JP2004169704A - 遠心ポンプにおける欠陥を早期に検出する方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 既存の部品を主に用い差し迫った欠陥に関する信頼度の高い情報をもたらす遠心ポンプにおける欠陥を早期に検出する方法及びその装置を提供する。
【解決手段】 バランス装置は、バランス流体が導入される１つの軸方向間隙８と選択的な１つ以上の径方向間隙６、７とを有する。遠心ポンプ２４は、１つ以上の径方向間隙６、７を介してバランス装置に作用するカルダンリング１０、１４をさらに備えている。遠心ポンプ２４の作動中に、遠心ポンプ２４のポンプ特性およびカルダンリング１０、１４のバネ定数を基準にして、カルダンリング１０、１４の変形を測定し、その測定結果を遠心ポンプ２４の現在の作動点におけるデータとして出力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、遠心ポンプにおける欠陥を早期に検出する方法と装置に関する。なお、遠心ポンプはバランス装置を備え、バランス装置は、バランス流体が導入される１つの軸方向間隙と任意選択的な１つまたはそれよりも多い数の径方向間隙とを有している。遠心ポンプはさらに、１つまたはそれよりも多い数の径方向間隙を介してバランス装置に作用するスプリング要素を備えている。

遠心ポンプにおける欠陥を検出するために、異常な振動、温度上昇、騒音、または他の測定可能な値を測定し、そのデータを監視ユニットに伝達するセンサが用いられている。複数のこれらのセンサはポンプのハウジングの外側に配置されている。すなわち、これらのセンサは欠陥源の箇所に直接接続されていない。このようなセンサから得られる信号は擬似信号を排除することができず、正確な信号とはいえない。特に、このような信号は遅れがあり、損傷がすでに生じた後に得られることが多い。

軸受が損耗すると、またはバランス装置が十分に作動しないと、遠心ポンプの内部に著しい欠陥が生じる。このような欠陥は徐々に生じる。従って、遠心ポンプの外側においては、初期の段階でどのような検出可能な徴候も現れず、著しい損傷によって遠心ポンプが欠損した後になって、検出されることがある。

軸方向接触センサであるロードセルを用いることによって、軸方向力を検出することができる。しかし、構造的な理由から、このようなロードセルを永久的に用いることができない。

本発明の目的は冒頭に述べた型式の遠心ポンプにおいて、主として既存の部品を用いて差し迫った欠陥に関する信頼性の高い情報を得ることによって、それらの欠陥を早期に検出する方法および装置を提供することにある。

本発明によれば、上記の目的は遠心ポンプの作動中に、遠心ポンプのポンプ特性およびスプリング要素のバネ定数を基準にして、スプリング要素の変形を測定し、その測定結果を遠心ポンプの現在の作動点におけるデータとして出力することによって達成される。

本発明の好ましい一実施態様によれば、早期欠陥検出によって監視される各遠心ポンプ型式およびポンピング媒体ごとに、軸方向力、バランス力(balancing force)および、吸引側のチャンバ内の圧力分布を遠心ポンプの特性曲線における作動点に関連付けるような基線測定(base line measurement)を行うように構成される。すなわち、早期欠陥検出によって監視される各遠心ポンプ型式およびポンピング媒体ごとに、前記遠心ポンプの特性曲線における作動点において軸方向力、バランス力および、吸引側のチャンバ内の圧力分布に関連する基線測定を行う。

また、本発明の他の好ましい実施態様によれば、早期欠陥検出によって監視される各遠心ポンプ型式およびポンピング媒体ごとに、スプリング要素の周波数スペクトル(frequency spectra)を決定する動的測定(volumetric flow)を行い、流量に関連する遠心ポンプの欠陥の可能性を示す周波数域を決定するように構成される。すなわち、早期欠陥検出によって監視される各遠心ポンプ型式およびポンピング媒体ごとに、前記スプリング要素の変形量の時間に対する特性曲線を決定する動的測定を行い、それらの特性曲線における変化の大きい箇所から漏れに関連する前記遠心ポンプの欠陥の可能性を示す時間域を決定する。

特に、遠心ポンプのシャフトに沿ってその両方向に作用する軸方向力を検出するために、好ましくは、第１スプリング要素の反対側に配置される第２スプリング要素を用いて、遠心ポンプの送給側に作用する軸方向スラスト力が存在する場合、その軸方向スラスト力を測定するように構成されるとよい。このような送給側に作用する軸方向力は、極端な過負荷が作用した場合、反スラスト力として生じる。

本発明による方法を実施するための特に好ましい装置によれば、スプリング要素はカルダンリングであり、このカルダンリングはバランス装置の構成によって予め決められる所定の残留軸方向力によって変形し、軸方向間隙を所定の値に調整することを特徴する。なお、このような要素を備えるバランス装置は国際出願公開番号ＷＯ００／７７４０５に記載されている。

本発明による方法およびその方法に用いる装置は、特に軸受の初期磨耗または軸受に対する好ましくない流体動圧状態を検出する用途、および遠心ポンプのハウジングに対するロータ（インペラ）の擦過を避けるような用途に適用されるとよい。

本発明による方法およびその装置は最小限の数のセンサを用いている。それらのセンサをバランス装置に直接連結することによって、遠心ポンプの欠陥を極めて容易にかつ高い信頼度で検出することができる。本発明において特に好適な装置として用いられるカルダンリングは、その弾性的挙動により、遠心ポンプのロータの動的挙動を安定化させることができる。

本発明によれば、遠心ポンプの位置合わせの誤差を補正すると共に軸方向力を調整するためにアキシャル軸受に併設させたカルダンリングを利用して軸方向力を直接測定するように構成することによって、遠心ポンプの欠陥を極めて容易にかつ高い信頼度で検出することができる。

以下、図面に記載されている実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。

図１に示すように、複数（図においては２枚）のインペラ３を支持するシャフト２は、遠心ポンプのハウジング１内に支持されている。

本発明によるバランス装置の２段ピストン４がシャフト２に取り付けられている。２段ピストン４はハウジング部５によって包囲され、それらの間に２つの径方向間隙６および７が形成されている。径方向間隙６および７間には、軸方向間隙８が形成されている。軸方向間隙８は可変幅ｓを有している。

遠心ポンプの送給側（図の左側）の端部において、シャフト２は流体アキシャル軸受９内に支持されている。アキシャル軸受９にはカルダンリング１０が付設されている。カルダンリング１０は、通常、多段遠心ポンプの組立において不可避な位置合わせの誤差を補正する役割を有している。さらに、本発明によるカルダンリング１０は、遠心ポンプにおいて吸引側（図の右側）に向かって作用する残留スラスト力によって弾性的に変形するような寸法である。カルダンリング１０のバネ定数はバランス装置の他の条件を加味して選択される。

バランス装置は、吸引側の方向に作用する残留スラスト力が遠心ポンプのあらゆる作動条件下において存在するように構成されている。すなわち、軸方向間隙８は遠心ポンプが使用されていない状態において最大幅ｓに設定され、作動条件下において、カルダンリング１０の変形によってその最大幅ｓから所定の最小幅（間隙８を画成する２段ピストン４とハウジング部５の面間が接触しない最小幅）まで閉鎖されるように構成されている。なお、好ましくは、このバランス装置の軸方向間隙８が自己調整機能を有しているとよい。

カルダンリング１０を適切な測定装置と一体化することによって、好ましくない流体動圧条件または軸受磨耗の初期状態を示す軸方向力を早期に検出することができる。ポンプ作動中に生じるカルダンリング１０の変形は適切な手段、例えば、一般的な歪ゲージ（図示せず）によって測定され、ライン１１を介して信号として信号処理装置に伝送される。軸方向力センサとして機能するカルダンリング１０を測定システムに直接機械的に連結することによって、流体膜の及ぼす影響を減衰させずに正確に軸方向力を測定することができる。一方、従来の非接触センサの場合、そのセンサと測定の対象となる部品間において流体膜の及ぼす影響が減衰するので、軸方向力を正確に測定することができない。

図２は、図１の装置と同様の軸方向力測定装置が送給側軸受支持部１２に取り付けられている高圧リング状断面ポンプを示している。測定装置の個々の要素は円筒ハウジング１３内に収容されている。この変更例において、左右両方向の軸方向力を測定するために、２つのカルダンリング１４、１５が設けられている。ロータ（インペラ）の動的挙動を安定させるために、カルダンリング１４、１５は付勢されるとよい。図示の例では、吸引側リング１４はスペーサリング１６によって付勢され、送給側リング１５はスペーサスリーブ１７によって付勢されている。

遠心ポンプのロータによって生じる軸方向力はシャフト２に回転不能に接続されたアキシャル軸受ディスク１８を介して測定装置に伝達される。アキシャル軸受ディスク１８は、吸引側（左側）または送給側（右側）に向って作用する軸方向スラスト力をカルダンリング１４または１５に直接連結されている２つのアキシャル深溝ボール軸受１９または２０に伝達する。スプリング要素であるカルダンリング１４、１５は撓み、自在継手として機能する。非均衡な残留力はスペーサリング１６またはスペーサスリーブ１７を介してハウジング１３に伝達される。カルダンリング１４、１５は、それぞれ、円筒ピン２１によって回転不能にスペーサリング１６およびスペーサスリーブ１７固定されている。このようなカルダンリング１４、１５の変形を示す信号はライン２２、２３を介して信号処理装置に伝達される。

図３は、高圧リング断面ポンプ２４におけるカルダンリング１４、１５を介して検出される測定信号の処理を示す図である。軸方向力測定系の第１リンクは歪ゲージ（ＤＭＳ、図示せず）と共に用いられるカルダンリング１４、１５である。前述したように、カルダンリング１４、１５はそれぞれ左右両方向に作用する負荷に対応している。入出力信号が平行に接続される２つの完全な歪ゲージのブリッジ（図示せず）が、カルダンリング１４、１５のそれぞれに設けられている。ブリッジ配線される各歪ゲージの特性を同一に設定し、一定の電圧を測定用増幅器を介して各歪ゲージに付加することによって、２つのブリッジからの出力信号が電気的に平均した回路を得ることができる。この回路を用いることによって、２つのリング内に導入される偏心力によって生じる不均衡な電圧分布を補償することができる。

出力信号は歪ゲージ増幅器２５を介して測定変換器２６に伝達される。この測定変換器２６は信号を０ないし１０Ｖの出力電圧に変換する。最終的に、信号はコンピュータ２７の測定データ取得カードに伝達される。この測定データは表示することが可能であり、さらに処理することも可能である。

図３に示す装置は試行的な構成であり、実際には、使用される各要素は遠心ポンプ２４と一体化させるとよい。いくつかの要素、例えば、送給側のリング１５を省略してもよい。２つのアキシャル深溝軸受１９、２０の代わりに、１つの流体アキシャル軸受を用いてもよい。

バランス装置の軸方向間隙を調整すると共に軸方向力を測定する要素であるカルダンリングを吸引側に配置した本発明による多段遠心ポンプの詳細を示す断面図である。 両方向に作用するスラスト力、すなわち、軸方向力を測定する装置を構成する２つのカルダンリングを吸引側と送給側にそれぞれ配置した以外は図１の実施例の構成と基本的に同じ構成を有する遠心ポンプの詳細を示す断面図である。 軸方向力測定装置によって検出された信号を処理する装置を備える遠心ポンプの概略構成図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ シャフト
３ インペラ
４ ２段ピストン
５ ハウジング部
６、７ 径方向間隙
８ 軸方向間隙
ｓ 可変幅
９ 流体アキシャル軸受
１０、１４、１５ カルダンリング
１１、２２、２３ ライン
１２ 送給側軸受支持部
１３ 円筒ハウジング
１６ スペーサリング
１７ スペーサスリーブ
１８ アキシャル軸受ディスク
１９、２０ アキシャル深溝ボール軸受
２１ 円筒ピン
２４ 高圧リング断面ポンプ（遠心ポンプ）
２５ 歪ゲージ増幅器
２６ 測定変換器
２７ コンピュータ

Claims (8)

1. バランス装置を備える遠心ポンプの欠陥を早期に検出する方法であって、前記バランス装置は、バランス流体が導入される１つの軸方向間隙および選択的な１つ又はそれよりも多い数の径方向間隙を有し、前記バランス装置にスプリング要素が作用して前記１つ又はそれよりも多い数の径方向間隙を調整する方法において、
   前記遠心ポンプ（２４）の作動中に、前記遠心ポンプ（２４）のポンプ特性および前記スプリング要素（１０、１４）のバネ定数を基準にして、前記スプリング要素（１０、１４）の変形を測定し、その測定結果を前記遠心ポンプ（２４）の現在の作動点におけるデータとして出力することを特徴とする方法。
2. 早期欠陥検出によって監視される各遠心ポンプ型式およびポンピング媒体ごとに、前記遠心ポンプ（２４）の特性曲線における作動点において軸方向力、バランス力および、吸引側のチャンバ内の圧力分布に関連する基線測定を行うことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 早期欠陥検出によって監視される各遠心ポンプ型式およびポンピング媒体ごとに、前記スプリング要素（１０、１４）の変形量の時間に対する特性曲線を決定する動的測定を行い、それらの特性曲線における変化の大きい箇所から漏れに関連する前記遠心ポンプ（２４）の欠陥の可能性を示す時間域を決定することを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 第１スプリング要素（１４）の反対側に配置される第２スプリング要素（１５）を用いて、前記遠心ポンプ（２４）の送給側の方向に作用する軸方向スラスト力が存在する場合、その軸方向スラスト力を測定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の方法を実行する装置であって、前記スプリング要素はカルダンリング（１０、１４）であり、前記カルダンリング（１０、１４）は前記バランス装置の構成によって予め決められる所定の残留軸方向力によって変形し、軸方向間隙を所定の値に調整することを特徴とする装置。
6. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の欠陥を早期に検出する方法により、軸受の初期の磨耗を検出することを特徴とする方法。
7. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の欠陥を早期に検出する方法により、前記遠心ポンプのロータが前記遠心ポンプのハウジングを擦るのを防ぐことを特徴とする方法。
8. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の欠陥を早期に検出する方法により、好ましくないキャビテーション状態を検出することを特徴とする方法。
   

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