JP6690900B2 - 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板を備える。また、羽根車には、回転軸が延びる方向における羽根板の前後両端にシュラウドを配置したクローズド型と、羽根板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板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、羽根板の基端部側である第１の出入り側と、羽根板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、羽根板と液体流路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、使用により羽根板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板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板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、前記ケーシングの配置空間部に配置され、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とは反対側の先端部とを有する複数の羽根板と、前記羽根板の前記基端部側に開口部が形成され、前記回転軸が延びる方向における前記羽根板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板の他端側に前記第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、前記羽根板は、前記第１シュラウドの前記開口部側の端部から突出した突出部を有し、前記ケーシングは、前記羽根車の前記第１シュラウド側に、前記羽根板の前記突出部と間隔をあけて位置するプロテクタを有し、前記プロテクタと前記開口部の間には、前記第１シュラウドと前記配置空間部を画定する壁との間である前記羽根車の外部の液体を、前記第１シュラウドと第２シュラウドの間である前記羽根車の内部へ、前記羽根車の前記外部と前記内部との圧力差によって注水可能な通水部が形成されており、前記通水部は、前記配置空間部に連通して前記羽根車の径方向に延びる第１部分と、前記第１部分の前記突出部側の端部に連続して前記羽根車の軸方向に延びる第２部分と、前記第２部分において前記第１部分とは反対側の端部に連続して前記突出部に向けて前記羽根車の径方向に延びる第３部分とを有し、前記第２部分の隙間断面積は、前記第１部分の隙間断面積以下であり、前記第３部分の隙間断面積は、前記第１部分の隙間断面積よりも大きい、流体機械を提供する。

この流体機械の羽根車は、羽根板の両端に第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板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、羽根板の基端部側に第１シュラウドの開口部から内向きに突出する突出部を設けることで、部分的にオープン型としている。よって、羽根板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配置空間部の液体が羽根板の突出部へ流動する。これにより、羽根板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。また、羽根板の突出部は、表面の第１シュラウドの開口部を加工することで、容易に設けることができる。

また、ケーシングは、突出部と間隔をあけて位置するプロテクタを備えるため、配置空間部の液体を羽根板の突出部へ確実に案内できる。また、開口部から露出した突出部及びプロテクタは容易に加工できるため、配置空間部から突出部へ流れる液体流量を容易に調整できる。

また、プロテクタと開口部の縁との間に形成された通水部は第１部分から第３部分を備え、第３部分の隙間断面積は第１部分の隙間断面積よりも大きいため、配置空間部から突出部へ流れる液体流量だけでなく、第１部分から第３部分を有する通水部により液体の流動方向を調整することができる。

前記羽根板の前記突出部は、前記第１シュラウド側に位置する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基端部の他端までの前記基端部全体を含む。この態様によれば、羽根板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。

前記プロテクタと前記第１シュラウドとの間にラビリンスが設けられている。この態様によれば、ラビリンスによって通水部に隙間断面積が広い部分と狭い部分が形成される。そのため、隙間断面積が広い部分によって突出部へ流れる液体が減速され、圧力を高めることでキャビテーションを効果的に消滅させることができる。

本発明の流体機械の羽根車は、羽根板に第１シュラウドの開口部から内方へ突出する突出部を設けた部分オープン型としているため、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。

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。 第２実施形態のケーシングと羽根車を示す断面図。 第３実施形態のケーシングと羽根車を示す断面図。 第４実施形態のケーシングと羽根車を示す断面図。 第５実施形態のケーシングと羽根車を示す断面図。 第６実施形態の流体機械である両吸込遠心渦巻ポンプの断面図。 第７実施形態の両吸込遠心渦巻ポンプの断面図。 羽根車を発電機に用いた場合を示す断面図。

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に連結した羽根車３０が配置されている。本実施形態では概ね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、複数の羽根板３１と、羽根板３１の前側に配置された前シュラウド（第１シュラウド）３７と、羽根板３１の後側に配置された後シュラウド（第２シュラウド）４０とを備える。

羽根板３１は、回転軸２５側の基端部３２と、基端部３２と反対側の先端部３３とを備える。この羽根板３１は、基端部３２から径方向Ｘ外側へ放射状に延び、周方向に湾曲している。この羽根板３１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における羽根板３１の前端（一端側）３１ａ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。この開口部３８を含む前シュラウド３７の中央は、吸込口１４に向けて円錐筒状に隆起している。また、前シュラウド３７の外周部は、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。

後シュラウド４０は概ね円板状であり、回転軸２５が延びる方向Ｙにおける羽根板３１の後端（他端側）３１ｂに配置されている。この後シュラウド４０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４０の中心には、回転軸２５を連結するための連結部４１が設けられている。また、後シュラウド４０には、連結部４１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４２が設けられている。

羽根車３０には、隣接する羽根板３１，３１と、前シュラウド３７と、後シュラウド４０とで画定された筒状の液体流路４４が複数形成される。羽根車３０は、羽根板３１の基端部３２側である開口部３８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４４の羽根板３１の先端部３３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４４を通して径方向外側へ吐出される。

図２及び図３に示すように、羽根車３０の羽根板３１は、前シュラウド３７側から見ると、前シュラウド３７の開口部３８側の端部３８ａから内向きに突出した突出部３４を備える。この突出部３４は、例えば既存の前シュラウド３７の開口部３８を切り欠いて拡開することで、開口部３８から露出されている。このように突出部３４は、表面の前シュラウド３７の開口部３８を加工することで、容易に設けることができる。また、突出部３４は開口部３８から露出しているため、清掃性が良好である。

羽根板３１の基端部３２は、前シュラウド３７側に位置する第１端（一端）３２ａから後シュラウド４０側に位置する第２端（他端）３２ｂに向けて、羽根車３０の径方向Ｘ内向きに傾斜している。開口部３８の端部３８ａは、回転軸２５が延びる方向の前側に位置する羽根板３１の基端部３２の第１端３２ａより、羽根板３１の先端部３３側（径方向Ｘ外側かつ軸方向Ｙ後側）に位置するように設定される。好ましくは、開口部３８の内縁は、羽根板３１の基端部３２の第１端３２ａと第２端３２ｂとの間の中間位置より、羽根板３１の先端部３３側に位置するように設定される。更に好ましくは、開口部３８の内縁は、吸込口１４から離れて位置する羽根板３１の基端部３２の第２端３２ｂより、羽根板３１の先端部３３側に位置するように設定される。そして、本実施形態の開口部３８の直径は、基端部３２の第１端３２ａから第２端３２ｂまでである基端部３２全体を含むように設定されている。即ち、突出部３４は、基端部３２全体を含む。

このようにした羽根車３０は、羽根板３１の両端に前後のシュラウド３７，４０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と羽根板３１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４０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及び図３に示すように、後シュラウド４０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側を仕切るウェアリング４６が配置されている。ウェアリング４６は、例えばステンレス、鋳鉄、青銅等の摺動性が良好な材料からなる。また、ケーシング本体１２と前シュラウド３７との間には、配置空間部１５の吸込口１４側と羽根車３０とを仕切るプロテクタ４７が配置されている。このプロテクタ４７は、ウェアリング４６と同様に摺動性が良好な材料からなる。

プロテクタ４７は、配置空間部１５の入口部４８に設けた切欠部４９に配置されている。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、設定した間隔の空隙部が形成される。プロテクタ４７は、羽根車３０の開口部３８の端部３８ａとの間に設定した間隔をあけて位置する端面部５０を備える。この開口部３８の端部３８ａと端面部５０との間には、配置空間部１５内の液体を羽根板３１の突出部３４側へ注水可能な第１通水部５４が形成される。また、プロテクタ４７は、羽根板３１の突出部３４の縁（前端３１ａ）に沿って、設定した間隔をあけて位置する対向面部５１を備える。この突出部３４の縁と対向面部５１との間には、配置空間部１５の液体を第１通水部５４を介して開口部３８側へ注水可能な第２通水部５５が形成される。第１通水部５４の断面積及び第２通水部５５の断面積は、配置空間部１５の壁１５ａと前シュラウド３７との間の空隙部の断面積より小さい。これにより、配置空間部１５の液体は、所定の圧力で突出部３４及び開口部３８へ注水される。

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から羽根板３１の基端部３２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、開口部３８から羽根板３１が露出していない比較例（従来例）のクローズド型羽根車では、液体が基端部３２の第１端３２ａ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３２の第２端３２ｂに至ると止まり、この第２端３２ｂで最低圧力になる。液体が基端部３２の第２端３２ｂを越えて液体流路４４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、負圧側である羽根板３１の基端部３２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、羽根板３１の基端部３２側に前シュラウド３７の開口部３８から内方へ突出する突出部３４を備えている。また、配置空間部１５の入口部４８には、突出部３４に対向するプロテクタ４７が配置されている。そのため、羽根車３０と配置空間部１５の壁１５ａとの間にある液体は、図３に矢印で示すように、通水部５４，５５を通って負圧側である羽根板３１の基端部３２へ注水される。この注水により、図３に実線で示すように、羽根板３１の入口（基端部３２）側の圧力が高くなる。よって、羽根板３１の基端部３２の第１端３２ａから第２端３２ｂの間で生じる圧力下降を大幅に抑制することができる。

このように、本実施形態の羽根車３０は、開口部３８から羽根板３１の基端部３２側を突出させた部分的オープン型としているため、羽根板３１の基端部３２側が負圧になると、配置空間部１５の液体が突出部３４へ注水される。しかも、突出部３４は、羽根板３１の第１端３２ａから第２端３２ｂまでの基端部３２全体を含む。よって、羽根板３１の基端部３２側と先端部３３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、ケーシング１１に配置したプロテクタ４７により、配置空間部１５の液体を確実に突出部３４へ注水できる。また、プロテクタ４７と羽根車３０との間に形成される通水部５４，５５の断面積を調整することで、配置空間部１５から突出部３４へ流れる液体流量を容易に調整できる。しかも、この液量調整は、羽根車３０の突出部分を加工すれば良いため、作業性を向上できる。

（第２実施形態）
図４は第２実施形態の渦巻ポンプ１０を示す。この第２実施形態では、プロテクタ４７と前シュラウド３７の開口部３８の端部３８ａとの間に形成される第１通水部５４を段付き構造とすることで、配置空間部１５から羽根車３０内へ液体を注水する方向を調整するようにした点で、第１実施形態と相違する。詳しくは、第１通水部５４は、配置空間部１５に連通する第１部分５４ａと、第１部分５４ａの端部に連続する第２部分５４ｂと、第２部分５４ｂの端部に連続する第３部分５４ｃとを備える。

第１部分５４ａは、羽根車３０の径方向に沿って延びるように設けられている。この第１部分５４ａの端部は、前シュラウド３７の前面側から肉厚の１／２の部分に位置する。第２部分５４ｂは、前シュラウド３７の開口部３８の端部３８ａに段部を設けるとともに、プロテクタ４７に段部を設けることで、羽根車３０の軸方向に延びるように設けられている。この第２部分５４ｂの端部は、羽根板３１の基端部３２の第２端３２ｂより軸方向Ｙの後側に位置する。第３部分５４ｃは、羽根車３０の径方向Ｘに沿って延びるように設けられている。この第３部分５４ｃの端部は、羽根車３０の液体流路４４の入口に位置する。第３部分５４ｃより軸方向Ｙの前側に位置する羽根板３１の部分が、第１実施形態と同様の突出部３４である。

第１通水部５４は、第１部分５４ａから第３部分５４ｃのうち、少なくとも第１部分５４ａと第３部分５４ｃの隙間断面積Ａ１，Ａ３が異なるように設定されている。なお、隙間断面積とは、液体の通水方向に対して直交する方向の断面積である。詳しくは、第１部分５４ａの隙間断面積Ａ１は、配置空間部１５の隙間断面積Ａ０より小さく設定されている。第２部分５４ｂの隙間断面積Ａ２は、第１部分５４ａの隙間断面積Ａ１と概ね同一又は小さく設定されている。第３部分５４ｃの隙間断面積Ａ３は、配置空間部１５の隙間断面積Ａ０より小さく、第１部分５４ａの隙間断面積Ａ１より大きく設定されている。

このように隙間断面積Ａ１〜Ａ３を設定した第１通水部５４では、出口である第３部分５４ｃの流体速度Ｖ３は、以下の式（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、図４において楕円で記載した領域Ｐｃである。そして、第１通水部５４の第３部分５４ｃから流出する液体によってキャビテーション領域に加えられる圧力Ｐ３は、以下の式（２）で算出できる。

そして、配置空間部圧力Ｐ０、第１部分圧力Ｐ１、第３部分圧力Ｐ３、回転軸周囲圧力Ｐ４、キャビテーション領域圧力Ｐｃの関係は、以下の式（３）のようになる。なお、羽根車３０の出口であるボリュート通路１６内の吐出し圧力Ｐは、配置空間部圧力Ｐ０より更に高い。

よって、この第２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うえ、段付き構造とした第１通水部５４により、キャビテーションの発生を大幅に抑制できる。即ち、第１通水部５４から流出する液体の流動方向を、羽根板３１の負圧面であるキャビテーション領域に流れるように調整できる。これにより、キャビテーション領域の圧力Ｐｃは、第３部分５４ｃから注入される液体の圧力Ｐ３により増圧されるため、基端部３２側と先端部３３側の圧力差を低減できる。よって、羽根板３１の基端部３２側でのキャビテーションの発生を大幅に抑制できるため、キャビテーションによるエロージョンを低減できる。

（第３実施形態）
図５は第３実施形態の渦巻ポンプ１０を示す。この第３実施形態では、プロテクタ４７と前シュラウド３７との間の第１通水部５４を画定する壁にラビリンス５７を設けた点で、第２実施形態と相違する。詳しくは、第３実施形態の第１通水部５４は、第２実施形態と同様に第１部分５４ａから第３部分５４ｃを備える段付き構造である。そのうち、第３部分５４ｃを構成するプロテクタ４７の端面部５０にラビリンス５７が設けられている。このラビリンス５７は、液体の通水方向を軸線とし、交差する方向に周方向に延びる複数の切欠溝を設けることで形成されている。

このようにした第３実施形態では、第２実施形態と同様の作用及び効果を得ることができるうえ、ラビリンス５７によりキャビテーションを効果的に消滅させることができる。即ち、ラビリンス５７の切欠溝により、第１通水部５４の第３部分５４ｃには隙間断面積が広い部分と狭い部分が形成されている。そして、この第３部分５４ｃを通過する液体は、隙間断面積が広いラビリンス５７の切欠溝の部分によって突出部３４への流れが減速される。これにより、キャビテーション領域の圧力を高め、キャビテーションを効果的に消滅させることができる。また、突出部３４への流れを減速させることで漏れ損失を低減できる。

（第４実施形態）
図６は第４実施形態の渦巻ポンプ１０を示す。この第４実施形態では、第１通水部５４の第２部分５４ｂを構成するプロテクタ４７の壁にラビリンス５７を設けた点で、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３実施形態と概ね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７は第５実施形態の渦巻ポンプ１０を示す。この第５実施形態では、第１通水部５４全体をラビリンス構造とした点で、各実施形態と相違する。詳しくは、第１通水部５４は、第１部分５４ａから第５部分５４ｅを備える段付き構造とされている。そのうち、羽根車３０の軸方向Ｙの前側へ延びる第２部分５４ｂは、第３部分５４ｃを越えて延びる切欠溝５８ａによって構成されている。同様に、第４部分５４ｄは、第５部分５４ｅを越えて羽根車３０の軸方向Ｙの前側へ延びる切欠溝５８ｂによって構成されている。第１の切欠溝５８ａは、第３部分５４ｃにおいて通水方向に対して交差する方向に延び、第２の切欠溝５８ｂは、第５部分５４ｅにおいて通水方向に対して交差する方向に延びる。

このようにした第５実施形態では、段付き構造の第１通水部５４によって液体が流動する方向を調整できる。また、切欠溝５８ａ，５８ｂによって突出部３４への流れが減速されることで、キャビテーション領域の圧力を高め、キャビテーションを効果的に消滅させることができる。よって、第３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８は第６実施形態の流体機械である両吸込遠心渦巻ポンプ６０を示す。この渦巻ポンプ６０には、ケーシング６１の内部に吸込室７０が形成され、この吸込室７０の幅方向中央に吐出室７１が形成されている。また、ケーシング６１には、回転軸７２が幅方向に貫通され、この回転軸７２に羽根車８０が連結されている。羽根車８０は、回転軸７２が延びる方向の両端から液体を吸込可能であり、各実施形態と同様に、羽根板８５の基端部８６Ａ，８６Ｂ側が左右のシュラウド９０，９３の開口部９１，９４から突出している。

（両吸込遠心渦巻ポンプの詳細）
渦巻ポンプ６０のケーシング６１は、ケーシング本体６２とケーシングカバー６６とを備えている。ケーシング本体６２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６３が形成され、吐出管の先端には吐出口６４が形成されている。

ケーシング本体６２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６５，６５が設けられている。同様に、ケーシングカバー６６の幅方向中央には、下側仕切壁６５，６５の上方に位置するように左右一対の上側仕切壁６７，６７が設けられている。ケーシング本体６２にケーシングカバー６６を組み付けることで、下側仕切壁６５，６５と上側仕切壁６７，６７とは、中央に円形状の取付孔６８が形成された環状になる。仕切壁６５，６７の左右両外側の領域は、吸込口６３と連通した渦巻形状の吸込室７０である。仕切壁６５，６７の内側の領域は、取付孔６８を介して吸込室７０と連通するとともに吐出口６４に連通した渦巻形状の吐出室７１である。

ケーシング６１には、吐出室７１内に位置するように、取付孔６８に羽根車８０が配置され、この羽根車８０を貫通するように回転軸７２が配置されている。ケーシング６１の左右両端には、回転軸７２を回転可能に軸支するメカニカルシール７３が配置されている。回転軸７２が回転することで羽根車８０が正回転し、吸込口６３から液体を吸い込んで、吸込室７０に流入させる。また、羽根車８０は、吸込室７０の液体を両側から吸い込み、液体流路である吐出室７１に液体を送出し、吐出口６４から吐出する。

（羽根車の詳細）
第６実施形態の羽根車８０は、回転軸７２に連結するための連結部８２と、連結部８２から放射状に突出する複数の羽根板８５と、羽根板８５の一端側に配置された左側シュラウド（第１シュラウド）９０と、羽根板８５の他端側に配置された右側シュラウド（第２シュラウド）９３とを備える。

連結部８２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８３を備える。羽根板８５は、連結部８２に一体形成されており、隆起部８３の外周部から突出している。羽根板８５は、中央の隆起部８３により、左右に一対の基端部８６Ａ，８６Ｂを備える。羽根板８５の先端部８７は、これら基端部８６Ａ，８６Ｂから径方向外側に突出している。

左側シュラウド９０は、回転軸７２が延びる方向における羽根板８５の左端に配置されている。この左側シュラウド９０には、回転軸７２に対して同心円形状をなすように第１開口部９１が設けられている。右側シュラウド９３は、回転軸７２が延びる方向における羽根板８５の右端に配置されている。この右側シュラウド９３には、回転軸７２に対して同心円形状をなすように第２開口部９４が設けられている。

この両吸込型の羽根車８０には、隣接する羽根板８５，８５と、左側シュラウド９０と、右側シュラウド９３とで画定された筒状の液体流路９６が複数形成される。羽根車８０は、羽根板８５の基端部８６Ａ，８６Ｂ側である開口部９１，９４が流入口であり、これら開口部９１，９４から液体が吸い込まれる。また、液体流路９６の羽根板８５の先端部８７側が流出口であり、回転軸７２の回転による遠心力によって液体が各液体流路９６を通して径方向外側へ吐出される。

羽根車８０の羽根板８５は、左側シュラウド９０側から見ると、左側シュラウド９０の第１開口部９１側の端部から内向きに突出した突出部８８を備える。この突出部８８は、右側シュラウド９３側から見ても、右側シュラウド９３の第２開口部９４側の端部から内向きに突出している。突出部８８は、例えば既存のシュラウド９０，９３の開口部９１，９４を切り欠いて拡開することで、各開口部９１，９４の端部から露出されている。

第１開口部９１は、左側シュラウド９０側に位置する基端部８６Ａの一端から連結部８２（右側シュラウド９３側）に位置する基端部８６Ａの第２端までの基端部８６Ａ全体を含む直径である。同様に、第２開口部９４は、右側シュラウド９３側に位置する基端部８６Ｂの一端から連結部８２（左側シュラウド９０側）に位置する基端部８６Ｂの第２端までの基端部８６Ｂ全体を含む直径である。即ち、突出部８８は、第１の基端部８６Ａ全体及び第２の基端部８６Ｂ全体を含む。

下側仕切壁６５及び上側仕切壁６７によって形成された取付孔６８には、吸込室７０と吸込室７０を仕切るプロテクタ９８Ａ，９８Ｂが配置されている。プロテクタ９８Ａ，９８Ｂは第１実施形態と同様の材料からなる。プロテクタ９８Ａ，９８Ｂと左右のシュラウド９０，９３との間には、第１通水部１０１が形成されている。図示の第１通水部１０１は、第２実施形態と同様に第１部分から第３部分を備える。また、プロテクタ９８Ａ，９８Ｂと突出部８８の縁との間には、第２通水部１０２が形成されている。第２通水部１０２は、吐出室７１の中心側である配置空間部１００の壁とシュラウド９０，９３との間の液体を第１通水部１０１を介して開口部９１，９４側へ注水可能である。

このようにした第６実施形態の羽根車８０及び渦巻ポンプ６０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８０は、一対のシュラウド９０，９３に設けた開口部９１，９４から羽根板８５の基端部８６Ａ，８６Ｂを露出させた部分的オープン型としているため、基端部８６Ａ，８６Ｂ側が負圧になると、配置空間部１００内の液体が突出部８８へ注水される。よって、羽根板８５の基端部８６Ａ，８６Ｂ側と先端部８７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８０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。

（第７実施形態）
図９は第７実施形態の渦巻ポンプ６０を示す。この第７実施形態では、羽根車８０の幅方向の中央に液体流路９６を左右に仕切る仕切板部１０４を設けた点で、第６実施形態と相違する。詳しくは、仕切板部１０４は、連結部８２の隆起部８３の頂部から羽根板８５の先端部８７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７実施形態では、第６実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。

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、各実施形態では、開口部３８，９１，９４から基端部３２，８６Ａ，８６Ｂの全体が露出するように、羽根板３１，８５の突出部３４，８８を形成したが、基端部３２，８６Ａ，８６Ｂの少なくとも一端が露出すればよく、好ましくは基端部３２，８６Ａ，８６Ｂの半分以上が露出すればよい。また、各実施形態では、ケーシング１１，６１に別体のプロテクタ４７，９８Ａ，９８Ｂを配置したが、このプロテクタ４７，９８Ａ，９８Ｂはケーシング１１，６１に一体成形してもよい。また、配置空間部１５，１００の液体を突出部３４，８８へ注水する第１通水部５４，１０１及び第２通水部５５，１０２の構成も、希望に応じて変更が可能である。

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１０，６０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３０，８０を水車のランナとして用いる場合、羽根車３０，８０の先端部３３，３７側が流入口になり、羽根車３０，８０の基端部３２，８６Ａ，８６Ｂ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。

また、第１実施形態から第５実施形態の羽根車３０を水車に用いた場合、図１０に破線で示すように、羽根板３１の突出部３４である基端部３２の直径及び傾斜角度を調整することにより、落差、流量及び出力を調整することができる。この羽根板３１を調整する加工は、基端部３２が開口部３８から露出しているため、容易に行うことができる。また、羽根板３１の加工には限界があるため、図１０に一点鎖線で示す加工ライン１０５までプロテクタ４７を切削することで内径を調整する。これにより、プロテクタ４７と突出部３４の縁との間隔（第２通水部５５の隙間断面積）を調整することで、羽根板３１の加工と同様の作用及び効果を得ることができる。そして、このプロテクタ４７の加工は、羽根車３０の組み付けていない状態で容易に行うことができる。勿論、第６実施形態及び第７実施形態の羽根車８０でも同様に、水車に用いることで、同様の作用及び効果を得ることができる。

１０…渦巻ポンプ
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
１６…ボリュート通路
１５ａ…壁
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
３１…羽根板
３１ａ…前端（一端）
３１ｂ…後端（他端）
３２…基端部
３２ａ…第１端
３２ｂ…第２端
３３…先端部
３４…突出部
３７…前シュラウド
３８…開口部
３８ａ…端部
４０…後シュラウド
４１…連結部
４２…円筒部
４４…液体流路
４６…ウェアリング
４７…プロテクタ
４８…入口部
４９…切欠部
５０…端面部
５１…対向面部
５４…第１通水部
５４ａ…第１部分
５４ｂ…第２部分
５４ｃ…第３部分
５４ｄ…第４部分
５４ｅ…第５部分
５５…第２通水部
５７…ラビリンス
５８ａ，５８ｂ…切欠溝
６０…渦巻ポンプ
６１…ケーシング
６２…ケーシング本体
６３…吸込口
６４…吐出口
６５…下側仕切壁
６６…ケーシングカバー
６７…上側仕切壁
６８…取付孔
７０…吸込室
７１…吐出室
７２…回転軸
７３…メカニカルシール
８０…羽根車
８２…連結部
８３…隆起部
８５…羽根板
８６Ａ，８６Ｂ…基端部
８７…先端部
８８…突出部
９０…左側シュラウド
９１…第１開口部
９３…右側シュラウド
９４…第２開口部
９６…液体流路
９８Ａ，９８Ｂ…プロテクタ
１００…配置空間部
１０１…第１通水部
１０２…第２通水部
１０４…仕切板部
１０５…加工ライン

Claims (3)

1. ケーシング内に回転可能に配置された回転軸と、
   前記ケーシングの配置空間部に配置され、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とは反対側の先端部とを有する複数の羽根板と、
   前記羽根板の前記基端部側に開口部が形成され、前記回転軸が延びる方向における前記羽根板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板の他端側に前記第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、
   前記羽根板は、前記第１シュラウドの前記開口部側の端部から突出した突出部を有し、
   前記ケーシングは、前記羽根車の前記第１シュラウド側に、前記羽根板の前記突出部と間隔をあけて位置するプロテクタを有し、
   前記プロテクタと前記開口部の間には、前記第１シュラウドと前記配置空間部を画定する壁との間である前記羽根車の外部の液体を、前記第１シュラウドと第２シュラウドの間である前記羽根車の内部へ、前記羽根車の前記外部と前記内部との圧力差によって注水可能な通水部が形成されており、
   前記通水部は、前記配置空間部に連通して前記羽根車の径方向に延びる第１部分と、前記第１部分の前記突出部側の端部に連続して前記羽根車の軸方向に延びる第２部分と、前記第２部分において前記第１部分とは反対側の端部に連続して前記突出部に向けて前記羽根車の径方向に延びる第３部分とを有し、
   前記第２部分の隙間断面積は、前記第１部分の隙間断面積以下であり、
   前記第３部分の隙間断面積は、前記第１部分の隙間断面積よりも大きい、流体機械。
2. 前記羽根板の前記突出部は、前記第１シュラウド側に位置する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基端部の他端までの前記基端部全体を含む、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記プロテクタと前記第１シュラウドとの間にラビリンスが設けられている、請求項１又は２に記載の流体機械。

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