JP2001263296A - ターボ機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ターボ機械の揚程−流量特性曲線の右上がり特
性を改善すると共に、振動・騒音の増加も抑制する。 【解決手段】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流体圧力勾配方向の第１
溝２４を周方向に複数本形成する。また、第１溝を周方
向に連通させる周方向の第２溝２５をケーシング内面の
羽根存在域内に設ける。

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、形式及び流体に関わらず羽根入口の再循環流
による旋回及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】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
り扱う流体及び形式によって以下のように分類可能であ
る。

【０００４】１．取り扱う流体 液体、気体 ２．形式 軸流、斜流、遠心 例えば、運転が容易であるために、現在、主に使用され
ている斜流ポンプは、上流から下流に向かってサクショ
ンケーシング、ポンプ及びデフューザ等から構成されて
いる。

【０００５】ポンプのケーシング内で回転する羽根車
（インペラ）は回転軸によって回転駆動され、サクショ
ンケーシングから吸い込まれた液体にエネルギを与え
る。デフューザ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】上記斜流ポンプを含むターボ機械の典型的
な揚程−流量の特性曲線（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）は次のようにな
る。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、流量がある特定の領域にある間は、流量が
増加するにつれて揚程も増加する右上がり特性特性を持
つものが普通であった。なお、流量が右上がり特性領域
以上の領域では、流量が増加するにつれて揚程は再び低
下する。

【０００７】前記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。この右上がり特性は、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、このとき羽根車に
入る流体の流路が狭められると共に、前記再循環流の影
響で羽根車に入る流体に旋回が生じるために発生すると
考えられている。

【０００８】サージングはターボ機械だけでなく、上流
及び下流に接続される配管にも損傷を与えるため低流領
域での運用は通常禁止されている。また、ターボ機械の
サージングや前記右上がり特性を改善し、運転領域を拡
大するため、羽根の形状（プロフィル）を改善したり、
次に示すような方法が提案されている。

【０００９】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。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。

【００１０】２．セパレータ 低流領域で羽根入口外縁に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。

【００１１】軸流ターボ機械に適用されているセパレー
タの例としては、吸込リング方式、ブレードセパレータ
方式、及びエアセパレータ方式がある。

【００１２】吸込リング方式は、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方式は、
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、エアセパレータ方式は、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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】また、この他に、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を結ぶ複数本の
溝を具備して、入口の旋回を抑制し右上がり特性のない
揚程曲線を得るようにしたターボ機械も提案されてい
る。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術のケーシ
ングトリートメント及びセパレータによれば、揚程曲線
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
自体をなくすることは困難であった。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１％低下する。

【００１８】また、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。さらに、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在
域内を結ぶ溝を形成するようにしたものでは、溝の加工
が容易で、効率低下も少なく、かつ右上がり特性のない
揚程曲線を得ることができる。しかし、ケーシングの内
面に形成した複数の溝を羽根が回転しながら通過する時
に、羽根からの流れと溝が干渉することにより圧力脈動
が発生し、振動・騒音を増大させる可能性があることに
ついては考慮されていない。

【００１９】本発明の目的は、右上がり特性が改善され
た揚程−流量特性を有し、かつ効率低下も抑制でき、し
かも振動及び騒音の増大も抑制できるターボ機械を得る
ことにある。

【００２０】本発明の他の目的は、クローズド羽根車を
有するターボ機械に対しても改善された揚程−流量特性
を有し、効率低下と振動・騒音を抑制できるターボ機械
を得ることにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の第１の特徴は、ケーシングと、このケーシ
ング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケ
ーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側とケー
シング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本の第１
の溝と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記複数本
の第１の溝を周方向に接続する第２の溝とを備えている
ターボ機械にある。

【００２２】前記第１の溝の幅は５ｍｍ以上で、周方向
に設けられた前記複数の第１溝幅の合計が該溝が存在す
るケーシング内面周長に対し約３０〜５０％とし、かつ
該第１溝の深さを２ｍｍ以上で、該溝が存在するケーシ
ング内面直径の約０．５〜１．６％になるようにすると
なお良い。

【００２３】前記第２の溝はケーシング内面の羽根車存
在域内に設けるのがより良い。また、好ましくは第２溝
の深さは第１溝の深さより浅くするのが良い。

【００２４】また、第２溝は、第１溝のターボ機械下流
側終端位置から、ケーシング内面の羽根存在域内または
羽根入口側にかけて形成するのがより良い。

【００２５】本発明の第２の特徴は、ケーシング内面に
設けられ、羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車存
在域内とを連通する流体圧力勾配方向の複数本の溝とを
備え、前記流体圧力勾配方向の溝は、羽根入口部付近か
らターボ機械の下流側方向に向かって羽根車回転方法に
傾斜するように構成したものである。

【００２６】本発明の第３の特徴は、ケーシング内面の
前記羽根車入口側に、周方向に複数本設けられた流体圧
力勾配方向の第１溝と、前記ケーシング内面の前記羽根
存在域内に設けられた周方向の第２の溝と、前記第１の
溝と第２の溝を接続する流路とを備えていることにあ
る。

【００２７】前記流路は、ケーシング内面を迂回して設
けられた溝、孔、配管またはチューブ等で構成する。

【００２８】本発明の第４の特徴は、ケーシング内面の
前記羽根車入口側に、周方向に複数本設けられた流体圧
力勾配方向の第１の溝と、前記ケーシング内面の前記羽
根存在域内に設けられた周方向の第２の溝と、前記ケー
シング内面の前記羽根前縁付近に設けられた周方向の第
３の溝と、前記第２の溝と第３の溝を接続する流路とを
備え、前記流路は、ケーシング内面を迂回して前記第１
溝の延長線上に形成され、前記第３の溝を介して第１の
溝と連通されていることにある。

【００２９】本発明の第５の特徴は、ケーシングの内面
に設けられ、羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車
存在域内とを連通する流体圧力勾配方向の複数本の溝
と、この流体圧力勾配方向の溝内に、溝内部を半径方向
に移動可能に設けられ、溝の深さを変更できるようにし
た可動部材とを備え、ターボ機械の揚程−流量特性曲線
が右上がり特性となるターボ機械の運転領域では、前記
溝の深さを大きくする位置に前記可動部材を位置させ、
右上がり特性のない領域では、前記溝の深さを小さくま
たは無くする位置に前記可動部材を位置させるように構
成したことにある。

【００３０】本発明の第６の特徴は、シュラウドを有す
るクローズド形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、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
内壁には圧力勾配方向の第１の溝をその周上に複数本配
設し、該第１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、該第１溝の出口側終端は羽根車先端入口
部より下流側に配置させ、さらに前記複数本の第１溝を
周方向に接続する第２の溝を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設けたことにあ
る。

【００３１】本発明の第７の特徴は、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
ぶ第１の溝を周方向に複数本形成し、該第１溝のターボ
機械下流側終端位置は、第１溝のターボ機械上流側終端
位置の入口主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、かつ前記第１
溝を周方向に接続する第２の溝を前記羽根入口付近のケ
ーシング内面に設け、前記第１及び第２の溝を設置する
ケーシングの部分はケーシングの他の部分とは別体に構
成されていることにある。

【００３２】本発明によれば、前記溝の羽根存在域内に
て、第１溝の深さよりも浅いまたは同じ深さ、或いは大
きな深さで、第１溝の一部を周方向に連続させる第２の
溝を設けることにより、羽根が圧力勾配方向の溝を通過
する際、溝と羽根車からの流れが干渉することにより生
じる圧力脈動を緩和させ、圧力脈動により発生する振動
・騒音の増大を抑制することができる。

【００３３】また、前記溝（第１溝）を、羽根入口部付
近からターボ機械下流側にかけて、羽根車の回転方向に
傾斜（羽根の曲がりと逆方向に湾曲）させることでも、
羽根車からの流れと溝との干渉を緩和させることができ
る。

【００３４】さらに、圧力勾配方向の第１溝は羽根入口
部までとし、周方向の第２溝と重ならないように構成
し、入口主流（正流）中に予旋回が発生するのを抑制さ
せるために必要な圧力の流体を取り出せるように、周方
向の溝と圧力勾配方向に形成した溝とを連通するように
しても同様の効果が得られる。上記２つの溝は主流の流
れるケーシング内面を避けて、ケーシングの外周側に設
けた流路で接続するのが良い。このように、ケーシング
内面の羽根存在域内に圧力勾配方向の溝を設けないよう
にでき、羽根車からの流体と溝との干渉を緩和できる。
第１溝と第２溝を接続する流路は、主流に対して逆行す
る流体が羽根入口側へ流れこむように、第１溝の延長線
上に形成するのが良い。

【００３５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的実施例を図
面を参照して説明する。

【００３６】図１に本発明の第１の実施例を示す。図
は、ターボ機械の代表的な例である斜流ポンプの羽根車
部分の拡大断面図で、１はオープン羽根２２を備えたオ
ープン型の羽根車である。羽根入口部に羽根からの逆流
による再循環流が発生するのを抑制するために、羽根２
２の外周側入口部付近のケーシング２内面に、流体圧力
勾配方向の浅い溝（第１溝）２４が周方向に多数形成さ
れている。この溝のターボ機械下流側終端位置ａは羽根
存在域内とされ、羽根車で昇圧された流体の一部をこの
溝２４を介してターボ機械上流側の低流量時に再循環流
が発生する位置ｂに導くようにしている。これにより、
下流側の昇圧された流体が再循環流の発生しやすい場所
に噴出するから、再循環流の発生を抑制でき、ターボ機
械入口主流が再循環流の影響で旋回流となるのを抑制で
きるから、羽根旋回失速の発生も防止した高性能のター
ボ機械を実現できる。

【００３７】また、本実施例では、周方向に設けられた
複数の第１溝２４の、羽根存在域内に相当する部分を周
方向に連続させる第２の溝２５をケーシング内面に設け
ている。この第２の溝２５を設けない場合、羽根車の回
転により羽根２２が溝２４を通過すると、軸方向（圧力
勾配方向）に形成された第１溝２４と羽根車１からの流
れが干渉し、圧力脈動が発生することがわかった。この
発生した圧力脈動はターボ機械を加振させ、振動・騒音
を増大させる。本実施例では、羽根存在域に周方向の第
２の溝２５を設けるようにしたので、周方向に複数本形
成された第１溝２４間の圧力差を第２溝２５内で緩和さ
せ、第１溝２４と羽根２２によって生じていた圧力脈動
を小さくすることができ、圧力脈動による振動・騒音の
増大を抑制することが可能となる。

【００３８】図２は、ターボ機械の揚程−流量特性曲線
及び効率−流量特性曲線を示す図で、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。図において、
白丸はケーシング内面に第１溝２４を形成しないターボ
機械の揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線であ
る。黒丸は第１溝を形成したターボ機械における揚程−
流量特性曲線及び効率−流量特性曲線を示す。白三角は
第１の溝２４とこの溝２４のターボ機械下流側の終端位
置ａの近くに周方向の第２溝２５を形成したターボ機械
における揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線を
示す。

【００３９】この図２から明らかなように、白丸の場
合、無次元化流量が０．５〜０．６の範囲において、流
量の増加に伴い揚程も増加する右上がり特性が存在す
る。黒丸の場合には右上がり特性が解消されている。本
実施例である白三角においても、黒丸と同様の効果が確
認されている。

【００４０】図３はターボ機械の流量と振動加速度との
関係を示す図で、白丸、黒丸、白三角はそれぞれ図２と
同じターボ機械のデータである。図において、横軸は無
次元化した流量、縦軸は無次元化した振動加速度であ
る。この図３から明らかなように、白丸の場合と比べ、
第１溝を有する黒丸の場合には、無次元化流量が０．５
〜０．６付近で振動加速度がピークとなっており、また
全範囲に渡って白丸の場合に比較し、振動が増大してい
るのがわかる。これに対し、第１、第２溝を有する白三
角の場合は、黒丸に比べ振動加速度が大幅に改善されて
おり、また無次元化流量が０．５〜０．６付近での振動
加速度のピークもなく、振動が大幅に改善されているこ
とがわかる。

【００４１】図４はターボ機械の流量と騒音レベルとの
関係を示す図で、白丸、黒丸、白三角はそれぞれ図２と
同じターボ機械のデータである。図において、横軸は無
次元化した流量、縦軸は無次元化した騒音レベルであ
る。この図４から明らかなように、白丸の場合と比べ、
黒丸の場合には、騒音レベルが増大している。この第１
溝のみ有する黒丸の場合に対し、第１、第２溝を有する
白三角（本実施例）の場合には、主要運転範囲である効
率の高い流量範囲において、ケーシングに溝を形成しな
い場合（白丸）と同程度付近まで騒音レベルが大幅に低
減されているのがわかる。

【００４２】なお、図１に示す実施例では、周方向の第
２の溝２５は、圧力勾配方向の第１溝２４の深さｄより
も浅い深さで、周方向に多数形成された第１溝の全てま
たはいくつかを周方向に連通させている。

【００４３】なお、この周方向の第２溝２５の深さは、
圧力勾配方向の第１溝２４の深さｄと同等にしても良
く、さらに第１溝深さｄより大きくしても良い。

【００４４】また、周方向の第２溝２５の形成位置は、
図１の例では、羽根２２の前縁Ｃの付近からターボ機械
の下流側に向かって溝の終端位置ａよりもやや上流側の
位置までとしているが、この第２溝２５の形成位置は、
羽根２２の前縁Ｃの付近からターボ機械の下流側に向か
って溝の終端位置ａまで形成（点線２５ａ参照）しても
良い。さらに、図５に示すように、第２の溝２５は、溝
の終端位置ａからそのやや上流側までの羽根存在域内に
設けるようにしても良く、また点線２５ｂで示すよう
に、溝の終端位置ａから羽根２２の前縁Ｃよりもターボ
機械の上流側まで形成しても良い。

【００４５】図６は図１に示すケーシング内面を展開し
て示す図で、この図に示すように、周方向の第２の溝２
５は、周方向に形成された多数の圧力勾配方向の第１溝
２４の全てを、周方向に連通させている。周方向の第２
溝２５は、図７に示すように、周方向に形成された多数
の圧力勾配方向の第１溝２４のうちのいくつかづつを連
通するように、断続的に周方向に数本形成しても良い。
さらに、図８に示すように、周方向の第２溝２５は、圧
力勾配方向の第１溝２４が周方向に互いに連通されるよ
うに、羽根入口部分付近を巻始めとし、第１溝２４の終
端位置ａまで螺旋状に形成してもよい。

【００４６】次に、本発明の第２の実施例を図９により
説明する。

【００４７】本実施例においても、羽根入口側とケーシ
ング内面の羽根存在域内とを連通する圧力勾配方向（軸
方向）の複数本の溝２４を設ける点では上記第１の実施
例と同じである。この実施例では更に、前記溝２４の前
記羽根存在域内に相当する部分（羽根下流側）が、図に
示すように、羽根車回転方向に傾斜（湾曲）させられて
いる。このように構成することにより、羽根２２と溝２
４との干渉を緩やかにし、圧力脈動の発生を低減し、振
動・騒音の増大を抑制することができる。また、溝２４
の羽根上流側は、軸方向とし、羽根により圧力が上昇し
た流体がこの溝２４を通って羽根車入口側に向かって逆
流し、低流量時に発生する再循環流の発生場所へ噴出す
ることにより、再循環流のために生じる旋回流や羽根旋
回失速を抑制することができ、これによりターボ機械の
揚程−流量特性曲線における右上がり特性を解消あるい
は軽減させることができる。

【００４８】図１０は本発明の第３の実施例を示す図で
ある。図の（ａ）はケーシング内面の展開図であり、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）であ
る。

【００４９】ケーシング２内面には、羽根車の入口側と
羽根車の存在域内とを結ぶ軸方向（流体圧力の勾配方
向）の第１の溝２４が、周方向に複数本形成され、また
羽根車存在域内のケーシング内面には、一部を周方向に
連続する第２の溝２５が形成されている。さらに、前記
第１溝２４と第２溝２５とを連通するように流路２７が
ケーシング内面を迂回して形成されている。流路２７は
溝２４の延長線上に存在し、第２溝２５及び流路２７を
介して羽根２２で昇圧された流体の一部が第１溝２４に
流れて、羽根入口側の再循環流発生場所に噴出される。
これにより、上記実施例と同様に、ターボ機械の揚程−
流量特性曲線における右上がり特性を解消あるいは軽減
させることができる。

【００５０】また、羽根車存在域のケーシング内面には
軸方向の溝が形成されていないので、第１溝を羽根が通
過する際の流れの干渉がなくなり、さらに第２溝２５に
より複数の第１溝２４間の圧力差も小さくするので、圧
力脈動による振動・騒音の増大を抑制できる。

【００５１】上記第３実施例の構造を実現する具体例を
図１１に示す。図の（ａ）はケーシング内面の展開図、
（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）、
（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図（子午面断面）を示す。

【００５２】ケーシングは２８、２９、３０で示すよう
に軸方向に３分割されている。（ここで、ケーシング２
８と２９が一体、若しくはケーシング２９と３０が一体
構造となっていても差し支えはない。）ケーシング２８
内面には、羽根入口側から羽根前縁部ｃまでを結ぶ軸方
向（流体圧力の勾配方向）溝２４が、周方向に複数本形
成されている。また、ケーシング２９の内周側には環状
部材（ケーシング）３１が嵌合され、この環状部材３１
のターボ機械下流側端面とケーシング３０端面とで円周
方向の第２溝２５が形成されている。また、前記環状部
材３１の背面側には、第１溝２４と第２溝２５とを連通
するように流路２７が形成されている。（ｃ）に示すよ
うに、ケーシング２９内面と環状部材３１の溝を形成し
ていない部分の外周面とを接合することにより、環状部
材３１をケーシング２９内面に固定することができる。

【００５３】次に、前記図１０に示す実施例の変形例を
図１２に示す。図１０と異なる点は、ケーシング内面を
迂回して設けられた流路３２が配管若しくはチューブに
より構成されていることである。これにより、第２溝２
５及び流路３２を介して、羽根により昇圧された流体を
第１溝２４へ、主流に対して逆流し、羽根入口側の再循
環流発生場所に噴出される。

【００５４】図１０に示す実施例の他の変形例を図１３
に示す。図の（ａ）はケーシング内面の展開図、（ｂ）
は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。

【００５５】図１０と異なる点は、羽根２２の前縁部ｃ
におけるケーシング内面に、周方向に多数形成された軸
方向の第１溝２４を周方向に連通する周方向の第３の溝
３３を、第２溝２５とは別に、設けたものである。第２
溝２５と第３溝３３とは、流路２７を介して連通され、
羽根２２により昇圧された流体は、第２溝２５、流路２
７及び第３溝３３を介して第１溝２４に流入する構成と
なっている。

【００５６】第１溝２４を羽根２２が通過する際に干渉
により生じていた圧力脈動は、第２溝２５と第３溝３３
により周方向に複数本設けられた第１溝２４間の圧力差
を緩和させ、圧力脈動によるターボ機械の振動・騒音の
増大を抑制できる。

【００５７】本発明の第４の実施例を図１４により説明
する。

【００５８】この実施例は、ケーシング２内面に、羽根
車１の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連
通する流体圧力勾配方向の複数本の深い溝２４を形成
し、この各溝２４内には、該溝深さより小さい厚さの可
動部材３４を半径方向（垂直方向）に移動可能に設けて
いる。可動部材３４は、ケーシング２内面の曲面と同じ
曲面に構成されている。

【００５９】この実施例の構造とすることにより、ター
ボ機械の揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生する
運転領域では、図１４の（ａ）に示すように、外径方向
に可動部材３４を移動させ、ケーシング内面に軸方向の
浅い溝２４を形成する。この浅い溝２４により、羽根２
２により昇圧された流体の一部が溝２４内を通り、主流
に対し逆行して流れ、羽根入口の再循環流の発生領域へ
噴出して、羽根車入口側の旋回流の発生及び羽根旋回失
速を抑制し、ターボ機械の揚程−流量特性曲線の右上が
り特性を解消または軽減することができる。

【００６０】また、揚程−流量特性曲線の右上がり特性
が発生しない運転領域においては、図１４の（ｂ）に示
すように、内径方向に可動部材３４を移動させ、可動部
材内面がケーシング内面と一致するようにして、前記浅
い溝２４がない状態とする。このようにすることによ
り、前記右上がり特性が発生しない運転領域では、ケー
シング内面に溝がない状態にできるから、羽根と軸方向
の溝による流体の干渉がなくなり、圧力変動を解消でき
る。

【００６１】このように、本実施例によれば、軸方向溝
の影響で発生していた振動・騒音を全流量範囲で解消で
きる効果がある。

【００６２】図１５は図１に示す本発明の第１実施例
を、羽根車にシュラウドを有するクローズド形羽根車を
使用するターボ機械（例えばクローズド形斜流ポンプ）
に適用した例を示す。図１６は図１５のXIII−XIII線断
面図である。

【００６３】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
ュラウドの最内径側部分にはマウスリング部１ｂが設け
られ、これに対向する静止側のケーシング２内面にはケ
ーシングリング５が設けられている。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ケーシング内面２ａの内周上には、
図１５，１６に示すように、軸方向の第１の溝２４が等
間隔に、周方向に複数本配列されている。溝のターボ機
械下流側終端位置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１ｂに近接し
た位置）まで存在し、溝２４のターボ機械上流側終端位
置ｂは羽根車の羽根前縁よりも上流側に位置している。
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２４の下流側終端位置ａと軸方向にほぼ
同一位置に構成され、また軸直角方向の面に構成されて
いる。この面（部分）２ｇとシュラウド端面１ｄとは軸
方向にδ１の隙間を隔てて対向している。２５は軸方向
の第１溝２４の羽根存在域付近に形成された周方向の第
２の溝で、この溝２５は周方向に複数本形成されている
第１溝を連通し、第１溝よりは浅い溝に構成されてい
る。

【００６４】ターボ機械（ポンプ）が低流量域で運転さ
れると、図１５に示すように、再循環流（逆流）６が発
生する。本実施例では上記構成としたことにより、羽根
車で昇圧された流れの一部が第１溝２４内を下流側終端
位置ａから上流終端位置ｂに向かって逆流する。溝２４
はポンプ軸方向に形成されているので、溝を流れる流体
は、羽根車回転方向の成分を有することなく、低流量時
再循環流発生場所に噴出し、これにより再循環流を弱め
或いは消滅させるから、結果として再循環流の発生が抑
制される。したがって、再循環流により羽根車入口側に
生じる予旋回流や羽根旋回失速の発生も防止または抑制
することができ、理論揚程の低下が小さくなり、ターボ
機械の流量−揚程特性曲線の右上がり特性を改善でき
る。

【００６５】また、軸方向溝２４を羽根２２が通過する
際に生じる干渉による圧力脈動は、第２溝２５の存在に
より緩和され、また溝２４間の圧力差も緩和できるか
ら、圧力脈動によりターボ機械が加振され、振動・騒音
が増大するのを抑制できる。

【００６６】なお、上述した実施例は主に斜流ポンプの
例について述べたが、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有する遠心ポンプ、斜流送風機、
斜流圧縮機等のターボ機械にも同様に適用することがで
きる。

【００６７】また、ケーシング内面に設けられた軸方向
（流体圧力の勾配方向）の溝２４の断面形状は、図１７
に示すように、矩形断面の他に、山形断面、丸形断面、
台形断面などの形状に構成しても良い。周方向の溝２
５，３３も同様な溝断面形状とすることができる。

【００６８】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。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％流量付近の流量−揚程特性
曲線の一部に右上がり特性が顕著に現われたり、５０〜
７０％流量付近で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。特に、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、ポンプの吐出し量が変動して不
安定となる。この傾向は、実揚程が高く、配管抵抗が小
さい場合に顕著である。

【００６９】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、最高効率が下がる傾向にあった。また、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
定が生じない範囲とせざるを得ず、運転範囲が狭くなっ
ていた。このため、ポンプ一台の制御では不安定領域に
入ってしまう場合、ポンプ容量を小さくて台数を増やす
等の対策が必要であった。上記本発明を採用することに
より、これらの従来の課題を解決することができる。さ
らに、本発明では、周方向溝を設けたことにより、軸方
向溝と羽根車からの流れが干渉して圧力脈動が生じるの
も軽減でき、圧力脈動がポンプを加振し、ポンプ本体や
配管の振動、騒音を低減できる。したがって、本発明に
よれば、右上がり特性のない高性能のターボ機械を、住
宅地に近接したポンプ機場等にも採用できる効果があ
る。

【００７０】本発明は、斜流ポンプに適用して効果が大
であり、特に回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ
（ｍ）、吐出し量をＱ（ｍ３／ｍｉｎ）としたとき、ポ
ンプの特性を示す指数である比速度Ｎｓが、 Ｎｓ＝Ｎ×Ｑ０．５／Ｈ０．７５＝１０００〜１５００
程度 のものに適用して特に顕著な効果がある。

【００７１】また、そのポンプが適用されているポンプ
機場の吸込水位と吐出水位から決まる実揚程が、ポンプ
の仕様点揚程に対し５０％以上であるようなポンプに適
用して特に効果が大きい。

【００７２】

【発明の効果】本発明によれば、羽根車の入口側とケー
シング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本の第１
の溝と、この複数本の第１の溝を周方向に接続する第２
の溝とを備えているので、右上がり特性が改善された揚
程−流量特性を有し、かつ効率低下も抑制でき、しかも
振動及び騒音の増大も抑制できるターボ機械を得ること
ができる。

【００７３】なお、流体圧力勾配方向の複数本の溝と、
この溝内部を半径方向に移動可能に設けられ、溝の深さ
を変更できるようにした可動部材とを設けることでも上
記と同様の効果を得ることができる。

【００７４】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
造とすることにより、上記と同様の効果を有するターボ
機械を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すターボ機械要部の子
午面断面図である。

【図２】ターボ機械の揚程−流量特性曲線及び効率−流
量特性曲線を示す線図である。

【図３】ターボ機械の流量と振動加速度との関係を示す
線図である。

【図４】ターボ機械の流量と騒音レベルとの関係を示す
線図である。

【図５】本発明の図１に示す実施例の変形例を示すター
ボ機械要部の子午面断面図である。

【図６】図１に示すケーシングの内面展開図である。

【図７】図６に示す例の変形例を示すケーシングの内面
展開図である。

【図８】図６に示す例の他の変形例を示すケーシングの
内面展開図である。

【図９】本発明の第２実施例を示すケーシングの内面展
開図である。

【図１０】本発明の第３の実施例を示す図で、（ａ）は
ケーシング内面展開図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図
（子午面断面図）である。

【図１１】図１０の第３実施例の構造を実現する具体例
を示す図で、（ａ）はケーシング内面展開図、（ｂ）は
（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）、（ｃ）は
（ａ）のＢ−Ｂ断面図（子午面断面）である。

【図１２】図１０に示す実施例の変形例を示すターボ機
械要部の子午面断面図である。

【図１３】図１０に示す実施例の他の変形例を示す図
で、（ａ）はケーシング内面展開図、（ｂ）は（ａ）の
Ａ−Ａ断面図である。

【図１４】本発明の第４実施例を示す子午面断面図で、
（ａ）は外径方向に可動部材３４を移動させた状態を示
す図、（ｂ）は内径方向に可動部材を移動させた状態を
示す図である。

【図１５】図１に示す本発明の第１実施例を、羽根車に
シュラウドを有するクローズド形羽根車を使用するター
ボ機械に適用した例を示す要部の子午面断面図である。

【図１６】図１５のXIII−XIII線断面図である。

【図１７】ケーシング内面に形成する溝の断面形状の種
々の例を示す断面図である。

【符号の説明】

１…羽根車、１ａ…シュラウド、２…ケーシング、２２
…羽根、２４…第１の溝（圧力勾配方向または軸方向の
溝）、２５…第２の溝（周方向の溝）、２７…流路、３
１…環状部材（ケーシング）、３２…流路（パイプまた
は配管）、３３…第３の溝（周方向の溝）。

───────────────────────────────────────────────────── 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 29/66 Ｆ０４Ｄ 29/66 Ｍ (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 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 真鍋 明 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 黒川 淳一 神奈川県横浜市磯子区森４−10−３ Ｆターム(参考） 3H034 AA02 AA19 BB01 BB02 BB03 BB07 CC01 CC03 CC04 DD02 DD25 DD26 DD30 EE06 EE08 EE16 3H035 CC04 CC06 DD01 DD05

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ケーシングと、 このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車
   と、 前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側
   とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本
   の第１の溝と、 前記ケーシングの内面に設けられ、前記複数本の第１の
   溝を周方向に接続する第２の溝とを備えていることを特
   徴とするターボ機械。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第１の溝の幅が５
   ｍｍ以上で、周方向に設けられた前記複数の第１溝幅の
   合計が、該溝が存在するケーシング内面周長に対し約３
   ０〜５０％であり、かつ前記第１溝の深さは２ｍｍ以上
   で、該溝が存在するケーシング内面直径の約０．５〜
   １．６％になるように、前記第１溝が形成されているタ
   ーボ機械。
3. 【請求項３】請求項１または２において、前記第２の溝
   はケーシング内面の羽根車存在域内に設けられているタ
   ーボ機械。
4. 【請求項４】請求項１〜３の何れかにおいて、前記第２
   の溝の深さは前記第１の溝深さより浅く、または同程度
   の深さに形成されているターボ機械。
5. 【請求項５】請求項１〜３の何れかにおいて、前記第２
   の溝の深さは前記第１の溝深さより深く形成されている
   ターボ機械。
6. 【請求項６】請求項１〜５の何れかにおいて、前記第２
   の溝は、周方向に断続的に複数本形成されているターボ
   機械。
7. 【請求項７】請求項１〜６の何れかにおいて、前記第２
   の溝は、ケーシング内面の羽根前縁位置またはその付近
   から、羽根存在域内または第１溝の終端位置にかけて形
   成されているターボ機械。
8. 【請求項８】請求項１〜６の何れかにおいて、前記第２
   の溝は、前記第１溝のターボ機械下流側終端位置から、
   ケーシング内面の羽根存在域内または羽根入口側にかけ
   て形成されていることを特徴とするターボ機械。
9. 【請求項９】請求項１〜６の何れかにおいて、前記第２
   の溝は、ケーシング内面に、羽根入口側から前記第１溝
   のターボ機械下流側終端位置まで、螺旋状に巻かれて形
   成されているターボ機械。
10. 【請求項１０】ケーシングと、 このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車
    と、 前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側
    とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する流体圧
    力勾配方向の複数本の溝とを備え、 前記流体圧力勾配方向の溝は、羽根入口部付近からター
    ボ機械の下流側方向に向かって羽根車回転方法に傾斜す
    るように構成したことを特徴とするターボ機械。
11. 【請求項１１】ケーシングと、 このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車
    と、 前記ケーシング内面の前記羽根車入口側に、周方向に複
    数本設けられた流体圧力勾配方向の第１の溝と、 前記ケーシング内面の前記羽根存在域内に設けられた周
    方向の第２の溝と、 前記第１の溝と第２の溝を接続する流路とを備えている
    ことを特徴とするターボ機械。
12. 【請求項１２】請求項１１において、前記流路は、ケー
    シング内面を迂回して設けられた溝、孔、配管またはチ
    ューブの何れかであるターボ機械。
13. 【請求項１３】ケーシングと、 このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車
    と、 前記ケーシング内面の前記羽根車入口側に、周方向に複
    数本設けられた流体圧力勾配方向の第１の溝と、 前記ケーシング内面の前記羽根存在域内に設けられた周
    方向の第２の溝と、 前記ケーシング内面の前記羽根前縁付近に設けられた周
    方向の第３の溝と、 前記第２の溝と第３の溝を接続する流路とを備え、 前記流路は、ケーシング内面を迂回して前記第１溝の延
    長線上に形成され、前記第３の溝を介して第１の溝と連
    通されていることを特徴とするターボ機械。
14. 【請求項１４】ケーシングと、 このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車
    と、 前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側
    とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する流体圧
    力勾配方向の複数本の溝と、 前記流体圧力勾配方向の溝内に、溝内部を半径方向に移
    動可能に設けられ、溝の深さを変更できるようにした可
    動部材とを備えていることを特徴とするターボ機械。
15. 【請求項１５】請求項１４において、ターボ機械の揚程
    −流量特性曲線が右上がり特性となるターボ機械の運転
    領域では、前記溝の深さを大きくする位置に前記可動部
    材を位置させ、右上がり特性のない領域では、前記溝の
    深さを小さくまたは無くする位置に前記可動部材を位置
    させるように構成したことを特徴とするターボ機械。
16. 【請求項１６】シュラウドを有するクローズド形羽根車
    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、 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方向の第１の溝
    をその周上に複数本配設し、該第１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、該第１溝の出口側
    終端は羽根車先端入口部より下流側に配置させ、さらに
    前記複数本の第１溝を周方向に接続する第２の溝を羽根
    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
    内壁に設けたことを特徴とするターボ機械。
17. 【請求項１７】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
    向に結ぶ第１の溝を周方向に複数本形成し、該第１溝の
    ターボ機械下流側終端位置は、第１溝のターボ機械上流
    側終端位置の入口主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、 かつ前記第１溝を周方向に接続する第２の溝を前記羽根
    入口付近のケーシング内面に設け、 前記第１及び第２の溝を設置するケーシングの部分はケ
    ーシングの他の部分とは別体に構成されていることを特
    徴とするターボ機械。