WO2020194871A1

WO2020194871A1 - 遠心式流体機械

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Publication number: WO2020194871A1
Application number: PCT/JP2019/046507
Authority: WO
Inventors: 一輝佐藤; 信彦斎藤
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2019-03-26
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2021-09-26
Also published as: JP2020159256A; TW202035876A; JP7337525B2; JP2023121843A; JP7598976B2; TWI730567B

Abstract

羽根車（２０）の回転面に沿って対向配置された一対の側壁（４１ａ）と、一対の側壁（４１ａ）の径方向外側縁部を跨ぐように連結しつつ、羽根車（２０）の外周近傍を起点とし、羽根車（２０）の外周に沿いつつ、羽根車（２０）の外周から径方向外側へ徐々に離れる渦巻形状を呈する周壁（４１ｂ）と、周壁（４１ｂ）の起点側端縁に、周壁（４１ｂ）の巻き方向（Ｒ）とは逆向きに凸の略くさび形状を有する舌部（４３）と、一対の側壁（４１ａ）と舌部（４３）とによって、巻始め側（３７ａ）と巻終わり側（３７ｂ）とを連通する略Ｖ字溝形状に構成された連通部（４４）と、によって渦巻状に形成された渦巻流路（３７）を遠心式流体機械に設ける。これにより、脈動の発生を抑制して、安定した運転を行いつつ、再循環による損失を低減することができる遠心式流体機械を提供する。

Description

遠心式流体機械

　本発明は、遠心式羽根車と渦巻状ケーシングを備える遠心式流体機械に関する。

　遠心ポンプなどの遠心式流体機械では、運転を安定させるために、従来から様々な手法が提案されている。
　たとえば、特許文献１の遠心ポンプでは、渦巻状ケーシング内に形成されるスクロール流路について、舌部に近接する巻終わり部分の側壁に再循環路が設定されている。
　そして、再循環路を設定することで、脈動などの不安定現象が起きやすい運転領域での安定した運転がもたらされる。

特開２００２－８1３９８号公報

両吸込うず巻ポンプの圧力脈動に関する実験的研究　ターボ機械第１３巻第６号、Ｐ．２１～２９　大野隆史、田中康夫、小松厚造、紺野大輔

　ところで、特許文献１では、舌部の断面形状が、巻始め近傍で大きく拡大しているため、流れの急激な変化による拡大損失、剥離により損失の増大が懸念される。
　また、非特許文献１には、舌部の先端が、羽根車に接近するほど、再循環流れが減少すること、舌部の先端が羽根車に接近しすぎた場合には、舌部と羽根車後縁、および後縁流れとの干渉が増大し、脈動、騒音、サージなどの不都合が生じること、が示されている。

　本発明は、前述の課題に鑑みて創案されたものであり、脈動の発生を抑制して、安定した運転を行いつつ、再循環による損失を低減することができる遠心式流体機械を提供することを目的とする。

　前記の目的を達成するために、本発明に係る遠心式流体機械は、回転軸を介して、羽根車を回転可能に軸支するケース本体と、該羽根車の径方向外側に、該羽根車の外周に沿って、渦巻状に形成された渦巻流路と、を具備するケーシングを備え、該渦巻流路は、該羽根車の回転面に沿って対向配置された一対の側壁と、該一対の側壁の径方向外側縁部を跨ぐように連結しつつ、該羽根車の外周近傍を起点とし、該羽根車の外周に沿って巻き方向へ延在しつつ、該羽根車の外周から径方向外側へ徐々に離れる渦巻形状を呈する周壁と、該周壁の起点側端縁に、該周壁の巻き方向とは逆向きに凸の略くさび形状を有する舌部と、該一対の側壁と該舌部とによって、巻始め側と巻終わり側とを連通する溝形状に構成された連通部と、を備えた遠心式流体機械であって、該連通部は、略Ｖ字溝形状に形成されたことを特徴とする。

　本発明によれば、脈動の発生を抑制して、安定した運転を行いつつ、再循環による損失を低減することができる遠心式流体機械を提供することができる。

本実施形態の遠心ポンプを示す正面図である。図１のII-II線に沿った断面図である。図１のIII-III線に沿った断面図である。図２のIV-IV線に沿った断面図である。図４のV部の要部拡大図である。図４のV部の拡大斜視図である。図５のVII-VII線に沿った要部拡大断面図である。図５のVIII-VIII線に沿った断面図である。図５のIX-IX線に沿った断面図である。本実施形態のＶ字溝の構成を示す要部拡大断面図である。比較例における図４のV部に対応する部位の拡大斜視図である。比較例における図２のIV-IV線に対応する部位の要部拡大断面図である。図１２の矢印XIIIの指示する方向から見た矢視図である。本実施形態と比較例について、巻き角度θ＝４５°における流量を比較したグラフである。Ｖ字溝の構成の第１の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第２の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第３の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第４の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第５の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第６の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第７の別態様を示す要部拡大断面図である。Ｖ字溝の構成の第８の別態様を示す要部拡大断面図である。

　本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　図１、図２に示すように、本実施形態の遠心式流体機械は、水などの液相流体を作動流体とする遠心ポンプＰＭＰであり、いわゆる両吸込単弾渦巻ポンプで構成されている。

　本実施形態の遠心ポンプＰＭＰは、回転軸１０、羽根車２０、ケーシング３０を備え、電動モータＭによって駆動する。
　回転軸１０は、図１、図２に示すように、丸棒形状に形成され、ケーシング３０を貫きつつ、グランドパッキン３２ａを介して、ケーシング３０に軸支されている。
　このように軸支された回転軸１０は、その一端に電動モータＭの出力軸が連結されており、電動モータＭが稼働することで、軸周りに回転する。

　羽根車２０は、図２～図４に示すように、回転軸１０の軸周りに一体に固定され、回転軸１０とともに回転する。
　また、羽根車２０は、主板２１、側板２２、翼２３が一体に形成された、いわゆるクローズド形羽根車で構成されている。
　なお、図３、図４では、遠心ポンプＰＭＰの構成、および働きの理解を容易にするため、構成を一部省略して描いている。

　主板２１は、同一形状を有する２つの直円錐が底面同士で対向した状態で、一体に形成された略双円錐形状を備えている。
　そして、主板２１は、回転軸１０の軸心が双円錐形状の中心軸を貫いた状態で、固定されている。
　また、主板２１には、その各円錐面上に、複数の翼２３が立設している。

　翼２３は、それぞれが、所定の高さ寸法で主板２１の円錐面２１ａ上に立設されており、各翼２３は、主板２１の円錐面２１ａとの間に所定の間隔を空けた状態で、側板２２を支えている。
　側板２２は、その内周面が、主板２１の円錐面形状に倣った漏斗形状を備え、主板２１の各円錐面２１ａに重ねられている。

　以上のように構成することで、羽根車２０には、回転軸１０の軸周りに開口する小径側の２つの開口部と、回転軸１０の軸方向の中間部に位置し、径方向外側に向かって円環状に開口する大径側の開口部と、が形成される。
　そして、羽根車２０は、主板２１、翼２３、側板２２で囲まれた領域が、羽根車内流路２０ｂに設定されている。

　また、回転軸１０の軸周りに開口する小径側の２つの開口部が、羽根車内流路２０ｂの羽根車入口２０ａに設定されている。
　さらに、羽根車２０は、その軸方向の中間部に位置し、径方向外側に向かって円環状に開口する大径側の開口部が、羽根車出口２０ｃに設定されている。

　電動モータＭが、羽根車２０を回すことで、羽根車２０内部の作動流体が、遠心力によって、羽根車出口２０ｃから排出される。そして、作動流体が羽根車出口２０ｃから排出されることで、減圧する羽根車入口２０ａには、後述する供給室３５から作動流体が流入する。

　ケーシング３０は、図１～図４に示すように、グランドパッキン３２ａを介して、回転軸１０、羽根車２０を回転可能に軸支するとともに、作動流体の流通経路を形成している。
　また、ケーシング３０は、ケース本体３１、軸封部３２、吸込部３３、吸込流路３４、供給室３５、羽根車収容室３６、渦巻流路３７、吐出部３８を備えている。
　なお、各図中の矢印は、作動流体の流れる方向を示している。

　ケース本体３１は、図１～図４に示すように、ケーシング３０の外殻形状を構成し、その内部に羽根車２０を回転可能に軸支するとともに、その内部を作動流体が循環する。
　ケース本体３１は、下側本体３１Ｌ、上側本体３１Ｕの２部材に分割可能に構成されている。
　軸封部３２は、図２に示すように、グランドパッキン３２ａ、パッキン押さえ３２ｂを備えている。
　グランドパッキン３２ａは、回転軸１０を軸周りに回転可能に支持するための構成である。
　パッキン押さえ３２ｂは、回転軸１０とケーシング３０との間の隙間からの作動流体の漏出を防止するための構成である。

　次に、吸込部３３について説明する。
　吸込部３３は、図１、図３に示すように、外部からケーシング３０内へ作動流体を導入するための入口部分を構成している。
　また、吸込部３３には、図外の外部配管等に連結する手段として、吸込側フランジ３３ａが設けられている。
　吸込流路３４は、図１～図３に示すように、吸込部３３から導入された作動流体の流れを回転軸１０の一側と他側の２本に分岐し、分岐した先で別々の供給室３５に通じている。そして、分岐した各吸込流路３４は、吸込部３３から供給室３５に向かって、回転軸１０を中心とする渦巻状に旋回している。

　供給室３５は、図２、図３に示すように、それぞれが回転軸１０周りに形成されている。
　また、２つの供給室３５の間には、羽根車収容室３６が配置されている。
　そして、各供給室３５は、羽根車収容室３６に通じており、吸込流路３４を流通してきた作動流体を羽根車収容室３６へ供給する。
　羽根車収容室３６は、図２、図３に示すように、分岐した２本の吸込流路３４の間に挟まれるように配置されており、羽根車２０を回転軸１０とともに回転可能な状態で内部に収容している。

　また、羽根車収容室３６は、収容壁３６ａによって、各供給室３５と、渦巻流路３７とに区画されている。
　収容壁３６ａは、羽根車２０を間に挟むように一対の壁面で構成されている。
　また、収容壁３６ａは、羽根車２０を構成する側板２２の外形形状に倣って漏斗状に湾曲しつつ、ケース本体３１と一体に形成されている。
　そして、収容壁３６ａは、小径側の開口部が収容室入口３６ｂ、大径側の開口部が収容室出口３６ｃ、にそれぞれ設定されている。

　収容室入口３６ｂは、その内部に羽根車２０が収容された状態で、収容室入口３６ｂから羽根車入口２０ａが露出するように、羽根車入口２０ａよりもひとまわり大きな径に設定された円形の開口部である。
　収容室入口３６ｂの内周縁と羽根車入口２０ａの外周縁との間には、漏止手段３６ｄが設置されている。

　漏止手段３６ｄは、羽根車出口２０ｃから渦巻流路３７へ吐出された昇圧後の作動流体が、低圧側の供給室３５へ戻ることを防止するために設定されており、いわゆるライブリングで構成されている。
　収容室出口３６ｃは、漏斗形状を形成する各収容壁３６ａの大径側開口部が、羽根車出口２０ｃを間に挟みつつ、互いに対峙することで、径方向外側に開口する円環状の開口部を形成している。

　次に、渦巻流路３７について説明する。
　渦巻流路３７は、図１、図２、図４に示すように、収容室出口３６ｃの径方向外側、つまり羽根車出口２０ｃの径方向外側に、羽根車２０の外周に沿って、渦巻状に形成されている。
　渦巻流路３７は、収容室出口３６ｃから径方向外側へ吐出された作動流体が合流してから、吐出部３８までの流路を構成している。
　なお、渦巻流路３７の詳細については後述する。

　吐出部３８は、遠心ポンプＰＭＰが昇圧した作動流体を外部へ吐出するための出口を構成している。
　吐出部３８には、図外の外部配管等に連結する手段として、吐出側フランジ３８ａが設けられている。

　次に、渦巻流路３７について説明する（図２～図１０参照）。
　なお、本実施形態のケーシング３０の渦巻流路３７では、図４において、回転軸１０の軸心Ｃ１０から垂下した直線を基準線ＬＢと定義する。
　また、本実施形態では、軸心Ｃ１０を中心として、径方向に延出しつつ、反時計方向（以下、巻き方向Ｒと称する）に回転する半直線を旋回線ＬＡと定義し、旋回線ＬＡと基準線ＬＢとのなす角度を巻角度θと定義する。
　そして、巻角度θ＝０°を渦巻流路３７の巻始めに設定するとともに、巻き方向Ｒに１周（巻角度θ＝３６０°）したところを渦巻流路３７の巻終わりに設定する。

　渦巻流路３７は、図２～図４に示すように、渦巻部４１、ディフューザ４２、舌部４３、連通部４４で構成されている。
　渦巻部４１は、図２、図３に示すように、一対の側壁４１ａ、周壁４１ｂを備え、断面略台形形状を呈している。
　なお、渦巻部４１の断面形状は、断面略台形形状に限定されるものではない。たとえば、略楕円形、略円形、略逆三角形などのように、遠心ポンプＰＭＰの仕様などに合わせて、様々な断面形状を適宜選択することが可能である。

　また、渦巻部４１の巻角度θ＝０°～約４０°（舌部４３の突端部分の巻角度）の範囲を渦巻流路３７の巻始め側３７ａと称する。
　一対の側壁４１ａは、各壁面が羽根車２０の回転面に沿いつつ、羽根車出口２０ｃを間に挟むように、対向配置されている。
　周壁４１ｂは、羽根車出口２０ｃに面しつつ、一対の側壁４１ａの各径方向外側縁部を連結している。

　つまり、周壁４１ｂは、羽根車出口２０ｃを跨ぐように、一対の側壁４１ａを連結している。
　さらに、周壁４１ｂは、周方向には巻角度θ＝約４０°の位置、径方向には運転時に脈動が発生しない程度に、収容室出口３６ｃに近接した位置を起点にして形成されている。
　また、周壁４１ｂは、起点から巻角度θ＝３６０°まで羽根車２０の外周を巻き方向Ｒに回転しつつ、羽根車２０の外周から徐々に離れるように延びる、渦巻形状を形成している。

　ディフューザ４２は、図４に示すように、渦巻流路３７の巻終わり側３７ｂを構成し、渦巻部４１の巻終わりと吐出部３８とを連通する管路である。
　また、ディフューザ４２は、連通部４４を通じて、渦巻部４１の巻始め側３７ａに連通している。
　舌部４３は、図３～図９に示すように、巻き方向Ｒとは逆向きに凸の略くさび形状を形成しつつ、周壁４１ｂの起点側端縁とディフューザ４２とを連結している。
　そして、舌部４３は、周壁４１ｂの起点側端縁とディフューザ４２とを連結するため、周壁４１ｂの起点側端縁が設定された位置に配置されている。

　つまり、舌部４３は、周方向には巻角度θ＝約４０°の位置、径方向には運転時に脈動が発生しない程度に、羽根車２０の外周から間隔を空けた位置に設定されている（図４、図５参照）。
　また、舌部４３は、回転軸１０の軸方向に沿って、両側壁４１ａの壁面に直交するように、両側壁４１ａの間に形成されている（図８、図９参照）。
　さらに、舌部４３は、側壁４１ａ間で回転軸１０の径方向の寸法（以下、厚み寸法Ｔと称する）が一定となるように、設定されている。

　連通部４４は、巻始め側３７ａと巻終わり側３７ｂとを径方向に連通する溝形状を備え、遠心ポンプＰＭＰの運転中に、巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへ作動流体が流れ込む再循環流の流路として機能している。
　連通部４４は、巻始め側３７ａの連通方向外側に巻終わり側３７ｂが重なる部位（巻角度θ＝０°～約４０°（舌部４３の突端部分））の巻始め側３７ａと巻終わり側３７ｂとの境界部分に設定されている。

　連通部４４の溝形状は、溝壁部が両側壁４１ａの内壁面に突設された整流突起４５によって構成されつつ、溝底部が舌部４３によって構成された、略Ｖ字溝形状に形成されている。
　つまり、連通部４４は、一対の側壁４１ａと舌部４３とによって溝形状が構成されている。

　また、連通部４４の略Ｖ字溝形状は、溝幅寸法としての側壁間寸法Ｗ４４が、溝深さ寸法Ｈ４４（溝開口部から溝底部の寸法）よりも小さくなるように設定されている。
　さらに、連通部４４は、溝開口部が巻角度θ＝０°、溝底部が巻角度θ＝約４０°（舌部４３の突端部分）に設定されたＶ字溝で形成されている。
　そして、Ｖ字溝の溝底部は、舌部４３の突端部分における、両側壁４１ａから等距離の位置に設定されている。

　整流突起４５は、巻始め側３７ａと巻終わり側３７ｂとの境界部分に沿って円弧状に湾曲しつつ、対向する側壁４１ａに向かって突設されている。
　整流突起４５の突出寸法Ｌ４５は、巻角度θ＝０°から巻角度θが大きくなるにつれて徐々に増大し、舌部４３の突端部分（巻角度θ＝約４０°）で、両側壁４１ａ間の中央に到達するように設定されている。

　また、整流突起４５は、厚み寸法Ｔが、巻角度θ＝０°から巻角度θが大きくなるにつれて徐々に増大し、巻角度θ＝約４０°で、舌部４３の突端部分に連続するように設定されている。
　そして、整流突起４５と舌部４３とが連続する部位は、段差なく、滑らかに、且つ一体に形成されている。
　また、整流突起４５は、その厚み寸法Ｔが、回転軸１０の軸方向に対して、一定となるように設定されている。

　次に、Ｖ字溝形状について詳細に説明する（図１０参照）。
　本実施形態の連通部４４のＶ字溝形状は、二円弧法の手法に基づいて配置された、径の異なる２つの円の円弧によって構成されている。
　つまり、Ｖ字溝形状は、径の小さな円（以下、小円ＣＳと称する）が、径の大きな円（以下、大円ＣＬと称する）に内接することで、２つの円弧が滑らかに連続した形を形成している。

　また、Ｖ字溝形状は、両側壁４１ａから等距離に位置する点を結んだ直線を対称軸ＬＣとする線対称形状に形成されている。
　つまり、小円ＣＳは、その中心が、対称軸ＬＣ上に位置するように配置されるとともに、溝底部の円弧を構成している。

　また、大円ＣＬは、溝壁部の円弧を構成し、溝開口部と、小円ＣＳと、の計２箇所に接している。
　なお、整流突起４５によって形成されるＶ字溝形状は、上述のような二円弧法の手法に基づいて構成された連続する円弧に限定されるものではなく、様々な形状に形成することが可能である。
　そこで、整流突起４５によって形成されるＶ字溝形状の別態様については、後述する。

＜比較例＞（図１１～図１３参照）
　次に、本実施形態に対する比較例について説明する。
　比較例を例示することで、本実施形態の連通部４４の構成、および特徴を明確にし、理解を容易にする。
　なお、比較例として例示したケーシング３０は、本実施形態の連通部４４を見いだすにあたり、ベースとして採用した形態である。

　比較例と前述の実施形態とで異なる構成は、舌部の構成、連通部の構成の２点である。＜＜舌部の構成＞＞
　本比較例の舌部４３の厚み寸法Ｔ（図１３における上下方向の寸法）は、側壁４１ａ近傍で厚く、側壁間中央で最も薄くなるように設定されている。
　このため、図１３に示すように、舌部４３の突端部分は、舌部４３を上流側から見た場合に、くびれ形状を呈している。
　また、舌部４３の突端部分は、作動流体の流れに対して直交するように、上流側に面しつつ、溝幅方向（図１２、図１３における左右方向）に沿った平坦面に構成されている。

＜＜連通部の構成＞＞
　本比較例の連通部４４には、一対の側壁４１ａに、前述の実施形態における整流突起４５に相当する構成が設定されていない。
　つまり、図１１、図１２に示すように、比較例の連通部４４は、一対の側壁４１ａの壁面と舌部４３の突端部分とによって、矩形溝形状に形成されている。

＜＜連通部の働き＞＞
　連通部４４が、前述のような矩形溝形状を形成していることで、作動流体は、渦巻部４１からディフューザ４２へ抜ける際、舌部４３の突端部分の平坦面に正面から衝突し、その一部がせき止められる。
　そして、舌部４３がくびれ形状を形成しているために、作動流体が舌部４３の突端部分に衝突した際に、せき止められる作動流体の流量が、側壁４１ａ近傍では、側壁間中央よりも大きくなる。

　さらに、せき止められる流量が、側壁４１ａからの距離に応じて変化するため、舌部４３の突端部分の平坦面上に圧力差が生じ、渦流れなどの二次流れが発生するなどして、流れが乱れて滞り、流通抵抗が増大、悪化する。
　そして、流通抵抗が悪化することで、渦巻部４１からディフューザ４２を通じて外部へ吐出されるはずの作動流体が、連通部４４を通じて、渦巻部４１の巻始め側３７ａへ再循環してしまうことになる。
　つまり、比較例の連通部４４の構成では、流れの滞る部位が発生するために、巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへの再循環量が増加し、運転効率が低下する。

＜本実施形態の連通部４４の働き＞（図５～図１０参照）
　前述の比較例に対して、本実施形態では、舌部４３の突端部分の形状は、図８、図９に示すように、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔが一定に設定されている。
　このため、流れが舌部４３の突端部分に衝突した際に、回転軸１０の軸方向の寸法について、舌部４３の突端部分にせき止められる流量にばらつきがなくなり、流れの乱れが抑制される。

　また、本実施形態では、図６、図７に示すように、連通部４４がＶ字溝形状に形成されている。このため、作動流体は、渦巻部４１からディフューザ４２を通じて吐出部３８へ抜ける途中に、その一部が連通部４４の溝開口部から溝底部に向かってＶ字溝形状の内部に進入する。
　そして、図７に示すように、Ｖ字溝形状の内部に進入した作動流体は、溝開口部側から順に、溝壁部に対して斜めに衝突していき（矢印ＡＲ１）、最後に溝底部で正面から衝突する（矢印ＡＲ２）。

　溝壁部に対して斜めに衝突した作動流体（矢印ＡＲ１）は、溝壁部にいなされて、流れる方向が変化する。
　このため、比較例のように、正面から衝突し、流れがせき止められるような構成の場合よりも、流れの乱れが抑制される。
　そして、流れの乱れが抑制されることで、作動流体はディフューザ４２へ滞りなく流れるため、連通部４４を通じて巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへ再循環する流れが減少する。

　つまり、Ｖ字溝形状の場合、作動流体が正面からの衝突する部位は、溝底部に限定され、残りの部位は、作動流体が斜めに衝突する。
　これによって、作動流体が舌部４３の突端部分に正面からの衝突することに起因する流れの乱れが抑制される。
　また、本実施形態では、連通部４４に整流突起４５を設定することで、Ｖ字溝形状を形成しているため、整流突起が設定されない場合よりも、径方向に連通する面積が縮小している。

　たとえば、図１２に示すように、実線で示された、ベースとなる矩形溝形状の連通部４４に対して、本実施形態の連通部４４では、溝壁部に整流突起４５を設けて、破線で示すＶ字溝形状を形成している。
　これによって、クロスハッチＣＨで示される領域が塞がれて、巻終わり側３７ｂと巻始め側３７ａとを連通する面積が縮小する。
　そして、連通する面積が縮小することによって、作動流体が再循環する際の妨げとなり、再循環流量を低減することができる。

＜実施形態と比較例との比較＞（図１４参照）
　図１４のグラフは、本実施形態と比較例とについて、前述の連通部の構成、および働きの違いによって生じる流量の差異を表したグラフである。
　グラフの横軸は、吐出部３８から吐出される作動流体の流量Ｑを、最大ポンプ効率流量Ｑbepによって無次元化したものである。
　また、グラフの縦軸は、巻角度θ＝４５°に位置する渦巻部４１の流路断面を通過する作動流体の流量Ｑ45を、最大ポンプ効率流量Ｑ45bepによって無次元化したものである。

　最大効率流量Ｑbpeに対して、９０％の流量（部分水量）、１００％の流量（最大効率水量）、１１０％の流量（過大水量）の３点について比較した。
　そして、図１４からは、３点の全ての流量で、巻角度θ＝４５°での流量が相対的に減少していることが認められた。
　つまり、連通部４４をより適切な形態に設定することで、通常の運転領域では、再循環流れが減少することが示されている。

　次に、本実施形態の遠心ポンプＰＭＰ（遠心式流体機械）の作用効果について説明する。
　本実施形態では、渦巻流路３７の巻始め側３７ａと巻終わり側３７ｂとを連通する連通部４４が、溝壁部の内壁面に突設された整流突起４５によって略Ｖ字溝形状に形成されている。
　このため、比較例のように、整流突起４５を備えずに、連通部４４が矩形溝形状に形成された場合よりも、渦巻流路３７の巻始め側３７ａと巻終わり側３７ｂとが連通している部位の面積を小さくすることができる。

　これによって、巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへ再循環する流量を削減すること
ができるため、再循環による損失が低減されて、運転効率を向上させることができる。
　また、本実施形態では、連通部４４がＶ字溝形状を備えることで、作動流体の流れは、舌部４３の突端部分（溝底部）に衝突する前に、Ｖ字溝形状を形成する溝壁部に対して斜めに衝突する。
　作動流体は、溝壁部に対して斜めに衝突することで、流れの勢いがいなされつつ、流れの向きを変える。

　このため、整流突起４５を備えずに、作動流体が舌部４３に正面から衝突する場合よりも、作動流体が舌部４３を通過する際に発生する流れの乱れが抑制され、流れを安定させることができる。
　これによって、巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへの再循環流が減少し、再循環による損失を低減することができるとともに、遠心ポンプＰＭＰ（遠心式流体機械）を安定して運転することができる。

　本実施形態では、連通部４４のＶ字溝形状は、溝開口部の幅寸法としての側壁間寸法Ｗ４４が、溝深さ寸法よりも小さくなるように設定されている。
　このような構成とすることで、作動流体が溝壁部に衝突した際に、変化する流れの角度をより小さくすることができる。
　これによって、溝壁部への衝突によって生じる流れの乱れをさらに抑制することができる。

　本実施形態では、連通部４４のＶ字溝形状は、滑らかに連続する曲線で構成されている。
　つまり、溝壁部を構成する整流突起４５と、溝底部を構成する舌部４３とが、二円弧法の手法に基づいて形成された曲線によって滑らかに連続するように形成されている。
　このような構成とすることで、作動流体と整流突起４５とが衝突する位置は、側壁４１ａの近傍から両側壁４１ａ間の中央に向かうに従って、流れ方向の下流側へ徐々に移動する。つまり、作動流体と整流突起４５との衝突する位置が流れ方向に分散される。
　これによって、作動流体の脈動を防ぐとともに、流れの乱れを抑制し、流速差に起因する圧力損失を減らすことができる。

　本実施形態では、連通部４４のＶ字溝形状を構成する溝底部が、両側壁４１ａから等距離の位置に設定されている。
　つまり、作動流体の流れの一部が連通部４４に衝突する際に、流れをせき止めるように、流れに対して正面から衝突する溝底部が、両側壁４１ａから等距離の位置に設定されている。

　これによって、圧力の最も高くなる部位が、両側壁４１ａ間の中央に形成されるため、圧力勾配が、両側壁４１ａ間の中央を中心に、側壁間方向に対称形状となり、流れの乱れが抑制される。
　なお、溝底部が一方の側壁４１ａに近接した位置に設定された場合には、圧力勾配が側壁間方向に非対称形状となるため、流れが乱れ易くなり、再循環する流れが増加する要因となる。

　本実施形態では、舌部４３の厚み寸法Ｔが、両側壁４１ａ間で一定に設定されている。
　これによって、作動流体の流れが、舌部４３に正面から衝突する際に、両側壁４１ａ間でせき止められる流量にばらつきがなくなり、圧力差の発生、流れの乱れ、および舌部４３近傍での流れの剥離が抑制される。
　そして、流れの乱れ、および舌部４３近傍での剥離が抑制されることで、再循環する流れを低減することができる。

　本実施形態では、連通部４４が、渦巻流路３７の巻角度θ＝０°から舌部４３の突端部分の間に設定されている。
　つまり、巻始め側３７ａの径方向外側に巻終わり側３７ｂが重なる範囲と一致するように、連通部４４が設定されている。
　これによって、巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへ通じる流路が確保しつつ、巻終わり側３７ｂから巻始め側３７ａへ通じる面積が縮小されるため、脈動の発生を抑制しつつ、再循環する流れをさらに低減することができる。

＜別態様＞
　次に、本実施形態の別態様について説明する。
　前述の実施形態と以下の第１～第８の別態様とで異なる点は、連通部４４の形成するＶ字溝形状のみであり、他の構成については同様のため、詳細な説明は省略する。
　また、前述の実施形態と以下の第９の別態様とで異なる点は、舌部４３、および連通部４４がくびれ形状を形成している点のみであり、他の構成については同様のため、詳細な説明は省略する。

＜第１の別態様＞（二円弧、非対称）
　図１５に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が左右非対称形状に構成されている。
　つまり本態様では、左右の各溝形状は、二円弧法の手法に基づいて形成されているが、溝底部側の円弧を構成する小円ＣＳａ、ＣＳｂ、溝壁部側の円弧を構成する大円ＣＬａ、ＣＬｂの各径が、左右で異なっている。
　また、Ｖ字溝の溝底部は、前述の実施形態と同様に、舌部４３の突端部分における両側壁４１ａから等距離の位置に設定されている。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、たとえば片吸込型などのように、左右で流速が異なりやすい形式の遠心ポンプＰＭＰに対して好適である。

＜第２の別態様＞（円弧＋直線）
　図１６に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が円弧と直線とで、左右対称形状に構成されている。
　つまり本態様では、底溝部は円弧で構成され、溝壁部は直線で構成されている。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、前述の実施形態のＶ字溝形状よりも流路断面積を小さくしたい場合に好適である。

＜第３の別態様＞（三円弧）
　図１７に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が三円弧法の手法に基づいて、左右対称形状に構成されている。
　つまり本態様では、底溝部、溝壁部、溝開口部のそれぞれが、径の異なる３つの円（小円ＣＳ、中円ＣＭ、大円ＣＬ）によって構成され、それぞれの円弧が互いに接しつつ、連続している。
　また、底溝部、溝壁部、溝開口部の順に円弧の径が大きくなるように、３つの円（小円ＣＳ、中円ＣＭ、大円ＣＬ）は、各径が設定されている。

　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、前述の実施形態の整流突起４５よりも溝壁部形状をより細かく設定したい場合、整流突起４５を側壁４１ａから突出する部位をより滑らかに連続させたい場合、などに好適である。

＜第４の別態様＞（楕円）
　図１８に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が楕円を用いて、左右対称に構成されている。
　つまり本態様では、溝形状が１つの数式で表されている。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、前述の実施形態のＶ字溝形状よりも流路断面積を小さくしたい場合、溝壁部形状をより滑らかに連続させたい場合、溝開口部と側壁４１ａとをより滑らかに連続させたい場合、などに好適である。

＜第５の別態様＞（二次曲線）
　図１９に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が二次曲線を用いて、左右対称に構成されている。
　つまり本態様では、溝形状が１つの数式で表されている。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、前述の実施形態のＶ字溝形状よりも流路断面積を小さくしたい場合、溝壁部形状をより滑らかに連続させたい場合などに好適である。

＜第６の別態様＞（ベジェ曲線）
　図２０に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状がベジェ曲線（スプライン曲線）を用いて、左右対称形状に構成されている。
　ベジェ曲線は、コンピュータ上で曲線を描くために用いられる数式で、設定された複数の定義点ＰＴをもとに曲線を表現する。

　つまり本態様では、溝開口部の定義点ＰＴ１、ＰＴ５を曲線の始点と終点に指定し、残りの定義点ＰＴ２～ＰＴ４（方向点）で溝形状を規定している。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、前述の実施形態のＶ字溝形状とは異なる任意の形状に設定したい場合、溝壁部と側壁４１ａとをより滑らかに連続させたい場合、などに好適である。

＜第７の別態様＞（階段）
　図２１に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が階段状に、且つ左右対称形状に構成されている。
　つまり本態様では、溝壁部、溝底部が階段状に構成されている。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、遠心ポンプＰＭＰの容量が比較的大きい、ケーシング３０の寸法が比較的大きいなど、Ｖ字溝形状を滑らかに連続させる加工が困難な場合などに好適である。

＜第８の別態様＞（正規分布曲線）
　図２２に示すように、本態様では、Ｖ字溝の溝形状が正規分布曲線を用いて、左右対称に構成されている。
　つまり本態様では、溝形状が１つの数式で表されている。
　なお、一方の側壁４１ａから他方の側壁４１ａにかけて、厚み寸法Ｔは一定に設定されている（図８、図９参照）。
　このような溝形状は、前述の実施形態のＶ字溝形状よりも流路断面積を小さくしたい場合などに好適である。

　以上、本発明の実施形態として、いわゆる両吸込単弾渦巻ポンプに適用した場合について説明したが、本願発明が適用可能な遠心式流体機械を、これに限定するものではない。
　たとえば、回転軸の軸線方向片側から作動流体を吸い込む片吸込ポンプ、多段ポンプ、ラインポンプなどの縦型ポンプ、電動モータＭの回転速度が変更可能な可変速運転ポンプなどへの採用が可能である。さらに、作動流体の勢いで羽根車を回転させて、発電機を駆動するポンプ水車などへの採用が可能である。

　また、本発明の実施形態では、作動流体として、水などの液相流体を採用したが、これに限定するものではない。
　たとえば、空気などの気相流体を作動流体として、採用することが可能である。
　つまり、巻始め側３７ａと巻終わり側３７ｂとが、連通部４４を介して通じる渦巻流路３７を備えた遠心式流体機械であれば、本願発明を採用することが可能であり、本実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

ＰＭＰ　遠心式流体機械（遠心ポンプ）
１０　回転軸
２０　羽根車
３０　ケーシング
３１　ケース本体
３７　渦巻流路
３７ａ　巻始め側
３７ｂ　巻終わり側
４１ａ　側壁
４１ｂ　周壁
４３　舌部
４４　連通部
Ｒ　巻き方向
Ｈ４４　溝深さ寸法
Ｗ４４　側壁間寸法
Ｔ　厚み寸法

Claims

　回転軸を介して、羽根車を回転可能に軸支するケース本体と、
　該羽根車の径方向外側に、該羽根車の外周に沿って、渦巻状に形成された渦巻流路と、を具備するケーシングを備え、
　該渦巻流路は、
　該羽根車の回転面に沿って対向配置された一対の側壁と、
　該一対の側壁の径方向外側縁部を跨ぐように連結しつつ、該羽根車の外周近傍を起点とし、該羽根車の外周に沿って巻き方向へ延在しつつ、該羽根車の外周から径方向外側へ徐々に離れる渦巻形状を呈する周壁と、
　該周壁の起点側端縁に、該周壁の巻き方向とは逆向きに凸の略くさび形状を有する舌部と、
　該一対の側壁と該舌部とによって、巻始め側と巻終わり側とを連通する溝形状に構成された連通部と、
を備えた遠心式流体機械であって、
　該連通部は、
　略Ｖ字溝形状に形成された
ことを特徴とする遠心式流体機械。
　請求項１に記載の遠心式流体機械において、
　前記連通部は、
　そのＶ字溝形状が、
　溝幅寸法が、溝深さ寸法よりも小さく設定された
ことを特徴とする遠心式流体機械。
　請求項１に記載の遠心式流体機械において、
　前記連通部は、
　そのＶ字溝形状が、
　滑らかに連続する曲線で構成されている
ことを特徴とする遠心式流体機械。
　請求項１に記載の遠心式流体機械において、
　前記連通部は、
　そのＶ字溝形状の溝底部が、
　前記側壁のそれぞれから等距離の位置に設定された
ことを特徴とする遠心式流体機械。
　請求項１に記載の遠心式流体機械において、
　前記舌部は、
　径方向に沿った寸法が、前記両側壁間で一定に設定された
ことを特徴とする遠心式流体機械。
　請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の遠心式流体機械において、
　前記連通部は、
　そのＶ字溝形状が、
前記渦巻流路の巻角度θ＝０°から前記舌部の突端部分の間に設定された
ことを特徴とする遠心式流体機械。