(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝を、前記ケーシング内面の周方向において８０〜１５０本設け、且つ、前記ケーシング内面の全周における溝の溝幅の合計が、前記ケーシング内面の周長の３０〜５０％となるように設定したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項２】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、該溝の前記羽根存在域内における断面積を、前記羽根存在域外における該溝の断面積より大と設定したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項３】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝の前記ケーシング内面の周方向における配置を不等間隔としたことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項４】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記複数の溝の一部を、その断面形状を前記ケーシングの軸方向に一様な形状となし、他方、前記複数の溝の他の一部を、その断面形状を前記羽根存在域で異なる形状となし、且つ、前記一部の溝と前記他の一部の溝を交互に配設したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項５】
前記請求項４に記載したターボ形水力機械において、前記他の一部の溝の前記羽根存在域での断面積を、前記一部の溝の断面積よりも小さく設定したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項６】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝の羽根非存在域における羽根前縁近傍部分に、前記溝の底面から前記ケーシングの肉厚を貫通する孔を穿孔し、且つ、前記ケーシングの外周面にリング状の部屋を設け、当該リング状の部屋を前記ケーシング内の前記貫通孔より上流の位置へ導通させたことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項７】
搬送される流体内に、少なくとも、その内部に羽根車を収納したケーシングと吸込み口とを埋没し、当該ケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝の羽根非存在域における羽根前縁近傍部分に、前記溝の底面から前記ケーシングの肉厚を貫通する孔を穿孔したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項８】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記羽根存在域部における前記溝の長さを、前記羽根車の羽根は、当該羽根の如何なる周方向位置にもかかわらず、前記ケーシング内面上で少なくとも１本以上の前記溝と交差するように設定したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項９】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、当該溝を前記流体圧力の勾配方向に二層構造とし、かつ、前記羽根車からの逆流は前記ケーシング内面に対して深い側に形成された層の流路を通り、他方、前記羽根車に向かう正流は前記ケーシング内面に対して浅い側に形成された層の流路を通るようにしたことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項１０】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記羽根車の羽根の先端における圧力面とその厚み方向の外周面とのなす稜に、当該羽根の厚さの１／４〜１／２の半径を有する丸みを形成したことを特徴とするターボ形水力機械。
【請求項１１】
内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記羽根車の羽根の先端の周方向に、当該羽根の負圧面側に羽根厚さの１／４〜１の幅で突出したフィンを形成したことを特徴とするターボ形水力機械。
【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、その形式や流体に関わらず、羽根入口の再循環流による羽根旋回及び羽根旋回の失速を抑制することにより、内部に流れる流体（特に、真水や海水等を含む水）内に発生する流動不安定性を防止することの可能なターボ形水力機械に関する。
【０００２】
更に詳細には、本発明になるターボ形水力機械は、特に、非容積型の羽根車を有しており、その取り扱い流体が液体（真水や海水等を含む水）であるポンプ、あるいは、ポンプ水車に関している。すなわち、本発明によれば、羽根入口における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体内に発生する流動不安定性を防止することが可能で、かつ、振動・騒音増大を伴う羽根車におけるキャビテーションの発生を低減することが可能であり、特に、都市の排水ポンプ、火力或いは原子力発電所などで使用される循環水ポンプ等に適用される斜流ポンプに好適である。
【０００３】
【従来の技術】
図１３は、図１４に示す斜流ポンプを含む従来技術になるターボ機械の典型的な揚程−流量特性であって、横軸は流量を表わすパラメータ、縦軸は揚程を表わすパラメータである。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。
【０００４】
なお、上記した従来技術のターボ機械における揚程−流量特性の右上がり特性は、ターボ機械を流れる流体の流量が低く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１４参照）。
【０００５】
かかる従来技術のターボ機械における右上がり特性を改善するために、例えば、平成１０年（１９９８年）１１月１日〜１１月６日に開催された日米科学協力事業セミナーにおいて発表された「A New Passive Device to Suppress Several Instabilities in Turbomachines by Use of J-Groove」（ターボ機械協会、平成１０年１１月１日発行）に示されるように、斜流ポンプのケーシング内面に複数本のポンプ軸方向（流体圧力の勾配方向）の溝を設置することが、本願の発明者である黒川淳一氏らにより既に提案されており、既に知られている。
【０００６】
なお、上記に関連する先願としては、例えば、特願平１１−１１７５００号「ターボ機械」、特願平１１−２０１３０２号「ターボ機械」、特願２０００−４５０９９号「ターボ機械及びそれを利用したポンプ機場」、特願２０００−８１７３４号「ターボ機械」等が、やはり、本願の発明者等によって既に提案され、出願されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術になるターボ機械では、ターボ機械における右上がり特性を改善するためにケーシング内面にポンプ軸方向（流体圧力の勾配方向）の溝を設置する方策が採られているが、しかしながら、他方、本発明者等によれば、かかるケーシング内面に形成される溝を設置する方策では、ケーシング内に発生するキャビテーションにより、次の様な問題が起こる場合があることが認識された。
【０００８】
すなわち、この問題となるキャビテーションとは、例えば、ポンプ内を流れる液体の圧力が飽和蒸気圧近くまで低下した際、液体中に気化によって多数の気泡が発生する現象であり、この発生した気泡はポンプ内部を流動し、また、ポンプ内部の圧力回復に伴い気泡が崩壊する。そして、かかるキャビテーションの発生は、羽根車やケーシング壁面に損傷を与えると共に、ポンプに振動・騒音の増加、性能の低下といった弊害を生じることがある。
【０００９】
また、図１５は、キャビテーションの影響による振動・騒音の代表例として振動加速度の実験結果を示しており、この図において、横軸は無次元化した流量を、縦軸は無次元化した振動加速度を示している。特に、図の黒丸はケーシングに溝を形成しないポンプのＮＰＳＨが高い状態を、白丸はケーシングに溝を形成しないポンプのＮＰＳＨが低い状態を、黒三角はケーシング内面に圧力勾配方向の溝を形成しＮＰＳＨが高い状態を、そして、白三角はケーシング内面に圧力勾配方向の溝を形成しＮＰＳＨが低い状態の流量−振動加速度を示す。なお、ここで、 ＮＰＳＨとは有効吸込ヘッドを意味し、羽根車の基準面上の液体が持つ全圧が、その液体のその温度における飽和蒸気圧よりいくら高いかを表すものである。つまり、このＮＰＳＨが低くなればなる程、飽和蒸気圧に近づき、キャビテーションが発生しやすい状態になる。
【００１０】
上記図１５に示すように、ケーシングに溝を形成しないポンプでは、その黒丸と白丸は、ＮＰＳＨが高い黒丸とＮＰＳＨが低い白丸とを比較しても、φ＝０．６〜１．０の間で、白丸が最大で１．３倍程度その振動が大きくなっているが、特に問題にはならない。しかしながら、ケーシング内面に圧力勾配方向（軸方向）の溝を形成した場合の特性を示す黒三角と白三角では、図からも明らかなように、 ＮＰＳＨが高い黒三角とＮＰＳＨが低い白三角とを比較すると、ポンプのＮＰＳＨが低い白三角では、φ＝０．６〜１．０の間で、振動が最大で２．１倍程度となり、ポンプの振動・騒音が異常に増大することが見受けられる場合がある。
【００１１】
この原因は、ポンプ内部のキャビテーションの発生状態の観察、及び、キャビテーションが発生していない場合におけるポンプ内部での流れの乱流解析に基づき、以下のように説明される。
【００１２】
すなわち、ポンプの小形化を狙った小外径の羽根車では、羽根の負荷が大きく、そのため、羽根の負圧面と圧力面の圧力差が大となり、ＮＰＳＨが低い場合には、羽根車羽根１２２とケーシング２との隙間３には、図１６及び図１７に示すように、キャビテーション４が発生する。なお、図１６は、溝１２４が設置されたケーシング内面を模式的に展開した図を示しており、また、図１７は羽根車羽根のポンプ軸に直交する横断面による断面図である。この隙間３に発生したキャビテーション４は、羽根１２２の負圧面側に発達し、また、キャビテーションの後端は上記溝１２４に達する。
【００１３】
一方、図１８に示すように、その溝１２４内では、羽根車から上流側へ向かう流体の流れ５１と、上流から羽根車へ入ろうとする流体の流れ５２とが対向し、上記溝１２４内には流れが淀む領域が発生する。さらに、かかる領域にキャビテーション４が到達すると、このキャビテーションは流れ去らずに溝内に滞留し、そこで崩壊する。そして、このキャビテーションの崩壊により、ポンプには大きな騒音や振動がもたらされる。
【００１４】
本発明は、上記に詳述したように、右上がり特性の揚程−流量特性を解消するためにケーシング内面に形成される溝を設置することにより発生する場合があるキャビテーションという課題に鑑みてなされたものであって、かかる本発明の目的は、本発明者等によって認識されかつ解析された上記のキャビテーション現象による問題点を解消し、もって、右上がり特性のない揚程−流量特性を有し、且つ、キャビテーションに伴う振動及び騒音の増大を抑制したターボ機械を得ることにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、まず、内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝を、前記ケーシング内面の周方向において８０〜１５０本設け、且つ、前記ケーシング内面の全周における溝の溝幅の合計が、前記ケーシング内面の周長の３０〜５０％となるように設定したターボ形水力機械が提供されている。かかるターボ形水力機械の構成によれば、羽根先端の隙間で発生して溝に入り込むキャビテーションの終端部における不安定な流体の流れを、上記した多数の溝によりガイドして安定化し、もって、キャビテーションの崩壊に伴う振動・騒音を緩和させることが出来る。
【００１６】
また、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、該溝の前記羽根存在域内における断面積を、前記羽根存在域外における該溝の断面積より大と設定したターボ形水力機械が提供されている。かかる構成によれば、やはり、羽根先端の隙間に生じるキャビテーションによる振動・騒音を低減することが出来る。
【００１７】
さらに、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝の前記ケーシング内面の周方向における配置を不等間隔としたターボ形水力機械が提供されている。すなわち、上述の構成によれば、上記した溝をケーシングの内周方向に一様に等間隔で配列するのではなく、これらを不等間隔とする。これによれば、回転する羽根車の羽根と静止している溝の流路との間に生じる一種の干渉により生ずる圧力変動を不規則なものとし、もって、周期的に溝にキャビテーションが滞留することを抑制することが可能となり、キャビテーションによる振動・騒音を低減することが出来る。
【００１８】
また、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内面（内周面）に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記複数の溝の一部を、その断面形状を前記ケーシングの軸方向に一様な形状となし、他方、前記複数の溝の他の一部を、その断面形状を前記羽根存在域で異なる形状となし、且つ、前記一部の溝と前記他の一部の溝を交互に配設したターボ形水力機械が提供されている。また、本発明によれば、上記したターボ形水力機械において、前記他の一部の溝の前記羽根存在域での断面積を、前記一部の溝の断面積より大きく設定している。より具体的には、例えば、一部の溝の形状は軸方向に一様な形状とし、他の一部の溝の形状は羽根存在域内ではその溝幅が上記溝幅より小で、且つ、その深さも大とし、これらを交互にあるいは一つ置きに配設し、もって、溝部における流体の流れを一様とせずにむしろ異ならせる。すなわち、キャビテーション形状を異ならせ、もって、崩壊時の振動・騒音を緩和させるものである。
【００１９】
さらに、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内周面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝の羽根非存在域における羽根前縁近傍部分に、前記溝の底面から前記ケーシングの肉厚を貫通する孔を穿孔し、且つ、前記ケーシングの外周面にリング状の部屋を設け、当該リング状の部屋を前記ケーシング内の前記貫通孔より上流の位置へ導通させたターボ形水力機械が提供されている。すなわち、かかる構成によれば、溝部をケーシング外周のリング状の部屋と連通することにより、キャビテーションの滞留を抑制し、キャビテーションの発生を抑制せんとするものである。
【００２０】
さらに、本発明によれば、搬送される流体内に、少なくとも、その内部に羽根車を収納したケーシングと吸込み口とを埋没し、当該ケーシングの内周面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記溝の羽根非存在域における羽根前縁近傍部分に、前記溝の底面から前記ケーシングの肉厚を貫通する孔を穿孔したターボ形水力機械が提供される。かかる構成によれば、溝部を例えばポンプが水没される水槽と連通することにより、キャビテーションの滞留を抑制し、キャビテーションの発生を抑制せんとするものである。
【００２１】
さらに、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内周面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記羽根存在域部における前記溝の長さを、前記羽根車の羽根は、当該羽根の如何なる周方向位置にもかかわらず、前記ケーシング内面上で少なくとも１本以上の前記溝と交差するように設定したターボ形水力機械が提供されている。かかる構成によれば、羽根が如何なる位置であっても、常に、各溝は少なくとも１枚以上の羽根と交わることから、当該溝の羽根車側の終端での圧力と吸込み側の始端での圧力との差を大とすることが出来る。これにより、溝を通る流体の流れが増大し、キャビテーションが溝に滞留することを抑制し、かつ、キャビテーションによる振動・騒音の増大を抑制することが可能となる。
【００２２】
さらに、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内周面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、当該溝を前記流体圧力の勾配方向に二層構造とし、かつ、前記羽根車からの逆流は前記ケーシング内面に対して深い側に形成された層の流路を通り、他方、前記羽根車に向かう正流は前記ケーシング内面に対して浅い側に形成された層の流路を通るようにしたターボ形水力機械が提供されている。すなわち、正流と逆流とが溝内で衝突することがないように溝を構成し、もって、溝内にキャビテーションが滞留することを抑制せんとするものである。
【００２３】
加えて、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内周面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記羽根車の羽根の先端における圧力面とその厚み方向の外周面とのなす稜に、当該羽根の厚さの１／４〜１／２の半径を有する丸みを形成したターボ形水力機械が提供されている。すなわち、羽根の圧力面側の先端エッジに羽根厚さの１／４〜１／２の半径を持つ丸みを設け、羽根先端エッジからキャビテーションが発生を抑制せんとするものである。
【００２４】
そして、本発明によれば、内部に羽根車を収納したケーシングの内周面に、羽根入口側と前記ケーシング内面の羽根存在域内を結ぶように、流体圧力の勾配方向に、複数の溝を具備してなるターボ形水力機械において、前記羽根車の羽根の先端の周方向に、当該羽根の負圧面側に羽根厚さの１／４〜１の幅で突出したフィンを形成したターボ形水力機械が提供されている。すなわち、羽根の負圧面側先端部に羽根厚さの１／４〜１の幅を持つフィンを設置し、羽根先端隙間における漏れ流れを抑制し牽いてはキャビテーションの発生を抑制するものである。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
まず、図１９は、一般的な斜流ポンプの拡大断面図であって、図１４に示した斜流ポンプ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の逆流による旋回を抑制したターボ機械にあっては、ケーシング２の内面の羽根１２２の中程の位置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（ケーシングの軸方向）に浅い溝１２４が形成される。すると、羽根により圧力の上昇した流体（すなわち、真水や海水等を含む水等の液体）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、もって、再循環流による旋回および羽根旋回失速の発生を防止する。
【００２６】
次に、図１には、本発明の第１の実施形態になるターボ機械であるターボ形水力機械が示されている。そして、本発明によれば、特に、図１（ｂ）に示すように、ケーシング２の内面に形成された複数の溝の溝幅は、ケーシング内に回転可能に収納される羽根車の上記羽根１２２の厚さ程度に設定され、かつ、その溝の本数ｎは次式で表される。
ｎ＝π×Ｄ／（Ｗｇ＋Ｐｇ）                          （数１）
ここで、Ｄ：ケーシングの内径、Ｗｇ：溝幅、Ｐｇ：溝の間隔である。
【００２７】
ところで、本実施例では、発明者等の種々の実験や知見に基づき、上記ケーシング２の内面に形成された複数の溝の本数を、従来の一般的な溝数よりも数倍多く設定することにより、羽根先端の隙間で発生して溝に入り込むキャビテーションの終端部における不安定な流体の流れをガイドして安定化し、もって、キャビテーションの崩壊に伴う振動・騒音を緩和させるものである。より具体的に説明すると、まず、溝幅Ｗｇは、羽根のシュラウド側の先端肉厚ｔ、あるいは、それ以下の値に設定される。例えば、ケーシングの内径Ｄ＝２５０ｍｍで、溝の本数ｎは、従来技術の実施例における２８本に対して、その約４倍である１００本に設定されている。なお、発明者等による実験によれば、上記ケーシング２の内面に形成された複数の溝の本数は、８０本〜１５０本程度の範囲内で設けることにより、所望の効果が得られることが確認されている。
【００２８】
また、その溝幅は、上記溝の本数に反比例して、従来の実施例での１２ｍｍよりも狭くし、例えば３ｍｍに設定し、かつ、これに伴い、溝と溝との間の間隔Ｐｇは、上記の（数１）から求まることとなり、４．８ｍｍである。この場合、羽根の厚さは５ｍｍ程度である。また、全周の溝幅の合計がケーシング内面周長の３０〜５０％になることが望ましいことが、やはり、発明者等による実験により確認されている。
【００２９】
なお、このように構成された流路においては、例えば、低い値のＮＰＳＨにおいて、羽根車の羽根の先端における約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの隙間にキャビテーションが発生すると、図２０に示すように、発生したキャビテーション４の幅Ｗｃは、溝の幅Ｗｇと同じ程度あるいはそれ以上となる。
【００３０】
ところで、一般に、上記キャビテーションによる気泡が崩壊する場合、その崩壊領域に案内板やフィン等が設置されると、流体の流れにおける不安定性が低減され、これにより、キャビテーションの崩壊の強さも同時に低減することが、実験的にも知られている。従って、溝に進入したキャビテーション気泡の流れは、溝１２４という固定壁によりその運動が拘束を受け、気泡の流れの自由な運動が制限される。その結果、キャビテーション気泡を含む流れは、これら多数の溝の側壁による案内効果によって溝方向に導かれて整流され、もって、安定な流れとなる。その結果、キャビテーションの激しい崩壊に起因する振動や騒音が軽減されることになる。
【００３１】
このように、キャビテーションによる振動・騒音を軽減させるには、キャビテーション気泡（又は、その大きさ）に対して、その近傍に案内板やフィン等の固定壁が必要でり、特に、上記したような溝の場合には、当該溝の溝幅Ｗｇがキャビテーションの幅と同等であるか、あるいは、それ以下である必要がある。また、溝と溝の間隔Ｐｇも、上記した溝幅Ｗｇと同程度であることが望ましい。従って、本実施例では、羽根の先端隙間に生ずるキャビテーションの幅Ｗｃが、溝幅Ｗｇと同程度になるよう設定されている。
【００３２】
なお、上記の溝によるポンプ揚程曲線の安定性改善の機構は、従来技術と同じである。しかしながら、上述したように、本発明になるターボ形水力機械では、上記ケーシング２の内面に形成された複数の溝の本数を、上述したように、８０本〜１５０本程度の範囲内で設けることにより、溝幅Ｗｇは従来技術のものより狭く、且つ本数が大である。そのため、かかる多数の溝を通る流れと主流との相互作用は、溝幅が広く本数も小なる従来技術に比べて、その逆流の整流効果が増大し、かつ、溝から流出される逆流と羽根車内へ入ろうとする正流との接触・混合面積も増大するため、当該溝による機能はより確実なものとなり、揚程曲線の安定化はより顕著に現れることとなる。なお、上記の溝は、その本数を１５０本より大幅に増大させても、その効果は顕著に表れず、むしろ、その加工において困難となることから好ましくない。
【００３３】
次に、図２には、本発明の第２の実施例になるターボ形水力機械において、その特徴部となる内面側に溝が形成されたケーシング２の一部を、その拡大断面図により示す。本実施例では、羽根存在域付近の下流部における溝１２４の深さを、上流部の溝の深さよりも大と設定した構成となっている。このような構成においては、図に二点鎖線で示す羽根１２２の圧力面から負圧面側へ向かって漏れる流体の流れにより生じ、かつ、上記溝内を羽根車から上流に向かって逆流する流れの流量は、溝１２４の下流部の深さが深いため、上流から羽根車へ流れ込もうとする正流の流れよりも大となる。なお、上記溝１２４の幅は一定であり、その本数は、従来と同様に約２０本〜３０本程度の範囲で適宜選択されており、本例では、例えば２８本としている。
【００３４】
従って、上記図１８に示したような、正流５２と逆流５１との衝突による流体の流れにおける淀み域は無くなり、溝１２４内では逆流５１が支配的となる。そうすれば、羽根１２２とケーシング２との隙間に発生したキャビテーション気泡は、上記溝１２４に入っても上流部へ流されて滞留することは無く、溝内の圧力も徐々に高くなり、キャビテーション気泡の崩壊も徐々に進行することから、その急激な崩壊は生じない。その結果、隙間でキャビテーション４が発生し、かつ、そのキャビテーションが溝内に進入しても、当該キャビテーションによる振動・騒音は低減されることになる。
【００３５】
続いて、図３により、本発明の第３の実施例になるターボ形水力機械における溝が形成されたケーシング２の一部が、その拡大断面図により示されている。この図からも明らかなように、本実施例でも、羽根存在域付近（下流部）の溝の深さを上流側の溝深さより大とし、且つ、その溝深さは、下流部から上流部に向かうに従って連続的に浅くなるように形成している。なお、上記溝１２４の幅は一定であり、その本数も、本例では上記と同様に２８本としている。
【００３６】
上記の溝１２４による作用・効果は、上述した第２の実施例におけると同様であるが、本実施例では、上記の作用・効果に加え、さらに、図からも明らかなように、上記溝１２４の上流部には段部がないことから、当該溝の加工がより容易となる。
【００３７】
さらに、図４には、本発明の第４の実施例になるになるターボ形水力機械における溝が形成されたケーシング２の一部が、その拡大断面図により示されている。すなわち、この実施例では、羽根１２２の存在域付近において、子午面の流路がシュラウド側の出口に向かってその径を大きくしてなるテーパ部分にのみ溝１２４を設置したものである。換言すれば、上記図２あるいは図３において、上流部の平行あるいは縮小流路の溝長さを短くした構成である。作用・効果は第３の実施例と同じであるが、溝の加工がより容易となる特長がある。なお、ここでも、上記溝１２４の本数は、上記と同様に２８本としている。
【００３８】
また、図５には、本発明の第５の実施例になるになるターボ形水力機械における溝が形成されたケーシング２の内周面の一部、すなわち、溝１２４が設置されたケーシングの内面が展開されて、模式的に平面により示されている。この実施例では、図からも明らかなように、羽根１２２の存在域における溝の幅５を羽根が存在しない上流部の溝の幅６よりも大とし、その間を連続的に溝幅が変化するようにテーパー状としている。なお、溝１２４の深さは一定であり、そのため、その断面積は、羽根存在域での溝１２４の断面積は、羽根の存在しない上流域での溝１２４の断面積よりも大となっている。また、ここでも、上記溝１２４の本数は、上記と同様に２８本である。なお、その作用・効果は、上記図３に示した第３の実施例におけると同様である。また、本実施例では、上記ケーシング２の内周面に形成された溝１２４を流れる流量を大きく出来るので、揚程曲線を安定化する作用は、上記の他の実施例より一層大である。
【００３９】
さらに、図６には、本発明の第６の実施例になるになるターボ形水力機械を示す。この例でも、上記図５と同じように、溝１２４を設置したケーシング内面を模式的に展開した状態が示されている。そして、この実施例では、図からも明らかなように、上記溝１２４の断面形状は、羽根の存在しない上流域では一定であり、一方、これに隣接する羽根存在域（下流域）での溝１２５の溝幅Ｗｇは狭くなっている。なお、これらの溝１２４及び１２５の深さは一定である。また、ここでも、上記溝１２４の本数は、上記と同様に２８本である。
【００４０】
このように、溝幅Ｗｇを、羽根存在域（下流域）で狭くすることによれば、上記図１に示した第１の実施例におけると同様に、発生するキャビテーションの崩壊の強さを低減する効果がある。しかしながら、かかる狭い幅の溝１２５のみだけを設けた場合、かかる溝が本来果たすべき揚程曲線を安定化するだけの逆流が得られなくなってしまう。そこで、この溝幅Ｗｇが狭い溝１２５と溝幅Ｗｇが広い溝１２４とを交互に配設し、これにより、逆流量をも確保しながら揚程曲線の安定化を図ろうとするものである。
【００４１】
また、上記ケーシング内周面の羽根存在域（下流域）において、上記のような２種類の形状の溝（即ち、溝幅Ｗｇが広い溝１２４と溝幅Ｗｇが狭い溝１２５）が交互に存在すると、その一方で、キャビテーションの発生挙動における非定常性が増すことともなり、安定で強力なキャビテーションは発生し難くなる。加えて、例えキャビテーションが発生しても、発生したキャビテーションは弱いものとなってしまう。従って、キャビテーション気泡崩壊により発生する振動・騒音の強さも軽減される。
【００４２】
続いて、図７には、本発明の第７の実施例になるターボ形水力機械を示す。なお、図７（ａ）は、その内周面に溝を設置したケーシングを模式的に展開して示した図であり、一方、図７（ｂ）は、上記の溝を設置したケーシングの構造を示す断面図である。
【００４３】
これらの図からも明らかなように、この実施例は、上記図２の実施例２で示したような構造、すなわち、羽根存在域（下流部）における溝の深さを大とするものにおいて、さらに、その下流部での溝の幅を狭くした深溝１２６を延長して設けたものである。ここでも、上記溝１２４の本数は、上記従来技術と同様に２８本に設定されている。
【００４４】
このような構成によれば、上記の溝１２６には、羽根車内の出口に近い圧力の高い流体（水）を流すことが可能となることから、深溝１２６内には確実に逆流を発生させることが可能となり、これにより、羽根１２２の入口付近の溝に滞留したキャビテーション気泡を、溝１２６の上流部に確実に流出させることができる。すなわち、このことは、子午面長さの方向における（即ち、図のｊ−ｊ断面における）深溝１２６の長さが大であることから、羽根車の羽根１２２の周方向の如何なる位置に存在しても、常に、この深溝１２６は何れかの羽根１２２と交差するように設計することが可能となる。そして、このことによれば、深溝１２６や溝１２４を流れる逆流をより確実なものとすることが出来、その結果、先の第２の実施例と同様に、あるいは、より確実で強力な方法で、その作用・効果を発揮し、すなわち、キャビテーション崩壊に基づく振動・騒音をより確実かつ大幅に低減することを意味する。
【００４５】
なお、以上において上記図２〜図７により示した、本発明になる第２〜第７の実施例では、ケーシング内周面の羽根存在域（下流域）において形成される溝１２４の本数は、従来と同様に２８本程度であるが、しかしながら、本発明によればこれに限定されることなく、すなわち、上記図１に示した実施例と同様に、この溝１２４の本数を従来の数倍程度、例えば、約４倍である１００本程度（８０本〜１５０本の範囲）に設定することも可能であり、これによれば、キャビテーションの発生がより効果的に防止され、あるいは、抑制されることとなる。
【００４６】
さらに、図８は、本発明の第８の実施例になるターボ形水力機械であり、図８（ａ）に示すように、ベルマウスと羽根車部とが吸込水槽２００内に設置される、いわゆる、立形ポンプにおいて適用されたものを示している。この立形ポンプでは、図８（ｂ）に示すように、そのケーシング２の内周面に設置された軸方向（流体の圧力勾配方向）のそれぞれの溝１２４において、キャビテーション気泡が滞留する羽根１２２の前縁位置付近の位置にケーシング２の肉厚を貫通する孔１２７を穿孔し、これにより、溝底面を介して当該溝１２４と吸込水槽２００内の水とが導通するように構成している。なお、この孔の直径は、孔の断面積の合計が軸方向に垂直な方向の羽根車の入口断面積の１％以下となるように設定する。また、ここでも、上記溝１２４の本数は、上記従来技術と同様に２８本に設定されている。
【００４７】
このような構成によれば、上記ケーシング２の溝１２４内の水圧と上記水槽２００内の水の圧力は、溝底面においてケーシング肉厚を貫通して形成された孔１２７により、殆ど同じ圧力に保たれる。従って、上記溝１２４内にキャビテーションが滞留する程その水圧が低い場合には、ポンプ外部の吸込水槽２００側の水の水圧の方が高く、このことから、ポンプ内を流れる水は上記水槽２００から溝１２４へ向かって流れ、上記溝１２４内の圧力を高める作用を達成する。そのため、羽根１２２の先端の隙間ではキャビテーションは発達せず、たとえ発生しても、小さなキャビテーション気泡となり、その崩壊に伴って発生する振動・騒音も小さなものとなる。すなわち、本実施例の構成によれば、羽根の先端の隙間におけるキャビテーションの発生が抑制されると共に、キャビテーションに伴って発生する振動・騒音は低減され、もって、本来、溝が有する効果である揚程曲線の安定化が、キャビテーションによる振動・騒音を伴うことなく、静粛になされることとなる。
【００４８】
図９は、さらに、本発明の第９の実施例になるターボ形水力機械を示している。本実施例も、上記した第８の実施例と同様に、ベルマウスと羽根車部とが吸込水槽内に設置される、いわゆる、立形ポンプに適用したものである。この立形ポンプでも、図に示すように、そのケーシング２の内周面上に軸方向（流体圧力の勾配方向）に形成した溝１２４おいて、キャビテーション気泡が滞留するの羽根１２２の前縁付近の位置に、ケーシングの肉厚を貫通する第１の孔１２８を穿孔すると共に、さらに、前記第１の孔１２８より上流位置に第２の孔１２９を穿孔するものである。なお、この第２の孔１２９が形成される位置としては、ケーシングの軸方向（流体圧力の勾配方向）において、特に、ポンプ吸込み側の流路の断面積が最小となるスロート部のケーシング２の壁面が好ましい。また、ケーシング２の外側には、ケーシング２の外周をリング状に覆うカバー１３０が設けられ、これにより、このカバー１３０とケーシング２との間にはリング状の部屋１３１が形成される。そして、図からも明らかなように、この部屋１３１は、第１の孔１２８と第２の孔１２９とを介してケーシング２内周の異なる位置に導通されるように構成されている。また、ここでも、上記溝１２４の本数は、上記従来技術と同様に２８本程度に設定されている。
【００４９】
このような構成においては、羽根車の羽根１２２の先端の隙間にキャビテーションが生ずると、溝１２４付近の圧力は飽和蒸気圧付近まで低下していることから、上記第１の孔１２８付近の圧力は、上記第２の孔１２９付近の静圧よりも低い状態となる。従って、ポンプにより汲み上げられる流体である水は、上記第２の孔１２９から第１の孔１２８へ向かって流れる（図に矢印で示す）。その結果、第１の孔１２８付近の静圧は飽和蒸気圧付近の圧力より高くなり、もって、キャビテーションの発達が抑制されることとなり、あるいは、キャビテーションが小さくなるから、その崩壊に伴う振動や騒音も小さくなる。
【００５０】
さらに、図１０には、本発明の第１０の実施例になるターボ形水力機械、特に、その内周面上に複数の溝が設置されるケーシング２の一部の拡大断面が示されている。本実施例による溝は、図からも明らかなように、溝の長さ方向の中央部において薄肉の仕切り板１３４が設置されており、これにより、上記溝は、ポンプの軸心からの距離が大なる（深い側）第１の流路１３２と、そして、ポンプ軸心からの距離が小なる（浅い側）第２の流路１３３とから成る、二層構造の溝となっている。なお、上記仕切り板１３４は、溝の両端部には設けられておらず、そのため、この溝は、その両端では単一層の流路溝となっている。ここでも、上記溝の本数は、上記従来技術と同様に２８本程度に設定されている。
【００５１】
上述した第１の流路１３２と第２の流路１３３とから成る二層構造の溝を備えたケーシング２の構造によれば、ポンプの運転点が低流量域に入ると、シュラウド側の羽根２の前縁付近で逆流が生ずる。この逆流は、遠心力により径の大きな方へ移動し、すなわち、図の矢印で示すように、上記溝の第１の流路１３２を経て上流側に至る。一方、ポンプ吸込み口から流入した正流は、直径の小なる第２の流路１３３を流れる。このように、ケーシング２の内周面に形成された、第１の流路１３２と第２の流路１３３を備えた二層構造の溝によれば、正流と逆流とが上記仕切り壁１３４で分離されて流れると共に、一方、溝の出口端に至った正流はそこで上記逆流に導びかれて第１の流路１３２に流れ込み、もって、循環流を形成することとなる。このように、上記二層構造の溝内では、逆流と正流が衝突する事態は回避され、キャビテーションが停滞する領域が生じないことになる。その結果、キャビテーションの崩壊場所も分散され、また、崩壊に伴う振動・騒音も低減されることとなる。
【００５２】
添付の図１１及び図１２には、本発明になる第１１の実施例と本発明になる第１２の実施例とを示す。なお、上述した実施例は、主に、溝の本数やその形状に関するものであったが、これら図１１及び図１２に示す本実施例は、羽根車羽根先端形状に関するものである。
【００５３】
まず、図１１は、溝１２４が設置されたケーシング内面を模式的に展開した上記図１６におけるｇ−ｇ断面を示している。そして、本発明によれば、羽根車の羽根１２２の先端の圧力面側は、従来の羽根のように外周面に対して鋭利なエッジ（略直角）を形成するのではなく、羽根厚さの１／４〜１／２の半径Ｒを持つ丸み１３５を持つ形状に形成されている。このような丸み形状によれば、羽根１２２の先端の圧力面と外周面とで形成される鋭利な稜線がなくなる。従って、羽根１２２の先端の隙間において、上記圧力面側から負圧面側へ漏れる流体の流れは、上記羽根１２２の先端のエッジで剥離することはなくなる。その結果、羽根１２２の外周部では、上記した剥離現象により生じる流体の低圧部がなくなるため、流体内でのキャビテーションの発生が抑制され、あるいは、発生するキャビテーション気泡も小となるので、キャビテーションの崩壊に伴う振動・騒音も小となる。
【００５４】
また、図１２は、上記図１１と同様に、上記図１６におけるｇ−ｇ断面を示している。そして、この本発明の第１２の実施例では、羽根車の羽根１２２先端外周部の負圧面側に、羽根厚さの１／４〜１の幅を持つフィン１３６を、羽根１２２の全長（周）、あるいは、周方向における羽根前縁から羽根中央部にかけて設けている。このフィン１３６の断面形状は、図からも明らかなように、その外周部では羽根１２２の外周に対して延長面を形成し、他方、フィン１３６の厚さは、先端部から根元部まで均一、あるいは、その根元部で大きくかつその間は連続的に厚さが変化（減少）するようになっている。
【００５５】
このようなフィン１３６を備えた羽根１２２の構造によれば、羽根１２２の外周部（面）と静止側のケーシング２との間に形成される隙間部の長さが、上記フィン１３６の長さだけ大きくなる。そして、この隙間を流れる流量は、形成される隙間の出口と入口の圧力差、あるいは、その平方根に比例し、他方、隙間の長さに反比例する。従って、かかる構造によれば、羽根１２２の先端の隙間を流れる流体の流速は低下し、当該隙間における静圧低下は小となる。このことから、隙間におけるキャビテーション気泡の発生は小となり、キャビテーション気泡崩壊に伴う振動・騒音は小となる。
【００５６】
【発明の効果】
以上の詳細な説明からも明らかなように、本発明によれば、ケーシングの内周面に複数設置した溝により揚程曲線の右上がり特性を除去する構造のターボ形水力機械において、前記複数設置した溝に伴って生じる羽根の先端隙間から生ずるキャビテーションを溝内に滞留することを抑制し、あるいは、隙間でのキャビテーションの発生そのものを抑制し、もって、キャビテーション気泡の崩壊に伴うターボ形水力機械における振動・騒音を低減するという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシングの正面断面図とその一部拡大図である。
【図２】本発明の第２の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシングの子午面における一部拡大断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシングの子午面における一部拡大断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシングの子午面における一部拡大断面図である。
【図５】本発明の第５の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシング内面の溝の一部を拡大して展開した一部拡大展開図である。
【図６】本発明の第６の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシング内面の溝の一部を拡大して展開した一部拡大展開図である。
【図７】本発明の第７の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシングの子午面における一部拡大断面図とそのｊ−ｊ断面図である。
【図８】本発明の第８の実施形態になるターボ形水力機械を採用した立形ポンプの構成を示す、一部拡大断面を含む据付態状の図である。
【図９】本発明の第９の実施形態になるターボ形水力機械を採用した立形ポンプの構成を示すケーシングの子午面断面図である。
【図１０】本発明の第１０の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、ケーシングの子午面における一部拡大断面図である。
【図１１】本発明の第１１の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、図１６におけるｇ−ｇ線での断面図である。
【図１２】本発明の第１２の実施形態になるターボ形水力機械の構成を示す、図１６におけるｇ−ｇ線での断面図である。
【図１３】従来技術におけるターボ機械の典型的な揚程−流量特性を示す線図である。
【図１４】従来技術におけるターボ機械の典型である斜流ポンプの断面図である。
【図１５】ターボ形水力機械であるケーシング内面に溝を有する斜流ポンプとケーシング内面に溝を形成しない斜流ポンプにおいて、ＮＰＳＨが高い場合と低い場合の振動加速度−流量特性を比較して示す線図である。
【図１６】本発明が適用されるターボ形水力機械である、ケーシング内面に溝を有する斜流ポンプにおけるキャビテーションの発生状態を示す、ケーシング内面の溝の一部を拡大展開して示す図である。
【図１７】本発明が適用されるターボ形水力機械である、ケーシング内面に溝を有する斜流ポンプにおけるキャビテーション発生状態を示す、上記図１６におけるｆ−ｆ線断面図である。
【図１８】本発明が適用されるターボ形水力機械のケーシング内面に設けた溝の中の流れを示す、ケーシング内面の溝の一部を拡大展開して示す図である。
【図１９】本発明が適用されるターボ形水力機械の子午面断面形状の拡大図である。
【図２０】本発明が適用されるターボ形水力機械である、ケーシング内面に溝を有する斜流ポンプにおけるキャビテーション発生状態を示す、ケーシング内面の溝の一部を拡大展開して示す図である。
【符号の説明】
２  ケーシング
３  ケーシングと羽根の隙間
４  キャビテーション
１２２  羽根車
１２４  軸方向の溝
Ｗｇ    溝の幅
Ｐｇ    溝の間隔
【図１】
0003862137.tif 000002
【図２】
0003862137.tif 000003
【図３】
0003862137.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003862137.tif 000008
【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】
0003862137.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
0003862137.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
0003862137.tif 000021