JP2016169672A - 遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザ流路よりも外周側で、半径方向外方へ向く流れから半径方向内方へ向く流れに転向させる流路において、流れの剥離によってエネルギーロスが発生することを抑制し得る遠心ポンプを提供する。
【解決手段】羽根車６を通過した流体を半径方向外方に導くむディフューザ流路７３と、反対側の環状隔壁１８の第２面側１８ｂに形成されリターン流路７５と、環状隔壁１８、ディフューザ流路７３及びリターン流路７５の外周側において、ディフューザ流路７３からリターン流路７５に流体を軸方向に導くように構成された環状流路７４と、少なくともディフューザ流路７３部内に形成されたディフューザベーン部２０と、少なくともリターン流路７５部内に形成されたリターンベーン部３０と、を備え、ディフューザベーン部２０又はリターンベーン部３０の少なくとも一方が環状流路7４内に延設されている。
【選択図】図２

Description

本開示は、羽根車で昇圧された流体が半径方向外方に排出されるように構成された遠心ポンプに関し、特に、羽根車の外周側にディフューザが設けられた遠心ポンプに関する。

一般に、遠心ポンプにおいて、回転軸に取り付けられた羽根車と、羽根車の外周側に設けられたディフューザ流路と、ディフューザ流路の下流側に設けられたリターン流路と、を備えた構成が知られている。例えば、多段遠心ポンプでは、回転軸に対して羽根車が多段に取り付けられており、羽根車を通過して半径方向外方に排出された流体を次段の羽根車まで導く流路上に、ディフューザ流路及びリターン流路が設けられている。

特許文献１には、多段遠心ポンプにおいて、羽根車から排出された流体を半径方向外方へ導くディフューザ流路と、ディフューザ流路を通って半径方向外方に流れてきた流体の向きを半径方向内方に向くように反転させるコーナー部と、コーナー部によって反転された流体を半径方向内方に向けて導くストレート部と、を備えた構成が記載されている。ディフューザ流路にはディフューザベーンが設けられており、ストレート部にはリターンベーンが設けられている。このリターンベーンベーンは、ディフューザ流路から排出された流体の旋回成分を除去する役割を有している。また、特許文献１には、リターンベーンの圧力面と負圧面とを連通する連通部を設けて、リターンベーンにおける流れの剥離を防止することが記載されている。

なお、特許文献２及び３にも同様に、羽根車と羽根車の間の流路にディフューザベーン及びリターンベーンが設けられた多段遠心ポンプが記載されている。但しこの多段遠心ポンプは、特許文献１のコーナー部を有しておらず、ディフューザベーン及びリターンベーンが取り付けられる主板の外周縁が切り欠かれた開口を介して、ディフューザ流路とリターン流路とが連通した構成となっている。そのため、この構成においては多段遠心ポンプの小型化が図れる一方、加工コストが比較的高く、性能を確保するために高度な技術を要するという面がある。

特開２０１３−１９４５５８号公報 特開２００４−１８３４８６号公報 特開２００８−２９８０２０号公報

ところで、遠心ポンプにおいて、加工コスト及び性能面の観点から、特許文献１に記載されるようにディフューザ流路よりも外周側にコーナー部を有する構成を採用した場合、コーナー部における流体剥離現象によってエネルギーロスが発生するという問題がある。すなわち、ディフューザベーンの圧力面に沿った流れがコーナー部において一度離れてリターンベーンに流入することになるので、ディフューザ流路とリターン流路との間で流れの剥離が発生し、エネルギーロスが生じてしまう。

この点、特許文献１には、リターンベーンに沿った流れの剥離を抑制するための構成は記載されているが、コーナー部での流れの剥離を抑制するための具体的な対策は何ら記載されていない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、ディフューザ流路よりも外周側に設けられ、半径方向外方へ向く流れから半径方向内方へ向く流れに転向させる流路において、流れの剥離によってエネルギーロスが発生することを抑制し得る遠心ポンプを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る遠心ポンプは、
軸方向から流入する流体を昇圧して半径方向外方に排出するように構成された羽根車と、
前記羽根車の回転軸の周りに設けられる環状隔壁と、
前記環状隔壁の第１面側に形成され、前記羽根車を通過した前記流体を半径方向外方に導くように構成された第１半径方向流路と、
前記環状隔壁を挟んで前記第１半径方向流路とは反対側において前記環状隔壁の第２面側に形成され、前記流体を半径方向内方に導くように構成された第２半径方向流路と、
前記環状隔壁、前記第１半径方向流路及び前記第２半径方向流路の外周側において軸方向に延在して前記第１半径方向流路と前記第２半径方向流路とを連通させ、前記第１半径方向流路から前記第２半径方向流路に前記流体を軸方向に導くように構成された環状流路と、
前記環状隔壁の前記第１面側において、少なくとも前記第１半径方向流路部内に形成されたディフューザベーン部と、
前記環状隔壁の前記第２面側において、少なくとも前記第２半径方向流路部内に形成されたリターンベーン部と、を備え、
前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の少なくとも一方が前記環状流路内に延設されたことを特徴とする。

上記（１）の構成では、環状隔壁の第１面側に形成され、羽根車を通過した流体を半径方向外方に導くように構成された第１半径方向流路と、環状隔壁を挟んで第１半径方向流路とは反対側の第２面側に形成され、流体を半径方向内方に導くように構成された第２半径方向流路と、の間に環状流路が設けられている。この環状流路は、環状隔壁、第１半径方向流路及び第２半径方向流路の外周側において軸方向に延在して第１半径方向流路と第２半径方向流路とを連通させ、第１半径方向流路から第２半径方向流路まで流体を軸方向に導くように構成されている。なお、「軸方向に延在」とは、環状流路の少なくとも一部が軸方向に沿って直線状に形成されていてもよいし、環状流路が湾曲して軸方向に延在していてもよい。この構成において、第１半径方向流路に設けられるディフューザベーン部又は第２半径方向流路に設けられるリターンベーン部の少なくとも一方は、環状流路内まで延設されている。これにより、ディフューザベーン部の下流端とリターンベーン部の上流端との距離が近づくため、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを低減できる。よって、遠心ポンプの効率を高く維持することができる。
なお、上記（１）の遠心ポンプは、環状隔壁、第１半径方向流路及び第２半径方向流路の外周側に環状流路を設けた構成となっているため、製造コストを低く抑えることができ、また加工容易性に優れているという利点も有する。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記遠心ポンプは、複数の前記羽根車が前記軸方向に多段に配列された多段遠心ポンプであり、
前記ディフューザベーン部及び前記リターンベーン部は、ｉ段目（但し、ｉは１以上の整数）の前記羽根車から半径方向外方に排出された前記流体を前記軸方向に転向させて（ｉ＋１）段目の前記羽根車に導くように構成されている。

上記（２）の構成によれば、多段遠心ポンプの羽根車間の環状流路の少なくとも何れかに上記（１）の構成を適用することによって、多段遠心ポンプにおける流れの剥離に起因したエネルギーロスを抑制でき、多段遠心ポンプの効率を高く維持できる。
また、リターンベーン部は次段の羽根車に導く第１半径方向流路に設けられ、次段の羽根車に流入する流れの旋回成分を除去する役割を持っている。この場合、リターンベーン部に流入する流れは上記（１）の構成によって剥離が少なく円滑な流れとなるため、第１半径方向流路において流れの旋回成分を効果的に除去できる。
さらに、多段遠心ポンプの複数の環状流路に上記（１）の構成を適用すれば、従来の遠心ポンプに比べて大幅な効率向上が図れる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の前記少なくとも一方は、前記第１半径方向流路又は前記第２半径方向流路から半径方向外方に向かって前記環状流路内に延設されている。
上記（３）の構成によれば、ディフューザベーン部又はリターンベーン部の少なくとも一方の環状流路内まで延設された部位によって、ディフューザベーン部の下流端とリターンベーン部の上流端との距離が近づくため、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを効果的に低減できる。

（４）一実施形態では、上記（３）の構成において、
前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の前記少なくとも一方は、前記第１半径方向流路の外周側の第１位置から前記第２半径方向流路の外周側の第２位置にわたって前記環状流路内において前記軸方向に延在している。
上記（４）の構成によれば、ディフューザベーン部の下流端とリターンベーン部の上流端との距離をより一層近づけることができ、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れが殆ど剥離することなくリターンベーン部に流入するため、流体のエネルギーロスをより効果的に低減できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）乃至（４）の何れかの構成において、
前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の前記少なくとも一方は、
前記環状隔壁の前記第１面又は前記第２面上において前記半径方向に延在する半径方向ベーン部と、
屈曲部を介して前記半径方向ベーン部に繋がり、前記環状隔壁の外周側において前記軸方向に延在する軸方向ベーン部と、
を含む。
上記（５）の構成によれば、半径方向ベーン部及び軸方向ベーン部によって、ディフューザベーン部の下流端とリターンベーン部の上流端との距離が近づくため、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを効果的に低減できる。

（６）一実施形態では、上記（５）の構成において、
前記軸方向ベーン部は、前記第１半径方向流路の外周側の第１位置から前記第２半径方向流路の外周側の第２位置にわたって前記環状流路内において前記軸方向に延在している。
上記（６）の構成によれば、ディフューザベーン部の下流端とリターンベーン部の上流端との距離をより一層近づけることができ、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れが殆ど剥離することなくリターンベーン部に流入するため、流体のエネルギーロスをより効果的に低減できる。

（７）一実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置は、前記ディフューザベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置に対して周方向において負圧面側にずれており、
前記ディフューザベーン部の半径方向外方側の端部におけるベーン間のピッチをＰとしたとき、前記リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置のずれ量が、０．１Ｐ以上０．３Ｐ以下の範囲内である。

本発明者らによる解析の結果、ディフューザベーン部の半径方向外方側の負圧面において流体の流れに剥がれる領域が生じることを見出した。そこで、上記（７）の構成では、リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置が、ディフューザベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置に対して、周方向においてディフューザベーン部の負圧面側へずれており、このずれ量を、０．１Ｐ以上０．３Ｐ以下の範囲内としている。これにより、ディフューザベーン部の負圧面の前記領域で剥がれた流体の流れが、リターンベーン部の圧力面に導かれる。そのため、ディフューザベーン部の負圧面の前記領域で剥がれた流れに起因した流体のエネルギーロスを低減することができ、遠心ポンプの効率向上が図れる。

（８）他の実施形態では、上記（１）乃至（６）の何れかの構成において、
前記リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置と、前記ディフューザベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置とが略一致している。

上記（８）の構成によれば、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れが、リターンベーン部の圧力面に導かれるので、ディフューザベーン部の圧力面から環状流路内に流出する領域での流れの剥離を抑制することができ、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを低減することができる。ここで、「略一致」とは、例えば、ディフューザベーン部の半径方向外方側の端部におけるベーン間のピッチをＰとしたとき、ディフューザベーン部の半径方向外方側のベーン端部の周方向位置に対する、リターンベーン部の半径方向外方側のベーン端部の周方向位置のずれ量が、−０．１Ｐ以上０．１Ｐ以下の範囲内である状態を示す。なお、負の符号はディフューザベーン部の圧力面側へ向かうずれ、正の符号はディフューザベーン部の負圧面側へ向かうずれである。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、第１半径方向流路に設けられるディフューザベーン部又は第２半径方向流路に設けられるリターンベーン部の少なくとも一方が、環状流路内まで延設されているので、ディフューザベーン部の下流端とリターンベーン部の上流端との距離が近づき、ディフューザベーン部の圧力面に沿った流れの剥離を抑制できる。よって、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを低減でき、遠心ポンプの効率を高く維持することができる。

一実施形態に係る遠心ポンプの全体構成を示す断面図である。 一実施形態に係る遠心ポンプのインペラ周辺構造を示す要部断面図である。 ディフューザベーン及びリターンベーンの一構成例を示す部分斜視図（ディフューザベーン側から視た図）である。 ディフューザベーン及びリターンベーンの一構成例を示す部分斜視図（リターンベーン側から視た図）である。 ディフューザベーン及びリターンベーンの他の構成例を示す部分斜視図（ディフューザベーン側から視た図）である。 ディフューザベーン及びリターンベーンの他の構成例を示す部分斜視図（リターンベーン側から視た図）である。 一実施形態におけるディフューザベーン及びリターンベーンの位置関係を示す模式図である。 ディフューザベーン周囲の流体圧力を含む流体解析結果を示す図である。 他の実施形態におけるディフューザベーン及びリターンベーンの位置関係を示す模式図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。

最初に、図１を参照して、一実施形態に係る遠心ポンプ１の全体構成について説明する。なお、図１は、一実施形態に係る遠心ポンプ１の全体構成を示す断面図である。

図１に示すように、一実施形態に係る遠心ポンプ１は、外部ケーシング２と、外部ケーシング２の内部に配置された内部ケーシング３と、内部ケーシング３を貫通するように配置された回転軸４と、キーを介して回転軸４に一体回転可能に固定された両吸込インペラ５及び複数のインペラ（羽根車）６と、を備えている。

外部ケーシング２は、中空形状をなしており、吸込口８及び吐出口９を有している。内部ケーシング３は、複数のリング部材１０が軸方向に連結された構成となっている。これらの外部ケーシング２と内部ケーシング３とによって、流体を上流側から下流側に向けて流す流路７が形成されている。なお、本実施形態において軸方向とは、回転軸４の延在する方向をいう。
また、外部ケーシング２の一端部（図１の右端部）にケーシングカバー１１が装着されているとともに、外部ケーシング２の他端部にケーシングカバー１２が装着され、ケーシングカバー１１，１２がそれぞれ複数のボルト１３，１４により固定されている。こうして、外部ケーシング２、内部ケーシング３、及びケーシングカバー１１，１２が一体化されている。

両吸込インペラ５は、外部ケーシング２の内部に収容されており、吸込口８から流体を吸込むように構成されている。複数のインペラ６は、内部ケーシング３における各々のリング部材１０の内部において、回転軸４の軸方向に間隔を空けて収容されている。回転軸４は、図示しない軸受によって、軸線Ｏを中心として回転自在に支持されている。なお、回転軸４は、図示しない原動機によって回転駆動可能となっている。

外部ケーシング２には、両吸込インペラ５の吐出側が図示しない経路を介して隣接するインペラ６の吸入側に接続されている。そして、端部のインペラ６の吐出側が吐出口９に接続されている。
内部ケーシング３の内部には、吸込口８及び吐出口９にそれぞれ連通し、縮径及び拡径を繰り返す内部空間が設けられている。この内部空間は、インペラ６を収容する空間として機能すると共に流路７としても機能する。つまり、吸込口８と吐出口９とは、インペラ６及び流路７を介して連通している。

次に、図１及び図２を参照して、インペラ６及び流路７と、その周辺構造について詳細に説明する。なお、図２は、一実施形態に係る遠心ポンプ１のインペラ周辺構造を示す要部断面図である。

図１及び図２に示すように、幾つかの実施形態において、遠心ポンプ１は、上述したインペラ６と、回転軸４の周りに設けられる環状隔壁１８と、環状隔壁１８の第１面１８ａ側に形成されたディフューザ流路（第１半径方向流路）７３と、環状隔壁１８の第２面１８ｂ側に形成されたリターン流路（第２半径方向流路）７５と、ディフューザ流路７３とリターン流路７５とを連通する環状流路７４と、を備える。また、遠心ポンプ１は、ディフューザ流路７３に形成されたディフューザベーン部２０と、リターン流路７５に形成されたリターンベーン部３０と、をさらに備える。

インペラ（羽根車）６は、軸方向から流入する流体を昇圧して半径方向外方に排出するように構成されている。具体的には、各々のインペラ６は、吐出口９側に向かうにつれて漸次拡径した略円盤状のハブ１５と、ハブ１５に放射状に取り付けられ、周方向に並んだ複数の羽根１６と、これら複数の羽根１６の先端側を周方向に覆うように取り付けられたシュラウド１７と、を有している。

ディフューザ流路７３、環状流路７４及びリターン流路７５は、それぞれ、上述した流路７の一部である。
具体的には、流路７は、流体が段階的に圧縮されるように各々のインペラ６間を繋ぐように形成されており、吸込流路７１と、圧縮流路７２と、ディフューザ流路７３と、環状流路７４と、リターン流路７５と、を含む。

吸込流路７１は、半径方向外方から半径方向内方に向かって流体を流した後、流体の向きをインペラ６の直前で回転軸４の軸方向に変換させるように構成される。
圧縮流路７２は、ハブ１５の羽根取付面とシュラウド１７の内壁面とで囲まれた通路であり、吸込流路７１から送られてきた流体をインペラ６内で圧縮させるように構成される。

ディフューザ流路（第１半径方向流路）７３は、環状隔壁１８の第１面１８ａ側に形成され、半径方向内方側の端部が圧縮流路７２に連通し、半径方向外方側の端部が環状流路７４に連通している。そして、ディフューザ流路７３は、インペラ６によって圧縮された流体を半径方向外方に導くようになっている。
ディフューザベーン部２０は、環状隔壁１８の第１面１８ａ側において、少なくとも一部がディフューザ流路７３内に形成されている。ここで、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａ、図４Ｂに示すように、ディフューザベーン部２０は、回転軸４の軸線Ｏ（図１及び図２参照）を中心として周方向に等間隔に配置された複数のディフューザベーン２１を有している。各々のディフューザベーン２１は、軸方向視において半径方向内周側から外周側へ延在しており、圧力面２６と負圧面２７とが形成されるように、周方向に凸の湾曲形状（弧状）をなしている。流体は、このディフューザベーン部２０を通過することによって、静圧が回復される。

図１及び図２に戻り、環状流路７４は、環状隔壁１８、ディフューザ流路７３及びリターン流路７５の外周側において軸方向に延在しており、ディフューザ流路７３とリターン流路７５とを連通させている。すなわち、環状流路７４の上流側端部はディフューザ流路７３の下流側端部に連通し、環状流路７４の下流側端部はリターン流路７５の上流側端部に連通している。そして、環状流路７４は、ディフューザ流路７３からリターン流路７５へ流体を軸方向に導くようになっている。この環状流路７４において、ディフューザ流路７３を通過した後の半径方向外方へ向かう流体の流れが、リターン流路７５に沿った半径方向内方へ向かう流れに転向される。なお、「軸方向に延在」とは、環状流路７４の少なくとも一部が軸方向に沿って直線状に形成されていてもよいし、環状流路７４が軸方向に湾曲して形成されていてもよい。
図示される例では、環状流路７４は、軸方向に沿った直線領域を有する構成となっているが、環状流路７４は、半径方向内方側に曲率中心を有するように外周側に湾曲した湾曲部を有していてもよい。

リターン流路（第２半径方向流路）７４は、環状隔壁１８を挟んでディフューザ流路７３とは反対側において環状隔壁１８の第２面１８ｂ側に形成され、半径方向外方側の端部が環状流路７４に連通し、半径方向内方側の端部が次段の吸込流路７１に連通している。そして、リターン流路７５は、環状流路７４によって転向された流体を半径方向内方に導くようになっている。なお、リターン流路７５とその次段の吸込流路７１とは一体とみなしてもよい。
リターンベーン部３０は、環状隔壁１８の第２面１８ｂ側において、少なくとも一部がリターン流路７５内に形成されている。ここで、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａ、図４Ｂに示すように、リターンベーン部３０は、回転軸４の軸線Ｏ（図１及び図２参照）を中心として周方向に等間隔に配置された複数のリターンベーン３１を有している。各々のリターンベーン３１は、軸方向視において半径方向内周側から外周側へ延在しており、圧力面３６と負圧面３７とが形成されるように、周方向に凸の湾曲形状（弧状）をなしている。流体は、このリターンベーン部３０を通過することによって、流体の旋回成分が除去されるとともに、静圧が一部回復される。

ここで、上記構成を有する遠心ポンプ１の作用について説明する。
図１及び図２に示すように、回転軸４と共に各々のインペラ５，６が回転すると、流体が吸込口８から外部ケーシング２内に吸い込まれ、両吸込インペラ５で昇圧された後に吸込流路７１を通って圧縮流路７２に流入し、圧縮流路７２においてインペラ６により昇圧される。圧縮流路７２で昇圧された流体はディフューザ流路７３に流入し、このディフューザ流路７３において流体の動圧が静圧に変換される。ディフューザ流路７３から出た流体は環状流路７４において半径方向外方側へ向く流れから半径方向内方側へ向く流れに転向された後、リターン流路７５に流入し、静圧が一部回復される。リターン流路７５から出た流体は、次段の吸込流路７１によって半径方向内方側へ向かう流れから軸方向へ向かう流れに転向された後、次段の圧縮流路７２に流入する。そして、各段の流路７を通過することによってエネルギー（例えば静圧）が増幅された流体は、吐出口９から吐出される。

本実施形態に係る遠心ポンプは、上述した構成に加えて、環状流路７４における流体剥離現象に起因した流体のエネルギーロスを抑制するために、さらに以下の構成を備えている。
幾つかの実施形態では、遠心ポンプ１において、上述したディフューザベーン部２０又はリターンベーン部３０の少なくとも一方は、環状流路７４内まで延設されている。
なお、図２では一例として、ディフューザベーン部２０が環状流路７４内まで延設された構成を示している。

この構成によれば、ディフューザ流路７３に設けられるディフューザベーン部２０又はリターン流路７５に設けられるリターンベーン部３０の少なくとも一方が、環状流路７４内まで延設されているので、ディフューザベーン部２０の下流端とリターンベーン部３０の上流端との距離が近づく。そのため、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを低減できる。よって、遠心ポンプ１の効率を高く維持することができる。
なお、上述した遠心ポンプ１は、環状隔壁１８、ディフューザ流路７３及びリターン流路７５の外周側に環状流路７４を設けた構成となっているため、製造コストを低く抑えることができ、また加工容易性に優れているという利点も有する。

一実施形態では、遠心ポンプ１が、図１に示したように複数のインペラ６が軸方向に多段に配列された多段遠心ポンプである場合、ディフューザベーン部２０及びリターンベーン部３０は、ｉ段目（但し、ｉは１以上の整数）の羽根車から半径方向外方に排出された流体を軸方向に転向させて（ｉ＋１）段目の羽根車に導くように構成されている。

上記構成によれば、多段遠心ポンプ１のインペラ６間の環状流路７４の少なくとも何れかにおいて、ディフューザベーン部２０又はリターンベーン部３０の少なくとも一方が環状流路７４内まで延設された構成とすることによって、多段遠心ポンプ１における流れの剥離に起因したエネルギーロスを抑制でき、多段遠心ポンプ１の効率を高く維持できる。
また、リターンベーン部３０はその次段のインペラ６に導くディフューザ流路７３に設けられ、次段のインペラ６に流入する流れの旋回成分を除去する役割を持っている。そのため、リターン流路７５に流入する流れの剥離が少なくなることで円滑な流れとなり、ディフューザ流路７３において流れの旋回成分を効果的に除去できる。
さらに、多段遠心ポンプ１の複数の環状流路７４（例えば全ての環状流路７４）において、ディフューザベーン部２０又はリターンベーン部３０の少なくとも一方が環状流路７４内まで延設された構成とすることによって、従来の遠心ポンプ１に比べて大幅な効率向上が図れる。

図３Ａは、環状流路７４近傍におけるディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の一構成例を示す部分斜視図（ディフューザベーン２１側から視た図）である。図３Ｂは、環状流路７４近傍におけるディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の一構成例を示す部分斜視図（リターンベーン３１側から視た図）である。

図２、図３Ａ及び図３Ｂに示す一構成例では、リターンベーン部３０の各々のリターンベーン３１は、リターン流路７５から半径方向外方に向かって環状流路７４内に延設されている。
この構成によれば、リターンベーン３１の環状流路７４内まで延設された部位によって、ディフューザベーン部２０の下流端（半径方向外方側端部２５）とリターンベーン部３０の上流端（半径方向外方側端部３５）との距離が近づくため、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを効果的に低減できる。

この場合、リターンベーン部３０の各々のリターンベーン３１は、ディフューザ流路７３の外周側の第１位置４１（図２参照）からリターン流路７５の外周側の第２位置４２（図２参照）にわたって環状流路７４内において軸方向に延在していてもよい。
この構成によれば、リターンベーン部３０の下流端とリターンベーン部３０の上流端との距離をより一層近づけることができ、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れが殆ど剥離することなくリターンベーン部３０に流入するため、流体のエネルギーロスをより効果的に低減できる。
なお、図示は省略するが、リターンベーン部３０の各々のリターンベーン３１は、第１位置４１から第２位置４２の間の環状流路４４のうち一部に延在していてもよい。すなわち、環状流路４４は、軸方向においてリターンベーン３１が存在しない領域を有していてもよい。

具体的な構成例として、リターンベーン部３０の各々のリターンベーン３１は、半径方向ベーン部３２と、軸方向ベーン部３４と、を含む。半径方向ベーン部３２は、環状隔壁１８の第２面１８ｂ上において半径方向に延在している。軸方向ベーン部３４は、屈曲部３３を介して半径方向ベーン部３２に繋がり、環状隔壁１８の外周側において軸方向に延在している。
この場合、図示されるように、軸方向ベーン部３４は、第１位置４１から第２位置４２にわたって環状流路７４内において軸方向に延在していてもよい。
この構成によれば、半径方向ベーン部３２及び軸方向ベーン部３４によって、ディフューザベーン部２０の下流端（半径方向外方側端部２５）とリターンベーン部３０の上流端（半径方向外方側端部３５）との距離が近づくため、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを効果的に低減できる。
なお、図示は省略するが、リターンベーン部３０の各々のリターンベーン３１は、屈曲部３３及び軸方向ベーン部３４を有さず、半径方向外方に向けて延在した半径方向ベーン部３２のみを有する構成としてもよい。

他の構成例においては、ディフューザベーン部２０及びリターンベーン部３０は、図４Ａ及び図４Ｂに示す構成であってもよい。
図４Ａは、環状流路７４近傍におけるディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の他の構成例を示す部分斜視図（ディフューザベーン２１側から視た図）である。図４Ｂは、環状流路７４近傍におけるディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の他の構成例を示す部分斜視図（リターンベーン３１側から視た図）である。

図４Ａ及び図４Ｂに示す他の構成例では、ディフューザベーン部２０は、ディフューザ流路７３から半径方向外方に向かって環状流路７４内に延設されている。
この構成によれば、ディフューザベーン部２０の環状流路７４内まで延設された部位によって、ディフューザベーン部２０の下流端（半径方向外方側端部２５）とリターンベーン部３０の上流端（半径方向外方側端部３５）との距離が近づくため、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを効果的に低減できる。

この場合、ディフューザベーン部２０は、ディフューザ流路７３の外周側の第１位置４１（図２参照）からリターン流路７５の外周側の第２位置４２（図２参照）にわたって環状流路７４内において軸方向に延在していてもよい。
この構成によれば、ディフューザベーン部２０の下流端とリターンベーン部３０の上流端との距離をより一層近づけることができ、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れが殆ど剥離することなくリターンベーン部３０に流入するため、流体のエネルギーロスをより効果的に低減できる。
なお、図示は省略するが、ディフューザベーン部２０の各々のディフューザベーン２１は、第１位置４１から第２位置４２の間の環状流路４４のうち一部に延在していてもよい。すなわち、環状流路４４は、軸方向においてディフューザベーン２１が存在しない領域を有していてもよい。

具体的な構成例として、ディフューザベーン部２０の各々のディフューザベーン２１は、半径方向ベーン部２２と、軸方向ベーン部２４と、を含む。半径方向ベーン部２２は、環状隔壁１８の第１面１８ａ上において半径方向に延在している。軸方向ベーン部２４は、屈曲部２３を介して半径方向ベーン部２２に繋がり、環状隔壁１８の外周側において軸方向に延在している。
この場合、図示されるように、軸方向ベーン部２４は、第１位置４１から第２位置４２にわたって環状流路７４内において軸方向に延在していてもよい。
この構成によれば、半径方向ベーン部３２及び軸方向ベーン部３４によって、ディフューザベーン部２０の下流端とリターンベーン部３０の上流端との距離が近づくため、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れの剥離を抑制でき、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを効果的に低減できる。
なお、図示は省略するが、ディフューザベーン部２０の各々のディフューザベーン２１は、屈曲部２３及び軸方向ベーン部２４を有さず、半径方向外方に向けて延在した半径方向ベーン部２２のみを有する構成としてもよい。

あるいは、図示は省略するがさらに他の構成として、ディフューザベーン部２０及びリターンベーン部３０の両方が、それぞれ、環状流路７４内に延設されていてもよい。

また、ディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の相対的な位置関係は、図５又は図７に示すような関係であってもよい。
ここで、図５は、一実施形態におけるディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の位置関係を示す模式図である。図７は、他の一実施形態におけるディフューザベーン２１及びリターンベーン３１の位置関係を示す模式図である。なお、図５及び図７は、流体の流れ方向に沿ってディフューザベーン２１及びリターンベーン３１を一平面上に示した展開図となっている。

図５及び図７に示すように、ディフューザベーン部２０の複数のディフューザベーン２１は、回転軸４（図１及び図２参照）周りに放射状に等間隔で設けられている。同様に、リターンベーン部３０の複数のリターンベーン３１は、回転軸４周りに放射状に等間隔で設けられている。ここで、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部２５におけるピッチをＰとする。ディフューザベーン２１及びリターンベーン３１のピッチは概ね一致しているので、リターンベーン３１の半径方向外方側端部３５におけるピッチもＰとなる。

一実施形態では、図５に示すように、リターンベーン３１の半径方向外方側端部３５の周方向位置が、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部２５の周方向位置に対して周方向においてディフューザベーン２１の負圧面２７側にずれている。このとき、リターンベーン３１の半径方向外方側端部３５の周方向位置のずれ量Ｐ_１が、０．１Ｐ以上０．３Ｐ以下の範囲内である。

本発明者らによる解析の結果、ディフューザベーン２１の半径方向外方側の負圧面２７において流体の流れに剥がれる領域が生じることを見出した。
図６は、ディフューザベーン２１の周囲の流体圧力を含む流体解析結果を示す図である。同図は、インペラ６が設けられる圧縮流路７２からディフューザベーン２１が設けられるディフューザ流路７３までの流路における圧力分布を示している。なお、ここでは、図１及び図２に示すディフューザベーン２１及びインペラ６を用いて流体解析を行った結果を示している。また、図中の白抜きの部位は、インペラ６又はディフューザベーン２１を示している。

図６に示される解析結果によれば、ディフューザベーン２１の半径方向外方側の負圧面２７の近傍の領域４５において、流体の圧力が低い領域（剥離点）４５が発生している。すなわち、領域４５において、流体の流れに剥がれが生じていると考えられる。この領域４５によって、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部２５における流れが影響を受ける範囲Ｓは、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部２５の周方向位置から負圧面側へ０．１Ｐ以上０．３Ｐ以下の範囲内である。なお、この範囲Ｓは、例えば、領域（剥離点）４５における負圧面２７の接線と、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部２５との距離から算出してもよい。

この範囲Ｓを考慮して、図５に示すように、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部２５の周方向位置に対する、リターンベーン３１の半径方向外方側端部３５の周方向位置のずれ量Ｐ_１を、０．１Ｐ以上０．３Ｐ以下の範囲内とする。
これにより、ディフューザベーン２１の負圧面２７の領域４５で剥がれた流体の流れが、リターンベーン３１の圧力面３６に導かれる。そのため、ディフューザベーン２１の負圧面２７の領域４５で剥がれた流れに起因した流体のエネルギーロスを低減することができ、遠心ポンプの効率向上が図れる。

他の実施形態では、図７に示すように、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部の周方向位置と、リターンベーン３１の半径方向外方側端部の周方向位置とが、周方向において略一致している。ここで、「略一致」とは、例えば、ディフューザベーン２１の半径方向外方側端部の周方向位置に対する、リターンベーン３１の半径方向外方側端部の周方向位置のずれ量が、−０．１Ｐ以上０．１Ｐ以下の範囲内である状態を示す。なお、負の符号は圧力面３６側へ向かうずれ、正の符号は負圧面３７側へ向かうずれである。

この構成によれば、ディフューザベーン２１の圧力面２６に沿った流れが、リターンベーン３１の圧力面３６に導かれるので、ディフューザベーン２１の圧力面２６から環状流路７４内に流出する領域での流れの剥離を抑制することができ、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを低減することができる。

上述したように、本発明の実施形態によれば、ディフューザ流路７３に設けられるディフューザベーン部２０又はリターン流路７５に設けられるリターンベーン部３０の少なくとも一方が、環状流路７４内まで延設されているので、ディフューザベーン部２０の下流端（半径方向外方側端部２５）とリターンベーン部３０の上流端（半径方向外方側端部３５）との距離が近づき、ディフューザベーン部２０の圧力面２６に沿った流れの剥離を抑制できる。よって、流れの剥離に起因した流体のエネルギーロスを低減でき、遠心ポンプ１の効率を高く維持することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
例えば、上述した実施形態では、図１に示す多段遠心ポンプ（遠心ポンプ１）について具体的に説明したが、インペラ６の段数や吸込側の構造及び吐出側の構造などの詳細な構造は図１に示す例に限定されるものではない。
また、図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａ、図４Ｂでは二次元翼のディフューザベーン２１及びリターンベーン３１を示しているが、ディフューザベーン２１又はリターンベーン３１は三次元翼であってもよい。
なお、上述の実施形態に記載される遠心ポンプ１の構成は、例えば、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた複合発電プラントにおける給水ポンプなどに適用できる。但し、遠心ポンプ１の適用先はこれに限定されるものではない。

例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

１ 遠心ポンプ
４ 回転軸
６ インペラ（羽根車）
７ 流路
１８ 環状隔壁
１８ａ 第１面
１８ｂ 第２面
２０ ディフューザベーン部
２１ ディフューザベーン
２２ 半径方向ベーン部
２３ 屈曲部
２４ 軸方向ベーン部
２６ 圧力面
２７ 負圧面
３０ リターンベーン部
３１ リターンベーン
３２ 半径方向ベーン部
３３ 屈曲部
３４ 軸方向ベーン部
３６ 圧力面
３７ 負圧面
４１ 第１位置
４２ 第２位置
７１ 吸込流路
７２ 圧縮流路
７３ ディフューザ流路
７４ 環状流路
７５ リターン流路

Claims (8)

1. 軸方向から流入する流体を昇圧して半径方向外方に排出するように構成された羽根車と、
   前記羽根車の回転軸の周りに設けられる環状隔壁と、
   前記環状隔壁の第１面側に形成され、前記羽根車を通過した前記流体を半径方向外方に導くように構成された第１半径方向流路と、
   前記環状隔壁を挟んで前記第１半径方向流路とは反対側において前記環状隔壁の第２面側に形成され、前記流体を半径方向内方に導くように構成された第２半径方向流路と、
   前記環状隔壁、前記第１半径方向流路及び前記第２半径方向流路の外周側において軸方向に延在して前記第１半径方向流路と前記第２半径方向流路とを連通させ、前記第１半径方向流路から前記第２半径方向流路に前記流体を軸方向に導くように構成された環状流路と、
   前記環状隔壁の前記第１面側において、少なくとも前記第１半径方向流路部内に形成されたディフューザベーン部と、
   前記環状隔壁の前記第２面側において、少なくとも前記第２半径方向流路部内に形成されたリターンベーン部と、を備え、
   前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の少なくとも一方が前記環状流路内に延設されたことを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記遠心ポンプは、複数の前記羽根車が前記軸方向に多段に配列された多段遠心ポンプであり、
   前記ディフューザベーン部及び前記リターンベーン部は、ｉ段目（但し、ｉは１以上の整数）の前記羽根車から半径方向外方に排出された前記流体を前記軸方向に転向させて（ｉ＋１）段目の前記羽根車に導くように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の前記少なくとも一方は、前記第１半径方向流路又は前記第２半径方向流路から半径方向外方に向かって前記環状流路内に延設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の前記少なくとも一方は、前記第１半径方向流路の外周側の第１位置から前記第２半径方向流路の外周側の第２位置にわたって前記環状流路内において前記軸方向に延在していることを特徴とする請求項３に記載の遠心ポンプ。
5. 前記ディフューザベーン部又は前記リターンベーン部の前記少なくとも一方は、
   前記環状隔壁の前記第１面又は前記第２面上において前記半径方向に延在する半径方向ベーン部と、
   屈曲部を介して前記半径方向ベーン部に繋がり、前記環状隔壁の外周側において前記軸方向に延在する軸方向ベーン部と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記軸方向ベーン部は、前記第１半径方向流路の外周側の第１位置から前記第２半径方向流路の外周側の第２位置にわたって前記環状流路内において前記軸方向に延在していることを特徴とする請求項５に記載の遠心ポンプ。
7. 前記リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置は、前記ディフューザベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置に対して周方向において負圧面側にずれており、
   前記ディフューザベーン部の半径方向外方側の端部におけるベーン間のピッチをＰとしたとき、前記リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置のずれ量が、０．１Ｐ以上０．３Ｐ以下の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の遠心ポンプ。
8. 前記リターンベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置と、前記ディフューザベーン部における半径方向外方側のベーン端部の周方向位置とが略一致していることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の遠心ポンプ。