JP6740070B2 - 流体機械 - Google Patents

Description

本発明は、流体機械に関する。

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流体機械は、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、回転軸と一体に回転するように連結された羽根車が配置されている。

羽根車は、回転軸の方に位置する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両端にシュラウドを配置したクローズド型と、羽根板の一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、多くポンプにはクローズド型の羽根車が使用されている。

しかし、クローズド型の羽根車は、羽根板の基端部が位置する第１の出入口と、羽根板の先端部が位置する第２の出入口とで圧力差が生じる。ポンプの場合、第１の出入口が負圧になってキャビテーションが発生する。すると、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のＮＰＳＨ（Net Positive Suction Head）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よりも優れている。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も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、キャビテーション発生の低減を図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、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を向上し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、前記回転軸の方に位置する基端部から、前記回転軸から離れるように放射状に延びる複数の羽根板と、前記回転軸が延びる方向における前記羽根板の一端に配置され、前記基端部が位置する中央に開口部が形成されている第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に配置され、前記第１シュラウドと間隔をあけて位置する第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から前記回転軸が延びる方向における外方へ突出した突出部を有するとともに、前記ケーシングは、前記第１シュラウドの径方向における前記突出部の外方に間隔をあけて位置する対向部を有し、前記ケーシングの前記対向部と前記第１シュラウドの前記開口部の外周部との間には、前記羽根車の外部と内部とを連通させ、液体を通水可能な通水路が形成され、前記通水路には、前記液体の通水方向と直交する方向の断面積を広くした膨張室が、前記通水方向に間隔をあけて２以上形成されており、前記２以上の膨張室は、前記通水方向における最も上流側に位置する第１膨張室と、前記通水方向における最も下流側に位置し、前記第１膨張室の形状とは形状が異なる第２膨張室とを含み、前記通水路は更に、前記第１膨張室の上流側に形成された第１連通部と、前記第２膨張室の下流側に形成され、前記第１連通部の形状とは形状が異なる第２連通部とを備える、流体機械を提供する。
本発明の第１態様は、前記第２連通部の下流側に形成され、前記通水方向の下流側に向けて開口面積を次第に拡げた拡開部を更に備える。
本発明の第２態様は、前記第１膨張室の上流側に形成された第１絞り部と、前記第２膨張室の下流側に形成され、前記第１絞り部の隙間断面積とは隙間断面積が異なる第２絞り部とを更に備える。

この流体機械の羽根車は、羽根板の両端に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、吸込性能を維持できる。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から羽根板の基端部を突出させることで、部分的にオープン型としている。よって、ポンプに適用した場合、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。

さらに、この態様では、プロテクタと開口部の外周部との間の通水路に、２以上の膨張室を設けることで、ラビリンスが形成されている。よって、通水路には隙間断面積が広い部分と狭い部分が形成されるため、隙間断面積が広い部分によって突出部へ流れる液体を減速し、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。

さらに、第１膨張室の形状と第２膨張室の形状とが異なっているため、液体が流れることによる第１膨張室と第２膨張室の固有振動数を異ならせることができる。よって、それぞれの膨張室の固有振動数が一致することで生じる共鳴（渦騒音）を抑制できる。

さらに、通水路は第１連通部と第２連通部を備え、これらの形状が異なるようにしている。よって、それぞれの膨張室での固有振動数を異ならせることができるため、共鳴による通水路での渦騒音を防止できる。

しかも、第１態様では、通水路の第２連通部の下流側に、通水方向の下流側に向けて開口面積を次第に拡げた拡開部が形成されていている。よって、通水路の下流側の流速を上流側の流速よりも遅くし、羽根板の突出部に向けた水圧を高くできるため、キャビテーションの発生を抑制できる。

第２態様では、通水路が第１絞り部と第２絞り部を備え、これらの隙間断面積が異なるようにしている。よって、通水路の下流側の流速を上流側の流速よりも遅くし、羽根板の突出部に向けた水圧を高くできるため、キャビテーションの発生を抑制できる。

詳しくは、前記回転軸が延びる方向における前記第１膨張室の深さと前記第２膨張室の深さとが異なっている。また、前記第１シュラウドの径方向における前記第１膨張室の幅と前記第２膨張室の幅とが異なっている。この態様によれば、共鳴による通水路での渦騒音を確実に防止できる。

また、前記第１シュラウドの径方向における前記第１連通部の通路長と前記第２連通部の通路長とが異なっている。また、前記回転軸が延びる方向における前記第１連通部の通路幅と前記第２連通部の通路幅とが異なっている。

前記第２連通部の前記通路幅は、前記第１連通部の前記通路幅よりも広くすることが好ましい。この態様によれば、通水路の下流側の流速を上流側の流速よりも遅くすることができる。よって、羽根板の突出部に向けた水圧を高くすることができるため、キャビテーションの発生を抑制できる。

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両吸込遠心渦巻ポンプの断面図。 羽根車を左シュラウドの方から見た正面図。 羽根車を配置した液体流路と圧力関係を示す図。 羽根車とプロテクタとの間の通水路を示す拡大図。 第２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。 第２実施形態の羽根車を前シュラウドの方から見た正面図。 発明品と従来品のポンプ性能曲線を比較したグラフ。

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両吸込遠心渦巻ポンプ１０を示す。この渦巻ポンプ１０は、回転軸２５が幅方向に貫通されたケーシング１２を備える。回転軸２５には、羽根板３３の両端に一対のシュラウド３８，４１が配置されたクローズド型の羽根車２８が連結されている。本実施形態では、このクローズド型の羽根車２８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。

（両吸込遠心渦巻ポンプの詳細）
渦巻ポンプ１０のケーシング１２は、ケーシング本体１４とケーシングカバー１８とを備えている。ケーシング本体１４には、第１吸込口１５と図示しない吐出口とが形成されている。

ケーシング本体１４の幅方向中央には、概ねＵ字形状の下側仕切壁１６が設けられている。ケーシングカバー１８の幅方向中央には、下側仕切壁１６の上方に位置するように、概ね逆Ｕ字形状の上側仕切壁１９が設けられている。上下の仕切壁１６，１９は、ケーシング本体１４にケーシングカバー１８を組み付けることで、中央に取付孔２０を備える環状体になる。ケーシング１２内において、仕切壁１６，１９の左右両外側の領域は、第１吸込口１５と連通した渦巻形状の吸込室２２を構成する。また、仕切壁１６，１９の内側の領域は、取付孔２０を通して吸込室２２と連通するとともに、吐出口に連通した渦巻形状の液体流路である吐出室２３を構成する。

ケーシング１２には、取付孔２０の中央を貫通するように回転軸２５が配置されている。この回転軸２５は、ケーシング１２の左右両端に配置したメカニカルシール２６によって、ケーシング１２に回転可能に軸支されている。ケーシング１２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。回転軸２５には、一体に回転するように羽根車２８が連結されている。この羽根車２８は、吐出室２３内に位置するように、取付孔２０に嵌め込まれている。

（羽根車の詳細）
図１及び図２に示すように、羽根車２８は、回転軸２５が延びる方向から見て円形状である。この羽根車２８は、回転軸２５に連結するための連結部３０と、連結部３０から放射状に突出する複数の羽根板３３と、羽根板３３の左右両端に配置されたシュラウド３８，４１とを備える。羽根車２８が回転すると液体（水を含む）は、吸込室２２から吐出室２３へ送出され、吐出口から吐出される。

連結部３０は、吸込室２２から吸い込んだ液体を羽根車２８の径方向外向きに導くために、概ね二等辺三角形状に突出する隆起部３１を備える。この連結部３０には、羽根板３３が一体に形成されている。羽根板３３は、隆起部３１の左右に位置する一対の基端部３４Ａ，３４Ｂを備え、隆起部３１の中心を通る中心線に対して、対称な形状である。羽根板３３は、回転軸２５の方に位置する基端部３４Ａ，３４Ｂから、回転軸２５から離れるように羽根車２８の径方向外方へ延びている。

図１において羽根板３３の左側に位置する左シュラウド３８は、回転軸２５が延びる方向における羽根板３３の一端に配置された第１シュラウドである。図１において羽根板３３の左側に位置する右シュラウド４１は、回転軸２５が延びる方向における羽根板３３の他端に配置された第２シュラウドである。これらのシュラウド３８，４１は、外周縁が羽根板３３の先端部３５と一致する外径の円板状であり、互いに間隔をあけて位置している。シュラウド３８，４１には、羽根板３３の基端部３４Ａ，３４Ｂが位置する中央に、回転軸２５と同心円形状の開口部３９，４２がそれぞれ設けられている。

この両吸込型の羽根車２８には、隣接する羽根板３３，３３と、左右のシュラウド３８，４１とで画定された筒状の液体流路４４が周方向に複数形成されている。この液体流路４４は、シュラウド３８，４１の開口部３９，４２が流入口を構成し、羽根板３３の先端部３５側の開口部分が流出口を構成する。開口部３９，４２から吸い込まれた液体は、羽根車２８の回転による遠心力によって、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２８の羽根板３３は、回転軸２５が延びる方向において、開口部３９，４２から外方へ突出する突出部３６Ａ，３６Ｂを備える。この突出部３６Ａ，３６Ｂは、例えば既存のシュラウド３８，４１の開口部３９，４２を切り欠いて拡開することで、各開口部３９，４２から露出されている。本実施形態では、シュラウド３８，４１側に位置する基端部３４Ａ，３４Ｂの外端３４ａと、連結部３０側に位置する基端部３４Ａ，３４Ｂの内端３４ｂとの間に、開口部３９，４２の外周部（縁）３９ａ，４２ａが位置するように設定されている。

このようにした羽根車２８は、羽根板３３の両端にシュラウド３８，４１を配置したクローズド型である。そのため、吐出室２３の壁２３ａと羽根板３３との隙間の設定が容易（不要）であるうえ、ケーシング１２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、吸込性能を維持できる。また、シュラウド３８，４１によって、回転軸２５が延びる方向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、突出部３６Ａ，３６Ｂは、シュラウド３８，４１の開口部３９，４２を加工することで容易に形成できるうえ、開口部３９，４２から露出しているため清掃性が良好である。

ケーシング１２の取付孔２０には、吸込室２２と吸込室２２とを仕切るプロテクタ４６が配置されている。このプロテクタ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。プロテクタ４６は、羽根車２８の径方向における突出部３６Ａ，３６Ｂの外方に、所定の間隔をあけて位置する内端部４７を備える対向部である。また、プロテクタ４６は、開口部３９，４２の外周部３９ａ，４２ａとも、所定の間隔をあけて位置する対向面部４８を備えている。

図３に示すように、吸込室２２内の圧力をＰ１とすると、羽根車２８内での圧力は、液体が開口部３９，４２から羽根板３３の基端部３４Ａ，３４Ｂに至るまでの間に次第に低下する。図３に破線で示すように、開口部から羽根板が露出していない比較例（従来品）のクローズド型羽根車では、液体が基端部の外端（３４ａ）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、基端部の内端（３４ｂ）に至ると止まり、この時点が最低圧力Ｐ２になる。液体が基端部を越えて液体流路内に至ると、圧力は高くなり、羽根車の出口部分で最大圧力Ｐ３になる。この最低圧力Ｐ２と最大圧力Ｐ３の差が大きくなることで、負圧側である羽根板の基端部でキャビテーションが発生する。

本実施形態の羽根車２８には、羽根板３３の基端部３４Ａ，３４Ｂに、シュラウド３８，４１の開口部３９，４２から突出する突出部３６Ａ，３６Ｂが形成されている。また、プロテクタ４６，４６とシュラウド３８，４１の開口部３９，４２との間には、液体を通水可能な通水路５０が形成されている。そのため、羽根車２８と吐出室２３の壁２３ａとの間にある液体は、羽根車２８の内外の圧力差によって、通水路５０を通って負圧側である液体流路４４に向けて注水される。よって、図３に実線で示すように、羽根板３３の基端部３４Ａ，３４Ｂ側の圧力を高くすることができる。

このように、本実施形態の羽根車２８は、開口部３９，４２から羽根板３３を突出させた部分的オープン型としているため、羽根板３３の基端部３４Ａ，３４Ｂ側と先端部３５側の圧力差を大幅に低減できる。そのため、クローズド型の羽根車２８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。

（通水路の詳細）
羽根車２８でのキャビテーションは、通水路５０にラビリンスを設けることで、より効果的に消滅させることができる。これは、ラビリンスによって隙間断面積が広い部分と狭い部分が通水路５０に形成され、隙間断面積が広い部分によって突出部３６Ａ，３６Ｂへ流れる液体を減速し、圧力を高めることができるためである。一方、図４に一点鎖線で示すように、隙間断面積が大きい拡張部分では、液体による旋回流が生じる。同一形状の拡張部を等ピッチで形成したラビリンスでは、それぞれの拡張部での固有振動数が一致することで、共鳴による渦騒音が生じることが知られている。そこで、本実施形態の通水路５０には、以下のようにラビリンスを形成している。

図３及び図４に示すように、通水路５０には、膨張室５１Ａ，５１Ｂ、連通部５２Ａ〜５２Ｃ、絞り部５３Ａ〜５３Ｃ、及び拡開部５４が形成されている。これらは、羽根車２８の開口部３９，４２の外周部３９ａ，４２ａと、プロテクタ４６の対向面部４８とを、所定深さで円環状に切り欠くことで形成されている。これらは、吐出室２３から液体流路４４に向けた液体の通水方向に沿って、第１連通部５２Ａ、第１絞り部５３Ａ、第１膨張室５１Ａ、第３連通部５２Ｃ、第３絞り部５３Ｃ、第２膨張室５１Ｂ、第２連通部５２Ｂ、第２絞り部５３Ｂ、及び拡開部５４の順番で形成されている。

膨張室５１Ａ，５１Ｂは、液体の通水方向と直交する方向である回転軸２５が延びる方向の隙間断面積を広くしたものである。膨張室５１Ａ，５１Ｂは、回転軸２５が延びる方向の深さＡと、羽根車２８の径方向の幅Ｒとで定められる。これらの寸法を異ならせることで、第１膨張室５１Ａの形状と第２膨張室５１Ｂの形状とを異ならせることができる。本実施形態では、上流側の第１膨張室５１Ａの深さＡ１は、下流側の第２膨張室５１Ｂの深さＡ２よりも浅くなっている（Ａ１＜Ａ２）。また、第１膨張室５１Ａの幅Ｒ１は、第２膨張室５１Ｂの幅Ｒ２よりも狭くなっている（Ｒ１＜Ｒ２）。これにより、第１膨張室５１Ａの容積Ｖ１は、第２膨張室５１Ｂの容積Ｖ２よりも小さくなっている（Ｖ１＜Ｖ２）。

なお、第３の膨張室を形成する場合の位置は、第１膨張室５１Ａと第２膨張室５１Ｂとの間である。よって、第１膨張室５１Ａは、液体の通水方向における最も上流側に位置し、第２膨張室５１Ｂは、液体の通水方向における最も下流側に位置する。第３の膨張室の深さＡ３は、上流側の第１膨張室５１Ａの深さＡ１よりも深く、下流側の第２膨張室５１Ｂの深さＡ２よりも浅くする（Ａ１＜Ａ３＜Ａ２）。また、第３の膨張室の幅Ｒ３は、第１膨張室５１Ａの幅Ｒ１よりも広く、第２膨張室５１Ｂの幅Ｒ２よりも狭くする（Ｒ１＜Ｒ３＜Ｒ２）。これにより、第３の膨張室の容積Ｖ３は、第１膨張室５１Ａの容積Ｖ１よりも大きく、第２膨張室５１Ｂの容積Ｖ２よりも小さくする（Ｖ１＜Ｖ３＜Ｖ２）。即ち、膨張室の深さＡは、上流側から下流側に向けて次第に深くし、膨張室の幅Ｒは、上流側から下流側に向けて次第に広くすることで、膨張室の容積Ｖは、上流側から下流側に向けて次第に大きくする。

このように、形状が異なる膨張室５１Ａ，５１Ｂを通水路５０に形成することで、これらに液体が流れた際の固有振動数を異ならせることができる。よって、それぞれの膨張室５１Ａ，５１Ｂの固有振動数が一致することで生じる渦騒音を抑制できる。また、膨張室５１Ａ，５１Ｂの容積Ｖを下流側に向けて大きくしているため、通水路５０の下流側の流速を上流側の流速よりも遅くできる。よって、羽根板３３の突出部３６Ａ，３６Ｂに向けた水圧を高くすることができるため、キャビテーションの発生を抑制できる。

第１連通部５２Ａは、吐出室２３内の液体を通水路５０内に取り入れる入口であり、第１膨張室５１Ａの上流側に形成されている。第２連通部５２Ｂは、第２膨張室５１Ｂの下流側に形成され、第３連通部５２Ｃは第１膨張室５１Ａと第２膨張室５１Ｂとの間に形成されている。なお、第３の膨張室を形成する場合には、第３連通部５２Ｃが第１膨張室５１Ａと第３膨張室との間に形成され、第３膨張室と第２膨張室５１Ｂとの間に第４の連通部が形成される。

連通部５２Ａ〜５２Ｃは、羽根車２８の径方向の通路長Ｌと、回転軸２５が延びる方向の通路幅Ｓとで定められる。これらの寸法を異ならせることで、第１連通部５２Ａ、第２連通部５２Ｂ、及び第３連通部５２Ｃそれぞれの形状を異ならせることができる。

第１連通部５２Ａの通路長Ｌ１は、下流側の第２連通部５２Ｂの通路長Ｌ２よりも短くなっている。また、中間の第３連通部５２Ｃの通路長Ｌ３は、第１連通部５２Ａの通路長Ｌ１よりも長く、第２連通部５２Ｂの通路長Ｌ２よりも長くなっている（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３）。なお、羽根車２８の径方向における通水路５０の寸法を一定とする場合、連通部５２Ａ〜５２Ｃの通路長Ｌを長くすると、膨張室５１Ａ，５１Ｂの幅Ｒは狭くなる。よって、連通部５２Ａ〜５２Ｃの通路長Ｌと膨張室５１Ａ，５１Ｂの幅Ｒとは、渦騒音の大小によって調整することが好ましい。

第１連通部５２Ａの通路幅Ｓ１は、第２連通部５２Ｂの通路幅Ｓ２よりも狭くなっている。また、中間の第３連通部５２Ｃの通路幅Ｓ３は、第１連通部５２Ａの通路幅Ｓ１よりも広く、第２連通部５２Ｂの通路幅Ｓ２よりも狭くなっている（Ｓ１＜Ｓ３＜Ｓ２）。即ち、連通部５２Ａ〜５２Ｃの通路幅Ｓは、通水路５０の上流側から下流側に向けて次第に広くなっている。

このように、形状が異なる連通部５２Ａ〜５２Ｃを通水路５０に形成することにより、膨張室５１Ａ，５１Ｂに液体が流れた際の固有振動数を異ならせることができるため、共鳴による渦騒音の発生を抑制できる。しかも、連通部５２Ａ〜５２Ｃの通路幅Ｓを上流側から下流側に向けて次第に広くしているため、通水路５０の下流側の流速を上流側の流速よりも遅くできる。よって、羽根板３３の突出部３６Ａ，３６Ｂに向けた水圧を高くすることができるため、キャビテーションの発生を抑制できる。

第１絞り部５３Ａは、第１連通部５２Ａから第１膨張室５１Ａへの液体流動を調整するもので、第１膨張室５１Ａの上流側に形成されている。第２絞り部５３Ｂは、第２連通部５２Ｂから拡開部５４への液体流動を調整するもので、第２膨張室５１Ｂの下流側に形成されている。第３絞り部５３Ｃは、第３連通部５２Ｃから第２膨張室５１Ｂへの液体流動を調整するもので、第１膨張室５１Ｂの下流側に形成されている。

第１絞り部５３Ａと第３絞り部５３Ｃとは、羽根車２８の径方向の絞り幅Ｃと、回転軸２５が延びる方向の絞り長Ｂとで定められる。第２絞り部５３Ｂは、第２連通部５２Ｂと拡開部５４との間の絞り幅Ｃで定められる。そのうち、第１絞り部５３Ａの絞り幅Ｃ１は、第２絞り部５３Ｂの絞り幅Ｃ２よりも狭くなっている。第３絞り部５３Ｃの絞り幅Ｃ３は、第１絞り部５３Ａの絞り幅Ｃ１よりも広く、第２絞り部５３Ｂの絞り幅Ｃ２よりも広くなっている（Ｃ１＜Ｃ３＜Ｃ２）。即ち、絞り部５３Ａ〜５３Ｃの隙間断面積に相当する絞り幅Ｃは、上流側から下流側に向けて次第に広くなるようにしている。

このように、隙間断面積が異なる絞り部５３Ａ〜５３Ｃを設け、下流側の第２絞り部５３Ｂの隙間断面積を広くしているため、連通部５２Ａ〜５２Ｃの場合と同様に、通水路５０の下流側の流速を上流側の流速よりも遅くできる。よって、羽根板３３の突出部３６Ａ，３６Ｂに向けた水圧を高くすることができるため、キャビテーションの発生を確実に抑制できる。

拡開部５４は、通水路５０内の液体を液体流路４４に放出する出口であり、第２連通部５２Ｂの下流側に形成されている。この拡開部５４は、プロテクタ４６の対向面部４８に、通水方向に沿って外向き（吸込室２２側）に傾斜する斜面４８ａを設けることで、開口面積を次第に拡げたものである。開口部３９，４２の外周部３９ａ，４２ａと対向面部４８の斜面４８ａによる拡開部５４の角度αは、開口部３９，４２からの突出部３６Ａ，３６Ｂの突出量（寸法）に応じて設定される。詳しくは、斜面４８ａは、延長線が基端部３４Ａ，３４Ｂの外端３４ａと内端３４ｂとの間に位置するように形成される。また、斜面４８ａは、延長線が内端３４ｂよりも外端３４ａの方に近接するように形成される。

このように、拡開部５４を設けることで、突出部３６Ａ，３６Ｂに放出する液体を拡散できるとともに、流速を上流側よりも遅くできる。よって、羽根板３３の突出部３６Ａ，３６Ｂに向けた水圧を高くすることができるため、キャビテーションの発生を確実に抑制できる。

以上のように、第１実施形態の渦巻ポンプ６０では、羽根車２８を部分的に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。また、通水路５０には形状が異なる２以上の膨張室５１Ａ，５１Ｂを形成しているため、それぞれの膨張室５１Ａ，５１Ｂでの固有振動数を異ならせ、共鳴による渦騒音を防止できる。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態の流体機械である片吸込遠心渦巻ポンプ６０を示す。この渦巻ポンプ６０は、回転軸７４が回転可能に配置されたケーシング６２を備える。回転軸７４の一端には、第１実施形態と同様に概ねクローズ型の羽根車７６が連結されている。この羽根車７６は、第１実施形態の羽根車２８とは異なり、回転軸７４が延びる方向における一方のみから液体を吸い込むものである。

（片吸込遠心渦巻ポンプの詳細）
渦巻ポンプ６０のケーシング６２は、ケーシング本体６３と、このケーシング本体６３に固定されたケーシングカバー６４とを備える。ケーシング本体６３には、図５において左側に吸込口６５が設けられている。吸込口６５は断面円形状の空間であり、ケーシングカバー６４が配置された奥側には、羽根車７６を配置する配置空間部６６が設けられている。この配置空間部６６の外周部には、ケーシング６２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６７が設けられている。また、ケーシング本体６３には、図５において上側に位置するように、ボリュート通路６７の出口である吐出口６８が設けられている。

ケーシング６２には、水平方向に延びるように回転軸７４が回転自在に配置されている。回転軸７４は、一端がケーシングカバー６４のシャフト穴６９から配置空間部６６内に突出している。シャフト穴６９の周囲には、液密性を保持するためのメカニカルシール７０が取り付けられている。ケーシングカバー６４の外側にはベアリングケース７１が固定されている。回転軸７４は、ベアリングケース７１に固定されたベアリング７２により回転自在に軸支されている。ベアリングケース７１から突出した回転軸７４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。

（羽根車の詳細）
図５及び図６に示すように、ケーシング６２の配置空間部６６には、回転軸７４が延びる方向から見て円形状の羽根車７６が配置されている。この羽根車７６は、複数の羽根板７８と、回転軸７４が延びる方向における羽根板７８の両側に配置されたシュラウド８３，８６とを備える。羽根車７６が回転すると液体（水を含む）は、吸込口６５からボリュート通路６７へ送出され、吐出口６８から吐出される。

羽根板７８は、第１実施形態の羽根板３３と同様に、回転軸７４の方に位置する基端部７９から、回転軸７４から離れるように羽根車７６の径方向外方へ延びている。

図５において左側に位置する前シュラウド８３は、回転軸７４が延びる方向における羽根板７８の前端（一端）に配置された第１シュラウドである。この前シュラウド８３は、回転軸７４が延びる方向に対して直交方向に延びる概ね平板状である。前シュラウド８３には、回転軸７４と同心円形状をなすように開口部８４が設けられている。

図５において右側に位置する後シュラウド８６は円板状であり、回転軸７４が延びる方向における羽根板７８の後端（他端）に配置された第２シュラウドである。この後シュラウド８６は、前シュラウド８３に対して所定の間隔をあけて位置している。後シュラウド８６の中心には、回転軸７４を連結するための連結部８７が設けられている。また、後シュラウド８６には、連結部８７と同心の円筒状をなすように、ケーシングカバー６４に向けて突出する円筒部８８が設けられている。

羽根車７６には、隣接する羽根板７８，７８と、前後のシュラウド８３，８６とで画定された筒状の液体流路９０が周方向に複数形成される。この液体流路９０は、前シュラウド８３の開口部８４が流入口を構成し、羽根板７８の先端部８０が位置する外側開口部分が流出口を構成する。また、羽根車７６の羽根板７８には、回転軸７４が延びる方向において、前シュラウド８３の開口部８４から外方へ突出する突出部８１が形成されている。

図５に示すように、後シュラウド８６とケーシングカバー６４との間には、ケーシングカバー６４と吐出口６８側を仕切るウェアリング９２が配置されている。また、ケーシング本体６３には、配置空間部６６の吸込口６５側と前シュラウド８３との間を仕切るプロテクタ９３が配置されている。ウェアリング９２とプロテクタ９３とは、第１実施形態のプロテクタ４６と同様の材料からなる。

配置空間部６６に羽根車７６を配置すると、プロテクタ９３は、羽根車７６の径方向における突出部８１の外方に所定の間隔をあけて位置する。また、プロテクタ９３は、羽根車７６の開口部８４の外周部８４ａに対しても、所定の間隔をあけて位置する。そして、プロテクタ９３と開口部８４の外周部８４ａとの間には、水や液体を羽根車７６の径方向に通水可能な通水路９５が形成されている。この通水路９５には、第１実施形態の通水路５０と同様に、２個の膨張室９６Ａ，９６Ｂ、３個の連通部９７Ａ〜９７Ｃ、３個の絞り部９８Ａ〜９８Ｃ、及び１個の拡開部９９を備えるラビリンスが形成されている。

このようにした第２実施形態の片吸込遠心渦巻ポンプ６０は、第１実施形態の両吸込遠心渦巻ポンプ１０と同様に、概ねクローズド型の羽根車７６であるため、ケーシング６２の壁６６ａと羽根板７８との隙間の設定が不要であるため、組立性及び保守性を向上できる。しかも、摩耗による効率低下も少ないため、吸込性能を維持できる。また、前シュラウド８３と後シュラウド８６により、回転軸７４が延びる方向の圧力が平衡するため、大きな軸スラストが作用することを防止できる。

また、前シュラウド８３の開口部８４から羽根板７８の一部を突出させることで、部分的にオープン型としているため、羽根板７８の基端部７９側と先端部８０側の圧力差を低減できる。よって、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、プロテクタ９３と羽根車７６との間に形成される通水路９５には、形状が異なる膨張室９６Ａ，９６Ｂを設けているため、突出部８１へ流れる液体を減速し、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。また、それぞれの膨張室９６Ａ，９６Ｂの固有振動数が一致することで生じる渦騒音を抑制できる。

（実験例）
本願の発明者は、第１実施形態と同様の両吸込式の遠心渦巻ポンプ１０を用い、発明品と従来品のポンプ性能曲線を比較した。発明品は、第１実施形態と同様に、セミオープン型の羽根車２８と、膨張室５１Ａ，５１Ｂを形成可能なプロテクタ４６とを用いた。従来品は、突出部が無いクローズド型の羽根車と、膨張室が形成されることのないプロテクタとを用いた。その試験結果を図７に示す。

図７には、発明品と従来品それぞれの効率、ＮＰＳＨ、軸動力、全揚程Ｈが示されている。発明品の効率は、クローズド型の従来品の効率と同等になった。また、過大流量域においても、発明品のＮＰＳＨは、従来品のＮＰＳＨよりも小さく、吸込性能が向上した。これは、羽根車２８とプロテクタ４６との間に膨張室５１Ａ，５１Ｂを備える通水路５０を形成することで、漏れ量を低く抑え、ポンプ漏れ損失を低減したため、効率が向上したものと考えられる。また、通水路５０により漏流を調整し、この漏流を羽根板３３の突出部３６Ａ，３６Ｂに注水することで、キャビテーションを抑制できることを確認した。そして、発明品における最高効率点は約２〜４％上昇し、吸込性能も吸込比速度で約１５０〜２８０改善された。

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、通水路５０の膨張室５１，９６は、形状が異なっていれば、容積Ｖを同一にしてもよい。また、膨張室５１，９６は、深さＡと幅Ｒのうち、一方だけを異なるようにしてもよい。また、拡開部５４は設けなくてもよい。また、第２絞り部５３Ｂも設けずに、第２連通部５２Ｂが液体流路４４を臨むようにしてもよい。また、第１実施形態の羽根車２８には、隆起部３１から羽根板３３の先端部３５に至る仕切板を設けてもよい。

前記実施形態では、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２８，７６を水車のランナとして用いる場合、羽根板３３，７８の先端部３５，８０側が流入口になり、羽根板３３，７８の基端部３４，７９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。

１０…渦巻ポンプ（流体機械）
１２…ケーシング
１４…ケーシング本体
１５…吸込口
１６…下側仕切壁
１８…ケーシングカバー
１９…上側仕切壁
２０…取付孔
２２…吸込室
２３…吐出室
２３ａ…壁
２５…回転軸
２６…メカニカルシール
２８…羽根車
３０…連結部
３１…隆起部
３３…羽根板
３４Ａ，３４Ｂ…基端部
３４ａ…外端
３４ｂ…内端
３５…先端部
３６Ａ，３６Ｂ…突出部
３８…左シュラウド（第１シュラウド）
３９…開口部
３９ａ…外周部
４１…右シュラウド（第２シュラウド）
４２…開口部
４２ａ…外周部
４４…液体流路
４６…プロテクタ（対向部）
４７…内端部
４８…対向面部
４８ａ…斜面
５０…通水路
５１Ａ，５１Ｂ…膨張室
５２Ａ〜５２Ｃ…連通部
５３Ａ〜５３Ｃ…絞り部
５４…拡開部
６０…渦巻ポンプ（流体機械）
６２…ケーシング
６３…ケーシング本体
６４…ケーシングカバー
６５…吸込口
６６…配置空間部
６６ａ…壁
６７…ボリュート通路
６８…吐出口
６９…シャフト穴
７０…メカニカルシール
７１…ベアリングケース
７２…ベアリング
７４…回転軸
７６…羽根車
７８…羽根板
７９…基端部
８０…先端部
８１…突出部
８３…前シュラウド（第１シュラウド）
８４…開口部
８４ａ…外周部
８６…後シュラウド（第２シュラウド）
８７…連結部
８８…円筒部
９０…液体流路
９２…ウェアリング
９３…プロテクタ（対向部）
９５…通水路
９６Ａ，９６Ｂ…膨張室
９７Ａ〜９７Ｃ…連通部
９８Ａ〜９８Ｃ…絞り部
９９…拡開部
Ａ１，Ａ２…膨張室の深さ
Ｒ１，Ｒ２…膨張室の幅
Ｌ１〜Ｌ３…連通部の通路長
Ｓ１〜Ｓ３…連通部の通路幅
Ｃ１〜Ｃ３…絞り部の絞り幅

Claims (10)

1. ケーシング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、
   前記回転軸の方に位置する基端部から、前記回転軸から離れるように放射状に延びる複数の羽根板と、
   前記回転軸が延びる方向における前記羽根板の一端に配置され、前記基端部が位置する中央に開口部が形成されている第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に配置され、前記第１シュラウドと間隔をあけて位置する第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から前記回転軸が延びる方向における外方へ突出した突出部を有するとともに、
   前記ケーシングは、前記第１シュラウドの径方向における前記突出部の外方に間隔をあけて位置する対向部を有し、
   前記ケーシングの前記対向部と前記第１シュラウドの前記開口部の外周部との間には、前記羽根車の外部と内部とを連通させ、液体を通水可能な通水路が形成され、
   前記通水路には、前記液体の通水方向と直交する方向の断面積を広くした膨張室が、前記通水方向に間隔をあけて２以上形成されており、
   前記２以上の膨張室は、前記通水方向における最も上流側に位置する第１膨張室と、前記通水方向における最も下流側に位置し、前記第１膨張室の形状とは形状が異なる第２膨張室とを含み、
   前記通水路は更に、
   前記第１膨張室の上流側に形成された第１連通部と、
   前記第２膨張室の下流側に形成され、前記第１連通部の形状とは形状が異なる第２連通部と、
   前記第２連通部の下流側に形成され、前記通水方向の下流側に向けて開口面積を次第に拡げた拡開部と
   を備える、流体機械。
2. ケーシング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、
   前記回転軸の方に位置する基端部から、前記回転軸から離れるように放射状に延びる複数の羽根板と、
   前記回転軸が延びる方向における前記羽根板の一端に配置され、前記基端部が位置する中央に開口部が形成されている第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に配置され、前記第１シュラウドと間隔をあけて位置する第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から前記回転軸が延びる方向における外方へ突出した突出部を有するとともに、
   前記ケーシングは、前記第１シュラウドの径方向における前記突出部の外方に間隔をあけて位置する対向部を有し、
   前記ケーシングの前記対向部と前記第１シュラウドの前記開口部の外周部との間には、前記羽根車の外部と内部とを連通させ、液体を通水可能な通水路が形成され、
   前記通水路には、前記液体の通水方向と直交する方向の断面積を広くした膨張室が、前記通水方向に間隔をあけて２以上形成されており、
   前記２以上の膨張室は、前記通水方向における最も上流側に位置する第１膨張室と、前記通水方向における最も下流側に位置し、前記第１膨張室の形状とは形状が異なる第２膨張室とを含み、
   前記通水路は更に、
   前記第１膨張室の上流側に形成された第１連通部と、
   前記第２膨張室の下流側に形成され、前記第１連通部の形状とは形状が異なる第２連通部と、
   前記第１膨張室の上流側に形成された第１絞り部と、
   前記第２膨張室の下流側に形成され、前記第１絞り部の隙間断面積とは隙間断面積が異なる第２絞り部と
   を備える、流体機械。
3. 前記第２絞り部の隙間断面積は、前記第１絞り部の隙間断面積よりも広い、請求項２に記載の流体機械。
4. 前記通水路には、前記第２連通部の下流側に、前記通水方向の下流側に向けて開口面積を次第に拡げた拡開部が形成されている、請求項２又は３に記載の流体機械。
5. 前記回転軸が延びる方向における前記第１膨張室の深さと前記第２膨張室の深さとが異なっている、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体機械。
6. 前記第１シュラウドの径方向における前記第１膨張室の幅と前記第２膨張室の幅とが異なっている、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体機械。
7. 前記第１シュラウドの径方向における前記第１連通部の通路長と前記第２連通部の通路長とが異なっている、請求項１から６のいずれか１項に記載の流体機械。
8. 前記回転軸が延びる方向における前記第１連通部の通路幅と前記第２連通部の通路幅とが異なっている、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体機械。
9. 前記第２連通部の前記通路幅は、前記第１連通部の前記通路幅よりも広い、請求項８に記載の流体機械。
10. 前記第１膨張室の容積は、前記第２膨張室の容積よりも小さい、請求項１から９のいずれか１項に記載の流体機械。

Images