JP2001082392A - ターボ機械及びそれを利用したポンプ機場 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 揚程−流量特性の右上がり特性を除去するこ
とにより安定化を図ると共に、製作が容易なターボ機械
とそれを利用したポンプ機場を提供する。 【解決手段】 ケーシング２の内面２ａに、羽根入口側
とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝３をケーシ
ング内面の周方向に複数形成し、溝幅Ｗの合計値を溝部
分のケーシング周長で割った値をＷＲ（幅比）、溝全体
の体積を羽根車体積で割った値をＶＲ（体積比）、溝幅
Ｗを溝深さＤで割った値をＷＤＲ（幅深さ比）、溝の羽
根入口から下流の長さと溝の深さとの比をＤＬＤＲと
し、指標ＪＥＮｏ．を以下で求め、この値が０．０３〜
０．５の範囲となる溝形状としたターボ機械。 ＪＥ
Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲまた、
上記ターボ機械をポンプ機場に採用し、広流量範囲での
運転を実現する。

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わらず羽根入口の再循環
流による旋回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及びそ
れを利用したポンプ機場に関する。

【０００２】より詳細には、本発明は、非容積型の羽根
車を有するポンプ、圧縮機或いは送風機等のターボ機械
に関し、特に、羽根入口の再循環流の正流における予旋
回や羽根旋回失速を抑制して流動不安定性を防止するこ
とが可能で、火力或いは原子力発電などで循環水ポン
プ、排水ポンプ等として使用される斜流ポンプなどに好
適なターボ機械、更には、本発明になるターボ機械を利
用したポンプ機場に関するものである。

【０００３】

【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

【０００４】図２２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、およびディヒューザ１３から構成される。

【０００５】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。ディヒューザ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。

【０００６】図２３は、上記図２２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
軸は流量を表わすパラメータ、縦軸は揚程を表わすパラ
メータである。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】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２２参
照）。

【００１０】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
領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（プロフィル）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。

【００１１】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。

【００１２】図２４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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】２．セパレータ 低流領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配置し、再循
環流の拡大を防止するものである。

【００１６】図２５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。

【００１７】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、前二者に比較して
効果は大であるものの、装置が大規模となる。

【００１８】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による旋回の発生を抑制するもの
である。

【００１９】更に、従来のターボ機械の一例として斜流
ポンプの場合について述べる。斜流ポンプの揚程−流量
特性曲線（以下、揚程曲線という）は、全流量域でポン
プが運転される場合、安定な運転が可能である右下がり
特性の揚程曲線が要求されている。しかし、通常のポン
プでは、ポンプの性能を表わす効率、揚程曲線の安定
性、キャビテーション性能、締め切り軸動力などは、互
いに相い反する関係となっているのが一般的であった。
すなわち、ある一つの特性の向上を図れば、他の特性が
低下し、同時に二つ以上の特性向上を図ることは難しい
という問題があった。例えば、効率を重視したポンプに
おいては揚程曲線の一部に右上がり特性が顕著に現わ
れ、不安定となる傾向があった。

【００２０】安定な運転が可能である右上がりの揚程曲
線を得るための従来技術としては、上述のように、ケー
シングトリートメントやセパレータを設けることは既に
知られている。なお、この種の公知例としては、米国特
許第４，２１２，５８５号明細書に記載されたものなど
がある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術の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に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。

【００２２】更に、ケーシング内壁に軸方向の深い溝を
加工する作業も容易ではなかった。また、ケーシングト
リートメントなどはシュラウドを有するクローズド羽根
車には適用できないという問題もあった。

【００２３】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。

【００２４】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であって、右上がり特性のない揚程−流量特性を有する
だけでなく、効率低下を抑制することの可能な、羽根入
口の再循環流による旋回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。

【００２５】即ち、本発明の目的は、右上がり特性のな
い揚程−流量特性を有し、かつ、高い効率も達成できる
ターボ機械を得ることにある。

【００２６】本発明の他の目的は、右上がり特性のない
揚程−流量特性が得られかつ製作も容易なターボ機械を
得ることにある。

【００２７】本発明の更に他の目的は、クローズド羽根
車を有するターボ機械に対しても右上がり特性のない揚
程−流量特性を得ることにある。

【００２８】

【課題を解決するための手段】かかる上記の目的は、本
発明によれば、上記の目的を達成するため、ケーシング
内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内と
を結び、幅が少なくとも５ｍｍ程度以上の溝を具備する
ターボ機械により達成される。

【００２９】また、本発明によれば、ケーシング内面
に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを流
体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ程度以上の溝を周方
向に多数本形成し、該溝の下流側終端位置は、溝の上流
側終端位置に再順還流が発生するのを抑制するために必
要な圧力の流体を取り出す位置としたターボ機械が提供
されている。

【００３０】さらに、本発明によれば、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
グ内面の羽根存在領域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ
幅が１０ｍｍ程度以上の浅い溝を形成し、且つ該溝の下
流側終端位置は、溝の上流側終端位置に再循環流が発生
するのを抑制するために必要な圧力の流体を取り出す位
置として、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を
除去するように構成したターボ機械が提供されている。

【００３１】なお、本発明によれば、前記に記載したタ
ーボ機械において、前記溝の幅は、前記溝が形成された
ケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるよう
に、また、前記溝の幅の深さは、前記ケーシングの直径
に対してほぼ０．５％〜１．６％で形成されており、よ
り好ましくは、前記溝は、約２ｍｍ〜４ｍｍの深さで形
成されている。

【００３２】また、本発明によれば、やはり上記の目的
を達成すべく、オープン形羽根車とこの形羽根車を収容
するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車の
羽根の入口外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、
羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝
を周方向に複数設け、前記溝の谷底面の高さはこれに隣
接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構
成したターボ機械が提供されている。

【００３３】加えて、本発明によれば、やはり上記の目
的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形羽根車を収
容するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車
の羽根の入口外周部に対峙する前記ケーシングの内面
に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結
ぶ溝を周方向に複数設け、前記溝の終端下流に隣接する
前記ケーシング内面は、前記の溝の谷底面と同じレベル
またはそれより外周方向となるように形成し、溝の部分
に対峙する羽根車の羽根の入口側外周部は上記溝の部分
に対応して羽根車羽根高さを低く構成し、溝より下流側
の羽根車の羽根高さは溝に対峙する部分の羽根高さより
も高く構成したターボ機械が提供されている。

【００３４】また、本発明によれば、やはり上記の目的
を達成すべく、オープン形羽根車とこの形羽根車を収容
するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車の
羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシングの内面
に、羽根入口側の低流量時再循環流発生場所とケーシン
グ内面の羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅
が５ｍｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、該溝の下
流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正
流）中に予旋回が発生するのを抑制するために必要な圧
力の流体を取り出す位置として、ターボ機械の揚程−流
量特性の右上り特性を除去するように構成し、かつ前記
溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同
等またはそれ以上の高さに構成すると共に、前記溝の部
分に対峙する羽根車の羽根の入口外周部は溝の部分に対
応して羽根車羽根高さを低く構成したターボ機械が提供
されている。

【００３５】さらに、本発明によれば、やはり上記の目
的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形羽根車を収
容するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車
の羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシングの円錐
状の壁面よりも径方向に突出するように圧力勾配方向に
複数本の溝を設け、羽根入口付近の子午面における羽根
高さは羽根出口付近の子午面における羽根高さより小と
し、これら羽根高さは前記溝の部分の高さに対応して決
定されているターボ機械が提供される。

【００３６】そして、本発明によれば、やはり上記の目
的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形羽根車を収
容するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車
の羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシングの内面
に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結
ぶ溝を周方向に複数設け、前記溝の山の部分が形成する
流路形状が、溝下流側ケーシングの流路形状を上流側へ
そのまま延長した形状よりもポンプ回転中心からの半径
方向距離が大となるように構成し、かつ前記羽根車の先
端形状は、溝部及びケーシング内壁と略一定な隙間を形
成するように形成され、前記溝の終端付近における羽根
車羽根高さはその下流側羽根高さよりも高く構成されて
いるターボ機械が提供されている。

【００３７】また、本発明によれば、やはり上記の目的
を達成すべく、シュラウドを有するクローズド形羽根車
とその羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機械
において、前記羽根車の羽根入口付近をシュラウドのな
いオープン形に構成し、その羽根入口付近のシュラウド
のない部分に対峙するケーシング内壁には圧力勾配の方
向の溝をその周上に複数本配設し、該溝の入口側始端は
羽根車の羽根先端入口側より上流側に配置し、かつ該溝
の出口側終端は羽根車先端入口部より下流側に配置した
ターボ機械が提供されている。

【００３８】さらに、本発明によれば、やはり上記の目
的を達成すべく、シュラウドを有するクローズド形羽根
車とその羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機
械において、前記羽根車の羽根入口付近をシュラウドの
ないオープン形に構成し、その羽根入口付近のシュラウ
ドのない部分に対峙する前記ケーシングの内面には、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
の羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍ
ｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、該溝の下流側終
端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）中に
予旋回が発生するのを抑制するために必要な圧力の流体
を取り出す位置として、ターボ機械の揚程−流量特性の
右上り特性を除去するように構成し、かつ前記溝の谷底
面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等または
それ以上の高さに構成したターボ機械が提供されてい
る。

【００３９】なお、本発明では、前記に記載したターボ
機械において、好ましくは、羽根車シュラウドの最小径
部とケーシングとの間をシールする軸封部を有し、この
軸封部はマウスリング部とケーシングリング部とで構成
されている。

【００４０】また、本発明によれば、やはり上記の目的
を達成すべく、羽根車とこの羽根車を収容するケーシン
グを備えたターボ機械において、羽根車の羽根の入口側
外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、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先
端存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ溝を周方向に
複数形成し、該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端
位置の入口主流（正流）中に予旋回が発生するのを抑制
するために必要な圧力の流体を取り出す位置とし、かつ
前記溝を設置する前記ケーシングの部分はケーシングの
他の部分と別体に構成されているターボ機械が提供され
ている。

【００４１】なお、本発明によれば、前記のターボ機械
において、好ましくは、ケーシングは軸方向に分割され
た複数のケーシングライナにより構成され、羽根車の羽
根の入口側外周部に対峙するケーシングライナの内面に
前記溝が形成されており、あるいは、溝を設置する前記
ケーシングの部分はケーシングの他の部分と半径方向に
分割して別体に構成されて組み立てられており、あるい
は、前記溝の始端側は、ポンプ軸方向から羽根車の回転
方向に傾斜する方向に形成している。

【００４２】また、本発明によれば、やはり上記の目的
を達成すべく、ケーシング内面に、羽根入口側とケーシ
ング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝をケーシング内面の
周方向に複数本形成し、溝幅Ｗの合計値を溝の部分のケ
ーシング周長で割った値をＷＲ（幅比）、溝全体の体積
を羽根車体積で割った値をＶＲ（体積比）、溝幅Ｗを溝
深さＤで割った値をＷＤＲ（幅深さ比）、溝の羽根入口
から下流の長さと溝の深さとの比をＤＬＤＲとし、溝形
状を決定する指標をＪＥ Ｎｏ．として以下の式で求
め、この指標ＪＥ Ｎｏ．が０．０３〜０．５の範囲と
なるように前記溝の形状が構成されているターボ機械が
提供される。 ＪＥ Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲ

【００４３】なお、本発明では、前記において、前記Ｊ
Ｅ Ｎｏ．が０．１５〜０．２の範囲となるように前記
溝の形状が構成されていることが好ましい。

【００４４】また、本発明によれば、やはり上記の目的
を達成すべく、吸込側流体の揚程と吐出側の揚程まで上
昇するためのポンプ機場であって、羽根車と当該羽根車
をその内部に配置するケーシングとを備え、吸込側流体
の揚程をポンプアップするためのポンプと、ポンプアッ
プされた液体を当該ポンプから吐出側へ導く管路と、そ
して、前記ポンプの羽根車の回転速度を制御するための
制御手段とを備え、前記ポンプを前記請求項１乃至２０
に記載したポンプとしたポンプ機場が提供されている。

【００４５】なお、本発明では、前記において、好まし
くは、前記のポンプ機場において、その機場で使われる
ポンプの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、
吐出量をＱ（ｍ³／ｍｉｎ）としたときに、ポンプの特
性を示す指数である比速度ＮｓをＮｓ＝Ｎ×Ｑ^0.5／Ｈ
^0.75の式で求めたときに、この速度比Ｎｓが１０００〜
１５００程度であり、また、そのポンプ機場の吸込側流
体位と吐出側流体位から決まる実揚程がポンプの仕様点
揚程の５０％以上であることが好ましく、あるいは、そ
のポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およびディ
ーゼルエンジンであり、その回転速度の制御範囲は基準
回転速度に対して６０％〜１００％であり、あるいは、
そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およびガ
スタービンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転
速度に対して６０％〜１００％であり、あるいは、その
ポンプの駆動装置はインバータにより回転速度を制御す
る電動機であり、その回転速度の制御範囲は基準回転速
度に対して０％〜１００％である。

【００４６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、添付の図面を参照しながら説明する。まず、図１
は、本発明の第１の実施の形態の拡大断面図であって、
図２２に示した斜流ポンプの一点鎖線で囲まれた部分を
拡大した図である。

【００４７】即ち、本発明に係る羽根入口逆流による旋
回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。

【００４８】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による旋回および羽根旋
回失速の発生を防止する。

【００４９】図２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２
から図５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。

【００５０】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。

【００５１】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＝２８）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。

【００５２】図２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２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、実際上は確認できな
いほど小であることも示している。

【００５３】図３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、極端に下流側にすると必要以上に
高圧の流体を抽出することとなるため効率が低下する。

【００５４】図４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。

【００５５】図５は本発明の効果説明図（その４）であ
って、溝の本数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。

【００５６】以上のことから溝を設計する際の考慮点と
して、以下に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に発生する再順還流による旋回を抑制で
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
れば特に限定されないが、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。

【００５７】なお、本発明者等による種々の実験によれ
ば、上記の溝の幅（Ｗ）とその個数（Ｎ）は、上記溝が
形成されるケーシングの全周長（π×Ｄ、Ｄ＝上記溝が
形成されるケーシング部の直径）の約３０％〜５０％程
度になるように選択されることが好ましいことが分かっ
た。また、その深さ（ｄ）については、例えば、ケーシ
ングの径（Ｄ）が約２５０ｍｍの上記実施の形態では、
２〜４ｍｍ程度が好ましく、このことから、ケーシング
の径（Ｄ）に対する溝の深さ（ｄ）の比は、０．５％〜
１．６％の範囲（ｄ／Ｄ＝０．５％〜１．６％)に設定
することが好ましいことが分かった。

【００５８】次に、本発明の第２の実施の形態につい
て、以下に詳細に説明する。本発明の第２の実施の形態
になるターボ機械は、羽根入口の再順還流による旋回お
よび羽根旋回失速を抑制するため、ケーシング内面に、
羽根入口側の低流量時再順還流発生場所とケーシング内
面の羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ流路を
設けている。

【００５９】このように構成することにより、ケーシン
グ内面における羽根の存在域内下流側終端位置と、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、低流量時の再循環流発生場
所に噴出される。したがって、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羽根入口に発生する再循環流の順方
向成分（主流（正流）に平行な成分）による予旋回の発
生や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に
なる。

【００６０】しかし、上記のように構成する場合、次の
ように溝加工が難しい。すなわち、溝は流体圧力の主勾
配方向に設置され、最も単純な形状は溝の中心線が軸方
向である直線形状であるが、溝は羽根車と対峙するケー
シング内壁に設置され、ケーシング壁面より窪んだ状態
に形成される。このような溝を工具で機械加工しようと
するとき、溝の上流側及び下流側端面は行き止まりの形
状であるため、工具を溝の中心線方向に移動させて切削
加工する場合、工具を端面で停止せねばならないため、
加工効率が極めて悪くなり、加工に時間を要し、制作費
の増大をもたらすことが考えられる。

【００６１】この点を改善するため、本発明では次のよ
うにしている。 （１）溝の底面をケーシング内壁面の高さに合わせ、溝
加工時に工具が溝の終端からはみ出しても問題とならな
いようにする。すなわち、羽根車の羽根高さは、溝の山
に対向するように溝と対向する部分と溝と対向しない部
分とで溝の高さを対応させた、段付き形状とする。 （２）溝を設置したケーシング部分を他の部分と分離さ
せ、別体構造とすることにより、溝加工を容易に行うこ
とができるようにする。

【００６２】さらに、羽根車にシュラウドがあるクロー
ズド形羽根車を有するものに対しても右上がり特性のな
い揚程−流量特性を有するターボ機械を得るために、以
下のようにしている。

【００６３】すなわち、クローズド形羽根車入口部の再
循環流れが生ずる羽根部分のみシュラウドを除去し、そ
の下流側はシュラウド付の羽根車とし、羽根のシュラウ
ドのない部分に対峙するケーシング内壁部分に圧力勾配
方向に複数の溝を設けるようにした。

【００６４】以下、本発明の具体的な実施の形態を図面
に基づき詳細に説明する。図６に本発明の第２の実施の
形態の一例を詳細に示し、また、図６のII−II線断面形
状を図７に示す。

【００６５】斜流ポンプのオープン形羽根車１を包含す
るケーシング２の流路内壁２ａには軸方向の溝３が設け
られている。溝はケーシングの内壁２ａから高さＤなる
寸法の山部３ａと内壁面２ａと同じ高さの谷部３ｂから
なっており、溝の幅Ｗや本数Ｎは、例えば、Ｄ／Ｗ＝
０．０５〜０．３、Ｎ＝２５〜１００本程度である。羽
根車径が３００〜４５００ｍｍのポンプでは、溝の幅Ｗ
は例えば５〜１５０ｍｍ程度、好ましくは８〜３０ｍｍ
程度とし、溝の高さ（深さ）は溝幅に応じて溝幅の０．
１〜０．３倍位の高さ、例えば０．５ｍｍ〜３０ｍｍ、
好ましくは１．５〜６ｍｍ程度とする。一方、羽根車の
羽根高さは静止側の溝の山部を含む子午面形状におい
て、通常のオープン羽根車の羽根先端隙間δを確保した
形状となっている。

【００６６】このような構成において、ポンプが低流量
域で運転されると、羽根により圧力上昇した流体が溝３
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、再循環流発生場所における再循環流の正
流（主流）成分による予旋回の発生や羽根旋回失速の発
生を防止する。その結果、揚程曲線の谷部はなくなり右
下がりの安定な曲線となる。上記の構成とすることによ
り、溝の製作を容易に行うことができる利点がある。こ
れは溝の山部３ａが溝の終端の壁面２ａから突出してい
ること、また、溝の谷部３ｂは終端の壁面２ａと同じ高
さにあり、溝の加工時、特に機械加工においては、工具
を溝終端で停止させることなく突き切ることができるの
で、加工効率を向上させることができる。

【００６７】上記本発明の第２の実施の形態の他の例
（第１の変形例）を図８に示す。この例では、静止側ケ
ーシング２を、溝を含む静止側ケーシングライナ２ｃ、
溝のない静止側ケーシングライナ２ｄ、２ｅにより構成
し、これら別部材とされた静止側ケーシングライナ２
ｃ、２ｄ、２ｅを軸方向に配置したものである。このよ
うに構成することにより、溝３の部分の加工は、溝を形
成するケーシングライナ２ｃのみを一つの部品として加
工することができ、溝の終端部は開放されているため、
加工効率を上げることができる。

【００６８】上記本発明の第２の実施の形態の更に他の
例（第２の変形例）を図９に示す。この例でも、静止側
ケーシング２を、溝を含む静止側ケーシングライナ２
ｃ、溝のない静止側ケーシングライナ２ｄ、２ｆにより
構成したものであるが、溝を含む静止側ケーシングライ
ナ２ｃは、溝のない静止側ケーシングライナ２ｆと半径
方向に分離されて別部材としてある。この例でも、溝３
の部分の加工は、溝のあるケーシングのみを一つの部品
として扱うことができ、かつ溝の終端部は開放されてい
るため、加工効率を上げることができる。

【００６９】本発明の第２の実施の形態における溝形状
の一例を、図１０に示す。この例は、羽根車１の上流側
に位置する溝３の始端は、ポンプ軸方向から羽根車の回
転方向に角度θだけ傾斜させてある。このような構成に
おいては、揚程曲線に不安定部が生ずる低流量域におい
て、再循環流である羽根車からの上流側への逆流は、溝
３によりその旋回成分が抑制され、もって羽根車へ流入
する流れの予旋回成分が低減される。したがって、羽根
車の出す理論揚程は低下せず、安定な揚程曲線を得るこ
とができる。しかし、締め切り点付近の流量において
は、循環流の逆流は上述の再循環領域よりさらに上流側
まで達する。しかるに、その位置にある溝の方向はポン
プ軸方向ではなく、羽根車の回転方向に角度θだけ傾斜
している。従って、その溝始端付近まで達した逆流に
は、溝の方向、すなわち羽根車の回転方向の旋回成分が
付与され、その逆流により羽根車に流入する流体にも若
干の旋回成分が付与される。このため羽根車の出す理論
揚程は、溝がポンプ軸に平行な場合に比べ低下し、それ
に伴い羽根車を回転させるのに費やされる軸動力も低下
して、締め切り軸動力の低減を図ることができる。この
ように、図１０に示す溝形状とすることにより、揚程曲
線の安定化を図ることができると共に、締め切り軸動力
の低減を図ることも可能となり、優れた特性を有する斜
流ポンプを得ることができる。

【００７０】本発明の第２の実施の形態の更に他の例
（第３の変形例）を図１１に示す。この例では、上述し
た各例に対して、さらに次の改良を施している。すなわ
ち、子午面形状において、溝３の山部３ａが形成する流
路形状は、溝がない部分の静止側ケーシングライナ２ｆ
の流路形状を吸込み側へそのまま延長した形状よりもポ
ンプ回転中心からの半径方向距離が大となるようにした
ものである。一方、溝３の部分に対向する羽根車の先端
形状（シュラウド側形状）は、その静止側ケーシングラ
イナ２ｃの溝３及び静止側ケーシングライナ２ｆと適度
の隙間が存在するように設定されている。すなわち、子
午面流路において羽根車羽根高さが溝の終端ａ付近にて
羽根下流側が上流側よりδ２だけ低く構成されている。
このような構成のターボ機械が低流量域で運転される
と、次のような利点が得られる。溝がない場合、揚程曲
線に不安定性が現われる低流量域において、流れは図１
１に示すように再循環流４が生じる。その際、上述の段
差δ２の存在により再循環流４は羽根先端側の段差部で
遮られ、下流側への侵入が阻止される。従って、このよ
うなポンプにおいては、逆流が大きな流量から始まるの
で、揚程曲線の不安定部の落ち込みが小となり、揚程曲
線の安定化がより顕著に実現することができる。すなわ
ち、溝３を形成しない場合でも、揚程曲線の不安定性を
軽減でき、溝３を設けた場合には不安定性（揚程曲線の
右上がり特性）の除去をより確実に行うことができる。
なお、溝３の始端ｂを構成する山部３ａは斜めに形成さ
れている。また、この始端ｂはケーシング２の軸に平行
な部分から外径方向に流路が曲がっている部分付近に設
定されている。

【００７１】次に、本発明をクローズド形斜流ポンプに
適用した場合の第３の実施の形態について説明する。図
１２は本発明の一例を示し、図１３は図１２のVIII−VI
II線断面形状である。

【００７２】斜流ポンプのクローズド形羽根車１にはシ
ュラウド１ａが設けられている。このシュラウド１ａは
羽根の入口付近１ｃには設けられておらず、羽根車はシ
ュラウドのない部分を有するセミオープン形羽根車とな
っている。シュラウドの最内径部にはマウスリング部１
ｂが設けられ、静止側であるケーシング２の内面にはケ
ーシングリング５が設けれている。これらマウスリング
部１ｂとケーシングリング５との間で回転軸封部が構成
されている。羽根入口付近１ｃのシュラウドのない部分
の羽根に対峙する静止側のケーシング内壁２ａの内周上
には、図１３に示すように、軸方向に複数本の溝３が等
間隔に配列されている。溝の下流側終端位置ａは、羽根
前縁から若干下流に入った位置（羽根入口付近１ｃのマ
ウスリング部に近接した位置）に存在し、溝の上流側終
端位置ｂは羽根車の羽根よりも上流側に存在している。
羽根車のシュラウド端面１ｄに対向するケーシング２の
部分２ｇは溝３の下流側終端位置ａと軸方向同一位置に
構成され、かつ軸直角方向の面に構成されている。ケー
シング２の軸に直角方向の面２ｇとシュラウド端面１ｄ
とは軸方向にδ１の隙間を隔てて設置されている。

【００７３】このような構成においてポンプが低流量域
で運転されると、図１２に示すように、再循環流６、す
なわち逆流が生ずる。流れ６の一部は溝４内を下流側終
端位置ａから溝の上流終端位置ｂに向かって逆流する
が、溝はポンプ軸方向に形成されているので、溝を流れ
る逆流は羽根車回転方向の成分は有しない。従って、溝
を上流側に向かって流れる逆流が、低流量時に発生する
再循環流６の発生場所に噴出して、羽根車入口における
再循環流の順方向流による予旋回や羽根旋回失速の発生
を防止、または、抑制することができる。すなわち、再
循環流の上流へ逆流する流体の旋回成分は溝から噴出す
る流れで弱められ、羽根車へ流入する流体中の予旋回が
小となる。このため、理論揚程の低下が小となり、揚程
曲線の安定性が得られる。

【００７４】このように、本実施の形態によれば、溝３
を流れる僅かな流体により羽根車に流入する流体中の旋
回を抑制できるため、羽根車の出す論理揚程が増大し、
揚程曲線の不安定部はなくなり安定化される。本実施の
形態により、シュラウドのあるクローズド形羽根車にお
いても、ケーシング２に溝３を設置して揚程特性の安定
性を図ることが可能となり、揚程曲線が連続して右下が
りとなり、安定なポンプ特性を得ることができる。

【００７５】図１４に、上記本発明の第３の実施の形態
の変形例（第１の変形例）を示す。ケーシング２は軸方
向に分割されたケーシングライナ２ｃ、２ｄ、２ｅから
構成され、溝３は羽根入口部に設けられたケーシングラ
イナ２ｃに形成されている。溝３の形状は上記各例と同
様に形成されている。この例によれば、溝３の両端は開
放されているので、溝３を切削工具により容易に加工す
ることが可能となる。

【００７６】上記本発明の第３の実施の形態における他
の変形例（第２の変形例）を図１５に示す。ケーシング
２は軸方向に分割されたケーシングライナ２ｃ、２ｄ、
２ｅ、２ｆから構成され、ケーシングライナ２ｃと２ｆ
とは半径方向に分割された構成となっている。溝３は羽
根入口部に設けられた内径側のケーシングライナ２ｆに
形成されている。この例でも、溝３の形状は上記各例の
ものと同様の形状に形成されている。この例によれば、
溝３を設けたケーシングライナ２ｆは図１４に示す部品
２ｃよりさらに小さくできるため、溝の加工をより容易
に行うことが可能となる。

【００７７】以上述べた実施の形態では、クローズド形
斜流ポンプについて述べたが、本発明はオープン羽根車
あるいはクローズド形羽根車を持つ遠心ポンプ、斜流送
風機、斜流圧縮機等のターボ機械へも同様に適用するこ
とが可能である。

【００７８】次に、上記各例における溝３の好ましい形
状を図１６〜１９を用いて説明する。種々の実験結果か
ら、ターボ機械の揚程−流量特性の右上がり特性を除去
し、かつ効率低下を抑制できる溝３の好適な形状を検討
し、溝の適切な形状を関連する次の指標（「ＪＥ Ｎ
ｏ．」と称す）を発見した。

【００７９】ＪＥ Ｎｏ．は次式で表される。 ＪＥ Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲ ……（１）

【００８０】ここで、ＷＲは幅比で、溝幅Ｗの合計値を
溝の部分のケーシング周長で割った値である。すなわ
ち、「ＷＲ＝（溝数Ｎ × 溝幅Ｗ）／（溝を形成した部
分のケーシングの平均周長）」であり、ケーシングの平
均長は、例えば図１６を参照すれば、「π×（ケーシン
グ入口径Ｄｃ１×ケーシング出口径Ｄｃ２）／２」で求
めることができる。

【００８１】ＶＲは体積比で、溝全体の体積を羽根車体
積で割った値である。すなわち、「ＶＲ＝溝の総体積／
羽根車体積」である。ここで、溝の総体積は「溝数Ｎ×
溝長さＬ×溝幅Ｗ×溝深さＤ」で求め、羽根車体積は
「羽根車入口面積×羽根先端軸方向長さＬｉ」で求め
る。羽根車入口面積はインペラ入口径Ｄｉ１から求めら
れる。溝長さＬは、図１６では「Ｌ１＋Ｌ２」である。

【００８２】また、ＷＤＲは幅深さ比で、「ＷＤＲ＝溝
幅Ｗ／溝深さＤ」で求める。ＤＬＤＲは溝の羽根入口か
ら下流域の長さと溝の深さとの比で、図１７を参照する
と「ＤＬＤＲ＝インペラチップから下流側の溝長さＬ１
／溝深さＤ」で求める。

【００８３】図１８には、上記ＪＥ Ｎｏ．を使用した
実験結果を示す。図において、横軸はＪＥ Ｎｏ．であ
る。図の左縦軸は揚程不安定性（％）で、揚程−流量特
性曲線の不安定部における揚程の低下量を、溝なし時の
低下量Δψ₀と溝有り時の低下量Δψとの比で表し、次
式で定義される。 揚程不安定性（％）＝（Δψ／Δψ₀）×１００

【００８４】なお、不安定部揚程低下量Δψ、Δψ
₀は、図１９に示すように、揚程−流量特性曲線の不安
定部（右上がり特性を示す部分）における揚程の極大値
と極小値との差で求める。Δψは、揚程に不安定がある
場合（右上がり特性を示す場合）は有限の値になるが、
安定の場合（右上がり特性がない場合）には０となる。
したがって、揚程不安定性が０％のときは溝により揚程
−流量特性曲線の不安定部が完全に消えたことを意味
し、揚程不安定性が１００％のときは溝の効果がなく不
安定性が全く改善されていない場合を意味する。また、
揚程安定性が０％と１００％の間にある場合には、揚程
の不安定は消えていないが、溝により不安定部が改善さ
れていることを示す。

【００８５】図１８の右縦軸は最高効率の低下量（％）
で、同一ポンプにおいて、溝を設けない場合の最高効率
（％）と、溝を設けた場合の最高効率（％）との差であ
る。すなわち、溝を設置する前後のポンプ最高効率に変
化がない場合には０％になり、溝を設けたことにより効
率の低下が発生する場合にはプラスの値になり、例えば
３％は溝の設置により３％の効率低下があったことを意
味する。

【００８６】以上を基に、図１８を参照すると、揚程安
定性においては、ＪＥ Ｎｏ．が０．０３より小さくな
ると、揚程不安定性が８０％を超え、溝の効果は急激に
小さくなっている。ＪＥ Ｎｏ．が０．０３付近では揚
程不安定性が３０％程度まで改善され、０．０３を超え
ると揚程不安定性はさらに改善され、ＪＥ Ｎｏ．が
０．１５前後でほぼ０％、すなわち不安定性がなくなっ
ていることがわかる。ＪＥ Ｎｏ．が０．１５を超える
と揚程不安定性は０％のままで安定になる。このことか
ら、揚程の安定を求める観点からは、ＪＥ Ｎｏ．を
０．０３以上にすることが望ましい。また、図１８にお
いて、効率の面から見るとＪＥ Ｎｏ．が０．１５前後
までは最高効率の低下量は０％以下であるが、０．１５
を超えると、最高効率の低下量は、ＪＥ Ｎｏ．に比例
して大きくなっている。溝設置による効率低下の許容量
を１％までとすると、ＪＥ Ｎｏ．は０．５以下である
ことが望ましい。したがって、揚程の安定性と高率の両
面から、ＪＥ Ｎｏ．の適切な範囲は、０．０３〜０．
５程度とすることが望ましく、完全に不安定を無くし、
かつ効率を低下させないための条件としては、ＪＥ Ｎ
ｏ．を０．１５〜０．２とするのが最適である。

【００８７】なお、上記の図１８の実験結果はポンプの
比速度が８３０のもので示したが、比速度が１２５０及
び１４００の場合の斜流ポンプでも同様の結果が得られ
ており、少なくとも比速度８００〜１４００の範囲では
上記指標ＪＥ Ｎｏ．を用いて溝形状を決定できること
は確認された。また、比速度が３００〜２０００程度の
範囲のものであれば、同様に、上記の指標ＪＥ Ｎｏ．
を用いて溝形状を決定できるものと考えられる。

【００８８】本発明によれば、自身が昇圧した液体の一
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、すなわち、溝から旋回のない流れが
再循環流を形成する羽根車からの逆流の旋回成分を抑制
し、もって、羽根車へ流入する流体中に予旋回が生ぜ
ず、羽根入口における、再循環流による旋回の発生およ
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。

【００８９】本発明によれば、ケーシングを分割構造と
し、羽根入口部に対応するケーシングライナに上記溝を
設けるようにしたので、ケーシング内面に設ける溝の加
工を容易に行うことができ、効率低下がほとんど無く、
かつ揚程曲線の安定なターボ機械を容易に実現できる効
果がある。

【００９０】また、本発明によれば、シュラウドを有す
るクローズド型羽根車を有するターボ機械に対しても、
羽根入口付近のみをシュラウドのないセミオープン型構
造とし、この羽根のシュラウドがない部分に対応させて
圧力勾配方向の溝をケーシング内壁面に設けるようにす
ることにより、再循環流が発生するような低流量域の運
転時においても、揚程曲線の安定なターボ機械を容易に
実現でき、しかもターボ機械の効率低下もほとんどない
という効果がある。

【００９１】さらに、上記の指標ＪＥ Ｎｏ．を用いて
溝形状を決定するようにすれば、効率低下がほとんどな
く、かつ揚程曲線の安定な最適形状の溝形状を容易に求
めることができる効果がある。

【００９２】さらに、添付の図２０には、例えば火力発
電所や原子力発電所において循環水ポンプとして使用さ
れる、または河川用排水ポンプの機場として使用される
本発明が採用されたポンプ機場の該略図が示されてい
る。

【００９３】すなわち、このポンプ機場は、ケーシング
に浅い溝が、羽根車に対応してその入口部分に設けられ
た、例えば斜流ポンプ等のポンプ２００を備えている。
このポンプの羽根車はその回転軸を、例えばディーゼル
エンジンやガスタービンや電動機等の駆動装置（ドライ
バー）２１０によって回転駆動されている。

【００９４】この駆動装置２１０の回転速度は、例え
ば、かかる目的のための電気回路やマイクロコンピュー
タにより構成されたポンプ速度制御装置２２０により制
御されている。そして、図において破線で接続されるよ
うに、羽根車に流れる流体の流量の変化に対応して羽根
車の羽根傾斜角度を制御するための翼角制御装置２３０
が、必要に応じて、更に設けられている。

【００９５】上記に述べた構成を備えたポンプ２００
は、吸込水路２４０内の水中に浸積したベルマウス２０
１と、上記吸込水路２４０から離れた排水先２６０へ接
続された吐出配管２５０を有している。そして、上記ポ
ンプ機場の動作により、揚程すなわち吸込み側の水位
が、流体の流路内での抵抗、すなわち吐出配管内の抵抗
をも含んで、排水先２６０の排出水レベルまで上昇され
ることとなる。

【００９６】効率を重視したポンプにおいては、最高効
率流量を１００％流量としたときに、５０％〜７０％流
量付近の揚程曲線の一部に右上がり特性が顕著に現われ
不安定となる場合や、あるいは、５０％流量〜７０％流
量付近の揚程曲線に、右上がりにならなくても、揚程曲
線に平らな部分が生じる傾向があった。

【００９７】即ち、ポンプ機場のポンプの運転流量は、
そのポンプ機場の吸込み側水位と吐き出し側水位との差
として決まる実揚程と、そのポンプ機場の配管抵抗を合
計して決まる抵抗曲線とポンプの揚程曲線との交点とし
て決まる。揚程曲線に右上がりの領域があると、揚程曲
線と抵抗曲線との交点が複数になる場合があり、その場
合、交点が１つに定まらない、すなわち流量が定まらな
いため、ポンプの吐出し量が不安定な範囲で変動してし
まい、ポンプの制御ができないことがある。特に、実揚
程が高く、配管抵抗が小さい場合に顕著である。

【００９８】従って、従来は、最高効率と揚程の安定性
とをバランスさせて右上がりのない揚程曲線になるよう
にしていたので、最高効率が若干下がることがあった。
あるいは、ポンプに不安定領域がある場合には、ポンプ
の運転範囲を不安定が生じない範囲で運転するようにポ
ンプ運転法案をつくり、これによりポンプを制御してい
た。したがって、ポンプの運転範囲を回転速度により制
御するポンプ機場では、抵抗曲線との交点が不安定領域
に入らない範囲までしか回転数を変更することができな
かった。そのため、ポンプ一台の回転数制御では不安定
領域に入ってしまう運転範囲を要求される場合はポンプ
容量を小さくて台数を増やし、ポンプ一台あたりのポン
プの運転点を不安定以外の点にずらして対応していた。

【００９９】また、従来の最高効率をある程度犠牲にし
た揚程曲線の安定化を得る方法では、安定したポンプ運
転のために効率が若干下がっているので、その分消費動
力が大きくなるという問題があった。また、ポンプ台数
を増やしてポンプ１台当りの運転点をずらして不安定領
域の運転を避ける方法は、設備、制御方法が複雑にな
り、コストが上がってしまう問題がある。

【０１００】本発明では、そこで、上記の右上がり特性
のない揚程−流量特性を有しかつ高い効率をも達成でき
る斜流ポンプを用いて、広い範囲の速度の変更を可能に
し、それにより広範囲の流量で運転できるポンプ機場を
得るものである。

【０１０１】すなわち、本発明の特徴は、ポンプの運転
範囲を回転速度により制御するポンプ機場において、そ
の機場で使用されるポンプが、上記に述べた溝を有する
ケーシングのいずれかを用いた斜流ポンプとしたことに
ある。

【０１０２】上記本発明のポンプ機場においては、その
機場で使われる斜流ポンプの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、
全揚程をＨ（ｍ）、吐出し量をＱ（ｍ³／ｍｉｎ）とし
たときに、ポンプの特性を示す指数である比速度Ｎｓを
Ｎｓ＝Ｎ×Ｑ^0.5／Ｈ^0.75の式で求めたときに、この比
速度Ｎｓが１０００〜１５００程度であり、またそのポ
ンプ機場の吸込水位と吐出水位から決まる実揚程がポン
プの仕様点揚程の５０％以上である場合に、特に効果が
ある。

【０１０３】また、その他の発明の特徴としては、その
ポンプの駆動装置が、減速機、流体継ぎ手、およびディ
ーゼルエンジンにより構成される場合には、その回転速
度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％
まで制御ができる。また、さらに、そのポンプの駆動装
置が、減速機、流体継ぎ手、およびガスタービンにより
構成される場合にも、その回転速度は、基準回転速度に
対して６０％〜１００％まで制御ができる。さらに、そ
のポンプの駆動装置は、インバータにより回転速度を制
御する電動機である場合には、その回転速度の制御範囲
は基準回転速度に対して０％〜１００％まで制御ができ
る。

【０１０４】本発明の一つの斜流ポンプをポンプ機場に
適用した場合の揚程曲線の一例を図２１に示す。図２１
において、横軸は、流量を、その基準となる設計流量を
１００％とし、流量比％Ｑで示し、横軸は、揚程を、基
準となる設計全揚程を１００％として揚程比％Ｈとして
示す。この図２１において、揚程曲線１０は、本発明の
斜流ポンプの一例で、基準回転数１００％Ｎの時の特性
であり、全域右下がりの傾向にあり、不安定領域がな
い。一方、揚程曲線１４は、本発明を適用しない場合
で、５０％Ｑ前後に不安定があるときの１００％Ｎの特
性であり、この場合、４０％Ｑ〜７０％Ｑの範囲が不安
定領域である。抵抗曲線１８は、本発明における機場の
特性である。ポンプが１００％Ｎで運転されるときは、
揚程曲線１０あるいは揚程曲線１４と抵抗曲線１８の交
点は、いずれもＡ点の１点であり、ポンプはＡ点で安定
して運転される。流量を減らした運転をするために回転
速度を９０％Ｎに下げた場合を考えると、ポンプの揚程
曲線は、以下に示されるポンプの相似則に従い、安定な
揚程曲線１０は揚程曲線１１になり、不安定性のある揚
程曲線１４は揚程曲線１５となる。

【０１０５】ポンプの相似則は、以下の通りである。 Ｑ₂＝Ｑ₁×（Ｎ₂／Ｎ₁） Ｈ₂＝Ｈ₁×（Ｈ₂／Ｈ₁） ここで、Ｑ：流量、Ｈ：全揚程、Ｎ：回転速度であり、
また、添え字は、１：回転速度Ｎ₁の状態、２：回転速
度Ｎ₂の状態を示している。

【０１０６】この時の運転点はＢ点であり、揚程曲線に
不安定性のあるなしに関係なく、安定して運転される。
さらに、回転数を７４％Ｎに下げると、前記相似則に従
い、本発明による不安定性のない揚程曲線１０は揚程曲
線１２となり、抵抗曲線１８との交点はＣ点の一点であ
り、運転点はＣになる。一方で、不安定性のある場合の
揚程曲線１４は、７４％Ｎにおいては揚程曲線１６とな
り、３０％Ｑ〜５０％Ｑ付近で抵抗曲線１８とは平行に
なっており、抵抗曲線１８と揚程曲線１６との交点は、
一点ではなく、複数の交点が有り得ることになる。従っ
て、ポンプの流量点が定まらず、ポンプの運転は揚程曲
線の３０％Ｑ〜５０％Ｑの不安定性の範囲で変動し、制
御不能となるため、３０％Ｑ〜５０％Ｑでの運転はでき
ない。

【０１０７】さらに、回転速度を６０％Ｎまで下げる
と、本発明による不安定性のない揚程曲線１０は揚程曲
線１３となり、不安定性のある揚程曲線１４は揚程曲線
１７となる。ここまで下げると、抵抗曲線１８との交点
は、揚程曲線１３および揚程曲線１７のいずれの場合も
Ｄ点の一点になるので、運転は可能である。

【０１０８】しかし、従来の不安定性のある特性の場合
は、先に述べたように、回転速度７４％Ｎの時に３０％
Ｑ〜５０％Ｑの範囲では運転ができず、運転可能な範囲
が不連続になるため、ポンプの回転速度の範囲は７４％
Ｎ以上〜１００％Ｎとなり、運転範囲はＡ点からＣ点ま
での間となる。

【０１０９】一方で、本発明の斜流ポンプであればそれ
以上の回転速度で安定した運転ができるため、Ａ点から
Ｄ点までの広い流量範囲で運転できる。

【０１１０】本実施の形態において、ポンプの駆動装置
は、減速機、流体継ぎ手、及びディーゼルエンジンであ
り、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６
０％〜１００％である場合には、図２１において示した
Ａ点からＤ点までの範囲で運転が可能である。また、そ
の他のポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手、及び
ガスタービンであり、その回転速度の制御範囲は基準回
転速度に対して６０％〜１００％である場合にも、上記
図２１において示したＡ点からＤ点までの範囲で運転が
可能である。また、更にその他の実施の形態としての駆
動装置は、インバータにより回転速度を制御する電動機
であり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対し
て０％〜１００％である場合には、更に、その運転範囲
は広がり、揚程曲線１０の交点が図２１におけるＥ点近
くになるまで回転速度を落とすことができるので、ほぼ
０％Ｑから１００％Ｑまでの範囲でポンプの運転が可能
になる。

【０１１１】すなわち、本発明のポンプをポンプ機場に
適用することによれば、効率低下がほとんどなく、かつ
揚程曲線の安定な斜流ポンプが得られるので、回転速度
の範囲を広くすることができ、広い流量範囲での運転が
容易に実現できる。

【０１１２】

【発明の効果】以上の詳細な説明からも明らかなよう
に、本発明によれば、自身が昇圧した液体の一部がケー
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、すなわち、溝から旋回のない流れが再循環流
を形成する羽根車からの逆流の旋回成分を抑制し、もっ
て、羽根車へ流入する流体中に予旋回が生ぜず、羽根入
口における、再循環流による旋回の発生および羽根旋回
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。

【０１１３】また、本発明のポンプをポンプ機場に適用
することによれば、効率低下がほとんどなく、かつ揚程
曲線の安定な斜流ポンプが得られるので、回転速度の範
囲を広くすることができ、広い流量範囲での運転が容易
に実現できるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の斜流ポンプの拡大
断面図である。

【図２】本発明の効果の説明図（その１）である。

【図３】本発明の効果の説明図（その２）である。

【図４】本発明の効果の説明図（その３）である。

【図５】本発明の効果の説明図（その４）である。

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す斜流ポンプの
子午面断面図である。

【図７】上記図６のII−II線断面図である。

【図８】本発明の第２の実施の形態の変形例（第１の変
形例）を示す斜流ポンプの子午面断面図である。

【図９】本発明の第２の実施の形態の他の変形例（第２
の変形例）を示す斜流ポンプの子午面断面図である。

【図１０】本発明の第２の実施の形態における溝形状の
一例を示す平面図である。

【図１１】本発明の第２の実施の形態の更に他の変形例
（第３の変形例）を示す斜流ポンプの子午面断面図であ
る。

【図１２】クローズド形斜流ポンプに本発明を適用した
第３の実施の形態を示す子午面断面図である。

【図１３】上記図１２のVIII−VIII線断面図である。

【図１4】上記本発明の第３の実施の形態の変形例（第
１の変形例）を示すクローズド形斜流ポンプの子午面断
面図である。

【図１５】上記本発明の第３の実施の形態の他の変形例
（第２の変形例）を示すクローズド形斜流ポンプの子午
面断面図である。

【図１６】本発明の溝形状を決めるための指標ＪＥ Ｎ
ｏ．を説明するためのターボ機械の子午面断面図であ
る。

【図１７】上記図１２のXII−XII線断面図である。

【図１８】上記の実施の形態における溝形状を決定する
指標ＪＥ Ｎｏ．と、揚程不安定性及び最高効率の低下
量との関係を説明する線図である。

【図１９】上記の実施の形態におけるターボ機械の流量
−揚程特性曲線を示す線図である。

【図２０】上記本発明になるターボ機械を採用したポン
プ機場の概略構成を示す図である。

【図２１】上記図２０に示したポンプ機場の効果を説明
するため、その斜流ポンプの揚程曲線を示す線図であ
る。

【図２２】従来技術における斜流ポンプの断面図であ
る。

【図２３】従来技術におけるターボ機械の典型的な揚程
−流量特性を示す線図である。

【図２４】従来技術におけるケーシングトリートメント
の説明図である。

【図２５】従来技術におけるセパレータの説明図であ
る。

【符号の説明】

１ （オープン形）羽根車 ２ ケーシング ２ａ 流路内壁 ３ 溝

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０４Ｄ 29/54 Ｆ０４Ｄ 29/54 Ｃ (72)発明者 木村 仁治 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦事業所内 (72)発明者 岡村 共由 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦事業所内 (72)発明者 長原 孝英 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦事業所内 (72)発明者 須藤 純男 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社土 浦テクノロジー内 (72)発明者 桑原 勅光 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所土浦事業所内 Ｆターム(参考） 3H022 AA01 BA06 CA32 3H033 AA01 BB01 BB06 BB07 BB08 CC01 DD06 EE08 EE18 EE19 3H034 AA01 BB01 BB06 BB07 BB08 CC03 CC06 DD02 EE08 EE16 EE18

Claims (25)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ケーシング内面に、羽根入口側とケーシ
   ング内面の羽根存在域内とを結び、幅が少なくとも５ｍ
   ｍ程度以上の溝を具備することを特徴とするターボ機
   械。
2. 【請求項２】 ケーシング内面に、羽根入口側とケーシ
   ング内面の羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ
   幅が５ｍｍ程度以上の溝を周方向に多数本形成し、 該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置に再循環
   流が発生するのを抑制するために必要な圧力の流体を取
   り出す位置としたことを特徴とするターボ機械。
3. 【請求項３】 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存在領域内
   とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が１０ｍｍ程度以上の
   浅い溝を形成し、且つ該溝の下流側終端位置は、溝の上
   流側終端位置に再循環流が発生するのを抑制するために
   必要な圧力の流体を取り出す位置として、ターボ機械の
   揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成した
   ことを特徴とするターボ機械。
4. 【請求項４】 前記請求項１に記載したターボ機械にお
   いて、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全
   周に対して約３０％〜５０％になるように形成されたこ
   とを特徴とするターボ機械。
5. 【請求項５】 前記請求項１に記載したターボ機械にお
   いて、前記溝の幅の深さは、前記ケーシングの直径に対
   してほぼ０．５％〜１．６％で形成されていることを特
   徴とするターボ機械。
6. 【請求項６】 前記請求項５に記載したターボ機械にお
   いて、前記溝は、約２ｍｍ〜４ｍｍの深さで形成されて
   いることを特徴とするターボ機械。
7. 【請求項７】 オープン形羽根車とこの形羽根車を収容
   するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車の
   羽根の入口外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、
   羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝
   を周方向に複数設け、前記溝の谷底面の高さはこれに隣
   接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構
   成したことを特徴とするターボ機械。
8. 【請求項８】 オープン形羽根車とこの形羽根車を収容
   するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車の
   羽根の入口外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、
   羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝
   を周方向に複数設け、前記溝の終端下流に隣接する前記
   ケーシング内面は、前記の溝の谷底面と同じレベルまた
   はそれより外周方向となるように形成し、溝の部分に対
   峙する羽根車の羽根の入口側外周部は上記溝の部分に対
   応して羽根車羽根高さを低く構成し、溝より下流側の羽
   根車の羽根高さは溝に対峙する部分の羽根高さよりも高
   く構成したことを特徴とするターボ機械。
9. 【請求項９】 オープン形羽根車とこの形羽根車を収容
   するケーシングを備えたターボ機械において、 羽根車の羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシング
   の内面に、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存在域内とを流体圧力の勾配方向に
   結ぶ幅が５ｍｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、 該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主
   流（正流）中に予旋回が発生するのを抑制するために必
   要な圧力の流体を取り出す位置として、ターボ機械の揚
   程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、か
   つ前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内
   面と同等またはそれ以上の高さに構成すると共に、前記
   溝の部分に対峙する羽根車の羽根の入口外周部は溝の部
   分に対応して羽根車羽根高さを低く構成したことを特徴
   とするターボ機械。
10. 【請求項１０】 オープン形羽根車とこの形羽根車を収
    容するケーシングを備えたターボ機械において、 羽根車の羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシング
    の円錐状の壁面よりも径方向に突出するように圧力勾配
    方向に複数本の溝を設け、 羽根入口付近の子午面における羽根高さは羽根出口付近
    の子午面における羽根高さより小とし、これら羽根高さ
    は前記溝の部分の高さに対応して決定されていることを
    特徴とするターボ機械。
11. 【請求項１１】 オープン形羽根車とこの形羽根車を収
    容するケーシングを備えたターボ機械において、 羽根車の羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシング
    の内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内
    とを結ぶ溝を周方向に複数設け、 前記溝の山の部分が形成する流路形状が、溝下流側ケー
    シングの流路形状を上流側へそのまま延長した形状より
    もポンプ回転中心からの半径方向距離が大となるように
    構成し、かつ前記羽根車の先端形状は、溝部及びケーシ
    ング内壁と略一定な隙間を形成するように形成され、 前記溝の終端付近における羽根車羽根高さはその下流側
    羽根高さよりも高く構成されていることを特徴とするタ
    ーボ機械。
12. 【請求項１２】 シュラウドを有するクローズド形羽根
    車とその羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機
    械において、 前記羽根車の羽根入口付近をシュラウドのないオープン
    形に構成し、その羽根入口付近のシュラウドのない部分
    に対峙するケーシング内壁には圧力勾配の方向の溝をそ
    の周上に複数本配設し、該溝の入口側始端は羽根車の羽
    根先端入口側より上流側に配置し、かつ該溝の出口側終
    端は羽根車先端入口部より下流側に配置したことを特徴
    とするターボ機械。
13. 【請求項１３】 シュラウドを有するクローズド形羽根
    車とその羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機
    械において、 前記羽根車の羽根入口付近をシュラウドのないオープン
    形に構成し、その羽根入口付近のシュラウドのない部分
    に対峙する前記ケーシングの内面には、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存在域
    内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ以上の浅い
    溝を周方向に多数形成し、 該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主
    流（正流）中に予旋回が発生するのを抑制するために必
    要な圧力の流体を取り出す位置として、ターボ機械の揚
    程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、か
    つ前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内
    面と同等またはそれ以上の高さに構成したことを特徴と
    するターボ機械。
14. 【請求項１４】 前記請求項１２または１３において、
    羽根車シュラウドの最小径部とケーシングとの間をシー
    ルする軸封部を有し、この軸封部はマウスリング部とケ
    ーシングリング部とで構成されていることを特徴とする
    ターボ機械。
15. 【請求項１５】 羽根車とこの羽根車を収容するケーシ
    ングを備えたターボ機械において、羽根車の羽根の入口
    側外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、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
    先端存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ溝を周方向
    に複数形成し、該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終
    端位置の入口主流（正流）中に予旋回が発生するのを抑
    制するために必要な圧力の流体を取り出す位置とし、か
    つ前記溝を設置する前記ケーシングの部分はケーシング
    の他の部分と別体に構成されていることを特徴とするタ
    ーボ機械。
16. 【請求項１６】 前記請求項１５において、ケーシング
    は軸方向に分割された複数のケーシングライナにより構
    成され、羽根車の羽根の入口側外周部に対峙するケーシ
    ングライナの内面に前記溝が形成されていることを特徴
    とするターボ機械。
17. 【請求項１７】 前記請求項１５において、溝を設置す
    る前記ケーシングの部分はケーシングの他の部分と半径
    方向に分割して別体に構成されて組み立てられているこ
    とを特徴とするターボ機械。
18. 【請求項１８】 前記請求項７〜１７の何れか一の請求
    項において、前記溝の始端側は、ポンプ軸方向から羽根
    車の回転方向に傾斜する方向に形成したことを特徴とす
    るターボ機械。
19. 【請求項１９】 ケーシング内面に、羽根入口側とケー
    シング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝をケーシング内面
    の周方向に複数本形成し、 溝幅Ｗの合計値を溝の部分のケーシング周長で割った値
    をＷＲ（幅比）、 溝全体の体積を羽根車体積で割った値をＶＲ（体積
    比）、 溝幅Ｗを溝深さＤで割った値をＷＤＲ（幅深さ比）、 溝の羽根入口から下流の長さと溝の深さとの比をＤＬＤ
    Ｒとし、溝形状を決定する指標をＪＥ Ｎｏ．として以
    下の式で求め、 この指標ＪＥ Ｎｏ．が０．０３〜０．５の範囲となる
    ように前記溝の形状が構成されていることを特徴とする
    ターボ機械。 ＪＥ Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲ
20. 【請求項２０】 前記請求項１９において、前記ＪＥ
    Ｎｏ．が０．１５〜０．２の範囲となるように前記溝の
    形状が構成されていることを特徴とするターボ機械。
21. 【請求項２１】 吸込側流体の揚程と吐出側の揚程まで
    上昇するためのポンプ機場であって、羽根車と当該羽根
    車をその内部に配置するケーシングとを備え、吸込側流
    体の揚程をポンプアップするためのポンプと、ポンプア
    ップされた液体を当該ポンプから吐出側へ導く管路と、
    そして、前記ポンプの羽根車の回転速度を制御するため
    の制御手段とを備え、前記ポンプを前記請求項１乃至２
    ０に記載したポンプとしたことを特徴とするポンプ機
    場。
22. 【請求項２２】 前記請求項２１のポンプ機場におい
    て、その機場で使われるポンプの回転速度をＮ（ｒｐ
    ｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、吐出量をＱ（ｍ³／ｍｉｎ）
    としたときに、ポンプの特性を示す指数である比速度Ｎ
    ｓをＮｓ＝Ｎ×Ｑ^0.5／Ｈ^0.75の式で求めたときに、こ
    の速度比Ｎｓが１０００〜１５００程度であり、また、
    そのポンプ機場の吸込側流体位と吐出側流体位から決ま
    る実揚程がポンプの仕様点揚程の５０％以上であること
    を特徴とするポンプ機場。
23. 【請求項２３】 前記請求項２１のポンプ機場におい
    て、そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およ
    びディーゼルエンジンであり、その回転速度の制御範囲
    は基準回転速度に対して６０％〜１００％であることを
    特徴とするポンプ機場。
24. 【請求項２４】 前記請求項２１のポンプ機場におい
    て、そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およ
    びガスタービンであり、その回転速度の制御範囲は基準
    回転速度に対して６０％〜１００％であることを特徴と
    するポンプ機場。
25. 【請求項２５】 前記請求項２１のポンプ機場におい
    て、そのポンプの駆動装置はインバータにより回転速度
    を制御する電動機であり、その回転速度の制御範囲は基
    準回転速度に対して０％〜１００％であることを特徴と
    するポンプ機場。