JP2008082316A - 軸方向バランスシステムを備えるポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】より大きな軸方向の持ち上げ力を生み出すことができる、優れた軸方向バランスシステムを有するポンプを提供する。
【解決手段】本発明は、流体を吸い込むためのポンプ（１０）であって、流体入口縁（４８）と流体出口縁（４４）とを有する少なくとも１つの遠心ホイール（１４）を備えるとともに、さらにハウジングと遠心ホイール（１４）の上流面（３６）との間に画定された高圧流空間（３４）を備える軸方向バランスシステム（３２）を備えている、ポンプ（１０）に関する。
本発明は、軸方向バランスシステム（３２）が、ポンプ（１０）の作動中に高圧流空間（３４）を循環する流体の静水圧を実質的に増加させるための手段（５２）をさらに備えていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば液化ガスを吸い込むように意図されたポンプなどの、ポンプの分野に関する。

この形式のポンプは、一般的には、この形式の垂直軸を基準にしてポンプの「底部」および「上部」を定義することができるよう、垂直に、すなわち回転軸がほぼ垂直に延在するように配置されるように、意図されている。

「軸方向」、「半径方向」、および「接線方向」といった用語も、やはり、ポンプの回転軸を基準にして定義される。

このポンプの具体的な回転要素、特にポンプのモータの回転子へと取り付けられた回転シャフトが、かなりの質量であるため、これらの要素をポンプの底部に向かって変位させようとする相当な重力が存在することを、理解できるであろう。

さらには、汲み上げ動作に対する反作用が、ポンプの回転シャフトおよび回転シャフトに取り付けられた各要素を下方へと引っ張る張力を生みだす。

この追加の力が重力と組み合わさって、回転シャフトに、ポンプの底部へと軸方向に向かう相当な応力を加える。

結果として、回転シャフトをポンプのハウジングに対して回転させて案内すべく設けられている軸受が、これらの応力に起因してかなりの軸方向のひずみにさらされ、これが軸受の寿命に悪影響を及ぼしている。

この欠点を克服するため、この形式のポンプは、通常は、これらの応力のすべてまたは一部を補償できるようにする、軸方向のバランスシステムを備えている。

さらに具体的には、本発明は、流体入口縁と流体出口縁とを有する少なくとも１つの遠心ホイールを備えており、この遠心ホイールが、ポンプのハウジングに対して回転できるように取り付けられたシャフトによって回転駆動される、流体を吸い込むためのポンプであって、ポンプは、ハウジングと遠心ホイールの上流面との間に画定される高圧流空間、およびハウジングと遠心ホイールの下流面との間に画定される低圧流空間を備える、軸方向バランスシステムをさらに備えており、高圧流空間は、遠心ホイールの出口縁に近接して配置された入口と、遠心ホイールの入口縁に近接して配置された出口とを備え、この高圧流空間の出口に第１の流れ規制手段が備えられており、低圧流空間は、遠心ホイールの出口縁に近接して配置された入口を備え、この入口に第２の流れ規制手段が備えられており、さらに低圧流空間が、環状の通路を有する出口を備えており、この環状の通路が、軸方向に可変である流量絞りを形成するとともに、環状の通路に対して半径方向内側かつ上記シャフトの周囲に画定された環状の放出空間へと半径方向に開いており、この環状の空間が、圧力が低圧流空間の圧力よりも低い領域に連通している、ポンプに関する。

軸方向のバランスシステムを備えるこの形式のポンプは、特に欧州特許第０６８８９５５号明細書からすでに知られている。

公知のやり方においては、流体が吸い込み段を介して引き込まれ、次いで遠心ホイールの入口縁に向かって案内され、このホイールが、ポンプの下流部分へと向かう環状の後方流管路によって案内される前に遠心力による加速度が流体に加わるように、軸方向に延在する入口と半径方向に延在する出口とを有する管路を備えている。

必須ではないが、好ましくは、高圧流空間および低圧流空間への流体の流れは、求心性である。

軸方向バランスシステムの動作原理は、伝統的には次のとおりである。すなわち、基本的には遠心ホイールとポンプのハウジングとの間が密でないために、遠心ホイールから出る流体の一部が、後方流管路へと向かうのではなく、遠心ホイールとポンプのハウジングの間に殺到する。

すなわち、流体の第１の部分が、高圧流空間に流れ込む一方で、流体の第２の部分が、低圧流空間に流れ込む。

高圧流空間の出口が、入口とは対照的に、第１の流れ規制手段によって制限されているため、高圧流空間へと進入するときに流体の第１の部分の静水圧が高まることを、理解できるであろう。

一方で、低圧流空間の入口が、第２の流れ規制手段によって制限されているため、低圧流空間へと進入するときに流体の第２の部分の静水圧が低下することを、理解できるであろう。

この場合に、高圧流空間の圧力が低圧流空間の圧力よりも高くなり、遠心ホイールに、ポンプの下流部分へと向いた軸方向の持ち上げ力が加わり、ポンプの上流部分へと向かう上述の軸方向の応力を相殺することを、理解できるであろう。

このようにして、この軸方向の持ち上げ力によって軸受の負荷を軽減できることを、理解できるであろう。

また、力は、圧力が作用する表面積に比例するため、持ち上げ力の強さが、遠心ホイールの上流および下流の表面積の大きさによって制限されることも、理解できるであろう。
欧州特許第０６８８９５５号明細書

本発明の目的は、より大きな軸方向の持ち上げ力を生み出すことができる、優れた軸方向バランスシステムを有するポンプを提供することにある。

本発明は、その目的を、軸方向バランスシステムが、ポンプの作動中に高圧流空間を循環する流体の静水圧を実質的に増加させるための手段をさらに備えるという事実によって、達成する。

流体が、流体の動圧および静水圧の合計に等しい全圧を有することは、知られている。

高圧流空間を循環する流体の静水圧が高められるならば、高圧流空間と低圧流空間との間の圧力差も大きくなり、結果として、軸方向の持ち上げ力が公知のポンプよりも大きくなることを、理解できるであろう。

したがって、同じ寸法の遠心ホイールにおいて、すでに知られている軸方向バランスシステムよりも大きな持ち上げ力を得ることができ、したがって、例えばより幅広い流量および圧力の範囲にわたって動作が可能になる。

したがって、換言すると、本発明は、遠心ホイールの直径を増すことなく、したがってポンプの直径を増すことなく、持ち上げ力を有利に増加させることができる。

有利には、流体の静水圧を実質的に増加させるための手段が、高圧流空間を循環する流体の接線方向の成分を減少させることができる。

好ましくは、上記流体の静水圧を実質的に増加させるための上記手段が、ハウジングに形成された少なくとも１つの羽根板を含み、この羽根板が、高圧流空間の入口から求心方向に放射状に延在する。その理由は、次のとおりである。

この羽根板が、流体の第１の部分の接線方向の循環を妨げる。

したがって、羽根板の存在によって、流体の第１の部分の速度の接線方向の成分が、実質的にゼロになる。

換言すると、高圧流空間において、流体の第１の部分の循環が、基本的に半径方向になる。

さらに、全体としての流体の速度は、流体の速度の半径方向、接線方向、および軸方向成分のそれぞれの平方の和の平方根に等しい。

今や、この場合には、流体の第１の部分の速度の軸方向の成分は、実質的にゼロであり、流体の第１の部分の速度の接線方向の成分もまた、上述の理由で、実質的にゼロである。

したがって、羽根板が設けられている場合には、羽根板が存在しない場合に比べ、高圧流領域において、流体の第１の部分の全体としての速度が、有利に低くなる。

さらに、流体の動圧が、全体としての流体の速度の平方に比例する一方で、流体の全圧は一定である。

したがって、全体としての流体の速度が小さくなるならば、その動圧も小さくなることを理解できるであろう。

したがって、流体の動圧が減少すれば、全圧が一定であるという事実ゆえ、静水圧が有利に増加する。

結果として、羽根板の存在が、きわめて有利な様相で、高圧流空間の静水圧の増大をもたらす。

好ましくは、上記手段が、ポンプの回転軸の周囲で角度によって隔てられつつ放射状に延在する複数の羽根板を含む。

複数の羽根板によって、高圧流空間における静水圧の分布を、有利に均一化することができる。

好ましくは、隣接する２つの羽根板が、溝を画定しており、この溝の一端が、高圧流空間へと半径方向内向きに開いている。

流体の第１の部分について、高圧流空間の出口へと向かう求心的な流れを促進することが、有益である。

有利には、軸方向バランスシステムが、環状の放出空間と遠心ホイールの入口縁の上流に位置する流体領域との間に延在する、少なくとも１つの再導入チャネルをさらに含む。

持ち上げ力が大きすぎる場合、環状の通路が閉じようとし、この結果として低圧流空間の出口に流量絞りが形成され、この絞りが低圧流空間の静水圧の上昇を引き起こし、遠心ホイールによって軸へと伝えられる軸方向の持ち上げ力を小さくする。

したがって、再導入チャネルが、低圧流空間から出る流体の排出を可能にする。

好ましくは、再導入チャネルは、遠心ホイールに設けられる。

有利には、環状の通路は、遠心ホイールの下流面に形成された第１の環状リブと、ハウジングに形成された第２の環状リブとの間に画定される。

有利には、第１および／または第２の流れ規制手段が、環状のシールを備えている。

環状のシールが、流体の流通を可能にすべく透過性であることを、理解できるであろう。

好ましくは、環状のシールは、ラビリンスシールである。

本発明のさらなる特徴および利点が、例示に限定されることなく、本発明の実施形態についての以下の説明を読むことによって、より明白になるであろう。

この説明においては、本発明による軸方向バランスシステムを備える遠心ホイール式ポンプの上流部分を示している、添付の図面を参照する。

１つの図が、本発明によるポンプ１０の上流部分の断面立面図を示しており、このポンプ１０は、排他的ではないが好ましくは、液化ガスなどの流体を汲み上げるように意図されている。液化ガス運搬手段のタンクを空にするために、有利に使用することも可能である。

以下の説明においては、「軸方向」、「接線方向」、および「半径方向」といった形容詞が、ポンプ１０の回転軸Ａを基準にして定義される一方で、「上流」および「下流」といった形容詞は、流体が吸い込まれる方向を基準にして定義される。

さらに、ポンプ１０が、通常は垂直に配置されるように意図されているため、「底部」および「上部」といった形容詞は、ポンプの垂直位置を基準にして定義される。

この場合に太く描かれている矢印によって示されている吸い込み方向を見ると、ポンプ１０は、順に、吸い込み段１２、遠心ホイール１４、および吸い込んだ流体を下流へと後方に流すことができるようにする環状の管路１６を備えている。

吸い込み段１２は、回転インペラ１８を備え、回転インペラ１８は、ポンプ１０の回転シャフト２２によって回転駆動されるハブ２０を備えており、回転シャフト２２は、その一部として、遠心ホイール１４の下流に配置された電動モータ（一部分のみが示されている）によって駆動される。

さらに、遠心ホイール１４も、回転シャフト２２に一体化され、やはり回転シャフト２２によって回転駆動される。

図に見られるように、回転シャフト２２は、例えば転がり軸受形式の軸受２６を介し、ポンプ１０のハウジング２４上で回転するように取り付けられており、回転シャフト２２が、軸受２６の内側ケージ２８に軸方向において当接する段部３０を有している。

ポンプ１０が垂直に配置されているため、仮に軸方向バランスシステムが存在しないならば、軸受２６の内側ケージ２８が、回転シャフト２２、モータの回転子、遠心ホイール１４、およびインペラ１８の重量を支持し、これらの重量に、流体が吸い込まれるときにインペラ１８に加わる引っ張り力がさらに加わることが、図面を参照することによって理解できるであろう。

次に、本発明による軸方向バランスシステム３２の全体的な動作原理を、さらに詳しく説明する。

本発明によれば、軸方向バランスシステム３２の目的は、軸受２６に加わる上述の応力を引き受けることにある。

この応力の引き受けは、上述の応力の合力に対向する軸方向の持ち上げ力を生み出すことによってもたらされ、この軸方向の持ち上げ力は、遠心ホイール１４へと加えられる。

遠心ホイール１４が回転シャフト２２と一体であるため、この軸方向の持ち上げ力が回転シャフト２２へと伝えられ、ポンプ１０の底部へと向かう軸方向の応力の相殺、および軸受２６の負荷軽減が可能になることが、理解できるであろう。

次に、軸方向の持ち上げ力が生み出される様相を、説明する。

軸方向バランスシステム３２は、ハウジング２４と遠心ホイール１４の上流面３６との間に画定された高圧求心流空間３４、およびハウジング２４と遠心ホイール１４の下流面４０との間に画定された低圧求心流空間３８を備えている。

高圧流空間３４が、遠心ホイール１４の出口縁４４に近接して配置された入口４２、および遠心ホイール１４の入口縁４８に近接して配置された出口４６を備えることに、図から着目できる。

さらに、高圧流空間３４の出口４６には、好ましくは第１の環状のラビリンスシール５０で構成された第１の流れ規制手段が備えられており、このシールは、部分的に透過性である。

特に有利な様相においては、本発明による軸方向バランスシステム３２は、ハウジング２４に形成された複数の羽根板５２をさらに備えており、これらの羽根板５２が、ポンプ１０の回転軸Ａの周囲で角度によって隔てられつつ、高圧流空間３４の入口４２から求心方向に放射状に延在する。

ポンプの作動中に、遠心ホイール１４から出る流体の第１の部分が、高圧流空間３４へと殺到できるよう、遠心ホイール１４の上流面３６とハウジング２４との間にすき間が存在していることが、理解できるであろう。この流れは、図において、細く描かれた矢印によって示されている。

流れが、高圧流空間３４の出口において規制されているため、流体の第１の部分の静水圧が、遠心ホイール１４の入口における流体の静水圧よりも大きくなることが、理解できるであろう。

遠心ホイール１４から出るとき、この流体の第１の部分は、遠心ホイール１４の出口縁４４の速度に実質的に等しい接線方向の速度を有している。

本発明によれば、放射状の羽根板５２が、流体の第１の部分の速度が羽根板によって減速され、高圧流空間３４へと求心の半径方向にのみ流れるよう、流体の第１の部分の接線方向の流れを妨げる。

これは、流体の第１の部分の全体的な速度の低下をもたらし、この部分は、流体の速度の接線方向、半径方向、および軸方向成分のそれぞれの平方の和の平方根に等しい。

動圧は、流体の全体的な速度の平方に比例するため、流体の第１の部分の全体的な速度が低くなることで、流体の動圧の減少がもたらされ、その結果、流体の第１の部分の全圧が一体であるという事実ゆえ、流体の第１の部分の静水圧がきわめて有利な様相で大きくなることを、理解できるであろう。

したがって、流体の第１の部分の静水圧が、実質的に、一定かつ遠心ホイール１４から出る流体の静水圧に等しく保たれる。

さらに、低圧流空間３８が、遠心ホイール１４の出口縁４４に近接して配置された入口５４を備えており、この入口５４に、好ましくは第２の環状のラビリンスシール５６で構成された第２の流れ規制手段が備えられており、このシールが部分的に透過性であることに、注目できる。

ポンプ１０の作動中に、遠心ホイール１４から出る流体の第２の部分が、低圧流空間３８へと殺到できるよう、遠心ホイール１４の下流面４０とハウジング２４との間にすき間が存在していることを、理解できるであろう。この流れは、図において、細く描かれた矢印によって示されている。

図面を参照すると、低圧流空間３８が、環状の通路６０を有する出口５８をさらに備えており、環状の通路６０が、軸方向に可変である流量絞りを形成するとともに、環状の通路６０に対して半径方向内側、かつ上記回転シャフト２２の周囲に画定された環状の放出空間６２へと半径方向に開いていることに、注目できる。

さらに、環状の通路６０は、遠心ホイール１４の下流面４０に形成された第１の環状リブ６０ａと、ハウジング２４と一体である第２の環状リブ６０ｂとの間に画定される。

軸方向バランスシステム３２が、ハウジング２４に対する遠心ホイール１４のわずかな軸方向の変位を可能にしているため、環状の通路６０の軸方向の幅が変化し得ることを、理解できるであろう。

さらに、環状の空間６２は、圧力が低圧流空間３８の圧力よりも低い領域に連通しており、この領域は、好ましくは、遠心ホイール１４の上流に位置している。

好ましくは、遠心ホイール１４において軸方向に設けられた少なくとも１つの再導入チャネル６４が、環状の放出空間６２と遠心ホイール１４の上流に位置する領域との間の流体連通をもたらしている。

流れが、低圧流空間３８の入口において規制されているため、流体の第２の部分の圧力が、遠心ホイール１４の出口における流体の圧力よりも低くなることが、理解できるであろう。

このように、高圧流空間と低圧流空間との間の静水圧の差が、軸方向の持ち上げ力を生み出し、この力が、ポンプ１０の上部へと向かって遠心ホイール１４に加わることが、理解できるであろう。

その結果、この持ち上げ力が、ポンプの回転要素へと加わって軸受２６の内側ケージ２８へと加えられる、重力および引っ張り力を相殺する。

このようにして、本発明による軸方向バランスシステムによれば、軸受２６の負荷をより大幅に緩和することができる。

環状の通路６０は、以下の様相で、軸方向のバランスの調節を可能にしている。すなわち、軸方向の持ち上げ力が大きすぎる場合、環状の通路６０が閉じようとして、低圧流空間３８の出口における流れをより大きく規制し、この結果として低圧流空間の静水圧が大きくなり、軸方向の持ち上げ力の減少がもたらされる。

再導入チャネル６４が、図において細く描かれた矢印によって示されているように、流体の第２の部分を遠心ホイール１４の入口へと再び導入できるようにしている。

本発明によるポンプ１０の上流部分の断面立面図を示している。

符号の説明

１０ ポンプ
１２ 吸い込み段
１４ 遠心ホイール
１６、６０ 環状の通路
１８ 回転インペラ
２０ ハブ
２２ 回転シャフト
２４ ハウジング
２６ 軸受
２８ 内側ケージ
３０ 段部
３２ 軸方向バランスシステム
３４ 高圧求心流空間
３６ 上流面
３８ 低圧求心流空間
４０ 下流面
４２、５４ 入口
４４ 出口縁
４６、５８ 出口
４８ 入口縁
５０、５６ ラビリンスシール
５２ 羽根板
６２ 環状の放出空間
６０ａ、６０ｂ リブ
６４ 再導入チャネル

Claims (10)

1. 流体を吸い込むためのポンプ（１０）であって、流体入口縁（４８）と流体出口縁（４４）とを有する少なくとも１つの遠心ホイール（１４）を備えており、遠心ホイール（１４）は、ポンプ（１０）のハウジング（２４）に対して回転できるように取り付けられたシャフト（２２）によって回転駆動され、さらにポンプ（１０）は、ハウジング（２４）と遠心ホイール（１４）の上流面（３６）との間に画定される高圧流空間（３４）、およびハウジング（２４）と遠心ホイール（１４）の下流面（４０）との間に画定される低圧流空間（３８）を備える、軸方向バランスシステム（３２）を備えており、高圧流空間（３４）は、遠心ホイールの出口縁に近接して配置された入口（４２）と、遠心ホイールの入口縁に近接して配置された出口（４６）とを備え、高圧流空間の前記出口（４６）に第１の流れ規制手段（５０）が備えられており、低圧流空間（３８）は、遠心ホイール（１４）の出口縁（４４）に近接して配置された入口（５４）を備え、前記入口（５４）に第２の流れ規制手段（５６）が備えられており、さらに低圧流空間（３８）は、環状の通路（６０）を有する出口（５８）を備えており、環状の通路（６０）は、軸方向に可変である流量絞りを形成するとともに、環状の通路（６０）に対して半径方向内側、かつ前記シャフト（２２）の周囲に画定された環状の放出空間（６２）へと半径方向に開いており、環状の空間（６２）は、圧力が低圧流空間（３８）の圧力よりも低い領域（４８）に連通しており、
   軸方向バランスシステム（３２）が、ポンプの作動中に高圧流空間（３４）を循環する流体の静水圧を実質的に増加させるための手段（５２）をさらに備えることを特徴とする、ポンプ（１０）。
2. 流体の静水圧を実質的に増加させるための前記手段が、高圧流空間を循環する流体の接線方向の成分を減少させることができることを特徴とする、請求項１に記載のポンプ。
3. 流体の静水圧を実質的に増加させるための前記手段（５２）が、ハウジング（２４）に形成された少なくとも１つの羽根板（５２）を含み、前記羽根板（５２）は、高圧流空間の入口から求心方向に放射状に延在することを特徴とする、請求項２に記載のポンプ。
4. 前記手段は、ポンプ（１０）の回転軸の周囲で角度によって隔てられつつ放射状に延在する複数の羽根板（５２）を備えることを特徴とする、請求項３に記載のポンプ。
5. 隣接する２つの羽根板（５２）が、溝を画定しており、溝の一端が、高圧流空間（３４）へと半径方向内向きに開いていることを特徴とする、請求項４に記載のポンプ。
6. 軸方向バランスシステム（３２）が、環状の放出空間（６２）と遠心ホイールの入口縁の上流に位置する流体領域（４８）との間に延在する、少なくとも１つの再導入チャネル（６４）をさらに備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のポンプ。
7. 再導入チャネルが、遠心ホイールに設けられていることを特徴とする、請求項６に記載のポンプ。
8. 環状の通路（６０）が、遠心ホイール（１４）の下流面（４０）に形成された第１の環状リブ（６０ａ）と、ハウジング（２４）に形成された第２の環状リブ（６０ｂ）との間に画定されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のポンプ。
9. 第１の流れ規制手段（５０）および／または第２の流れ規制手段（５６）が、環状のシールを備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のポンプ。
10. 環状のシール（５０、５６）が、ラビリンスシールであることを特徴とする、請求項９に記載のポンプ。

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