JP3872966B2

JP3872966B2 - 軸流形流体機械

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Publication number: JP3872966B2
Application number: JP2001197663A
Authority: JP
Inventors: 浩一入江; 共由岡村; 良郎安斉; 淳一黒川
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2001-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2007-01-24
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: EP1270953A1; JP2003013898A; EP1270953B1; DE60201109D1; US6736594B2; DE60201109T2; US20030002982A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は非容積型の羽根車を有する軸流形流体機械に係わり、特に、羽根入口の再循環流の正流における予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が可能で、軸流ポンプやポンプ水車に適用して特に好適なものである。
【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
現在、主に使用されているポンプは、上流から下流に向かってベルマウス、ケーシング、ポンプ及びデフューザ等から構成される。
【０００３】
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。
【０００４】
図１２は、図２に示すようなターボ機械の典型的な揚程−流量特性曲線であって、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。この図に示すように、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を示す。更に、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揚程は低下する。
【０００５】
右上がり特性領域Ｓ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。ターボ機械を流れる流体流量が減少したとき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、前記右上がり特性が発生する（図２参照）。
【０００６】
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。
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、羽根弦長の１０〜２０％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。
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。
【０００７】
軸流形流体機械（ターボ機械の一つ）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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
また、この他に、特開２０００−３０３９９５号公報に記載のように、斜流ポンプのケーシング内面に、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ものも提案されている。
【００１１】
【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、ケーシングトリートメントにおいて失速マージンを１０％向上させるごとに軸流形流体機械の効率は１％低下する。
【００１２】
また、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。
【００１３】
更に、軸流形流体機械などのターボ機械においては、羽根入口付近などにキャビテーションが発生することがある。キャビテーションとはポンプを流れる液体の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下した際、液体中には気化により多数の気泡が発生する現象であり、発生した気泡はポンプ内部を流動しポンプ内部の圧力回復に伴い気泡が崩壊する。キャビテーションの発生は、羽根車やケーシング壁面に損傷を与えると共に振動・騒音の増加、性能の低下といった弊害を生じることがある。
【００１４】
ポンプがある運転状態においてキャビテーションを生じないためにポンプとして必要とするＮＰＳＨを“Ｒｅ．ＮＰＳＨ”と呼ぶ。ＮＰＳＨとは有効吸込ヘッドのことで、羽根車の基準面上の液体が持つ全圧が、その液体のその温度における飽和蒸気圧よりいくら高いかを表すものである。ＮＰＳＨが低くなればなるほど飽和蒸気圧に近づき、キャビテーションが発生しやすい状態になる。つまり“Ｒｅ．ＮＰＳＨ”は低ければ低いほど、そのポンプはキャビテーションを発生しにくいということを表す。
【００１５】
キャビテーションは運転条件において、その発生状態は様々であるが、軸流形や斜流形のポンプでは、右上がり特性の発生する小流量においては“Ｒｅ．ＮＰＳＨ”が高くなる傾向がある。つまり、キャビテーションを発生し易い状態となる。
【００１６】
本発明の目的は、揚程−流量特性曲線の右上がり特性を改善し、運転範囲の拡大を図れる軸流形流体機械を得ることにある。
【００１７】
本発明の他の目的は、設計点付近の安定な運転範囲においては、効率低下や振動・騒音の増大を抑制することのできる軸流形流体機械を得ることにある。
【００１８】
本発明の更に他の目的は、キャビテーションによる性能低下を改善できる軸流形流体機械を得ることにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングの内面にケーシングライナを軸方向に可動自在に設け、このケーシングライナの内面に、前記羽根の入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ流路を周方向に間隔をおいて複数本形成し、この流路の流路幅は流路深さよりも大きく、前記ケーシングライナを軸方向に移動させることにより、前記流路と羽根車との干渉の有無を切り替え、流路内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能としたことにある。
【００２０】
本発明の第２の特徴は、多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングの内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結んで圧力勾配方向の溝を複数本形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングの内面にこのケーシングの内面を軸方向に移動して前記羽根に対峙する部分の前記溝の全部又は一部を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることにある。
【００２１】
ここで、前記可動部材は円筒状に構成され、この可動部材が軸方向に羽根車の吸込側または吐出側へ移動することにより、前記羽根に対峙する部分の溝を開または閉状態とすることができる。また、可動部材の軸方向位置を変えて溝と羽根との干渉長さを変化させ、、該溝内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能とすることもできる。
【００２２】
本発明の第３の特徴は、多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングは羽根車に対峙する部分が軸方向に移動可能な移動ケーシングを有し、この軸方向に移動可能な移動ケーシングの内面に、前記羽根の入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ軸方向の溝を周方向に間隔をおいて複数本形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記移動ケーシングを軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替え、この溝内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能としたことにある。
【００２３】
ここで、前記移動ケーシングの溝形成部分と重なり合って溝を閉じるように他のケーシングを配置し、移動ケーシングを軸方向に移動させると溝が羽根存在域内に現れるようにすることができる。また、前記軸方向溝に連通し主流方向の下流側に設けられた周方向に連通する溝を更に備え、前記移動ケーシングを軸方向に移動させることにより、羽根存在域内に周方向に連通する溝が現れるようにすることもできる。
【００２４】
本発明の第４の特徴は、多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシング内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結びかつ入口主流中に予旋回が発生するのを抑制するのに必要な圧力の流体を取り出すことが可能に圧力勾配方向の複数本の溝を形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングにこの溝内を軸方向に移動して前記溝の羽根に対峙する部分を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることにある。
【００２５】
本発明の第５の特徴は、多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングの内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の複数本の溝を形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングにこの溝内を軸方向に移動して溝を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることにある。
【００２７】
本発明の第６の特徴は、多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシング内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の複数本の溝を形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングの内面にこのケーシングの内面を周方向に移動して前記溝を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を周方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることにある。
【００２８】
前記圧力勾配方向の溝は、その幅が５ｍｍ以上で深さは２ｍｍ以上であり、かつ溝幅が溝深さより大きく構成すると良い。◆
また、前記圧力勾配方向の溝の溝幅の合計が該溝の存在するケーシング内面周長に対して約３０〜５０％であり、溝の深さは該溝が存在するケーシング内面直径の約０．５〜２％で且つ溝幅の１０〜３０％になるように構成し、更に溝の羽根に対峙する部分の長さを羽根長さの約２０〜５０％となるよう構成すると良い。
【００２９】
上記のように、ケーシング内面に、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の溝を周方向に間隔をおいて複数本形成し、かつこの溝と関連する部分に可動部を設けることにより、ポンプの運転状態に応じて羽根車に対峙するケーシング壁面形状を変化させることができる。これにより、羽根車と溝との干渉の有無を切り替え、溝内を流れる流量を制御できる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
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る傾向がある。効率を重視しないものでも、５０％流量〜７０％流量付近で揚程曲線に平らな部分が生じる傾向がある。
【００３１】
ポンプの運転流量は、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つに定まらず、流量が定まらないため、ポンプの吐出量が不安定な範囲で変動し、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。
【００３２】
このため、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するため、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、ポンプ運転範囲が不安定な範囲に入らないように運転手順をつくり、制御していた。しかし、ポンプを回転速度制御するものでは、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運転できず、そのため不安定領域に入ってしまう運転範囲を要求される場合にはポンプ容量を小さくて台数制御も併用する必要があった。このため、設備、制御方法が複雑になり、コストが上昇を招く問題があった。
【００３３】
また、ポンプの揚程曲線の安定化を得る従来の方法では効率が下がり、消費動力が大きくなる問題があった。
【００３４】
本発明は上記の問題を解消できる優れた特徴を有する。しかし、本発明においては、羽根が溝を通過する際に溝と羽根車からの流れが干渉することにより圧力脈動が生じ、その圧力脈動がポンプを加振し、ポンプ本体や配管より発生する振動及び騒音を増大させるという新たな課題もあることがわかった。ポンプ機場が住宅地に近接して据付けられる場合や、ポンプ機場周辺に住宅地が建設される場合には騒音・振動対策も必要になる。
【００３５】
この騒音・振動対策も考慮し、かつ右上がり特性を改善でき、更に小流量のキャビテーションを改善した本発明の実施例を以下説明する。
【００３６】
なお、本発明は、ポンプの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、吐出量をＱ（ｍ^３／ｍｉｎ）としたとき、ポンプの特性を示す指数である比速度Ｎｓ（Ｎｓ＝Ｎ×Ｑ^０ ^. ^５／Ｈ^０ ^. ^７５）が１０００〜２２００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。
【００３７】
本発明の実施の形態を添付図面を参照し、説明する。◆
図２は軸流形流体機械の一つである軸流ポンプの代表的な例を示す全体縦断面図である。図において、１は軸流羽根を有する羽根車で、ケーシング２内に回転軸４により回転自在に設けられている。３はケーシング２に取り付けられた案内羽根で、羽根車１からの流れを案内しかつ回転軸４を支持する軸受１１も支えている。図２の二点鎖線で囲ったＡ部付近の構造は、例えば図３に示すように、羽根入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ軸方向の溝５が周方向に複数本設けられている。図４は図３のIV−IV線矢視図で、ケーシング２及び羽根車１を正面から見た図である。溝５は、ケーシング２の内面に設けられ、その深さがその幅より小さい浅い溝の構成となっている。また、溝５は羽根先端部の中程から低流量時に再循環流が発生する位置にかけて流体圧力勾配方向に形成されている。このような溝５を設けることにより、羽根車１により圧力の上昇した流体が溝５内を溝の下流側終端位置から溝の上流側終端位置に向かって逆流し、低流量時に発生する再循環流（羽根入口逆流）の発生場所に噴出して再循環流の発生を抑制し、再循環流により正流が予旋回を受けるのを抑制することができ、羽根旋回失速の発生を防止できる。
【００３８】
前記圧力勾配方向の溝５は、ポンプの大きさにもよるが、その幅が５〜１５０ｍｍ（好ましくは５〜３０ｍｍ）で深さは１〜３０ｍｍ（好ましくは２〜６ｍｍ）であり、溝深さは溝幅の５〜５０％（好ましくは１０〜３０％）程度とするのが良い。また、前記溝の溝幅の合計が該溝の存在するケーシング内面周長に対して約３０〜５０％であり、溝の深さは該溝が存在するケーシング内面直径の約０．５〜２％になるように構成し、更に溝の羽根に対峙する部分の長さを羽根長さの約２０〜５０％となるよう構成するのが良い。
【００３９】
次に、図１、図５〜図１１により軸流型流体機械に上記溝５を適用する場合の好ましい具体的構成を説明する。図５〜図１０はそれぞれ図２の二点鎖線で囲ったＡ部付近の拡大図に相当し、図１１はＡ部付近の円筒断面図に相当する。
【００４０】
図１に示す例は、ケーシング２の内面に軸方向に可動自在なケーシングライナ（可動部）６を設け、このケーシングライナ６の内面に、前記羽根の入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ溝（流路）５を周方向に複数本設けたものである。ケーシングライナ６を軸方向に移動させることにより、羽根存在域内における溝５の位置を変え、羽根車との干渉長さを変える。これにより該溝内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整することができる。
【００４１】
図１に示すように、ケーシングライナ６を軸方向右側（Ｒ方向）に移動させることにより、羽根１と溝５が互い干渉し合う状態となる（（ａ）図）。揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生する低流量の運転領域では、（ａ）に示す状態として、溝５を羽根と干渉させ、羽根で昇圧した流体の一部を溝５を介して、羽根入口側の再循環流発生場所に噴出させる。これにより、羽根車入口主流（正流）に予旋回が与えられるのを抑制でき、揚程−流量特性曲線の右上がり特性を改善することができる。
【００４２】
（ａ）図の状態では、羽根車１からの流れと溝５が干渉し圧力脈動が発生する。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。そこで本実施例では、揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生する運転領域以外では、ケーシングライナ６を軸方向左側（Ｌ方向）に移動させ、（ｂ）に示す状態として、溝５を羽根と干渉しないようにする。これにより、羽根と溝５の干渉によって発生し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・騒音の増大を抑えることが可能となる。
【００４３】
図１３は、溝５を設けた場合と設けない場合の振動加速度の関係を比較して示す線図である。横軸は無次元化した流量Φ、縦軸は無次元化した振動加速度（Vibration Level）である。図中の黒丸はケーシングに溝を設けない場合、白丸はケーシングに溝５を設けた場合を表す。この図に示すように、溝の無い場合に比べ、ケーシングに溝５を設けた場合には振動加速度が流量全域で増大していることがわかる。
【００４４】
本実施例では、溝５を移動できる構造とすることによって、羽根と溝５の干渉を運転状態に応じて低減させることができるから、特定の運転範囲では溝の無い状態と同様のレベルまで振動を抑制することが可能となる。これは騒音についても同様のことが言える。
【００４５】
また、本実施例では、溝５を設けたことにより、羽根車に発生したキャビテーションによる性能低下を改善できる効果も有する。すなわち、右上がり特性の発生する運転領域では、羽根車の剥離・失速に伴う逆流の発生に伴いキャビテーションによる性能低下が著しくなる傾向がある。これに対して、溝５を設けることにより、入口旋回流れの抑制による羽根車内の流れを改善できるから、キャビテーション発生を抑制し、キャビテーションによる性能低下も少なくすることができる。
【００４６】
図１４は、溝５を設けた場合と設けない場合のキャビテーション性能の関係を比較して示す線図である。横軸は無次元化した流量Φ、縦軸は無次元化した“Ｒｅ．ＮＰＳＨ”（δ）である。図中の黒丸はケーシングに溝を設けない場合、白丸はケーシングに溝を設けた場合を表す。溝のない場合は無次元流量が０．６の時にキャビテーション性能が悪化しているが、溝を設けることにより大幅にキャビテーション性能が改善されていることがわかる。
【００４７】
次に、ケーシングライナ（可動部材）６を移動させる機構について図１により説明する。吸込側のケーシング２、可動部材６及び吐出側のケーシング２にシャフト７が貫通され、吐出側のケーシング２にはモータ８が設けられている。可動部６とシャフト７とはネジ結合されており、モータ８によりシャフト７を回転させ、ネジ部によって可動部材６をＬ方向やＲ方向へ移動させる構造となっている。なお、可動機構としては、モータ以外にも油圧シリンダなどを用いることもできる。上記移動機構の制御は、ポンプの内部圧力を計測する圧力センサ、ポンプ吐出量を計測する超音波流量計や電磁流量計などを設け、内部圧力や吐出し量が予め決められた値となったとき、モータやシリンダにより可動部を移動させるようにすれば自動制御を可能にできる。
【００４８】
図５に示す例は、ケーシング内面の周方向に複数本設けられ、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の溝５の全部又は一部を開閉できるように、ケーシング２の内面を軸方向に移動する可動部材６を設けたものである。前記可動部材６は円筒状に構成され、図５の例では可動部材６が吸込側（L方向）へ移動することにより、（ｂ）図に示すように、前記羽根に対峙する部分の溝が開状態とされる機構としている。すなわち、（ｂ）図の状態では羽根と溝５が干渉し合い、揚程−流量特性曲線の右上がり特性を改善した運転をすることができる。また、可動部材６を吐出側（Ｒ方向）へ移動させることにより、（ａ）図に示すように羽根と溝５が干渉しない状態、つまり羽根存在域内には溝５の無い状態にでき、羽根と溝５との干渉による圧力脈動により引き起こされる振動・騒音の増大を抑制することができる。このように構成することにより、可動部材６の位置により溝と羽根との干渉長さを変化させ、溝内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整することができる。
【００４９】
なお、前記可動部材６を吐出側（R方向）へ移動させることにより、羽根に対峙する部分の溝が開状態とされる機構とすることも同様に可能であり、その例を図６により説明する。図６において、ケーシング２の内面には溝５と、軸方向に可動できる円筒状の可動部材６が設けられている。Ｒ方向へ可動部材６を移動させることで、（ｂ）図のように羽根と溝５が干渉し合う状態とし、揚程−流量特性曲線の右上がり特性を改善した運転が可能となる。また、Ｌ方向へ可動部材６を移動させることにより、（ａ）図のように羽根と溝５が干渉しない状態、つまり羽根存在域内には溝５が無いのと同じ状態となり、羽根と溝５との干渉による振動・騒音を抑制することができる。このように可動部材６を移動させることにより、羽根存在域内の溝５と羽根車１の干渉長さを変えることにより溝５を流れる流体を制御できる。
【００５０】
図７に示す例は、ケーシング２のうち羽根車に対峙する部分のケーシング２ａ（可動部材）を軸方向に移動可能に構成し、この移動可能なケーシング２ａの内面には、羽根の入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ軸方向の溝（流路）９を周方向に複数本設けたものである。ケーシング２ａを軸方向に移動させることにより、前記溝９の位置を変えて羽根車１との干渉長さを変え、溝５内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能としている。
【００５１】
また、この例では、移動可能なケーシング２ａに形成した溝５部分と重なり合って溝が閉じられるように他方のケーシング２が配置され、移動可能なケーシング２ａを軸方向に移動させることにより、溝が羽根存在域内に現れるように構成されている。さらに、この例では、前記軸方向溝９に連通し主流方向の下流側に設けられた周方向に連通する溝（流路）９ａも備えており、移動可能なケーシング２ａを軸方向に移動させることにより、羽根存在域内に周方向に連通する溝が現れるように構成している。なお、前記溝９は上記のように、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の溝とするだけでなく、溝９の部分を周方向に連続する流路９とすることも可能である。１０は、可動なケーシング２ａが右（Ｒ）方向に移動したとき、上記流路（溝）９の上流側端（左端）部と連通する位置に設けられた孔で、この孔１０は周方向に複数設けられている。孔１０は羽根車から流路９を逆行して上流側に流れる流体を再循環流の発生する羽根入口側へ噴出するように設けられている。
【００５２】
Ｒ方向へケーシング２ａを移動させることにより、図７の（ｂ）図に示すように、羽根の外周側に流路９，９ａが現れる。羽根車１で昇圧された流体の一部は、周方向の流路９ａから軸方向（又は週方向）に形成された流路９を通り、孔１０から、羽根入口の再循環流の発生領域へ噴出され、入口主流に予旋回が与えられるのを抑制することができる。この結果、羽根旋回失速を抑制し、揚程−流量特性曲線の右上がり特性を改善することができる。
【００５３】
可動なケーシング２ａをＬ方向へ移動させることにより、図７の（ａ）図に示すように、羽根とケーシング２と可動部６により形成される流路と干渉しない状態となり、特定の運転範囲（右上がり特性が発生しない通常の運転範囲）では、羽根により昇圧された流体の一部が羽根入口側等に漏れることなどによる効率低下の生じない良好な運転状態を維持することができる。
【００５４】
図８に示す例は、ケーシング２の内面に、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の溝５が上記各例と同様に、周方向に複数本設けられている。そして、この溝５内には、溝内を軸方向（溝と平行）に移動して、該溝の羽根に対峙する部分を開閉できるように構成された可動部材６がそれぞれの溝５に組み込まれている。
【００５５】
軸流形流体機械の揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生する運転領域では、可動部材６をＬ方向へ移動させ、図８の（ｂ）図に示すように、羽根存在域内に溝５が現れるようにする。このようにすることにより、羽根存在域内に溝５が存在する状態となり、羽根で昇圧された流体の一部が溝内部を主流に対して羽根入口側に流れ、羽根入口の再循環流の発生領域へ噴出され、入口主流に予旋回が与えられるのを抑制することができる。この結果、羽根旋回失速を抑制し、揚程−流量特性曲線の右上がり特性を改善することができる。
【００５６】
また、揚程−流量特性曲線に右上がり特性が発生しない通常の運転範囲では、Ｒ方向へ可動部材６を移動させ、図８の（ａ）図に示すように、溝５の羽根に対峙する部分が閉じられ、羽根存在域内に溝がない状態にする。これにより、不安定特性が発生しない運転領域では、羽根と溝との干渉による圧力変動が発生するのを抑制でき、振動・騒音の増加を防止できる。◆
更に、この例では、溝５の上流側端位置の調整も容易に可能であり、適切な溝形状とすることができる。
【００５７】
図９に示す例は、上記各例と同様に、圧力勾配方向の溝５を上記各例と同様に、周方向に複数本設け、さらに各溝５には、溝の全長に亘って溝の深さより小さい厚さの可動部材６を設け、該可動部材を径方向に移動可能に構成している。可動部材６を外径方向（Ｒ方向）に移動させることにより、図９の（ｂ）図に示すように、羽根車に対峙する部分に幅が広く浅い溝が形成されるようにする。また、可動部材６を内径方向（Ｌ方向）に移動させることにより、図９の（ａ）図に示すように、溝５が可動部材によって閉じられ、羽根存在域内に溝が存在しない状態にすることができる。
【００５８】
このように構成することにより、揚程−流量特性曲線に右上がり特性が発生する不安定運転領域では、図９の（ｂ）図に示す状態で運転し、特性曲線の右上がり特性を改善することができる。また、右上がり特性が発生しない安定な運転領域では、（ａ）図に示すように、溝が無いのと同様の状態とし、効率を向上した運転が可能となる。◆
なお、この図９に示す例では溝の深さを調整することが容易に可能となり、最適な溝深さとすることができる。
【００５９】
図１０に示す例は、図９に示す例と同様に、溝５内に可動部材６を組み込んだものであるが、この例での可動部材６は、溝内で可倒される機構としたものである。この例では、溝５は底部が傾斜した形状とされ、可動部材６は溝の浅い部分側（主流上流側）を支点として回動される機構に構成されている。
【００６０】
軸流形流体機械の揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生する不安定運転領域では、可動部材６をＬ方向に回動させて図１０の（ｂ）図に示すように羽根存在域内に溝５が現れるようにし、上記各例と同様に溝の効果を利用した運転を可能にする。また、右上がり特性が発生しない安定な運転領域では、可動部材６をＲ方向に回動させ、図１０の（ａ）に示すように、羽根存在域内に溝がない状態として、効率を向上した運転が可能となる。
【００６１】
図１１に示す例は、ケーシング２の内面に、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の溝５を周方向に複数本を形成する。この例では図に示すように溝が複数本（図では５本）づつセットになってケーシングの周方向に複数セット（図では４セット）が均等に配置されている。また、ケーシング２の内面には前記複数セットの溝群を覆うことができるように、櫛状の円筒可動部材６ａがケーシング内を回転可能に設けられている。可動部材６ａを回転させることにより、溝５を円筒可動部材の櫛状部で覆って溝のない状態としたり、溝５の存在しない部分に前記櫛状部を回転移動させることにより、ケーシング内面に溝が現れるようにすることができる。
【００６２】
このようにすることにより、右上がり特性が発生する不安定運転領域では、図１１の（ｂ）図に示すように可動部材６ａを回転させ、ケーシング２の内面に溝５が現れて、上記各例と同様に溝の効果を利用した運転を可能にする。また、安定な運転領域では、（ａ）図に示すように、可動部材６ａを回転させて溝５を塞ぎ、溝の存在しない状態として、効率を向上した運転が可能となる。
【００６３】
なお、図１１では溝５をセットで設ける例を説明したが、溝５を周方向に均等に複数設け、前記円筒可動部材には、溝５の周方向ピッチと同ピッチで各溝を覆うことができる櫛状部を形成する構成とすることもできる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明によれば、羽根車が昇圧した液体の一部が羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の溝を備えているので、羽根で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することにより、羽根車へ流入する流体中に予旋回が発生するのを抑制できる。これにより、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できるので、効率低下を抑制しつつ右上がり特性が改善された揚程−流量特性曲線を有する軸流形流体機械が得られ、運転範囲の拡大を図ることができる。
【００６５】
また、前記溝を設けることにより、小流量運転側でのキャビテーション発生も抑制でき、キャビテーションによる性能低下も改善できる。
【００６６】
更に、流体機械の運転状態により、溝位置を移動させたり或いは溝を開閉できる構造としたことにより、該溝と羽根車の干渉長さを変化させたり、干渉しない構成として、右上がり特性のない設計点付近の安定な運転領域では、振動・騒音が少なく、効率もより良好な運転状態を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す軸流形流体機械の要部を示す子午面断面図である。
【図２】従来技術の軸流形流体機械の全体構成を示す子午面断面図である。
【図３】圧力勾配方向の溝を具備した軸流形流体機械の要部を示す子午面断面図である。
【図４】図３のIV−IV線矢視図である。
【図５】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の要部の子午面断面図である。
【図６】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の要部の子午面断面図である。
【図７】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の要部の子午面断面図である。
【図８】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の要部の子午面断面図である。
【図９】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の要部の子午面断面図である。
【図１０】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の要部の子午面断面図である。
【図１１】本発明の他の例を示す軸流形流体機械の円筒断面図である。
【図１２】従来技術における軸流形流体機械の典型的な揚程−流量特性曲線を示す図である。
【図１３】本発明と従来技術軸の流形流体機械における流量−振動加速度の関係を説明する線図である。
【図１４】本発明と従来技術軸の流形流体機械における流量−キャビテーション性能の関係を説明する線図である。
【符号の説明】
１…羽根車、２，２ａ…ケーシング、３…案内羽根、４…回転軸、５…溝、６…可動部材（ケーシングライナ）、６ａ…円筒可動部材、７…シャフト、８…モータ、９…流路、９ａ…周方向溝、１０…孔、１１…軸受。

Claims

多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングの内面にケーシングライナを軸方向に可動自在に設け、このケーシングライナの内面に、前記羽根の入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ流路を周方向に間隔をおいて複数本形成し、この流路の流路幅は流路深さよりも大きく、前記ケーシングライナを軸方向に移動させることにより、前記流路と羽根車との干渉の有無を切り替え、流路内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能としたことを特徴とする軸流形流体機械。
多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングの内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結んで圧力勾配方向の溝を複数本形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングの内面にこのケーシングの内面を軸方向に移動して前記羽根に対峙する部分の前記溝の全部又は一部を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることを特徴とする軸流形流体機械。
請求項２において、前記可動部材は円筒状であり、この可動部材を軸方向に前記羽根車の吸込側へ移動させて、前記羽根に対峙する部分の溝を開状態とすることを特徴とする軸流形流体機械。
請求項２において、前記可動部材は円筒状であり、この可動部材を軸方向に前記羽根車の吐出側へ移動させて、前記羽根に対峙する部分の溝を開状態とすることを特徴とする軸流形流体機械。
請求項３又は４において、可動部材の軸方向位置を変えて溝と羽根との干渉長さを変化させ、この溝内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能としたことを特徴とする軸流形流体機械。
多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングは羽根車に対峙する部分が軸方向に移動可能な移動ケーシングを有し、この軸方向に移動可能な移動ケーシングの内面に、前記羽根の入口側と羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ軸方向の溝を周方向に間隔をおいて複数本形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記移動ケーシングを軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替え、この溝内を流体圧力の勾配方向に流れる流体の流量を調整可能としたことを特徴とする軸流形流体機械。
請求項６において、前記移動ケーシングの溝形成部分と重なり合って溝を閉じるように他のケーシングを配置し、移動ケーシングを軸方向に移動させると溝が羽根存在域内に現れるようにしたことを特徴とする軸流形流体機械。
請求項７において、前記軸方向溝に連通し主流方向の下流側に設けられた周方向に連通する溝を更に備え、前記移動ケーシングを軸方向に移動させることにより、羽根存在域内に周方向に連通する溝が現れるように構成したことを特徴とする軸流形流体機械。
多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシング内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結びかつ入口主流中に予旋回が発生するのを抑制するのに必要な圧力の流体を取り出すことが可能に圧力勾配方向の複数本の溝を形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングにこの溝内を軸方向に移動して前記溝の羽根に対峙する部分を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることを特徴とする軸流形流体機械。
多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシングの内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の複数本の溝を形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングにこの溝内を軸方向に移動して溝を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を軸方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることを特徴とする軸流形流体機械。
多数の羽根を有する軸流羽根車をケーシング内に回転自在に配置した軸流形流体機械において、前記ケーシング内面に周方向に間隔をおいて、羽根車入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ圧力勾配方向の複数本の溝を形成し、この溝の溝幅を溝深さより大きく構成し、前記ケーシングの内面にこのケーシングの内面を周方向に移動して前記溝を開閉可能な可動部材を設け、この可動部材を周方向に移動させることにより、前記溝と羽根車との干渉の有無を切り替えることを特徴とする軸流形流体機械。
請求項２〜１１の何れかにおいて、前記圧力勾配方向の溝は、その幅が５ｍｍ以上で深さは２ｍｍ以上としたことを特徴とする軸流形流体機械。
請求項２〜１２の何れかにおいて、前記圧力勾配方向の溝の溝幅の合計がこの溝が形成されたケーシング内面周長に対して約３０〜５０％であり、溝の深さはこの溝が形成されたケーシング内面直径の約０．５〜２％でかつ溝幅の１０〜３０％であり、さらに溝の羽根に対峙する部分の長さは羽根長さの約２０〜５０％であることを特徴とする軸流形流体機械。