(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結び、幅が少なくとも５ｍｍ程度以上の溝を具備し、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるように形成されたことを特徴とするターボ機械。
【請求項２】
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とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ程度以上の溝を周方向に多数本形成し、
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置に再循環流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、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるように形成されたことを特徴とするターボ機械。
【請求項３】
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存在領域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が１０ｍｍ程度以上の浅い溝を形成し、且つ該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置に再循環流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て、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるように形成されたことを特徴とするターボ機械。
【請求項４】
前記請求項１に記載したターボ機械において、前記溝の幅の深さは、前記ケーシングの直径に対してほぼ０．５％〜１．６％で形成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項５】
前記請求項４に記載したターボ機械において、前記溝は、約２ｍｍ〜４ｍｍの深さで形成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項６】
オープン形羽根車とこの形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外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝を周方向に複数設け、前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項７】
オープン形羽根車とこの形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外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝を周方向に複数設け、前記溝の終端下流に隣接する前記ケーシング内面は、前記の溝の谷底面と同じレベルまたはそれより外周方向となるように形成し、溝の部分に対峙する羽根車の羽根の入口側外周部は上記溝の部分に対応して羽根車羽根高さを低く構成し、溝より下流側の羽根車の羽根高さは溝に対峙する部分の羽根高さよりも高く構成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項８】
オープン形羽根車とこの形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存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）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て、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、かつ
前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構成すると共に、前記溝の部分に対峙する羽根車の羽根の入口外周部は溝の部分に対応して羽根車羽根高さを低く構成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項９】
オープン形羽根車とこの形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円錐状の壁面よりも径方向に突出するように圧力勾配方向に複数本の溝を設け、
羽根入口付近の子午面における羽根高さは羽根出口付近の子午面における羽根高さより小とし、これら羽根高さは前記溝の部分の高さに対応して決定されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１０】
オープン形羽根車とこの形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、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝を周方向に複数設け、
前記溝の山の部分が形成する流路形状が、溝下流側ケーシングの流路形状を上流側へそのまま延長した形状よりもポンプ回転中心からの半径方向距離が大となるように構成し、かつ
前記羽根車の先端形状は、溝部及びケーシング内壁と略一定な隙間を形成するように形成され、
前記溝の終端付近における羽根車羽根高さはその下流側羽根高さよりも高く構成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１１】
シュラウドを有するクローズド形羽根車とそ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の方向の溝をその周上に複数本配設し、該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配置し、かつ該溝の出口側終端は羽根車先端入口部より下流側に配置したことを特徴とするターボ機械。
【請求項１２】
シュラウドを有するクローズド形羽根車とそ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前記ケーシングの内面には、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存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）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て、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、かつ
前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項１３】
前記請求項１１または１２において、羽根車シュラウドの最小径部とケーシングとの間をシールする軸封部を有し、この軸封部はマウスリング部とケーシングリング部とで構成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１４】
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溝を周方向に複数形成し、該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）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、かつ前記溝を設置する前記ケーシングの部分はケーシングの他の部分と別体に構成され、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とを結び、幅が少なくとも５ｍｍ程度以上の溝を具備し、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるように形成されたことを特徴とするターボ機械。
【請求項１５】
前記請求項１４において、ケーシングは軸方向に分割された複数のケーシングライナにより構成され、羽根車の羽根の入口側外周部に対峙するケーシングライナの内面に前記溝が形成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１６】
前記請求項１４において、溝を設置する前記ケーシングの部分はケーシングの他の部分と半径方向に分割して別体に構成されて組み立てられていることを特徴とするターボ機械。
【請求項１７】
前記請求項６〜１６の何れか一の請求項において、前記溝の始端側は、ポンプ軸方向から羽根車の回転方向に傾斜する方向に形成したことを特徴とするターボ機械。
【請求項１８】
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とを結ぶ溝をケーシング内面の周方向に複数本形成し、
溝幅Ｗの合計値を溝の部分のケーシング周長で割った値をＷＲ（幅比）、
溝全体の体積を羽根車体積で割った値をＶＲ（体積比）、
溝幅Ｗを溝深さＤで割った値をＷＤＲ（幅深さ比）、
溝の羽根入口から下流の長さと溝の深さとの比をＤＬＤＲとし、溝形状を決定する指標をＪＥ Ｎｏ．として以下の式で求め、
この指標ＪＥ Ｎｏ．が０．０３〜０．５の範囲となるように前記溝の形状が構成されていることを特徴とするターボ機械。
ＪＥ Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲ
【請求項１９】
前記請求項１８において、前記ＪＥ Ｎｏ．が０．１５〜０．２の範囲となるように前記溝の形状が構成されていることを特徴とするターボ機械。
【請求項２０】
吸込側流体の揚程と吐出側の揚程まで上昇するためのポンプ機場であって、羽根車と当該羽根車をその内部に配置するケーシングとを備え、
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とを結び、幅が少なくとも５ｍｍ程度以上の溝を具備し、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるように形成され
吸込側流体の揚程をポンプアップするためのポンプと、ポンプアップされた液体を当該ポンプから吐出側へ導く管路と、そして、前記ポンプの羽根車の回転速度を制御するための制御手段とを備え、前記ポンプを前記請求項１乃至１９に記載したポンプとしたことを特徴とするポンプ機場。
【請求項２１】
前記請求項２０のポンプ機場において、その機場で使われるポンプの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、吐出量をＱ（ｍ3／ｍｉｎ）としたときに、ポンプの特性を示す指数である比速度ＮｓをＮｓ＝Ｎ×Ｑ0.5／Ｈ0.75の式で求めたときに、この速度比Ｎｓが１０００〜１５００程度であり、また、そのポンプ機場の吸込側流体位と吐出側流体位から決まる実揚程がポンプの仕様点揚程の５０％以上であることを特徴とするポンプ機場。
【請求項２２】
前記請求項２０のポンプ機場において、そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およびディーゼルエンジンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％であることを特徴とするポンプ機場。
【請求項２３】
前記請求項２０のポンプ機場において、そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およびガスタービンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％であることを特徴とするポンプ機場。
【請求項２４】
前記請求項２０のポンプ機場において、そのポンプの駆動装置はインバータにより回転速度を制御する電動機であり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して０％〜１００％であることを特徴とするポンプ機場。
【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わらず羽根入口の再循環流による旋回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及びそれを利用したポンプ機場に関する。
【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、更には、本発明になるターボ機械を利用したポンプ機場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
【０００４】
図２２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、およびディヒューザ１３から構成される。
【０００５】
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。ディヒューザ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。
【０００６】
図２３は、上記図２２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、横軸は流量を表わすパラメータ、縦軸は揚程を表わすパラメータである。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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２２参照）。
【００１０】
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領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（プロフィル）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。
【００１１】
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。
【００１２】
図２４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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
２．セパレータ
低流領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配置し、再循環流の拡大を防止するものである。
【００１６】
図２５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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、互いに相い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。
【００２０】
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。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術の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に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。
【００２２】
更に、ケーシング内壁に軸方向の深い溝を加工する作業も容易ではなかった。また、ケーシングトリートメントなどはシュラウドを有するクローズド羽根車には適用できないという問題もあった。
【００２３】
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。
【００２４】
本発明は、上記課題に鑑みて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でなく、効率低下を抑制することの可能な、羽根入口の再循環流による旋回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。
【００２５】
即ち、本発明の目的は、右上がり特性のない揚程−流量特性を有し、かつ、高い効率も達成できるターボ機械を得ることにある。
【００２６】
本発明の他の目的は、右上がり特性のない揚程−流量特性が得られかつ製作も容易なターボ機械を得ることにある。
【００２７】
本発明の更に他の目的は、クローズド羽根車を有するターボ機械に対しても右上がり特性のない揚程−流量特性を得ることにある。
【００２８】
【課題を解決するための手段】
かかる上記の目的は、本発明によれば、上記の目的を達成するため、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とを結び、幅が少なくとも５ｍｍ程度以上の溝を具備するターボ機械により達成される。
【００２９】
また、本発明によれば、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とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ程度以上の溝を周方向に多数本形成し、
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置に再順還流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たターボ機械が提供されている。
【００３０】
さらに、本発明によれば、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存在領域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が１０ｍｍ程度以上の浅い溝を形成し、且つ
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置に再循環流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て、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成したターボ機械が提供されている。
【００３１】
なお、本発明によれば、前記に記載したターボ機械において、前記溝の幅は、前記溝が形成されたケーシング全周に対して約３０％〜５０％になるように、また、前記溝の幅の深さは、前記ケーシングの直径に対してほぼ０．５％〜１．６％で形成されており、より好ましくは、前記溝は、約２ｍｍ〜４ｍｍの深さで形成されている。
【００３２】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形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外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝を周方向に複数設け、前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構成したターボ機械が提供されている。
【００３３】
加えて、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形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外周部に対峙する前記ケーシングの内面に、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝を周方向に複数設け、前記溝の終端下流に隣接する前記ケーシング内面は、前記の溝の谷底面と同じレベルまたはそれより外周方向となるように形成し、溝の部分に対峙する羽根車の羽根の入口側外周部は上記溝の部分に対応して羽根車羽根高さを低く構成し、溝より下流側の羽根車の羽根高さは溝に対峙する部分の羽根高さよりも高く構成したターボ機械が提供されている。
【００３４】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形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存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）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て、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、かつ
前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構成すると共に、前記溝の部分に対峙する羽根車の羽根の入口外周部は溝の部分に対応して羽根車羽根高さを低く構成したターボ機械が提供されている。
【００３５】
さらに、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形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円錐状の壁面よりも径方向に突出するように圧力勾配方向に複数本の溝を設け、
羽根入口付近の子午面における羽根高さは羽根出口付近の子午面における羽根高さより小とし、これら羽根高さは前記溝の部分の高さに対応して決定されているターボ機械が提供される。
【００３６】
そして、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、オープン形羽根車とこの形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、羽根入口側とケーシング内面の羽根存在域内とを結ぶ溝を周方向に複数設け、
前記溝の山の部分が形成する流路形状が、溝下流側ケーシングの流路形状を上流側へそのまま延長した形状よりもポンプ回転中心からの半径方向距離が大となるように構成し、かつ
前記羽根車の先端形状は、溝部及びケーシング内壁と略一定な隙間を形成するように形成され、
前記溝の終端付近における羽根車羽根高さはその下流側羽根高さよりも高く構成されているターボ機械が提供されている。
【００３７】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、シュラウドを有するクローズド形羽根車とそ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の方向の溝をその周上に複数本配設し、該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配置し、かつ該溝の出口側終端は羽根車先端入口部より下流側に配置したターボ機械が提供されている。
【００３８】
さらに、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、シュラウドを有するクローズド形羽根車とそ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前記ケーシングの内面には、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存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ幅が５ｍｍ以上の浅い溝を周方向に多数形成し、
該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）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て、ターボ機械の揚程−流量特性の右上り特性を除去するように構成し、かつ
前記溝の谷底面の高さはこれに隣接するケーシング内面と同等またはそれ以上の高さに構成したターボ機械が提供されている。
【００３９】
なお、本発明では、前記に記載したターボ機械において、好ましくは、羽根車シュラウドの最小径部とケーシングとの間をシールする軸封部を有し、この軸封部はマウスリング部とケーシングリング部とで構成されている。
【００４０】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、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溝を周方向に複数形成し、該溝の下流側終端位置は、溝の上流側終端位置の入口主流（正流）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、かつ前記溝を設置する前記ケーシングの部分はケーシングの他の部分と別体に構成されているターボ機械が提供されている。
【００４１】
なお、本発明によれば、前記のターボ機械において、好ましくは、ケーシングは軸方向に分割された複数のケーシングライナにより構成され、羽根車の羽根の入口側外周部に対峙するケーシングライナの内面に前記溝が形成されており、あるいは、溝を設置する前記ケーシングの部分はケーシングの他の部分と半径方向に分割して別体に構成されて組み立てられており、あるいは、前記溝の始端側は、ポンプ軸方向から羽根車の回転方向に傾斜する方向に形成している。
【００４２】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、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とを結ぶ溝をケーシング内面の周方向に複数本形成し、
溝幅Ｗの合計値を溝の部分のケーシング周長で割った値をＷＲ（幅比）、
溝全体の体積を羽根車体積で割った値をＶＲ（体積比）、
溝幅Ｗを溝深さＤで割った値をＷＤＲ（幅深さ比）、
溝の羽根入口から下流の長さと溝の深さとの比をＤＬＤＲ
とし、溝形状を決定する指標をＪＥ  Ｎｏ．として以下の式で求め、
この指標ＪＥ  Ｎｏ．が０．０３〜０．５の範囲となるように前記溝の形状が構成されているターボ機械が提供される。
ＪＥ  Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲ
【００４３】
なお、本発明では、前記において、前記ＪＥ  Ｎｏ．が０．１５〜０．２の範囲となるように前記溝の形状が構成されていることが好ましい。
【００４４】
また、本発明によれば、やはり上記の目的を達成すべく、吸込側流体の揚程と吐出側の揚程まで上昇するためのポンプ機場であって、羽根車と当該羽根車をその内部に配置するケーシングとを備え、吸込側流体の揚程をポンプアップするためのポンプと、ポンプアップされた液体を当該ポンプから吐出側へ導く管路と、そして、前記ポンプの羽根車の回転速度を制御するための制御手段とを備え、前記ポンプを前記請求項１乃至２０に記載したポンプとしたポンプ機場が提供されている。
【００４５】
なお、本発明では、前記において、好ましくは、前記のポンプ機場において、その機場で使われるポンプの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、吐出量をＱ（ｍ3／ｍｉｎ）としたときに、ポンプの特性を示す指数である比速度ＮｓをＮｓ＝Ｎ×Ｑ0.5／Ｈ0.75の式で求めたときに、この速度比Ｎｓが１０００〜１５００程度であり、また、そのポンプ機場の吸込側流体位と吐出側流体位から決まる実揚程がポンプの仕様点揚程の５０％以上であることが好ましく、あるいは、そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およびディーゼルエンジンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％であり、あるいは、そのポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手およびガスタービンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％であり、あるいは、そのポンプの駆動装置はインバータにより回転速度を制御する電動機であり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して０％〜１００％である。
【００４６】
【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１は、本発明の第１の実施の形態の拡大断面図であって、図２２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。
【００４７】
即ち、本発明に係る羽根入口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。
【００４８】
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による旋回および羽根旋回失速の発生を防止する。
【００４９】
図２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２から図５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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
図２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２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、実際上は確認できないほど小であることも示している。
【００５３】
図３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、極端に下流側に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。
【００５４】
図４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。
【００５５】
図５は本発明の効果説明図（その４）であって、溝の本数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。
【００５６】
以上のことから溝を設計する際の考慮点として、以下に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に発生する再順還流による旋回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限定されないが、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。
【００５７】
なお、本発明者等による種々の実験によれば、上記の溝の幅（Ｗ）とその個数（Ｎ）は、上記溝が形成されるケーシングの全周長（π×Ｄ、Ｄ＝上記溝が形成されるケーシング部の直径）の約３０％〜５０％程度になるように選択されることが好ましいことが分かった。また、その深さ（ｄ）については、例えば、ケーシングの径（Ｄ）が約２５０ｍｍの上記実施の形態では、２〜４ｍｍ程度が好ましく、このことから、ケーシングの径（Ｄ）に対する溝の深さ（ｄ）の比は、０．５％〜１．６％の範囲（ｄ／Ｄ＝０．５％〜１．６％)に設定することが好ましいことが分かった。
【００５８】
次に、本発明の第２の実施の形態について、以下に詳細に説明する。
本発明の第２の実施の形態になるターボ機械は、羽根入口の再順還流による旋回および羽根旋回失速を抑制するため、ケーシング内面に、羽根入口側の低流量時再順還流発生場所とケーシング内面の羽根存在域内とを流体圧力の勾配方向に結ぶ流路を設けている。
【００５９】
このように構成することにより、ケーシング内面における羽根の存在域内下流側終端位置と、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、低流量時の再循環流発生場所に噴出される。したがって、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羽根入口に発生する再循環流の順方向成分（主流（正流）に平行な成分）による予旋回の発生や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になる。
【００６０】
しかし、上記のように構成する場合、次のように溝加工が難しい。すなわち、溝は流体圧力の主勾配方向に設置され、最も単純な形状は溝の中心線が軸方向である直線形状であるが、溝は羽根車と対峙するケーシング内壁に設置され、ケーシング壁面より窪んだ状態に形成される。このような溝を工具で機械加工しようとするとき、溝の上流側及び下流側端面は行き止まりの形状であるため、工具を溝の中心線方向に移動させて切削加工する場合、工具を端面で停止せねばならないため、加工効率が極めて悪くなり、加工に時間を要し、制作費の増大をもたらすことが考えられる。
【００６１】
この点を改善するため、本発明では次のようにしている。
（１）溝の底面をケーシング内壁面の高さに合わせ、溝加工時に工具が溝の終端からはみ出しても問題とならないようにする。すなわち、羽根車の羽根高さは、溝の山に対向するように溝と対向する部分と溝と対向しない部分とで溝の高さを対応させた、段付き形状とする。
（２）溝を設置したケーシング部分を他の部分と分離させ、別体構造とすることにより、溝加工を容易に行うことができるようにする。
【００６２】
さらに、羽根車にシュラウドがあるクローズド形羽根車を有するものに対しても右上がり特性のない揚程−流量特性を有するターボ機械を得るために、以下のようにしている。
【００６３】
すなわち、クローズド形羽根車入口部の再循環流れが生ずる羽根部分のみシュラウドを除去し、その下流側はシュラウド付の羽根車とし、羽根のシュラウドのない部分に対峙するケーシング内壁部分に圧力勾配方向に複数の溝を設けるようにした。
【００６４】
以下、本発明の具体的な実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
図６に本発明の第２の実施の形態の一例を詳細に示し、また、図６のII−II線断面形状を図７に示す。
【００６５】
斜流ポンプのオープン形羽根車１を包含するケーシング２の流路内壁２ａには軸方向の溝３が設けられている。溝はケーシングの内壁２ａから高さＤなる寸法の山部３ａと内壁面２ａと同じ高さの谷部３ｂからなっており、溝の幅Ｗや本数Ｎは、例えば、Ｄ／Ｗ＝０．０５〜０．３、Ｎ＝２５〜１００本程度である。羽根車径が３００〜４５００ｍｍのポンプでは、溝の幅Ｗは例えば５〜１５０ｍｍ程度、好ましくは８〜３０ｍｍ程度とし、溝の高さ（深さ）は溝幅に応じて溝幅の０．１〜０．３倍位の高さ、例えば０．５ｍｍ〜３０ｍｍ、好ましくは１．５〜６ｍｍ程度とする。一方、羽根車の羽根高さは静止側の溝の山部を含む子午面形状において、通常のオープン羽根車の羽根先端隙間δを確保した形状となっている。
【００６６】
このような構成において、ポンプが低流量域で運転されると、羽根により圧力上昇した流体が溝３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、再循環流発生場所における再循環流の正流（主流）成分による予旋回の発生や羽根旋回失速の発生を防止する。その結果、揚程曲線の谷部はなくなり右下がりの安定な曲線となる。上記の構成とすることにより、溝の製作を容易に行うことができる利点がある。これは溝の山部３ａが溝の終端の壁面２ａから突出していること、また、溝の谷部３ｂは終端の壁面２ａと同じ高さにあり、溝の加工時、特に機械加工においては、工具を溝終端で停止させることなく突き切ることができるので、加工効率を向上させることができる。
【００６７】
上記本発明の第２の実施の形態の他の例（第１の変形例）を図８に示す。この例では、静止側ケーシング２を、溝を含む静止側ケーシングライナ２ｃ、溝のない静止側ケーシングライナ２ｄ、２ｅにより構成し、これら別部材とされた静止側ケーシングライナ２ｃ、２ｄ、２ｅを軸方向に配置したものである。このように構成することにより、溝３の部分の加工は、溝を形成するケーシングライナ２ｃのみを一つの部品として加工することができ、溝の終端部は開放されているため、加工効率を上げることができる。
【００６８】
上記本発明の第２の実施の形態の更に他の例（第２の変形例）を図９に示す。この例でも、静止側ケーシング２を、溝を含む静止側ケーシングライナ２ｃ、溝のない静止側ケーシングライナ２ｄ、２ｆにより構成したものであるが、溝を含む静止側ケーシングライナ２ｃは、溝のない静止側ケーシングライナ２ｆと半径方向に分離されて別部材としてある。この例でも、溝３の部分の加工は、溝のあるケーシングのみを一つの部品として扱うことができ、かつ溝の終端部は開放されているため、加工効率を上げることができる。
【００６９】
本発明の第２の実施の形態における溝形状の一例を、図１０に示す。この例は、羽根車１の上流側に位置する溝３の始端は、ポンプ軸方向から羽根車の回転方向に角度θだけ傾斜させてある。このような構成においては、揚程曲線に不安定部が生ずる低流量域において、再循環流である羽根車からの上流側への逆流は、溝３によりその旋回成分が抑制され、もって羽根車へ流入する流れの予旋回成分が低減される。したがって、羽根車の出す理論揚程は低下せず、安定な揚程曲線を得ることができる。しかし、締め切り点付近の流量においては、循環流の逆流は上述の再循環領域よりさらに上流側まで達する。しかるに、その位置にある溝の方向はポンプ軸方向ではなく、羽根車の回転方向に角度θだけ傾斜している。従って、その溝始端付近まで達した逆流には、溝の方向、すなわち羽根車の回転方向の旋回成分が付与され、その逆流により羽根車に流入する流体にも若干の旋回成分が付与される。このため羽根車の出す理論揚程は、溝がポンプ軸に平行な場合に比べ低下し、それに伴い羽根車を回転させるのに費やされる軸動力も低下して、締め切り軸動力の低減を図ることができる。このように、図１０に示す溝形状とすることにより、揚程曲線の安定化を図ることができると共に、締め切り軸動力の低減を図ることも可能となり、優れた特性を有する斜流ポンプを得ることができる。
【００７０】
本発明の第２の実施の形態の更に他の例（第３の変形例）を図１１に示す。この例では、上述した各例に対して、さらに次の改良を施している。すなわち、子午面形状において、溝３の山部３ａが形成する流路形状は、溝がない部分の静止側ケーシングライナ２ｆの流路形状を吸込み側へそのまま延長した形状よりもポンプ回転中心からの半径方向距離が大となるようにしたものである。一方、溝３の部分に対向する羽根車の先端形状（シュラウド側形状）は、その静止側ケーシングライナ２ｃの溝３及び静止側ケーシングライナ２ｆと適度の隙間が存在するように設定されている。すなわち、子午面流路において羽根車羽根高さが溝の終端ａ付近にて羽根下流側が上流側よりδ２だけ低く構成されている。このような構成のターボ機械が低流量域で運転されると、次のような利点が得られる。溝がない場合、揚程曲線に不安定性が現われる低流量域において、流れは図１１に示すように再循環流４が生じる。その際、上述の段差δ２の存在により再循環流４は羽根先端側の段差部で遮られ、下流側への侵入が阻止される。従って、このようなポンプにおいては、逆流が大きな流量から始まるので、揚程曲線の不安定部の落ち込みが小となり、揚程曲線の安定化がより顕著に実現することができる。すなわち、溝３を形成しない場合でも、揚程曲線の不安定性を軽減でき、溝３を設けた場合には不安定性（揚程曲線の右上がり特性）の除去をより確実に行うことができる。なお、溝３の始端ｂを構成する山部３ａは斜めに形成されている。また、この始端ｂはケーシング２の軸に平行な部分から外径方向に流路が曲がっている部分付近に設定されている。
【００７１】
次に、本発明をクローズド形斜流ポンプに適用した場合の第３の実施の形態について説明する。
図１２は本発明の一例を示し、図１３は図１２のVIII−VIII線断面形状である。
【００７２】
斜流ポンプの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部にはマウスリング部１ｂが設けられ、静止側であるケーシング２の内面にはケーシングリング５が設けれている。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静止側のケーシング内壁２ａの内周上には、図１３に示すように、軸方向に複数本の溝３が等間隔に配列されている。溝の下流側終端位置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のマウスリング部に近接した位置）に存在し、溝の上流側終端位置ｂは羽根車の羽根よりも上流側に存在している。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３の下流側終端位置ａと軸方向同一位置に構成され、かつ軸直角方向の面に構成されている。ケーシング２の軸に直角方向の面２ｇとシュラウド端面１ｄとは軸方向にδ１の隙間を隔てて設置されている。
【００７３】
このような構成においてポンプが低流量域で運転されると、図１２に示すように、再循環流６、すなわち逆流が生ずる。流れ６の一部は溝４内を下流側終端位置ａから溝の上流終端位置ｂに向かって逆流するが、溝はポンプ軸方向に形成されているので、溝を流れる逆流は羽根車回転方向の成分は有しない。従って、溝を上流側に向かって流れる逆流が、低流量時に発生する再循環流６の発生場所に噴出して、羽根車入口における再循環流の順方向流による予旋回や羽根旋回失速の発生を防止、または、抑制することができる。すなわち、再循環流の上流へ逆流する流体の旋回成分は溝から噴出する流れで弱められ、羽根車へ流入する流体中の予旋回が小となる。このため、理論揚程の低下が小となり、揚程曲線の安定性が得られる。
【００７４】
このように、本実施の形態によれば、溝３を流れる僅かな流体により羽根車に流入する流体中の旋回を抑制できるため、羽根車の出す論理揚程が増大し、揚程曲線の不安定部はなくなり安定化される。本実施の形態により、シュラウドのあるクローズド形羽根車においても、ケーシング２に溝３を設置して揚程特性の安定性を図ることが可能となり、揚程曲線が連続して右下がりとなり、安定なポンプ特性を得ることができる。
【００７５】
図１４に、上記本発明の第３の実施の形態の変形例（第１の変形例）を示す。ケーシング２は軸方向に分割されたケーシングライナ２ｃ、２ｄ、２ｅから構成され、溝３は羽根入口部に設けられたケーシングライナ２ｃに形成されている。溝３の形状は上記各例と同様に形成されている。この例によれば、溝３の両端は開放されているので、溝３を切削工具により容易に加工することが可能となる。
【００７６】
上記本発明の第３の実施の形態における他の変形例（第２の変形例）を図１５に示す。ケーシング２は軸方向に分割されたケーシングライナ２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆから構成され、ケーシングライナ２ｃと２ｆとは半径方向に分割された構成となっている。溝３は羽根入口部に設けられた内径側のケーシングライナ２ｆに形成されている。この例でも、溝３の形状は上記各例のものと同様の形状に形成されている。この例によれば、溝３を設けたケーシングライナ２ｆは図１４に示す部品２ｃよりさらに小さくできるため、溝の加工をより容易に行うことが可能となる。
【００７７】
以上述べた実施の形態では、クローズド形斜流ポンプについて述べたが、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持つ遠心ポンプ、斜流送風機、斜流圧縮機等のターボ機械へも同様に適用することが可能である。
【００７８】
次に、上記各例における溝３の好ましい形状を図１６〜１９を用いて説明する。
種々の実験結果から、ターボ機械の揚程−流量特性の右上がり特性を除去し、かつ効率低下を抑制できる溝３の好適な形状を検討し、溝の適切な形状を関連する次の指標（「ＪＥ  Ｎｏ．」と称す）を発見した。
【００７９】
ＪＥ  Ｎｏ．は次式で表される。
ＪＥ  Ｎｏ．＝ ＷＲ × ＶＲ × ＷＤＲ × ＤＬＤＲ    ……（１）
【００８０】
ここで、ＷＲは幅比で、溝幅Ｗの合計値を溝の部分のケーシング周長で割った値である。すなわち、「ＷＲ＝（溝数Ｎ × 溝幅Ｗ）／（溝を形成した部分のケーシングの平均周長）」であり、ケーシングの平均長は、例えば図１６を参照すれば、「π×（ケーシング入口径Ｄｃ１×ケーシング出口径Ｄｃ２）／２」で求めることができる。
【００８１】
ＶＲは体積比で、溝全体の体積を羽根車体積で割った値である。すなわち、「ＶＲ＝溝の総体積／羽根車体積」である。ここで、溝の総体積は「溝数Ｎ×溝長さＬ×溝幅Ｗ×溝深さＤ」で求め、羽根車体積は「羽根車入口面積×羽根先端軸方向長さＬｉ」で求める。羽根車入口面積はインペラ入口径Ｄｉ１から求められる。溝長さＬは、図１６では「Ｌ１＋Ｌ２」である。
【００８２】
また、ＷＤＲは幅深さ比で、「ＷＤＲ＝溝幅Ｗ／溝深さＤ」で求める。
ＤＬＤＲは溝の羽根入口から下流域の長さと溝の深さとの比で、図１７を参照すると「ＤＬＤＲ＝インペラチップから下流側の溝長さＬ１／溝深さＤ」で求める。
【００８３】
図１８には、上記ＪＥ  Ｎｏ．を使用した実験結果を示す。図において、横軸はＪＥ  Ｎｏ．である。図の左縦軸は揚程不安定性（％）で、揚程−流量特性曲線の不安定部における揚程の低下量を、溝なし時の低下量Δψ0と溝有り時の低下量Δψとの比で表し、次式で定義される。
揚程不安定性（％）＝（Δψ／Δψ0）×１００
【００８４】
なお、不安定部揚程低下量Δψ、Δψ0は、図１９に示すように、揚程−流量特性曲線の不安定部（右上がり特性を示す部分）における揚程の極大値と極小値との差で求める。Δψは、揚程に不安定がある場合（右上がり特性を示す場合）は有限の値になるが、安定の場合（右上がり特性がない場合）には０となる。したがって、揚程不安定性が０％のときは溝により揚程−流量特性曲線の不安定部が完全に消えたことを意味し、揚程不安定性が１００％のときは溝の効果がなく不安定性が全く改善されていない場合を意味する。また、揚程安定性が０％と１００％の間にある場合には、揚程の不安定は消えていないが、溝により不安定部が改善されていることを示す。
【００８５】
図１８の右縦軸は最高効率の低下量（％）で、同一ポンプにおいて、溝を設けない場合の最高効率（％）と、溝を設けた場合の最高効率（％）との差である。すなわち、溝を設置する前後のポンプ最高効率に変化がない場合には０％になり、溝を設けたことにより効率の低下が発生する場合にはプラスの値になり、例えば３％は溝の設置により３％の効率低下があったことを意味する。
【００８６】
以上を基に、図１８を参照すると、揚程安定性においては、ＪＥ  Ｎｏ．が０．０３より小さくなると、揚程不安定性が８０％を超え、溝の効果は急激に小さくなっている。ＪＥ  Ｎｏ．が０．０３付近では揚程不安定性が３０％程度まで改善され、０．０３を超えると揚程不安定性はさらに改善され、ＪＥ  Ｎｏ．が０．１５前後でほぼ０％、すなわち不安定性がなくなっていることがわかる。ＪＥ  Ｎｏ．が０．１５を超えると揚程不安定性は０％のままで安定になる。このことから、揚程の安定を求める観点からは、ＪＥ  Ｎｏ．を０．０３以上にすることが望ましい。また、図１８において、効率の面から見るとＪＥ  Ｎｏ．が０．１５前後までは最高効率の低下量は０％以下であるが、０．１５を超えると、最高効率の低下量は、ＪＥ  Ｎｏ．に比例して大きくなっている。溝設置による効率低下の許容量を１％までとすると、ＪＥ  Ｎｏ．は０．５以下であることが望ましい。したがって、揚程の安定性と高率の両面から、ＪＥ  Ｎｏ．の適切な範囲は、０．０３〜０．５程度とすることが望ましく、完全に不安定を無くし、かつ効率を低下させないための条件としては、ＪＥ  Ｎｏ．を０．１５〜０．２とするのが最適である。
【００８７】
なお、上記の図１８の実験結果はポンプの比速度が８３０のもので示したが、比速度が１２５０及び１４００の場合の斜流ポンプでも同様の結果が得られており、少なくとも比速度８００〜１４００の範囲では上記指標ＪＥ  Ｎｏ．を用いて溝形状を決定できることは確認された。また、比速度が３００〜２０００程度の範囲のものであれば、同様に、上記の指標ＪＥ  Ｎｏ．を用いて溝形状を決定できるものと考えられる。
【００８８】
本発明によれば、自身が昇圧した液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、すなわち、溝から旋回のない流れが再循環流を形成する羽根車からの逆流の旋回成分を抑制し、もって、羽根車へ流入する流体中に予旋回が生ぜず、羽根入口における、再循環流による旋回の発生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。
【００８９】
本発明によれば、ケーシングを分割構造とし、羽根入口部に対応するケーシングライナに上記溝を設けるようにしたので、ケーシング内面に設ける溝の加工を容易に行うことができ、効率低下がほとんど無く、かつ揚程曲線の安定なターボ機械を容易に実現できる効果がある。
【００９０】
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し、この羽根のシュラウドがない部分に対応させて圧力勾配方向の溝をケーシング内壁面に設けるようにすることにより、再循環流が発生するような低流量域の運転時においても、揚程曲線の安定なターボ機械を容易に実現でき、しかもターボ機械の効率低下もほとんどないという効果がある。
【００９１】
さらに、上記の指標ＪＥ  Ｎｏ．を用いて溝形状を決定するようにすれば、効率低下がほとんどなく、かつ揚程曲線の安定な最適形状の溝形状を容易に求めることができる効果がある。
【００９２】
さらに、添付の図２０には、例えば火力発電所や原子力発電所において循環水ポンプとして使用される、または河川用排水ポンプの機場として使用される本発明が採用されたポンプ機場の該略図が示されている。
【００９３】
すなわち、このポンプ機場は、ケーシングに浅い溝が、羽根車に対応してその入口部分に設けられた、例えば斜流ポンプ等のポンプ２００を備えている。このポンプの羽根車はその回転軸を、例えばディーゼルエンジンやガスタービンや電動機等の駆動装置（ドライバー）２１０によって回転駆動されている。
【００９４】
この駆動装置２１０の回転速度は、例えば、かかる目的のための電気回路やマイクロコンピュータにより構成されたポンプ速度制御装置２２０により制御されている。そして、図において破線で接続されるように、羽根車に流れる流体の流量の変化に対応して羽根車の羽根傾斜角度を制御するための翼角制御装置２３０が、必要に応じて、更に設けられている。
【００９５】
上記に述べた構成を備えたポンプ２００は、吸込水路２４０内の水中に浸積したベルマウス２０１と、上記吸込水路２４０から離れた排水先２６０へ接続された吐出配管２５０を有している。そして、上記ポンプ機場の動作により、揚程すなわち吸込み側の水位が、流体の流路内での抵抗、すなわち吐出配管内の抵抗をも含んで、排水先２６０の排出水レベルまで上昇されることとなる。
【００９６】
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場合や、あるいは、５０％流量〜７０％流量付近の揚程曲線に、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。
【００９７】
即ち、ポンプ機場の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。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、その場合、交点が１つに定まらない、すなわち流量が定まらないため、ポンプの吐出し量が不安定な範囲で変動してしまい、ポンプの制御ができないことがある。特に、実揚程が高く、配管抵抗が小さい場合に顕著である。
【００９８】
従って、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、最高効率が若干下がることがあった。あるいは、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で運転するようにポンプ運転法案をつくり、これによりポンプを制御していた。したがって、ポンプの運転範囲を回転速度により制御するポンプ機場では、抵抗曲線との交点が不安定領域に入らない範囲までしか回転数を変更することができなかった。そのため、ポンプ一台の回転数制御では不安定領域に入ってしまう運転範囲を要求される場合はポンプ容量を小さくて台数を増やし、ポンプ一台あたりのポンプの運転点を不安定以外の点にずらして対応していた。
【００９９】
また、従来の最高効率をある程度犠牲にした揚程曲線の安定化を得る方法では、安定したポンプ運転のために効率が若干下がっているので、その分消費動力が大きくなるという問題があった。また、ポンプ台数を増やしてポンプ１台当りの運転点をずらして不安定領域の運転を避ける方法は、設備、制御方法が複雑になり、コストが上がってしまう問題がある。
【０１００】
本発明では、そこで、上記の右上がり特性のない揚程−流量特性を有しかつ高い効率をも達成できる斜流ポンプを用いて、広い範囲の速度の変更を可能にし、それにより広範囲の流量で運転できるポンプ機場を得るものである。
【０１０１】
すなわち、本発明の特徴は、ポンプの運転範囲を回転速度により制御するポンプ機場において、その機場で使用されるポンプが、上記に述べた溝を有するケーシングのいずれかを用いた斜流ポンプとしたことにある。
【０１０２】
上記本発明のポンプ機場においては、その機場で使われる斜流ポンプの回転速度をＮ（ｒｐｍ）、全揚程をＨ（ｍ）、吐出し量をＱ（ｍ3／ｍｉｎ）としたときに、ポンプの特性を示す指数である比速度ＮｓをＮｓ＝Ｎ×Ｑ0.5／Ｈ0.75の式で求めたときに、この比速度Ｎｓが１０００〜１５００程度であり、またその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の５０％以上である場合に、特に効果がある。
【０１０３】
また、その他の発明の特徴としては、そのポンプの駆動装置が、減速機、流体継ぎ手、およびディーゼルエンジンにより構成される場合には、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％まで制御ができる。また、さらに、そのポンプの駆動装置が、減速機、流体継ぎ手、およびガスタービンにより構成される場合にも、その回転速度は、基準回転速度に対して６０％〜１００％まで制御ができる。さらに、そのポンプの駆動装置は、インバータにより回転速度を制御する電動機である場合には、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して０％〜１００％まで制御ができる。
【０１０４】
本発明の一つの斜流ポンプをポンプ機場に適用した場合の揚程曲線の一例を図２１に示す。図２１において、横軸は、流量を、その基準となる設計流量を１００％とし、流量比％Ｑで示し、横軸は、揚程を、基準となる設計全揚程を１００％として揚程比％Ｈとして示す。この図２１において、揚程曲線１０は、本発明の斜流ポンプの一例で、基準回転数１００％Ｎの時の特性であり、全域右下がりの傾向にあり、不安定領域がない。一方、揚程曲線１４は、本発明を適用しない場合で、５０％Ｑ前後に不安定があるときの１００％Ｎの特性であり、この場合、４０％Ｑ〜７０％Ｑの範囲が不安定領域である。抵抗曲線１８は、本発明における機場の特性である。ポンプが１００％Ｎで運転されるときは、揚程曲線１０あるいは揚程曲線１４と抵抗曲線１８の交点は、いずれもＡ点の１点であり、ポンプはＡ点で安定して運転される。流量を減らした運転をするために回転速度を９０％Ｎに下げた場合を考えると、ポンプの揚程曲線は、以下に示されるポンプの相似則に従い、安定な揚程曲線１０は揚程曲線１１になり、不安定性のある揚程曲線１４は揚程曲線１５となる。
【０１０５】
ポンプの相似則は、以下の通りである。
Ｑ2＝Ｑ1×（Ｎ2／Ｎ1）
Ｈ2＝Ｈ1×（Ｈ2／Ｈ1）
ここで、Ｑ：流量、Ｈ：全揚程、Ｎ：回転速度であり、また、添え字は、１：回転速度Ｎ1の状態、２：回転速度Ｎ2の状態を示している。
【０１０６】
この時の運転点はＢ点であり、揚程曲線に不安定性のあるなしに関係なく、安定して運転される。さらに、回転数を７４％Ｎに下げると、前記相似則に従い、本発明による不安定性のない揚程曲線１０は揚程曲線１２となり、抵抗曲線１８との交点はＣ点の一点であり、運転点はＣになる。一方で、不安定性のある場合の揚程曲線１４は、７４％Ｎにおいては揚程曲線１６となり、３０％Ｑ〜５０％Ｑ付近で抵抗曲線１８とは平行になっており、抵抗曲線１８と揚程曲線１６との交点は、一点ではなく、複数の交点が有り得ることになる。従って、ポンプの流量点が定まらず、ポンプの運転は揚程曲線の３０％Ｑ〜５０％Ｑの不安定性の範囲で変動し、制御不能となるため、３０％Ｑ〜５０％Ｑでの運転はできない。
【０１０７】
さらに、回転速度を６０％Ｎまで下げると、本発明による不安定性のない揚程曲線１０は揚程曲線１３となり、不安定性のある揚程曲線１４は揚程曲線１７となる。ここまで下げると、抵抗曲線１８との交点は、揚程曲線１３および揚程曲線１７のいずれの場合もＤ点の一点になるので、運転は可能である。
【０１０８】
しかし、従来の不安定性のある特性の場合は、先に述べたように、回転速度７４％Ｎの時に３０％Ｑ〜５０％Ｑの範囲では運転ができず、運転可能な範囲が不連続になるため、ポンプの回転速度の範囲は７４％Ｎ以上〜１００％Ｎとなり、運転範囲はＡ点からＣ点までの間となる。
【０１０９】
一方で、本発明の斜流ポンプであればそれ以上の回転速度で安定した運転ができるため、Ａ点からＤ点までの広い流量範囲で運転できる。
【０１１０】
本実施の形態において、ポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手、及びディーゼルエンジンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％である場合には、図２１において示したＡ点からＤ点までの範囲で運転が可能である。また、その他のポンプの駆動装置は、減速機、流体継ぎ手、及びガスタービンであり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して６０％〜１００％である場合にも、上記図２１において示したＡ点からＤ点までの範囲で運転が可能である。また、更にその他の実施の形態としての駆動装置は、インバータにより回転速度を制御する電動機であり、その回転速度の制御範囲は基準回転速度に対して０％〜１００％である場合には、更に、その運転範囲は広がり、揚程曲線１０の交点が図２１におけるＥ点近くになるまで回転速度を落とすことができるので、ほぼ０％Ｑから１００％Ｑまでの範囲でポンプの運転が可能になる。
【０１１１】
すなわち、本発明のポンプをポンプ機場に適用することによれば、効率低下がほとんどなく、かつ揚程曲線の安定な斜流ポンプが得られるので、回転速度の範囲を広くすることができ、広い流量範囲での運転が容易に実現できる。
【０１１２】
【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、自身が昇圧した液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、すなわち、溝から旋回のない流れが再循環流を形成する羽根車からの逆流の旋回成分を抑制し、もって、羽根車へ流入する流体中に予旋回が生ぜず、羽根入口における、再循環流による旋回の発生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。
【０１１３】
また、本発明のポンプをポンプ機場に適用することによれば、効率低下がほとんどなく、かつ揚程曲線の安定な斜流ポンプが得られるので、回転速度の範囲を広くすることができ、広い流量範囲での運転が容易に実現でき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の実施の形態の斜流ポンプの拡大断面図である。
【図２】本発明の効果の説明図（その１）である。
【図３】本発明の効果の説明図（その２）である。
【図４】本発明の効果の説明図（その３）である。
【図５】本発明の効果の説明図（その４）である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を示す斜流ポンプの子午面断面図である。
【図７】上記図６のII−II線断面図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態の変形例（第１の変形例）を示す斜流ポンプの子午面断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の他の変形例（第２の変形例）を示す斜流ポンプの子午面断面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における溝形状の一例を示す平面図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態の更に他の変形例（第３の変形例）を示す斜流ポンプの子午面断面図である。
【図１２】クローズド形斜流ポンプに本発明を適用した第３の実施の形態を示す子午面断面図である。
【図１３】上記図１２のVIII−VIII線断面図である。
【図１４】上記本発明の第３の実施の形態の変形例（第１の変形例）を示すクローズド形斜流ポンプの子午面断面図である。
【図１５】上記本発明の第３の実施の形態の他の変形例（第２の変形例）を示すクローズド形斜流ポンプの子午面断面図である。
【図１６】本発明の溝形状を決めるための指標ＪＥ  Ｎｏ．を説明するためのターボ機械の子午面断面図である。
【図１７】上記図１２のXII−XII線断面図である。
【図１８】上記の実施の形態における溝形状を決定する指標ＪＥ  Ｎｏ．と、揚程不安定性及び最高効率の低下量との関係を説明する線図である。
【図１９】上記の実施の形態におけるターボ機械の流量−揚程特性曲線を示す線図である。
【図２０】上記本発明になるターボ機械を採用したポンプ機場の概略構成を示す図である。
【図２１】上記図２０に示したポンプ機場の効果を説明するため、その斜流ポンプの揚程曲線を示す線図である。
【図２２】従来技術における斜流ポンプの断面図である。
【図２３】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２４】従来技術におけるケーシングトリートメントの説明図である。
【図２５】従来技術におけるセパレータの説明図である。
【符号の説明】
１  （オープン形）羽根車
２  ケーシング
２ａ  流路内壁
３  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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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