JP6553971B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ型の流体機械に関する。

流体機械（排水に用いられるポンプ、発電に用いられる発電機、排水と発電の両方に用いられるポンプ水車を含む）は、液体を流動させる液体流路を設けたケーシングを備える。ケーシングには、回転軸が回転可能に配置されるとともに、羽根車が配置されている。羽根車は、回転軸に対して相対的に回転しないように連結されている。

羽根車は、回転軸側の基端部から外方へ放射状に延びる複数の羽根翼を備える。また、羽根車には、回転軸が延びる方向における羽根翼の前後両端にシュラウドを配置したクローズド型と、羽根翼の後端だけにシュラウドを配置したオープン型とがある。クローズド型の羽根車は、ケーシングの壁と羽根翼との隙間の設定が容易である点、ケーシングに組み付けた後の調整が不要である点、及び摩耗による効率の低下が少ない点で、オープン型の羽根車より優れている。そのため、ポンプにはクローズド型の羽根車が多く使用されている。

しかし、クローズド型の羽根車は、羽根翼の基端部側である第１の出入口側と、羽根翼の先端部側である第２の出入口側とで圧力差が生じるため、負圧側（基端部側）でキャビテーションが発生し易い。そして、キャビテーションが発生するとポンプの場合には揚程が下がり、吸込能力（ＮＰＳＨ）が低下するという不都合がある。一方、オープン型の羽根車は、羽根翼とケーシングの壁との間の隙間を適切に設定することで、クローズド型の羽根車と比較してＮＰＳＨ（Net Positive Suction Head）が優れている。しかし、使用により羽根翼と壁との隙間が大きくなると、クローズド型の羽根車よりＮＰＳＨが劣るという難点がある。

特許文献１には、クローズド型の羽根車の羽根翼に貫通孔を設けることで、キャビテーションの発生を低減できるようにした羽根車（水車のランナ）が開示されている。しかし、前後両端がシュラウドによって塞がれた羽根翼に貫通孔を設けるという加工は、非常に困難である。

特開平５−９９１１５号公報

本発明は、簡単な構成でクローズド型の羽根車のキャビテーションの発生を抑制し、ＮＰＳＨが優れた流体機械を提供することを課題とする。

本発明は、ケーシング内に回転可能に配置された回転軸と、前記ケーシング内に配置され、前記回転軸に連結された羽根車とを備え、前記羽根車は、前記回転軸側の基端部と、この基端部から外方へ放射状に延びた前記基端部の反対側の先端部とを有する複数の羽根翼と、前記羽根翼の前記基端部側に開口部が形成されており、前記回転軸が延びる方向における前記羽根翼の一端側に配置された第１シュラウドと、前記回転軸が延びる方向における前記羽根翼の他端側に前記第１シュラウドと間隔をあけて配置された第２シュラウドとを備え、前記第１シュラウドの前記開口部側に、隣接した羽根翼と前記第１シュラウドと前記第２シュラウドとで囲まれた液体流路に連通する連通孔が設けられており、前記第１シュラウドは、前記開口部を画定する筒状の口金部を有し、この口金部に前記連通孔が設けられている、流体機械を提供する。

この流体機械の羽根車は、羽根翼の両端に第１シュラウドと第２シュラウドが配置されたクローズド型である。そのため、ケーシングの壁と羽根翼との隙間の設定が容易（不要）であるうえ、ケーシングに組み付けた後の調整が不要であるため、組立性及び保守性を向上できる。しかも、摩耗による効率の低下も少ないため、性能を維持できる。また、第１シュラウド及び第２シュラウドにより、回転軸が延びる方向である羽根車の前後の圧力が平衡するため、オープン型の羽根車のように大きな軸スラストが作用することを防止できる。

また、この態様の羽根車は、第１シュラウドの開口部側に液体流路に連通する連通孔を設けているため、羽根翼の基端部側が負圧になると、第１シュラウドとケーシングの壁との間の液体が液体流路の基端部（第１の出入口）側へ流入する。これにより、羽根翼の基端部側と先端部側の圧力差を低減できる。そのため、クローズド型の羽根車の性能を大きく変えることなく、キャビテーションの発生を抑制し、吸込性能（必要ＮＰＳＨ）を改善できる。しかも、第１シュラウドは露出した部分であるため、連通孔を設けるための加工を容易に行うことができる。

また、この羽根車を用いた流体機械は、羽根車の振れ回りによる振動を抑制できる。詳しくは、羽根車が回転すると、羽根車とケーシングの壁との間の液体が羽根車に追従して周方向に流動する。この液体の流動速度が速くなると不安定化流体力が発生し、羽根車に振れ回りによる振動が生じる。しかし、この態様の羽根車は、羽根車とケーシングの壁との間の液体が連通孔を通して羽根車内の液体流路に流れる。よって、羽根車の周囲での液体の流動を阻害し、不安定化流体力を低減できるため、羽根車の振動を抑制できる。

連通孔は、第１シュラウドが備える筒状の口金部に設けられているため、口金部の周囲で液体が流動することを確実に抑制できる。よって、不安定化流体力を確実に低減し、羽根車の振動を防止できる。

前記連通孔は、前記液体流路毎に設けられている。また、前記連通孔は、前記第１シュラウド側に位置する前記羽根翼の前記基端部の一端から、前記第２シュラウド側に位置する前記羽根翼の前記基端部の他端までの間に設けられている。これらの態様によれば、羽根翼の基端部側と先端部側の圧力差を大幅に低減できるため、確実にキャビテーションの発生を抑制できるとともに、必要ＮＰＳＨを改善できる。

前記口金部は、前記第１シュラウドに一体成形した口金部本体と、前記第１シュラウドと別体の羽根車リングとを有し、前記連通孔は、前記羽根車リングに設けた第１連通部と、この第１連通部より断面積が大きくなるように前記口金部本体に設けた第２連通部とを有する。また、前記連通孔は、前記羽根車の回転方向における前記羽根翼の後側に位置するように設けられている。これらの態様によれば、羽根車の基端部側でキャビテーションが発生することを大幅に抑制できる。

本発明の流体機械の羽根車は、第１シュラウドの開口部側に連通孔を設けた構成であるため、クローズド型の羽根車の性能を大きく変えることなく、キャビテーションの発生を抑制し、必要ＮＰＳＨを改善できる。また、羽根車を用いた流体機械は、羽根車の外周部の液体を連通孔を通して羽根車内の液体流路に流入させることで、不安定化流体力を低減できるため、羽根車の振動を抑制できる。

第１実施形態の流体機械である片吸込遠心渦巻ポンプの断面図。 羽根車を前シュラウド側から見た正面図。 羽根車の液体流路と液体の圧力の関係を示す図。 連結孔を形成した口金部の展開図。 口金部内部の圧力分布を示すグラフ。 不安定化流体力と液体の周方向速度の関係を示すグラフ。 口金部外部の周方向速度分布を示すグラフ。 口金部外部の軸方向速度分布を示すグラフ。 第２実施形態の片吸込遠心渦巻ポンプの一部を示す断面図。 第３実施形態の片吸込遠心渦巻ポンプの一部を示す断面図。 第４実施形態の片吸込遠心渦巻ポンプの一部を示す断面図。 第５実施形態の片吸込遠心渦巻ポンプの一部を示す断面図。 第６実施形態の片吸込遠心渦巻ポンプの一部を示す断面図。 第７実施形態の両吸込遠心渦巻ポンプを示す断面図。 第８実施形態の両吸込遠心渦巻ポンプを示す断面図。 第９実施形態の両吸込遠心渦巻ポンプを示す断面図。 羽根車の変形例を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る流体機械であるターボ型の片吸込遠心渦巻ポンプ１０を示す。この渦巻ポンプ１０は、ボリュート通路１６が形成されたケーシング１１を備える。ケーシング１１内には、回転軸２５が回転可能に配置されるとともに、回転軸２５に連結して羽根車３０が配置されている。本実施形態ではクローズ型の羽根車３０を用い、このクローズ型羽根車３０によるキャビテーションの発生を抑制し、必要ＮＰＳＨを改善する。

（片吸込遠心渦巻ポンプの詳細）
渦巻ポンプ１０のケーシング１１は、ケーシング本体１２と、このケーシング本体１２に固定されたケーシングカバー１３とを備える。ケーシング本体１２には、図１において左側に吸込口１４が設けられている。吸込口１４は断面円形状の空間であり、回転軸２５が延びる方向Ｙに沿って軸線が延びている。この吸込口１４の端部には、羽根車３０を配置する配置空間部１５が設けられている。そして、この配置空間部１５の外周部には、ケーシング１１内に吸い込んだ液体を下流側に吐出する液体流路であるボリュート通路１６が設けられている。ボリュート通路１６は、回転軸２５の軸線に対して直交（径）方向Ｘに延びる平面に沿って渦巻き状に延びている。また、ボリュート通路１６は、配置空間部１５を介して吸込口１４と連通している。ケーシング本体１２には、図１において上側に位置するように、ボリュート通路１６の出口である吐出口１７が設けられている。なお、吸込口１４及び吐出口１７にはそれぞれ図示しない管路が接続されている。

ケーシング１１には、水平方向に延びるように回転軸２５が回転自在に配置されている。回転軸２５は、一端がケーシングカバー１３のシャフト穴１８から配置空間部１５内に突出している。シャフト穴１８の周囲には、液密性を保持するためのシール１９が取り付けられている。ケーシングカバー１３の外側にはベアリングケース２０が固定されている。回転軸２５は、ベアリングケース２０に固定されたベアリング２１により回転自在に軸支されている。ベアリングケース２０から外部に突出した回転軸２５の外端には、図示しない駆動手段であるモータが連結されている。

図１及び図２に示すように、ケーシング１１には、回転軸２５が延びる方向Ｙから見て円形状の羽根車３０が、配置空間部１５内に位置するように配置されている。羽根車３０は回転軸２５に対して相対的に回転しないように固定され、回転軸２５の回転により正転方向（図２において時計回りであるＲ方向）に回転することで、液体を吸込口１４から吸い込んで吐出口１７から吐出する。

（羽根車の詳細）
羽根車３０は、複数の羽根翼３２と、羽根翼３２の前側に配置された前シュラウド（第１シュラウド）３７と、羽根翼３２の後側に配置された後シュラウド（第２シュラウド）５０とを備える。

羽根翼３２は、回転軸２５側の基端部３３と、基端部３３と反対側の先端部３４とを備える。この羽根翼３２は、基端部３３から径方向Ｘ外側へ放射状に延び、羽根車３０の回転方向Ｒと逆向きで周方向に湾曲している。この羽根翼３２の形状、姿勢、寸法、個数、及び配置等は、気泡を吸い込んだ場合に、それに起因するエアロックが発生しないように設定されている。

前シュラウド３７は、回転軸２５が延びる方向Ｙにおける羽根翼３２の前端（一端）３２ａ側に配置されている。この前シュラウド３７には、回転軸２５と同心円形状をなすように開口部３８が設けられている。前シュラウド３７は、中央が吸込口１４に向けて円錐筒状に隆起し、外周部が回転軸２５が延びる方向Ｙに対して直交方向に延びる平板状である。この前シュラウド３７の中央頂部には、吸込口１４に向けて円筒状に突出する口金部３９が設けられている。開口部３８は、口金部３９の内周壁によって画定されている。

後シュラウド５０は概ね円板状であり、回転軸２５が延びる方向Ｙにおける羽根翼３２の後端（他端）３２ｂ側に配置されている。この後シュラウド５０は、前シュラウド３７に対して所定の間隔をあけて位置している。図１に示すように、後シュラウド５０の中心には、回転軸２５を連結するための連結部５１が設けられている。また、後シュラウド５０には、連結部５１と同心円筒状をなすように、ケーシングカバー１３に向けて突出する円筒部５２が設けられている。

羽根車３０には、隣接する羽根翼３２，３２と、前シュラウド３７と、後シュラウド５０とで画定された筒状の液体流路５５が複数形成される。羽根車３０は、羽根翼３２の基端部３３側である開口部３８側が流入口であり、この開口部３８から液体が吸い込まれる。また、開口部３８と連通した液体流路５５の羽根翼３２の先端部３４部分が流出口であり、回転軸２５の回転による遠心力によって液体が各液体流路５５を通して径方向外側へ吐出される。

このようにした羽根車３０は、羽根翼３２の両端に前後のシュラウド３７，５０を配置したクローズド型である。そのため、配置空間部１５の壁１５ａと羽根翼３２との隙間の設定が容易（不要）であるうえ、ケーシング１１に組み付けた後の調整が不要であるため、組立性及び保守性を向上できる。しかも、摩耗による効率の低下も少ないため、性能を維持できる。また、前シュラウド３７及び後シュラウド５０により、回転軸２５が延びる方向Ｙに沿った羽根車３０の前後の圧力が平衡するため、オープン型羽根車のように大きな軸スラストが作用することを防止できる。

図１に示すように、後シュラウド５０とケーシングカバー１３との間には、ケーシングカバー１３と吐出口１７側を仕切る第１ウェアリング５７が配置されている。図１及び図３に示すように、ケーシング本体１２と前シュラウド３７の口金部３９との間には、配置空間部１５の吸込口１４側と羽根車３０とを仕切る第２ウェアリング５８が配置されている。これらウェアリング５７，５８は、例えばステンレス、鋳鉄、青銅等の摺動性が良好な材料によって形成されている。

配置空間部１５に羽根車３０を配置することで、配置空間部１５の壁１５ａと前シュラウド３７との間には、設定した間隔の第１空隙部６０が形成される。同様に、第２ウェアリング５８と羽根車３０との間には、設定した間隔の第２空隙部６１が形成される。これらの空隙部６０，６１には、羽根車３０の回転により羽根翼３２の基端部３３側と先端部３４側に圧力差が生じることで、液体が流動する。

（口金部の詳細）
図１及び図３に示すように、前シュラウド３７の口金部３９（開口部３８側）には、羽根車３０内の液体流路５５に連通する連通孔４０が設けられている。この連通孔４０は、羽根翼３２の数に対応する液体流路５５毎に、口金部３９を径方向に貫通して設けられている。連通孔４０を通して第２空隙部６１に位置する液体を羽根翼３２の基端部３３側に流入させることで、羽根車３０の基端部３３側と先端部３４側の圧力差を低減できるようにしている。なお、連通孔４０は、径方向だけ貫通させる構成に限らず、羽根車３０の回転方向に向かうように所定角度で傾斜させて設けてもよい。

口金部３９は、前シュラウドに一体成形した口金部本体４１と、前シュラウド３７と別体の羽根車リング４５とを備える。口金部本体４１には、径方向Ｘ外側に、羽根車リング４５を相対的に移動不可能に固定する固定段部４２が設けられている。羽根車リング４５は、摺動性が良好なウェアリング５７，５８と同様の材料によって形成されている。そして、第２空隙部６１側に位置する羽根車リング４５には、連通孔４０を構成する第１連通部４６が設けられ、開口部３８側に位置する口金部本体４１には、連通孔４０を構成する第２連通部４３が設けられている。なお、これら連通部４３，４６は、機械加工又は鋳造（鋳抜孔）により形成されている。

図３及び図４に示すように、第１連通部４６は、第２空隙部６１側から開口部３８側に向けて直径が次第に小さくなった円錐孔部（キリモミ）４７と、円錐孔部４７の開口部３８側端部に連通した円形孔部４８とからなる。第２連通部４３は、円形孔部４８より断面積が大きい楕円形状の孔からなる。この第２連通部４３は、短軸方向の寸法が円形孔部４８の直径と同一以上に形成されている。また、第２連通部４３は、長軸の延び方向が羽根翼３２の延び方向に沿う傾斜角度で形成されている。これら第１連通部４６及び第２連通部４３からなる連通孔４０は、羽根車の回転方向Ｒにおける羽根翼３２の後側に沿って位置するように設けられている。即ち、連通孔４０は、隣接する羽根翼３２，３２のうち、一方側の羽根翼３２に近接して設けられている。

また、連通孔４０は、前シュラウド３７側に位置する羽根翼３２の基端部３３の第１端（一端）３３ａから、後シュラウド５０側に位置する羽根翼３２の基端部３３の他端まで第２端（他端）３３ｂの間に位置するように設けられている。図２及び図３に示すように、羽根翼３２の基端部３３は、前シュラウド３７側に位置する第１端３３ａから後シュラウド５０側に位置する第２端３３ｂに向けて、羽根車３０の径方向Ｘに傾斜している。そのうち、羽根翼３２の基端部３３の第１端３３ａは、前シュラウド３７の口金部本体４１の内端４１ａに位置し、第２端３３ｂより吸込口１４側に位置している。連通孔４０は、この回転軸２５が延びる方向Ｙにおいて、基端部３３の第１端３３ａと第２端３３ｂの間に設けられている。

また、本実施形態の羽根車リング４５には、各連通孔４０の外端である円錐孔部４７を連通させるように、円環状の連通溝４９が設けられている。連通溝４９は、円形孔部４８の直径以上で円錐孔部４７の最大直径以下の溝幅で形成されている。本実施形態では、円形孔部４８の直径と同一の溝幅で設けられている。

次に、羽根車３０によって液体を排水する際の入口（開口部３８）から出口までの圧力分布について説明する。

図３に示すように、羽根車３０内では、液体が開口部３８から羽根翼３２の基端部３３に至るまでの間に圧力が次第に低下する。図３に破線で示すように、連通孔４０を設けていない比較例（従来例）のクローズド型羽根車では、液体が基端部３３の第１端３３ａに至ると、圧力の下降勾配が急になる。この急勾配の圧力低下は、基端部３３の第２端３３ｂに至ると止まり、この第２端３３ｂで最低圧力になる。液体が基端部３３の第２端３３ｂを越えて液体流路５５内に至ると、圧力は次第に高くなる。そして、羽根車３０の出口部分で最大圧力になる。この最低圧力と最大圧力の差が大きくなることで、負圧側である羽根翼３２の基端部３３側でキャビテーションが発生する。

本実施形態の羽根車３０は、前シュラウド３７の開口部３８側に、羽根車３０内の液体流路５５に連通する連通孔４０が設けられている。そのため、羽根車３０と配置空間部１５の壁１５ａとの間の第１空隙部６０にある液体は、図３に矢印で示すように、第２空隙部６１に向けて流動する。そして、第２空隙部６１にある液体は、一部が連通孔４０を通って羽根翼３２の基端部３３側に流れ、残りが羽根車３０の開口部３８側に流れる。この際、液体は、基端部３３側の圧力が開口部３８側の圧力より低いため、基端部３３側へ多く流れる。羽根車３０は、連通孔４０を通した基端部３３への注水により、図３に実線で示すように、羽根翼３２の基端部３３（入口）側の圧力が高くなる。よって、羽根翼３２の基端部３３の第１端３３ａから第２端３３ｂの間で生じる圧力下降を大幅に抑制することができる。

更に詳しく説明すると、本実施形態の連通孔４０は、第２空隙部６１側に位置する第１連通部４６と、液体流路５５側に位置して第１連通部４６の断面積Ａ１より断面積Ａ２が大きい第２連通部４３とからなる。このように段差を設定した連通孔４０では、出口である第２連通部４３の流体速度Ｖ２は、以下の数式（１）で算出できる。

また、羽根車３０でキャビテーションが発生する部分は羽根翼３２の基端部３３であり、第２連通部４３から流出する液体によって羽根翼３２の基端部３３に加えられる圧力Ｐ３は、以下の数式（２）で算出できる。

そのため、羽根翼３２の基端部３３の圧力Ｐｃは、連通孔４０からの注入圧力Ｐ３により増圧されるため、キャビテーションの発生（圧力差）が緩和される。また、第１空隙部６０の圧力Ｐ１、第２空隙部６１の圧力Ｐ２、連通孔４０出口の圧力Ｐ３、及び羽根車３０の開口部３８の圧力Ｐ４の関係を図５に示す。図５に破線で示すように、連通孔４０を設けていない比較例のクローズド型羽根車では、口金部３９の出口（第１空隙部６０）側から入口（開口部３８）側に向けて、圧力が次第に低くなる。これに対して図５に実線で示すように、実施例の羽根車３０では、連通孔４０を通して第２空隙部６１の圧力Ｐ２が羽根翼３２の基端部３３側に分圧されるため、開口部３８側の圧力Ｐ４が低下する。

また、第１空隙部６０の漏れ流量Ｑ１から連通孔４０を通して流量Ｑ２が抽出されるため、羽根車３０の開口部３８への漏れキャビテーション流量Ｑ３は小さくなる。なお、流量Ｑ１〜Ｑ３の関係は以下の数式（３）のようになる。

このように、本実施形態の羽根車３０は、羽根翼３２の両端にシュラウド３７，５０を配置したクローズド型であるが、口金部３９に連通孔４０を設けているため、羽根翼３２の基端部３３側が負圧になると、配置空間部１５の液体が基端部３３へ注水される。しかも、連通孔４０は、液体流路５５毎に設けられており、かつ、圧力が最も低下する基端部３３の第１端３３ａから第２端３３ｂの間に設けられている。よって、羽根翼３２の基端部３３側と先端部３４側の圧力差を大幅に低減できるため、クローズド型の羽根車３０の性能を大きく変えることなく、キャビテーションの発生を抑制し、吸込性能（必要ＮＰＳＨ）を改善できる。また、前シュラウド３７は羽根車３０において露出した部分であるため、連通孔４０を設けるための加工を容易に行うことができる。

また、この羽根車３０を用いた渦巻ポンプ１０は、運転時の羽根車３０の振れ回りによる振動を抑制できる。詳しくは、羽根車３０が回転すると、羽根車３０とケーシング１１との間である第２空隙部６１内の液体が羽根車３０（口金部３９）に追従して周方向に流動する。図６Ａに示すように、液体の流動速度Ｕｅｑが速くなると不安定化流体力Ｆｔが大きくなり、羽根車３０に振れ回りによる振動が生じる。

図６Ｂに示すように、第２空隙部６１での周方向速度Ｕは、圧力Ｐ２と関連がある。図６Ｂに破線で示すように、連通孔４０を設けていない比較例のクローズド型羽根車では、口金部３９の第１空隙部６０側から開口部３８側に向けて、周方向流速Ｕが次第に遅くなる。これに対して図６Ｂに実線で示すように、実施例の羽根車３０では、連通孔４０を通して第２空隙部６１の液体が羽根車３０内に流れるため、開口部３８側の周方向流速Ｕを急激に減速できる。これにより不安定化流体力Ｆｔを小さくすることができる。

図６Ｃに示すように、第２空隙部６１での周方向速度Ｕは、第２空隙部６１での軸方向速度Ｖと関連がある。図６Ｃに破線で示すように、連通孔４０を設けていない比較例のクローズド型羽根車では、第１空隙部６０側から開口部３８側に向けて第２空隙部６１を流動する軸方向速度Ｖ１’は一定である。これに対して図６Ｃに実線で示すように、実施例の羽根車３０では、液体が連通孔４０を通して羽根車３０内に流入するため、第１空隙部６０側の軸方向速度Ｖ１を開口部３８側の軸方向速度Ｖ３まで低減できる。これにより、第２ウェアリング５８の出口速度を減速し、漏れキャビテーションを緩和させることができる。

このように、本実施形態の羽根車３０は、口金部３９に設けた連通孔４０により、羽根翼３２の基端部３３側で発生するキャビテーションを抑制できるだけでなく、口金部３９の周囲である第２空隙部６１での液体の流動を阻害し、不安定化流体力Ｆｔを低減できる。そのため、羽根車３０の振れ回りによる振動を抑制できる。

（第２実施形態）
図７は第２実施形態の渦巻ポンプ１０の羽根車３０を示す。この第２実施形態では、連通孔４０を構成する第１連通部４６を、第１の円形孔部４７’と、第１の円形孔部４７’より直径が小さい第２の円形孔部４８とで構成した点で、第１実施形態と相違する。このようにした第２実施形態では、第１実施形態と比較して第２空隙部６１を通して開口部３８側に流れる液体（漏れ）量が増えるが、第１実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（第３実施形態）
図８は第３実施形態の渦巻ポンプ１０の羽根車３０を示す。この第３実施形態では、連通孔４０を構成する第１連通部４６を円形孔部だけで構成し、この第１連通部４６と対向する第２ウェアリング５８に、円環状をなすように外向きに窪む対向環状溝５９を設けた点で、第１実施形態と相違する。このようにした第３実施形態では、第２空隙部６１を通して開口部３８側に流れる液体の漏れ量が第２実施形態より更に増えるが、第１実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（第４実施形態）
図９は第４実施形態の渦巻ポンプ１０の羽根車３０を示す。この第４実施形態では、連通孔４０を構成する第１連通部４６を第３実施形態と同様に円形孔部だけで構成し、第２ウェアリング５８に形成する対向環状溝５９を第１空隙部６０にかけて延びる（連通する）ようにした点で、第３実施形態と相違する。このようにした第４実施形態では、第２空隙部６１を通して開口部３８側に流れる液体の漏れ量が第３実施形態より更に増えるが、第１実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（第５実施形態）
図１０は第５実施形態の渦巻ポンプ１０の羽根車３０を示す。この第５実施形態では、口金部３９を構成する羽根車リング４５の外径を小さくし、口金部本体４１から径方向外側に突出しないようにした点で、第１実施形態と相違する。このようにした第５実施形態では、第１実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（第６実施形態）
図１１は第６実施形態の渦巻ポンプ１０の羽根車３０を示す。この第６実施形態では、羽根車リングを用いることなく、口金部３９を前シュラウド３７（口金部本体）だけで構成した点で、第５実施形態と相違する。なお、この口金部３９には、円錐孔部からなる第１連通部４６と、楕円孔状の第２連通部４３とからなる連通孔４０が設けられている。このようにした第６実施形態では、第１実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。また、連通孔４０は、断面形状が異なる第１連通部４６と第２連通部４３とを備える構成であるが、羽根車３０の露出した前シュラウド３７に形成する構成であるため、確実に加工することができる。なお、第１実施形態から第５実施形態と同様の連通孔４０でも、羽根車リングを用いない口金部３９としてもよい。

（第７実施形態）
図１２は第７実施形態の流体機械である両吸込遠心渦巻ポンプ７０を示す。この渦巻ポンプ７０には、ケーシング７１の内部に吸込室８０が形成され、この吸込室８０の幅方向中央に吐出室８１が形成されている。また、ケーシング７１には、回転軸８２が幅方向に貫通され、この回転軸８２に羽根車９０が連結されている。羽根車９０は、羽根翼９５の両端に左右のシュラウド１００，１１０を備え、各シュラウド１００，１１０に液体を吸い込む開口部１０１，１１１がそれぞれ形成されている。各開口部１０１，１１１には口金部１０２，１１２が形成され、これら口金部１０２，１１２にそれぞれ連通孔１０３，１１３が形成されている。

（両吸込遠心渦巻ポンプの詳細）
渦巻ポンプ７０のケーシング７１は、ケーシング本体７２とケーシングカバー７６とを備えている。ケーシング本体７２は、前後の一端側から突出する吸込管と、前後の他端側から突出する吐出管とを備える。吸込管の先端には吸込口７３が形成され、吐出管の先端には吐出口７４が形成されている。

ケーシング本体７２の幅方向中央には、所定間隔をあけて左右一対の下側仕切壁７５，７５が設けられている。同様に、ケーシングカバー７６の幅方向中央には、下側仕切壁７５，７５の上方に位置するように左右一対の上側仕切壁７７，７７が設けられている。ケーシング本体７２にケーシングカバー７６を組み付けることで、下側仕切壁７５，７５と上側仕切壁７７，７７とは、中央に円形状の取付孔７８が形成された環状になる。仕切壁７５，７７の左右両外側の領域は、吸込口７３と連通した渦巻形状の吸込室８０である。仕切壁７５，７７の内側の領域は、取付孔７８を介して吸込室８０と連通するとともに吐出口７４に連通した渦巻形状の吐出室８１である。

ケーシング７１には、吐出室８１内に位置するように、取付孔７８に羽根車９０が配置され、この羽根車９０を貫通するように回転軸８２が配置されている。ケーシング７１の左右両端には、回転軸８２を回転可能に軸支するメカニカルシール８３が配置されている。回転軸８２が回転することで羽根車９０が正回転し、吸込口７３から液体を吸い込んで、吸込室８０に流入させる。また、羽根車９０は、吸込室８０の液体を両側から吸い込み、液体流路である吐出室８１に液体を送出し、吐出口７４から吐出する。

（羽根車の詳細）
第７実施形態の羽根車９０は、回転軸８２に連結するための連結部９２と、連結部９２から放射状に突出する複数の羽根翼９５と、羽根翼９５の一端側に配置された左側シュラウド（第１シュラウド）１００と、羽根翼９５の他端側に配置された右側シュラウド（第２シュラウド）１１０とを備える。

連結部９２は、両側から吸い込んだ液体を出口に導くために、概ね二等辺三角形状に突出する隆起部９３を備える。羽根翼９５は、連結部９２に一体形成されており、隆起部９３の外周部から突出している。羽根翼９５は、中央の隆起部９３により、左右に一対の基端部９６Ａ，９６Ｂを備える。羽根翼９５の先端部９７は、これら基端部９６Ａ，９６Ｂから径方向外側に突出している。

左側シュラウド１００は、回転軸８２が延びる方向における羽根翼９５の左端に配置されている。この左側シュラウド１００には、回転軸８２に対して同心円形状をなすように第１開口部１０１が設けられている。右側シュラウド１１０は、回転軸８２が延びる方向における羽根翼９５の右端に配置されている。この右側シュラウド１１０には、回転軸８２に対して同心円形状をなすように第２開口部１１１が設けられている。

この両吸込型の羽根車９０には、隣接する羽根翼９５，９５と、左側シュラウド１００と、右側シュラウド１１０とで画定された筒状の液体流路１２０が複数形成される。羽根車９０は、羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂ側に位置する開口部１０１，１１１が流入口であり、これら開口部１０１，１１１から液体が吸い込まれる。また、液体流路１２０の羽根翼９５の先端部９７側が流出口であり、回転軸８２の回転による遠心力によって液体が各液体流路１２０を通して径方向外側へ吐出される。

左側シュラウド１００には第１口金部１０２が設けられ、この第１口金部１０２の内端によって第１開口部１０１が画定されている。この第１口金部１０２には、羽根車９０の径方向に貫通するように第１連通孔１０３が設けられている。第１口金部１０２は、左側シュラウド１００に一体成形した第１口金部本体１０４と、第１口金部本体１０４に配置した第１羽根車リング１０６とを備える。また、第１連通孔１０３は、第５実施形態と同様に、第１羽根車リング１０６に設けた第１連通部１０７と、第１口金部本体１０４に設けた第２連通部１０５とからなる。

右側シュラウド１１０には第２口金部１１２が設けられ、この第２口金部１１２の内端によって第２開口部１１１が画定されている。この第２口金部１１２には、羽根車９０の径方向に貫通するように第２連通孔１１３が設けられている。第２口金部１１２は、右側シュラウド１１０に一体成形した第２口金部本体１１４と、第２口金部本体１１４に配置した第２羽根車リング１１６とを備える。また、第２連通孔１１３は、第５実施形態と同様に、第２羽根車リング１１６に設けた第１連通部１１７と、第２口金部本体１１４に設けた第２連通部１１５とからなる。

下側仕切壁７５及び上側仕切壁７７によって形成された取付孔７８には、吸込室８０と吐出室８１を仕切るウェアリング１２５Ａ，１２５Ｂが配置されている。ウェアリング１２５Ａ，１２５Ｂは第１実施形態と同様の材料からなる。取付孔７８に羽根車９０を配置することで、吐出室８１の壁と左右のシュラウド１００，１１０との間には、設定した間隔の第１空隙部１２７が形成される。ウェアリング１２５Ａ，１２５Ｂと羽根車９０の口金部１０２，１１２との間には、設定した間隔の第２空隙部１２８が形成される。これらの空隙部１２７，１２８には、羽根車９０の回転により羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂ側と先端部９７側に圧力差が生じることで、液体が流動する。

このようにした第７実施形態の羽根車９０及び渦巻ポンプ７０は、第１実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。即ち、羽根車９０は、羽根翼９５の両端に一対のシュラウド１００，１１０を備えるクローズド型であるが、開口部１０１，１１１側に連通孔１０３，１１３を設けているため、基端部９６Ａ，９６Ｂ側が負圧になると、吐出室８１内の液体が羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂへ注水される。よって、羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂ側と先端部９７側の圧力差を大幅に低減できるため、クローズド型の羽根車９０の性能を大きく変えることなく、キャビテーションの発生を抑制し、吸込性能（必要ＮＰＳＨ）を改善できる。しかも、口金部１０２，１１２の周囲で液体が流動することを抑制できるため、不安定化流体力を確実に低減し、羽根車の振れ回りによる振動を防止できる。

（第８実施形態）
図１３は第８実施形態の渦巻ポンプ７０を示す。この第８実施形態では、羽根車９０の幅方向の中央に液体流路１２０を左右に仕切る仕切板部１３０を設けた点で、第７実施形態と相違する。詳しくは、仕切板部１３０は、連結部９２の隆起部９３の頂部から羽根翼９５の先端部９７にかけて突出するように設けられている。このようにした第８実施形態では、第７実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

（第９実施形態）
図１４は第９実施形態の渦巻ポンプ７０を示す。この第９実施形態では、羽根車９０に形成する連通孔１０３，１１３の位置を変更した点で、第８実施形態と相違する。詳しくは、この羽根車９０の羽根翼９５は、基端部９６Ａ，９６Ｂが口金部１０２，１１２の先端から間隔をあけて位置し、回転軸８２に沿った外端が口金部１０２，１１２の内端側に位置する。左右のシュラウド１００，１１０には、羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂの両端間に位置するように口金部１０２，１１２から所定間隔をあけた位置に、連通孔１０３，１１３が羽根車９０の径方向に貫通するように設けられている。

このようにした第９実施形態では、基端部９６Ａ，９６Ｂ側が負圧になると、吐出室８１内の液体が連通孔１０３，１１３を介して羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂへ注水される。よって、羽根翼９５の基端部９６Ａ，９６Ｂ側と先端部９７側の圧力差を低減できるため、クローズド型の羽根車９０の性能を大きく変えることなく、キャビテーションの発生を抑制し、吸込性能（必要ＮＰＳＨ）を改善できる。なお、第１実施形態から第８実施形態の羽根車においても、連通孔を口金部以外の箇所に設けてもよい。

なお、本発明の流体機械は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、連通孔４０，１０３，１１３は、羽根車３０，９０の液体流路５５，１２０毎に設けたが、１つ置きの液体流路５５，１２０に設けてもよい。また、連通孔４０，１０３，１１３は、隣接した羽根翼の一方側（羽根車３０，９０の回転方向後側）に近接して設けたが、中央に設けてもよいうえ、回転方向前側に位置するように設けてもよい。また、連通孔４０，１０３，１１３は、羽根翼３２，９５の基端部３３，９６Ａ，９６Ｂの両端間に位置するように設けたが、回転軸２５，８２の軸方向の外端から内側であれば、その形成位置は希望に応じて変更が可能である。

また、図１５に示すように、羽根翼３２，９５には、連通孔４０，１０３，１１３から液体が注水される部分にネジ穴１３２を設け、各液体流路５５，１２０の基端部３３，９６Ａ，９６Ｂ側の圧力を調整（平衡）できるようにしてもよい。この場合、このネジ穴１３２に充填部材を配置することでネジ穴１３２の開口面積を調整してもよい。

そして、前記各実施形態では、排水に用いられる渦巻ポンプ１０，７０を例に挙げて本発明の流体機械を説明したが、この流体機械は、発電に用いられる発電機、及び排水と発電の両方に用いられるポンプ水車であってもよい。なお、各実施形態のいずれかの羽根車３０，９０を水車のランナとして用いる場合、羽根車３０，９０の先端部３４，９７側が流入口になり、羽根車３０，９０の基端部３３，９６Ａ，９６Ｂ側が流出口になる。即ち、ポンプと水車とでは、液体の出入口が逆になる。そして、羽根車３０，９０をランナとして用いた場合でも、前記実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

１０…渦巻ポンプ（流体機械）
１１…ケーシング
１２…ケーシング本体
１３…ケーシングカバー
１４…吸込口
１５…配置空間部
１５ａ…壁
１６…ボリュート通路
１７…吐出口
１８…シャフト穴
１９…シール
２０…ベアリングケース
２１…ベアリング
２５…回転軸
３０…羽根車
３２…羽根翼
３２ａ…前端
３２ｂ…後端
３３…基端部
３３ａ…第１端
３３ｂ…第２端
３４…先端部
３７…前シュラウド（第１シュラウド）
３８…開口部
３９…口金部
４０…連通孔
４１…口金部本体
４１ａ…内端
４２…固定段部
４３…第２連通部
４５…羽根車リング
４６…第１連通部
４７…円錐孔部
４７’…円形孔部
４８…円形孔部
４９…連通溝
５０…後シュラウド（第２シュラウド）
５１…連結部
５２…円筒部
５５…液体流路
５７…第１ウェアリング
５８…第２ウェアリング
５９…対向環状溝
６０…第１空隙部
６１…第２空隙部
７０…渦巻ポンプ（流体機械）
７１…ケーシング
７２…ケーシング本体
７３…吸込口
７４…吐出口
７５…下側仕切壁
７６…ケーシングカバー
７７…上側仕切壁
７８…取付孔
８０…吸込室
８１…吐出室
８２…回転軸
８３…メカニカルシール
９０…羽根車
９２…連結部
９３…隆起部
９５…羽根翼
９６Ａ，９６Ｂ…基端部
９７…先端部
１００…左側シュラウド（第１シュラウド）
１０１…第１開口部
１０２…第１口金部
１０３…第１連通孔
１０４…第１口金部本体
１０５…第２連通部
１０６…第１羽根車リング
１０７…第１連通部
１１０…右側シュラウド（第２シュラウド）
１１１…第２開口部
１１２…第２口金部
１１３…第２連通孔
１１４…第２口金部本体
１１５…第２連通部
１１６…第２羽根車リング
１１７…第１連通部
１２０…液体流路
１２５Ａ，１２５Ｂ…ウェアリング
１２７…第１空隙部
１２８…第２空隙部
１３０…仕切板部
１３２…ネジ穴

Claims (5)

1. ケーシング内に回転可能に配置された回転軸と、
   前記ケーシング内に配置され、前記回転軸に連結された羽根車とを備え、
   前記羽根車は、
   前記回転軸側の基端部と、この基端部から外方へ放射状に延びた前記基端部の反対側の先端部とを有する複数の羽根翼と、
   前記羽根翼の前記基端部側に開口部が形成されており、前記回転軸が延びる方向における前記羽根翼の一端側に配置された第１シュラウドと、
   前記回転軸が延びる方向における前記羽根翼の他端側に前記第１シュラウドと間隔をあけて配置された第２シュラウドとを備え、
   前記第１シュラウドの前記開口部側に、隣接した羽根翼と前記第１シュラウドと前記第２シュラウドとで囲まれた液体流路に連通する連通孔が設けられており、
   前記第１シュラウドは、前記開口部を画定する筒状の口金部を有し、この口金部に前記連通孔が設けられている、流体機械。
2. 前記連通孔は、前記液体流路毎に設けられている、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記連通孔は、前記第１シュラウド側に位置する前記羽根翼の前記基端部の一端から、前記第２シュラウド側に位置する前記羽根翼の前記基端部の他端までの間に設けられている、請求項１又は請求項２に記載の流体機械。
4. 前記口金部は、前記第１シュラウドに一体成形した口金部本体と、前記第１シュラウドと別体の羽根車リングとを有し、
   前記連通孔は、前記羽根車リングに設けた第１連通部と、この第１連通部より断面積が大きくなるように前記口金部本体に設けた第２連通部とを有する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の流体機械。
5. 前記連通孔は、前記羽根車の回転方向における前記羽根翼の後側に位置するように設けられている、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の流体機械。

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