JP2000303995A - 羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 右上がり特性のない揚程−流量特性を有する
だけなく、効率低下を抑制することの可能な羽根入口再
循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械を提供
する。 【解決手段】 ポンプケーシング１２１の内面の羽根の
存在域内の下流側終端位置ａと羽根入口側の低流量時再
循環流発生場所である上流側終端位置ｂとを結ぶ流路１
２４を流体が下流側終端位置から上流側終端位置に向か
って逆流し、低流量時再循環流発生場所で噴出し、再循
環流および羽根旋回失速の発生を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はターボ機械に係わ
り、特に形式および流体に関らず羽根入口再循環流およ
び羽根旋回失速を抑制することにより流動不安定性を防
止することの可能なターボ機械に関する。

【０００２】

【従来の技術】ターボ機械と総称される回転機械は、取
り扱う流体および形式によって以下のように分類可能で
ある。 １．取り扱う流体 液体、気体 ２．形式 軸流、斜流、遠心 図１は運転が容易であるために現在主に使用されている
斜流ポンプの断面図であって、上流から下流に向かっ
て、サクションケーシング１１、ポンプ１２、およびデ
ィフューザ１３から構成される。

【０００３】ポンプ１２のケーシング１２１内で回転す
る羽根（インペラ）１２２は回転軸１２３によって回転
駆動され、サクションケーシング１１から吸い込まれた
液体にエネルギを与える。ディフューザ１３は流体の速
度エネルギの一部を静圧に変換する機能を有する。図２
は図１に示す斜流ポンプを含むターボ機械の典型的な揚
程−流量特性であって、横軸は流量を表すパラメータ、
縦軸は揚程を表すパラメータである。

【０００４】即ち、低流量域では流量が増加するにつれ
て揚程は低下するが、流量がＳ領域にある間は流量が増
加するにつれて揚程も増加する（右上がり特性）。そし
て、流量が右上がり特性領域以上に増加すると流量が増
加するにつれて揚程は低下する。そして、右上がり特性
領域の流量でターボ機械を運転した場合には、流体のか
たまりが管路内で自励振動するサージングが発生する。

【０００５】右上がり特性は、ターボ機械を流れる流体
の流量が低となったときにインペラ入口外縁で再循環流
が発生するが、このとき羽根に入る流体の流路が狭めら
れ、流体に旋回が生じるために発生する（図１参照）。
サージングはターボ機械だけでなく、上流および下流に
接続される配管にも損傷を与えるため低流量域での運用
は禁止されている。また、ターボ機械の運転領域を拡大
するため羽根の形状（プロファイル）を改善するほか、
下記に示すようにサージングを抑制する方法は既に提案
されている。 １．ケーシングトリートメント インペラが存在するケーシング領域に、羽根の弦長の１
０〜２０％の細い溝を形成することにより失速マージン
を改善するものである。

【０００６】図３は既に提案されているケーシングトリ
ートメントの説明図であって、（イ）はケーシングトリ
ートメントと羽根の位置関係の説明図、（ロ）はケーシ
ングトリートメントの断面形状図である。即ち、既に提
案されているケーシングトリートメントは、ケーシング
内壁の羽根の存在領域に、軸方向、周方向、もしくは斜
め方向に径向き、もしくは斜めに相当な深さを有する溝
を形成するものである。

【０００７】ケーシングトリートメントにより失速マー
ジンを向上することが可能なメカニズムは理論的に充分
に解明されてはいないが、圧力の高い流体が低エネルギ
領域に噴出し、失速セルの発生を防止するためであると
考えられている。 ２．セパレータ 低流量域で羽根入口外縁で発生する再循環流の逆流部分
を順流部分と分離するためにセパレータを設置し、再循
環流の拡大を防止するものである。

【０００８】図４は軸流ターボ機械に適用されたセパレ
ータの説明図であって、吸込リング（イ）、ブレードセ
パレータ（ロ）、およびエアセパレータ（ハ）が提案さ
れている。吸込リング（イ）は逆流を吸込リング外側に
閉じ込めるものであり、ブレードセパレータ（ロ）はケ
ーシングとリングの間にフィンを設けるものである。ま
た、エアセパレータ（ハ）は動翼（羽根）先端部を開放
して逆流をケーシング外の流路に導き、フィンによって
逆流の旋回を防止するものであり、前２者に比較して効
果は大であるものの装置が大規模となる。 ３．アクティブコントロール 羽根入口近傍の再循環流の発生場所に外部から高圧の流
体を噴出して再循環流の発生を抑制するものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ケーシ
ングトリートメントおよびセパレータによれば、揚程−
流量特性の上記右上がり特性をより低流量側に移動して
安定運転領域を拡大することは可能であるものの、右上
がり特性自体をなくすことは困難である。また、ケーシ
ングトリートメントにおいて失速マージンを１０％向上
させるごとにターボ機械の効率は約１％低下する。

【００１０】さらに、アクティブコントロールにあって
は、ターボ機械自体もしくは外部から高圧流体を得る必
要があるため、ターボ機械システムとしての効率が低下
することは回避できない。本発明は上記課題に鑑みなさ
れたものであって、右上がり特性のない揚程−流量特性
を有するだけなく、効率低下を抑制することの可能な、
羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ
機械を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係る羽根入口再
循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械は、ケ
ーシング内面に、羽根入口側の低流量時再循環流発生場
所とケーシング内面の羽根の存在域内とを流体圧力の勾
配方向に結ぶ流路を具備する。本発明によれば、ケーシ
ング内面の羽根の存在域内の下流側終端位置と羽根入口
側の低流量時再循環流発生場所である上流側終端位置と
を結ぶ流路内を流体が下流側終端位置から上流側終端位
置に向かって逆流し、低流量時再循環流発生場所でケー
シング１２１内に噴出する。

【００１２】

【発明の実施の形態】図５は本発明の第１の実施形態の
拡大断面図であって、図１の一点鎖線で囲まれた部分を
拡大した図である。即ち、本発明に係る羽根入口逆流を
抑制したターボ機械にあっては、ケーシング１２１の内
面の羽根１２２の中程ａ（溝の下流側終端位置）から低
流量時に再循環流が発生する位置ｂ（溝の上流側終端位
置）にかけて流体圧力勾配方向に浅い溝１２４が形成さ
れる。

【００１３】すると、羽根により圧力の上昇した流体が
溝１２４内を溝の下流側終端位置ａから溝の上流側終端
位置ｂに向かって逆流し、低流量時に発生する再循環流
の発生場所に噴出して再循環流および羽根旋回失速の発
生を防止する。図６は本発明の効果の説明図（その１）
であって、溝を形成する効果を示している。なお、図６
から図９において横軸は無次元化した流量、縦軸は無次
元化した揚程である。

【００１４】即ち、白丸はケーシングに溝を形成しない
場合の揚程−流量特性であって、無次元化流量が０．１
２〜０．１４の範囲で流量の増加に伴って揚程も増加す
る右上がり特性が存在する。白三角および白四角はケー
シングに溝を形成した場合の揚程−流量特性および効率
−流量特性であって、白三角は幅（Ｗ）が５ミリメート
ル、深さ（Ｄ）が４ミリメートルの溝を２８本（Ｎ＝２
８）形成した場合を、白四角は幅１０ミリメートル、深
さ２ミリメートルの溝を２８本形成した場合を示す。

【００１５】図６から明らかなように、幅×深さが、５
×４ミリメートルの溝を形成した場合には右上がり特性
を解消できないが、１０×２ミリメートルの溝を形成し
た場合には完全に右上がり特性が解消されている。即
ち、溝を形成する場合には深い溝よりも浅くかつ幅の広
い溝を形成することが効果的であることを示している。
なお、図６は、ターボ機械の効率ηは、理論的には流路
内の流体の逆流により低下するが、実際上は認識できな
いほど小であることも示している。

【００１６】図７は本発明の効果の説明図（その２）で
あって、溝の長さの影響を示している。即ち、溝の形状
をほぼ一定に維持して、溝の上流側終端位置ｂを固定し
て溝の下流側終端位置ａを変更した場合の揚程−流量特
性および効率−流量特性であって、溝の下流側終端位置
ａを下流側とするほど揚程−流量特性の右上がり特性は
改善される。しかし、極端に下流側とすると必要以上に
高圧の流体を抽出することとなるため効率が低下する。

【００１７】図８は本発明の効果の説明図（その３）で
あって、溝の深さおよび幅の影響を示している。即ち、
溝の本数を一定とした場合には、溝の深さは揚程−流量
特性に大きい影響は与えず、溝の幅を広くするほど揚程
−流量特性の右上がり特性は改善されることを示してい
る。

【００１８】図９は本発明の効果の説明図（その４）で
あって、溝の深さおよび幅の影響を示している。即ち、
溝の形状を一定とした場合には、溝の本数を多くするほ
ど揚程−流量特性の右上がり特性は改善されることを示
している。以上のことから溝を設計する際の考慮点とし
て、以下を挙げることができる。 １．溝の下流側終端位置ａの位置は、噴出により溝の上
流側終端位置ｂに発生する再循環流を抑制できる圧力を
有する流体を取り出すことができる位置であれば特に規
定されないが、必要以上に高圧の位置（即ち下流側）と
するとターボ機械の効率が低下するので、適当な位置を
選択することが必要である。 ２．溝は深くする必要はなく、幅の広い溝を可能な限り
多数本形成することが有効である。

【００１９】以上ケーシングに溝を形成する場合につい
て説明したが、本発明においては、高圧流体を再循環流
の発生場所に噴出可能であれば流路の構造は問われな
い。図１０は本発明の第２の実施形態の拡大断面図であ
って、溝の下流側終端位置ａから上流側終端位置ｂに向
かう流路は溝ではなく、ケーシングを貫通する管路で構
成される。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、自身が昇圧した流体の
一部がケーシングに形成された流路を逆流し、再循環流
の発生場所に噴出して再循環流および羽根旋回失速の発
生を抑制するので、ターボ機械の揚程−流量特性の右上
がり特性を除去することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】斜流ポンプの断面図である。

【図２】ターボ機械の典型的な揚程−流量特性である。

【図３】ケーシングトリートメントの説明図である。

【図４】セパレータの説明図である。

【図５】本発明の第１の実施形態の拡大断面図である。

【図６】本発明の効果の説明図（その１）である。

【図７】本発明の効果の説明図（その２）である。

【図８】本発明の効果の説明図（その３）である。

【図９】本発明の効果の説明図（その４）である。

【図１０】本発明の第２の実施形態の拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１１…サクションケーシング １２１…ポンプケーシング １２２…羽根 １２４…溝 ａ…下流側終端位置 ｂ…上流側終端位置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内面に、羽根入口側の低流量
   時再循環流発生場所とケーシング内面の羽根の存在域内
   とを流体圧力の勾配方向に結ぶ流路を具備した羽根入口
   再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械。
2. 【請求項２】 前記流路が、ケーシング内面に形成され
   た溝である請求項１に記載の羽根入口再循環流および羽
   根旋回失速を抑制したターボ機械。
3. 【請求項３】 前記流路が、ケーシングを貫通するもの
   である請求項１に記載の羽根入口再循環流および羽根旋
   回失速を抑制したターボ機械。