(57)【要約】【課題】広い作動範囲を確保しつつ、部分負荷効率を向上させることが可能な流体機械を提供する。【解決手段】流体機械１００は、ケーシング１と、ケーシング１内に配置されており、回転することで流体にエネルギを付与する羽根車２と、羽根車２が取り付けられている回転軸３とを備える。また、流体機械１００は、回転軸３を回転駆動させる駆動装置４と、ケーシング１内を流れる流体の流量が所定の目標流量となるように、回転軸３の回転速度を制御する制御装置とを備える。ケーシング１内には、羽根車２の周囲から上流側の吸入流路１３へ接続するシュラウド壁面１２が形成されている。流体機械１００には、シュラウド壁面１２における羽根車２と対向する部位と羽根車２の設置位置よりも上流側の部位とを繋ぐ循環流路部８が設けられている。【選択図】図１
2019011688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、
前記ケーシング内に配置されており、回転することで流体にエネルギを付与する羽根車と、
前記羽根車が取り付けられている回転軸と、
前記回転軸を回転駆動させる駆動装置と、
前記ケーシング内を流れる流体の流量が所定の目標流量となるように、前記回転軸の回転速度を制御する制御装置と、を備え、
前記ケーシング内には、前記羽根車の周囲から上流側の吸入流路へ接続するシュラウド壁面が形成されており、
前記シュラウド壁面における前記羽根車と対向する部位と前記羽根車の設置位置よりも上流側の部位とを繋ぐ循環流路部が設けられていることを特徴とする流体機械。
【請求項２】
前記循環流路部は、前記羽根車と対向する前記シュラウド壁面に設けられた第１の開口部と、前記羽根車の設置位置よりも上流側の前記シュラウド壁面に設けられた第２の開口部と、前記第１の開口部と前記第２の開口部とを連通させる連通流路と、を有することを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項３】
前記羽根車の下流側に、ベーンレスディフューザが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項４】
前記制御装置は、予め設定された一定の吐出圧力の下で、前記流量が仕様流量である１００％流量から仕様流量の４５％流量までである範囲内において制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項５】
前記羽根車は、該羽根車の入口側から出口側まで連続した翼を有していることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【請求項６】
前記制御装置は、前記ケーシング内を流れる流体の流量を検出する流量計を有し、前記目標流量が前記流量計によって検出された流量よりも大きい場合には前記回転軸の回転速度を上げ、前記目標流量が前記流量計によって検出された流量よりも小さい場合には前記回転軸の回転速度を下げるように制御することを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体を圧送するターボ型のブロワ、圧縮機などの流体機械が存在する。遠心式や斜流式などの流体機械は、駆動装置により回転する羽根車によって、ガスや液体などの作動流体にエネルギを与える。近年の環境負荷低減要求の高まりを受けて、これらの流体機械には、従来以上の高効率化と、広い作動範囲（流量制御範囲）とが求められている。
【０００３】
流体機械の一種である、下水処理場で曝気用に用いられる単段のブロワは、他のプラントで運用される流体機械と比較して、高い段圧力上昇と広い作動範囲の両立が要求される。そのため、下水処理場で用いられるブロワとして、主に遠心式の羽根車を備える遠心式の流体機械（遠心ブロワ）が用いられている。
【０００４】
従来の遠心式の流体機械では、羽根車の上流に設けられたインレットガイドベーンによって流量制御が行われてきた（例えば特許文献１参照）。インレットガイドベーンによる流量制御は、羽根車が取り付けられている回転軸の回転速度が一定の条件において、インレットガイドベーンの設置角度（開度）を調整することによって行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１５１９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、インレットガイドベーンそのものが抵抗となる構造物であるため、損失の発生は避けられない。特に、低流量で運転するときにはインレットガイドベーンによって流路断面積が大幅に絞られるため、部分負荷効率が低下してしまう。
【０００７】
本発明は、前記した事情に鑑みなされたものであり、広い作動範囲を確保しつつ、部分負荷効率を向上させることが可能な流体機械を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る流体機械は、ケーシングと、前記ケーシング内に配置されており、回転することで流体にエネルギを付与する羽根車と、前記羽根車が取り付けられている回転軸とを備える。また、流体機械は、前記回転軸を回転駆動させる駆動装置と、前記ケーシング内を流れる流体の流量が所定の目標流量となるように、前記回転軸の回転速度を制御する制御装置とを備える。前記ケーシング内には、前記羽根車の周囲から上流側の吸入流路へ接続するシュラウド壁面が形成されている。流体機械には、前記シュラウド壁面における前記羽根車と対向する部位と前記羽根車の設置位置よりも上流側の部位とを繋ぐ循環流路部が設けられている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、広い作動範囲を確保しつつ、部分負荷効率を向上させることが可能な流体機械を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る流体機械の、回転軸の軸線を含む平面で切断した場合の上半分を示す縦断面図である。
【図２】図１に示される循環流路部付近の拡大断面図である。
【図３】図２に示される流路形成構造体と羽根車とを上流側から見た斜視図である。
【図４】本実施形態に係る流体機械の制御装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図５】比較例に係る従来の流体機械の、回転軸の軸線を含む平面で切断した場合の上半分を示す縦断面図である。
【図６】比較例に係る流体機械における流量制御の運転曲線を示す図である。
【図７】比較例に係る流体機械からインレットガイドベーンを除去した構成において回転軸の回転速度のみを変化させて行う流量制御の運転曲線を示す図である。
【図８】本実施形態に係る流体機械における流量制御の運転曲線を示す図である。
【図９】本実施形態に係る流体機械における流量制御の内容を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を適宜省略する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る流体機械１００の、回転軸３の軸線ＣＬを含む平面で切断した場合の上半分を示す縦断面図である。図１中の白抜き矢印は、作動流体（以下、単に「流体」ともいう）の流れを示す（図２、図４、図５でも同様）。
【００１３】
ここでは、流体機械の一例として、遠心式の羽根車２を備え、段が単段（１段）の遠心式の流体機械１００を取り上げて説明する。ただし、本発明は、単段、多段の流体機械全てに適用できるものであり、特に単段の流体機械に限るものではない。
本実施形態では、流体機械１００は、例えば下水処理場の曝気設備などに使用される曝気用ブロワである。
【００１４】
図１に示すように、流体機械１００は、ケーシング１と、羽根車２と、回転軸３と、駆動装置４とを備えている。羽根車２は、ケーシング１内に配置されており、回転することで流体にエネルギを付与する。回転軸３には、羽根車２が取り付けられている。駆動装置４は、ここでは電動機であり、回転軸３を回転駆動させる。駆動装置４による回転軸３の回転速度は、インバータ等を用いて制御され得る。
【００１５】
また、流体機械１００は、吸込口配管１５と、ディフューザ６と、スクロール７とを備えている。吸込口配管１５は、羽根車２の空気導入部分の上流側に設けられている。ディフューザ６は、羽根車２の下流側、すなわち半径方向外側に配置されており、羽根車２の出口から流入する流体の動圧を静圧へと変換する。スクロール７は、ディフューザ６の下流側に配置されている。
【００１６】
羽根車２は、円管形状をなすハブ板２１、およびハブ板２１の外周面に周方向に間隔をあけて配置されている複数の翼２２を有しており、いわゆるシュラウド板を有していない。すなわち、羽根車２はオープン型の羽根車である。
【００１７】
本実施形態において説明する曝気用に用いられる遠心式の流体機械１００は、設計点から低流量側のみを使用して運転されることが多い。そのため、チョーク側の性能を考慮する必要がない。したがって、ターボチャージャーで用いられる遠心式の羽根車が採用する、長翼と短翼との組合せによる羽根車ではなく、全て長翼で構成された羽根車２を使用することが一般的である。すなわち、曝気用に用いられる流体機械１００の羽根車２は、該羽根車２の入口側から出口側まで連続した翼２２を有している。また、設計点からより低流量側の作動範囲が要求されるような条件においては、長翼の枚数を増やして翼の前縁に作用する負荷を分散してあげることで、翼の失速を抑えることができる。翼の失速を抑制できる構造は、作動範囲の拡大が可能なため、低流量側で広い作動範囲が求められる曝気用ブロワにおいて有効な手段である。
【００１８】
ディフューザ６は、ここでは、翼（ベーン）を有さないベーンレスディフューザである。ベーンレスディフューザであるディフューザ６は、径方向に広がるハブ壁面１１およびシュラウド壁面１２のみから構成されている。ディフューザ６は、ハブ壁面１１とシュラウド壁面１２とで構成される流路の断面積が径方向外向きに拡大することで、静圧回収を行っている。ここで、ハブ壁面１１は、羽根車２のハブ板２１側を通った流体が主に流れる側の壁面である。また、シュラウド壁面１２は、羽根車２のハブ板２１と反対側を通った流体が主に流れる側の壁面である。
なお、ディフューザ６として、周方向に複数枚の翼を持つ、羽根付きディフューザの採用も可能である。
【００１９】
羽根車２とディフューザ６とはケーシング１によって覆われており、これにより、羽根車２とディフューザ６とを流体が通過する流路がケーシング１内に形成されている。ケーシング１には、羽根車２の上流側に、吸入流路１３が形成されている。シュラウド壁面１２は、ケーシング１内に形成されており、羽根車２の周囲から上流側の吸入流路１３へ接続している。オープン型の羽根車２では、構造上、ケーシング１の内側壁面であるシュラウド壁面１２と翼２２との間に間隙を有する。ケーシング１は中空形状をなしており、中央部に回転軸３が図示しない軸受により支持され、この回転軸３の端部に駆動装置４が連結されている。
【００２０】
吸入流路１３は、吸込口配管１５からケーシング１内に吸入される流体を羽根車２へ、軸方向に沿って導く流路である。流体は、吸入流路１３を介して羽根車２の前縁２３から取り込まれる。また、ケーシング１には、羽根車２の外周側に、羽根車２で圧縮された流体を、羽根車２の軸方向に交差する径方向にそって排出するための排出流路１４が形成されている。
【００２１】
このような流体機械１００では、駆動装置４の作動によって回転軸３が回転すると、羽根車２が回転し、流体が吸込口配管１５を通してケーシング１内に吸い込まれる。吸い込まれた流体は、吸入流路１３を経て羽根車２へ導かれ、回転する羽根車２を通過する過程で昇圧される。羽根車２によって昇圧された流体は、ディフューザ６、スクロール７を経る際に動圧が静圧に変換され、吐出口１６から外部へと吐出される。
【００２２】
本実施形態の流体機械１００には、羽根車２の前縁２３付近に、循環流路部８が設けられている。循環流路部８は、シュラウド壁面１２における羽根車２と対向する部位と、羽根車２の設置位置よりも上流側の部位とを繋ぐ流路である。
【００２３】
流体機械１００の吐出側に固定抵抗が設けられたような条件では、吐出圧力を一定に維持したまま、広い作動範囲が要求される。ここで、固定抵抗とは、流体機械１００の吐出側に常に一定の水深をもつ水槽（例えば下水処理場の曝気用の水槽）が接続されているような条件のことを指す。吐出側の圧力は、水槽の大きさと水深とによって決まるため、水深が常時一定であれば、吐出側には常に一定の圧力（＝固定抵抗）がかかり続けることとなる。本実施形態は、このような吐出側に固定抵抗が設けられた条件下において、回転軸３の回転速度のみを変化させることで、流量制御を行うことを特徴としている。
【００２４】
図２は、図１に示される循環流路部８付近の拡大断面図である。図３は、図２に示される流路形成構造体８４と羽根車２とを上流側から見た斜視図である。
【００２５】
図２に示すように、循環流路部８は、第１の開口部８１、第２の開口部８２、および第１の開口部８１と第２の開口部８２とを連通させる連通流路８３とを有している。第１の開口部８１は、羽根車２と対向するシュラウド壁面１２に設けられたスリット状の開口である。第２の開口部８２は、羽根車２の設置位置よりも上流側のシュラウド壁面１２、すなわち吸入流路１３の外周面（内面）に設けられたスリット状の開口である。
【００２６】
循環流路部８は、シュラウド壁面１２に形成された環状溝８７に、流路形成構造体８４が設置されることによって形成されている。
【００２７】
図２および図３に示すように、流路形成構造体８４は、シュラウド壁面１２に沿って略面一な内周面を有する筒状のリング８５と、リング８５を環状溝８７内で保持するリブ８６とを有している。リブ８６は、リング８５の外周面に周方向に間隔をあけて複数設けられている。連通流路８３は、リブ８６の側面と、リング８５の外周面と、環状溝８７の外周面（溝底面）とに囲まれることによって形成されている。
【００２８】
なお、循環流路部８は、前記した構成に限定されるものではない。循環流路部８は、シュラウド壁面１２における羽根車２と対向する部位と、羽根車２の設置位置よりも上流側の部位とを繋ぐ流路を提供する構造であれば任意に変更可能である。
【００２９】
図２に示すように、羽根車２の前縁２３から羽根車２に流入した流れの一部は、第１の開口部８１から循環流路部８へ流入し、連通流路８３を通過した後、第２の開口部８２から循環流路部８外へ流出する。循環流路部８から流出した流れは、吸入流路１３において吸込口配管１５から吸い込んだ流体と混合され、再度、羽根車２の前縁２３から羽根車２へと流入する。
【００３０】
循環流路部８へと流入する流れ８８は、羽根車２が部分負荷流量点で運転する際に、羽根車２の翼２２の負圧面側に蓄積される低エネルギ流体を吸い出す効果がある。ここで、部分負荷流量は、設計点の流量である仕様流量（１００％流量）よりも低い流量である。また、負圧面は、羽根車２の回転方向Ｒ（図３参照）に対して背面側になる翼面である。蓄積された低エネルギ流体は、翼２２の負圧面での翼失速を引き起こす原因となる。したがって、本実施形態は、循環流路部８を流れる循環流によって翼失速の発生を抑制することで、作動範囲の拡大を実現している。
【００３１】
図４は、本実施形態に係る流体機械１００の制御装置５の構成を模式的に示すブロック図である。図４に示すように、流体機械１００は、流体機械１００全体の動作を制御する制御装置５を備えている。制御装置５は、ケーシング１内に吸い込まれる流体の流量が所定の目標流量となるように、回転軸３の回転速度を制御する制御部５１を備えている。制御部５１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリ等の記憶部とを有している。また、制御装置５は、流体機械１００のケーシング１内に吸い込まれる流体の流量である吸込流量を計測する流量計５２と、流体機械１００における回転軸３の回転速度を計測する回転速度計５３とを備えている。
【００３２】
流量計５２は、流体機械１００の吸入流路１３に設けられている。羽根車２は、回転軸３を介して駆動装置４に接続されている。回転速度計５３は、例えば回転軸３の近傍に設置されており、回転軸３の回転速度を計測する。
【００３３】
流量計５２および回転速度計５３は、それぞれ回線を介して制御部５１に接続されており、これらの計測機器からの信号が制御部５１に入力される。制御部５１は、回線を介して駆動装置４と接続されており、制御部５１からの信号が駆動装置４に入力される。制御部５１は、駆動装置４を介して、回転軸３の回転速度を制御する。
【００３４】
図５は、比較例に係る従来の流体機械２００の、回転軸３の軸線ＣＬを含む平面で切断した場合の上半分を示す縦断面図である。比較例に係る流体機械２００について、前記した本実施形態に係る流体機械１００と相違する点を中心に説明し、共通する点の説明を省略する。
【００３５】
図５に示すように、比較例に係る流体機械２００は、吸込口配管１５の下流側であって羽根車２の上流側に設けられたインレットガイドベーン９を備えている。インレットガイドベーン９は、羽根車２への流入流れに任意の旋回速度を付与するための、円形に並んで配置された翼列である。一方、比較例に係る流体機械２００には、図１に示す循環流路部８は設けられていない。
【００３６】
図６は、比較例に係る流体機械２００における流量制御の運転曲線を示す図である。
図６において、流体機械２００における流量Ｑと吐出圧力Ｐｄとの相関で示される性能曲線Ｃが、インレットガイドベーン９の開度ＩＧＶ（％）ごとに示されている。図６中に示す破線は、流れが失速してサージングが生じる低流量側の限界点をインレットガイドベーン９の開度ＩＧＶごとに描いて各限界点を結んだ線であるサージングラインＬである。また、図６には、各性能曲線Ｃに対応した効率ηを示す効率曲線Ｅが描かれている。
【００３７】
図６におけるサージングラインＬよりも左側（低流量側）の領域は、サージングが生じる領域であり、大きな圧力変動や流量変動が生じるために運転が不可能な領域となる。したがって、流体機械２００において実際に制御可能な作動範囲Ｑ１は、一定の吐出圧力Ｐ０を示す線とサージングラインＬとの交点の流量を下限とし、仕様流量である１００％流量を上限とする範囲になる。一方、流体機械２００での流量制御において保証すべき仕様の作動範囲Ｑ０は、ここでは、仕様流量である１００％流量から仕様流量の４５％流量までの範囲とされている。ここで、実際に制御可能な作動範囲Ｑ１は、保証すべき仕様の作動範囲Ｑ０を含んでいる必要がある。
【００３８】
図６に示すように、比較例に係る流体機械２００は、一定の吐出圧力Ｐ０（＝固定抵抗）がかかる条件下で、回転軸３の回転速度を一定にし、インレットガイドベーン９の開度ＩＧＶを変化させることで流量制御を行う。
【００３９】
しかしながら、比較例に係る流体機械２００においては、インレットガイドベーン９そのものが流路に設置されて抵抗となる構造物であるため、損失の発生は避けられないことが実情である。特に、図６の効率曲線Ｅを見ればわかるように、低流量運転時にはインレットガイドベーン９によって流路断面積が大幅に絞られるため、部分負荷効率（部分負荷流量での効率）が低下してしまうという課題がある。
【００４０】
図７は、比較例に係る流体機械２００からインレットガイドベーン９を除去した構成において回転軸３の回転速度のみを変化させて行う流量制御の運転曲線を示す図である。図７において、流体機械における流量Ｑと吐出圧力Ｐｄとの相関で示される性能曲線Ｃが、回転軸３の回転速度Ｎ（％）ごとに示されている。
【００４１】
この場合、図７に示すように、実際に制御可能な作動範囲Ｑ１は、狭くなってしまい、保証すべき仕様の作動範囲Ｑ０（仕様流量である１００％流量から仕様流量の４５％流量までの範囲）を満足することができない。
【００４２】
図８は、本実施形態に係る流体機械１００における流量制御の運転曲線を示す図である。図８において、流体機械１００における流量Ｑと吐出圧力Ｐｄとの相関で示される性能曲線Ｃが、回転軸３の回転速度Ｎ（％）ごとに示されている。図８に示す流体機械１００における流量制御の運転曲線のデータは、制御部５１の記憶部に記憶される。また、一定の吐出圧力Ｐ０（＝固定抵抗）の値も制御部５１の記憶部に記憶される。
【００４３】
本実施形態に係る流体機械１００では、図２を用いて既に説明したように、循環流路部８へと流入する流れ８８が、羽根車２の翼２２の負圧面側に蓄積されて翼失速を引き起こす原因となる低エネルギ流体を吸い出す。こうして、循環流路部８を流れる循環流によって翼失速の発生を抑制することで、図８に示すように、実際に制御可能な作動範囲Ｑ１が拡大する。これにより、本実施形態は、保証すべき仕様の作動範囲Ｑ０（仕様流量である１００％流量から仕様流量の４５％流量までの範囲）を満足することができる。
【００４４】
しかも、本実施形態は、流路に設置されて抵抗となる従来のインレットガイドベーン９を備えていないため、低流量運転時でも羽根車２の上流側で流路断面積が絞られることがなく、部分負荷効率は殆ど低下しない。つまり、回転軸３の回転速度を変化させた場合でも、図８において各性能曲線Ｃに対応した効率ηを示す効率曲線Ｅは、最大効率値を保ちながら、概ね真横に移動する。したがって、本実施形態では、低流量運転時を含め、常に、ばらつきが少なく高い効率範囲Ａでの運用が可能となる。
【００４５】
次に、本実施形態に係る流体機械１００における流量制御の方法について説明する。
図９は、本実施形態に係る流体機械１００における流量制御の内容を示すフローチャートである。
【００４６】
図９に示すように、ステップＳ１では、制御部５１は、流体機械１００に要求される吸込流量である目標流量Ｑｉの入力を受け付ける。これにより、制御部５１は、目標流量Ｑｉを設定する。
【００４７】
ステップＳ２では、制御部５１は、流量計５２を用いることによって、流体機械１００における現在の流量Ｑを計測する。
【００４８】
ステップＳ３では、制御部５１は、現在の流量Ｑ＝目標流量Ｑｉであるか否かを判定する。具体的には、現在の流量Ｑと目標流量Ｑｉとの差が予め決められた所定の閾値よりも小さいか否かが判定される。現在の流量Ｑと目標流量Ｑｉとの差が所定の閾値よりも小さい、すなわち現在の流量Ｑと目標流量Ｑｉとの間に実質的な差がないと判定された場合（ステップＳ３でＹｅｓ）、制御部５１の処理がステップＳ１に戻る。一方、現在の流量Ｑと目標流量Ｑｉとの間に実質的な差があると判定された場合（ステップＳ３でＮｏ）、制御部５１の処理がステップＳ４へ進む。
【００４９】
ステップＳ４では、制御部５１は、目標流量Ｑｉが現在の流量Ｑよりも大きいか否かを判定する。そして、目標流量Ｑｉが現在の流量Ｑよりも大きいと判定された場合（ステップＳ４でＹｅｓ）、制御部５１の処理がステップＳ５へ進む。一方、目標流量Ｑｉが現在の流量Ｑよりも小さいと判定された場合（ステップＳ４でＮｏ）、制御部５１の処理がステップＳ６へ進む。
【００５０】
ステップＳ５では、制御部５１は、回転軸３の回転速度Ｎを上げる（高くする）ように調整して流量変更を行う。具体的には、制御部５１は、駆動装置４に回転速度の上昇指令を送信する。ここで、回転軸３の回転速度Ｎが、例えば予め決められた所定量だけ上げられた後、制御部５１の処理がステップＳ２に戻る。
【００５１】
ステップＳ６では、制御部５１は、回転軸３の回転速度Ｎを下げる（低くする）ように調整して流量変更を行う。具体的には、制御部５１は、駆動装置４に回転速度の下降指令を送信する。ここで、回転軸３の回転速度Ｎが、例えば予め決められた所定量だけ下げられた後、制御部５１の処理がステップＳ２に戻る。
【００５２】
このような制御ループ（ステップＳ１〜Ｓ６）を繰り返すことにより、最終的に現在の流量Ｑを目標流量Ｑｉにすることができる（ステップＳ３でＹｅｓ）。
【００５３】
図９に示す制御を実施する際における回転軸３の回転速度Ｎの調整幅（変化幅）は、制御すべき流体機械１００の特性によって異なるため、どのような調整幅でも構わない。例えば、調整幅は、予め決められた一定値であってもよいし、あるいは現在の流量Ｑと目標流量Ｑｉとの差に応じて変化させられてもよい。あるいは、制御部５１は、図８に示す運転曲線のデータに基づいて目標流量Ｑｉが得られる回転速度を算出し、回転軸３の回転速度Ｎを、算出された回転速度に変化させるように制御してもよい。
【００５４】
本実施形態に係る流体機械１００は、基本的に以上のように構成されるものであり、次に、流体機械１００の作用効果について説明する。
【００５５】
図１に示すように、流体機械１００は、ケーシング１と、ケーシング１内に配置されており、回転することで流体にエネルギを付与する羽根車２と、羽根車２が取り付けられている回転軸３とを備える。また、流体機械１００は、回転軸３を回転駆動させる駆動装置４と、ケーシング１内を流れる流体の流量が所定の目標流量となるように、回転軸３の回転速度を制御する制御装置５（図４参照）とを備える。ケーシング１内には、羽根車２の周囲から上流側の吸入流路１３へ接続するシュラウド壁面１２が形成されている。流体機械１００には、シュラウド壁面１２における羽根車２と対向する部位と羽根車２の設置位置よりも上流側の部位とを繋ぐ循環流路部８が設けられている。
この構成では、従来用いられてきたインレットガイドベーン９（図５参照）を廃し、羽根車２が取り付けられている回転軸３の回転速度の制御のみで流量制御を行うことができる。ここで、循環流路部８へと流入する流れは、羽根車２の翼２２の負圧面側に蓄積される低エネルギ流体を吸い出す。蓄積された低エネルギ流体は、翼２２の負圧面での翼失速を引き起こす原因となるため、循環流路部８を流れる循環流によって翼失速の発生を抑制することができる。これにより、広い作動範囲を確保することができる。また、羽根車２の上流側に設けられる従来のインレットガイドベーン９が不要となるため、流路損失を低減することができ、部分負荷効率が向上する。
すなわち、本実施形態によれば、広い作動範囲を確保しつつ、部分負荷効率を向上させることが可能な流体機械１００を提供することができる。
さらに、可動機構が複雑で高価なインレットガイドベーン９を用いることなく流量制御が可能となるため、流体機械１００のコストの低減が図られる。
【００５６】
また、本実施形態では、図２に示すように、循環流路部８は、第１の開口部８１、第２の開口部８２、および第１の開口部８１と第２の開口部８２とを連通させる連通流路８３とを有している。第１の開口部８１は、羽根車２と対向するシュラウド壁面１２に設けられている。第２の開口部８２は、羽根車２の設置位置よりも上流側のシュラウド壁面１２に設けられている。この構成では、循環流路部８をケーシング１内におけるシュラウド壁面１２の近傍にコンパクトに設けることができる。
【００５７】
また、本実施形態では、図１に示すように、羽根車２の下流側に、ベーンレスディフューザであるディフューザ６が配置されている。この構成では、サージングが起こり易くなる翼（ベーン）がディフューザ６に存在しないため、作動範囲が低流量側で伸びる。これにより、より広い作動範囲を確保することができる。
【００５８】
また、本実施形態では、図８に示すように、制御装置５（図４参照）は、予め設定された一定の吐出圧力Ｐ０の下で、流量Ｑが仕様流量である１００％流量から仕様流量の４５％流量までである範囲内において制御を行う。この構成では、主に下水処理場で用いられるような、吐出側に固定抵抗を有し、広い作動範囲が要求される曝気用の流体機械に対して適用することが好ましい構成とすることができる。
【００５９】
また、本実施形態では、図１に示すように、羽根車２は、該羽根車２の入口側から出口側まで連続した翼２２を有している。この構成では、主に下水処理場で用いられるような、設計点から低流量側のみで運転することが多いためチョーク側の性能を考慮する必要がない曝気用の流体機械に対して適用することが好ましい構成とすることができる。つまり、この場合、チョーク側の性能を向上させるために例えばターボチャージャーのような長翼と短翼との組合せによる羽根車を採用する必要がない。
【００６０】
また、本実施形態では、図４に示すように、制御装置５は、ケーシング１内を流れる流体の流量を検出する流量計５２を有している。そして、図９に示すように、制御装置５は、目標流量Ｑｉが流量計５２によって検出された流量Ｑよりも大きい場合には回転軸３の回転速度Ｎを上げるように制御する。一方、制御装置５は、目標流量Ｑｉが流量計５２によって検出された流量Ｑよりも小さい場合には回転軸３の回転速度Ｎを下げるように制御する。この構成では、目標流量Ｑｉと流量計５２の検出値である流量Ｑとの比較結果に基づく回転軸３の回転速度Ｎの制御によって、ケーシング１内を流れる流体の流量Ｑを所定の目標流量Ｑｉにすることができる。
【００６１】
以上、本発明について実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。前記した実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００６２】
例えば、前記した実施形態では、遠心式の羽根車２を備えた遠心式の流体機械１００について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。本発明は、例えば斜流式の羽根車を備えた斜流式の流体機械などの他の流体機械にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６３】
１      ケーシング
１２    シュラウド壁面
１３    吸入流路
２      羽根車
２２    翼
３      回転軸
４      駆動装置
５      制御装置
５１    制御部
５２    流量計
６      ディフューザ
８      循環流路部
８１    第１の開口部
８２    第２の開口部
８３    連通流路
１００  流体機械
Ｎ      回転速度
Ｐ０    一定の吐出圧力
Ｑ      流量
Ｑｉ    目標流量
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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