JP4713066B2 - 羽根車及びそれを備えた汚水処理用ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、羽根車及びそれを備えた汚水処理用ポンプに関するものである。

従来、汚水処理用ポンプの羽根車には、主としてボルテックスタイプ、ノンクロッグタイプ、あるいはスクリュータイプの羽根車が用いられてきた。また、内部に螺旋状の流路を設けた羽根車も知られている（特許文献１参照）。

夾雑物等の異物が混入した汚水を処理するポンプでは、とりわけ低流量域にあっては、異物の巻き付きや羽根車内における閉塞の問題が生じやすい。
特公昭２８−５８４０号公報

本発明は、低流量域でも異物の巻き付きや羽根車内における閉塞が生じ難く、しかも、ポンプ効率を満足できる、螺旋状流路を有する羽根車、及びそれを備えた汚水処理用ポンプを提供せんとするものである。

本発明に係る羽根車は、一端に吸込口が形成され且つ他端側の側方に吐出口が形成され、内部に前記吸込口と前記吐出口とをつなぐと共に、前記羽根車の回転軸周りに周回しながら該軸に沿って延びる螺旋状流路が区画形成された略円筒形状の羽根車であって、外周面における前記吐出口よりも前記吸込口側部分から前記外周面に沿って外方に突出し、前記吸込口側と前記吐出口側とを仕切るフランジ部と、所定の関数によって設計されかつ、前記螺旋状流路を区画する１次羽根と、前記１次羽根における外周付近の一部を削るように、前記フランジ部よりも前記吐出口側の外周部分の一部を内側に削ったような形状に形成され、前記螺旋状流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路を区画する２次羽根と、を備えているものであり、前記２次羽根は、前記１次羽根とは異なる関数によって設計されている。

上記羽根車は、吸込口側と吐出口側とがフランジ部によって仕切られており、いわゆるクローズ型の羽根車であるので、夾雑物等の絡みつきや羽根車内での閉塞は少なくなる。また、吸込口から吐出口に至る１次流路は、螺旋状流路である。そのため、羽根車内部における汚水のよどみ域は減少し、夾雑物等は螺旋状流路に沿って円滑に流れる。したがって、夾雑物等は羽根車内で閉塞しにくくなる。

さらに、上記羽根車では、２次羽根を設けたことによって、螺旋状流路と連続し且つ外周面に沿った２次流路が形成されている。これにより、吸込口から吸い込まれた汚水は、１次羽根だけでなく２次羽根によっても搬送される。その結果、吐出圧力が高くなり、また、ポンプ効率が向上する。

加えて、２次羽根は、羽根車の外周部分の一部を内側に削ったような形状に形成されているので、２次羽根を持たない羽根車に比べて軽量化を図ることができる。

前記２次羽根は、半周以上の長さにわたって周回していることが好ましい。このことにより、ポンプ効率等の更なる向上が図られる。

１次羽根の出口端と２次羽根の入口端との境界部分は、曲線で連続的に形成されていることが好ましい。

羽根の出口側の先端と円周接線とのなす角である羽根出口角は、２次羽根の方が１次羽根よりも小さいことが好ましい。

前記２次流路は、その流路中心が前記回転軸方向に直交する同一面内に位置するように形成されていてもよい。

このことにより、２次流路が螺旋状に形成されている場合と比べて、羽根車の軸方向長さが短くなる。そのため、羽根車の小型化を促進することができる。

本発明に係る汚水処理用ポンプは、前記羽根車と、吸込口及び吐出口が形成され、前記羽根車を覆うケーシングと、前記羽根車を回転させるモータと、を備えたものである。

このことにより、異物が絡みにくく且つ効率の高いポンプが得られる。

本発明によれば、羽根車の吸入口から吐出口に至る流路を螺旋状に形成したので、羽根車内部における異物の絡みつきを効果的に防止することができる。また、２次羽根を設けることによって、螺旋状流路に連続する２次流路を形成したので、ポンプ効率を向上させることができる。したがって、異物の通過性向上とポンプ効率の向上との両立を図ることが可能となる。また、２次羽根は羽根車の外周部分の一部を内側に削ったような形状に形成されているので、２次羽根を持たない羽根車に比べて軽量化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、実施形態に係る汚水処理用ポンプ１０は、ターボ式の水中ポンプである。ポンプ１０は、羽根車１１と、羽根車１１を覆うポンプケーシング１２と、羽根車１１を回転させる密閉型の水中モータ１３とを備えている。

水中モータ１３は、ステータ１４及びロータ１５からなるモータ１６と、モータ１６を覆うモータケーシング１７とを備えている。ロータ１５の中心部には、上下方向に延びる駆動軸１８が固定されている。駆動軸１８の上端部とやや下側の中途部とは、軸受１９，２０によってそれぞれ回転自在に支持されている。駆動軸１８の下端部は、羽根車１１と連結されている。

ポンプケーシング１２の内部には、断面が半円状に窪んだ内壁２５によって区画されたポンプ室２６が形成されている。羽根車１１の吐出部２８（図２参照）は、このポンプ室２６に収容されている。ポンプケーシング１２の下部には、下方に突出した吸込部２１が形成されている。吸込部２１には、下方に開口した吸込口２２が形成されている。ポンプケーシング１２の側部には、側方に突出した吐出部２３が形成されている。吐出部２３には、側方に開口した吐出口２４が形成されている。

図２に示すように、羽根車１１には、軸方向の下側から上側に向かって順に、吸込部２７と吐出部２８とが設けられている。吸込部２７及び吐出部２８は、いずれも略円筒形状に形成されており、吐出部２８は吸込部２７よりも大径に構成されている。吐出部２８と吸込部２７とは、羽根車１１の外周面から外方に突出したフランジ部４０によって仕切られている。

図３に示すように、吸込部２７の下端には、下方に開口した吸込口２９が設けられている。図２に示すように、吐出部２８の上側は、上端壁３０によって覆われている。つまり、羽根車１１の上側は上端壁３０によって密閉されている。

上端壁３０の中心部には、駆動軸１８の先端を挿入する穴３２が形成されており、この穴３２の周囲部分は駆動軸１８を取り付けるための取付部３１を構成している。上端壁３０の一部（ここでは、上端壁３０の半分）は下方に窪んでいる。これは、羽根車１１の全体の重量バランスを均一化し、回転の安定性を高めるためである。すなわち、上端壁３０の一方の側（羽根車１１の重量の大きな側）は、削り取られたような形状に形成されている。ただし、上端壁３０の窪み３３の大きさや形状は、何ら限定されるものではない。また、窪み３３は必ずしも必要ではなく、上端壁３０の形状は特に限定されるものではない。上端壁３０の上面は面一であってよい。

図９〜図１１及び図２１に示すように、吐出部２８の側方には、吐出口３４が形成されている。図１３〜図２０に示すように、羽根車１１の内部には、吸込口２９から吐出口３４に至る螺旋状の１次流路３５が区画形成されている。本明細書では、この１次流路３５を区画している区画壁を１次羽根３６と称する。なお、図２１に示すように、吐出口３４は１次流路３５の螺旋状の流路の延長方向に向かって開口している。

吐出部２８の外周面の一部は、外周面に沿って内側に削り取られたような形状に形成され、吐出部２８における１次流路３５の下流側の外周面には、内側に窪んだ流路３７が形成されている。つまり、吐出部２８の外周面の一部には、１次流路３５に連続する２次流路３７が形成されている。本明細書では、この２次流路３７を区画している区画壁を２次羽根３８と称する。

本実施形態では、２次流路３７は、非螺旋状の流路であり、その流路中心は軸方向と直交する同一面内に位置している。すなわち、２次羽根３８はいわゆる半径流形の羽根であり、汚水を軸方向と直交する方向（径方向外側）に吐出するように形成されている。図６〜８に示すように、２次流路３７の流路幅は、下流側に行くに従って細くなっている。また、図２１〜２２に示すように、２次羽根３８の厚みも下流側に行くに従って薄くなっている。

本実施形態では、２次流路３７は半周以上の長さにわたって吐出部２８を周回している。図８に示すように、２次流路３７の下流端は、吐出口３４の近傍にまで延びている。２次流路３７の長さは、半周以上且つ１周未満が好ましい。ただし、２次流路３７の長さは特に限定されるものではない。

図２１に示すように、２次羽根３８の羽根出口角θ２は、１次羽根３６の羽根出口角θ１よりも小さく設定されている。なお、羽根出口角とは、羽根の出口側の先端と円周接線とのなす角で定義される。本羽根車１１では、１次流路３５と２次流路３７とが連続しているため、１次羽根３６の出口側の先端（下流端）３６Ａは、２次羽根３８の上流端と連続している。１次羽根の出口端と２次羽根の入口端との境界部分は、曲線で連続的に形成されている。１次羽根と２次羽根とは、滑らかにつながっている。

なお、通常、羽根の設計の際には、羽根の曲線を表す所定の関数を用いることが多い。本実施形態では、１次羽根３６と２次羽根３８とは、設計の際に用いられる関数が異なっている。

−実施例−
次に、２次羽根３８の効果を確認するために行った試験について説明する。

図２３に示すように、本確認試験では、上記実施形態の羽根車（実施例１）と、上記実施形態において２次流路３７の長さを短くした（具体的には、２次流路３７の長さが半周未満）羽根車（実施例２）と、１次流路３５のみで２次羽根３８のない羽根車（比較例１）とを用いた。試験結果を図２４及び図２５に示す。

なお、各パラメータは、以下の通りである。

図２５から明らかなように、２次羽根３８を有する羽根車（実施例１，２）は、２次羽根３８のない羽根車（比較例１）に比べて、効率η及び揚程係数ψが大きいことが確認された。また、２次流路３７の流路長さを長くした方が、効率η及び揚程係数ψが大きくなることが分かった。

以上のように、本羽根車１１では、吐出部２８の外周面を内側に削ったような形状の２次羽根３８を設けることにより、螺旋状の１次流路３５に連続する２次流路３７を形成することとした。そのため、羽根車１１を大型化することなく、流路の全長を長くすることができる。吸込口２９から吸い込んだ汚水を１次羽根３６及び２次羽根３８の両方で搬送するので、吐出圧力を高めることができ、また、ポンプ効率を向上させることができる。

２次羽根３８は、吐出部２８の外周部分を削ったような形状に形成されているので、羽根車１１の径方向長さが短くなる。そのため、羽根車１１の小型化を図ることができる。また、羽根車１１の軽量化を図ることができる。

さらに、２次流路３７は、螺旋状でなく略円周状に形成されているため、２次流路３７を設けるために羽根車１１の軸方向長さを長くする必要はない。したがって、軸方向長さに関しても、羽根車１１の小型化及び軽量化が維持又は促進される。

一方、吸込口２９から吐出口３４に至る１次流路３５は螺旋状に形成されているので、流路内のよどみ域は少なく、汚水は１次流路３５を円滑に流れる。そのため、汚水に含まれる夾雑物等の異物は、羽根車１１の内部で詰まりにくい。したがって、異物の通過性を良好に保つことができ、通過性向上と効率向上との両立を図ることができる。

また、羽根車１１は、吸込部２７と吐出部２８とがフランジ部４０で仕切られたクローズタイプの羽根車である。この点においても、異物の絡みつきを効果的に防止することができる。

−変形例−
本発明に係る羽根車及びポンプは、上記実施形態に限定されず、種々の変形例を含むものである。

１次流路３５又は２次流路３７の流路断面形状は、上記実施形態のものに限定される訳ではない。例えば、上記実施形態では、２次羽根３８の流路断面は半円状に形成されていたが（図１３等参照）、２次羽根３８の流路断面は半楕円状に形成されていてもよく、図２６に示すように略コ字状に形成されていてもよい。２次羽根３８の流路断面形状は何ら限定されるものではない。

上記実施形態は、汚水を軸方向と直交する方向に吐出するいわゆる半径流形の羽根車であった。しかし、本発明に係る羽根車は、半径流形の羽根車に限らず、汚水を斜め上方向に吐出するいわゆる斜流形（混流形とも言う）の羽根車であってもよい。

上記実施形態では、２次流路３７は略円周状に形成されていた。しかし、２次流路３７を螺旋状に形成することも可能である。２次流路３７は、１次流路３５と異なる関数で表現される螺旋状の流路であってもよく、２次羽根３８は１周以上の長さにわたって周回していてもよい。

なお、上記実施形態では、羽根車１１は吸込口２９が鉛直下向きに開口するような姿勢に設置されていたが、羽根車１１の設置姿勢は何ら限定されない。例えば、吸込口２９が横方向を向くように、羽根車１１を横置き設置することも勿論可能である。前述の説明における上下方向は、説明の便宜上の方向であり、実際の設置方向を限定するものではない。

以上説明したように、本発明は、流体を搬送するターボ式ポンプについて有用であり、特に、夾雑物等を含んだ汚水を搬送する汚水処理用ポンプに有用である。

汚水処理用ポンプの断面図である。 羽根車を上方から見た斜視図である。 羽根車を下方から見た斜視図である。 羽根車の平面図である。 図４のＤ１方向矢視図である。 図４のＤ２方向矢視図である。 図４のＤ３方向矢視図である。 図４のＤ４方向矢視図である。 図４のＤ５方向矢視図である。 図４のＤ６方向矢視図である。 図４のＤ７方向矢視図である。 図４のＤ８方向矢視図である。 図５のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線断面図である。 図６のＸＩＶ−ＸＩＶ線断面図である。 図７のＸＶ−ＸＶ線断面図である。 図８のＸＶＩ−ＸＶＩ線断面図である。 図９のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。 図１０のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線断面図である。 図１１のＸＩＸ−ＸＩＸ線断面図である。 図１２のＸＸ−ＸＸ線断面図である。 図５のＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。 図５のＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面図である。 確認実験に用いた羽根車の図２２相当図である。 流量係数と軸動力係数との関係を示すグラフである。 流量係数と効率及び揚程係数との関係を示すグラフである。 羽根車の変形例に係る図１３相当図である。

符号の説明

１０ 汚水処理用ポンプ
１１ 羽根車
１２ ポンプケーシング（ケーシング）
１３ 水中モータ
２２ ポンプケーシングの吸込口
２４ ポンプケーシングの吐出口
２７ 吸込部
２８ 吐出部
２９ 吸込口
３４ 吐出口
３５ １次流路（螺旋状流路）
３６ １次羽根
３７ ２次流路
３８ ２次羽根
４０ フランジ部

Claims (6)

1. 一端に吸込口が形成され且つ他端側の側方に吐出口が形成され、内部に前記吸込口と前記吐出口とをつなぐと共に、前記羽根車の回転軸周りに周回しながら該軸に沿って延びる螺旋状流路が区画形成された略円筒形状の羽根車であって、
   外周面における前記吐出口よりも前記吸込口側部分から前記外周面に沿って外方に突出し、前記吸込口側と前記吐出口側とを仕切るフランジ部と、
   所定の関数によって設計されかつ、前記螺旋状流路を区画する１次羽根と、
   前記１次羽根における外周付近の一部を削るように、前記フランジ部よりも前記吐出口側の外周部分の一部を内側に削ったような形状に形成され、前記螺旋状流路と連続し且つ外周面に沿って周回する２次流路を区画する２次羽根と、を備え、
   前記２次羽根は、前記１次羽根とは異なる関数によって設計されている羽根車。
2. 前記２次羽根は、半周以上の長さにわたって周回している請求項１に記載の羽根車。
3. １次羽根の出口端と２次羽根の入口端との境界部分は、曲線で連続的に形成されている請求項１又は２に記載の羽根車。
4. 羽根の出口側の先端と円周接線とのなす角である羽根出口角は、２次羽根の方が１次羽根よりも小さい請求項１〜３のいずれか一つに記載の羽根車。
5. 前記２次流路は、その流路中心が前記回転軸方向に直交する同一面内に位置するように形成されている請求項１〜４のいずれか一つに記載の羽根車。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の羽根車と、
   吸込口及び吐出口が形成され、前記羽根車を覆うケーシングと、
   前記羽根車を回転させるモータと、
   を備えた汚水処理用ポンプ。

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