JP2020502414A - ラジアルインペラを有する遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明は、ハウジング５に収容されたラジアルインペラ１を有する遠心ポンプに関する。ハウジング５は、チャンネル１１を有する。ホイール側空間８からの流れは、チャンネル１１を通って半径方向ギャップ１２に導かれる。【選択図】 図２

Description

本発明は、ケーシングに収容されたラジアルインペラを有する遠心ポンプに関する。

ラジアル遠心ポンプでは、その設計に起因して、軸方向力（合力）がロータに生じ、それは補償されなければならない。すなわち、前記軸方向力の主成分は、カバーシュラウドと後部シュラウドとに作用している圧力であり、それらの圧力は、互いに反対に方向付けされている。一般に、後部シュラウドに作用する力は、カバーシュラウドに作用する成分より著しく大きく、その結果、吸込み側に方向付けされた軸方向スラストが生じ、それは相応に補償されなければならない。極めて一般的な意味において、軸方向スラストは、ロータに作用している全ての軸方向力の合力を意味すると理解すべきである。

国際公開第００／６６８９４号には、遠心ポンプの軸方向力を低下または除去するための方法および装置が説明されている。１つの変形例では、流れの細分化は、１組のブレーキベーンがキャビティの周囲に沿って配置されるという点で達成される。このように、流体の回転速度は、低下する。更に、定置プレートは、流体の半径方向の流れをポンプの中心の方向に方向付ける目的で、ケーシングの内側壁に沿って設けられる。

ＤＥ３１０４４７４７Ａ１は、インペラに圧力側または吸込み側に配置される調節カラーを有する遠心ポンプを説明している。本発明の１つの変形例では、プレートは、インペラの圧力側インペラ側または吸込み側インペラ側に配置される。プレートは、遠心ポンプのシャフトにまたはインペラネックに、各ケースで回転可能であり且つ軸方向に移動可能であるように、実装される。

ＤＥ３３３０３６４Ｃ２は、インペラの摩擦損失を低下させるためのデバイスを有する遠心ポンプを説明している。デバイスは、インペラの両側に配置される回転可能に実装されたプレートを含む。

そういった従来の軸方向スラストを低減するためのプレート構造は、欠陥の影響を受け易く、また、それらの構造の観点から、多くの場合、複雑である。

本発明の目的は、ロータに対する軸方向スラストが簡単且つ確実なやり方で低下する遠心ポンプを特定することである。意図は、遠心ポンプが長い耐用年数とできる限り欠陥の無い動作によって識別されることである。更なる意図は、遠心ポンプが製造するのに比較的廉価であって可能な限り高い効率を有することである。

前記目的は、本発明に従って、請求項１の特徴を有する遠心ポンプによって達成される。好適な変形例は、従属請求項、明細書および図面に見出すことができる。

本発明によれば、遠心ポンプのケーシングは、ポンプのインペラ側空間からポンプの半径方向ギャップへの流れを案内するためのチャンネルを有する。ここでは、前記流れは、インペラからのスワール漏れ流れであることが好ましい。

前記構造を経由して、インペラから前部インペラ側空間に進入する角運動量流れは、進路変更されて、ケーシングを通って走行する追加のチャンネルを介して半径方向ギャップに直接送られる。

流れは、インペラから前部インペラ側空間を過ぎて案内されて、その後にチャンネルに進入することが好ましい。

インペラのカバーシュラウドとケーシング部分との間に形成される半径方向シールギャップは、ここで関与することが好ましい。ケーシングに配置されたチャンネルは、定置壁だけを有する。それらは、「スワールブレーキ」として機能し、チャンネルを通って案内される体積流（ｖｏｌｕｍｅ ｆｌｏｗ）がギャップに進入する周速度成分を減少させる。ここで、好都合であると判明したことは、結果として、半径方向シールギャップの減衰が更に増加することである。

遠心ポンプのシールギャップは、ラジアル軸受として追加的に機能し、ギャップシールの力は、ロータの振動挙動に大きな影響を有する。この振動系の減衰は、シールギャップへの入口での流れの周速度に対する軸方向速度の比率によって決定される。低めの周速度は、減衰の増加を意味する。

角運動量流れの進路変更のおかげで、実際のインペラ側空間の流体の回転は、大きく低下し、それによって、インペラ側空間のこの領域のロータに作用する軸方向力は、増加する。

インペラは、後部シュラウドとカバーシュラウドの双方を有することが好ましい。結果として、それは閉じたインペラである。

本発明の１つの特に有利な変形例では、チャンネルは、流れが前部インペラ側空間からチャンネルに進入するようにケーシングに配置される。ここで、「前部インペラ側空間」は、回転型カバーシュラウドと定置ケーシングとの間の空間を意味すると理解すべきである。一般に、遠心ポンプの後部シュラウドに作用する力は、カバーシュラウドに作用している成分よりも著しく大きい。前部インペラ側空間との接続部をチャンネルが有するケーシングのチャンネルの配置構造の本発明に係る構造を経由して、吸込み側で方向付けされる軸方向スラストは、効果的に補償される。

チャンネルは、インペラ側空間から半径方向ギャップに至っており、また、リング形状の断面を有することが好ましい。チャンネルへの入口開口は、インペラ側空間の円周に沿ってリング形状であるように同様に形成されることが好ましい。

リング形状チャンネルを通って流れる体積流は、インペラのカバーシュラウドとケーシング部分との間に形成される半径方向シールギャップに送られることが好ましい。好ましくは、遠心ポンプは、固定型分割リングと、インペラのカバーシュラウドに配置されている回転型走行リングと、を備える分割リングシール配置構造を有する。本発明の１つの変形例では、チャンネルは、分割リングシール配置構造に隣接するインペラ側で流れを案内する。好ましくは、流れは、流れが依然としてシールギャップを通って流れるように、下流に導入される。前記シールギャップは、こうして、貫流シーケンスの文脈ではチャンネルの直後に位置される。流れは、チャンネルから分割シール配置構造に進入する。

結果として、この変形例では、吸込み側から見て、先ず、分割リングを備え且つカバーシュラウドとケーシング部分との間の走行リングを備える分割リングシール配置構造は、設けられ、続いて、チャンネルを通って排出される体積流は、カバーシュラウドとケーシング部分との間に形成される半径方向シールギャップに進入する。それは、ロータ動力学の観点から極めて有利であり、その理由は、シールギャップの減衰がそのように増加するからである。

角運動量流れの進路変更は、前部インペラ側空間の流体の回転の大きな低下を招き、それによって、カバーシュラウドに作用する軸方向力は、増加する。後部シュラウドに作用する軸方向力が一般に著しく大きいという理由で、カバーシュラウドに作用する力成分の増加は、結果として生じる残留力の大きな低下、または、理想的にはその補償を招く。特に、例えば、ボイラフィードポンプなどの多段ポンプでは、軸方向スラストの補償は、非常に重要な役割を果たす。本発明に係る構造は、確かな動作挙動と効率の向上とをもたらす。

本発明の１つの変形例では、チャンネルは、軸方向に延びる区分を有する。結果として、インペラ側空間からの流体は、先ずチャンネルに軸方向に進入し、その後に、半径方向に進路変更されることが好ましく、チャンネルは、半径方向に延びる区分を有する。その上、チャンネルは、カバーシュラウドに対して大部分が平行に走行する区分を有することがある。

チャンネルは、Ｌ形状の断面プロファイルを有するケーシング部分によって区切られることが好ましい。ケーシング部分は、ポットのような設計またはベルのような設計であることがあり、また、リング形状の断面を備えたチャンネルが形成されるように、別のケーシング部分から離隔して配置される。

本発明に係る構造のおかげで、外側縁部で進入する角運動量流れは、実際のインペラ側空間に進入せずに、外側チャンネルに進入する。回転型カバーシュラウドのポンプ効果は、追加のブロッキング効果を生じさせる。全ての壁がチャンネルに定置されているので、周速度は、大きく低下し、その結果、スワールブレーキが形成される。角運動量流れの進路変更の結果として、実際のインペラ側空間内の流体の回転速度は、低下し、それは、圧力の増加、それに対応して、カバーシュラウドに対する軸方向圧力の増加を招く。このように、後部シュラウドに対して逆に作用する圧力のより良い補償は、達成される。Ｓ形状の曲線に従って半径方向速度が減少する流れ領域は、インペラとケーシングとの間のインペラ側空間に形成されることが好ましい。更には、有利であると判明していることは、回転部分および定置部分上の境界層の外側で接線速度が大部分一定のままである流れ領域が、インペラとケーシングとの間に形成される場合である。

本発明の更なる特徴および利点は、図面に基づいた例示的な実施形態の説明と、図面自体とから、浮かび上がるであろう。

遠心ポンプを通る断面の例証を示す図である。 チャンネルの概略の例証を示す図である。 半径方向速度プロファイルの曲線を示す図である。 接線速度プロファイルの曲線の例証を示す図である。

図１は、インペラ１を備えた遠心ポンプを示す。インペラ１は、閉じたラジアルインペラの形式で設計されており、後部シュラウド２とカバーシュラウド３を有する。ベーンは、後部シュラウド２に配置される。媒体を送出するための通路は、後部シュラウド２とカバーシュラウド３の間に形成される。インペラ１は、シャフト４で駆動される。インペラ１は、マルチピースの設計であり得るケーシング５に収容されている。ケーシング５は、吸込み口部６を有する。遠心ポンプは、分割リングシール配置構造７を有する。分割リングシール配置構造７は、遠心ポンプの圧力領域から流れて吸込み領域内に戻るギャップ体積流を区切る。インペラ１は、ラジアルインペラの形式に設計される。流体は、軸方向にインペラ１に流れ、そのとき９０度進路変更され、その後に半径方向にインペラ１から退出する。

図２は、インペラのカバーシュラウド３とケーシング部分９との間に形成される前部インペラ側空間８の概略の例証を示す。ケーシング部分９は、別のケーシング部分１０と共に、前部インペラ側空間８から半径方向ギャップ１２までの流れを案内するためのチャンネル１１を形成する。

インペラから前部インペラ側空間８に進入する角運動量流れは、外側縁部で、実際の前部インペラ側空間８にではなくて、外側チャンネル１１に案内される。チャンネル１１は、ケーシング部分９、１０の定置壁によって区切られる。その結果、周速度は、大きく低下して、チャンネル１１は、スワールブレーキとして機能する。角運動量流れの進路変更は、実際のインペラ側空間８の流体の回転速度の低下を招く。それは、前部インペラ側空間８の圧力の増加をもたらし、それによって、カバーシュラウド３への軸方向圧力の増加をもたらす。後部シュラウド２に作用する圧力に対する対向力は、それによって形成される。ギャップ体積流は、リング形状開口１３を通ってチャンネル１１の第１の区分１４に進入し、第１の区分は、軸方向に延びる。

ギャップ体積流は、次にチャンネル１１内で進路変更され、カバーシュラウド３に対して大部分が平行に走行する第２の区分１５に進入する。

最後に、チャンネル１１を通って流れる体積流は、半径方向に延びる第３の区分１６に流れ込む。

ケーシング部分９は、軸方向の区分と、半径方向のまたはカバーシュラウド３に平行な区分と、の双方を形成する目的で、Ｌ形状断面プロファイルを有する。ケーシング部分９は、ポット形状またはベルのような設計である。

図３は、中央区分での無次元半径方向速度の曲線を示す。この文脈において、「中央区分」が意味することは、シャフトと外側（半径方向）ケーシングとの間の中間の高さ（半径方向）での速度プロファイルが関与することである。即ち、示されているインペラ側空間のちょうど中央である。半径方向速度は、ちょうどカバーシュラウドで０であり、その後にカバーシュラウドの直ぐ近くで殆ど０．０８の値まで鋭く増加する。続いて、半径方向速度がＳ形状の曲線の様式で概ね−０．０６の値まで減少する流れ領域１７が形成される。固定された定置ケーシング部分９の方向では、半径方向速度は、その後にケーシング部分自体において０の値に達するまで、再度増加する。

図３は、殆どピストンのような形式である半径方向流れプロファイルがチャンネルに形成されることを示しており、半径方向速度は、ケーシング部分９、１０の固定壁で０であり、その後に、半径方向速度は、軸方向に概ね−０．０７の値まで鋭く減少し、次いで、殆ど一定のままであり、その後に、再度、０の値まで、次のケーシング部分１０の方向に増加する。

図４は、無次元接線速度の曲線を示す。それは、始めに、インペラのカバーシュラウドで、１であり、その後に、概ね０．４の値まで鋭く減少する。接線速度は、その後に、定置ケーシング部分９の方向に０の値まで減少する前に、流れ領域１８で大部分が一定のままである。チャンネル１１内では、接線速度の放物線曲線が形成され、ケーシング部分９および１０の固定端部で、速度は、０の値から増加し、最大に達して、その後に、再度減少する。流れプロファイルは、概ね対称の形式である。

接線速度の大きさは、チャンネルが流れるときの定置壁との摩擦の結果として低下する。スワールの低下は、起こる。この文脈では、「スワールの低下」とは、摩擦の結果として定置壁に対する接線速度の低下を意味すると理解すべきである。周速度成分を有する流れは、「スワール」と呼ばれる。

Claims (14)

1. ケーシング（５）に収容されたラジアルインペラ（１）を有する遠心ポンプにおいて、
   前記ケーシング（５）は、インペラ側空間（８）から半径方向ギャップ（１２）への流れを案内するためのチャンネル（１１）を有することを特徴とする遠心ポンプ。
2. 前記流れは、前記チャンネル（１１）に前部インペラ側空間（８）から進入することを特徴とする、請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 前記チャンネル（１１）は、軸方向に延びる区分（１４）を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記チャンネル（１１）は、半径方向に延びる区分（１６）を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
5. 前記インペラ（１）は、カバーシュラウド（３）を有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
6. 前記チャンネル（１１）は、前記カバーシュラウド（３）に平行に走行する区分（１５）を有することを特徴とする、請求項５に記載の遠心ポンプ。
7. 前記半径方向ギャップ（１２）は、シールギャップを形成することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
8. 前記遠心ポンプは、分割リングシール配置構造（７）を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
9. 前記チャンネル（１１）は、前記分割リングシール配置構造（７）に隣接する前記インペラ側で流れを案内することを特徴とする、請求項８に記載の遠心ポンプ。
10. 前記チャンネル（１１）は、殆どＬ形状の断面プロファイルを有するケーシング部分（９）によって区切られることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
11. 前記チャンネル（１１）は、ポットのような設計またはベルのような設計のケーシング部分（９）によって区切られることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
12. 半径方向速度がＳ形状の曲線を有する流れ領域（１７）は、前記インペラ（１）と前記ケーシング（５）との間に形成されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
13. 接線速度が大部分一定のままである流れ領域（１８）は、前記インペラ（１）と前記ケーシング（５）との間に形成されることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
14. 前記チャンネル（１１）は、リング形状の断面を有することを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。