JP6802770B2 - 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、液体を流動させる流路を形成し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、この回転軸に羽根車が固定されている。羽根車としては、羽根板の両端にシュラウドをそれぞれ配置したクローズド型が使用されることが多い。

しかし、クローズド型の羽根車では、流体機械の運転時に羽根板の基端部側と先端部側とで圧力差が生じる。そして、ポンプの場合、基端部側が負圧になるため、キャビテーションが発生し、揚程と吸込能力（ＮＰＳＨ（Net Positive Suction Head））が低下する。 特許文献１には、キャビテーションの発生を抑制し、ＮＰＳＨを向上できるようにしたターボ機械が開示されている。この特許文献１のターボ機械では、シュラウドの開口の外周部とケーシングとの間に液体を流動させる通路が形成され、シュラウドの開口から羽根板の基端部が突出されている。

特開２００１−８２３９２号公報

特許文献１のターボ機械では、通路を通して羽根車の外部と内部の間を液体が流動できるため、羽根板の基端部側と先端部側の圧力差を低減できる。しかし、特許文献１のターボ機械では、回転軸の振動（不安定化）に繋がる通路内での液体の旋回流（回転軸回りの流れ）について、何も考慮されていない。

本発明は、クローズド型の羽根車を用いた流体機械において、キャビテーション発生の抑制と、回転軸の回転の安定化を図ることを課題とする。

本発明の一態様は、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、前記回転軸に固定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の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の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、前記ケーシングは、前記第１シュラウドに対して前記回転軸が延びる方向に間隔をあけて位置する環状の対向部を有し、前記第１シュラウドの前記開口の外周部と前記ケーシングの前記対向部との間には、前記羽根車の外部と内部とを連通させ、液体の流動を許容する通路が形成され、前記ケーシングの前記対向部には、前記液体の流動方向と交差する方向の断面積を広くした環状の溝からなる膨張室が形成され、前記膨張室内には、前記膨張室の一部を塞ぐ隔壁が形成されており、前記膨張室は、第１膨張室と、この第１膨張室に対して前記液体の流動方向に間隔をあけて位置する第２膨張室とを含み、前記第１膨張室の前記隔壁と前記第２膨張室の前記隔壁とは、前記ケーシングの前記対向部の周方向の異なる角度位置に形成されている、流体機械を提供する。

この流体機械によれば、羽根車とケーシングの間の通路を通して液体が流動可能であるため、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、ＮＰＳＨを改善できる。また、ケーシングの対向部に形成した膨張室によって、通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液体の流れを減速し、圧力を高めることでキャビテーションを効果的に消滅できる。

しかも、この態様の膨張室には、膨張室の一部を塞ぐ隔壁が形成されているため、通路内の液体が回転軸回りに流動するという旋回流を抑制できる。よって、旋回流が回転軸の回転に影響を及ぼすことで、設定速度とは異なる回転速度で回転軸が回転し、回転軸が振動するという不安定化流体力を低減できる。その結果、回転軸を設定速度で安定して回転できるため、安定した排水性能を得ることができる。

また、膨張室は、液体の流動方向に間隔をあけて位置する第１膨張室と第２膨張室を含み、これらの隔壁はケーシングの対向部の周方向の異なる角度位置に形成されている。そのため、隔壁による旋回流の抑制によって水圧が上昇する箇所が、第１膨張室と第２膨張室とでケーシングの周方向の異なる角度位置になる。よって、水圧上昇箇所が周方向の同一角度位置になることによる弊害を防止できる。

前記第１膨張室と前記第２膨張室の断面形状は異なっている。この態様によれば、液体が流れることによる第１膨張室と第２膨張室の液体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液体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。

前記隔壁は、前記第１シュラウドから離れた前記膨張室の溝底から、前記第１シュラウドに近接した前記膨張室の開口にかけて突出している。この態様によれば、通路内での液体の旋回流を効果的に抑制できる。また、隔壁が膨張室の開口から突出しないため、羽根車との干渉を防止できる。

前記液体の流動方向における前記通路の下流側端部には、前記液体の流動方向下流側に向けて開口面積を次第に拡げた環状の拡開部が形成されており、前記拡開部には、前記拡開部の一部を塞ぐ隔壁が形成されている。

この場合、前記液体の流動方向における前記拡開部の前記隔壁の下流側は、前記羽根車が回転する向きに傾斜していることが好ましい。この態様によれば、拡開部の隔壁の傾斜角度の設定により、通路からの液体流出角度を設定できる。つまり、羽根板の基端部における所定領域の水圧を確実に高めることができるため、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる。

本発明の流体機械では、通路の隙間断面積を広くする膨張室が形成されているため、キャビテーションを効果的に消滅でき、ＮＰＳＨを改善できる。しかも、ケーシングに形成された膨張室に隔壁を設けているため、通路内での液体の旋回流を抑制し、不安定化流体力を低減できるので、回転軸の回転を安定させることができる。

本発明の第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。 羽根車とケーシングとの間の通路を示す拡大図。 ケーシングの膨張室と拡開部の隔壁の位置関係を示す正面図。 第１膨張室の隔壁の拡大図。 第２膨張室の隔壁の拡大図。 拡開部の隔壁の拡大図。 通路内の位置と旋回流の速度の関係を示すグラフ。 回転軸の回転数と通路を通した水の漏れ量の関係を示すグラフ。 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。

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、吸込口２０から吸い込んだ水（液体）を図示しない吐出口から排出するもので、ケーシング１２、回転軸２４、及びクローズド型の羽根車２７を備える。本実施形態では、渦巻ポンプ１０では、ケーシング１２と羽根車２７の間の通水路（通路）４４を改良することで、キャビテーションの発生を抑制し、回転軸２４の回転の安定化を図る。

（両吸込遠心渦巻ポンプの概要）
図１に示すように、渦巻ポンプ１０のケーシング１２は、ケーシング本体１３と、ケーシングカバー１５とを備える。

ケーシング本体１３の幅方向中央には、概ねＵ字形状の下側仕切壁１４が設けられている。ケーシングカバー１５の幅方向中央には、下側仕切壁１４の上方に位置するように、概ね逆Ｕ字形状の上側仕切壁１６が設けられている。ケーシング本体１３にケーシングカバー１５を組み付けることで、下側仕切壁１４と上側仕切壁１６は、中央に取付孔１７を備える環状体になる。取付孔１７には、羽根車２７との干渉による損傷を防ぐために、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円環状のプロテクタ１８が配置されている。

ケーシング本体１３には、吸込口２０と図示しない吐出口とが形成されている。吸込口２０から吐出口までの液体流路は、吸込室２１と吐出室２２によって構成されている。吸込室２１は、吸込口２０に連通する渦巻形状の通路であり、ケーシング１２内において仕切壁１４，１６の左右両外側に形成されている。吐出室２２は、プロテクタ１８の開口１９を通して吸込室２１内と連通するとともに、吐出口に連通する渦巻形状の通路であり、仕切壁１４，１６内に形成されている。

回転軸２４は、プロテクタ１８の開口１９を横方向に貫通するように、ケーシング１２に回転可能に配置されている。回転軸２４の両端は、ケーシング１２から外方へ突出されており、ケーシング１２に対してメカニカルシール２５によって軸支されている。図１において回転軸２４の右端には、図示しないモータ等の駆動機が接続される。

（羽根車の概要）
図１及び図２に示すように、羽根車２７は両吸込型であり、吐出室２２内に位置するように、回転軸２４に固定されている。羽根車２７は、回転軸２４と一体に回転されることで、ケーシング１２の外部の水を吸込口２０から吸込室２１内に吸引し、吐出室２２を経て吐出口から吐出する。羽根車２７は、回転軸２４が延びるＸ方向から見て円形状であり、放射状に突出する複数の羽根板２９、及び羽根板２９の左右両端に配置されたシュラウド３６，３９を備える。

羽根板２９は、回転軸２４の方に位置する基端部３０から、回転軸２４から離れるように羽根車２７の径方向外方（ＹＺ平面が延びる方向）へ延びている。羽根板２９の基端部３０には、回転軸２４に固定するための固定部３２が一体に設けられている。固定部３２には、吸い込んだ水を羽根車２７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３３が形成されている。

左シュラウド（第１シュラウド）３６は、Ｘ方向における羽根板２９の左端に固定され、右シュラウド（第２シュラウド）３９は、Ｘ方向における羽根板２９の右端に固定されている。これらのシュラウド３６，３９は、外周縁が羽根板２９の先端部３１と一致する外径の円板状であり、Ｘ方向に間隔をあけて位置している。シュラウド３６，３９には、羽根板２９の基端部３０が位置する中央に開口３７，４０が形成されている。

羽根車２７には、筒状の液体流路４２が周方向に複数形成されている。個々の液体流路４２は、隣接する羽根板２９，２９と左右のシュラウド３６，３９とで画定されている。液体流路４２は、羽根板２９の基端部３０側の開口部分が流入口を構成し、羽根板２９の先端部３１側の開口部分が流出口を構成する。羽根車２７の回転によって水は、開口３７，４０から吸い込まれ、羽根車２７の遠心力によって液体流路４２を通して径方向外側へ吐出される。

このように構成された羽根車２７は、羽根板２９の両端にシュラウド３６，３９を配置したクローズド型であるため、羽根板２９と吐出室２２の壁２２ａとの隙間の設定が不要であるうえ、ケーシング１２への組付後の調整も不要である。しかも、羽根板２９の摩耗による排水効率の低下も少ない。また、シュラウド３６，３９によって、Ｘ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もない。

但し、図３に示すように、羽根車２７内での圧力は、水が開口３７，４０から羽根板２９の基端部３０に至るまでの間に、吸込室２１内の圧力Ｐ１から次第に低下する。図３に破線で示すように、従来のクローズド型羽根車では、水が羽根板の基端部の外端（３０ａ）に至ると、圧力の下降勾配が急になる。この圧力低下は、基端部の内端（３０ｂ）に至ると止まり、この時点が最低圧力Ｐ２になる。水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。そして、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側でキャビテーションが発生し、渦巻ポンプ１０の揚程とＮＰＳＨが低下する。

（通水路の概要）
羽根車２７の基端部３０でのキャビテーションの発生と、渦巻ポンプ１０の揚程とＮＰＳＨの低下とを抑制するために、羽根車２７とケーシング１２との間には、羽根車２７の外部から内部への水の流動を許容する通水路４４が形成されている。

図２及び図３に示すように、通水路４４は、シュラウド３６，３９の開口３７，４０の外周部３６ａ，３９ａと、プロテクタ１８の開口１９の外周部（対向部）１８ａとの間に形成されている。プロテクタ１８の開口１９と、シュラウド３６，３９の開口３７，４０とは、同心円状かつ概ね同一直径で形成されており、Ｘ方向に定められた間隔で配置されている。

本実施形態の羽根車２７には、羽根板２９の基端部３０側に、シュラウド３６，３９の開口３７，４０からＸ方向の外方へ突出する突出部３４，３４が形成されている。詳しくは、Ｘ方向において、基端部３０の外端３０ａは開口３７，４０から突出され、基端部３０の内端３０ｂは開口３７，４０内に位置されている。羽根板２９の開口３７，４０から突出する部分によって、突出部３４が構成されている。突出部３４は、プロテクタ１８の内周面（開口１９の外周面）に対して、プロテクタ１８の径方向に定められた間隔をあけて位置している。

このようにした渦巻ポンプ１０では、羽根車２７と吐出室２２の壁２２ａとの間にある水が、羽根車２７の内部と外部の圧力差によって、通水路４４を通って負圧側である液体流路４２内に注水される。よって、図３に実線で示すように、図３に破線で示す従来の羽根車よりも、羽根板２９の基端部３０側の圧力を高くすることができる。

また、羽根車２７は、開口３７，４０から羽根板２９を突出させた部分的オープン型であるため、羽根板２９の基端部３０側と先端部３１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２７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。

図４及び図５に示すように、羽根車２７の基端部３０側でのキャビテーションをより効果的に消滅させるために、通水路４４には、膨張室４５Ａ，４５Ｂ、拡開部４６、連通部４７Ａ〜４７Ｃ、及び絞り部４８Ａ〜４８Ｃが形成されている。これらは、プロテクタ１８の外周部１８ａと、羽根車２７の外周部３６ａ，３９ａとを、円環状に切り欠く（切削する）ことで形成されている。これらは、吐出室２２から液体流路４２に向けた通水方向（羽根車２７の径方向の外側から内側）に向けて、第１連通部４７Ａ、第１絞り部４８Ａ、第１膨張室４５Ａ、第２連通部４７Ｂ、第２絞り部４８Ｂ、第２膨張室４５Ｂ、第３連通部４７Ｃ、第３絞り部４８Ｃ、及び拡開部４６の順で形成されている。

膨張室４５Ａ，４５Ｂは、通水方向（液体の流動方向）に対して交差するＸ方向の通水路４４の隙間断面積を広くするもので、通水路４４を構成するプロテクタ１８の外周部１８ａに設けた環状溝によって構成されている。プロテクタ１８の径方向外側（通水方向の上流側）に位置する第１膨張室４５Ａと、プロテクタ１８の径方向内側（通水方向の下流側）に位置する第２膨張室４５Ｂとは、定められた間隔をあけて形成されている。

拡開部４６は、通水路４４内の液体を液体流路４２に放出する出口であり、通水路４４の下流側端、つまりプロテクタ１８の径方向の内側端部に、円環状に形成されている。拡開部４６は、プロテクタ１８の外周部１８ａに、通水方向に沿ってＸ方向外向き（吸込室２１側）に傾斜する斜面４６ａを設けることで、羽根車２７内に向けて開口面積が次第に拡がるように構成されている。斜面４６ａの傾斜角度は、開口３７，４０からの突出部３４の突出量（寸法）に応じて設定される。詳しくは、斜面４６ａは、延長線が基端部３０の外端３０ａと内端３０ｂとの間に位置するように形成され、好ましくは延長線が内端３０ｂよりも外端３０ａの方に近接するように形成される。

第１連通部４７Ａは、吐出室２２内の水を通水路４４内に取り入れる入口であり、第１膨張室４５Ａの上流側に形成されている。第２連通部４７Ｂは、第１膨張室４５Ａと第２膨張室４５Ｂの間に形成され、第３連通部４７Ｃは、第２膨張室４５Ｂと拡開部４６の間に形成されている。

絞り部４８Ａ〜４８Ｃは、膨張室４５Ａ，４５Ｂと拡開部４６に流入する水量を調整するものである。第１絞り部４８Ａの一端は第１連通部４７Ａに連続し、第１絞り部４８Ａの他端は第１膨張室４５Ａに連続している。第２絞り部４８Ｂの一端は第２連通部４７Ｂに連続し、第２絞り部４８Ｂの他端は第２膨張室４５Ｂに連続している。第３絞り部４８Ｃの一端は第３連通部４７Ｃに連続し、第３絞り部４８Ｃの他端は拡開部４６に連続している。

このようにした通水路４４は、２以上の膨張室４５Ａ，４５Ｂによって、隙間断面積が広い部分と狭い部分を有するラビリンス構造になっている。そして、隙間断面積が広い部分によって、突出部３４への水の流れを減速し、圧力を高めることができるため、羽根板２９の基端部３０でのキャビテーションを効果的に消滅できる。また、拡開部４６によって突出部３４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、羽根板２９の突出部３４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。

（隔壁の詳細）
渦巻ポンプ１０の運転時には、羽根車２７は回転し、プロテクタ１８は停止している。よって、通水路４４内の水は、圧力差によって羽根車２７の径方向の外側から内側に向けて流れ、羽根車２７の回転によって回転軸２４回りを羽根車２７が回転する向きＲに流動する（旋回流）。この旋回流の速度が回転軸２４の設定回転速度よりも速くなると、回転軸２４は、回転が促進され、モータ等の駆動機による設定回転速度よりも高速で回転する。その結果、回転軸２４の回転が不安定になり、回転軸２４が振動することがある。このような不安定化流体力を低減するために、通水路４４には、通水路４４の一部を塞ぐ隔壁５０Ａ〜５０Ｃが設けられている。

図４及び図５に示すように、隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、通水路４４内での旋回流を抑制するもので、Ｘ方向外向きに窪むプロテクタ１８の膨張室４５Ａ，４５Ｂと拡開部４６に設けられている。隔壁５０Ａは膨張室４５Ａの周方向の一部を塞ぎ、隔壁５０Ｂは膨張室４５Ｂの周方向の一部を塞ぎ、隔壁５０Ｃは拡開部４６の周方向の一部を塞ぐように、設けられている。

図５を参照すると、隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、プロテクタ１８の周方向に間隔をあけて複数設けられている。隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、プロテクタ１８の周方向の異なる回転角度位置に形成されている。つまり、隔壁５０Ａに対して隔壁５０Ｂ，５０Ｃは、プロテクタ１８の径方向の同一直線上にはなく、隔壁５０Ｂに対して隔壁５０Ａ，５０Ｃは、プロテクタ１８の径方向の同一直線上にはなく、隔壁５０Ｃに対して隔壁５０Ａ，５０Ｂは、プロテクタ１８の径方向の同一直線上にはない。隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、それぞれ周方向に等間隔で２〜５箇所設けることが好ましい。本実施形態では、個々の隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、１２０度間隔をあけて３箇所に設けられている。また、全ての隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、４０度間隔をあけて配置されている。

図４を参照すると、隔壁５０Ａ，５０Ｂは、膨張室４５Ａ，４５Ｂにおいて、シュラウド３６，３９からＸ方向に最も離れた溝底５０ａから、シュラウド３６，３９に近接した開口５０ｂにかけて突出している。つまり、隔壁５０Ａ，５０Ｂは、Ｘ方向における膨張室４５Ａ，４５Ｂの深さと同じ寸法で突出し、開口５０ｂから突出しないように形成されている。また、図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、隔壁５０Ａ，５０Ｂは、プロテクタ１８の径方向において、膨張室４５Ａ，４５Ｂの外側壁から内側壁にかけて形成されている。

図４を参照すると、隔壁５０Ｃは、拡開部４６の斜面４６ａからシュラウド３６，３９の外周部３６ａ，３９ａに向けて、概ね直角三角形状に突出している。隔壁５０Ｃのシュラウド３６，３９側の端と、シュラウド３６，３９の外周部３６ａ，３９ａとは、平行に位置し、これらの間には、連通部４７Ａ〜４７Ｃと同等の隙間が設定されている。隔壁５０Ｃの羽根板２９（突出部３４）側の端は、開口１９の外周面と同一面上に位置するように形成され、羽根板２９との間に定められた間隔が設定されている。図５及び図６Ｃを参照すると、隔壁５０Ｃは、プロテクタ１８の径方向の内側端（水の通水方向の下流側）が、羽根車２７が回転する向きＲへ傾斜するように形成されている。隔壁５０Ｃの傾斜角度αは、通水路４４から流出する水が羽根板２９の基端部３０の負圧領域に吐出される向きに設定されている。なお、傾斜角度αは、プロテクタ１８の中心から上流側端部にかけて延びる径方向の線と、隔壁５０Ｃの傾斜面とのなす角で定義される。

図７Ａに通水路４４内の位置（横軸）と旋回流の速度（縦軸）の関係を示す。図７Ａにおいて、横軸の左側が羽根車２７の流体流路４２側（内部側）であり、右側が吐出室２２側（外部側）である。図７Ａの破線は、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けていない渦巻ポンプを示し、図７Ａの実線は、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けた本実施形態の渦巻ポンプ１０を示す。この図７Ａを参照すると、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けない場合、通水路４４に流入した水の旋回流速度は、第１膨張室４５Ａから第２膨張室４５Ｂを経て、拡開部４６に至るまで徐々に速くなる。これに対して、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けた場合、旋回流速度は、第１膨張室４５Ａ、第２膨張室４５Ｂ、及び拡開部４６でそれぞれ減速され、流体流路４２内への吐出速度は低く抑えられる。

このように、本実施形態では、周方向に流れる水が通水路４４の隔壁５０Ａ〜５０Ｃに衝突するため、水の旋回流を抑制でき、流速が羽根車２７（回転軸２４）の回転速度よりも速くなることを防止できる。よって、旋回流が回転軸２４の回転に影響を及ぼし、回転軸２４が振動するという不安定化流体力を低減できる。その結果、回転軸２４をモータ等の駆動機による設定速度で安定して回転できるため、安定した排水性能を得ることができる。

また、隔壁５０Ａ〜５０Ｃは、プロテクタ１８の周方向の異なる位置に設けられているため、旋回流の抑制によって水圧が上昇する箇所も、プロテクタ１８の周方向の異なる位置になる。よって、水圧上昇箇所がプロテクタ１８の周方向の同一回転角度位置になることによる弊害を防止できる。

さらに、隔壁５０Ａ，５０Ｂは、膨張室４５Ａ，４５Ｂの溝底５０ａから開口５０ｂにかけて突出しているため、通水路４４内での旋回流を効果的に抑制できるうえ、羽根車２７との干渉を防止できる。また、隔壁５０Ｃは、羽根車２７が回転する向きＲに傾斜され、羽根板２９の基端部３０の所定領域を昇圧できるようにしているため、キャビテーションの発生を効果的に抑制できる。

しかも、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを含む通水路４４の構成は、羽根車２７のシュラウド３６，３９とプロテクタ１８を加工するだけでよいため、既設の渦巻ポンプ１０にも適用できる。

また、本実施形態では、通水路４４を通して吐出室２２から液体流路４２の入口に戻る水の漏れ量を大幅に抑制できる。図７Ｂに回転軸２４の回転数（横軸）と通水路４４を通した水の漏れ量（縦軸）の関係を具体的に示す。図７Ｂの一点鎖線は、膨張室４５Ａ，４５Ｂと拡開部４６を設けてない渦巻ポンプを示し、図７Ｂの破線は、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けていない渦巻ポンプを示し、図７Ｂの実線は、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けた本実施形態の渦巻ポンプ１０を示す。この図７Ｂに示すように、漏れ量は、回転軸２４の低回転数になるに従って多くなる。隔壁５０Ａ〜５０Ｃの有無に関わらず、膨張室４５Ａ，４５Ｂと拡開部４６を設けることで、漏れ量を低減できる。しかも、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けることで、隔壁５０Ａ〜５０Ｃを設けていない場合よりも漏れ量を更に低減できる。

（通水路の詳細）
通水路４４を構成する膨張室４５Ａ，４５Ｂ、連通部４７Ａ〜４７Ｃ、及び絞り部４８Ａ〜４８Ｃの断面形状は、それぞれ異なるように構成されている。

詳しくは、図４に示すように、膨張室４５Ａ，４５Ｂは、Ｘ方向の深さＡと、羽根車２７の径方向の幅Ｗとで定められる。これらの寸法Ａ，Ｗを異ならせることで、第１膨張室４５Ａの形状と第２膨張室４５Ｂの形状とが異なるように構成されている。これにより隔壁５０Ａ，４５Ｂの形状も、それぞれ異なるように構成されている。

本実施形態では、上流側の第１膨張室４５Ａの深さＡ１は、下流側の第２膨張室４５Ｂの深さＡ２よりも浅く設定されている（Ａ１＜Ａ２）。また、第１膨張室４５Ａの幅Ｗ１は、第２膨張室４５Ｂの幅Ｗ２よりも広く設定されている（Ｗ１＞Ｗ２）。そして、第１膨張室４５Ａの容積Ｖ１は、第２膨張室４５Ｂの容積Ｖ２よりも大きく設定されている（Ｖ１＞Ｖ２）。但し、容積Ｖ１，Ｖ２が異なっていれば、第１膨張室４５Ａの方が第２膨張室４５Ｂよりも小さく設定されてもよい（Ｖ１＜Ｖ２）。

通水路４４に形成した２以上の膨張室４５Ａ，４５Ｂの液体の固有振動数が一致する場合、膨張室４５Ａ，４５Ｂ内で水が旋回することによる共鳴（渦騒音）が生じる。しかし、本実施形態では、通水路４４に形状が異なる膨張室４５Ａ，４５Ｂを形成することで、これらに水が流れた際の液体の固有振動数を異ならせることができる。よって、膨張室４５Ａ，４５Ｂの液体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。

引き続いて図４を参照すると、連通部４７Ａ〜４７Ｃは、羽根車２７の径方向の通路長Ｌと、Ｘ方向の通路幅Ｓとで定められる。これらの寸法Ｌ，Ｓを異ならせることで、第１連通部４７Ａ、第２連通部４７Ｂ、及び第３連通部４７Ｃの形状が異なるように構成されている。

第１連通部４７Ａの通路長Ｌ１は、中間の第２連通部４７Ｂの通路長Ｌ２と概ね同一に設定されており、下流側の第３連通部４７Ｃの通路長Ｌ３よりも長く設定されている（Ｌ１＝Ｌ２＞Ｌ３）。第１連通部４７Ａの通路幅Ｓ１は、第２連通部４７Ｂの通路幅Ｓ２、及び第３連通部４７Ｃの通路幅Ｓ３よりも広く設定されている。また、中間の第２連通部４７Ｂの通路幅Ｓ２は、第３連通部４７Ｃの通路幅Ｓ３よりも広く設定されている（Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３）。即ち、連通部４７Ａ〜４７Ｃの通路幅Ｓは、通水路４４の上流側から下流側に向けて次第に狭くなっている。

このように、形状が異なる連通部４７Ａ〜４７Ｃを通水路４４に形成することにより、膨張室４５Ａ，４５Ｂに水が流れた際の液体の固有振動数を異ならせることができる。よって、通水路４４内での共鳴による渦騒音の発生を抑制できる。

引き続いて図４を参照すると、第１絞り部４８Ａと第２絞り部４８Ｂとは、羽根車２７の径方向の絞り幅Ｃと、回転軸２４が延びるＸ方向の絞り長Ｂとで定められる。これらの寸法Ｃ，Ｂを異ならせることで、第１絞り部４８Ａと第２絞り部４８Ｂの形状が異なるように構成されている。なお、第３絞り部４８Ｃは、第３連通部４７Ｃと拡開部４６との間の絞り幅Ｃのみで定められる。

第１絞り部４８Ａの絞り幅Ｃ１と、第２絞り部４８Ｂの絞り幅Ｃ２とは、同一に設定されている。第３絞り部４８Ｃの絞り幅Ｃ３は、絞り部４８Ａ，４８Ｂの絞り幅Ｃ１，Ｃ２よりも狭く設定されている（Ｃ１＝Ｃ２＞Ｃ３）。また、第１絞り部４８Ａの絞り長Ｂ１は、第２絞り部４８Ｂの絞り長Ｂ２よりも短く設定されている。

このように、形状（隙間断面積）が異なる絞り部４８Ａ〜４８Ｃを形成することにより、通水路４４中を羽根車２７の径方向に流れる水の速度を調整できる。よって、羽根板２９の突出部３４に向けた水圧を高くし、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１０では、羽根車２７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４４には形状が異なる２以上の膨張室４５Ａ，４５Ｂを形成しているため、膨張室４５Ａ，４５Ｂでの液体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。しかも、膨張室４５Ａ，４５Ｂと拡開部４６には隔壁５０Ａ〜５０Ｃが設けられているため、通水路４４内での水の旋回流を抑制し、不安定化流体力を低減できるので、回転軸２４の回転を安定させることができる。

（第２実施形態）
図８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、第１実施形態の渦巻ポンプ１０と同様に、吸込口６４から吸い込んだ水を吐出口６７から排出するもので、ケーシング６１、回転軸７３、及びクローズド型の羽根車７５を備える。第２実施形態の羽根車７５は、第１実施形態の羽根車２７とは異なり、回転軸７３が延びるＸ方向における一方のみから水を吸い込むものである。

（片吸込遠心渦巻ポンプの概要）
渦巻ポンプ６０のケーシング６１は、ケーシング本体６２と、ケーシング本体６２に固定されたケーシングカバー６３とを備える。ケーシング本体６２には、図８において左側に吸込口６４が形成されている。吸込口６４は断面円形状の空間であり、ケーシングカバー６３が配置された奥側には、羽根車７５を配置する配置空間部６５が形成されている。配置空間部６５の外周部には、ケーシング６１内に吸い込んだ水を吐出するボリュート通路（液体流路）６６が形成されている。また、ケーシング本体６２には、図８において上側に位置するように、ボリュート通路６６の出口である吐出口６７が形成されている。

回転軸７３は、ケーシング６１に対して水平方向に延びるように回転可能に配置されている。回転軸７３は、一端がケーシングカバー６３のシャフト穴６８から配置空間部６５内に突出している。シャフト穴６８の周囲には、液密性を保持するためのメカニカルシール６９が取り付けられている。ケーシングカバー６３の外側にはベアリングケース７０が固定されている。回転軸７３は、ベアリングケース７０に固定されたベアリング７１によって軸支されている。ベアリングケース７０から突出した回転軸７３の外端には、図示しないモータ等の駆動機が接続されている。

（羽根車の概要）
図８に示すように、羽根車７５は、回転軸７３に固定され、ケーシング６１の配置空間部６５に配置されている。羽根車７５は、Ｘ方向から見て円形状であり、複数の羽根板７７と、Ｘ方向における羽根板７７の両側に配置されたシュラウド８２，８５とを備える。羽根車７５が回転すると水は、吸込口６４からボリュート通路６６へ送出され、吐出口６７から吐出される。

羽根板７７は、第１実施形態の羽根板２９と同様に、回転軸７３の方に位置する基端部７８から、回転軸７３から離れるように羽根車７５の径方向外方へ延びている。

図８において左側に位置する前シュラウド（第１シュラウド）８２は、Ｘ方向における羽根板７７の前端（一端）に固定されている。前シュラウド８２は、Ｘ方向に対して直交方向（ＹＺ方向）に延びる概ね平板状である。前シュラウド８２には、回転軸７３と同心円形状をなすように開口８３が設けられている。

図８において右側に位置する後シュラウド（第２シュラウド）８５は円板状であり、Ｘ方向における羽根板７７の後端（他端）に配置されている。後シュラウド８５は、前シュラウド８２に対してＸ方向に間隔をあけて位置している。後シュラウド８５の中心には、回転軸７３を連結するための連結部８６が設けられている。また、後シュラウド８５には、連結部８６と同心の円筒状をなすように、ケーシングカバー６３に向けて突出する円筒部８７が設けられている。

羽根車７５には、隣接する羽根板７７，７７と、前後のシュラウド８２，８５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、羽根板７７の基端部７８側が流入口を構成し、羽根板７７の先端部７９側が流出口を構成する。また、羽根車７５の羽根板７７には、前シュラウド８２の開口８３からＸ方向外方へ突出する突出部８０が形成されている。

後シュラウド８５とケーシングカバー６３との間には、ケーシングカバー６３と羽根車７５の吐出口６７側と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６２には、配置空間部６５の吸込口６４側と前シュラウド８２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１８と同様の材料からなる。

配置空間部６５に羽根車７５を配置すると、プロテクタ９３は、羽根車７５の径方向における突出部８０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７５の開口８３の外周部８２ａに対しても、所定の間隔をあけて位置する。そして、羽根車７５の開口８３の外周部８２ａと、プロテクタ９３の開口９４の外周部９３ａとの間には、水を羽根車７５の径方向に通水可能な通水路９６が形成されている。

通水路９６には、第１実施形態の通水路４４と同様に、２個の膨張室９７Ａ，９７Ｂ、１個の拡開部９８、３個の連通部９９Ａ〜９９Ｃ、及び３個の絞り部１００Ａ〜１００Ｃを備えるラビリンスが形成されている。そして、膨張室９７Ａ，９７Ｂと拡開部９８には、第１実施形態と同様に、２以上の隔壁１０２Ａ〜１０２Ｃがそれぞれ設けられている。

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、羽根車７５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９６には形状が異なる２以上の膨張室９７Ａ，９７Ｂを形成しているため、それぞれの膨張室９７Ａ，９７Ｂでの液体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。しかも、膨張室９７Ａ，９７Ｂと拡開部９８には隔壁１０２Ａ〜１０２Ｃが設けられているため、通水路９６内での水の旋回流を抑制し、不安定化流体力を低減できるので、回転軸７３の回転を安定させることができる。

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、通水路に形成する膨張室の数は１以上設けてあればよいし、隔壁の数も各膨張室に１以上設けてあればよい。また、拡開部は設けなくてもよいし、隔壁がない拡開部を設けてもよい。勿論、２以上の膨張室を設ける場合、全ての膨張室に隔壁を設けるのではなく、特定の膨張室だけに隔壁を設けてもよい。

通水路の膨張室は、形状が異なっていれば、容積を同一にしてもよい。また、第１実施形態の羽根車２７には、隆起部３３から羽根板２９の先端３１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を水車のランナとして用いる場合、羽根板の先端部側が流入口になり、羽根板の基端部側が流出口になる。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
１３…ケーシング本体
１４…下側仕切壁
１５…ケーシングカバー
１６…上側仕切壁
１７…取付孔
１８…プロテクタ
１８ａ…外周部（対向部）
１９…開口
２０…吸込口
２１…吸込室
２２…吐出室
２２ａ…壁
２４…回転軸
２５…メカニカルシール
２７…羽根車
２９…羽根板
３０…基端部
３０ａ…外端
３０ｂ…内端
３１…先端部
３２…固定部
３３…隆起部
３４…突出部
３６…左シュラウド（第１シュラウド）
３６ａ…外周部
３７…開口
３９…右シュラウド（第２シュラウド）
３９ａ…外周部
４０…開口
４２…液体流路
４４…通水路（通路）
４５Ａ，４５Ｂ…膨張室
４６…拡開部
４６ａ…斜面
４７Ａ〜４７Ｃ…連通部
４８Ａ〜４８Ｃ…絞り部
５０Ａ〜５０Ｃ…隔壁
５０ａ…溝底
５０ｂ…開口
６０…渦巻ポンプ（流体機械）
６１…ケーシング
６２…ケーシング本体
６３…ケーシングカバー
６４…吸込口
６５…配置空間部
６６…ボリュート通路
６７…吐出口
６８…シャフト穴
６９…メカニカルシール
７０…ベアリングケース
７１…ベアリング
７３…回転軸
７５…羽根車
７７…羽根板
７８…基端部
７９…先端部
８０…突出部
８２…前シュラウド（第１シュラウド）
８２ａ…外周部
８３…開口
８５…後シュラウド（第２シュラウド）
８６…連結部
８７…円筒部
９０…液体流路
９２…ウェアリング
９３…プロテクタ
９３ａ…外周部（対向部）
９４…開口
９６…通水路（通路）
９７Ａ，９７Ｂ…膨張室
９８…拡開部
９９Ａ〜９９Ｃ…連通部
１００Ａ〜１００Ｃ…絞り部
１０２Ａ〜１０２Ｃ…隔壁

Claims (5)

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、前記回転軸に固定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の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の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、
   前記ケーシングは、前記第１シュラウドに対して前記回転軸が延びる方向に間隔をあけて位置する環状の対向部を有し、
   前記第１シュラウドの前記開口の外周部と前記ケーシングの前記対向部との間には、前記羽根車の外部と内部とを連通させ、液体の流動を許容する通路が形成され、
   前記ケーシングの前記対向部には、前記液体の流動方向と交差する方向の断面積を広くした環状の溝からなる膨張室が形成され、
   前記膨張室内には、前記膨張室の一部を塞ぐ隔壁が形成されており、
   前記膨張室は、第１膨張室と、この第１膨張室に対して前記液体の流動方向に間隔をあけて位置する第２膨張室とを含み、
   前記第１膨張室の前記隔壁と前記第２膨張室の前記隔壁とは、前記ケーシングの前記対向部の周方向の異なる角度位置に形成されている、流体機械。
2. 前記第１膨張室と前記第２膨張室の断面形状は異なっている、請求項１に記載の流体機械。
3. 前記隔壁は、前記第１シュラウドから離れた前記膨張室の溝底から、前記第１シュラウドに近接した前記膨張室の開口にかけて突出している、請求項１又は２に記載の流体機械。
4. 前記液体の流動方向における前記通路の下流側端部には、前記液体の流動方向下流側に向けて開口面積を次第に拡げた環状の拡開部が形成されており、
   前記拡開部には、前記拡開部の一部を塞ぐ隔壁が形成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体機械。
5. 前記液体の流動方向における前記拡開部の前記隔壁の下流側は、前記羽根車が回転する向きに傾斜している、請求項４に記載の流体機械。

Images