくするように形成されている。これにより、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相のみならず、主板４２に作用するラジアル荷重の大きさおよび位相の少なくとも一方を変化させる（調整する）ことにより、主流部５（主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａおよび羽根部４３）に作用するラジアル荷重を主板４２に作用するラジアル荷重で効果的に相殺することができる。このため、回転軸１４の回転方向の全位相において水の反作用力（ラジアル荷重）の釣り合いをより効果的に保つことができる。その結果、遠心ポンプ１００の振動をより抑制することができる。

【0154】

本実施形態では、上記のように、主板４２は、羽根部４３側に凹む凹部４２ｂを有し、凹部４２ｂは、羽根部４３の軸方向長さの０．２５倍以上の深さに形成されている。これにより、遠心ポンプ１００の振動をより抑制することができる。

【0155】

（変形例）
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

【0156】

たとえば、上記第１実施形態では、図１および図３～図８に示すように、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御のために、遠心ポンプ１００を所定形状に形成した例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、回転軸の回転方向の全位相において、主流部５を形成するクローズド羽根車４の流路４ａと羽根部４３に作用するラジアル荷重の位相が、主板に作用するラジアル荷重の位相に対して１８０度ずれた軸対称位置から、±９０度の範囲内に収まるような構造を有するように、遠心ポンプの主流部が構成されているならば、羽根車、ポンプケーシング、オイルケーシングなどの構成がいかなる形状に形成されていてもよい（いかなる構造を有していてもよい）。

【0157】

具体的には、図３１～図３６に示すように、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御のために、遠心ポンプ１００とは異なる形状に遠心ポンプ３００を形成してもよい。以下、遠心ポンプ３００の具体的な構成、形状例を示す。なお、遠心ポンプ１００と同様の構成、形状については説明を省略する。

【0158】

図３１に示すように、遠心ポンプ３００は、ポンプケーシング３０３と、クローズド羽根車３０４とを備えている。ポンプケーシング３０３の吐出口３３の直径Ｔ２は、たとえば、８０ｍｍに設定される（図３３参照）。図３３に示すように、遠心ポンプ３００は、平面視で（Ｚ１側から見て）、線Ｌ２２が線Ｌ１２の下流側（反時計回り方向側）に配置され、羽根部３４３の巻き終わり角度Ｆ２が、約１１．９度に設定される。また、遠心ポンプ３００は、羽根部の外側直径Ｄ２２が、たとえば、２７６ｍｍに設定される。なお、クローズド羽根車３０４は、特許請求の範囲の「羽根車」の一例である。

【0159】

ここで、図３２を参照して、クローズド羽根車３０４の凹部３４２ｂに設けられる制御ウェイトＷについて説明する。

【0160】

図３２に示すように、機械的バランスを調整する目的、主板のラジアル荷重を制御する目的またはこれらの両方の目的のために、クローズド羽根車３０４に設けられた制御ウェイトＷは、上端（オイルケーシング３０２（図３１参照）側）が、クローズド羽根車３０４の流路に沿って上方に向けて肉盛りされた凹部３４２ｂの形状の巻き上がり上端（オイルケーシング３０２側）よりも高さｈ（図３１参照）だけ低く形成されている。すなわち、制御ウェイトＷの上端は、凹部３４２ｂの最も浅くなっている部位よりも低い位置に形成されている。このように構成することで、制御ウェイトＷによってクローズド羽根車３０４の回転投影面積が大きくなることが抑制されるので、クローズド羽根車３０４の回転に伴って発生する揚水に寄与しない不要な軸動力を低減できる。なお、制御ウェイトＷにより、クローズド羽根車３０４の回転中心軸線Ｏに対する動的および静的な釣り合いを確実に確保して、遠心ポンプ３００の振動を一層抑制することができる。

【0161】

機械的バランスを調整する目的、主板のラジアル荷重を制御する目的またはこれらの両方の目的のために、クローズド羽根車３０４に設けられた制御ウェイトＷは、回転方向に対する上流側が、クローズド羽根車３０４の流路に沿って肉盛りされた凹部３４２ｂの形状に接続されている。これにより、クローズド羽根車３０４の回転に伴って円周方向に移動する液体が衝突する面が制御ウェイトＷに形成されないので、クローズド羽根車３０４の回転に伴って発生する揚水に寄与しない不要な軸動力を低減することができる。

【0162】

機械的バランスを調整する目的、主板のラジアル荷重を制御する目的またはこれらの両方の目的のために、クローズド羽根車３０４に設けられた制御ウェイトＷは、内径側形状が回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が増加するように形成されている。これにより、クローズド羽根車３０４の回転に伴って円周方向に移動する液体が、制御ウェイトＷの内径側形状に衝突しない。その結果、クローズド羽根車３０４の回転に伴い発生する揚水に寄与しない不要な軸動力を低減することができる。

【0163】

ここで、図３７に示す比較例としての従来のクローズド羽根車に設けられたバランスウェイトについて説明する。まず、図３２および図３７に示す円形状の二点鎖線は、同一半径およびクローズド羽根車の回転に伴って円周方向に移動する液体を表している。図３７では、一点鎖線で囲まれた範囲において、バランスウェイトの内径側形状が回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が減少している。このため、クローズド羽根車の回転に伴って円周方向（二点鎖線の延びる方向）に移動する液体が、バランスウェイトの内径側形状に衝突する。

【0164】

図３２に示すように、機械的バランスを調整する目的、主板のラジアル荷重を制御する目的またはこれらの両方の目的のために、クローズド羽根車３０４に設けられた制御ウェイトＷは、内径側形状とボス部で構成される溝が円周方向に６０度以上（望ましくは９０度以上）にわたって形成されている。これにより、クローズド羽根車３０４の流路に沿って肉盛りされた凹部３４２ｂの形状の回転方向に対する上流端（図３２の一点鎖線で囲まれた範囲）への液体の衝突量を減少させることができる。その結果、クローズド羽根車３０４の回転に伴って発生する揚水に寄与しない不要な軸動力を低減することができる。

【0165】

また、図３９（図３２に対応する図）に示す第１変形例の他の例のクローズド羽根車３０４ａのように、制御ウェイトＷ１が設けられていてもよい。具体的には、制御ウェイトＷ１の外径側形状は、クローズド羽根車３０４ａの回転方向に対する上流側から下流側に向かって半径が減少するよう形成されている。また、制御ウェイトＷ１は、外径側形状と凹部の外側面で構成される溝が円周方向に６０度以上（望ましくは９０度以上）にわたって形成されていている。なお、クローズド羽根車３０４ａは、特許請求の範囲の「羽根車」の一例である。

【0166】

また、上記第１実施形態では、遠心ポンプにクローズド羽根車を設けた例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、図３８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、遠心ポンプ４００ａおよび４００ｂに、それぞれ、セミオープン羽根車４０４ａおよび４０４ｂを設けてもよい。なお、図３８（Ａ）に示す遠心ポンプ４００ａは、汚物用の水中スクリューポンプである。また、図３８（Ｂ）に示す遠心ポンプ４００ａは、汚物用の水中カッターポンプである。なお、セミオープン羽根車４０４ａおよび４０４ｂは、特許請求の範囲の「羽根車」の一例である。

【0167】

また、上記第１実施形態では、隙間Ｇ１を２ｍｍ以下に形成し、隙間Ｇ２を２ｍｍよりも大きく形成した例を示したが、本発明はこれに限らない。本発明では、隙間Ｇ２を２ｍｍ以下に形成してもよい。この場合には、隙間Ｇ１を２ｍｍよりも大きく形成してもよい。

【0168】

また、本発明では、主流部ラジアル位相制御および主板ラジアル制御の両方を行うことにより形成された遠心ポンプではなく、主流部ラジアル位相制御のみを行うことにより形成された遠心ポンプであってもよい。

【符号の説明】

【0169】

２、３０２ オイルケーシング
３、３０３ ポンプケーシング
３ａ 流路
４、３０４、３０４ａ クローズド羽根車（羽根車）
４ａ 流路
５ 主流部
１４ 回転軸
３１ 内部空間
３３ 吐出口
３４ 舌部
４１ 側板
４２ 主板
４２ｂ、３４２ｂ 凹部
４３ 羽根部
４４ ボス部
１００、３００、４００ａ、４００ｂ 遠心ポンプ
４０４ａ、４０４ｂ セミオープン羽根車（羽根車）
Ｊ 基礎円
Ｗ、Ｗ１ 制御ウェイト

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】