(57)【要約】      （修正有）【課題】縦断面において羽根が外側に凸な形状を有するターボ機械において、高損失流体のために生じる不安定な特性を効果的に改善する。【解決手段】ケーシング２と、ケーシング内に設けられ、複数の羽根４を有する羽根車３とを備えるターボ機械１が提供される。上記ターボ機械において、複数の羽根は、羽根車の回転軸を含む断面において外側に凸な形状を有し、ケーシングの内周面２Ｓは、複数の羽根に対向する区間の断面において内側に凹な形状を有する。さらに、ターボ機械は、区間の中央部に配置され、ケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射するノズル７をさらに備える。【選択図】図１
2017040211.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設けられ、複数の羽根を有する羽根車とを備えるターボ機械であって、
前記複数の羽根は、前記羽根車の回転軸を含む断面において外側に凸な形状を有し、
前記ケーシングの内周面は、前記複数の羽根に対向する区間の前記断面において内側に凹な形状を有し、
前記ターボ機械は、前記区間の中央部に配置され、前記ケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射するノズルをさらに備える、ターボ機械。
【請求項２】
前記複数の羽根の取付角度を変化させる角度可変機構をさらに備える、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項３】
前記ケーシング内の主流の流量に基づいて前記流体の噴射に関する制御を実行する制御装置をさらに備える、請求項１に記載のターボ機械。
【請求項４】
前記制御装置は、前記ターボ機械の流量−揚程特性に基づいて前記流体の噴射に関する制御を実行する、請求項３に記載のターボ機械。
【請求項５】
前記複数の羽根の取付角度を変化させる角度可変機構をさらに備え、
前記制御装置は、設定可能な前記取付角度に対応して記憶された前記流量−揚程特性から、前記角度可変機構によって設定されている前記取付角度に応じて選択された前記流量−揚程特性に基づいて、前記流体の噴射に関する制御を実行する、請求項４に記載のターボ機械。
【請求項６】
前記制御装置は、前記流体の噴射の有無、または前記流体の噴射流量を制御する、請求項３〜５のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項７】
前記制御装置は、前記ケーシングの内周面に沿った面内での前記ノズルの方向を制御する、請求項３〜６のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項８】
前記羽根車と、前記羽根車よりも下流側に位置する案内羽根との間に配置され、前記ケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射する別のノズルをさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のターボ機械。
【請求項９】
ケーシングと、前記ケーシング内に設けられ、複数の羽根を有する羽根車とを備えるターボ機械の運転方法であって、
前記複数の羽根は、前記羽根車の回転軸を含む断面において外側に凸な形状を有し、
前記ケーシングの内周面は、前記複数の羽根に対向する区間の前記断面において内側に凹な形状を有し、
前記運転方法は、前記区間の中央部で前記ケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射するステップを含む、ターボ機械の運転方法。
【請求項１０】
前記ケーシング内の主流の流量に基づいて前記流体の噴射に関する制御を実行するステップをさらに含む、請求項９に記載のターボ機械の運転方法。
【請求項１１】
前記制御を実行するステップは、前記ターボ機械の流量−揚程特性に基づいて前記流体の噴射に関する制御を実行するステップを含む、請求項１０に記載のターボ機械の運転方法。
【請求項１２】
前記ターボ機械は、前記複数の羽根の取付角度を変化させる角度可変機構をさらに備え、
前記制御を実行するステップは、設定可能な前記取付角度に対応して記憶された前記流量−揚程特性から、前記角度可変機構によって設定されている前記取付角度に応じて選択された前記流量−揚程特性に基づいて、前記流体の噴射に関する制御を実行するステップを含む、請求項１１に記載のターボ機械の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボ機械およびターボ機械の運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械は、ケーシング内に設けられた羽根車を用いて、羽根車の回転の機械的なエネルギーとケーシング内を流れる流体のエネルギーとの変換を実現する機械の総称である。例えば、ターボポンプは、羽根車を回転駆動することによってケーシング内を流れる液体に圧力を与えるターボ機械である。他にも、気体に圧力を与えるターボ機械（例えば、送風機および圧縮機）、および流体の圧力を羽根車の回転に変換するターボ機械（例えば、水車、風車およびタービン）が存在する。
【０００３】
上記のようなターボ機械では、さまざまな要因で、ケーシング内の流体の流れに不安定な特性が発生する場合がある。例えば、ターボポンプの場合、通常は流量の増加に対して揚程が減少し、これによって安定的な運転が可能になっているが、ある流量域ではこの関係が逆転し、流量の増加に対して揚程も増加する、いわゆる右上がり特性が生じる。右上がり特性が発生する流量域では運転が不安定化し、さらにはケーシング内で流体の塊が自励振動するサージングが発生する可能性もある。このような不安定な特性が生じる原因の一つは、低流量域において羽根車の入口付近で発生する不安定な高損失流体によって引き起こされる流れの剥離、または入口逆流である。
【０００４】
このような現象を抑制する方法として、従来から、羽根面上の不安定な高損失流体に噴射流を用いてエネルギーを供給することで境界層の剥離を抑制する方法が知られていた。さらに、例えば特許文献１では、羽根車の上流側でケーシングの内周面に沿って流体を噴射する技術が提案されている。特許文献１に記載された技術によれば、流体をケーシングの内周面に沿った方向に噴射させることによって、主流に対して実質的な影響を与えない流動層を内周面の近傍に形成し、コーナー部への高損失流体の集積によって生じる流れの剥離を効果的に抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３０３０５６７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、例えば特許文献１の図１などを参照すれば明らかなように、上記のような技術は、縦断面（羽根車の回転軸を含む平面）における羽根の外側の形状がストレートな場合に適用される。特許文献１には明示されていないが、この場合、羽根の取付角度を可変にすることはできない。これに対して、羽根の取付角度を可変にする場合には、縦断面における羽根の形状は外側に凸になり、ケーシングの内周面の形状はこれに対応して内側に凹になる。このように羽根および内周面の形状が変化した場合には、高損失流体の発生状態も変化する。従って、例えば羽根の取付角度を可変にしたターボ機械において、特許文献１に記載されたような従来の技術によって効果的に不安定な特性を改善できるとは限らない。
【０００７】
本発明は上述の点に鑑みてなされた。本発明の目的の一つは、縦断面において羽根が外側に凸な形状を有するターボ機械において、高損失流体のために生じる不安定な特性を効果的に改善することが可能な、新規かつ改良されたターボ機械およびターボ機械の運転方
法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のある観点によれば、ケーシングと、ケーシング内に設けられ、複数の羽根を有する羽根車とを備えるターボ機械が提供される。上記ターボ機械において、複数の羽根は、羽根車の回転軸を含む断面において外側に凸な形状を有し、ケーシングの内周面は、複数の羽根に対向する区間の断面において内側に凹な形状を有する。さらに、ターボ機械は、区間の中央部に配置され、ケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射するノズルをさらに備える。
【０００９】
上記のターボ機械では、ノズルからの噴射流によって、ケーシングの内周面に沿う流動層が形成される。この流動層は、ケーシング内で主流を構成する流体と内周面との間を分離することによって、高損失流体の集積を抑制する。これによって、高損失流体の集積によって生じる流れの剥離が抑制され、結果として揚程の右上がり特性が改善される。
【００１０】
上記のターボ機械は、複数の羽根の取付角度を変化させる角度可変機構をさらに備えてもよい。上述した課題は、羽根およびケーシングの内周面の形状によって生じるものである。従って、上記のターボ機械において羽根の取付角度が可変であることは必須ではなく、羽根の取付角度が可変ではない場合にも、上記のターボ機械の構成は有効でありうる。
【００１１】
上記のターボ機械は、ケーシング内の主流の流量に基づいて流体の噴射に関する制御を実行する制御装置をさらに備えてもよい。制御装置は、ターボ機械の流量−揚程特性にさらに基づいて流体の噴射に関する制御を実行してもよい。また、ターボ機械が複数の羽根の取付角度を変化させる角度可変機構をさらに備える場合、制御装置は、設定可能な取付角度に対応して記憶された流量−揚程特性から、角度可変機構によって設定されている取付角度に応じて選択された流量−揚程特性に基づいて、流体の噴射に関する制御を実行してもよい。
【００１２】
流量に基づく制御が実現されれば、実際に不安定な特性が観察される前に、先行して適切な流体の噴射を実行することができる。このとき、流量−揚程特性に基づいて、不安定な特性と流量との関係を特定することができる。流量−揚程特性は羽根の取付角度によって変化するため、流量−揚程特性を取付角度に対応して予め制御装置に記憶しておき、設定されている取付角度に応じて適切な流量−揚程特性を選択して利用してもよい。
【００１３】
上記のターボ機械において、制御装置は、流体の噴射の有無、または流体の噴射流量を制御してもよい。例えば、不安定な特性が発生していない流量域では流体を噴射しなかったり、高損失流体の影響が比較的小さい流量域では流体の噴射流量を減らしたりすることによって、不安定な特性を抑制しつつ、ターボ機械の効率を維持することができる。
【００１４】
上記のターボ機械において、制御装置は、ケーシングの内周面に沿った面内でのノズルの方向を制御してもよい。これによって、高損失流体による流れの剥離が発生しやすい任意の領域に流動層を形成し、高損失流体による不安定な特性を効果的に改善することができる。
【００１５】
上記のターボ機械は、羽根車と、羽根車よりも下流側に位置する案内羽根との間に配置され、ケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射する別のノズルをさらに備えてもよい。これによって、案内羽根の入口付近における高損失流体の集積、およびそれによって生じる流れの剥離を抑制することができる。
【００１６】
本発明の別の観点によれば、ケーシングと、ケーシング内に設けられ、複数の羽根を有
する羽根車とを備えるターボ機械の運転方法が提供される。ターボ機械において、複数の羽根は、羽根車の回転軸を含む断面において外側に凸な形状を有し、ケーシングの内周面は、複数の羽根に対向する区間の断面において内側に凹な形状を有する。さらに、運転方法は、区間の中央部でケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射するステップを含む。
【００１７】
上記の運転方法は、ケーシング内の主流の流量に基づいて流体の噴射に関する制御を実行するステップをさらに含んでもよい。上記制御を実行するステップは、ターボ機械の流量−揚程特性にさらに基づいて流体の噴射に関する制御を実行するステップを含んでもよい。ターボ機械は、複数の羽根の取付角度を変化させる角度可変機構をさらに備えてもよい。この場合、制御を実行するステップは、設定可能な取付角度に対応して記憶された流量−揚程特性から、角度可変機構によって設定されている取付角度に応じて選択された流量−揚程特性に基づいて、流体の噴射に関する制御を実行するステップを含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における噴射流の制御の例について説明するためのグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。図１を参照すると、本実施形態に係るターボ機械であるターボポンプ１は、ケーシング２と、羽根車３と、角度可変機構５と、案内羽根６とを含む。ケーシング２内に設けられる羽根車３は、複数の羽根４を有する。羽根４は、図示された縦断面、すなわち羽根車３の回転軸ＲＡを含む断面において、外側に凸な形状を有する。一方、ケーシング２の内周面２ｓは、縦断面において、羽根４に対向する区間ＳＣで内側に凹な形状を有する。図示されているように、区間ＳＣにおいて、羽根４の凸な形状と、内周面２ｓの凹な形状とは、互いに対応している。なお、本明細書では、回転軸ＲＡに近い側を内側、回転軸ＲＡから遠い側を外側という。角度可変機構５は、羽根４の取付角度を変化させる。案内羽根６は、羽根車３よりも下流側に位置し、ケーシング２の内周面２ｓに固定される。
【００２１】
さらに、ターボポンプ１は、区間ＳＣの中央部に配置されるノズル７を含む。ノズル７は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射する。ここで、ノズル７が噴射する流体（以下、噴射流ともいう）の流量は、ケーシング２内の主流の流量に対して十分に少ないため、噴射流は主流に実質的には干渉しない。そのような噴射流の流量は、例えば主流の設計点流量の１０％未満でありうる。
【００２２】
なお、図１では、ノズル７が羽根車３の出口側に向けて流体を噴射するように図示されているが、これは説明のためにすぎない。本実施形態において、ノズル７の方向は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った面内で任意に設定されうる。例えば、ノズル７の方向は、羽根車３の回転に沿った方向、すなわち内周面２ｓの周方向でありうる。この場合、噴射流の方向は、羽根車３の回転と同じ方向であってもよいし、羽根車３の回転とは逆方向であってもよい。また、ノズル７の方向は、内周面２ｓの周方向に対して、羽根車３の入口側、または出口側に向かって傾いた方向であってもよい。さらに、後述するように、ノズ
ル７の方向は、例えば羽根４の取付角度に応じて可変であってもよい。
【００２３】
本実施形態において、噴射流は、外部の流体源からノズル７に供給される。噴射流の成分は、例えば主流の成分と同じであってもよい。あるいは、噴射流の成分は、少量が主流に混入することが許容される限りにおいて、主流とは異なっていてもよい。より具体的には、例えば、ターボポンプ１が井戸、海または川などで揚水に利用される場合、噴射流として少量の水道水が混入することは一般的に許容される。また、ターボポンプ１が物質の精製工程で利用される場合にも、噴射流の成分が主流の成分の一部であったり、そうでなくても噴射流の成分が後続の工程で主流から除去されたりするような場合には、噴射流が主流と異なる成分を有していてもよい。
【００２４】
図示された例において、ノズル７に噴射流を供給する経路には、電磁バルブ８およびブースターポンプ９が配置される。制御装置１０は、別途測定されたケーシング２内の主流の流量に基づいて、電磁バルブ８およびブースターポンプ９を制御する。これによって、ノズル７における噴射流の流量が適切に調節される。さらに、制御装置１０は、予め記憶されたターボポンプ１の流量−揚程特性に基づいて電磁バルブ８およびブースターポンプ９を制御してもよい。圧力センサ１１は、区間ＳＣにおける主流の圧力値を制御装置１０に提供する。制御装置１０は、例えば、流量および圧力などのデータを処理し、さらに電磁バルブ８などへの制御信号を発生させるプロセッサと、該プロセッサが動作するためのプログラムおよび流量−揚程特性などのデータを記憶するメモリとを有するコンピュータでありうる。なお、制御装置１０によって実行される制御の詳細については後述する。
【００２５】
上記のようなターボポンプ１では、ノズル７からの噴射流によって、区間ＳＣにおいて、ケーシング２の内周面２ｓに沿う流動層が形成される。この流動層は、ケーシング２内で主流を構成する流体と内周面２ｓとの間を分離することによって、羽根４の先端部とそれに対向する内周面２ｓとの間に形成されるコーナー部への高損失流体の集積を抑制する。従って、本実施形態では、高損失流体の集積によって生じる流れの剥離を抑制することができる。結果として、ターボポンプ１では、高損失流体に起因する流れの剥離によって生じる揚程の右上がり特性が改善される。
【００２６】
なお、本実施形態とは異なり、例えば羽根の取付角度が固定されており、縦断面における羽根の外側の形状がストレートである場合には、羽根車の入口側の領域で高損失流体の集積が発生しやすい。従って、この場合には、例えば特許第３０３０５６７号公報に記載されたように、羽根車の上流側でケーシングの内周面に沿って流体を噴射することによって、効果的に右上がり特性を改善することができる。
【００２７】
本実施形態に係るターボポンプ１では、上記のような場合とは異なり、縦断面において羽根４が外側に凸な形状を有する。本発明者らが実施した流体数値解析の結果、このような羽根形状の場合、高損失流体の集積が発生しやすいのは、羽根車３の入口側の領域とは限らなかった。より具体的には、この場合、羽根４の取付角度によって、羽根車３の中央部または出口側の領域でも高損失流体の集積が発生しうる。従って、ターボポンプ１では、内周面に沿って流体を噴射するノズルを羽根車３の上流側に配置しても、右上がり特性を効果的に改善することが困難な場合がある。より具体的には、高損失流体の集積が羽根車３の中央部、または出口側の領域で発生している場合、それらの領域に羽根車３の上流側に配置されたノズルからの噴流が届かない可能性がある。
【００２８】
そこで、本発明者らは、ケーシング２の内周面２ｓが羽根４に対向する区間ＳＣの中央部にノズル７を配置することを考案した。区間ＳＣの中央部に配置されたノズル７から内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射することによって、羽根車３の入口側に限らない広い領域で内周面２ｓに沿う流動層を形成することができる。これによって、上記の通り、羽
根４の先端部とそれに対向する内周面２ｓとの間に形成されるコーナー部への高損失流体の集積、およびそれによって生じる流れの剥離を抑制することができる。結果として、区間ＳＣの中央部にノズル７を配置したターボポンプ１では、上記のように羽根４および内周面２ｓの形状が変化したことによる高損失流体の発生状態の変化に適応して、効果的に右上がり特性を改善することができる。
【００２９】
ここで、上述の通り、ターボポンプ１において、高損失流体の集積による流れの剥離が発生しやすい領域は、羽根４の取付角度によって変化する。また、羽根４の取付角度が変化すると、ターボポンプ１の流量−揚程特性も変化するため、右上がり特性が生じる流量域も変化する。従って、本実施形態では、付加的に、制御装置１０が、ノズル７からの噴射流の流量、および／またはノズル７の方向を、羽根４の取付角度に応じて制御する。そのような制御の例について、以下でさらに説明する。
【００３０】
図２は、本発明の第１の実施形態における噴射流の制御の例について説明するためのグラフである。図２には、本実施形態に係るターボポンプ１において設定可能な羽根４の取付角度θごとの流量−揚程特性が示されている。なお、図示された例では３つの取付角度θ１〜θ３にそれぞれ対応する流量−揚程特性が定義されているが、他の例ではより多い、またはより少ない数の流量−揚程特性が定義されてもよい。図示された例では、取付角度θ１〜θ３のそれぞれに対応する流量−揚程特性において、異なる流量域で右上がり特性が観察されている。より具体的には、ケーシング２内の主流の流量Ｑが、互いに異なる限界流量ＱＲ１〜ＱＲ３よりも少ない流量域において、流量Ｑの増加に対して揚程Ｈが増加する右上がり特性がみられる。
【００３１】
このような流量−揚程特性に対応した噴射流の制御の例として、例えば、制御装置１０は、流量Ｑがそれぞれの流量−揚程特性における限界流量ＱＲ１〜ＱＲ３以上である場合には、ノズル７が流体を噴射しないように制御する。より具体的には、制御装置１０は、取付角度θ１であって、流量Ｑが限界流量ＱＲ１以上である場合には、電磁バルブ８を閉じる制御を実行する。取付角度θ２と限界流量ＱＲ２との組み合わせ、および取付角度θ３と限界流量ＱＲ３との組み合わせについても同様である。上記の通り、流量Ｑが限界流量ＱＲ１〜ＱＲ３以上である場合には揚程Ｈに右上がり特性が発生しない。従って、この場合にはノズル７が内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射する必要がなく、むしろターボポンプ１の最高効率を維持するためには流体を噴射しなくてもよい。
【００３２】
なお、上記のような制御は、例えば、制御装置１０が取付角度θ１〜θ３のそれぞれの場合の流量−揚程特性（図示されたグラフのような数値データ）を予め記憶し、それらの特性から限界流量ＱＲ１〜ＱＲ３を読み取ることによって実行される。あるいは、制御装置１０は、限界流量ＱＲ１〜ＱＲ３自体を予め記憶していてもよい。これらの場合、制御装置１０は、記憶された複数の流量−揚程特性、または限界流量ＱＲ１〜ＱＲ３から、角度可変機構５によって設定されている羽根４の取付角度θに応じたいずれかの流量−揚程特性または限界流量を選択する。このような制御を実行することによって、羽根４の取付角度θによって変動するターボポンプ１の特性に適合した制御を実行することができる。
【００３３】
さらに、制御装置１０は、電磁バルブ８の開度を段階的に制御したり、ブースターポンプ９の出力を制御したりすることによって、噴射流の流量を連続的に、または非連続的に制御してもよい。例えば、上記のような流量−揚程特性とは別に、主流の流量Ｑが異なる場合には、高損失流体の集積を抑制するために必要な噴射流の流量が異なりうる。そこで、例えば、制御装置１０は、圧力センサ１１によって提供された圧力値（揚程に対応する）から、ノズル７が流体を噴射したことによって右上がり特性が改善されたか否かを判定することができる。例えば、制御装置１０は、右上がり特性が改善されていれば噴射流の流量を減少させ、そうでなければ噴射流の流量を増加させることを繰り返すことによって
、羽根４の取付角度ごとに、適切な噴射流の流量を特定することができる。加えて、制御装置１０は、ノズル７から流体を噴射しない状態における流量Ｑと圧力センサ１１の圧力値とを蓄積することによって、自動的に羽根４の取付角度θごとの流量−揚程特性を特定することもできる。
【００３４】
また、制御装置１０は、羽根４の取付角度θに応じて、ノズル７の方向を制御してもよい。上述の通り、ターボポンプ１において、高損失流体の集積が発生しやすい領域は羽根４の取付角度θによって変化する。そこで、ノズル７に、ケーシング２の内周面２ｓに沿った面内での方向が可変になるような構造を設け、制御装置１０が羽根４の取付角度θに応じてノズル７の方向を制御してもよい。この場合、ノズル７の方向は、取付角度θごとに高損失流体の集積が発生しやすいとみなされている領域で内周面２ｓに沿う流動層が形成されるように制御される。ノズル７の方向を可変にする構造の一例としては、ノズル７を内周面２ｓに対して垂直な軸の回りに旋回可能な筒体とし、該筒体の側面に流体を噴射する開口を配置してもよい。この場合、ノズル７には、制御装置１０の制御に従って筒体を旋回させるアクチュエータが取り付けられる。
【００３５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、本実施形態の構成は、以下で説明する流体の供給経路に関する部分を除いては、上記の第１の実施形態と同様である。従って、重複した説明は、対応する構成要素に共通の符号を付することによって省略されている。
【００３６】
図３は、本発明の第２の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。図３を参照すると、本実施形態に係るターボ機械であるターボポンプ２１は、ケーシング２と、羽根車３と、角度可変機構５と、案内羽根６とを含む。さらに、ターボポンプ２１は、区間ＳＣの中央部に配置されるノズル７を含む。ノズル７は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射する。
【００３７】
本実施形態において、噴射流は、羽根車３の下流側に設けられた吸込口２２からバイパス流路２３を経由してノズル７に供給される。従って、噴射流の成分は、主流の成分と同じである。バイパス流路２３には、電磁バルブ２４が配置される。制御装置１０は、別途測定されたケーシング２内の主流の流量に基づいて電磁バルブ２４を制御する。これによって、ノズル７における噴射流の流量が適切に調節される。さらに、制御装置１０は、予め記憶されたターボポンプ２１の流量−揚程特性に基づいて電磁バルブ２４を制御してもよい。吸込口２２の位置では、ノズル７の位置よりも主流の圧力が高いため、別途のポンプなどを設けなくても噴射流を吸込口２２からノズル７に供給することができうる。しかしながら、例えばノズル７と吸込口２２との距離が近く、圧力の差が十分でないような場合には、第１の実施形態と同様のブースターポンプをバイパス流路２３に配置し、制御装置１０が電磁バルブ２４とともにブースターポンプを制御してもよい。
【００３８】
本実施形態に係るターボポンプ２１でも、第１の実施形態と同様に、ノズル７からの噴射流がケーシング２の内周面２ｓに沿う流動層を形成することによって、高損失流体の集積によって生じる流れの剥離が抑制され、揚程の右上がり特性が改善される。さらに、本実施形態では、噴射流が下流側にある吸込口２２からノズル７に供給されるため、外部の流体源を用意する必要がない。また、噴射流の成分が主流の成分と同じであるため、噴射流が主流に混入することによる影響が最小化される。ただし、主流の一部をバイパス流路２３を経由して噴射流として循環させるため、ターボポンプ１の効率は、外部の流体源を利用する第１の実施形態の方が高くなる。
【００３９】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。なお、本実施形態の構成は、以下で説明する追加のノズルに関する部分を除いては、上記の第１または第２の実施形態と同様である。従って、重複した説明は、対応する構成要素に共通の符号を付することによって省略されている。
【００４０】
図４は、本発明の第３の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。図４を参照すると、本実施形態に係るターボ機械であるターボポンプ３１は、ケーシング２と、羽根車３と、角度可変機構５と、案内羽根６と、ノズル７とを含む。ノズル７は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射する。
【００４１】
さらに、ターボポンプ３１は、羽根車３と案内羽根６との間に配置されるノズル３２を含む。ノズル３２は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射する。ここで、ノズル３２が噴射する流体（以下、ノズル３２の噴射流ともいう）の流量も、ノズル７の噴射流と同様に、ケーシング２内の主流の流量に対して十分に少ないため、噴射流は主流に実質的には干渉しない。より具体的には、ノズル３２の噴射流の流量も、例えば主流の設計点流量の１０％未満でありうる。
【００４２】
なお、図４では、ノズル３２が案内羽根６に向けて流体を噴射するように図示されているが、これは説明のために過ぎない。本実施形態において、ノズル３２の方向は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った面内で任意に設定されうる。例えば、ノズル３２の方向は、羽根車３の回転に沿った方向、すなわち内周面２ｓの周方向でありうる。この場合、ノズル３２の噴射流の方向は、羽根車３の回転と同じ方向であってもよいし、羽根車３の回転とは逆方向であってもよい。また、ノズル３２の方向は、内周面２ｓの周方向に対して、羽根車３側、または案内羽根６側に向かって傾いた方向であってもよい。さらに、第１の実施形態で説明されたノズル７の例と同様に、ノズル３２の方向は、例えば羽根４の取付角度に応じて可変であってもよい。
【００４３】
本実施形態において、噴射流は、第１の実施形態と同様に、外部の流体源からノズル７およびノズル３２に供給される。ノズル７に噴射流を供給する経路には、電磁バルブ８およびブースターポンプ９が配置される。また、ノズル３２に噴射流を供給する経路には、電磁バルブ３３およびブースターポンプ３４が配置される。制御装置１０は、別途測定された主流の流量に基づいて、電磁バルブ８および電磁バルブ３３、ならびにブースターポンプ９およびブースターポンプ３４を制御する。これによって、ノズル７およびノズル３２における噴射流の流量が適切に調節される。さらに、制御装置１０は、予め記憶されたターボポンプ３１の流量−揚程特性に基づいて、上記の電磁バルブおよびブースターポンプを制御してもよい。
【００４４】
なお、ノズル７またはノズル３２のいずれか、または両方について、第２の実施形態と同様に下流側に設けられた吸込口から噴射流を供給する構成も可能である。ノズル７についてこのような構成を採用する場合、吸込口２２は、例えば羽根車３とノズル３２との間に配置される。また、ノズル３２について上記のような構成を採用する場合、吸込口は、例えば案内羽根６の間、または案内羽根６よりもさらに下流側に設けられる。
【００４５】
本実施形態に係るターボポンプ３１でも、第１および第２の実施形態と同様に、ノズル７からの噴射流がケーシング２の内周面２ｓに沿う流動層を形成することによって、高損失流体の集積によって生じる流れの剥離が抑制され、揚程の右上がり特性が改善される。さらに、本実施形態では、羽根車３と案内羽根６との間に配置される追加のノズル３２からの噴射流も、内周面２ｓに沿う流動層を形成する。縦断面において羽根４が外側に凸な形状を有するターボポンプ３１では、案内羽根６の入口付近でも高損失流体が集積し、これによって流れの剥離が発生している。本実施形態では、追加のノズル３２を配置するこ
とによって、案内羽根６の入口付近における高損失流体の集積、およびそれによって生じる流れの剥離を抑制することができる。結果として、ターボポンプ３１では、追加のノズル３２を配置したことによって、さらに効果的に右上がり特性を改善することができる。
【００４６】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。なお、本実施形態の構成は、以下で説明するノズル配置に関する部分を除いては、上記の第３の実施形態と同様である。従って、重複した説明は、対応する構成要素に共通の符号を付することによって省略されている。
【００４７】
図５は、本発明の第４の実施形態に係るターボ機械の縦断面図である。図５を参照すると、本実施形態に係るターボ機械であるターボポンプ４１は、ケーシング２と、羽根車３と、角度可変機構５と、案内羽根６とを含む。さらに、ターボポンプ４１は、羽根車３と案内羽根６との間に配置されるノズル３２を含む。ノズル３２は、ケーシング２の内周面２ｓに沿った方向に流体を噴射する。本実施形態において、ノズル３２の噴射流は、第３の実施形態と同様に、外部の流体源からノズル３２に供給される。ノズル３２に噴射流を供給する経路には、電磁バルブ３３およびブースターポンプ３４が配置され、制御装置１０が、別途測定された主流の流量に基づいて電磁バルブ３３およびブースターポンプ３４を制御する。さらに、制御装置１０は、予め記憶されたターボポンプ４１の流量−揚程特性に基づいて、電磁バルブ３３およびブースターポンプ３４を制御してもよい。なお、第２の実施形態と同様に、ノズル３２の下流側に設けられた吸込口からノズル３２に噴射流を供給する構成も可能である。
【００４８】
上記の第３の実施形態との相違として、本実施形態では、ターボポンプ４１が、区間ＳＣの中央部に配置されるノズル７を含まない。従って、本実施形態では、羽根車３の領域で発生する高損失流体の集積による流れの剥離よりもむしろ、案内羽根６の上流側で発生する高損失流体の集積による流れの剥離が抑制される。例えば、上記の後者の方が揚程の右上がり特性の支配的な要因になっているような場合には、本実施形態を採用することによって、ターボポンプ４１の効率の低下を最小限に抑えながら、揚程の右上がり特性を効果的に改善することができる。
【００４９】
以上、本発明の第１〜第４の実施形態について説明した。これらの実施形態において、ターボ機械の例として説明されたターボポンプ１、ターボポンプ２１、ターボポンプ３１、およびターボポンプ４１は、いずれも斜流ポンプであった。しかしながら、本発明の実施形態は、軸流ポンプなどの他の種類のターボポンプ、およびポンプ以外のターボ機械をも含みうる。このような他の種類のターボ機械においても、上記の実施形態と同様に、ケーシングの内周面が羽根に対向する区間の中央部に配置されたノズルから内周面に沿った方向に流体を噴射することによって、高損失流体のために生じる右上がり特性などの不安定な特性を改善することができる。
【００５０】
また、上記の実施形態では、羽根の取付角度を変化させる角度可変機構が設けられたが、他の実施形態に係るターボ機械において、羽根の取付角度は必ずしも可変でなくてもよい。上記の実施形態において、ノズルからケーシングの内周面に沿った方向に流体を噴射することによって解決された課題は、羽根が縦断面において外側に凸な形状を有し、内周面がこれに対応して内側に凹な形状を有することによって発生したものである。つまり、この課題は、羽根の取付角度が可変であるか否かに関わらず発生する。従って、本発明の他の実施形態では、羽根およびケーシングの内周面が上記のような形状を有するのであれば、羽根の取付角度は可変でなくてもよい。
【００５１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本
発明の技術的範囲はかかる例に限定されない。本発明の技術分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【００５２】
１，２１，３１，４１    ターボポンプ
２    ケーシング
２ｓ    内周面
３    羽根車
４    羽根
５    角度可変機構
６    案内羽根
７，３２    ノズル
８，２４，３３    電磁バルブ
９，３４    ブースターポンプ
１０    制御装置
１１    圧力センサ
２２    吸込口
２３    バイパス流路
【図１】
2017040211.tif 000003
【図２】
2017040211.tif 000004
【図３】
2017040211.tif 000005
【図４】
2017040211.tif 000006
【図５】
2017040211.tif 000007