(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内面に、羽根入口側の低流量時再循環流発生場所とケーシング内面の羽根の存在領域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ多数の浅い溝を具備した羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械。
【請求項２】
前記溝が、２〜４ｍｍの深さの溝であることを特徴とする請求項１に記載した羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械。
【請求項３】
前記ケーシング内面には、前記羽根入口側の低流量時再循環流発生場所と前記ケーシング内面の羽根の存在領域内において、前記浅い溝を２８〜６４本形成したことを特徴とする請求項１に記載した羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はターボ機械に係わり、特に形式および流体に関らず羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制することにより流動不安定性を防止することの可能なターボ機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボ機械と総称される回転機械は、取り扱う流体および形式によって以下のように分類可能である。
１．取り扱う流体
液体、気体
２．形式
軸流、斜流、遠心
図１は運転が容易であるために現在主に使用されている斜流ポンプの断面図であって、上流から下流に向かって、サクションケーシング１１、ポンプ１２、およびディフューザ１３から構成される。
【０００３】
ポンプ１２のケーシング１２１内で回転する羽根（インペラ）１２２は回転軸１２３によって回転駆動され、サクションケーシング１１から吸い込まれた液体にエネルギを与える。ディフューザ１３は流体の速度エネルギの一部を静圧に変換する機能を有する。
図２は図１に示す斜流ポンプを含むターボ機械の典型的な揚程−流量特性であって、横軸は流量を表すパラメータ、縦軸は揚程を表すパラメータである。
【０００４】
即ち、低流量域では流量が増加するにつれて揚程は低下するが、流量がＳ領域にある間は流量が増加するにつれて揚程も増加する（右上がり特性）。そして、流量が右上がり特性領域以上に増加すると流量が増加するにつれて揚程は低下する。
そして、右上がり特性領域の流量でターボ機械を運転した場合には、流体のかたまりが管路内で自励振動するサージングが発生する。
【０００５】
右上がり特性は、ターボ機械を流れる流体の流量が低となったときにインペラ入口外縁で再循環流が発生するが、このとき羽根に入る流体の流路が狭められ、流体に旋回が生じるために発生する（図１参照）。
サージングはターボ機械だけでなく、上流および下流に接続される配管にも損傷を与えるため低流量域での運用は禁止されている。また、ターボ機械の運転領域を拡大するため羽根の形状（プロファイル）を改善するほか、下記に示すようにサージングを抑制する方法は既に提案されている。
１．ケーシングトリートメント
インペラが存在するケーシング領域に、羽根の弦長の１０〜２０％の細い溝を形成することにより失速マージンを改善するものである。
【０００６】
図３は既に提案されているケーシングトリートメントの説明図であって、（イ）はケーシングトリートメントと羽根の位置関係の説明図、（ロ）はケーシングトリートメントの断面形状図である。
即ち、既に提案されているケーシングトリートメントは、ケーシング内壁の羽根の存在領域に、軸方向、周方向、もしくは斜め方向に径向き、もしくは斜めに相当な深さを有する溝を形成するものである。
【０００７】
ケーシングトリートメントにより失速マージンを向上することが可能なメカニズムは理論的に充分に解明されてはいないが、圧力の高い流体が低エネルギ領域に噴出し、失速セルの発生を防止するためであると考えられている。
２．セパレータ
低流量域で羽根入口外縁で発生する再循環流の逆流部分を順流部分と分離するためにセパレータを設置し、再循環流の拡大を防止するものである。
【０００８】
図４は軸流ターボ機械に適用されたセパレータの説明図であって、吸込リング（イ）、ブレードセパレータ（ロ）、およびエアセパレータ（ハ）が提案されている。
吸込リング（イ）は逆流を吸込リング外側に閉じ込めるものであり、ブレードセパレータ（ロ）はケーシングとリングの間にフィンを設けるものである。また、エアセパレータ（ハ）は動翼（羽根）先端部を開放して逆流をケーシング外の流路に導き、フィンによって逆流の旋回を防止するものであり、前２者に比較して効果は大であるものの装置が大規模となる。
３．アクティブコントロール
羽根入口近傍の再循環流の発生場所に外部から高圧の流体を噴出して再循環流の発生を抑制するものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ケーシングトリートメントおよびセパレータによれば、揚程−流量特性の上記右上がり特性をより低流量側に移動して安定運転領域を拡大することは可能であるものの、右上がり特性自体をなくすことは困難である。また、ケーシングトリートメントにおいて失速マージンを１０％向上させるごとにターボ機械の効率は約１％低下する。
【００１０】
さらに、アクティブコントロールにあっては、ターボ機械自体もしくは外部から高圧流体を得る必要があるため、ターボ機械システムとしての効率が低下することは回避できない。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、右上がり特性のない揚程−流量特性を有するだけなく、効率低下を抑制することの可能な、羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る羽根入口再循環流および羽根旋回失速を抑制したターボ機械は、ケーシング内面に、羽根入口側の低流量時再循環流発生場所とケーシング内面の羽根の存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ流路を具備する。
本発明によれば、ケーシング内面の羽根の存在域内の下流側終端位置と羽根入口側の低流量時再循環流発生場所である上流側終端位置とを結ぶ流路内を流体が下流側終端位置から上流側終端位置に向かって逆流し、低流量時再循環流発生場所でケーシング１２１内に噴出する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図５は本発明の第１の実施形態の拡大断面図であって、図１の一点鎖線で囲まれた部分を拡大した図である。
即ち、本発明に係る羽根入口逆流を抑制したターボ機械にあっては、ケーシング１２１の内面の羽根１２２の中程ａ（溝の下流側終端位置）から低流量時に再循環流が発生する位置ｂ（溝の上流側終端位置）にかけて流体圧力勾配方向に浅い溝１２４が形成される。
【００１３】
すると、羽根により圧力の上昇した流体が溝１２４内を溝の下流側終端位置ａから溝の上流側終端位置ｂに向かって逆流し、低流量時に発生する再循環流の発生場所に噴出して再循環流および羽根旋回失速の発生を防止する。
図６は本発明の効果の説明図（その１）であって、溝を形成する効果を示している。なお、図６から図９において横軸は無次元化した流量、縦軸は無次元化した揚程である。
【００１４】
即ち、白丸はケーシングに溝を形成しない場合の揚程−流量特性であって、無次元化流量が０．１２〜０．１４の範囲で流量の増加に伴って揚程も増加する右上がり特性が存在する。
白三角および白四角はケーシングに溝を形成した場合の揚程−流量特性および効率−流量特性であって、白三角は幅（Ｗ）が５ミリメートル、深さ（Ｄ）が４ミリメートルの溝を２８本（Ｎ＝２８）形成した場合を、白四角は幅１０ミリメートル、深さ２ミリメートルの溝を２８本形成した場合を示す。
【００１５】
図６から明らかなように、幅×深さが、５×４ミリメートルの溝を形成した場合には右上がり特性を解消できないが、１０×２ミリメートルの溝を形成した場合には完全に右上がり特性が解消されている。即ち、溝を形成する場合には深い溝よりも浅くかつ幅の広い溝を形成することが効果的であることを示している。なお、図６は、ターボ機械の効率ηは、理論的には流路内の流体の逆流により低下するが、実際上は認識できないほど小であることも示している。
【００１６】
図７は本発明の効果の説明図（その２）であって、溝の長さの影響を示している。
即ち、溝の形状をほぼ一定に維持して、溝の上流側終端位置ｂを固定して溝の下流側終端位置ａを変更した場合の揚程−流量特性および効率−流量特性であって、溝の下流側終端位置ａを下流側とするほど揚程−流量特性の右上がり特性は改善される。しかし、極端に下流側とすると必要以上に高圧の流体を抽出することとなるため効率が低下する。
【００１７】
図８は本発明の効果の説明図（その３）であって、溝の深さおよび幅の影響を示している。
即ち、溝の本数を一定とした場合には、溝の深さは揚程−流量特性に大きい影響は与えず、溝の幅を広くするほど揚程−流量特性の右上がり特性は改善されることを示している。
【００１８】
図９は本発明の効果の説明図（その４）であって、溝の深さおよび幅の影響を示している。
即ち、溝の形状を一定とした場合には、溝の本数を多くするほど揚程−流量特性の右上がり特性は改善されることを示している。
以上のことから溝を設計する際の考慮点として、以下を挙げることができる。
１．溝の下流側終端位置ａの位置は、噴出により溝の上流側終端位置ｂに発生する再循環流を抑制できる圧力を有する流体を取り出すことができる位置であれば特に規定されないが、必要以上に高圧の位置（即ち下流側）とするとターボ機械の効率が低下するので、適当な位置を選択することが必要である。
２．溝は深くする必要はなく、幅の広い溝を可能な限り多数本形成することが有効である。
【００１９】
以上ケーシングに溝を形成する場合について説明したが、本発明においては、高圧流体を再循環流の発生場所に噴出可能であれば流路の構造は問われない。
図１０は、本発明の参考例の拡大断面図であって、溝の下流側終端位置ａから上流側終端位置ｂに向かう流路は溝ではなく、ケーシングを貫通する管路で構成される。
【００２０】
【発明の効果】
本発明によれば、自身が昇圧した流体の一部がケーシングに形成された流路を逆流し、再循環流の発生場所に噴出して再循環流および羽根旋回失速の発生を抑制するので、ターボ機械の揚程−流量特性の右上がり特性を除去することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  斜流ポンプの断面図である。
【図２】  ターボ機器の典型的な揚程−流量特性である。
【図３】  ケーシングトリートメントの説明図である。
【図４】  セパレータの説明図である。
【図５】  本発明の第１の実施形態の拡大断面図である。
【図６】  本発明の効果の説明図（その１）である。
【図７】  本発明の効果の説明図（その２）である。
【図８】  本発明の効果の説明図（その３）である。
【図９】  本発明の効果の説明図（その４）である。
【図１０】  本発明の参考例の拡大断面図である。
【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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【図１０】
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