(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本の第１の溝と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記複数本の第１の溝を周方向に接続する第２の溝とを備えていることを特徴とするターボ機械。
【請求項２】
請求項１において、前記第１の溝の幅が５ｍｍ以上で、周方向に設けられた前記複数の第１溝幅の合計が、該溝が存在するケーシング内面周長に対し約３０〜５０％であり、かつ前記第１溝の深さは２ｍｍ以上で、該溝が存在するケーシング内面直径の約０．５〜１．６％になるように、前記第１溝が形成されているターボ機械。
【請求項３】
請求項１または２において、前記第２の溝はケーシング内面の羽根車存在域内に設けられているターボ機械。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記第２の溝の深さは前記第１の溝深さより浅く、または同程度の深さに形成されているターボ機械。
【請求項５】
請求項１〜３の何れかにおいて、前記第２の溝の深さは前記第１の溝深さより深く形成されているターボ機械。
【請求項６】
請求項１〜５の何れかにおいて、前記第２の溝は、周方向に断続的に複数本形成されているターボ機械。
【請求項７】
請求項１〜６の何れかにおいて、前記第２の溝は、ケーシング内面の羽根前縁位置またはその付近から、羽根存在域内または第１溝の終端位置にかけて形成されているターボ機械。
【請求項８】
請求項１〜６の何れかにおいて、前記第２の溝は、前記第１溝のターボ機械下流側終端位置から、ケーシング内面の羽根存在域内または羽根入口側にかけて形成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項９】
請求項１〜６の何れかにおいて、前記第２の溝は、ケーシング内面に、羽根入口側から前記第１溝のターボ機械下流側終端位置まで、螺旋状に巻かれて形成されているターボ機械。
【請求項１０】
ケーシングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する流体圧力勾配方向の複数本の溝とを備え、前記流体圧力勾配方向の溝は、羽根入口部付近からターボ機械の下流側方向に向かって、軸線に平行な方向から羽根車回転方向に曲げて形成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項１１】
ケーシングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケーシング内面の前記羽根車入口側に、周方向に複数本設けられた流体圧力勾配方向の第１の溝と、前記ケーシング内面の前記羽根存在域内に設けられた周方向の第２の溝と、前記第１の溝と第２の溝を接続する流路とを備えていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１２】
請求項１１において、前記流路は、ケーシング内面を迂回して設けられた溝、孔、配管またはチューブの何れかであるターボ機械。
【請求項１３】
ケーシングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケーシング内面の前記羽根車入口側に、周方向に複数本設けられた流体圧力勾配方向の第１の溝と、前記ケーシング内面の前記羽根存在域内に設けられた周方向の第２の溝と、前記ケーシング内面の前記羽根前縁付近に設けられた周方向の第３の溝と、前記第２の溝と第３の溝を接続する流路とを備え、前記流路は、ケーシング内面を迂回して前記第１溝の延長線上に形成され、前記第３の溝を介して第１の溝と連通されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１４】
シュラウドを有するクローズド形羽根車とこの羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機械において、前記羽根車の羽根入口付近をシュラウドのないオープン形に構成し、その羽根入口付近のシュラウドのない部分に対峙するケーシング内壁には圧力勾配方向の第１の溝をその周上に複数本配設し、該第１溝の入口側始端は羽根車の羽根先端入口側より上流側に、該第１溝の出口側終端は羽根車先端入口部より下流側に配置させ、さらに前記複数本の第１溝を周方向に接続する第２の溝を羽根入口付近のシュラウドのない部分に対峙するケーシング内壁に設けたことを特徴とするターボ機械。
【請求項１５】
羽根車とこの羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機械において、羽根車の羽根の入口側外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、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先端存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ第１の溝を周方向に複数本形成し、該第１溝のターボ機械下流側終端位置は、第１溝のターボ機械上流側終端位置の入口主流中に予旋回が発生するのを抑制するために必要な圧力の流体を取り出す位置とし、かつ前記第１溝を周方向に接続する第２の溝を前記羽根入口付近のケーシング内面に設け、前記第１及び第２の溝を設置するケーシングの部分はケーシングの他の部分とは別体に構成されていることを特徴とするターボ機械。
【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、形式及び流体に関わらず羽根入口の再循環流による旋回及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】
より詳細には、本発明は、非容積型の羽根車を有するポンプ、圧縮機或いは送風機等のターボ機械に関し、特に、羽根入口の再循環流の正流における予旋回や羽根旋回失速を抑制して流動不安定性を防止することが可能で、火力或いは原子力発電などで循環水ポンプ、排水ポンプ等として使用される斜流ポンプなどに好適なターボ機械に関するものである。
【０００３】
【従来の技術】
ターボ機械と総称される回転機械は、取り扱う流体及び形式によって以下のように分類可能である。
【０００４】
１．取り扱う流体
液体、気体
２．形式
軸流、斜流、遠心
例えば、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は、上流から下流に向かってサクションケーシング、ポンプ及びデフューザ等から構成されている。
【０００５】
ポンプのケーシング内で回転する羽根車（インペラ）は回転軸によって回転駆動され、サクションケーシングから吸い込まれた液体にエネルギを与える。デフューザ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。
【０００６】
上記斜流ポンプを含むターボ機械の典型的な揚程−流量の特性曲線（横軸は流量を表わすパラメータ、縦軸は揚程を表わすパラメータ）は次のようになる。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、流量がある特定の領域にある間は、流量が増加するにつれて揚程も増加する右上がり特性特性を持つものが普通であった。なお、流量が右上がり特性領域以上の領域では、流量が増加するにつれて揚程は再び低下する。
【０００７】
前記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。この右上がり特性は、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、このとき羽根車に入る流体の流路が狭められると共に、前記再循環流の影響で羽根車に入る流体に旋回が生じるために発生すると考えられている。
【０００８】
サージングはターボ機械だけでなく、上流及び下流に接続される配管にも損傷を与えるため低流領域での運用は通常禁止されている。また、ターボ機械のサージングや前記右上がり特性を改善し、運転領域を拡大するため、羽根の形状（プロフィル）を改善したり、次に示すような方法が提案されている。
【０００９】
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。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。
【００１０】
２．セパレータ
低流領域で羽根入口外縁に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配置し、再循環流の拡大を防止するものである。
【００１１】
軸流ターボ機械に適用されているセパレータの例としては、吸込リング方式、ブレードセパレータ方式、及びエアセパレータ方式がある。
【００１２】
吸込リング方式は、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方式は、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、エアセパレータ方式は、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、前二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。
【００１３】
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による旋回の発生を抑制するものである。
【００１４】
更に、従来のターボ機械の一例として斜流ポンプの場合について述べる。斜流ポンプの揚程−流量特性曲線（以下、揚程曲線という）は、全流量域でポンプが運転される場合、安定な運転が可能である右下がり特性の揚程曲線が要求されている。しかし、通常のポンプでは、ポンプの性能を表わす効率、揚程曲線の安定性、キャビテーション性能、締め切り軸動力などは、互いに相反する関係となっているのが一般的であった。すなわち、ある一つの特性の向上を図れば、他の特性が低下し、同時に二つ以上の特性向上を図ることは難しいという問題があった。例えば、効率を重視したポンプにおいては揚程曲線の一部に右上がり特性が顕著に現われ、不安定となる傾向があった。
【００１５】
安定な運転が可能である右上がりの揚程曲線を得るための従来技術としては、上述のように、ケーシングトリートメントやセパレータを設けることは既に知られている。なお、この種の公知例としては、米国特許第４，２１２，５８５号明細書に記載されたものなどがある。
【００１６】
また、この他に、ケーシング内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ複数本の溝を具備して、入口の旋回を抑制し右上がり特性のない揚程曲線を得るようにしたターボ機械も提案されている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術のケーシングトリートメント及びセパレータによれば、揚程曲線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ることは困難であった。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１％低下する。
【００１８】
また、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。
さらに、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内を結ぶ溝を形成するようにしたものでは、溝の加工が容易で、効率低下も少なく、かつ右上がり特性のない揚程曲線を得ることができる。しかし、ケーシングの内面に形成した複数の溝を羽根が回転しながら通過する時に、羽根からの流れと溝が干渉することにより圧力脈動が発生し、振動・騒音を増大させる可能性があることについては考慮されていない。
【００１９】
本発明の目的は、右上がり特性が改善された揚程−流量特性を有し、かつ効率低下も抑制でき、しかも振動及び騒音の増大も抑制できるターボ機械を得ることにある。
【００２０】
本発明の他の目的は、クローズド羽根車を有するターボ機械に対しても改善された揚程−流量特性を有し、効率低下と振動・騒音を抑制できるターボ機械を得ることにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明の第１の特徴は、ケーシングと、このケーシング内に設けられ複数の羽根を有する羽根車と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本の第１の溝と、前記ケーシングの内面に設けられ、前記複数本の第１の溝を周方向に接続する第２の溝とを備えているターボ機械にある。
【００２２】
前記第１の溝の幅は５ｍｍ以上で、周方向に設けられた前記複数の第１溝幅の合計が該溝が存在するケーシング内面周長に対し約３０〜５０％とし、かつ該第１溝の深さを２ｍｍ以上で、該溝が存在するケーシング内面直径の約０．５〜１．６％になるようにするとなお良い。
【００２３】
前記第２の溝はケーシング内面の羽根車存在域内に設けるのがより良い。また、好ましくは第２溝の深さは第１溝の深さより浅くするのが良い。
【００２４】
また、第２溝は、第１溝のターボ機械下流側終端位置から、ケーシング内面の羽根存在域内または羽根入口側にかけて形成するのがより良い。
【００２５】
本発明の第２の特徴は、ケーシング内面に設けられ、羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する流体圧力勾配方向の複数本の溝とを備え、前記流体圧力勾配方向の溝は、羽根入口部付近からターボ機械の下流側方向に向かって、軸線方向から羽根車回転方向に曲げて形成したものである。
【００２６】
本発明の第３の特徴は、ケーシング内面の前記羽根車入口側に、周方向に複数本設けられた流体圧力勾配方向の第１溝と、前記ケーシング内面の前記羽根存在域内に設けられた周方向の第２の溝と、前記第１の溝と第２の溝を接続する流路とを備えていることにある。
【００２７】
前記流路は、ケーシング内面を迂回して設けられた溝、孔、配管またはチューブ等で構成する。
【００２８】
本発明の第４の特徴は、ケーシング内面の前記羽根車入口側に、周方向に複数本設けられた流体圧力勾配方向の第１の溝と、前記ケーシング内面の前記羽根存在域内に設けられた周方向の第２の溝と、前記ケーシング内面の前記羽根前縁付近に設けられた周方向の第３の溝と、前記第２の溝と第３の溝を接続する流路とを備え、前記流路は、ケーシング内面を迂回して前記第１溝の延長線上に形成され、前記第３の溝を介して第１の溝と連通されていることにある。
【００３０】
本発明の第６の特徴は、シュラウドを有するクローズド形羽根車とこの羽根車を収容するケーシングを備えたターボ機械において、前記羽根車の羽根入口付近をシュラウドのないオープン形に構成し、その羽根入口付近のシュラウドのない部分に対峙するケーシング内壁には圧力勾配方向の第１の溝をその周上に複数本配設し、該第１溝の入口側始端は羽根車の羽根先端入口側より上流側に、該第１溝の出口側終端は羽根車先端入口部より下流側に配置させ、さらに前記複数本の第１溝を周方向に接続する第２の溝を羽根入口付近のシュラウドのない部分に対峙するケーシング内壁に設けたことにある。
【００３１】
本発明の第７の特徴は、ケーシングの内面に、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先端存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ第１の溝を周方向に複数本形成し、該第１溝のターボ機械下流側終端位置は、第１溝のターボ機械上流側終端位置の入口主流中に予旋回が発生するのを抑制するために必要な圧力の流体を取り出す位置とし、かつ前記第１溝を周方向に接続する第２の溝を前記羽根入口付近のケーシング内面に設け、前記第１及び第２の溝を設置するケーシングの部分はケーシングの他の部分とは別体に構成されていることにある。
【００３２】
本発明によれば、前記溝の羽根存在域内にて、第１溝の深さよりも浅いまたは同じ深さ、或いは大きな深さで、第１溝の一部を周方向に連続させる第２の溝を設けることにより、羽根が圧力勾配方向の溝を通過する際、溝と羽根車からの流れが干渉することにより生じる圧力脈動を緩和させ、圧力脈動により発生する振動・騒音の増大を抑制することができる。
【００３３】
また、前記溝（第１溝）を、羽根入口部付近からターボ機械下流側にかけて、羽根車の回転方向に傾斜（羽根の曲がりと逆方向に湾曲）させることでも、羽根車からの流れと溝との干渉を緩和させることができる。
【００３４】
さらに、圧力勾配方向の第１溝は羽根入口部までとし、周方向の第２溝と重ならないように構成し、入口主流（正流）中に予旋回が発生するのを抑制させるために必要な圧力の流体を取り出せるように、周方向の溝と圧力勾配方向に形成した溝とを連通するようにしても同様の効果が得られる。上記２つの溝は主流の流れるケーシング内面を避けて、ケーシングの外周側に設けた流路で接続するのが良い。このように、ケーシング内面の羽根存在域内に圧力勾配方向の溝を設けないようにでき、羽根車からの流体と溝との干渉を緩和できる。第１溝と第２溝を接続する流路は、主流に対して逆行する流体が羽根入口側へ流れこむように、第１溝の延長線上に形成するのが良い。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的実施例を図面を参照して説明する。
【００３６】
図１に本発明の第１の実施例を示す。図は、ターボ機械の代表的な例である斜流ポンプの羽根車部分の拡大断面図で、１はオープン羽根２２を備えたオープン型の羽根車である。羽根入口部に羽根からの逆流による再循環流が発生するのを抑制するために、羽根２２の外周側入口部付近のケーシング２内面に、流体圧力勾配方向の浅い溝（第１溝）２４が周方向に多数形成されている。この溝のターボ機械下流側終端位置ａは羽根存在域内とされ、羽根車で昇圧された流体の一部をこの溝２４を介してターボ機械上流側の低流量時に再循環流が発生する位置ｂに導くようにしている。これにより、下流側の昇圧された流体が再循環流の発生しやすい場所に噴出するから、再循環流の発生を抑制でき、ターボ機械入口主流が再循環流の影響で旋回流となるのを抑制できるから、羽根旋回失速の発生も防止した高性能のターボ機械を実現できる。
【００３７】
また、本実施例では、周方向に設けられた複数の第１溝２４の、羽根存在域内に相当する部分を周方向に連続させる第２の溝２５をケーシング内面に設けている。この第２の溝２５を設けない場合、羽根車の回転により羽根２２が溝２４を通過すると、軸方向（圧力勾配方向）に形成された第１溝２４と羽根車１からの流れが干渉し、圧力脈動が発生することがわかった。この発生した圧力脈動はターボ機械を加振させ、振動・騒音を増大させる。本実施例では、羽根存在域に周方向の第２の溝２５を設けるようにしたので、周方向に複数本形成された第１溝２４間の圧力差を第２溝２５内で緩和させ、第１溝２４と羽根２２によって生じていた圧力脈動を小さくすることができ、圧力脈動による振動・騒音の増大を抑制することが可能となる。
【００３８】
図２は、ターボ機械の揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線を示す図で、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。図において、白丸はケーシング内面に第１溝２４を形成しないターボ機械の揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線である。黒丸は第１溝を形成したターボ機械における揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線を示す。白三角は第１の溝２４とこの溝２４のターボ機械下流側の終端位置ａの近くに周方向の第２溝２５を形成したターボ機械における揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線を示す。
【００３９】
この図２から明らかなように、白丸の場合、無次元化流量が０．５〜０．６の範囲において、流量の増加に伴い揚程も増加する右上がり特性が存在する。黒丸の場合には右上がり特性が解消されている。本実施例である白三角においても、黒丸と同様の効果が確認されている。
【００４０】
図３はターボ機械の流量と振動加速度との関係を示す図で、白丸、黒丸、白三角はそれぞれ図２と同じターボ機械のデータである。図において、横軸は無次元化した流量、縦軸は無次元化した振動加速度である。この図３から明らかなように、白丸の場合と比べ、第１溝を有する黒丸の場合には、無次元化流量が０．５〜０．６付近で振動加速度がピークとなっており、また全範囲に渡って白丸の場合に比較し、振動が増大しているのがわかる。これに対し、第１、第２溝を有する白三角の場合は、黒丸に比べ振動加速度が大幅に改善されており、また無次元化流量が０．５〜０．６付近での振動加速度のピークもなく、振動が大幅に改善されていることがわかる。
【００４１】
図４はターボ機械の流量と騒音レベルとの関係を示す図で、白丸、黒丸、白三角はそれぞれ図２と同じターボ機械のデータである。図において、横軸は無次元化した流量、縦軸は無次元化した騒音レベルである。この図４から明らかなように、白丸の場合と比べ、黒丸の場合には、騒音レベルが増大している。この第１溝のみ有する黒丸の場合に対し、第１、第２溝を有する白三角（本実施例）の場合には、主要運転範囲である効率の高い流量範囲において、ケーシングに溝を形成しない場合（白丸）と同程度付近まで騒音レベルが大幅に低減されているのがわかる。
【００４２】
なお、図１に示す実施例では、周方向の第２の溝２５は、圧力勾配方向の第１溝２４の深さｄよりも浅い深さで、周方向に多数形成された第１溝の全てまたはいくつかを周方向に連通させている。
【００４３】
なお、この周方向の第２溝２５の深さは、圧力勾配方向の第１溝２４の深さｄと同等にしても良く、さらに第１溝深さｄより大きくしても良い。
【００４４】
また、周方向の第２溝２５の形成位置は、図１の例では、羽根２２の前縁Ｃの付近からターボ機械の下流側に向かって溝の終端位置ａよりもやや上流側の位置までとしているが、この第２溝２５の形成位置は、羽根２２の前縁Ｃの付近からターボ機械の下流側に向かって溝の終端位置ａまで形成（点線２５ａ参照）しても良い。さらに、図５に示すように、第２の溝２５は、溝の終端位置ａからそのやや上流側までの羽根存在域内に設けるようにしても良く、また点線２５ｂで示すように、溝の終端位置ａから羽根２２の前縁Ｃよりもターボ機械の上流側まで形成しても良い。
【００４５】
図６は図１に示すケーシング内面を展開して示す図で、この図に示すように、周方向の第２の溝２５は、周方向に形成された多数の圧力勾配方向の第１溝２４の全てを、周方向に連通させている。周方向の第２溝２５は、図７に示すように、周方向に形成された多数の圧力勾配方向の第１溝２４のうちのいくつかづつを連通するように、断続的に周方向に数本形成しても良い。さらに、図８に示すように、周方向の第２溝２５は、圧力勾配方向の第１溝２４が周方向に互いに連通されるように、羽根入口部分付近を巻始めとし、第１溝２４の終端位置ａまで螺旋状に形成してもよい。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施例を図９により説明する。
【００４７】
本実施例においても、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを連通する圧力勾配方向（軸方向）の複数本の溝２４を設ける点では上記第１の実施例と同じである。この実施例では更に、前記溝２４の前記羽根存在域内に相当する部分（羽根下流側）が、図に示すように、羽根車回転方向に傾斜（湾曲）させられている。このように構成することにより、羽根２２と溝２４との干渉を緩やかにし、圧力脈動の発生を低減し、振動・騒音の増大を抑制することができる。また、溝２４の羽根上流側は、軸方向とし、羽根により圧力が上昇した流体がこの溝２４を通って羽根車入口側に向かって逆流し、低流量時に発生する再循環流の発生場所へ噴出することにより、再循環流のために生じる旋回流や羽根旋回失速を抑制することができ、これによりターボ機械の揚程−流量特性曲線における右上がり特性を解消あるいは軽減させることができる。
【００４８】
図１０は本発明の第３の実施例を示す図である。図の（ａ）はケーシング内面の展開図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）である。
【００４９】
ケーシング２内面には、羽根車の入口側と羽根車の存在域内とを結ぶ軸方向（流体圧力の勾配方向）の第１の溝２４が、周方向に複数本形成され、また羽根車存在域内のケーシング内面には、一部を周方向に連続する第２の溝２５が形成されている。さらに、前記第１溝２４と第２溝２５とを連通するように流路２７がケーシング内面を迂回して形成されている。流路２７は溝２４の延長線上に存在し、第２溝２５及び流路２７を介して羽根２２で昇圧された流体の一部が第１溝２４に流れて、羽根入口側の再循環流発生場所に噴出される。これにより、上記実施例と同様に、ターボ機械の揚程−流量特性曲線における右上がり特性を解消あるいは軽減させることができる。
【００５０】
また、羽根車存在域のケーシング内面には軸方向の溝が形成されていないので、第１溝を羽根が通過する際の流れの干渉がなくなり、さらに第２溝２５により複数の第１溝２４間の圧力差も小さくするので、圧力脈動による振動・騒音の増大を抑制できる。
【００５１】
上記第３実施例の構造を実現する具体例を図１１に示す。図の（ａ）はケーシング内面の展開図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図（子午面断面）を示す。
【００５２】
ケーシングは２８、２９、３０で示すように軸方向に３分割されている。（ここで、ケーシング２８と２９が一体、若しくはケーシング２９と３０が一体構造となっていても差し支えはない。）ケーシング２８内面には、羽根入口側から羽根前縁部ｃまでを結ぶ軸方向（流体圧力の勾配方向）溝２４が、周方向に複数本形成されている。また、ケーシング２９の内周側には環状部材（ケーシング）３１が嵌合され、この環状部材３１のターボ機械下流側端面とケーシング３０端面とで円周方向の第２溝２５が形成されている。また、前記環状部材３１の背面側には、第１溝２４と第２溝２５とを連通するように流路２７が形成されている。（ｃ）に示すように、ケーシング２９内面と環状部材３１の溝を形成していない部分の外周面とを接合することにより、環状部材３１をケーシング２９内面に固定することができる。
【００５３】
次に、前記図１０に示す実施例の変形例を図１２に示す。図１０と異なる点は、ケーシング内面を迂回して設けられた流路３２が配管若しくはチューブにより構成されていることである。これにより、第２溝２５及び流路３２を介して、羽根により昇圧された流体を第１溝２４へ、主流に対して逆流し、羽根入口側の再循環流発生場所に噴出される。
【００５４】
図１０に示す実施例の他の変形例を図１３に示す。図の（ａ）はケーシング内面の展開図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００５５】
図１０と異なる点は、羽根２２の前縁部ｃにおけるケーシング内面に、周方向に多数形成された軸方向の第１溝２４を周方向に連通する周方向の第３の溝３３を、第２溝２５とは別に、設けたものである。第２溝２５と第３溝３３とは、流路２７を介して連通され、羽根２２により昇圧された流体は、第２溝２５、流路２７及び第３溝３３を介して第１溝２４に流入する構成となっている。
【００５６】
第１溝２４を羽根２２が通過する際に干渉により生じていた圧力脈動は、第２溝２５と第３溝３３により周方向に複数本設けられた第１溝２４間の圧力差を緩和させ、圧力脈動によるターボ機械の振動・騒音の増大を抑制できる。
【００５７】
本発明の第４の実施例を図１４により説明する。
【００５８】
この実施例は、ケーシング２内面に、羽根車１の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する流体圧力勾配方向の複数本の深い溝２４を形成し、この各溝２４内には、該溝深さより小さい厚さの可動部材３４を半径方向（垂直方向）に移動可能に設けている。可動部材３４は、ケーシング２内面の曲面と同じ曲面に構成されている。
【００５９】
この実施例の構造とすることにより、ターボ機械の揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生する運転領域では、図１４の（ａ）に示すように、外径方向に可動部材３４を移動させ、ケーシング内面に軸方向の浅い溝２４を形成する。この浅い溝２４により、羽根２２により昇圧された流体の一部が溝２４内を通り、主流に対し逆行して流れ、羽根入口の再循環流の発生領域へ噴出して、羽根車入口側の旋回流の発生及び羽根旋回失速を抑制し、ターボ機械の揚程−流量特性曲線の右上がり特性を解消または軽減することができる。
【００６０】
また、揚程−流量特性曲線の右上がり特性が発生しない運転領域においては、図１４の（ｂ）に示すように、内径方向に可動部材３４を移動させ、可動部材内面がケーシング内面と一致するようにして、前記浅い溝２４がない状態とする。このようにすることにより、前記右上がり特性が発生しない運転領域では、ケーシング内面に溝がない状態にできるから、羽根と軸方向の溝による流体の干渉がなくなり、圧力変動を解消できる。
【００６１】
このように、本実施例によれば、軸方向溝の影響で発生していた振動・騒音を全流量範囲で解消できる効果がある。
【００６２】
図１５は図１に示す本発明の第１実施例を、羽根車にシュラウドを有するクローズド形羽根車を使用するターボ機械（例えばクローズド形斜流ポンプ）に適用した例を示す。図１６は図１５のXIII−XIII線断面図である。
【００６３】
クローズド形羽根車１にはシュラウド１ａが設けられている。このシュラウド１ａは羽根の入口付近１ｃには設けられておらず、羽根車はシュラウドのない部分を有するセミオープン形羽根車となっている。シュラウドの最内径側部分にはマウスリング部１ｂが設けられ、これに対向する静止側のケーシング２内面にはケーシングリング５が設けられている。これらマウスリング部１ｂとケーシングリング５との間で回転軸封部が構成されている。羽根入口付近１ｃのシュラウドのない部分の羽根に対峙するケーシング内面２ａの内周上には、図１５，１６に示すように、軸方向の第１の溝２４が等間隔に、周方向に複数本配列されている。溝のターボ機械下流側終端位置ａは、羽根前縁から若干下流に入った位置（羽根入口付近１ｃのマウスリング部１ｂに近接した位置）まで存在し、溝２４のターボ機械上流側終端位置ｂは羽根車の羽根前縁よりも上流側に位置している。羽根車のシュラウド端面１ｄに対向するケーシング２の部分２ｇは、溝２４の下流側終端位置ａと軸方向にほぼ同一位置に構成され、また軸直角方向の面に構成されている。この面（部分）２ｇとシュラウド端面１ｄとは軸方向にδ１の隙間を隔てて対向している。２５は軸方向の第１溝２４の羽根存在域付近に形成された周方向の第２の溝で、この溝２５は周方向に複数本形成されている第１溝を連通し、第１溝よりは浅い溝に構成されている。
【００６４】
ターボ機械（ポンプ）が低流量域で運転されると、図１５に示すように、再循環流（逆流）６が発生する。本実施例では上記構成としたことにより、羽根車で昇圧された流れの一部が第１溝２４内を下流側終端位置ａから上流終端位置ｂに向かって逆流する。溝２４はポンプ軸方向に形成されているので、溝を流れる流体は、羽根車回転方向の成分を有することなく、低流量時再循環流発生場所に噴出し、これにより再循環流を弱め或いは消滅させるから、結果として再循環流の発生が抑制される。したがって、再循環流により羽根車入口側に生じる予旋回流や羽根旋回失速の発生も防止または抑制することができ、理論揚程の低下が小さくなり、ターボ機械の流量−揚程特性曲線の右上がり特性を改善できる。
【００６５】
また、軸方向溝２４を羽根２２が通過する際に生じる干渉による圧力脈動は、第２溝２５の存在により緩和され、また溝２４間の圧力差も緩和できるから、圧力脈動によりターボ機械が加振され、振動・騒音が増大するのを抑制できる。
【００６６】
なお、上述した実施例は主に斜流ポンプの例について述べたが、本発明はオープン羽根車あるいはクローズド形羽根車を有する遠心ポンプ、斜流送風機、斜流圧縮機等のターボ機械にも同様に適用することができる。
【００６７】
また、ケーシング内面に設けられた軸方向（流体圧力の勾配方向）の溝２４の断面形状は、図１７に示すように、矩形断面の他に、山形断面、丸形断面、台形断面などの形状に構成しても良い。周方向の溝２５，３３も同様な溝断面形状とすることができる。
【００６８】
ポンプの運転流量は、そのポンプ機場の吸込み側水位と吐き出し側水位との差として決まる実揚程と、そのポンプ機場の配管抵抗を合計して決まる抵抗曲線とポンプの揚程曲線との交点として決まる。効率を重視したポンプにおいては、最高効率流量を１００％流量としたときに、５０〜７０％流量付近の流量−揚程特性曲線の一部に右上がり特性が顕著に現われたり、５０〜７０％流量付近で右上がりにならなくても、揚程曲線に平らな部分が生じる傾向があった。特に、揚程曲線に右上がりの領域があると、揚程曲線と抵抗曲線との交点が複数になる場合があり、ポンプの吐出し量が変動して不安定となる。この傾向は、実揚程が高く、配管抵抗が小さい場合に顕著である。
【００６９】
従来は、最高効率と揚程の安定性とをバランスさせて右上がりのない揚程曲線になるようにしていたので、最高効率が下がる傾向にあった。また、ポンプに不安定領域がある場合には、ポンプの運転範囲を不安定が生じない範囲とせざるを得ず、運転範囲が狭くなっていた。このため、ポンプ一台の制御では不安定領域に入ってしまう場合、ポンプ容量を小さくて台数を増やす等の対策が必要であった。上記本発明を採用することにより、これらの従来の課題を解決することができる。さらに、本発明では、周方向溝を設けたことにより、軸方向溝と羽根車からの流れが干渉して圧力脈動が生じるのも軽減でき、圧力脈動がポンプを加振し、ポンプ本体や配管の振動、騒音を低減できる。したがって、本発明によれば、右上がり特性のない高性能のターボ機械を、住宅地に近接したポンプ機場等にも採用できる効果がある。
【００７０】
本発明は、斜流ポンプに適用して効果が大であり、特に回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、吐出し量をＱ（ｍ３／ｍｉｎ）としたとき、ポンプの特性を示す指数である比速度Ｎｓが、
Ｎｓ＝Ｎ×Ｑ０．５／Ｈ０．７５＝１０００〜１５００程度
のものに適用して特に顕著な効果がある。
【００７１】
また、そのポンプが適用されているポンプ機場の吸込水位と吐出水位から決まる実揚程が、ポンプの仕様点揚程に対し５０％以上であるようなポンプに適用して特に効果が大きい。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によれば、羽根車の入口側とケーシング内面の羽根車存在域内とを連通する複数本の第１の溝と、この複数本の第１の溝を周方向に接続する第２の溝とを備えているので、右上がり特性が改善された揚程−流量特性を有し、かつ効率低下も抑制でき、しかも振動及び騒音の増大も抑制できるターボ機械を得ることができる。
【００７３】
なお、流体圧力勾配方向の複数本の溝と、この溝内部を半径方向に移動可能に設けられ、溝の深さを変更できるようにした可動部材とを設けることでも上記と同様の効果を得ることができる。
【００７４】
また、本発明によれば、シュラウドを有するクローズド型羽根車を有するターボ機械に対しても、羽根入口付近のみをシュラウドのないセミオープン型構造とすることにより、上記と同様の効果を有するターボ機械を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示すターボ機械要部の子午面断面図である。
【図２】ターボ機械の揚程−流量特性曲線及び効率−流量特性曲線を示す線図である。
【図３】ターボ機械の流量と振動加速度との関係を示す線図である。
【図４】ターボ機械の流量と騒音レベルとの関係を示す線図である。
【図５】本発明の図１に示す実施例の変形例を示すターボ機械要部の子午面断面図である。
【図６】図１に示すケーシングの内面展開図である。
【図７】図６に示す例の変形例を示すケーシングの内面展開図である。
【図８】図６に示す例の他の変形例を示すケーシングの内面展開図である。
【図９】本発明の第２実施例を示すケーシングの内面展開図である。
【図１０】本発明の第３の実施例を示す図で、（ａ）はケーシング内面展開図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）である。
【図１１】図１０の第３実施例の構造を実現する具体例を示す図で、（ａ）はケーシング内面展開図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図（子午面断面図）、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図（子午面断面）である。
【図１２】図１０に示す実施例の変形例を示すターボ機械要部の子午面断面図である。
【図１３】図１０に示す実施例の他の変形例を示す図で、（ａ）はケーシング内面展開図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図１４】本発明の第４実施例を示す子午面断面図で、（ａ）は外径方向に可動部材３４を移動させた状態を示す図、（ｂ）は内径方向に可動部材を移動させた状態を示す図である。
【図１５】図１に示す本発明の第１実施例を、羽根車にシュラウドを有するクローズド形羽根車を使用するターボ機械に適用した例を示す要部の子午面断面図である。
【図１６】図１５のXIII−XIII線断面図である。
【図１７】ケーシング内面に形成する溝の断面形状の種々の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…羽根車、１ａ…シュラウド、２…ケーシング、２２…羽根、２４…第１の溝（圧力勾配方向または軸方向の溝）、２５…第２の溝（周方向の溝）、２７…流路、３１…環状部材（ケーシング）、３２…流路（パイプまたは配管）、３３…第３の溝（周方向の溝）。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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