JP2013053541A

JP2013053541A - 流体機械

Info

Publication number: JP2013053541A
Application number: JP2011191528A
Authority: JP
Inventors: Ryota Fujiwara; 亮太藤原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2011-09-02
Filing date: 2011-09-02
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2031-09-02
Also published as: JP5967882B2

Abstract

【課題】作業効率の向上を図りながら、ケーシングと締結ボルトとの間の熱伝導向上による温度差低減とが可能な流体機械を提供する。
【解決手段】ロータ１０の周囲に設けられる円筒状の中間ケーシング１１をロータ１０の軸線方向に複数に分割し、中間ケーシング１１の周囲にロータ１０と平行に設けられた複数の締結ボルト１２によって一体に連結してなる流体機械１Ａであって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１の外周との間に中間ケーシング１１の熱を締結ボルト１２へ伝達する熱伝導部材１３が設けられ、熱伝導部材１３は、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間のロータ１０の径方向への間隔が最も狭い位置で周方向に分割されていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、高温の流体を扱う輪切型ポンプ等の流体機械に関するものである。

従来から、流体機械として輪切型ポンプが知られている。この輪切型ポンプは、輪切状の複数の中間ケーシングを、吸込ケーシングと吐出ケーシングとによって軸線方向から挟み込んだ構成をなしている。そして、この軸線方向に平行に設けられた複数の締結ボルトによって締め付けることでケーシングが構成されており、このケーシングの内部に羽根車を収容することでこれらケーシングと羽根車とが一体化されている。

このような輪切型ポンプが、例えばＩＧＣＣ（石炭ガス化複合発電）等に用いられる場合には、輪切型ポンプへの給水温度が２５０℃以上の高温となるため、特に起動時及び停止時において中間ケーシングに急激な温度変化が生じる。この際、中間ケーシングと締結ボルトとの間は非接触となっているため中間ケーシングと締結ボルトとの間で大きな温度差が発生する。この温度差によって、これら中間ケーシングと締結ボルトとの間に熱伸縮量の差異が生じ、締結ボルトに過度の応力がかかり、各中間ケーシング間の面開きが引き起こされ給水が漏れ出す等の問題があった。

このような給水の漏洩を防止するために、上記の中間ケーシング等をさらに外側から覆う外側ケーシングを設けて、ダブルケーシングポンプとする手法が採用されている。また、特許文献１に開示された手法においては、締結ボルトの内部に組み込まれたヒータによって締結ボルトの温度調節を行い、中間ケーシングとの温度差の低減を行なっている。さらに特許文献２には、中間ケーシングと締結ボルトとの間の間隙を埋めるように、これら中間ケーシングと締結ボルトとの両方に接するスペーサを設け、中間ケーシングからスペーサを介して熱が伝達されることによって、中間ケーシングと締結ボルトの温度差の低減を図る技術が開示されている。

特開平７−２４３３９９号公報特許第４１４６０２０号公報

しかしながら、上記ダブルケーシングポンプや特許文献１に開示された手法においては、コストアップとなるため好ましくない。また、特許文献２に開示された手法においては、スペーサの設置に手間を要するといった問題があった。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、作業効率の向上を図りながら、ケーシングと締結ボルトとの間の熱伝導向上による温度差低減とが可能な流体機械を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用している。
即ち、本発明に係る流体機械は、回転軸の周囲に設けられる円筒状のケーシングを該回転軸の軸線方向に複数に分割し、前記ケーシングの周囲に前記回転軸と平行に設けられた複数のボルトによって一体に連結してなる流体機械であって、前記ボルトと前記ケーシングの外周との間に該ケーシングの熱をボルトへ伝達する熱伝導部材が設けられ、前記熱伝導部材は、前記ボルトと前記ケーシングとの間の前記回転軸の径方向への間隔が最も狭い位置で周方向に分割されていることを特徴とする。

このような熱伝導部材が設けられることによって、ボルトとケーシングとが面接触し、これらの間での熱伝導を向上することが可能となる。また、熱伝導部材は各ボルトとケーシングとの間の最も狭い位置で分割されているため、複数のケーシングがボルトで一体に連結された後に、ケーシングの周方向から上記の最も狭い位置へボルトの両側から挿入するように熱伝導部材を設置することができる。このように、熱伝導部材設置の容易化を行なうとともに、ボルトとケーシングとが確実に面接触されて、これらの間の熱伝導の向上を達成することができる。

また、前記熱伝導部材には、放熱フィンが設けられていてもよい。

このような放熱フィンによって、ケーシングから外部へ放熱を行うことも可能となり、ケーシングとボルトとの接触部においては、これらの間の熱伝導を向上しながら、一方で、その他の部位においてはケーシングの冷却を促進することができる。

さらに、前記熱伝導部材には、前記ボルトとの間及び前記ケーシングとの間に熱伝導性の充填材が設けられていてもよい。

このような充填材によって、ケーシングとボルトとの間の密着性をさらに向上して熱伝導の向上を図ることができる。

また、前記熱伝導部材が、鋳鉄よりなっていてもよい。

鋳鉄は、含有する黒鉛によって振動吸収性、即ち、振動減衰性能に優れているため、流体機械の振動減衰効果も達成でき、流体機械の性能向上につながる。

さらに、前記熱伝導部材は前記ケーシングと同一の材料よりなっていてもよい。

同一材料とされることによって、異種金属同士が接することによって引き起こされる電食を防ぐことができ、流体機械の耐久性向上を図ることができる。

本発明の流体機械によれば、熱伝導部材設置の容易化による作業効率向上を図ることができ、ボルトとケーシングとの間の熱伝導向上による温度差低減とを達成することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係るボイラ給水ポンプを示す全体断面図である。本発明の第一実施形態に係るボイラ給水ポンプの中間ケーシングと締結ボルトと熱伝導部材とロータとを示す断面図であって、図１のＡ−Ａ断面位置と同じ位置を示すものである。本発明の第一実施形態に係るボイラ給水ポンプの中間ケーシングと締結ボルトとの温度変化を示すグラフであって、（ａ）は熱伝導部材無しの場合を、（ｂ）は熱伝導部材有りの場合を示すものである。本発明の第一実施形態に係るボイラ給水ポンプの起動時における締結ボルト応力変化を示すグラフであって、（ａ）は熱伝導部材無しの場合を、（ｂ）は熱伝導部材有りの場合を示すものである。本発明の第一実施形態に係るボイラ給水ポンプの停止時における中間ケーシングの面圧変化を示すグラフであって、（ａ）は熱伝導部材無しの場合を、（ｂ）は熱伝導部材有りの場合を示すものである。本発明の第二実施形態に係るボイラ給水ポンプの中間ケーシングと締結ボルトと熱伝導部材とロータとを示す断面図であって、図１のＡ−Ａ断面位置と同じ位置を示すものである。本発明の第三実施形態に係るボイラ給水ポンプの中間ケーシングと締結ボルトと熱伝導充填材とロータとを示す断面図であって、図１のＡ−Ａ断面位置と同じ位置を示すものである。

以下、本発明の第一実施形態に係るボイラ給水ポンプ１Ａ（以下、単に給水ポンプ１Ａと称する）について説明する。
給水ポンプ１Ａは、高温の流体Ｗ（水等）を取り扱うのに好適な流体機械である輪切型の多段ポンプとなっている。またこの給水ポンプ１Ａにおいては、高圧ボイラへの給水のために多段の羽根車が用いられ、高揚程化が図られている。

この給水ポンプ１Ａは、図１に示すように、軸線Ｐ方向一方側に配置される吸込ケーシング１４と、他方側に配置される吐出ケーシング１５と、これらの間に挟み込まれて締結ボルト１２によって固定される複数の中間ケーシング１１とを備えている。
さらに、中間ケーシング１１と締結ボルト１２との間には熱伝導部材１３が設けられている。

吸込ケーシング１４は、軸線Ｐを中心とした略円筒状をなす部材であり、内部には軸線Ｐ回りに回転可能にロータ（回転軸）１０が配置されている。そして、この吸込ケーシング１４の径方向外側を向く面には、径方向外側に向かって開口する流体Ｗの吸込口１４ａと、この吸込口１４ａと軸線Ｐ方向他方側を向く面に開口する不図示の開口部とを連通する流入路１４ｃが設けられている。

また吸込ケーシング１４には、軸線Ｐ方向一方側を向く面と軸線Ｐ方向他方側を向く面との間を貫通する複数（本実施形態では８ケ）のボルト孔１４ｂが同心円上に形成されている。

吐出ケーシング１５は、吸込ケーシング１４同様に、軸線Ｐを中心とした略円筒状をなしており、内部に軸線Ｐ回りに回転可能にロータ１０が配置されている。この吐出ケーシング１５の径方向外側を向く面には吐出口１５ａと、この吐出口１５ａと軸線Ｐ方向一方側を向く面に開口する不図示の開口部とを連通する流出路１５ｃが設けられている。さらに、吸込ケーシング１４に形成されたボルト孔１４ｂに軸線Ｐ方向で対応する位置において、軸線Ｐ方向一方側を向く面と軸線Ｐ方向他方側を向く面との間を貫通する複数（本実施形態では８ケ）のボルト孔１５ｂが、同心円上に形成されている。

中間ケーシング１１は、軸線Ｐを中心とした円筒状をなす部材であって、複数（本実施形態では８ケ）が軸線Ｐ方向に重ねられて、吸込ケーシング１４と吐出ケーシング１５とによって挟まれた状態で配置されている。

締結ボルト１２は、軸線Ｐに平行に複数（本実施形態では、８ケ）が設けられ、吸込ケーシング１４のボルト孔１４ｂから吐出ケーシング１５のボルト孔１５ｂを貫くように挿通されている。そして、締結ボルト１２は、吐出ケーシング１５の軸線Ｐ方向他方側を向く面側にナット１６が強固に螺合、固定されることによって、中間ケーシング１１を吸込ケーシング１４と吐出ケーシング１５との間に保持している。なお、締結ボルト１２の外周面と中間ケーシング１１の外周面とは、直接には接しておらず、また、締結ボルト１２のネジ部は、ナット１６が螺号される先端部のみに形成されている。

次に熱伝導部材１３について説明する。
図２に示すように、熱伝導部材１３は、中間ケーシング１１の外周面と締結ボルト１２の外周面との間に設けられる熱伝導性の良好な材料であって、この熱伝導部材１３としては、例えば、銅、アルミ、タングステン等が用いられ、一般にはＳＳ４００が採用される。
そして、この熱伝導部材１３は軸線Ｐ方向に延在し、周方向には隣接する二つの締結ボルト１２の間の中央で分割されるとともに、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の間隙２１の最も狭い部分で分割されている。即ち、熱伝導部材１３は、周方向に１６ヶに分割されており、締結ボルト１２の周方向両側から間隙２１に差し込まれて、締結ボルト１２の外周面と中間ケーシング１１と外周面とが面接触するように設置されている。

このような給水ポンプ１Ａにおいては、中間ケーシング１１と締結ボルト１２との間の間隙２１を埋めるように熱伝導部材１３が設けられ、これら中間ケーシング１１と締結ボルト１２とが面接触することによって、接触面積が大きくなっている。従って、中間ケーシング１１と締結ボルト１２との間での熱伝導を向上することが可能となる。

また、熱伝導部材１３は各締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の間隙２１の最も狭い位置で分割されているため、複数の中間ケーシング１１を締結ボルト１２によって吸込ケーシング１４と吐出ケーシング１５の間に挟み込み一体に連結した後に、周方向、即ち、ボルトの両側から挿入するように熱伝導部材１３を設置することができる。

このように、熱伝導部材１３を容易に設置できるとともに、締結ボルト１２と中間ケーシング１１とが確実に面接触されて、これらの熱伝導の向上を達成することができる。

ここで、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、給水ポンプ１Ａの起動時において２５０℃の水を給水ポンプ１Ａへ流通させた際、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の間隙２１に熱伝導部材１３を設置しない場合には、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との温度差は１７８．２℃であったことに対して、熱伝導部材１３を設置した場合には４０．５℃となり、温度差を１３７．７℃低減することが確認できた。

また、給水ポンプ１Ａの停止時においては、熱伝導部材１３無しでは締結ボルト１２と中間ケーシング１１との温度差は１７５．５℃であったことに対し、熱伝導部材１３有りでは４２．９℃となり、温度差を１３２．６℃低減することが確認できた。
従って、熱伝導部材１３を設けることによって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間で熱伝導を向上できることがわかる。

さらに、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、給水ポンプ１Ａ起動時において同様に、２５０℃の水を給水ポンプ１Ａへ流通させた際、熱伝導部材１３無しでは締結ボルト１２にかかる応力が締結ボルト１２の許容応力を超過してしまうことが確認できる。一方で、熱伝導部材１３有りでは締結ボルト１２にかかる応力が許容値以下に抑制できることが確認できた。

このように熱伝導部材１３を設けることによって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導を向上し、これら締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の温度差を低減できる。また、温度差の低減によって熱伸縮量の差異を低減し、締結ボルト１２にかかる応力を抑制することができ、締結ボルト１２の破断等の防止が可能となる。

次に、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、給水ポンプ１Ａ停止時において同様に、２５０℃の水を給水ポンプ１Ａへ流通させた際、熱伝導部材１３無しでは吸込ケーシング１４、吐出ケーシング１５ともに、中間ケーシング１１を押し付ける力、即ち、面圧が必要最低面圧よりも低下してしまうことが確認できる。これに対して、熱伝導部材１３有りでは必要最低面圧よりも高い面圧を維持できていることが確認できる。

従って、熱伝導部材１３を設けることによって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間で熱伝導を向上でき、給水ポンプ１Ａ停止時に中間ケーシング１１のみが先に温度低下して軸線Ｐ方向に収縮することで、吸込ケーシング１４及び吐出ケーシング１５からの押し付け力である面圧が低下することを防ぐことができる。この結果、複数の中間ケーシング１１に面開きによる間隙２１が発生することを回避でき、この間隙２１からの水モレの発生を回避できる。

本実施形態の給水ポンプ１Ａによれば、熱伝導部材１３が締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の間隙２１の最も狭い位置で分割されていることによって、設置の容易化による作業効率向上を図ることができる。また、熱伝導部材１３によって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導向上を達成することができ、これら締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の温度差低減を達成可能となる。

さらに、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の温度差低減によって、締結ボルト１２の破断の回避、及び中間ケーシング１１の面開きによる水の漏洩防止が可能となる。

次に、第二実施形態に係る給水ポンプ１Ｂについて説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態は、熱伝導部材３３が放熱フィン３４を有している点で第一実施形態とは異なっている。
図６に示すように、熱伝導部材３３は、第一実施形態と同様に、中間ケーシング１１の外周面と締結ボルト１２の外周面との間に設けられており、この熱伝導部材３３としては、熱伝導性の良好な材料、例えば、銅、アルミ、タングステン等が用いられ、一般にはＳＳ４００が採用される。

また、この熱伝導部材３３は、軸線Ｐ方向に延在し、周方向に隣接する二つの締結ボルト１２の間の中央、及び、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の間隙２１の最も狭い部分で分割されることによって周方向に１６ヶに分割されて設けられている。そして、締結ボルト１２の周方向両側から間隙２１に差し込まれて、締結ボルト１２の外周面と中間ケーシング１１と外周面とが面接触するように設置されている。

さらに、熱伝導部材１３の径方向外側の面上、即ち、隣接する締結ボルト１２同士の間の部分には、径方向外側へ向かって突出するように軸線Ｐ方向に平行に延在する放熱フィン３４が設けられている。

このような給水ポンプ１Ｂによると、熱伝導部材３３を容易に設置できるとともに、締結ボルト１２と中間ケーシング１１とが確実に面接触されて、これらの熱伝導の向上を達成することができる。さらに、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との非接触部においては、放熱フィン３４によって、熱伝導部材３３と外界との伝熱面積を増加することによって、中間ケーシング１１の冷却効果を向上できる。

本実施形態の給水ポンプ１Ｂによると、熱伝導部材３３の設置の容易化による作業効率向上を図ることができるとともに、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導向上を達成することができる。さらに、放熱フィン３４によって、中間ケーシング１１からの放熱を促進することによって中間ケーシング１１の過度の温度上昇を抑制して、給水ポンプ１Ｂの性能向上を達成できる。

なお、放熱フィン３４は上述の設置位置、形状に限定されず、必要放熱量に応じて適宜位置、形状を選択できる。例えば、本実施形態では放熱フィン３４は軸線Ｐ方向に延在しているが、周方向に延在して設けてもよい。

次に、第三実施形態に係る給水ポンプ１Ｃについて説明する。
なお、第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細説明を省略する。
本実施形態は、熱伝導部材１３に加えて、熱伝導充填材（充填材）４３が設けられている点で第一実施形態とは異なっている。

図７に示すように、熱伝導充填材４３は、熱伝導性を有する例えば、伝熱セメント等の充填材料である。そして、間隙２１において熱伝導部材１３と締結ボルト１２との間、及び熱伝導部材１３と中間ケーシング１１との間を密着するように設けられている。

このような給水ポンプ１Ｃにおいては、熱伝導部材１３と締結ボルト１２、及び熱伝導部材１３と中間ケーシング１１との間の密着性をさらに向上でき、より確実な面接触が可能となるため、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導のさらなる向上を達成できる。さらに、熱伝導部材１３のガタツキや脱落も防止できる。

本実施形態の給水ポンプ１Ｃによると、熱伝導充填材４３によって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導をさらに向上することができる。

なお、熱伝導充填材４３は、熱伝導部材１３と締結ボルト１２との間、熱伝導部材１３と中間ケーシング１１との間のうちいずれか一方に設けられていてもよい。

以上、本発明の実施形態についての詳細説明を行なったが、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内において、多少の設計変更も可能である。
例えば、第一実施形態及び第二実施形態においては、熱伝導部材１３が鋳鉄よりなっていてもよい。
ここで鋳鉄とは、炭素及びケイ素を主成分とした合金の総称である。そしてこの鋳鉄は、内部に含有される黒鉛の振動吸収性によって振動減衰能力を有している。従って、鋳鉄を熱伝導部材１３に用いることによって給水ポンプ１Ａ、１Ｂの振動減衰効果を向上することができ、給水ポンプ１Ａ、１Ｂの性能向上につながる。
なお、鋳鉄の中でも特にねずみ鋳鉄においては、鋳鉄中の黒鉛が片状黒鉛という形態をなしており、この片状黒鉛は特に高い振動減衰能力を有している。

そして、上記鋳鉄に含まれる黒鉛は、高い熱伝導性も有しているため、熱伝導部材１３に鋳鉄を採用することによって締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導をさらに向上し、これらの間の温度差のさらなる低減が可能となる。

また、熱伝導部材１３には、中間ケーシング１１と同一の材料を採用することもできる。この場合、異種金属間で発生する電食、即ち、ガルバニック腐食の発生を回避することができる。
なお、このガルバニック腐食とは、二つの異なる金属よりなる部材間に水等の電解質溶液が介在した場合に電池のような作用が生じ、二つの異なる金属のうちの電位がマイナスとなる部材の方が選択的に腐食される現象である。

従って、熱伝導部材１３と中間ケーシング１１とを同一の材料とすることによって、締結ボルト１２と中間ケーシング１１との間の熱伝導を向上するとともに、上述のガルバニック腐食の発生を防止でき、熱伝導部材１３、中間ケーシング１１の耐久性を向上することができる。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…ボイラ給水ポンプ、１０…ロータ（回転軸）、１１…中間ケーシング、１２…締結ボルト、１３…熱伝導部材、１４…吸込ケーシング、１４ａ…吸込口、１４ｂ…ボルト孔、１４ｃ…流入路、１５…吐出ケーシング、１５ａ…吐出口、１５ｂ…ボルト孔、１５ｃ…流出路、１６…ナット、２１…間隙、３３…熱伝導部材、３４…放熱フィン、４３…熱伝導充填材（充填材）、Ｗ…流体、Ｐ…軸線

Claims

回転軸の周囲に設けられる円筒状のケーシングを該回転軸の軸線方向に複数に分割し、前記ケーシングの周囲に前記回転軸と平行に設けられた複数のボルトによって一体に連結してなる流体機械であって、
前記ボルトと前記ケーシングの外周との間に該ケーシングの熱をボルトへ伝達する熱伝導部材が設けられ、
前記熱伝導部材は、前記ボルトと前記ケーシングとの間の前記回転軸の径方向の間隔が最も狭い位置で周方向に分割されていることを特徴とする流体機械。
前記熱伝導部材は、放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の流体機械。
前記熱伝導部材は、前記ボルトとの間及び前記ケーシングとの間に熱伝導性の充填材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体機械。
前記熱伝導部材が、鋳鉄よりなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体機械。
前記熱伝導部材が、前記ケーシングと同一の材料よりなることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の流体機械。