JP6362984B2 - 遠心型流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、遠心型の羽根車を有する流体機械、特に揚程曲線の右上がり特性を抑制できる遠心型流体機械に関する。

ポンプ（ポンプ水車を含む）や圧縮機などの羽根車を有する流体機械の羽根車の特性は、図１０に示すような流量に対する揚程と効率で表わすことができる。このとき、図１０に示すように揚程曲線が右上がりであると、一つの揚程に対して二つ以上の流量が存在することとなり、運転が不安定となるため、これを抑制する必要がある。このような揚程曲線の右上がり特性を、不安定特性と呼称する。

また、流体機械は回転部材（軸や羽根車）の共振や自励振動といった、過大な
振動を発生するロータダイナミクスの不安定現象を避ける必要がある。

さらに、最高効率を得ることができる流量点を流体機械の設計点とすることが多く、この最高効率の低下を防ぐ必要がある。

揚程曲線の凹みは設計点よりも低流量側で発生し、その要因は羽根車入口での逆流が要因の一つであると考えられている（非特許文献1参照）。つまり、設計点では衝突損失を小さくして効率低下を抑制するために、翼の入口角度と翼に流入する流れの角度が概ね一致するように設定する。この翼の入口角度と翼に流入する流れの角度の角度差を迎角と呼ぶが、低流量側では迎角が大きくなる。そのため、低流量側では翼に流入する流れが翼面に沿うことが難しくなる。さらに遠心型の羽根車では低流量域において、羽根車の動翼入口部に旋回による遠心力のため内径側から半径方向の流れが生じる。そのため、図１１に示すように羽根車入口の外径側壁付近で逆流が発生する。このとき、羽根車入口流れは強い旋回を伴い、流れが動翼の翼面に沿うことを阻害する要因となる。

さらに、羽根車は回転体であるため、静止壁と非接触にする必要があり、その隙間に漏れ流れが発生する。この漏れ流れが、羽根車入口での流れ場を乱し、揚程曲線の安定性を悪化させる要因となる場合がある（非特許文献３参照）。

この不安定特性を防止する手段として、これまで下流側から上流側へ流れが戻るバイパス管を設け、適当な絞りで適当量を逆流させ、回転機械はその特性の右下がり特性の部分だけ使用するように制御する方法が考案されている（特許文献1、非特許文献２参照）。
特に、特許文献１は案内翼を有する遠心型ポンプについて、案内翼出口の圧力変動を検知することでバイパスの戻り配管を通過する流量を制御し、戻り流れの流量だけ案内翼を通過する流量を増加させることで、案内翼で発生する旋回失速と呼ばれる不安定現象を防止することを目的としている。

特開２００６−２９２００号公報

ターボ機械協会編「ターボポンプ」日本工業出版 ポンプ技術者連盟 ポンプハンドブック編集委員会編 「ポンプハンドブック」産業開発社 GUELICH J, et al 「Influence of flow between impeller and casing on part-load performance of centrifugal pumps」 ASME FED, 1989, Vol. 81, pp.227-235

しかしながら、前記の方法では最大揚程などの運転範囲が狭くなるという問題がある。
すなわち、非特許文献2の方法では、揚程曲線の極大となる流量点より大流量側の（流量がゼロの揚程よりも小さい）揚程が実現可能な最大値となる。特許文献1の方法でも、揚程曲線の極大となる流量点を検知することはできないため、同じく揚程曲線の極大となる流量点より大流量側の揚程が実現可能な最大値となる。運転範囲を広くするためには、揚程曲線の凹み点を安定化してより小流量側に移動させる、理想的には解消する、ことと、揚程曲線の極大となる流量点を精度良く検知することが必要である。さらに特許文献１には羽根車出口や羽根車背面流路に戻り配管の出口を設ける実施例が記載されているが、これより遠心型の羽根車が有する軸封シールを通過し、羽根車外周の旋回成分を持ち込む流れが増加し、流体機械のロータダイナミクスに対する不安定化力が増加する可能性がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、バイパスの戻り流れ流路及びバイパス流路弁、そして流体機械の入口と出口それぞれの圧力検知装置とバイパス流路弁の制御装置を設けた流体機械において、最高効率の悪化やロータダイナミクスの不安定化力増大を招くことなく、運転範囲を広くしたものである。本発明では、不安定特性の有無を常時検知しつつ、圧力を制御して不安定特性を防止しながら、バイパス流路からの戻り流れを利用して不安定特性の要因である漏れ流れを抑制し、流体機械の水力部、特に羽根車入口部、の内部流れと揚程曲線を安定化することを目的とする。

上記課題を解決する為本発明では、羽根車と、吸込流路と、吐出流路と、前記羽根車の吸込流路側に対面する静止壁と、前記静止壁に取り付けられた軸封シールとを有する遠心型流体機械において、入口が前記吐出流路に接続され、前記吐出流路の近傍に取り付けられた弁からなるバイパス流路と、前記吸込流路の入口と前記吐出流路の出口の圧力を検知する圧力検知装置と、前記圧力検知装置の信号を受信して前記弁の絞りを制御する制御装置と、を備え、前記バイパス流路の出口が前記軸封シールを通過する流体を遮る位置に配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、不安定特性が現れる可能性のある条件の流体機械運転時のみにバイパスの戻り流路を形成して不安定特性を防止することができ、大流量側、特に最高効率点近傍での運転条件においては、戻り流れとそれによる効率低下を抑制することができる。そして、バイパス流路の出口を（羽根車入口側の）軸封シールの入口より下流側に配置することで、羽根車外周の大きい旋回成分を持つ漏れ流れが軸封シールを通過して羽根車入口に流入することを抑制し、内部流れの不安定現象及びロータダイナミクスの不安定化力を抑制することが可能となる。

本発明に係る遠心型ポンプの第1の実施の形態の模式的部分断面図。 図１の遠心型ポンプに圧力測定の位置と制御装置との関係を示した模式図。 図１の遠心型ポンプのパイバス流路の弁制御方法の説明図。 バイパス流路出口の構造の第一の例を示す模式的部分断面図。 バイパス流路の構造の第一の例を示す模式的部分断面図。 バイパス流路の構造の第二の例を示す模式的部分断面図。 バイパス流路出口の構造の第二の例を示す模式的部分断面図。 バイパス流路出口の構造の第三の例を示す模式的部分断面図。 本発明に係る遠心型ポンプの第２の実施の形態の模式的部分断面図。 流体機械の特性である、流量に対する（不安定特性を有する）揚 程と効率を示した図。 低流量域での遠心型羽根車子午面上流れの模式図

以下、本発明に係る流体機械を実施するための最良の形態を図1〜図９を参照して説明する。ここで、同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。尚、下記はあくまでも実施の例に過ぎず、下記具体的内容に発明自体が限定されることを意図する趣旨ではない。

図１〜図８は、本発明に係る流体機械の第1の実施の形態として、遠心型ポンプ単段機（ディフューザポンプ）の例を示す。この実施の形態では、水平方向の回転軸１０の周りを羽根車１が回転できるように配置されている。羽根車１の左方には吸込管１１が配置され、羽根車１の半径方向外側には渦巻き状の吐出ケーシング１２が配置され、羽根車１と吐出ケーシング１２の間に、円環状流路２０と周方向に配置された複数個の案内静翼２１から構成される案内羽根２２が配置されている。羽根車１の左方側壁をシュラウド、右方側壁をハブと呼称することとし、シュラウドとハブは静止壁１３で覆われていて、羽根車１と静止壁１３の間に、シュラウド側にはシュラウド側背面流路１４、ハブ側にはハブ側背面流路１５が形成されている。シュラウド側背面流路１４の内径側出口には静止壁１３にシュラウド側軸封シール１６が配置されている。

ポンプが運転するときは、羽根車１がモーターやタービンなどの駆動機（図示せず）によって回転することで、水が吸込管１１から羽根車１および案内静翼２１を通って吐出ケーシング１２に流れるように駆動される。これを主流１０１と呼称する。羽根車１で角運動量を得た水は昇圧され、案内羽根２２と吐出ケーシング１２を通過するに従って減速することで、速度エネルギーが圧力に変換されて、さらに圧力が上昇する。

シュラウド側背面流路１４の外径側出口は圧力が高く、内径側出口は圧力が低いため、その圧力差によって羽根車１の出口側から入口側に戻る漏れ流れ１０２が存在する。

さらにこの実施の形態では、吐出ケーシング１２の吐出口１７とシュラウド側背面流路１４の内径側出口に対面する位置の静止壁１３がバイパス配管３ａとバイパス孔３ｂから構成されるパイパス流路３によって連通している。バイパス流路３は、ポンプのケーシング外壁９０より外側はバイパス配管３ａで構成され、ケーシング外壁９０の内側はバイパス孔３ｂで構成されている。このバイパス配管３の途中には弁４が設けられ、弁４はバイパス配管３の不安定な振動を防ぐために、吐出口１７に近づけた位置に配置されている。

図２に示すように、吐出口１７の近くと吸込管１１の吸込口１８の近くにそれぞれ1つ、もしくは、周方向に複数個配置された圧力測定孔２３が設けられていて、圧力測定孔２３の圧力が圧力測定装置２４で測定される。この圧力測定装置２４の出力は制御装置２に送られ、制御装置２は、吐出口１７と吸込口１８の圧力差Hに応じて弁４を制御する。すなわち、図３に示すように、最高効率点から流量を下げる場合、低流量側に間隔をあけた弁開放開始流量点３１から揚程最大流量点３２まで弁４の絞りを徐々に小さくする。このとき、ポンプは流量測定装置を備えた配管に接続されて運転されており、この流量測定装置からの信号を受信して制御装置２は流量に応じた弁４制御のパターンを判定する。こうすることで、揚程曲線の不連続性を抑制することができる。揚程最大流量点３２より低流量側では、羽根車１を通過する流量が揚程最大流量点３２と同じになるように弁４の絞りを小さくして、パイパス流路を通過する戻り流れの流量を制御する。圧力は逆に過大であると，配管などの破損の原因となるため，このバイパスによる戻り流量と圧力差Ｈの制御により，圧力が過大になることを防止することができる。さらに流量測定装置と圧力測定装置２４を用いて、流量を減少させるときには流量変化量dQと圧力差変化量dHの比dH/dQを常時監視して制御装置２に信号を送信する。このdH/dQの値が0から正の値となったときには、強制的に弁4の絞りを小さくして羽根車１を通過する流量をdH/dQ=0であった流量（揚程極大流量点３３）まで増やすように制御装置２を用いて制御することで、外乱などによって発生する，事前の予想とは異なる流量点での不安定現象を防止することができる。

このとき、羽根車１を通過する流量は流体機械が駆動する流量とバイパス流量を通過する流量から概ね算出することができる。

図４にバイパス流路出口の構造の第１の例を示す。回転軸１０と並行方向に設けられたパイパス孔３ｂ’は、径方向位置が概ねシュラウド側背面流路１４の内径側出口と同じになるように設けられている。こうすることで、漏れ流れ１０２の出口の圧力が高くなる（この空間をパイパス流路出口室３ｃと呼称する）とともに、バイパス戻り流れ１０３が漏れ流れ１０２と逆向きに対向して、漏れ流れ１０２を抑制することができる。さらに、バイパス孔３ｂ’の出口よりも内径の位置に、静止壁と羽根車１との距離がバイパス孔３ｂ’の出口位置よりも小さくなるようなパイパス流路出口室の突出部３ｄを設けている。こ
れにより圧力損失が発生し、バイパス流路出口室３ｃの圧力が過大となったとき、バイパス流路出口室３ｃからバイパス流路出口室の突出部３ｄと羽根車１の隙間を通過して内径側に流出した水の圧力を小さくし，吸込口１８（図４の左方）側に流れが逆流することを抑制することができる。バイパス戻り流れ１０３の向きを制御して羽根車入口の逆流１０４をより効率的に抑制するために、（図４中の点線で示すように、）バイパス流路出口室の突出部３ｄと羽根車１のシュラウドの入口側の形状を斜めにしてもよい。

図５と図６には図４中のＡ−Ａ'断面からみた断面模式図を示している。周方向に流れを均一化するため、バイパス孔３ｂ’は周方向に複数配置されている。図５に示すように、バイパス配管３ａとバイパス孔３ｂを同じ数だけ周方向に複数配置してもよく、図６に示すように、スリット３ｅを設けて周方向に連通させることで、バイパス配管３ａとバイパス孔３ｂの数をバイパス孔３ｂ’よりも少なくしてもよい。

図７にバイパス流路出口の構造の第２の例を示す。バイパス孔３ｂの出口はシュラウド側軸封シール１６を貫通するように設けられている。こうすることでシュラウド側軸封シールと羽根車１の隙間部の圧力を増加させて羽根車１の外周側の旋回成分を内径側に持ち込む漏れ流れ１０２を抑制するとともに、パイパス流路３を通過してきた旋回成分が小さい流れが、シュラウド側軸封シール１６と羽根車１の隙間を通過するため、軸封部の隙間流れの旋回成分に影響されるロータダイナミクスの不安定化力を小さくすることができる。

図８にバイパス流路出口の構造の第３の例を示す。バイパス流路出口室３ｃの軸方向の形状がテーパ型となっており，バイパス流路出口室３ｃ内での減速による圧力回復が効率的に行われる。そのため，バイパス流路出口室３ｃのシュラウド側軸封シール１６側の圧力が高くなり、漏れ流れ１０２を効率的に抑制することができる。

図９は、本発明に係る流体機械の第２の実施の形態として、遠心型ポンプ多段機の例を示す。この実施の形態では、羽根車１が軸方向に複数個配置されており、それぞれの羽根車１には、案内羽根２２と戻り羽根２３が備わっている。ただし、最終段の羽根車１には戻り羽根２３は備わっていない。水は吸込口１８から吸込管１１を通過するよう駆動される。その後、水は各段の羽根車１から案内羽根２２と戻り羽根２３を通過し、最終段の案内羽根２２を通過した後は、吐出管１２を通過して吐出口１７まで駆動される。水は各段において、羽根車１で角運動量を受け取って昇圧した後、案内羽根２２と戻り羽根２３で減速して速度エネルギーを圧力エネルギーに変換することでさらに圧力が高くなることを繰り返す。

吐出口１７の近くと吸込口１８の近くにはそれぞれ圧力測定孔２３が設けられており、第1の実施の形態と同様にそれらの圧力差が制御装置（図９には図示せず）に送られ、その圧力差に応じて弁４の絞りとバイパス流路３を通過する流量が制御される。

バイパス流路は初段のシュラウド側軸封シール１６の吸込流路側出口に連通されており、第１の実施の形態と同様に、初段のシュラウド側軸封シール１６を通過する漏れ流れ１０２が抑制される。

本実施の形態によれば、一つの弁４のみでバイパス流路３を通過する戻り流れの分、全ての羽根車１にとって通過する流量を増加させて圧力を制御することができる。このとき、２段目以降の羽根車１の内部流れを良好にするために、前段の戻り羽根２３と羽根車１のマッチングを良好に保つと良い。

また、バイパス流路３と弁４を複数設けて、全ての段のシュラウド側軸封シール１６の出口、もしくは途中にバイパス流路３を連通し、各段の羽根車の流量と揚程の厳密な制御を可能にしてもよい。

また、第１の実施の形態のバイパス流路出口の構造の第２の例と同じく、シュラウド側軸封シールを貫通してシュラウド側軸封シールの細隙部と連通するようにバイパス流路を配置してもよい。

なお、第１と第２の実施の形態はポンプに限定されるものではなく、水車ポンプや圧縮機、ブロワなど他の流体機械に適用することも可能である。

１ 羽根車
２ 制御装置
３ バイパス流路
３ａ バイパス配管
３ｂ（３ｂ’） バイパス孔
３ｃ バイパス流路出口室
３ｄ バイパス流路出口室の凸部
４ 弁
１０ 回転軸
１１ 吸込管
１２ 吐出管
１３ 静止壁
１４ シュラウド側背面流路
１５ ハブ側背面流路
１６ シュラウド側軸封シール
１７ 吐出口
１８ 吸込口
２０ 円環状流路
２１ 案内静翼
２２ 案内羽根
２３ 圧力測定孔
２４ 圧力検知装置
３１ 弁開放開始流量点
３２ 揚程最大流量点
３３ 揚程極大流量点
１０１ 主流
１０２ 漏れ流れ
１０３ バイパス戻り流れ
１０４ 羽根車入口の逆流

Claims (10)

1. 羽根車と、吸込流路と、吐出流路と、前記羽根車の吸込流路側に対面する静止壁と、前記静止壁に取り付けられた軸封シールとを有する遠心型流体機械において、
   入口が前記吐出流路に接続され、前記吐出流路の近傍に取り付けられた弁からなるバイパス流路と、
   前記吸込流路の入口と前記吐出流路の出口の圧力を検知する圧力検知装置と、
   前記圧力検知装置の信号を受信して前記弁の絞りを制御する制御装置と、を備え、
   前記バイパス流路の出口が前記軸封シールを通過する流体を遮る位置に配置され、
   最高効率点よりも低流量側の所定の流量点を基準として、前記所定の流量点からの流量の減少量に比例して前記弁の絞りを小さくすること、
   前記所定の流量点よりもさらに低流量側の第２の所定の流量点を基準として、前記第２の所定の流量点よりも流量が小さいときは、前記羽根車を通過する流量が、前記第２の所定の流量点における量と等しくなるように前記弁の絞りを小さくする制御を行うこと、
   前記圧力検知装置により前記吸込流路の入口と前記吐出流路の出口の圧力差を検知するとともに、前記制御装置は前記流体機械から吐出される流量の変化と前記圧力差の変化に基づいて不安定特性の有無を判定し、不安定特性が有った場合には、前記羽根車を通過する流量を、不安定特性が無かった場合の流量と等しくなるよう前記弁を制御すること、を特徴とする遠心型流体機械。
2. 請求項１に記載の遠心型流体機械において、
   前記バイパス流路の出口位置と前記軸封シールの吸込流路側出口面の径方向位置とが略一致し、かつ対面するように配置されたことを特徴とする遠心型流体機械。
3. 請求項２に記載の遠心型流体機械において、
   前記羽根車との軸方向距離が前記バイパス流路の出口よりも小さくなるように、前記バイパス流路の出口の内径側に突出部を設けたことを特徴とする遠心型流体機械。
4. 請求項１に記載の遠心型流体機械において、
   前記バイパス流路の出口が前記軸封シールを貫通して前記軸封シールの隙間部に連通するように配置されたことを特徴とする遠心型流体機械。
5. 請求項３に記載の遠心型流体機械において、
   前記バイパス流路の出口と前記軸封シールの間の間隙が軸方向にテーパ状となっていることを特徴とする遠心型流体機械。
6. 請求項３又は請求項５のいずれかに記載の遠心型流体機械において、
   前記バイパス流路が流体機械のケーシングの外側に配置されたパイパス配管と前記ケーシングの内部に設けられたバイパス孔とで構成され、前記バイパス配管と前記バイパス孔が周方向に複数かつ同数、配置されたことを特徴とする遠心型流体機械。
7. 請求項３又は請求項５のいずれかに記載の遠心型流体機械において、
   前記バイパス流路が流体機械のケーシングの外側に配置されたパイパス配管と前記ケーシングの内部に設けられたバイパス孔とで構成され、さらに前記バイパス孔は径方向バイパス孔と軸方向バイパス孔で構成され、前記バイパス配管と前記バイパス孔が周方向に複数配置され、前記軸方向バイパス孔は円環状の間隙によって周方向に連通され、前記バイパス配管と前記径方向バイパス孔の数が前記軸方向バイパス孔の数よりも少ないことを特徴とする遠心型流体機械。
8. 請求項３乃至請求項５のいずれかに記載の遠心型流体機械において、
   前記羽根車の径方向外側に位置する案内羽根と、前記案内羽根の軸方向の吸込流路反対側に位置する戻り羽根とを備え、前記羽根車と前記案内羽根と前記戻り羽根の組み合わせは軸方向に連なって配置され、前記吸込流路から最も離れた位置にある前記案内羽根は前記吐出流路と連通し、前記バイパス流路の出口が前記吸込流路に最も近い位置にある前記軸封シールに連通するように配置されたことを特徴とする遠心型流体機械。
9. 請求項８に記載の遠心型流体機械において、
   前記バイパス流路と前記弁と、を複数具備し、前記複数のバイパス流路の出口がそれぞれ異なる前記軸封シールに連通するように配置されることを特徴とする遠心流体機械。
10. 請求項９に記載の遠心型流体機械において、
    前記複数の弁の絞りが前記制御装置によってそれぞれ独立に制御されることを特徴とする遠心流体機械。