軸流ポンプ又は斜流ポンプ
【課題】使用するポンプの耐失速特性を向上させ、より失速しにくい特性をもたせたて、軸動力一定と回転速度とを組み合わせて、低揚程大流量から高揚程小流量まで更に広い運転範囲において安定した運転が可能とする。
【解決手段】羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるためのポンプである。不安定領域を高揚程で小流量側に移動させて、ポンプの軸動力が予め設定された一定の設定値に出力を制御するために、前置案内羽根６付のポンプ１の実揚程を検知し、この実揚程の検知に基づき、羽根車２の回転速度を制御する。不安定領域の移動のために、前置案内羽根６は、羽根車２の回転方向とは逆向きで、羽根車２の半径方向の外周より中心部がより大きな旋回流を与えて、耐失速特性を向上させたものである。
【解決手段】羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるためのポンプである。不安定領域を高揚程で小流量側に移動させて、ポンプの軸動力が予め設定された一定の設定値に出力を制御するために、前置案内羽根６付のポンプ１の実揚程を検知し、この実揚程の検知に基づき、羽根車２の回転速度を制御する。不安定領域の移動のために、前置案内羽根６は、羽根車２の回転方向とは逆向きで、羽根車２の半径方向の外周より中心部がより大きな旋回流を与えて、耐失速特性を向上させたものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐失速特性を向上させた軸動力一定のポンプに関する。更に詳しくは、軸流ポンプや斜流ポンプにおいて、ポンプ本体の失速による不安定領域を前置案内羽根の配置、ハブ比の変更、揚力係数の変更により、不安定な運転領域を高揚程で小流量側に移動させ、かつ軸動力を一定にするために回転速度制御を行って、失速による不安定な運転状態になりにくく、かつ広い可変速範囲で安定した運転が可能となる軸流ポンプ又は斜流ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプの特性を横軸に吐出し量、縦軸に全揚程を取って描画した曲線を揚程曲線、横軸に吐出し量、縦軸に軸動力を取って描画した曲線を軸動力曲線と呼ばれている。比較的低揚程で使用される軸流ポンプの揚程曲線は、最高効率点流量付近では傾斜のきつい右下がり曲線となるが、最高効率点流量の６０〜７０％の流量で羽根の失速を原因とする右上がりの不安定領域が発生するため、運転可能範囲を最高効率点流量の６０〜７０％以上に限定する場合が多い。
斜流ポンプの揚程曲線は全流量範囲にわたり、緩やかな右下がり曲線となることが多いが、高比速度で設計された斜流ポンプの中には最高効率点流量の５０〜７０％付近で軸流ポンプと同様な右上がりの不安定領域が現れることが知られている。軸動力曲線については両者とも右下がり曲線を示し、高揚程小流量側で軸動力は増大し、逆に低揚程大流量側では軸動力は減少する。
【０００３】
ポンプを運転する場合の吐出し量、揚程を特定するためには揚程曲線だけでなく、管路系の損失を示す抵抗曲線を考慮する必要がある。ポンプの管路系は吸込み管、直管、曲り管、バルブなどで構成されており、吐出速度の２乗に比例した損失が生じる。実揚程と各吐出量において前記損失により発生する管路抵抗の合計を描画したものが抵抗曲線であり、ポンプの運転点はこの抵抗曲線と揚程曲線の交点となる。管路抵抗が不変の場合、抵抗曲線は実揚程の変化により上下に平行移動し、ポンプの運転点もこれにともない変化する。
一般的な軸流ポンプを一定の回転速度で運転した場合の揚程曲線と、実揚程が変化した場合の抵抗曲線を図２２に示す。抵抗曲線１〜３は揚程曲線との交点はただ一つに定まり、ポンプはこの交点で示される吐出し量、全揚程で安定して運転される。しかし、抵抗曲線４は揚程曲線との交点が明確に定まらず、吐出し量、揚程はａ〜ｃの範囲で周期的に変動し、振動や騒音を伴う不安定な運転となる。一般的な軸流ポンプではこのような不安定領域での運転を避けるため、運転可能流量範囲を最高効率点流量の７０％以上に限定する場合が多い。
【０００４】
図２３は、回転数（速度）をパラメータとした軸流ポンプの特性を示す図である。出力に応じた全揚程Ｈの揚程曲線である。回転数の減少と共に、１００％回転数のときの曲線に類似した各カーブが示されている。各曲線は、流量Ｑ、全揚程Ｈと共に回転数が減少すれば小さくなるカーブである。回転速度制御を行った場合にも失速を原因とする不安点領域は、各回転数の最高効率点近傍の流量の６０〜７０％流量の点で発生し、それをつないだ線が失速を原因とする不安点状態による運転限界を示す曲線Ａ−Ｄとなる。この図２３で見るように、運転限界Ａ−Ｄは回転数が減少するに従い、より低い揚程で発生するようになる。したがって、回転速度制御を行った場合、運転可能領域は各回転数の最高効率点流量の７０％程度以上の流量範囲に限定される。
【０００５】
その他、ポンプの運転限界を決定する要素として、軸動力による限界、最小管路抵抗による限界があり、これらはそれぞれ曲線Ａ−Ｂ−Ｃ、曲線Ｃ−Ｄとなる。このため回転速度制御を行う場合にも、一般的な軸流ポンプとの組合せでは可変速による運転範囲が領域Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄに限定され、制御が期待するところの効果が十分に発揮されない。
【０００６】
また、広い流量範囲で使えるようにするために、羽根車翼を羽根車ボスの周面に翼軸を介して取り付け、羽根角度θを可変できる構造とする方法が用いられている。この場合には、負荷が最大と最小の間の運転領域には不安定領域は現れず、常に安定な運転が可能であるが、羽根角度を可変とするについては構造が複雑となり製造コストを押し上げるだけでなく、可動部への異物の噛み込み、発錆等のトラブルが生じやすい（特許文献１）。
更に、回転数制御において、振動量から不安定領域かどうかの判定を行い、不安定領域であれば回転速度を増速あるいは減速して、不安定領域での連続運転を回避する制御が提案されている（特許文献２）。これは不安定領域での運転を回避しているに過ぎない。一般に不安定領域での運転を避けるため回転速度を減速した場合、全揚程は回転速度比の二乗に比例して減少するため、揚程が高い場合には排水不能となる。また、連続流量制御が出来ないため、連続流量を確保するためにはポンプ台数を増やし対応する必要がある。
【０００７】
本出願人は、回転駆動される羽根車に流入する揚液に逆方向の回転を与える前置案内羽根を配置して比速度を大きくした高速ゲートポンプを提案した（特許文献３）。しかしながら、この高速ゲートポンプは、不安定な運転領域、耐失速性を考慮したものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−４５９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３１１１９５号公報
【特許文献３】特開２００１−３０４１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に軸流ポンプにおいては、小流量側で翼の失速を原因とする不安定運転領域での運転を避けるため、最高効率点流量に対し６０〜７０％以上の流量範囲でしか安定した運転が出来ないとされている。軸流形ポンプは他のターボ形ポンプと同様に回転数調整により吐出し量、揚程、軸動力を変更することができるが、軸流ポンプはもともと運転可能範囲が狭いため、回転数制御を行おうとしても可変速範囲を広く取ることが出来ず、軸動力一定制御、吐出し量制御、吐出し圧制御などの制御を行おうとしてもその効果が十分に発揮できないという問題があった。
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成する。
【００１０】
本発明の目的は、使用するポンプの耐失速特性を向上させ、より失速しにくい特性をもたせた軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、軸動力一定と回転速度制御とを組み合わせて、低揚程大流量から高揚程小流量まで更に広い運転範囲において安定した運転が可能となる軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、ポンプの動力を供給する受電設備の容量を小さくできる軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、羽根の失速を原因とする不安定領域を、高揚程で小流量側に移動させることができる軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段を採る。
本発明１の軸流ポンプ又は斜流ポンプは、 回転駆動される羽根車の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、前記不安定領域を移動させるために、翼幅に対して翼弦長さを増大させて翼表面上で単位長さあたりに行われるエネルギーの供与を小さくしたことで、前記ポンプの揚力係数ＣＬは、前記ポンプのチップ側で０．２〜０．３未満、ハブ側で０．６〜０．８未満としたものであることを特徴とする。
【００１２】
本発明２の軸流ポンプ又は斜流ポンプは、本発明１の軸流ポンプ又は斜流ポンプにおいて、 羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、前記不安定領域を高揚程で小流量側に移動させて、前記ポンプは、回転駆動される羽根車と、前記羽根車に流入する揚液の流れの前に配置された前置案内羽根とを有するものであり、前記不安定領域の移動のために、前記羽根車の回転方向とは逆向きで、前記羽根車の半径方向の外周より中心部側がより大きな旋回流を与えて、耐失速特性を向上させたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の軸流ポンプ又は斜流ポンプは、使用するポンプの耐失速特性を向上させ、より失速しにくい特性をもたせたポンプを用いて、軸動力一定と回転速度制御とを組み合わせて、実揚程に応じて低揚程大流量から高揚程小流量まで更に広い運転範囲において安定した運転が可能となった。
また、軸動力を一定でポンプを制御するために、ポンプ設備のための受電設備に余力が必要なく、結果として、小さい受電設備で対応できるので、設備コストの削減、及び電気料金を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明を前置案内羽根付き軸流ポンプに適用したときの実施の形態１を示す図である。図１（ａ）は、前置案内羽根付き軸流ポンプの羽根車の正面図、図１（ｂ）は前置案内羽根付き軸流ポンプの側面図である。
【図２】図２は、羽根車チップ側における速度ベクトルを示す説明図である。
【図３】図３は、羽根車ハブ側における速度ベクトルを示す説明図である。
【図４】図４は、羽根車チップ側における羽根の断面を示す断面図である。
【図５】図５は、羽根車ハブ側における羽根の断面を示す断面図である。
【図６】図６は、本実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプと従来の軸流ポンプとの回転速度制御と組み合わせた場合の運転範囲を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプを排水設備に適用したときの制御ブロック図である。
【図８】図８は、運転制御装置１０の軸動力一定の場合の制御動作の概要を示すフロー図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させた羽根車の正面図、図９（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。
【図１０】図１０は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させた軸流ポンプの羽根車のチップ側における速度ベクトルを示す説明図である。
【図１１】図１１は、図９の羽根車のハブ側における速度ベクトル図である。
【図１２】図１２は、図９の羽根車のチップ側における翼形状を示す断面図である。
【図１３】図１３は、図９の羽根車のハブ側における翼形状を示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ）は、本発明の羽根車の翼弦長を延長させた場合の軸流ポンプの羽根車の正面図、図１４（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。
【図１５】図１５は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の速度ベクトルを示す説明図である。
【図１６】図１６は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の速度ベクトルを示す説明図である。
【図１７】図１７は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の翼形状を示す断面図である。
【図１８】図１８は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断側面図である。
【図１９】図１９は、従来の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。
【図２０】図２０は、本実施の形態３の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。
【図２１】図２１は、前置案内羽根付き軸流ポンプに対し軸動力一定制御を行った場合の排水設備の特性を示す図である。
【図２２】図２２は、従来の軸流ポンプの特性を示す特性図である。
【図２３】図２３は、従来の軸流ポンプを可変速運転をした場合のポンプの特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態１］
次に、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明を前置案内羽根付き軸流ポンプに適用したときの実施の形態１を示す図である。図１（ａ）は、前置案内羽根付き軸流ポンプの羽根車の正面図、図１（ｂ）は前置案内羽根付き軸流ポンプの側面図である。図２は、羽根車チップ側における速度ベクトルを示す説明図である。図３は、羽根車ハブ側における速度ベクトルを示す説明図である。図４は、羽根車チップ側における羽根の断面を示す断面図である。図５は、羽根車ハブ側における羽根の断面を示す断面図である。
【００１６】
前置案内羽根付き軸流ポンプ１は、回転駆動される羽根車２及び前置案内羽根６を備えている。回転駆動される羽根車２は、ハブ３の外周面上の等角度間隔に４枚の翼４が配置されている。羽根車２の前方に前置案内羽根６が適当な等角度間隔で配置されている。前置案内羽根６は、固定ハブ５と軸流ポンプ１の本体である胴７との間に固定配置されている。前置案内羽根６は、羽根車２に流入する前の揚水（揚液）に予め旋回を与えるための固定羽根である。本実施の形態１では、羽根車２の回転方向とは逆向きの予旋回を与えるものである（入口絶対速度ｃ１参照）。
即ち、羽根車２への揚液の相対的な流入速度を増加させるためのものである。この予旋回は前置案内羽根６の設計により羽根車２の各半径位置で任意にその大きさを変えることができるが、羽根車２の回転による揚液との相対速度の小さいハブ３側において、より大きな予旋回を与えることで、予旋回の周速と羽根車２の回転速度の合計で表される翼４と揚液との周方向相対速度をチップ（外周）側、ハブ３側で均一化又は略均一化にすることができる。
【００１７】
このためにハブ３側において、揚液が要求するエネルギーを与えるために必要な翼４のそりは従来と比べて大幅に減少し、翼４の取付角が回転軸に直交する面とのなす角も小さくなる。羽根車２の後に固定した後置案内羽根を配置したものと比較すると、最高効率点流量において同一の性能であるが、本実施の形態１は翼のそり、取付角が異なる（図１（ａ）参照）。軸方向速度は吐出し量、すなわち流入量の増減に比例して増減する。
羽根車入口側に設けられた前置案内羽根６が発生する予旋回の周方向成分は吐出量、即ち、流入量の増減に比例して増減するため、予旋回の周成分と羽根車２の回転速度の合計で表される揚液と翼４との周方向の相対速度も略比例的に増減する。その結果、吐出量が増減した場合の羽根車の相対流入ベクトルの方向変化は従来のポンプと比べ半分程度まで小さくなる。
【００１８】
以上により、前置案内羽根付きポンプ１では同一のエネルギーを揚液に予旋回として与えるために必要となる羽根のそりが従来のポンプと比べ小さく、かつ流量が増減した場合の相対流入ベクトルの角度変化も小さいため、失速を起しにくく、失速を原因として発生するポンプの不安定領域も従来のポンプでの限界である最高効率点流量の６０〜７０％と比べ、更に小流量側まで発生しない高い耐失速性を持ったポンプが実現される。
更に、これらの前置案内羽根付き軸流ポンプ１と回転速度（回転数／単位時間）制御を組み合わせることで、従来の軸流ポンプと回転速度を組み合わせた場合と比較して、低揚程大流量側から高揚程小流量側まで、更に広い範囲で安定した運転が可能となる。図６は、本実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプ１と従来の軸流ポンプとの回転速度制御と組み合わせた場合の運転範囲を示している。
【００１９】
前置案内羽根付き軸流ポンプ１の運転可能領域は、一般的な軸流ポンプの領域Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄと比べ、より小流量側、及び高揚程側に広がった領域Ａ’−Ｂ’−Ｃ’−Ｄとなっていることが伺える。言い換えると、通常型軸流ポンプの失速限界線である２乗曲線Ｄ−Ａがより小流量側、及び高揚程側を通る２乗曲線Ｄ−Ａ’に移動する。この移動は、結果として、相対的ではあるが羽根の失速を原因として発生する不安定領域を高揚程で小流量側に移動させたことになる。
このように、本実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプ１は、図６に示す揚程曲線の例では、各回転数での運転における最高効率点流量の約５０％、最高効率点揚程の約１８０％付近まで不安定領域が発生しないため、より低い回転数まで安定した運転が可能であり、その運転可能な最低吐出し量は一般的な軸流ポンプを回転速度制御した場合に比べ大幅に減少させることができる。
【００２０】
図７は、実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプを排水設備に適用したときの制御ブロック図である。内水からこれより上部にある外水に軸流ポンプ１で排水するための設備である。内水側には吸込み側水位センサ１１、外水側には吐出し側水位センサ１２がそれぞれ配置されている。吸込み側水位センサ１１、及び吐出し側水位センサ１２の各水位データは検知されて運転制御装置１０に入力される。運転制御装置１０は、インバータ（図示せず）を備えており、インバータにより軸流ポンプ１の回転速度を制御する。運転制御装置１０は、吸込み側水位センサ１１、及び吐出し側水位センサ１２の情報から実揚程Ｈを検知できる。
【００２１】
図８は、運転制御装置１０の軸動力一定の場合の制御動作の概要を示すフロー図である。運転制御装置１０は、吸込み側水位センサ１１、及び吐出し側水位センサ１２の情報から水位情報をそれぞれ検知する（Ｓ１）。この水位情報から内水の水面と外水の水面との落差、即ち実揚程を計算する（Ｓ２）。次に、内水位が予め決められた排水水位以上か、外水位は排水ができる水位であるか等の条件を満たしているか否かを判断する（Ｓ３）。
運転条件を満たしていなければ、ポンプを運転する必要がないので、ポンプは運転中であれば運転を休止し、休止中であればそれを継続する（Ｓ４）。ポンプ運転の休止が一定時間経過すると（Ｓ６）、再び水位情報をそれぞれ検知する（Ｓ１）。ポンプ運転条件を満たしていれば（Ｓ３）、前回の水位計測から予め決めておいた設定水位以上の変動があるか否かを判断する（Ｓ５）。流入水の増加又は減少、外水位の上昇又は下降等により、実揚程Ｈが変動したものであるから、運転条件を変える必要があると判断する。
【００２２】
設定値以上の変動があるときは、ポンプ回転速度を実験式等から演算、又は予め運転制御装置１０に記憶されているデータ（実測）であるマップから引き出した回転数を設定する（Ｓ７）。前述した実揚程Ｈが定まると、軸動力一定制御であるから前置案内羽根付き軸流ポンプ１の特性、図６に示した管抵抗（抵抗曲線）と、測定され演算された実揚程Ｈ、一定の軸動力から、回転数（回転速度）が運転可能な範囲で一義的に決定される。
この回転数が決まれば、インバータへポンプの回転速度を指示して、所定の回転速度になるように周波数を制御する指令をする（Ｓ８）。この後、ポンプは設定された回転速度で運転が行われる（Ｓ９）。このように、本実施の形態１の運転制御装置１０は、軸動力一定で運転し、かつ失速範囲を移動させて、運転可能な範囲を広くしたので、受電設備への負荷の変動が少なく、無駄な設備が必要がない効果がある。なお、上記説明は、１台の前置案内羽根付き軸流ポンプで説明したが複数台を運転するものであっても同様の運転で行う。
【００２３】
この回転速度制御は、実揚程を検知して回転速度を制御するものであったが、この実揚程の検知は必ずしも必要ではない。運転制御装置１０がインバータからポンプの駆動モータに出力される軸動力を検知し、この軸動力が設定値以上を越えたとき、ポンプ回転速度を実験式等から演算、又は予め運転制御装置１０に記憶されているデータ（実測）であるマップから引き出した回転数を設定する方法であっても良い。
【００２４】
［実施の形態２］
前述した実施の形態１は、羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるために前置案内羽根を配置するものであった。実施の形態２の軸流ポンプは、耐失速性を向上させるためにハブ比（ハブ直径／羽根車外径）を従来の数値範囲から変更したものである。図９（ａ）は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させた場合の軸流ポンプの羽根車の正面図、図９（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。
図１０は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させたとき、軸流ポンプの羽根車チップ側における速度ベクトルを示す説明図である。図１１は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させたとき、羽根車のハブ側における速度ベクトルを示す説明図である。図１２は、図９の羽根車のチップ側における翼形状を示す断面図である。図１３は、図９の羽根車のハブ側における翼形状を示す断面図である。図１２及び図１３から明らかなように、チップ側の翼弦長が長く、ハブ側の翼弦長が短くなっている。
【００２５】
この軸流ポンプ１５は、後述するハブ比以外は基本的な配置構造は従来のものと同一であり、前述した前置案内羽根付の軸流ポンプ１とは前置案内羽根６を備えていない点で異なる。即ち、この軸流ポンプ１５は、後置案内羽根２０を備えている点で異なる。羽根車１６、ハブ１７、翼１８、固定ハブ１９等は、実施の形態１と配置は同一である。
羽根車１６への軸流方向の流速は、ポンプ効率、流速増加による管損失、重量等の観点から３．０〜４．０m/secが選択される。本実施の形態２は、前述した不安定領域の移動のために、本実施の形態２の軸流ポンプのハブ比β’は次の式（１）で表される範囲にある。
【数１】
ただし、
Ｄ’＝前記軸流ポンプの口径（前記羽根車の外径の近似値）、
ｄ’＝前記軸流ポンプのハブ径、
α＝１．１〜１．８、
β＝０．３〜０．７、
である。
このαは、Ｄ’／Ｄで算出される数値である。αが大きいほど耐失速性は向上するが、効率や経済性が犠牲となるので上記数値範囲が適当である。βは、ｄ／Ｄで算出される数値である。このＤは、３．０〜４．０m/secによって選択される一般的な軸流ポンプ口径（前記羽根車の外径の近似値）であり、ｄは、３．０〜４．０m/secによって選択される従来のハブ径である。
【００２６】
前述したαが大きいほど、即ち前記軸流ポンプの口径Ｄ’が大きいほど耐失速性は向上するが、効率や経済性が犠牲になるので、αは１．１〜１．８の範囲が好ましい。軸流ポンプは、一般にハブ比β（ハブ３の直径／軸流ポンプの口径（羽根車外径と近似値））が０．３〜０．７であり、羽根枚数は２〜５枚の範囲とされている。
これらの数値範囲を採用することは、羽根外径、及びハブ１７の直径を増加させることを意味する。羽根外径、及びハブ径を増加させることにより、羽根車１６への流入ベクトルを半径方向のどの位置でも均一化又は略均一化する設計が容易となる。羽根部分での軸線方向の流速は、従来と同様の流速（３．０〜４．０m/sec）となる。即ち、羽根外径とハブ径を共に増加させることにより、羽根車１６の翼１８と揚液との周方向相対速度をチップ（羽根先端部）側、ハブ側で均一化又は略均一化することができるため、ハブ１７側において揚液が要求するエネルギーを与えるために必要な翼のそりは従来と比べ大幅に減少し、翼の取付角が回転軸線と直交する面とのなす角も小さくなる。
【００２７】
以上により、羽根外径ハブ径を共に増加させたポンプでは同一のエネルギーを揚液に与えるために必要となる羽根のそりが従来のポンプと仕べ小さいため、失速を起しにくく、失速を原因として発生するポンプの不安定領域も従来のポンプでの限界である最高効率点流量の６０〜７０％と比べ、更に小流量側まで発生しない高い耐失速性を持ったポンプが実現できた。このポンプと回転速度制御を組み合わせることで、従来のポンプと回転速度制御を組み合わせた場合と比較して、低揚程大流量側から高揚程小流量側まで、更に広い範囲で安定した運転が可能となる。軸流ポンプの速度制御は、実施の形態１で説明した方法と同様の方法で行う。
【００２８】
［実施の形態３］
本実施の形態３は、耐失速性を向上させるために羽根車の揚力係数ＣＬを通常採用される数値範囲からシフトさせたものである。即ち、羽根車の翼弦長を増加させた軸流ポンプの翼形状である。図１４（ａ）は、本発明の羽根車の翼弦長を延長させた場合の軸流ポンプの羽根車の正面図、図１４（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。図１５は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の速度ベクトルを示す説明図である。図１６は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の速度ベクトルを示す説明図である。
図１７は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の翼形状を示す断面図である。図１８は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断側面図である。この軸流ポンプ２１は、実施の形態２の軸流ポンプ１５と実質的に配置は同一である。即ち、この軸流ポンプ２１は、後置案内羽根２６、羽根車２２、ハブ２３、翼２４、固定ハブ２５等は、実施の形態２と配置は同一である。
【００２９】
揚力係数ＣＬは、単独翼の性能を示すものとして用いられている。揚力係数ＣＬ＝Ｌ／｛（１／２）ρω２ｃｂ｝で示される。ただし、この揚力係数ＣＬは、ＪＩＳＢ０１３１の用語の定義の番号８１６３の用語「揚力係数ＣＬ」の形式で定義すると、「ＣＬ＝Ｌ／｛（１／２）ρＶ２Ａ｝」と周知の式であり、Ｌは揚力（Ｎ）、ρは揚液の密度（kg／ｍ３）、Ｖ（前述のωに相当）は流入速度（ｍ／ｓ）、Ａは翼面積（「翼弦長ｃ×翼幅ｂ」に相当）（ｍ２）によって定まる。一般の軸流ポンプの揚力係数ＣＬは、チップ側で０．３〜０．７であり、ハブ側で０．８〜１．２と言われている。本実施の形態３では、チップ側で０．２〜０．５、ハブ側で０．６〜１．０としたものである。より具体的には、翼弦長ｃが増加されるので、翼表面上で単位長さあたりに行われるエネルギーの供与を小さくする設計が有効であり、チップ側とハブ側ともに揚液が要求するエネルギーを可能な限り均等に与える。ただし、これに必要な翼のそりは従来のものと実質的には同様である。
羽根の長さが長くなっているために単位長さ当たりに行われるエネルギーの供与は小さくなり、翼表面からの流れている揚液の剥離がおきにくくなるため、翼の失速を原因として発生する不安定領域もより小流量側まで発生しにくくなる。
図１７と図１８に示した翼断面を備えた羽根車２は、一般の軸流ポンプの揚力係数ＣＬを採用した軸流ポンプと最高効率点流量において同一の性能を発揮するものであるが、前述したように翼の弦長は大きく異なる。図１９は、従来の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。図２０は、本実施の形態３の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。
【００３０】
図２０に示すように、翼弦長を増加させた軸流ポンプでは同一のエネルギーを揚液に与えるために必要となる羽根の長さが従来のポンプと比べ長く、単位面積当たりに行われるエネルギーの供与が小さいため、失速を起しにくく、失速を原因として発生するポンプの不安定領域も従来のポンプでの限界である最高効率点流量の６０〜７０％と比べ、更に小流量側まで発生しない高い耐失速性を持ったポンプを実現した。このポンプと回転速度制御を組み合わせることで、従来のポンプと回転速度を組み合わせた場合と比較して、低揚程大流量側から高揚程小流量側まで、更に広い範囲で安定した運転が可能となった。軸流ポンプの速度制御は、実施の形態１で説明した方法と同様の方法で行う。
【実施例１】
【００３１】
前述した実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプの実施例を詳記する。前置案内羽根付き軸流ポンプに対し軸動力一定制御を行った場合の排水設備の特性を図２１に示す。このポンプ設備の最高効率点流量は４５ｍ３／min、最高効率点揚程は２．１７ｍ、運転可能最大実揚程は３．２６ｍであり、軸動力は常に２２ｋＷ一定で制御される。吐出し量、揚程共に一般的な軸流ポンプを軸動力一定制御した場合と比べ改善する。
このポンプ設備と同様の最高効率点流量および最高効率点揚程を満たし、かつ同様の最高実揚程まで運転可能な設備を、固定速の一般的な軸流ポンプで実現しようとした場合、電動機および受電設備は前置案内羽根付き軸流ポンプに対し軸動力一定制御を行った場合と比べて２０〜３０％増の３０ｋＷが必要となる（図２１参照）。ポンプが二台設置されていた場合、３０ｋＷ×２台では受電設備は受電契約で言うところの高圧受電範囲が必要となるが、２２ｋＷ×２台では低圧受電でまかなうことができるため、設備のイニシャルコスト、ランニングコスト共に、大幅に縮減することが可能となった。
【符号の説明】
【００３２】
１…前置案内羽根付き軸流ポンプ
２…羽根車
３…ハブ
５…固定ハブ
６…前置案内羽根
１０…運転制御装置
１１…吸込み側水位センサ
１２…吐出し側水位センサ
１５…軸流ポンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐失速特性を向上させた軸動力一定のポンプに関する。更に詳しくは、軸流ポンプや斜流ポンプにおいて、ポンプ本体の失速による不安定領域を前置案内羽根の配置、ハブ比の変更、揚力係数の変更により、不安定な運転領域を高揚程で小流量側に移動させ、かつ軸動力を一定にするために回転速度制御を行って、失速による不安定な運転状態になりにくく、かつ広い可変速範囲で安定した運転が可能となる軸流ポンプ又は斜流ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
ポンプの特性を横軸に吐出し量、縦軸に全揚程を取って描画した曲線を揚程曲線、横軸に吐出し量、縦軸に軸動力を取って描画した曲線を軸動力曲線と呼ばれている。比較的低揚程で使用される軸流ポンプの揚程曲線は、最高効率点流量付近では傾斜のきつい右下がり曲線となるが、最高効率点流量の６０〜７０％の流量で羽根の失速を原因とする右上がりの不安定領域が発生するため、運転可能範囲を最高効率点流量の６０〜７０％以上に限定する場合が多い。
斜流ポンプの揚程曲線は全流量範囲にわたり、緩やかな右下がり曲線となることが多いが、高比速度で設計された斜流ポンプの中には最高効率点流量の５０〜７０％付近で軸流ポンプと同様な右上がりの不安定領域が現れることが知られている。軸動力曲線については両者とも右下がり曲線を示し、高揚程小流量側で軸動力は増大し、逆に低揚程大流量側では軸動力は減少する。
【０００３】
ポンプを運転する場合の吐出し量、揚程を特定するためには揚程曲線だけでなく、管路系の損失を示す抵抗曲線を考慮する必要がある。ポンプの管路系は吸込み管、直管、曲り管、バルブなどで構成されており、吐出速度の２乗に比例した損失が生じる。実揚程と各吐出量において前記損失により発生する管路抵抗の合計を描画したものが抵抗曲線であり、ポンプの運転点はこの抵抗曲線と揚程曲線の交点となる。管路抵抗が不変の場合、抵抗曲線は実揚程の変化により上下に平行移動し、ポンプの運転点もこれにともない変化する。
一般的な軸流ポンプを一定の回転速度で運転した場合の揚程曲線と、実揚程が変化した場合の抵抗曲線を図２２に示す。抵抗曲線１〜３は揚程曲線との交点はただ一つに定まり、ポンプはこの交点で示される吐出し量、全揚程で安定して運転される。しかし、抵抗曲線４は揚程曲線との交点が明確に定まらず、吐出し量、揚程はａ〜ｃの範囲で周期的に変動し、振動や騒音を伴う不安定な運転となる。一般的な軸流ポンプではこのような不安定領域での運転を避けるため、運転可能流量範囲を最高効率点流量の７０％以上に限定する場合が多い。
【０００４】
図２３は、回転数（速度）をパラメータとした軸流ポンプの特性を示す図である。出力に応じた全揚程Ｈの揚程曲線である。回転数の減少と共に、１００％回転数のときの曲線に類似した各カーブが示されている。各曲線は、流量Ｑ、全揚程Ｈと共に回転数が減少すれば小さくなるカーブである。回転速度制御を行った場合にも失速を原因とする不安点領域は、各回転数の最高効率点近傍の流量の６０〜７０％流量の点で発生し、それをつないだ線が失速を原因とする不安点状態による運転限界を示す曲線Ａ−Ｄとなる。この図２３で見るように、運転限界Ａ−Ｄは回転数が減少するに従い、より低い揚程で発生するようになる。したがって、回転速度制御を行った場合、運転可能領域は各回転数の最高効率点流量の７０％程度以上の流量範囲に限定される。
【０００５】
その他、ポンプの運転限界を決定する要素として、軸動力による限界、最小管路抵抗による限界があり、これらはそれぞれ曲線Ａ−Ｂ−Ｃ、曲線Ｃ−Ｄとなる。このため回転速度制御を行う場合にも、一般的な軸流ポンプとの組合せでは可変速による運転範囲が領域Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄに限定され、制御が期待するところの効果が十分に発揮されない。
【０００６】
また、広い流量範囲で使えるようにするために、羽根車翼を羽根車ボスの周面に翼軸を介して取り付け、羽根角度θを可変できる構造とする方法が用いられている。この場合には、負荷が最大と最小の間の運転領域には不安定領域は現れず、常に安定な運転が可能であるが、羽根角度を可変とするについては構造が複雑となり製造コストを押し上げるだけでなく、可動部への異物の噛み込み、発錆等のトラブルが生じやすい（特許文献１）。
更に、回転数制御において、振動量から不安定領域かどうかの判定を行い、不安定領域であれば回転速度を増速あるいは減速して、不安定領域での連続運転を回避する制御が提案されている（特許文献２）。これは不安定領域での運転を回避しているに過ぎない。一般に不安定領域での運転を避けるため回転速度を減速した場合、全揚程は回転速度比の二乗に比例して減少するため、揚程が高い場合には排水不能となる。また、連続流量制御が出来ないため、連続流量を確保するためにはポンプ台数を増やし対応する必要がある。
【０００７】
本出願人は、回転駆動される羽根車に流入する揚液に逆方向の回転を与える前置案内羽根を配置して比速度を大きくした高速ゲートポンプを提案した（特許文献３）。しかしながら、この高速ゲートポンプは、不安定な運転領域、耐失速性を考慮したものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−４５９７号公報
【特許文献２】特開平１１−３１１１９５号公報
【特許文献３】特開２００１−３０４１９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に軸流ポンプにおいては、小流量側で翼の失速を原因とする不安定運転領域での運転を避けるため、最高効率点流量に対し６０〜７０％以上の流量範囲でしか安定した運転が出来ないとされている。軸流形ポンプは他のターボ形ポンプと同様に回転数調整により吐出し量、揚程、軸動力を変更することができるが、軸流ポンプはもともと運転可能範囲が狭いため、回転数制御を行おうとしても可変速範囲を広く取ることが出来ず、軸動力一定制御、吐出し量制御、吐出し圧制御などの制御を行おうとしてもその効果が十分に発揮できないという問題があった。
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成する。
【００１０】
本発明の目的は、使用するポンプの耐失速特性を向上させ、より失速しにくい特性をもたせた軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、軸動力一定と回転速度制御とを組み合わせて、低揚程大流量から高揚程小流量まで更に広い運転範囲において安定した運転が可能となる軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、ポンプの動力を供給する受電設備の容量を小さくできる軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、羽根の失速を原因とする不安定領域を、高揚程で小流量側に移動させることができる軸流ポンプ又は斜流ポンプを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段を採る。
本発明１の軸流ポンプ又は斜流ポンプは、 回転駆動される羽根車の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、前記不安定領域を移動させるために、翼幅に対して翼弦長さを増大させて翼表面上で単位長さあたりに行われるエネルギーの供与を小さくしたことで、前記ポンプの揚力係数ＣＬは、前記ポンプのチップ側で０．２〜０．３未満、ハブ側で０．６〜０．８未満としたものであることを特徴とする。
【００１２】
本発明２の軸流ポンプ又は斜流ポンプは、本発明１の軸流ポンプ又は斜流ポンプにおいて、 羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、前記不安定領域を高揚程で小流量側に移動させて、前記ポンプは、回転駆動される羽根車と、前記羽根車に流入する揚液の流れの前に配置された前置案内羽根とを有するものであり、前記不安定領域の移動のために、前記羽根車の回転方向とは逆向きで、前記羽根車の半径方向の外周より中心部側がより大きな旋回流を与えて、耐失速特性を向上させたものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の軸流ポンプ又は斜流ポンプは、使用するポンプの耐失速特性を向上させ、より失速しにくい特性をもたせたポンプを用いて、軸動力一定と回転速度制御とを組み合わせて、実揚程に応じて低揚程大流量から高揚程小流量まで更に広い運転範囲において安定した運転が可能となった。
また、軸動力を一定でポンプを制御するために、ポンプ設備のための受電設備に余力が必要なく、結果として、小さい受電設備で対応できるので、設備コストの削減、及び電気料金を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明を前置案内羽根付き軸流ポンプに適用したときの実施の形態１を示す図である。図１（ａ）は、前置案内羽根付き軸流ポンプの羽根車の正面図、図１（ｂ）は前置案内羽根付き軸流ポンプの側面図である。
【図２】図２は、羽根車チップ側における速度ベクトルを示す説明図である。
【図３】図３は、羽根車ハブ側における速度ベクトルを示す説明図である。
【図４】図４は、羽根車チップ側における羽根の断面を示す断面図である。
【図５】図５は、羽根車ハブ側における羽根の断面を示す断面図である。
【図６】図６は、本実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプと従来の軸流ポンプとの回転速度制御と組み合わせた場合の運転範囲を示す図である。
【図７】図７は、実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプを排水設備に適用したときの制御ブロック図である。
【図８】図８は、運転制御装置１０の軸動力一定の場合の制御動作の概要を示すフロー図である。
【図９】図９（ａ）は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させた羽根車の正面図、図９（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。
【図１０】図１０は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させた軸流ポンプの羽根車のチップ側における速度ベクトルを示す説明図である。
【図１１】図１１は、図９の羽根車のハブ側における速度ベクトル図である。
【図１２】図１２は、図９の羽根車のチップ側における翼形状を示す断面図である。
【図１３】図１３は、図９の羽根車のハブ側における翼形状を示す断面図である。
【図１４】図１４（ａ）は、本発明の羽根車の翼弦長を延長させた場合の軸流ポンプの羽根車の正面図、図１４（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。
【図１５】図１５は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の速度ベクトルを示す説明図である。
【図１６】図１６は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の速度ベクトルを示す説明図である。
【図１７】図１７は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の翼形状を示す断面図である。
【図１８】図１８は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断側面図である。
【図１９】図１９は、従来の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。
【図２０】図２０は、本実施の形態３の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。
【図２１】図２１は、前置案内羽根付き軸流ポンプに対し軸動力一定制御を行った場合の排水設備の特性を示す図である。
【図２２】図２２は、従来の軸流ポンプの特性を示す特性図である。
【図２３】図２３は、従来の軸流ポンプを可変速運転をした場合のポンプの特性を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施の形態１］
次に、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明を前置案内羽根付き軸流ポンプに適用したときの実施の形態１を示す図である。図１（ａ）は、前置案内羽根付き軸流ポンプの羽根車の正面図、図１（ｂ）は前置案内羽根付き軸流ポンプの側面図である。図２は、羽根車チップ側における速度ベクトルを示す説明図である。図３は、羽根車ハブ側における速度ベクトルを示す説明図である。図４は、羽根車チップ側における羽根の断面を示す断面図である。図５は、羽根車ハブ側における羽根の断面を示す断面図である。
【００１６】
前置案内羽根付き軸流ポンプ１は、回転駆動される羽根車２及び前置案内羽根６を備えている。回転駆動される羽根車２は、ハブ３の外周面上の等角度間隔に４枚の翼４が配置されている。羽根車２の前方に前置案内羽根６が適当な等角度間隔で配置されている。前置案内羽根６は、固定ハブ５と軸流ポンプ１の本体である胴７との間に固定配置されている。前置案内羽根６は、羽根車２に流入する前の揚水（揚液）に予め旋回を与えるための固定羽根である。本実施の形態１では、羽根車２の回転方向とは逆向きの予旋回を与えるものである（入口絶対速度ｃ１参照）。
即ち、羽根車２への揚液の相対的な流入速度を増加させるためのものである。この予旋回は前置案内羽根６の設計により羽根車２の各半径位置で任意にその大きさを変えることができるが、羽根車２の回転による揚液との相対速度の小さいハブ３側において、より大きな予旋回を与えることで、予旋回の周速と羽根車２の回転速度の合計で表される翼４と揚液との周方向相対速度をチップ（外周）側、ハブ３側で均一化又は略均一化にすることができる。
【００１７】
このためにハブ３側において、揚液が要求するエネルギーを与えるために必要な翼４のそりは従来と比べて大幅に減少し、翼４の取付角が回転軸に直交する面とのなす角も小さくなる。羽根車２の後に固定した後置案内羽根を配置したものと比較すると、最高効率点流量において同一の性能であるが、本実施の形態１は翼のそり、取付角が異なる（図１（ａ）参照）。軸方向速度は吐出し量、すなわち流入量の増減に比例して増減する。
羽根車入口側に設けられた前置案内羽根６が発生する予旋回の周方向成分は吐出量、即ち、流入量の増減に比例して増減するため、予旋回の周成分と羽根車２の回転速度の合計で表される揚液と翼４との周方向の相対速度も略比例的に増減する。その結果、吐出量が増減した場合の羽根車の相対流入ベクトルの方向変化は従来のポンプと比べ半分程度まで小さくなる。
【００１８】
以上により、前置案内羽根付きポンプ１では同一のエネルギーを揚液に予旋回として与えるために必要となる羽根のそりが従来のポンプと比べ小さく、かつ流量が増減した場合の相対流入ベクトルの角度変化も小さいため、失速を起しにくく、失速を原因として発生するポンプの不安定領域も従来のポンプでの限界である最高効率点流量の６０〜７０％と比べ、更に小流量側まで発生しない高い耐失速性を持ったポンプが実現される。
更に、これらの前置案内羽根付き軸流ポンプ１と回転速度（回転数／単位時間）制御を組み合わせることで、従来の軸流ポンプと回転速度を組み合わせた場合と比較して、低揚程大流量側から高揚程小流量側まで、更に広い範囲で安定した運転が可能となる。図６は、本実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプ１と従来の軸流ポンプとの回転速度制御と組み合わせた場合の運転範囲を示している。
【００１９】
前置案内羽根付き軸流ポンプ１の運転可能領域は、一般的な軸流ポンプの領域Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄと比べ、より小流量側、及び高揚程側に広がった領域Ａ’−Ｂ’−Ｃ’−Ｄとなっていることが伺える。言い換えると、通常型軸流ポンプの失速限界線である２乗曲線Ｄ−Ａがより小流量側、及び高揚程側を通る２乗曲線Ｄ−Ａ’に移動する。この移動は、結果として、相対的ではあるが羽根の失速を原因として発生する不安定領域を高揚程で小流量側に移動させたことになる。
このように、本実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプ１は、図６に示す揚程曲線の例では、各回転数での運転における最高効率点流量の約５０％、最高効率点揚程の約１８０％付近まで不安定領域が発生しないため、より低い回転数まで安定した運転が可能であり、その運転可能な最低吐出し量は一般的な軸流ポンプを回転速度制御した場合に比べ大幅に減少させることができる。
【００２０】
図７は、実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプを排水設備に適用したときの制御ブロック図である。内水からこれより上部にある外水に軸流ポンプ１で排水するための設備である。内水側には吸込み側水位センサ１１、外水側には吐出し側水位センサ１２がそれぞれ配置されている。吸込み側水位センサ１１、及び吐出し側水位センサ１２の各水位データは検知されて運転制御装置１０に入力される。運転制御装置１０は、インバータ（図示せず）を備えており、インバータにより軸流ポンプ１の回転速度を制御する。運転制御装置１０は、吸込み側水位センサ１１、及び吐出し側水位センサ１２の情報から実揚程Ｈを検知できる。
【００２１】
図８は、運転制御装置１０の軸動力一定の場合の制御動作の概要を示すフロー図である。運転制御装置１０は、吸込み側水位センサ１１、及び吐出し側水位センサ１２の情報から水位情報をそれぞれ検知する（Ｓ１）。この水位情報から内水の水面と外水の水面との落差、即ち実揚程を計算する（Ｓ２）。次に、内水位が予め決められた排水水位以上か、外水位は排水ができる水位であるか等の条件を満たしているか否かを判断する（Ｓ３）。
運転条件を満たしていなければ、ポンプを運転する必要がないので、ポンプは運転中であれば運転を休止し、休止中であればそれを継続する（Ｓ４）。ポンプ運転の休止が一定時間経過すると（Ｓ６）、再び水位情報をそれぞれ検知する（Ｓ１）。ポンプ運転条件を満たしていれば（Ｓ３）、前回の水位計測から予め決めておいた設定水位以上の変動があるか否かを判断する（Ｓ５）。流入水の増加又は減少、外水位の上昇又は下降等により、実揚程Ｈが変動したものであるから、運転条件を変える必要があると判断する。
【００２２】
設定値以上の変動があるときは、ポンプ回転速度を実験式等から演算、又は予め運転制御装置１０に記憶されているデータ（実測）であるマップから引き出した回転数を設定する（Ｓ７）。前述した実揚程Ｈが定まると、軸動力一定制御であるから前置案内羽根付き軸流ポンプ１の特性、図６に示した管抵抗（抵抗曲線）と、測定され演算された実揚程Ｈ、一定の軸動力から、回転数（回転速度）が運転可能な範囲で一義的に決定される。
この回転数が決まれば、インバータへポンプの回転速度を指示して、所定の回転速度になるように周波数を制御する指令をする（Ｓ８）。この後、ポンプは設定された回転速度で運転が行われる（Ｓ９）。このように、本実施の形態１の運転制御装置１０は、軸動力一定で運転し、かつ失速範囲を移動させて、運転可能な範囲を広くしたので、受電設備への負荷の変動が少なく、無駄な設備が必要がない効果がある。なお、上記説明は、１台の前置案内羽根付き軸流ポンプで説明したが複数台を運転するものであっても同様の運転で行う。
【００２３】
この回転速度制御は、実揚程を検知して回転速度を制御するものであったが、この実揚程の検知は必ずしも必要ではない。運転制御装置１０がインバータからポンプの駆動モータに出力される軸動力を検知し、この軸動力が設定値以上を越えたとき、ポンプ回転速度を実験式等から演算、又は予め運転制御装置１０に記憶されているデータ（実測）であるマップから引き出した回転数を設定する方法であっても良い。
【００２４】
［実施の形態２］
前述した実施の形態１は、羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるために前置案内羽根を配置するものであった。実施の形態２の軸流ポンプは、耐失速性を向上させるためにハブ比（ハブ直径／羽根車外径）を従来の数値範囲から変更したものである。図９（ａ）は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させた場合の軸流ポンプの羽根車の正面図、図９（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。
図１０は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させたとき、軸流ポンプの羽根車チップ側における速度ベクトルを示す説明図である。図１１は、本発明の羽根車外径とハブ径を拡大させたとき、羽根車のハブ側における速度ベクトルを示す説明図である。図１２は、図９の羽根車のチップ側における翼形状を示す断面図である。図１３は、図９の羽根車のハブ側における翼形状を示す断面図である。図１２及び図１３から明らかなように、チップ側の翼弦長が長く、ハブ側の翼弦長が短くなっている。
【００２５】
この軸流ポンプ１５は、後述するハブ比以外は基本的な配置構造は従来のものと同一であり、前述した前置案内羽根付の軸流ポンプ１とは前置案内羽根６を備えていない点で異なる。即ち、この軸流ポンプ１５は、後置案内羽根２０を備えている点で異なる。羽根車１６、ハブ１７、翼１８、固定ハブ１９等は、実施の形態１と配置は同一である。
羽根車１６への軸流方向の流速は、ポンプ効率、流速増加による管損失、重量等の観点から３．０〜４．０m/secが選択される。本実施の形態２は、前述した不安定領域の移動のために、本実施の形態２の軸流ポンプのハブ比β’は次の式（１）で表される範囲にある。
【数１】
ただし、
Ｄ’＝前記軸流ポンプの口径（前記羽根車の外径の近似値）、
ｄ’＝前記軸流ポンプのハブ径、
α＝１．１〜１．８、
β＝０．３〜０．７、
である。
このαは、Ｄ’／Ｄで算出される数値である。αが大きいほど耐失速性は向上するが、効率や経済性が犠牲となるので上記数値範囲が適当である。βは、ｄ／Ｄで算出される数値である。このＤは、３．０〜４．０m/secによって選択される一般的な軸流ポンプ口径（前記羽根車の外径の近似値）であり、ｄは、３．０〜４．０m/secによって選択される従来のハブ径である。
【００２６】
前述したαが大きいほど、即ち前記軸流ポンプの口径Ｄ’が大きいほど耐失速性は向上するが、効率や経済性が犠牲になるので、αは１．１〜１．８の範囲が好ましい。軸流ポンプは、一般にハブ比β（ハブ３の直径／軸流ポンプの口径（羽根車外径と近似値））が０．３〜０．７であり、羽根枚数は２〜５枚の範囲とされている。
これらの数値範囲を採用することは、羽根外径、及びハブ１７の直径を増加させることを意味する。羽根外径、及びハブ径を増加させることにより、羽根車１６への流入ベクトルを半径方向のどの位置でも均一化又は略均一化する設計が容易となる。羽根部分での軸線方向の流速は、従来と同様の流速（３．０〜４．０m/sec）となる。即ち、羽根外径とハブ径を共に増加させることにより、羽根車１６の翼１８と揚液との周方向相対速度をチップ（羽根先端部）側、ハブ側で均一化又は略均一化することができるため、ハブ１７側において揚液が要求するエネルギーを与えるために必要な翼のそりは従来と比べ大幅に減少し、翼の取付角が回転軸線と直交する面とのなす角も小さくなる。
【００２７】
以上により、羽根外径ハブ径を共に増加させたポンプでは同一のエネルギーを揚液に与えるために必要となる羽根のそりが従来のポンプと仕べ小さいため、失速を起しにくく、失速を原因として発生するポンプの不安定領域も従来のポンプでの限界である最高効率点流量の６０〜７０％と比べ、更に小流量側まで発生しない高い耐失速性を持ったポンプが実現できた。このポンプと回転速度制御を組み合わせることで、従来のポンプと回転速度制御を組み合わせた場合と比較して、低揚程大流量側から高揚程小流量側まで、更に広い範囲で安定した運転が可能となる。軸流ポンプの速度制御は、実施の形態１で説明した方法と同様の方法で行う。
【００２８】
［実施の形態３］
本実施の形態３は、耐失速性を向上させるために羽根車の揚力係数ＣＬを通常採用される数値範囲からシフトさせたものである。即ち、羽根車の翼弦長を増加させた軸流ポンプの翼形状である。図１４（ａ）は、本発明の羽根車の翼弦長を延長させた場合の軸流ポンプの羽根車の正面図、図１４（ｂ）は、軸流ポンプの側面図である。図１５は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の速度ベクトルを示す説明図である。図１６は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の速度ベクトルを示す説明図である。
図１７は、図１４の軸流ポンプの羽根車のチップ側の翼形状を示す断面図である。図１８は、図１４の軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断側面図である。この軸流ポンプ２１は、実施の形態２の軸流ポンプ１５と実質的に配置は同一である。即ち、この軸流ポンプ２１は、後置案内羽根２６、羽根車２２、ハブ２３、翼２４、固定ハブ２５等は、実施の形態２と配置は同一である。
【００２９】
揚力係数ＣＬは、単独翼の性能を示すものとして用いられている。揚力係数ＣＬ＝Ｌ／｛（１／２）ρω２ｃｂ｝で示される。ただし、この揚力係数ＣＬは、ＪＩＳＢ０１３１の用語の定義の番号８１６３の用語「揚力係数ＣＬ」の形式で定義すると、「ＣＬ＝Ｌ／｛（１／２）ρＶ２Ａ｝」と周知の式であり、Ｌは揚力（Ｎ）、ρは揚液の密度（kg／ｍ３）、Ｖ（前述のωに相当）は流入速度（ｍ／ｓ）、Ａは翼面積（「翼弦長ｃ×翼幅ｂ」に相当）（ｍ２）によって定まる。一般の軸流ポンプの揚力係数ＣＬは、チップ側で０．３〜０．７であり、ハブ側で０．８〜１．２と言われている。本実施の形態３では、チップ側で０．２〜０．５、ハブ側で０．６〜１．０としたものである。より具体的には、翼弦長ｃが増加されるので、翼表面上で単位長さあたりに行われるエネルギーの供与を小さくする設計が有効であり、チップ側とハブ側ともに揚液が要求するエネルギーを可能な限り均等に与える。ただし、これに必要な翼のそりは従来のものと実質的には同様である。
羽根の長さが長くなっているために単位長さ当たりに行われるエネルギーの供与は小さくなり、翼表面からの流れている揚液の剥離がおきにくくなるため、翼の失速を原因として発生する不安定領域もより小流量側まで発生しにくくなる。
図１７と図１８に示した翼断面を備えた羽根車２は、一般の軸流ポンプの揚力係数ＣＬを採用した軸流ポンプと最高効率点流量において同一の性能を発揮するものであるが、前述したように翼の弦長は大きく異なる。図１９は、従来の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。図２０は、本実施の形態３の揚力係数ＣＬを採用したときの軸流ポンプの羽根車のハブ側の翼形状を示す断面図である。
【００３０】
図２０に示すように、翼弦長を増加させた軸流ポンプでは同一のエネルギーを揚液に与えるために必要となる羽根の長さが従来のポンプと比べ長く、単位面積当たりに行われるエネルギーの供与が小さいため、失速を起しにくく、失速を原因として発生するポンプの不安定領域も従来のポンプでの限界である最高効率点流量の６０〜７０％と比べ、更に小流量側まで発生しない高い耐失速性を持ったポンプを実現した。このポンプと回転速度制御を組み合わせることで、従来のポンプと回転速度を組み合わせた場合と比較して、低揚程大流量側から高揚程小流量側まで、更に広い範囲で安定した運転が可能となった。軸流ポンプの速度制御は、実施の形態１で説明した方法と同様の方法で行う。
【実施例１】
【００３１】
前述した実施の形態１の前置案内羽根付き軸流ポンプの実施例を詳記する。前置案内羽根付き軸流ポンプに対し軸動力一定制御を行った場合の排水設備の特性を図２１に示す。このポンプ設備の最高効率点流量は４５ｍ３／min、最高効率点揚程は２．１７ｍ、運転可能最大実揚程は３．２６ｍであり、軸動力は常に２２ｋＷ一定で制御される。吐出し量、揚程共に一般的な軸流ポンプを軸動力一定制御した場合と比べ改善する。
このポンプ設備と同様の最高効率点流量および最高効率点揚程を満たし、かつ同様の最高実揚程まで運転可能な設備を、固定速の一般的な軸流ポンプで実現しようとした場合、電動機および受電設備は前置案内羽根付き軸流ポンプに対し軸動力一定制御を行った場合と比べて２０〜３０％増の３０ｋＷが必要となる（図２１参照）。ポンプが二台設置されていた場合、３０ｋＷ×２台では受電設備は受電契約で言うところの高圧受電範囲が必要となるが、２２ｋＷ×２台では低圧受電でまかなうことができるため、設備のイニシャルコスト、ランニングコスト共に、大幅に縮減することが可能となった。
【符号の説明】
【００３２】
１…前置案内羽根付き軸流ポンプ
２…羽根車
３…ハブ
５…固定ハブ
６…前置案内羽根
１０…運転制御装置
１１…吸込み側水位センサ
１２…吐出し側水位センサ
１５…軸流ポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動される羽根車の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、
前記不安定領域を移動させるために、翼幅に対して翼弦長さを増大させて翼表面上で単位長さあたりに行われるエネルギーの供与を小さくしたことで、前記ポンプの揚力係数ＣＬは、
前記ポンプのチップ側で０．２〜０．３未満、ハブ側で０．６〜０．８未満としたものである
ことを特徴とする軸流ポンプ又は斜流ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の軸流ポンプ又は斜流ポンプにおいて、
羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、前記不安定領域を高揚程で小流量側に移動させて、前記ポンプは、回転駆動される羽根車と、前記羽根車に流入する揚液の流れの前に配置された前置案内羽根とを有するものであり、
前記不安定領域の移動のために、前記羽根車の回転方向とは逆向きで、前記羽根車の半径方向の外周より中心部側がより大きな旋回流を与えて、耐失速特性を向上させたものである
ことを特徴とする軸流ポンプ又は斜流ポンプ。
【請求項１】
回転駆動される羽根車の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、
前記不安定領域を移動させるために、翼幅に対して翼弦長さを増大させて翼表面上で単位長さあたりに行われるエネルギーの供与を小さくしたことで、前記ポンプの揚力係数ＣＬは、
前記ポンプのチップ側で０．２〜０．３未満、ハブ側で０．６〜０．８未満としたものである
ことを特徴とする軸流ポンプ又は斜流ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の軸流ポンプ又は斜流ポンプにおいて、
羽根の失速を原因として発生する不安定領域での運転を避けるための軸流ポンプ又は斜流ポンプであって、前記不安定領域を高揚程で小流量側に移動させて、前記ポンプは、回転駆動される羽根車と、前記羽根車に流入する揚液の流れの前に配置された前置案内羽根とを有するものであり、
前記不安定領域の移動のために、前記羽根車の回転方向とは逆向きで、前記羽根車の半径方向の外周より中心部側がより大きな旋回流を与えて、耐失速特性を向上させたものである
ことを特徴とする軸流ポンプ又は斜流ポンプ。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１４９６４９（Ｐ２０１２−１４９６４９Ａ）
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−９７５３０（Ｐ２０１２−９７５３０）
【出願日】平成２４年４月２３日（２０１２．４．２３）
【分割の表示】特願２００４−２１７９３４（Ｐ２００４−２１７９３４）の分割
【原出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００１６８１９３）株式会社ミゾタ (12)
【出願人】（０００１５０８４４）株式会社鶴見製作所 (56)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月９日（２０１２．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年４月２３日（２０１２．４．２３）
【分割の表示】特願２００４−２１７９３４（Ｐ２００４−２１７９３４）の分割
【原出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００１６８１９３）株式会社ミゾタ (12)
【出願人】（０００１５０８４４）株式会社鶴見製作所 (56)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]