ポンプ設計

キャンドモータ使用電動ウォーターポンプ設計例

キャンドモーターを使用した高効率な電動ウォーターポンプの設計例を進行中です。

キャンドモータ使用電動ウォーターポンプ設計例1キャンドモータ使用電動ウォーターポンプ設計例2

このウォーターポンプは、シュラウドを持ちブレード形状が3次元となる高効率なインペラを設計して用いています。

そして、キャンドモーターというローターとステーターの隙間に封水用の筒状構造を持った無漏洩型を採用していますので、ほぼメンテナンスフリーにて運転可能です。

軸受けも水中軸受けとなっていて、水潤滑のメンテナンスフリーとなります。

このような電動ウォーターポンプの用途としては、ハイブリッド車でのエンジン冷却液の循環状態管理に最適で、燃費改善に貢献します。

究極高効率 3次元羽根 電動ウォーターポンプ 開発設計

3次元羽根を採用して、効率を究極まで追求した、非常に優秀な電動ウォーターポンプの開発設計例をご紹介します。

究極高効率 3次元羽根 電動ウォーターポンプ1

高効率3次元羽根電動ウォーターポンプとなります。

ポンプ効率は羽根部設計により非常に高効率を達成可能となりますので、流体性能を極限まで追求した複雑な曲面を持つ3次元羽根を設計して、電動ウォーターポンプの高性能省エネ化を行いました。

究極高効率 3次元羽根 電動ウォーターポンプ2

羽根部と共に、渦巻き型ケーシングも高効率化性能に重要に関わる部分なので、気を使って設計しています。

究極高効率 3次元羽根 電動ウォーターポンプ3

そして、ポンプの動力源となるモーター部は、メンテナンスフリーをなるべく行えるようにキャンドモーターという方式を採用しています。

このキャンドモーターとは、モーターの永久磁石ローター部は液中に浸かっていて水中軸受けでポンプ羽根と共に回転します。

ローターとステーターの間は隔壁で分けられているのでコイル部には水の浸入がありません。それで無漏洩タイプモーターとも言われます。

また永久磁石式ローターはモーターとしての効率を高くしますので、ポンプ部だけでなくモーター部も高効率となっています。

ターボポンプ = タービンとインデューサー付きポンプの組合せ

ターボポンプ = タービンとインデューサー付きポンプの組合せ

ガスタービンとインデューサー付きポンプの組合せはターボポンプと呼ばれ、主にロケット燃料などの圧送用に使われているものです。

ガスタービンとは燃焼ガスなどの高温・高圧ガスが膨張する時のガス速度の力で回転して動力を発生する、いわば高速回転の風車のようなものです。

ターボポンプ = タービンとインデューサー付きポンプの組合せ2

インデューサー付きポンプとは、高速回転で小型のポンプを使用する場合に、その入口での流速が速くなりすぎるとキャビテーションの発生で悪くすると揚水不能となるのを防ぐための軸流形の羽根を、遠心羽根の前に付け加えたタイプを言います。

ターボポンプ = タービンとインデューサー付きポンプの組合せ3

軸流形インデューサーとは、羽根枚数が3枚ぐらいで、翼弦長が大変に長く、しかも翼の転向角が非常に小さいために、羽根面の負荷が少ないことでキャビテーションの防止が可能となっています。

ガスタービン駆動遠心ポンプの構想

ガスタービン駆動遠心ポンプの構想1

燃焼後ガスなどのガスエネルギーを利用して回転するガスタービンを原動機として駆動される遠心型ポンプの構想図が進みましたので、今日はご紹介します。

この図がガスタービン駆動遠心ポンプの全体3次元CAD図であり、まだ完全に完成しているわけではありませんが、今日時点での成果としてご紹介します。

図内で左側に軸流多段ガスタービンがあり、右側に高速回転でも運転可能に設計を進めている遠心型ポンプを配置しています。

タービンと遠心ポンプは直結で回転されるので、軸流ガスタービンは軸流多段のものとなっており、適切な回転数で馬力を遠心ポンプに伝達します。

ガスタービン駆動遠心ポンプの構想2

この計画の初期に描いた構想図が左図となります。
ほぼこの構想スケッチを基に3次元CADによる立体構想図を進めていたので、今日ご紹介することが出来ています。
一部3次元CADでの構想段階で、より部品などを作りやすく変更していたりはしています。

ガスタービン駆動遠心ポンプの構想3

まだ完成していない主なところは、ガスタービン排気側ケーシングと軸受けボックス関係、そして遠心ポンプ側ではポンプ吸込み性能を改善するインデューサー羽根部分となります。
更にこれには付属の機器群が配置されますので、そこらへんも含めてまた詳しくご紹介したいと思っています。

高圧水動力回収水力タービンにより駆動される遠心ポンプ

海水淡水化施設などで捨てられている高濃度塩水の高圧力を水力タービンにより回転動力として回収を行います。

そして、その動力により遠心ポンプを回転させて元々の高圧ポンプの海水を更に圧力を高める為に設計してみたのが、下図の水力タービン+遠心ポンプ=水力ターボチャージャーとも言える装置です。

遠心ポンプ1

これは外形図ですが、機械の左側が水力タービン部で右側が高圧遠心ポンプ部となります。

遠心ポンプ2

そして左図が内部構造を示しますが、左側の水力タービンランナと右側の遠心ポンプインペラは軸で直結されていて、かなりの高速で回転していますので、遠心ポンプも1段ですが高圧を発生するポンプとなっています。

構造的にはシンプルであり、故障をする要素をなるべく排除した設計となっています。

これは大変な動力を削減できる優秀な省エネ機械と言えます。

温水用超小型遠心ポンプでの今後の開発方向について

省エネや新エネルギー関係装置の中に使われる「温水用小型遠心ポンプ」の今後の開発方向性としては、超小型化と温水温度の上昇化への対応と考えています。

まず温水用遠心ポンプの超小型化については、ポンプ羽根を回転させるモーターの高速回転化により、モーター本体とポンプ羽根の超小型化が可能となります。

ポンプ羽根の超小型化については、超小型化しても効率を高い効率に維持することは弊社のこれまでの開発設計により可能としています。

もう一つの問題である温水温度の上昇化に対しては、超小型化するほどポンプ羽根への流入速度の増大によるキャビテーション発生という問題が大きなものとなっていくでしょう。

温水用超小型遠心ポンプ1

温水温度の上昇化によるキャビテーション発生に対する解決策のひとつが、左図のような遠心ポンプ羽根前につけるスクリュウに類似しているインデューサーの付加となります。

このインデューサー(前置導水羽根)により少しの圧力上昇が行われることにより、遠心ポンプ羽根入口においては蒸気圧までの余裕圧力が発生して、通路を閉塞するようなキャビテーション泡の発生を防ぎます。

ただ一般的にはインデューサー羽根は複雑な加工しにくい形状をしていますので、それをどこまで単純化した形状として同様な効果を持たせることが可能なのか、それが重要な設計課題となりそうです。

小型液体ロケット用 軸流多段燃料ターボポンプ計画

重量が100Kg以下ぐらいの小さな衛星を打ち上げるような小型液体ロケットが計画されるとすれば、それに使用可能な小型の燃料ターボポンプが必要になるであろうとの予想から計画したのが、下図の「軸流多段燃料ターボポンプ」です。

小型液体ロケット用 軸流多段燃料ターボポンプ計画1

このターボポンプは、毎分2~3万回転以上で回転することで燃料を高圧に加圧して送り出します。

軸流タイプなので全体は非常に小型となり、装備しやすいターボポンプです。

設計上の留意点としては、ポンプ入口における相対流速が高速回転により大きな値となる為、入口インデューサーを吸込み部に持たせています。

そして、多段としても普通の軸流翼ではなく、遠心効果を翼に持たせて少しでも1段で圧力を上げる為に、動翼と静翼ともに斜流羽根に近いものとなっています。

この斜流的な羽根は、キャビテーション発生による気体・液体の2層流状態での流れとなっても揚程の減少を少なくする効果を持たせることが出来ると期待されます。

この軸流多段ターボポンプを駆動する原動機はどうなるか考えると、やはりガスタービン又は蒸気タービンにより駆動される方式が適切かと思います。

ただ初期始動は、高速小型永久磁石式モーターなどによるのが良いと思いますので、主軸の片側ずつにガス又は蒸気タービンと高速電気モーターが取り付けられることとなりましょう。

軸流多段燃料ターボポンプ2液用+駆動用ガスタービン

「軸流(斜流)多段燃料ターボポンプ」を2台並べて、酸素剤と燃焼剤の両方を加圧出来るようにすると共に、それを駆動するタービンを付け加えた計画をしてみました。

軸流多段燃料ターボポンプ2液用+駆動用ガスタービン2

並んだ2台の加圧ポンプは、1台のガスタービンによりギアを介して駆動されます。

これにより2液使用においてもタービンは1台ですみ、ターボポンプユニットの小型化を可能としています。

タービンは、ターボポンプユニット専用の燃焼器により発生したガスで駆動されるタイプであり、速度が速く成り過ぎるのを防ぐために自分的には得意とする速度複式衝動型としています。