流体機械
【課題】本発明は、小流量運転時に流体機械のケーシング内で生じていると予測される、好ましくない流動現象を改善し、性能（Ｑ−Ｈ）特性の右上がり不安定領域の低減を図る。
【解決手段】本発明の一実施携帯による流体機械は、回転駆動される羽根車（１０）と、羽根車（１０）を収容するケーシング（３）と、を有する。ケーシング（３）は、吐出管（５）へ流体を案内する舌部（３５）と、羽根車（１０）から軸方向に離間して羽根車（１０）に面する少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）とを備える。羽根車（１０）とケーシング（３）の少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）との間に流体流路（７）が画定される。かかる流体機械はさらに、流体流路（７）において発生し得る、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するために、ケーシング（３）の少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）に、渦発生抑制構造（５０、５２）を有する。
【解決手段】本発明の一実施携帯による流体機械は、回転駆動される羽根車（１０）と、羽根車（１０）を収容するケーシング（３）と、を有する。ケーシング（３）は、吐出管（５）へ流体を案内する舌部（３５）と、羽根車（１０）から軸方向に離間して羽根車（１０）に面する少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）とを備える。羽根車（１０）とケーシング（３）の少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）との間に流体流路（７）が画定される。かかる流体機械はさらに、流体流路（７）において発生し得る、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するために、ケーシング（３）の少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）に、渦発生抑制構造（５０、５２）を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体機械に関し、特に、少流量運転を行った場合に運転中に羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙に発生する、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するための渦発生抑制構造を備える流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、一般的な流体機械の一例である遠心ポンプ１００の断面図を示している。流体はケーシング１０２の中心部に位置する吸込口１０４から入る。その後、流体は、ケーシング内部で回転運動する羽根車１０６により加速され、舌部１０８によりケーシング１０２から吐出し口１１０の方向へ案内される。吐出し口１１０の方向へ案内された流体は、吐出し流路１１２で減速（昇圧）されて、吐出し口１１０から高圧状態で流出する。
【０００３】
しばしば、遠心ポンプのような流体機械において少流量運転を行った場合、ポンプから騒音・振動が発生する現象が生じることがある。これは、一例として図２に示すような、ポンプのいわゆるＱ−Ｈ特性（静特性）において、小流量範囲において見られる右上がりの不安定領域（図２の破線で囲まれた領域）と呼ばれる部分で流体機械を運転した場合に生じる。図２のグラフにおいて、Ｑは流体機械の流量（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｈは揚程（ｍ）を示す。このような不安定領域で運転した場合に生じる騒音・振動を回避する方策として、従来はポンプの定格運転範囲の下限を上げ、この下限より大きな流量で運転をするようにしてきた。
【０００４】
ポンプに発生する不安定領域を改善する技術として、ポンプの少流量運転時の不安定領域において羽根車への入口部に生じる再循環流を抑制することにより、旋回失速等を抑制し、不安定領域を改善させるものがある（特許文献１）。また、特許文献２、３においても不安定領域を改善する技術が開示されている。これらの従来技術は、いずれも羽根車への入口付近においてケーシングに各種の手段を講じることにより、ポンプの不安定動作を改善するものである。
【０００５】
また、特許文献４は、ケーシング内の舌部近傍の半径方向外側の領域に生じる渦を防止することにより、小流量運転時の不安定領域を改善する技術を開示している。
従来、一般に、ポンプの羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙は、ポンプ性能に有意に影響を与えるため、極めて小さく設計されてきた。たとえば、羽根車の半径ｒに対して０．０１ｒ程度の間隙とされる。また、従来、不安定領域の原因は、羽根車への入口付近の流動現象が影響して生じていると考えられていた。そのため、従来技術においては、羽根車の入口近傍において、回転している羽根車との干渉を避けるために、ケーシングの内壁面を凹ませることにより達成されてきた（特許文献１、２、３など参照）。
【０００６】
しかし、少流量運転時に騒音・振動の原因となる不安定領域での流動現象（再循環流やはく離）は、上述の文献に記載された羽根車への入口部や、舌部近傍の半径方向外側の領域以外のケーシング内部で生じることもある。そのため、上述の従来技術では十分な対策とならないことがある。
【０００７】
羽根車の入り口付近や、舌部付近の半径方向外側の領域以外で生じる騒音・振動の原因となる流動現象を説明するために、一例として、国際公開第２００９／０９６２２６号パンフレット（特許文献５）に開示されている流体機械を取り上げる。
【０００８】
本願の発明者らは、国際公開第２００９／０９６２２６号の図１に示されている形式の流体機械（以下「実験機」という）を製作し、実験的に性能特性（Ｑ−Ｈ特性）の確認を行った。
【０００９】
実験機の構成について説明する。図３は、実験機の縦断面図（Ａ）、Ｉ−Ｉ線断面図（Ｂ）、および部分拡大図（Ｃ、Ｄ）である。実験機は、回転形式の流体機械を構成する遠心ポンプ１である。ポンプ１は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心に同心に配置された回転駆動軸２、円形ケーシング３、流入管（吸引管）４および羽根車１０を有する。羽根車１０はケーシング３内に同心状に収容され、ポンプ１の主軸を構成する回転駆動軸２に一体的に連結される。回転駆動軸２は軸受６を貫通し、軸受に回転可能に支承される。回転駆動軸２は、電動モータ等の駆動源（図示せず）に連結される。ケーシング３の前側壁面３１、後側壁面３２および管状内周壁面３３は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心とした円形（円筒形または円柱形）のケーシング内領域（直径Ｄ、厚さＳ）を形成する。ケーシング内領域に配置された羽根車１０の両側（前側および後側）には、液体流路７が形成される。
【００１０】
流入管４は、回転軸線Ｘ−Ｘと同軸にケーシング３に接続される。流入管４には、液体供給管８（破線で示す）が接続される。液体供給管８は、液体供給源（図示せず）と連通する。吐出管５は、ケーシング３に略接線方向に接続される。吐出管５には液体送出管９（破線で示す）が接続される。液体送出管９は、任意の機器または配管系（図示せず）と連通する。
【００１１】
遠心ポンプ１は、回転する羽根車１０の作用により発生する遠心力の作用により、液体供給源の液体（水等）をケーシング３内に吸引する。図３（Ａ）に矢印ａで示すように、液体供給源の液体は、遠心ポンプ１の吸引圧力により各管路４、８を介して液体流路７内に流入する。液体流路７内の液体は、回転する羽根車１０の遠心力の作用で羽根車１０の外周部から外方に放出され、舌部３５により液体流路７から吐出管５の方へ案内される。その後、液体は図３（Ｂ）に矢印ｂで示すように吐出管５に流出して後続の機器または配管系に送出される。
【００１２】
図４、５は、羽根車１０の構造を示す正面図（図４Ａ）、断面図（図４Ｂ）および斜視図（図５）を示す。羽根車１０は、ボス部１３およびバランスホール１４を有する中心部分１１（直径ｄ１の範囲）と、中心部分１１を除く環状外側部分１２（直径ｄ２−ｄ１の範囲）とから構成される。多数の放射溝１５および外縁短溝１６が環状外側部分１２に形成される。放射溝１５は、均一な角度間隔ｋを隔てて配置される。放射溝１５および外縁短溝１６の外端部は、羽根車１０の外周面１８において開口する。図５Ｂには、放射溝１５の断面が示されている。溝１５は、羽根車１０の半径方向に連続的に延びる凹部または窪みからなり、放射状のチャネル流路を羽根車１０の面に形成する。図５Ａ、Ｂに示すように、陸部１７が溝１５の間に形成される。羽根車１０の外縁部では、陸部１７の幅は、溝１５の幅ｗよりも大きい。羽根車１０の外周帯域には、外縁短溝１６が陸部１７に形成される（図４Ａ、５Ａ）。
【００１３】
ボス部１３は、回転駆動軸２に嵌着し、回転駆動軸２に一体的に連結される。連通手段を構成するバランスホール１４は、周方向に等間隔（６０度の角度間隔）を隔てて中心部分１１に形成され、中心部分１１を貫通する。液体が流動する羽根車１０の両側の領域（液体流路７）は、バランスホール１４を介して流体連通する。
【００１４】
多数の放射溝１５は、羽根車１０の中央領域において集合するので、隣接する放射溝１５の境界が失われ、隣接する放射溝１５は一体化する。この結果、多数の放射溝１５は、羽根車の中央領域において環状に連続し、羽根車１０の中心部分１１には、放射溝１５の溝底１５ａと連続するように全体的に羽根車１０の面内に後退した円形または環状の側面１１ａが形成される。すなわち、羽根車１０の中心部分１１に形成された円形または環状の窪みまたは凹所は、放射溝１５の集合であるといえる。
【００１５】
実験機において、放射溝１５および外縁短溝１６は、同一の幅（ｗ）および深さ（ｈ）を有し、羽根車１０の外周帯域において周方向に交互に配置される。実験機の羽根車およびケーシング等の寸法は、以下の通りである。
・中心部分１１の直径ｄ１＝９０ｍｍ
・羽根車１０の直径（外形）ｄ２＝２０２ｍｍ
・放射溝１５のみが形成された領域の直径ｄ３＝１６０ｍｍ
・溝の幅ｗ＝２ｍｍ
・溝の深さｈ＝３ｍｍ
・放射溝１５の本数＝９０本（各側部毎）
・外縁短溝１６の本数＝９０本（各側部毎）
・角度間隔ｋ＝４°
・ケーシングの内側直径＝２０６ｍｍ
・吐出し流路部の最低断面積部の直径＝６ｍｍ
図４Ｂに示すように、羽根車１０は、中心部分１１において均一な厚さ寸法Ｔを有する。環状外側部分１２の厚さは半径方向外側に向かって徐々に減少し、環状外側部分１２の外周縁は最小寸法Ｔ´を有する。このように中心部分１１の厚さを増大することにより、羽根車１０の構造強度および剛性を確保するとともに、軽量化を図っている。
【００１６】
以上の実験機１において、性能特性（Ｑ−Ｈ特性）を確認する実験を行った。図２は、実験機１の回転速度３０００ｍｉｎ−１における、性能特性（Ｑ−Ｈ特性）の実験結果を示している。図２より、本実験機は小流量域で右上がりの特性（破線で囲まれた領域）を有していることが分かる。一般に、図２に示されるような右上がり領域において流体機械を運転した場合、出力曲線と抵抗曲線の相関により様々な不安定状態になることが知られている。このような不安定状態は、流体機械の動作範囲を狭める要因と考えられている。発明者らが製作した実験機１においても、右上り領域（不安定領域）での運転時に騒音・振動が極めて大きくなり、他の領域での運転時によりも騒音・振動が極めて大きくなったことが実験により確認された。
【００１７】
次に、実験機の右上り領域での騒音・振動の原因を解明するために、実験機の運転時における内部流動を、有限体積法を用いた流れ解析技術により可視化した。
図６に、実験機の運転時にける流れを定常流れとしてシミュレーションした結果を示す。図６は、実験機を運転した時の、ケーシング３の内側壁面と羽根車１０との間の間隙における軸方向に直交する断面の流線を示している。図６Ａは、最高効率点流量における運転時の流線を示し、図６Ｂは、最高効率点流量の５０％の流量での運転時の流線を示し、図６Ｃは、最高効率点流量の２５％の流量での運転時の流線を示す。
【００１８】
図６Ａから、最高効率点流量における運転時には、ケーシング内部の全体において渦等の特異な流動状態は生じていないことが分かる。しかし、図６Ｂ、図６Ｃから、流量が小さくなるのにしたがい、羽根車１０の出口近傍における舌部３５の半径方向内側に向かって、渦が徐々に発達していることが分かる。これは、本来であれば、つまり最高効率点付近の運転であれば、舌部３５により吐出し流路へ案内されてポンプ外へ流れていくべき流体がポンプ内に滞留することにより、ケーシング内の流体の流れが乱れて渦が発達したものと考えられる。
【００１９】
図６Ｃは上述の実験において大きな騒音・振動が発生し、Ｑ−Ｈ特性でも右上がりの特性が確認された領域でのシミュレーション結果である。上述のＱ−Ｈ特性を測定する実験、および図６の定常流れのシミュレーション結果から、ケーシングの内側壁面と羽根車との間に生じる渦が小流量運転時に発生する騒音・振動の原因の一因であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特許公報第３８４１３９１号公報
【特許文献２】特許公報第３８６２１３５号公報
【特許文献３】特許公報第３８６２１３７号公報
【特許文献４】特許公報第３７７１７９４号公報
【特許文献５】国際公開第２００９／０９６２２６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
そこで、本発明は、小流量運転時に流体機械のケーシング内で生じていると予測される、好ましくない流動現象を改善し、性能（Ｑ−Ｈ）特性の右上がり不安定領域の低減を図ることを目的とする。また、本発明は、流体機械の運転可能領域を拡大し、また、運転時の振動・騒音を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上述の知見に基づいて、流体機械の小流量運転時に発生する右上がりの不安定領域を改善し、小流量運転時の騒音・振動を抑制し、流体機械の運転範囲を拡大する方策を発明した。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、本発明の流体機械は、回転駆動される羽根車と羽根車を収容するケーシングとを有する。このケーシングは、吐出管へ流体を案内する舌部と、羽根車から軸方向に離間して羽根車に面する少なくとも１つの内側壁面とを備える。羽根車とケーシングの少なくとも１つの内側壁面との間に流体流路が画定される。この流体流路が画定される羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙は、少なくとも一部の領域において１ｍｍ以上である。あるいは、羽車の半径をｒとするとき、羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙は、０．０１ｒ以上である。本実施形態による流体機械はさらに、ケーシングの内側壁面に、渦発生抑制構造を有する。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、流体流路において発生し得る、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、羽根車の半径をｒとした場合、ケーシング中心部から０．３ｒから１．２ｒの領域に設けられる。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、舌部の先端の近傍において、流体流路を画定する内側壁面に設けられる。舌部の先端の近傍とは、渦発生抑制構造が設けられなかった場合に、舌部により吐出し流路へ案内されてポンプ外へ流れていくべき流体がポンプ内に滞留することにより、ケーシング内の流体の流れが乱れて渦が発生すると考えられる場所である。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凹断面形状構造である。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凸断面形状構造である。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向に一致する。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向から傾斜している。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、流体機械のためのケーシングが提供され、このケーシングは、回転駆動される羽根車を収容するように構成される。このケーシングは、吐出管へ流体を案内する舌部と、羽根車がケーシングに収容されたときに、羽根車から軸方向に離間して羽根車に面する、少なくとも１つの内側壁面と、を備える。羽根車がケーシングに収容されたときに、羽根車とケーシングの少なくとも１つの内側壁面との間に流体流路が画定される。ケーシングは、少なくとも１つの内側壁面に渦発生抑制構造を有する。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、流体流路において発生し得る、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、舌部の先端の近傍において、流体流路を画定する内側壁面に設けられる。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凹断面形状構造である。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凸断面形状構造である。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向に一致する。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向から傾斜している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一般的な遠心ポンプの断面図である。
【図２】実験機による遠心ポンプのＱ−Ｈ特性を示すグラフである。
【図３】実験機の構成を示す縦断面図、Ｉ−Ｉ断面図、および部分拡大図である。
【図４】実験機の羽根車の構造を示す正面図および断面図である。
【図５】図４に示す羽根車の斜視図および部分拡大図である。
【図６】羽根車とケーシングとの間の間隙に形成される流れを示すシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による、渦発生抑制構造を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による流体機械のＱ−Ｈ特性を示すグラフである。
【図９】本発明による渦発生抑制構造の他の凹断面形状の例を示す図である。
【図１０】本発明による渦発生抑制構造の配置例を示す図である。
【図１１】本発明による渦発生抑制構造の配置例を示す図である。
【図１２】本発明による渦発生抑制構造の配置例を示す図である。
【図１３】実験機の羽根車とケーシングの前側側壁との間の軸方向の間隙を示す図である。
【図１４】実験機において羽根車とケーシングの前側側壁との間の軸方向の間隙を変化させた場合のＱ―Ｈ特性の測定結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２の実施形態による、渦発生抑制構造を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態による流体機械のＱ−Ｈ特性を示すグラフである。
【図１７】本発明による渦発生抑制構造の他の凸断面形状の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による流体機械の小流量運転時に発生する右上がりの不安定領域を改善する実施形態を説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態を示す。この実施形態において、ケーシング３の前側壁面３１に凹断面形状の渦発生抑制構造５０が設けられる。渦発生抑制構造５０は、舌部３５近傍において、羽根車１０と対面する領域に設けられる。換言すれば、渦発生抑制構造５０は、前述したケーシング内領域（直径Ｄ、厚さＳ、図３参照）の前側側面３１に設けられる。凹断面形状の渦発生抑制構造５０以外の構成は、前述の実験機１と同様であるので説明を省略する。また、図７は、渦発生抑制構造５０の特徴を明瞭にするために、それ以外の部分については省略または簡略化して図示している。なお、渦発生抑制構造５０は、前側側面３１ではなく後側壁面３２に設けてもよく、また、前側側面３１および後側壁面３２の両方に設けてもよい。以下の実施形態の説明においては、前側側面に設けられた渦発生抑制構造について議論するが、同様に後側壁面３２に設けることもできることを理解されたい。
【００３４】
凹断面形状の渦発生抑制構造５０を、ケーシング内領域に設けたのは以下の理由による。 図６に示すシミュレーション結果において、羽根車１０とケーシング３の内壁との間において、舌部３５付近のケーシング内領域に渦が発達していた。これは、本来であれば、つまり最高効率点付近の運転であれば、舌部から吐出し流路へ案内されてポンプ外へ流れていくべき流体がポンプ内に滞留することにより、ケーシング内の流体の流れが乱れて渦が発達したものと考えられる。そこで、本実施形態においては、渦が発達するであろう場所に凹断面形状の渦発生抑制構造５０を設けた。この凹断面形状の渦発生抑制構造５０を渦が発生し得る場所に設けることにより、ケーシング３内の渦流れが拡散され、凹断面形状の渦発生抑制構造５０の側面に流れが当たることで大きな渦の発達が抑制されると考えられる。
【００３５】
本実施形態のケーシング３の前側壁面３１に設けられる凹断面形状の渦発生抑制構造５０の寸法は、幅Ｗ＝８ｍｍ、深さＤ＝５ｍｍ、長手方向長さＬ＝３２ｍｍである。図７の実施形態においては、長手方向はケーシング３の半径方向と一致するように配置される。図６の定常流れ解析で示されるように、渦は、流量の減少に伴ってケーシング３の半径方向内側に発達していくと考えられる。そのため、凹断面形状の渦発生抑制構造５０の長手方向を、ケーシング３の半径方向と一致するように配置することが有利であると考えられる。
【００３６】
図８に、本実施形態を適用した実験機のＱ−Ｈ特性を測定した実験結果を示す。なお、図８の実験結果は、凹断面形状の渦発生抑制構造５０以外については前述の図２の実験結果と同一の条件で行ったものである。図８は、比較のために渦発生抑制構造を設けていない結果（破線）とともに、本実施形態によるＱ−Ｈ特性の実験結果（実線）を示している。図８Ｂは、図８Ａの拡大図であり、渦発生抑制構造５０を設けていない場合に不安定領域が生じた部分を拡大したものである。
【００３７】
図８より、凹断面形状の渦発生抑制構造５０を設けたことにより、小流量運転時の不安定領域の右上り特性が緩和されていることが分かる。また、実験時において、本実施形態の渦発生抑制構造５０を設けることにより、騒音・振動が小さくなったことが確認された。これは、渦が発生し得る場所に凹断面形状構造５０を設けることにより、ケーシング内の渦流れが拡散され、凹部５０の側面に流れが当たることで大きな渦の発達が抑制されるからであると考えられる。
【００３８】
なお、図７の実施形態においては、ケーシング前側壁面３１に矩形の凹断面形状構造５０を設けたが、凹断面形状の渦発生抑制構造５０の形状および寸法を変更してもよい。図９にいくつかの凹断面形状の渦発生抑制構造５０の例を示す。図９Ａは半円形の断面形状であり、図９Ｂは多角形の断面形状であり、図９ＣはＶ形状の断面形状であり、図９Ｄは複数のＶ形状からなる断面形状である。渦発生抑制構造自体もポンプケーシング内においてはポンプ効率低下の遠因となり得るので、小流量域における運転状態において生じる渦の規模（スケール）や強さ（渦度）に応じて渦発生抑制構造を好適に設計することが望ましい。例えば大規模な渦を抑制する場合には、長手方向の寸法を大きくし、流れへの影響が少ない半円形の渦発生抑制構造を採用することが考えられる。また、スケールが大きくなく渦度が大きい渦が生じると予測される場合には、長手方向の寸法を小さくして、Ｖ形状の渦発生抑制構造を採用することが考えられる。これらの例のように、ケーシング内で生じている渦の状態に応じて、ポンプ効率への影響が小さくなるように適切な渦発生抑制機構を採用することが好ましい。
【００３９】
第１の実施形態においては、羽根車１０とケーシング３の前側壁面３１との間において舌部３５付近に発生する渦を抑制するために、渦発生抑制構造５０を舌部３５付近にのみ設けた。図６の流れ解析結果は定常流れとして解析したものであるが、非定常状態であれば、羽根車１０の回転にともない羽根車１０とケーシング３の内側壁面との間の渦は円周方向に移動（揺動）する可能性がある。そのため、ケーシング３の舌部３５付近に発生した渦だけでなく、円周方向に移動した渦の発達を抑制するために、ケーシング３の舌部３５付近だけでなく、円周方向の他の部分にも、単独で、または複数の渦発生抑制構造５０を設けてもよい。図１０は、舌部３５付近から９０°間隔で４つの渦発生抑制構造５０を設けた実施形態を示している。
【００４０】
また、図７に示す実施形態においては、凹断面形状構造５０の長手方向がケーシング３の半径方向に一致しているが、他の例として、渦発生抑制構造５０の長手方向を図１１に示すように半径方向に対して傾斜するように配置することもできる。たとえば、図１１の例においては、渦発生抑制構造５０は、半径方向に対して約６０°傾斜している。このような傾斜した渦発生抑制構造５０は、渦が円周方向および半径方向の両方に移動するような流動状態が発生する場合に効果的であると考えられる。また、半径方向に対して傾斜する渦発生抑制構造５０は、単独で設けても複数設けてもよい。さらに、渦発生抑制構造５０の配置角度を、円周方向位置により変化させてもよい。たとえば、図１２に示す例においては、舌部３５近傍およびその半径方向の反対側では、渦発生抑制構造５０の長手方向がケーシングの半径方向に一致しているが、他の２つの渦発生抑制構造５０の長手方向は、半径方向から約６０°傾斜している。
【００４１】
以上のような渦発生抑制構造の形状、配置、寸法などは、本発明による開示を元に、流体機械の意図している用途、性能、生じる得る流動状態に応じて当業者が適宜選択できるであろう。
【００４２】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。まず、予備実験として、発明者らは、前述の実験機１において、ケーシング３の前側壁面３１と羽根車１０との間の間隙Ｓ１（図１３参照）を、１ｍｍから３ｍｍまで変化させてＱ−Ｈ特性等を確認する実験を行った。その結果を図１４に示す。前述のように、一般に、ケーシング内壁と羽根車との間の間隙の変化は、ポンプ性能に大きな影響を及ぼすために、多くのポンプでは羽根車とケーシングとの間の隙間は、羽根車の半径ｒに対して０．０１ｒ以下で製作される。しかし、本実験機１においては、図１４に示すように、０．０３ｒ程度の隙間でもポンプの性能に変化が見られなかった（国際公開第２００９／０９６２２６号パンフレット、特に段落［００５７］、図１０（Ａ）なども参照されたい）。
【００４３】
そのため、本発明の第２の実施形態において、渦発生抑制構造の構造として、ケーシング前側壁面３１より羽根車１０側へ突出する凸断面形状構造５２を採用することができる。
【００４４】
図１５は、本発明の第２実施形態の一例を示し、渦発生抑制構造として、舌部３５近傍において、ケーシング内領域の前側壁面３１に、凸断面形状の渦発生抑制構造５２を設けている。この凸断面形状構造５２の寸法は、幅Ｗ＝８ｍｍ、高さＨ＝２ｍｍ、長手方向長さＬ＝３２ｍｍである。図１５の例において、凸断面形状構造５２の長手方向長さは、ケーシング３の半径方向と一致するように配置されている。
【００４５】
第２の実施形態によるＱ−Ｈ特性を測定した実験結果を図１６に示す。図１６は、比較のために、渦発生抑制構造を設けていない場合の実験結果（破線）とともに、本実施形態の実験機のＱ−Ｈ特性を測定した実験結果（実線）を示している。図１６Ｂは、図１６Ａの一部拡大図であり、渦発生抑制構造５２を設けていない場合に不安定領域が生じた領域を拡大して示している。図１６から分かるように、凸断面形状の渦発生抑制構造５２を設けたことにより、小流量運転時の不安定領域の右上り特性が緩和されている。また、実験時において、凸断面形状の渦発生抑制構造５２を設けたことにより、騒音・振動が小さくなったことが確認された。これは、渦が発生し得る場所に凸断面形状構造５２を設けることにより、渦流れが発達する前に、凸部５２に流れがぶつかり、渦の発達が抑制されるためであると考えられる。
【００４６】
第１の実施形態による凹断面形状構造５０の実験結果（図８）と、第２の実施形態による凸断面形状構造５２の実験結果（図１６）を比較すると、渦発生抑制構造として、凸断面形状構造５２を採用した方が、右上り特性を抑制する効果が高いことが伺える。これは、以下の理由によるものと推察される。凹形状の渦発生抑制構造においては、渦が有する角運動量に対して相対的に旋回すべき流体量が増すために周方向速度が低減して渦の拡散を助長する。一方、凸形状の渦発生抑制構造においては、渦が通過する時に突起物が障害物となるため慣性抵抗が生じ、渦の旋回方向速度成分の動圧低減となる。凹形状における流体量増大による旋回速度低減による渦の拡散効果より、凸形状の障害物設置による直接的な動圧低減の方が渦の拡散効果がより高いと推察される。
【００４７】
図１５に示す第２の実施形態による凸断面形状構造５２は、一例であり、流体機械の意図する用途、寸法、想定される流動状態に応じて、その形状および寸法を変更してもよい。図１７は、凸断面形状構造５２のいくつかの例を示している。図１７Ａは半円形の断面形状を示し、図１７Ｂは多角形の断面形状を示し、図１７ＣはＶ字状の突起の断面形状を示し、図１７Ｄは複数のＶ字状の突起の断面形状を示している。また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、凸断面形状構造の数、位置、角度等を変更してもよい。
【００４８】
以上のように本願発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。また、上述の実施形態のそれぞれの特徴は互いに組み合わせまたは交換することができる。たとえば、凹断面形状の渦発生抑制構造の配置を、凸断面形状の渦発生抑制構造に適用することができる。また、複数の渦発生抑制構造を採用する場合に、一部において凸断面形状の渦発生抑制構造を採用し、他の部分に凹断面形状の渦発生抑制構造を採用するようにしてもよい。たとえば、渦の発生しやすい舌部付近においては、より渦発生抑制効果の高い凸断面形状の渦発生抑制構造を採用し、他の場所では凹断面形状の渦発生抑制構造を設けるようにしてもよい。また、複数の渦発生抑制構造を採用する場合に、配置場所によって、断面形状を変更してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
３ ケーシング
５ 吐出管
７ 流体流路（メリディアン流路断面）
１０ 羽根車
３１ 前側壁面
３２ 後側壁面
３５ 舌部
Ｓ１ 軸方向の間隙
５０ 渦発生抑制構造
５２ 渦発生抑制構造
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体機械に関し、特に、少流量運転を行った場合に運転中に羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙に発生する、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するための渦発生抑制構造を備える流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は、一般的な流体機械の一例である遠心ポンプ１００の断面図を示している。流体はケーシング１０２の中心部に位置する吸込口１０４から入る。その後、流体は、ケーシング内部で回転運動する羽根車１０６により加速され、舌部１０８によりケーシング１０２から吐出し口１１０の方向へ案内される。吐出し口１１０の方向へ案内された流体は、吐出し流路１１２で減速（昇圧）されて、吐出し口１１０から高圧状態で流出する。
【０００３】
しばしば、遠心ポンプのような流体機械において少流量運転を行った場合、ポンプから騒音・振動が発生する現象が生じることがある。これは、一例として図２に示すような、ポンプのいわゆるＱ−Ｈ特性（静特性）において、小流量範囲において見られる右上がりの不安定領域（図２の破線で囲まれた領域）と呼ばれる部分で流体機械を運転した場合に生じる。図２のグラフにおいて、Ｑは流体機械の流量（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｈは揚程（ｍ）を示す。このような不安定領域で運転した場合に生じる騒音・振動を回避する方策として、従来はポンプの定格運転範囲の下限を上げ、この下限より大きな流量で運転をするようにしてきた。
【０００４】
ポンプに発生する不安定領域を改善する技術として、ポンプの少流量運転時の不安定領域において羽根車への入口部に生じる再循環流を抑制することにより、旋回失速等を抑制し、不安定領域を改善させるものがある（特許文献１）。また、特許文献２、３においても不安定領域を改善する技術が開示されている。これらの従来技術は、いずれも羽根車への入口付近においてケーシングに各種の手段を講じることにより、ポンプの不安定動作を改善するものである。
【０００５】
また、特許文献４は、ケーシング内の舌部近傍の半径方向外側の領域に生じる渦を防止することにより、小流量運転時の不安定領域を改善する技術を開示している。
従来、一般に、ポンプの羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙は、ポンプ性能に有意に影響を与えるため、極めて小さく設計されてきた。たとえば、羽根車の半径ｒに対して０．０１ｒ程度の間隙とされる。また、従来、不安定領域の原因は、羽根車への入口付近の流動現象が影響して生じていると考えられていた。そのため、従来技術においては、羽根車の入口近傍において、回転している羽根車との干渉を避けるために、ケーシングの内壁面を凹ませることにより達成されてきた（特許文献１、２、３など参照）。
【０００６】
しかし、少流量運転時に騒音・振動の原因となる不安定領域での流動現象（再循環流やはく離）は、上述の文献に記載された羽根車への入口部や、舌部近傍の半径方向外側の領域以外のケーシング内部で生じることもある。そのため、上述の従来技術では十分な対策とならないことがある。
【０００７】
羽根車の入り口付近や、舌部付近の半径方向外側の領域以外で生じる騒音・振動の原因となる流動現象を説明するために、一例として、国際公開第２００９／０９６２２６号パンフレット（特許文献５）に開示されている流体機械を取り上げる。
【０００８】
本願の発明者らは、国際公開第２００９／０９６２２６号の図１に示されている形式の流体機械（以下「実験機」という）を製作し、実験的に性能特性（Ｑ−Ｈ特性）の確認を行った。
【０００９】
実験機の構成について説明する。図３は、実験機の縦断面図（Ａ）、Ｉ−Ｉ線断面図（Ｂ）、および部分拡大図（Ｃ、Ｄ）である。実験機は、回転形式の流体機械を構成する遠心ポンプ１である。ポンプ１は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心に同心に配置された回転駆動軸２、円形ケーシング３、流入管（吸引管）４および羽根車１０を有する。羽根車１０はケーシング３内に同心状に収容され、ポンプ１の主軸を構成する回転駆動軸２に一体的に連結される。回転駆動軸２は軸受６を貫通し、軸受に回転可能に支承される。回転駆動軸２は、電動モータ等の駆動源（図示せず）に連結される。ケーシング３の前側壁面３１、後側壁面３２および管状内周壁面３３は、回転軸線Ｘ−Ｘを中心とした円形（円筒形または円柱形）のケーシング内領域（直径Ｄ、厚さＳ）を形成する。ケーシング内領域に配置された羽根車１０の両側（前側および後側）には、液体流路７が形成される。
【００１０】
流入管４は、回転軸線Ｘ−Ｘと同軸にケーシング３に接続される。流入管４には、液体供給管８（破線で示す）が接続される。液体供給管８は、液体供給源（図示せず）と連通する。吐出管５は、ケーシング３に略接線方向に接続される。吐出管５には液体送出管９（破線で示す）が接続される。液体送出管９は、任意の機器または配管系（図示せず）と連通する。
【００１１】
遠心ポンプ１は、回転する羽根車１０の作用により発生する遠心力の作用により、液体供給源の液体（水等）をケーシング３内に吸引する。図３（Ａ）に矢印ａで示すように、液体供給源の液体は、遠心ポンプ１の吸引圧力により各管路４、８を介して液体流路７内に流入する。液体流路７内の液体は、回転する羽根車１０の遠心力の作用で羽根車１０の外周部から外方に放出され、舌部３５により液体流路７から吐出管５の方へ案内される。その後、液体は図３（Ｂ）に矢印ｂで示すように吐出管５に流出して後続の機器または配管系に送出される。
【００１２】
図４、５は、羽根車１０の構造を示す正面図（図４Ａ）、断面図（図４Ｂ）および斜視図（図５）を示す。羽根車１０は、ボス部１３およびバランスホール１４を有する中心部分１１（直径ｄ１の範囲）と、中心部分１１を除く環状外側部分１２（直径ｄ２−ｄ１の範囲）とから構成される。多数の放射溝１５および外縁短溝１６が環状外側部分１２に形成される。放射溝１５は、均一な角度間隔ｋを隔てて配置される。放射溝１５および外縁短溝１６の外端部は、羽根車１０の外周面１８において開口する。図５Ｂには、放射溝１５の断面が示されている。溝１５は、羽根車１０の半径方向に連続的に延びる凹部または窪みからなり、放射状のチャネル流路を羽根車１０の面に形成する。図５Ａ、Ｂに示すように、陸部１７が溝１５の間に形成される。羽根車１０の外縁部では、陸部１７の幅は、溝１５の幅ｗよりも大きい。羽根車１０の外周帯域には、外縁短溝１６が陸部１７に形成される（図４Ａ、５Ａ）。
【００１３】
ボス部１３は、回転駆動軸２に嵌着し、回転駆動軸２に一体的に連結される。連通手段を構成するバランスホール１４は、周方向に等間隔（６０度の角度間隔）を隔てて中心部分１１に形成され、中心部分１１を貫通する。液体が流動する羽根車１０の両側の領域（液体流路７）は、バランスホール１４を介して流体連通する。
【００１４】
多数の放射溝１５は、羽根車１０の中央領域において集合するので、隣接する放射溝１５の境界が失われ、隣接する放射溝１５は一体化する。この結果、多数の放射溝１５は、羽根車の中央領域において環状に連続し、羽根車１０の中心部分１１には、放射溝１５の溝底１５ａと連続するように全体的に羽根車１０の面内に後退した円形または環状の側面１１ａが形成される。すなわち、羽根車１０の中心部分１１に形成された円形または環状の窪みまたは凹所は、放射溝１５の集合であるといえる。
【００１５】
実験機において、放射溝１５および外縁短溝１６は、同一の幅（ｗ）および深さ（ｈ）を有し、羽根車１０の外周帯域において周方向に交互に配置される。実験機の羽根車およびケーシング等の寸法は、以下の通りである。
・中心部分１１の直径ｄ１＝９０ｍｍ
・羽根車１０の直径（外形）ｄ２＝２０２ｍｍ
・放射溝１５のみが形成された領域の直径ｄ３＝１６０ｍｍ
・溝の幅ｗ＝２ｍｍ
・溝の深さｈ＝３ｍｍ
・放射溝１５の本数＝９０本（各側部毎）
・外縁短溝１６の本数＝９０本（各側部毎）
・角度間隔ｋ＝４°
・ケーシングの内側直径＝２０６ｍｍ
・吐出し流路部の最低断面積部の直径＝６ｍｍ
図４Ｂに示すように、羽根車１０は、中心部分１１において均一な厚さ寸法Ｔを有する。環状外側部分１２の厚さは半径方向外側に向かって徐々に減少し、環状外側部分１２の外周縁は最小寸法Ｔ´を有する。このように中心部分１１の厚さを増大することにより、羽根車１０の構造強度および剛性を確保するとともに、軽量化を図っている。
【００１６】
以上の実験機１において、性能特性（Ｑ−Ｈ特性）を確認する実験を行った。図２は、実験機１の回転速度３０００ｍｉｎ−１における、性能特性（Ｑ−Ｈ特性）の実験結果を示している。図２より、本実験機は小流量域で右上がりの特性（破線で囲まれた領域）を有していることが分かる。一般に、図２に示されるような右上がり領域において流体機械を運転した場合、出力曲線と抵抗曲線の相関により様々な不安定状態になることが知られている。このような不安定状態は、流体機械の動作範囲を狭める要因と考えられている。発明者らが製作した実験機１においても、右上り領域（不安定領域）での運転時に騒音・振動が極めて大きくなり、他の領域での運転時によりも騒音・振動が極めて大きくなったことが実験により確認された。
【００１７】
次に、実験機の右上り領域での騒音・振動の原因を解明するために、実験機の運転時における内部流動を、有限体積法を用いた流れ解析技術により可視化した。
図６に、実験機の運転時にける流れを定常流れとしてシミュレーションした結果を示す。図６は、実験機を運転した時の、ケーシング３の内側壁面と羽根車１０との間の間隙における軸方向に直交する断面の流線を示している。図６Ａは、最高効率点流量における運転時の流線を示し、図６Ｂは、最高効率点流量の５０％の流量での運転時の流線を示し、図６Ｃは、最高効率点流量の２５％の流量での運転時の流線を示す。
【００１８】
図６Ａから、最高効率点流量における運転時には、ケーシング内部の全体において渦等の特異な流動状態は生じていないことが分かる。しかし、図６Ｂ、図６Ｃから、流量が小さくなるのにしたがい、羽根車１０の出口近傍における舌部３５の半径方向内側に向かって、渦が徐々に発達していることが分かる。これは、本来であれば、つまり最高効率点付近の運転であれば、舌部３５により吐出し流路へ案内されてポンプ外へ流れていくべき流体がポンプ内に滞留することにより、ケーシング内の流体の流れが乱れて渦が発達したものと考えられる。
【００１９】
図６Ｃは上述の実験において大きな騒音・振動が発生し、Ｑ−Ｈ特性でも右上がりの特性が確認された領域でのシミュレーション結果である。上述のＱ−Ｈ特性を測定する実験、および図６の定常流れのシミュレーション結果から、ケーシングの内側壁面と羽根車との間に生じる渦が小流量運転時に発生する騒音・振動の原因の一因であると考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】特許公報第３８４１３９１号公報
【特許文献２】特許公報第３８６２１３５号公報
【特許文献３】特許公報第３８６２１３７号公報
【特許文献４】特許公報第３７７１７９４号公報
【特許文献５】国際公開第２００９／０９６２２６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
そこで、本発明は、小流量運転時に流体機械のケーシング内で生じていると予測される、好ましくない流動現象を改善し、性能（Ｑ−Ｈ）特性の右上がり不安定領域の低減を図ることを目的とする。また、本発明は、流体機械の運転可能領域を拡大し、また、運転時の振動・騒音を低減させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明者らは、上述の知見に基づいて、流体機械の小流量運転時に発生する右上がりの不安定領域を改善し、小流量運転時の騒音・振動を抑制し、流体機械の運転範囲を拡大する方策を発明した。
【００２３】
本発明の一実施形態によれば、本発明の流体機械は、回転駆動される羽根車と羽根車を収容するケーシングとを有する。このケーシングは、吐出管へ流体を案内する舌部と、羽根車から軸方向に離間して羽根車に面する少なくとも１つの内側壁面とを備える。羽根車とケーシングの少なくとも１つの内側壁面との間に流体流路が画定される。この流体流路が画定される羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙は、少なくとも一部の領域において１ｍｍ以上である。あるいは、羽車の半径をｒとするとき、羽根車とケーシングの内側壁面との間の軸方向の間隙は、０．０１ｒ以上である。本実施形態による流体機械はさらに、ケーシングの内側壁面に、渦発生抑制構造を有する。
【００２４】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、流体流路において発生し得る、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、羽根車の半径をｒとした場合、ケーシング中心部から０．３ｒから１．２ｒの領域に設けられる。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、舌部の先端の近傍において、流体流路を画定する内側壁面に設けられる。舌部の先端の近傍とは、渦発生抑制構造が設けられなかった場合に、舌部により吐出し流路へ案内されてポンプ外へ流れていくべき流体がポンプ内に滞留することにより、ケーシング内の流体の流れが乱れて渦が発生すると考えられる場所である。
【００２６】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凹断面形状構造である。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凸断面形状構造である。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向に一致する。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向から傾斜している。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、流体機械のためのケーシングが提供され、このケーシングは、回転駆動される羽根車を収容するように構成される。このケーシングは、吐出管へ流体を案内する舌部と、羽根車がケーシングに収容されたときに、羽根車から軸方向に離間して羽根車に面する、少なくとも１つの内側壁面と、を備える。羽根車がケーシングに収容されたときに、羽根車とケーシングの少なくとも１つの内側壁面との間に流体流路が画定される。ケーシングは、少なくとも１つの内側壁面に渦発生抑制構造を有する。
【００２９】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、流体流路において発生し得る、流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、舌部の先端の近傍において、流体流路を画定する内側壁面に設けられる。
【００３０】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凹断面形状構造である。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は、ケーシングの内側壁面に形成される凸断面形状構造である。
【００３１】
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向に一致する。
本発明の好ましい実施形態によれば、渦発生抑制構造は長手方向寸法を備え、渦発生抑制構造の長手方向は、ケーシングの半径方向から傾斜している。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一般的な遠心ポンプの断面図である。
【図２】実験機による遠心ポンプのＱ−Ｈ特性を示すグラフである。
【図３】実験機の構成を示す縦断面図、Ｉ−Ｉ断面図、および部分拡大図である。
【図４】実験機の羽根車の構造を示す正面図および断面図である。
【図５】図４に示す羽根車の斜視図および部分拡大図である。
【図６】羽根車とケーシングとの間の間隙に形成される流れを示すシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態による、渦発生抑制構造を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施形態による流体機械のＱ−Ｈ特性を示すグラフである。
【図９】本発明による渦発生抑制構造の他の凹断面形状の例を示す図である。
【図１０】本発明による渦発生抑制構造の配置例を示す図である。
【図１１】本発明による渦発生抑制構造の配置例を示す図である。
【図１２】本発明による渦発生抑制構造の配置例を示す図である。
【図１３】実験機の羽根車とケーシングの前側側壁との間の軸方向の間隙を示す図である。
【図１４】実験機において羽根車とケーシングの前側側壁との間の軸方向の間隙を変化させた場合のＱ―Ｈ特性の測定結果を示すグラフである。
【図１５】本発明の第２の実施形態による、渦発生抑制構造を示す図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態による流体機械のＱ−Ｈ特性を示すグラフである。
【図１７】本発明による渦発生抑制構造の他の凸断面形状の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付の図面を参照しながら、本発明による流体機械の小流量運転時に発生する右上がりの不安定領域を改善する実施形態を説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態を示す。この実施形態において、ケーシング３の前側壁面３１に凹断面形状の渦発生抑制構造５０が設けられる。渦発生抑制構造５０は、舌部３５近傍において、羽根車１０と対面する領域に設けられる。換言すれば、渦発生抑制構造５０は、前述したケーシング内領域（直径Ｄ、厚さＳ、図３参照）の前側側面３１に設けられる。凹断面形状の渦発生抑制構造５０以外の構成は、前述の実験機１と同様であるので説明を省略する。また、図７は、渦発生抑制構造５０の特徴を明瞭にするために、それ以外の部分については省略または簡略化して図示している。なお、渦発生抑制構造５０は、前側側面３１ではなく後側壁面３２に設けてもよく、また、前側側面３１および後側壁面３２の両方に設けてもよい。以下の実施形態の説明においては、前側側面に設けられた渦発生抑制構造について議論するが、同様に後側壁面３２に設けることもできることを理解されたい。
【００３４】
凹断面形状の渦発生抑制構造５０を、ケーシング内領域に設けたのは以下の理由による。 図６に示すシミュレーション結果において、羽根車１０とケーシング３の内壁との間において、舌部３５付近のケーシング内領域に渦が発達していた。これは、本来であれば、つまり最高効率点付近の運転であれば、舌部から吐出し流路へ案内されてポンプ外へ流れていくべき流体がポンプ内に滞留することにより、ケーシング内の流体の流れが乱れて渦が発達したものと考えられる。そこで、本実施形態においては、渦が発達するであろう場所に凹断面形状の渦発生抑制構造５０を設けた。この凹断面形状の渦発生抑制構造５０を渦が発生し得る場所に設けることにより、ケーシング３内の渦流れが拡散され、凹断面形状の渦発生抑制構造５０の側面に流れが当たることで大きな渦の発達が抑制されると考えられる。
【００３５】
本実施形態のケーシング３の前側壁面３１に設けられる凹断面形状の渦発生抑制構造５０の寸法は、幅Ｗ＝８ｍｍ、深さＤ＝５ｍｍ、長手方向長さＬ＝３２ｍｍである。図７の実施形態においては、長手方向はケーシング３の半径方向と一致するように配置される。図６の定常流れ解析で示されるように、渦は、流量の減少に伴ってケーシング３の半径方向内側に発達していくと考えられる。そのため、凹断面形状の渦発生抑制構造５０の長手方向を、ケーシング３の半径方向と一致するように配置することが有利であると考えられる。
【００３６】
図８に、本実施形態を適用した実験機のＱ−Ｈ特性を測定した実験結果を示す。なお、図８の実験結果は、凹断面形状の渦発生抑制構造５０以外については前述の図２の実験結果と同一の条件で行ったものである。図８は、比較のために渦発生抑制構造を設けていない結果（破線）とともに、本実施形態によるＱ−Ｈ特性の実験結果（実線）を示している。図８Ｂは、図８Ａの拡大図であり、渦発生抑制構造５０を設けていない場合に不安定領域が生じた部分を拡大したものである。
【００３７】
図８より、凹断面形状の渦発生抑制構造５０を設けたことにより、小流量運転時の不安定領域の右上り特性が緩和されていることが分かる。また、実験時において、本実施形態の渦発生抑制構造５０を設けることにより、騒音・振動が小さくなったことが確認された。これは、渦が発生し得る場所に凹断面形状構造５０を設けることにより、ケーシング内の渦流れが拡散され、凹部５０の側面に流れが当たることで大きな渦の発達が抑制されるからであると考えられる。
【００３８】
なお、図７の実施形態においては、ケーシング前側壁面３１に矩形の凹断面形状構造５０を設けたが、凹断面形状の渦発生抑制構造５０の形状および寸法を変更してもよい。図９にいくつかの凹断面形状の渦発生抑制構造５０の例を示す。図９Ａは半円形の断面形状であり、図９Ｂは多角形の断面形状であり、図９ＣはＶ形状の断面形状であり、図９Ｄは複数のＶ形状からなる断面形状である。渦発生抑制構造自体もポンプケーシング内においてはポンプ効率低下の遠因となり得るので、小流量域における運転状態において生じる渦の規模（スケール）や強さ（渦度）に応じて渦発生抑制構造を好適に設計することが望ましい。例えば大規模な渦を抑制する場合には、長手方向の寸法を大きくし、流れへの影響が少ない半円形の渦発生抑制構造を採用することが考えられる。また、スケールが大きくなく渦度が大きい渦が生じると予測される場合には、長手方向の寸法を小さくして、Ｖ形状の渦発生抑制構造を採用することが考えられる。これらの例のように、ケーシング内で生じている渦の状態に応じて、ポンプ効率への影響が小さくなるように適切な渦発生抑制機構を採用することが好ましい。
【００３９】
第１の実施形態においては、羽根車１０とケーシング３の前側壁面３１との間において舌部３５付近に発生する渦を抑制するために、渦発生抑制構造５０を舌部３５付近にのみ設けた。図６の流れ解析結果は定常流れとして解析したものであるが、非定常状態であれば、羽根車１０の回転にともない羽根車１０とケーシング３の内側壁面との間の渦は円周方向に移動（揺動）する可能性がある。そのため、ケーシング３の舌部３５付近に発生した渦だけでなく、円周方向に移動した渦の発達を抑制するために、ケーシング３の舌部３５付近だけでなく、円周方向の他の部分にも、単独で、または複数の渦発生抑制構造５０を設けてもよい。図１０は、舌部３５付近から９０°間隔で４つの渦発生抑制構造５０を設けた実施形態を示している。
【００４０】
また、図７に示す実施形態においては、凹断面形状構造５０の長手方向がケーシング３の半径方向に一致しているが、他の例として、渦発生抑制構造５０の長手方向を図１１に示すように半径方向に対して傾斜するように配置することもできる。たとえば、図１１の例においては、渦発生抑制構造５０は、半径方向に対して約６０°傾斜している。このような傾斜した渦発生抑制構造５０は、渦が円周方向および半径方向の両方に移動するような流動状態が発生する場合に効果的であると考えられる。また、半径方向に対して傾斜する渦発生抑制構造５０は、単独で設けても複数設けてもよい。さらに、渦発生抑制構造５０の配置角度を、円周方向位置により変化させてもよい。たとえば、図１２に示す例においては、舌部３５近傍およびその半径方向の反対側では、渦発生抑制構造５０の長手方向がケーシングの半径方向に一致しているが、他の２つの渦発生抑制構造５０の長手方向は、半径方向から約６０°傾斜している。
【００４１】
以上のような渦発生抑制構造の形状、配置、寸法などは、本発明による開示を元に、流体機械の意図している用途、性能、生じる得る流動状態に応じて当業者が適宜選択できるであろう。
【００４２】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。まず、予備実験として、発明者らは、前述の実験機１において、ケーシング３の前側壁面３１と羽根車１０との間の間隙Ｓ１（図１３参照）を、１ｍｍから３ｍｍまで変化させてＱ−Ｈ特性等を確認する実験を行った。その結果を図１４に示す。前述のように、一般に、ケーシング内壁と羽根車との間の間隙の変化は、ポンプ性能に大きな影響を及ぼすために、多くのポンプでは羽根車とケーシングとの間の隙間は、羽根車の半径ｒに対して０．０１ｒ以下で製作される。しかし、本実験機１においては、図１４に示すように、０．０３ｒ程度の隙間でもポンプの性能に変化が見られなかった（国際公開第２００９／０９６２２６号パンフレット、特に段落［００５７］、図１０（Ａ）なども参照されたい）。
【００４３】
そのため、本発明の第２の実施形態において、渦発生抑制構造の構造として、ケーシング前側壁面３１より羽根車１０側へ突出する凸断面形状構造５２を採用することができる。
【００４４】
図１５は、本発明の第２実施形態の一例を示し、渦発生抑制構造として、舌部３５近傍において、ケーシング内領域の前側壁面３１に、凸断面形状の渦発生抑制構造５２を設けている。この凸断面形状構造５２の寸法は、幅Ｗ＝８ｍｍ、高さＨ＝２ｍｍ、長手方向長さＬ＝３２ｍｍである。図１５の例において、凸断面形状構造５２の長手方向長さは、ケーシング３の半径方向と一致するように配置されている。
【００４５】
第２の実施形態によるＱ−Ｈ特性を測定した実験結果を図１６に示す。図１６は、比較のために、渦発生抑制構造を設けていない場合の実験結果（破線）とともに、本実施形態の実験機のＱ−Ｈ特性を測定した実験結果（実線）を示している。図１６Ｂは、図１６Ａの一部拡大図であり、渦発生抑制構造５２を設けていない場合に不安定領域が生じた領域を拡大して示している。図１６から分かるように、凸断面形状の渦発生抑制構造５２を設けたことにより、小流量運転時の不安定領域の右上り特性が緩和されている。また、実験時において、凸断面形状の渦発生抑制構造５２を設けたことにより、騒音・振動が小さくなったことが確認された。これは、渦が発生し得る場所に凸断面形状構造５２を設けることにより、渦流れが発達する前に、凸部５２に流れがぶつかり、渦の発達が抑制されるためであると考えられる。
【００４６】
第１の実施形態による凹断面形状構造５０の実験結果（図８）と、第２の実施形態による凸断面形状構造５２の実験結果（図１６）を比較すると、渦発生抑制構造として、凸断面形状構造５２を採用した方が、右上り特性を抑制する効果が高いことが伺える。これは、以下の理由によるものと推察される。凹形状の渦発生抑制構造においては、渦が有する角運動量に対して相対的に旋回すべき流体量が増すために周方向速度が低減して渦の拡散を助長する。一方、凸形状の渦発生抑制構造においては、渦が通過する時に突起物が障害物となるため慣性抵抗が生じ、渦の旋回方向速度成分の動圧低減となる。凹形状における流体量増大による旋回速度低減による渦の拡散効果より、凸形状の障害物設置による直接的な動圧低減の方が渦の拡散効果がより高いと推察される。
【００４７】
図１５に示す第２の実施形態による凸断面形状構造５２は、一例であり、流体機械の意図する用途、寸法、想定される流動状態に応じて、その形状および寸法を変更してもよい。図１７は、凸断面形状構造５２のいくつかの例を示している。図１７Ａは半円形の断面形状を示し、図１７Ｂは多角形の断面形状を示し、図１７ＣはＶ字状の突起の断面形状を示し、図１７Ｄは複数のＶ字状の突起の断面形状を示している。また、本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、凸断面形状構造の数、位置、角度等を変更してもよい。
【００４８】
以上のように本願発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。また、上述の実施形態のそれぞれの特徴は互いに組み合わせまたは交換することができる。たとえば、凹断面形状の渦発生抑制構造の配置を、凸断面形状の渦発生抑制構造に適用することができる。また、複数の渦発生抑制構造を採用する場合に、一部において凸断面形状の渦発生抑制構造を採用し、他の部分に凹断面形状の渦発生抑制構造を採用するようにしてもよい。たとえば、渦の発生しやすい舌部付近においては、より渦発生抑制効果の高い凸断面形状の渦発生抑制構造を採用し、他の場所では凹断面形状の渦発生抑制構造を設けるようにしてもよい。また、複数の渦発生抑制構造を採用する場合に、配置場所によって、断面形状を変更してもよい。
【符号の説明】
【００４９】
３ ケーシング
５ 吐出管
７ 流体流路（メリディアン流路断面）
１０ 羽根車
３１ 前側壁面
３２ 後側壁面
３５ 舌部
Ｓ１ 軸方向の間隙
５０ 渦発生抑制構造
５２ 渦発生抑制構造
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動される羽根車（１０）と、
前記羽根車（１０）を収容するケーシング（３）と、を有する流体機械であって、
前記ケーシング（３）は、吐出管（５）へ流体を案内する舌部（３５）と、前記羽根車（１０）から軸方向に離間して前記羽根車（１０）に面する、少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）とを備え、前記羽根車（１０）と前記ケーシング（３）の前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）との間に流体流路（７）が画定され、
前記流体機械はさらに、前記ケーシング（３）の前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）に、渦発生抑制構造（５０、５２）を有する、流体機械。
【請求項２】
請求項１に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記流体流路（７）において発生し得る、前記流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである、流体機械。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記羽根車（１０）の半径をｒとした場合、前記ケーシング（３）の中心部から０．３ｒから１．２ｒの領域に設けられる、流体機械。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記舌部（３５）の先端の近傍において、前記流体流路（７）を画定する前記内側壁面（３１、３２）に設けられる、流体機械。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凹断面形状構造（５０）である、流体機械。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凸断面形状構造（５２）である、流体機械。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向に一致する、流体機械。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向から傾斜している、流体機械。
【請求項９】
流体機械のためのケーシング（３）であって、
前記ケーシング（３）は、回転駆動される羽根車（１０）を収容するように構成され、
前記ケーシング（３）は、吐出管（５）へ流体を案内する舌部（３５）と、前記羽根車（１０）が前記ケーシング（３）に収容されたときに、前記羽根車（１０）から軸方向に離間して前記羽根車（１０）に面する、少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）と、を備え、
前記羽根車（１０）が前記ケーシング（３）に収容されたときに、前記羽根車（１０）と前記ケーシング（３）の前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）との間に流体流路（７）が画定され、
前記ケーシング（３）は、前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）に渦発生抑制構造（５０、５２）を有する、ケーシング。
【請求項１０】
請求項９に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記流体流路（７）において発生し得る、前記流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである、ケーシング。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記舌部（３５）の先端の近傍において、前記流体流路（７）を画定する前記内側壁面（３１、３２）に設けられる、ケーシング機械。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凹断面形状構造（５０）である、ケーシング。
【請求項１３】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凸断面形状構造（５２）である、ケーシング。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向に一致する、ケーシング。
【請求項１５】
請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向から傾斜している、ケーシング。
【請求項１】
回転駆動される羽根車（１０）と、
前記羽根車（１０）を収容するケーシング（３）と、を有する流体機械であって、
前記ケーシング（３）は、吐出管（５）へ流体を案内する舌部（３５）と、前記羽根車（１０）から軸方向に離間して前記羽根車（１０）に面する、少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）とを備え、前記羽根車（１０）と前記ケーシング（３）の前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）との間に流体流路（７）が画定され、
前記流体機械はさらに、前記ケーシング（３）の前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）に、渦発生抑制構造（５０、５２）を有する、流体機械。
【請求項２】
請求項１に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記流体流路（７）において発生し得る、前記流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである、流体機械。
【請求項３】
請求項１または２に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記羽根車（１０）の半径をｒとした場合、前記ケーシング（３）の中心部から０．３ｒから１．２ｒの領域に設けられる、流体機械。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記舌部（３５）の先端の近傍において、前記流体流路（７）を画定する前記内側壁面（３１、３２）に設けられる、流体機械。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凹断面形状構造（５０）である、流体機械。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凸断面形状構造（５２）である、流体機械。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向に一致する、流体機械。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の流体機械であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向から傾斜している、流体機械。
【請求項９】
流体機械のためのケーシング（３）であって、
前記ケーシング（３）は、回転駆動される羽根車（１０）を収容するように構成され、
前記ケーシング（３）は、吐出管（５）へ流体を案内する舌部（３５）と、前記羽根車（１０）が前記ケーシング（３）に収容されたときに、前記羽根車（１０）から軸方向に離間して前記羽根車（１０）に面する、少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）と、を備え、
前記羽根車（１０）が前記ケーシング（３）に収容されたときに、前記羽根車（１０）と前記ケーシング（３）の前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）との間に流体流路（７）が画定され、
前記ケーシング（３）は、前記少なくとも１つの内側壁面（３１、３２）に渦発生抑制構造（５０、５２）を有する、ケーシング。
【請求項１０】
請求項９に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記流体流路（７）において発生し得る、前記流体機械の不安定動作を引き起こす渦の発生を抑制するためのものである、ケーシング。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記舌部（３５）の先端の近傍において、前記流体流路（７）を画定する前記内側壁面（３１、３２）に設けられる、ケーシング機械。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凹断面形状構造（５０）である、ケーシング。
【請求項１３】
請求項９乃至１１のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は、前記ケーシング（３）の前記内側壁面（３１、３２）に形成される凸断面形状構造（５２）である、ケーシング。
【請求項１４】
請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向に一致する、ケーシング。
【請求項１５】
請求項９乃至１３のいずれか一項に記載のケーシング（３）であって、
前記渦発生抑制構造（５０、５２）は長手方向寸法を備え、前記渦発生抑制構造（５０、５２）の長手方向は、前記ケーシング（３）の半径方向から傾斜している、ケーシング。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−３２７１５（Ｐ２０１３−３２７１５Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６８２４０（Ｐ２０１１−１６８２４０）
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月１日（２０１１．８．１）
【出願人】（００００００２３９）株式会社荏原製作所 (1,477)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]