JP2022500592A - 軸スラストが最適化される多段ポンプ - Google Patents

Abstract

軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００）が開示される。多段ポンプ（１００）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）と、ポンプ吐出ノズル（１０１）に接続されたバイパスシステム（１０２）とを含む。バイパスシステム（１０２）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）に作動的に結合されたスロットルバルブ（１０４）と、多段ポンプ（１００）内に設けられ、スロットルバルブ（１０４）と隙間（「Ｓｅ」）とに接続されたバイパスライン（１０６）とを含み、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力を上昇させるため、バイパスライン（１０６）を流れるバランス流を受容するように構成されている。

Description

本明細書に記載の本主題は、ポンプに関し、より詳細には、多段遠心ポンプにおける軸方向スラストの相殺に関する。

軸スラストは、ポンプの回転体に作用するすべての軸方向の力（Ｆ）の合力である。単段遠心ポンプの場合、回転体に作用する軸方向の力には、吐出側インペラシュラウドと吸込側インペラシュラウドに作用する軸方向の力の差である軸方向インペラ力、画定空間に収容された流体に常に作用する運動量よる力、シャフトシールの上流と下流の静圧から生じて関連するシャフト断面に作用する圧力による力、例えば起動処理中にインペラとケーシングとの間のクリアランス（サイドギャップ）で渦状態に変化が生じた場合の特殊な軸方向の力、非水平遠心ポンプにおける回転体の重量の力や直動型ポンプなどにおける電動モータでの磁気吸引力などの他の軸方向の力が含まれる。

ディフューザ付きの多段ポンプ（例えば、ボイラ給水ポンプ）の場合、軸方向インペラ力は、ディフューザに対するインペラの軸方向位置に大いに左右される。インペラとケーシングとの間の吐出側及び吸込側のクリアランス内で扱われる流体の回転は、圧力による軸方向の力に強い影響をぼす。扱われる回転流体の平均角速度（回転速度を参照）は、インペラ速度の大体半分に達する。加えて、コリオリの加速度により、インペラとケーシングとの間の吸込側（すなわち、外側）のクリアランス（サイドギャップ）における内向きのクリアランス流れがサイドギャップの乱れをさらに増大させる。インペラが流体圧的にバランスされていない多段ポンプの吐出側（すなわち、内側）のサイドギャップにおいては、外向きのギャップ流れになる結果、プロセスが逆になる。渦運動が減速され、その結果、軸方向の力、したがって、軸方向インペラ力が大きくなる。

軸スラストをバランスさせる形態は様々であり、そこには、スラスト軸受（ティルティングパッド軸受、転動体軸受など）を介して軸スラストを完全に吸収する機械的なもの、インペラや段を背面合わせに配置する（背面合わせインペラポンプを参照）設計ベースのもの、バランスホールを介して個々のインペラの軸スラストをバランスさせ又は減少させるもの、自動バランス機能（バランスディスクやバランスディスクシートなど）を有するバランス装置を介して回転アセンブリ全体をバランスさせ又はバランスドラムやダブルドラムを介して部分的にバランスさせるもの、バックベーン（back vanes）によって個々のインペラで減少させるものが含まれる。

通常、多段ポンプには、インペラで発生する軸スラストをバランスさせるためのバランスピストンが装備されている。残留スラストは、スラスト軸受によって受け止められる。残留軸スラストは、ＢＥＰ流量で最小になり、最小流量状態で最大になる。このため、多段ポンプでは、最小流量状態での発熱が過剰になることから、減摩軸受（転がり軸受）の使用が制限される。したがって、より高圧で高速な用途では、強制的にオイルが潤滑されるティルティングパッド軸受が使用される。しかし、ティルティングパッド軸受及びこれに対応する潤滑油設備のコストは、サンプオイル（溜められたオイル）による潤滑の減摩軸受と比較すると、非常に高い。

本発明の主な目的は、多段ポンプについて、部分負荷状態での残留軸スラストを減少させるバイパスシステムを提供することである。

本主題の他の目的は、多段ポンプのより高圧な用途での減摩軸受（転がり軸受）の使用を可能にすることである。

本主題の他の目的は、強制的にオイルが潤滑される軸受（強制潤滑軸受）を用いたポンプについて、ティルティングパッドスラスト軸受及びこれに対応する潤滑油ポンプ／潤滑油設備のサイズを減少させることである。

本主題の他の目的は、従来の設計とは異なる、シンプルで費用効果が高く且つ効率的に設計された多段ポンプ用のバイパスシステムを提供することである。

本発明は、一実施形態において、軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００）に関する。多段ポンプ（１００）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）と、ポンプ吐出ノズル（１０１）に接続されたバイパスシステム（１０２）とを含む。バイパスシステム（１０２）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）に作動的に結合されたスロットルバルブ（１０４）と、多段ポンプ（１００）内に設けられ、スロットルバルブ（１０４）と隙間（「Ｓｅ」）とに接続されたバイパスライン（１０６）とを含み、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力を上昇させるため、バイパスライン（１０６）を流れるバランス流を受容するよう構成されている。

本発明は、他の実施形態において、軸スラストが最適化される多段ポンプ（５００）に関する。多段ポンプ（５００）は、軸スラストを最適化するように構成されたバイパスシステム（５０２）を含む。バイパスシステム（５０２）は、隙間（「Ｓｅ」）に近接して設けられたスロットルブッシュ（５０４）を含み、スロットルブッシュ（５０４）は、バイパスライン（５０６）を画定し、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力を上昇させるため、バイパスライン（５０６）を流れるバランス流を受容するように構成されている。

本主題の特徴及び技術的な内容をさらに理解するために、それに関連した説明を添付の図面を参照して行う。但し、図面は、例示にすぎず、本主題の範囲を限定することには使用されない。

添付の図面は、本主題の典型的な実施形態を示すにすぎず、したがって、その範囲を限定するものとみなされるべきではなく、本発明は他の等しく有効な実施形態を許容することができることに留意されたい。詳細な説明は、添付の図面を参照して説明される。図面において、参照番号の最も左側の数字はこの参照番号が最初に表された図面を示す。図面全体で同じ参照番号は同様の機能や構成要素を示すことに使用される。以下、例として、添付の図面を参照して、本主題の実施形態によるシステム又は方法のいくつかの実施形態について説明する。

標準的な軸スラストバランスシステムの図である。 異なる流量におけるアンバランスな軸スラストの図である。 本開示の一実施形態による、軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００）の概略図である。 多段ポンプ（１００）に関連する結果のグラフである。 本開示の他の実施形態による、軸スラストが最適化される多段ポンプ（５００）の概略図である。

図面は、説明のためだけに本主題の実施形態を示している。当業者であれば、以下の説明から、本明細書に記載されている開示の原理から逸脱することなく、本明細書に示された構造及び方法の代替的な実施形態が採用され得ることを容易に理解するであろう。

本開示は、軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００、５００）の実施形態を提示する。

一実施形態では、軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００）が提示される。多段ポンプ（１００）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）と、ポンプ吐出ノズル（１０１）に接続されたバイパスシステム（１０２）とを含む。バイパスシステム（１０２）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）に作動的に結合された（operatively coupled to）スロットルバルブ（１０４）と、多段ポンプ（１００）内に設けられ、スロットルバルブ（１０４）と隙間（「Ｓｅ」）とに接続されたバイパスライン（１０６）とを含み、ここで、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力を上昇させるため、バイパスライン（１０６）を流れるバランス流を受容するように構成される。

他の実施形態では、軸スラストが最適化される多段ポンプ（５００）が提示される。多段ポンプ（５００）は、軸スラストを最適化するように構成されたバイパスシステム（５０２）を含む。バイパスシステム（５０２）は、隙間（「Ｓｅ」）に近接して設けられたスロットルブッシュ（５０４）を含み、ここで、スロットルブッシュ（５０４）は、バイパスライン（５０６）を画定し、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力を上昇させるため、バイパスライン（５０６）を流れるバランス流を受容するように構成される。

説明及び図面は、本主題の原理を単に説明するものであることに留意されたい。開示された概念及び具体的な実施形態が本主題と同じ目的を達成するために改変又は他の構造を設計するための基礎として容易に利用できることが当業者によって理解されるであろう。また、本明細書には明示的に記載又は図示されないが、様々な配置を工夫することで本主題の原理を具現化すること、及び、それらが本発明の趣旨及び範囲に含まれることも当業者によって理解されるであろう。さらに、本明細書に記載されているすべての例は、本主題の原理及び本技術の発展のために本発明者によって提供された概念を読者が理解するのを助けるための教育的な目的であることを明確に意図しており、そのような具体的に記載された例及び条件に限定されないものとして解釈されるべきである。本主題の特徴であると考えられる新規な特徴は、その構成と動作方法の両方に関し、添付の図面と併せて検討された場合に、以下の説明からさらなる目的及び利点とともに、以下の説明からより良く理解されることになる。

これらのこと及び本主題の他の利点は、以下の図面を参照してより詳細に説明される。説明は、本主題の原理を単に説明しているにすぎないことに留意されたい。したがって、当業者であれば、本明細書に明示的に記載されていないが、本主題の原理を具現化する様々な配置を考え出すことができること、及び、それらが本発明の範囲に含まることが理解されるであろう。

遠心ポンプは、一様に回転するインペラ（羽根車）から遠心ポンプ内を流れる流体に伝達されるトルクによって流体の角運動量を変化させることでエネルギーを流体に伝達するという動作原理に基づいている。遠心ポンプは、エネルギーの流れる方向を考慮した駆動機械、エネルギー変換の特性を考慮したターボ機械、または、流体の特性を考慮した液圧式ターボ機械として説明され得る。遠心ポンプは、高流量を高圧や超高圧で連続的にポンピングすることができる。高流量の場合、遠心ポンプは、容積式ポンプよりも費用効果及び信頼性が明らかに高い。

遠心ポンプの例としては、軸流ポンプ、混流ポンプ、半径流（ラジアルフロー）ポンプ及びサイドチャネルポンプなどがある。また、遠心ポンプは、単段構造又は多段構造とすることができ、遠心ポンプには軸受が設けられている。軸受は、遠心ポンプ構造で頻繁に使用される要素であり、固定された部品内で可動部品が摺動することを可能にする。さらに、軸受は、ラジアルすべり軸受又はアキシャルスラスト軸受のいずれかであり得る。ラジアルすべり軸受の場合、可動部は回転軸（axel）又は伝動軸（shaft）のピン若しくはジャーナルであり、静止部は軸受シェルであり、アキシャル（スラスト）すべり軸受の可動部はスラストカラー又はスラスト板である。設計に応じて、アキシャル（スラスト）すべり軸受は、動圧すべり軸受、静圧滑り軸受、及び、特殊用途向けの静圧と動圧との複合すべり軸受に細分される。どちらの基本設計タイプも、荷重、潤滑剤の粘度及び摺動速度によって変化する潤滑剤の膜厚に対応するために、十分な軸方向の軸（シャフト）の移動を確保する必要がある。

すべての回転体は、軸受ハウジング内に配置された軸受で支持される。回転体によって生じる力は、軸受を介して軸受ハウジングに伝達され、それから軸受ハウジングが取り付けられ又は連結されている構造体へと伝達される。軸受は、回転軸に対して径方向（ラジアル方向）と軸方向（アキシャル方向）の両方に作用する力を受ける。軸受は、減摩（転がり）タイプのものか、すべり軸受タイプのどちらかである。減摩（転がり）軸受システムは、自己完結型のよりシンプルなユニットであり、すべり軸受と比べて高速回転時の耐荷重能力が低い（荷重という用語は、軸受を介して伝達される力を表すために使用される）。前述のように、すべり軸受は、外部の潤滑油システムを必要とする。一方、転がり軸受は、そのような外部の潤滑システムなしで機能する。

多段ポンプで発生する軸スラストは、通常、最適効率点（ＢＥＰ）で最小になり、部分負荷（最小流量）状態で最大になる。高速遠心ポンプにおける軸スラストの大きさは、減摩（転がり）軸受の使用を制限する。通常、多段遠心ポンプには、バランス装置が設けられている。遠心ポンプのバランス装置は、ポンプ回転体により発生する軸スラストを全体的に又は部分的に相殺するように設計される。シングルバランスドラム又はダブルドラムを組み込んだ設計は、残留軸スラストを吸収するためにスラスト軸受を必要とする。

遠心ポンプの運転中、バランス装置は、バランス装置の回転部と非回転部との間の隙間（クリアランスギャップ）を流れる一定量のバランス流を必要とする。バランス流は、隙間を通過する途中でかなり絞られる。この圧力損失により、軸方向の力がバランス装置に作用し、それによってインペラの軸スラストが打ち消され、必要なバランス調整が行われる。バランス装置は、超高圧ポンプの場合のように、関与する軸スラストが非常に大きいときに使用される。

図１は、バランス用のダブルピストンで構成された標準的な軸スラストバランスシステムを示している。バランスピストンの様々な位置での圧力降下が図１に示されている。インペラのスラスト荷重の約９０％がバランスピストンによってバランスされ、残りの１０％の荷重はスラスト軸受によって吸収される。バランスピストンには、バランス流が提供される。バランス流は、遠心ポンプのバランス装置を動作させるのに必要な体積流れである。それは、隙間での損失を増加させるが、それでも軸スラストをバランスさせるための効率的で費用削減になる設計を構成する。バランスピストンの直径は固定されるため、それは１つの運転点に対してのみ設計することができる。インペラの軸スラストは、最適効率点（ＢＥＰ）で最小になり、部分負荷（最小流量状態）で最大になる。図２には、異なる流量でのアンバランスな軸スラストの特性が示されている。

図３は、本開示の一実施形態に係る軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００）の概略図である。一実施形態において、多段ポンプ（１００）には、軸スラストを最適化するためのバイパスシステム（１０２）が設けられている。バイパスという用語は、迂回すること（circumvent）又は短絡すること（bridge）を意味する。遠心ポンプ技術において、それは、閉ループ制御において又はバランス装置として重要な役割を果たすラインのことを指す。閉ループ制御の状況下では、配管で使用可能な流量よりも高流量（大流量）で遠心ポンプを運転することが可能である。

このため、バイパス流は、分岐され、ポンプ吐出ノズル（１０１）から狭いループを通ってポンプ吸込ノズルに直接戻されるか、又は、コンデンサや冷却ユニットなどの別の機器を経由して（遅延した後に）吸込側の流れに再統合されるかのどちらかになり得る。バランス装置として機能する場合、バイパスは、ボイラ給水ポンプにおける軸スラストを相殺するために使用される。

バイパスシステム（１０２）を多段ポンプ（１００）に統合することには様々な理由がある。第１に、低流量域でポンプのそれ以上の運転を停止するためである。第２に、ポンプ軸動力曲線（pump input power curve）が高流量で下向きに傾斜するポンプ（プロペラポンプや渦流（カスケード）ポンプなど）のためである。そして、最後に、扱われる流体が低流量域で加熱するのを防ぐためである。バイパス流は、通常、高圧ポンプや超高圧ポンプ（例えば、ボイラ給水ポンプ）の吐出ノズルに取り付けられた自動再循環バルブ（an automatic recirculation valve）を介して分岐される。

本開示の実施形態によれば、バイパスシステム（１０２）は、最小流量状態でのみ圧力Ｐ１´（図３及び図５を参照）を増加させ、それによって多段ポンプ（１００）に作用するアンバランスな軸スラストを減少させるように構成される。さらに、バイパスシステム（１０２）は、定格流量／ＢＥＰ流量では非機能状態（inactive）を維持するように構成される。

一実施形態においては、図３に示されるように、ポンプ吐出ノズル（１０１）に接続されたバイパスシステム（１０２）は、ポンプ吐出ノズル（１０１）に作動的に結合されたスロットルバルブ（１０４）と、多段ポンプ（１００）内に設けられたバイパスライン（１０６）であって、スロットルバルブ（１０４）と隙間（「Ｓｅ」）とに接続されたバイパスライン（１０６）とを含み、ここで、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力Ｐ１´を上昇させるため、バイパスライン（１０６）を流れるバランス流を受容するように構成される。

一実施形態において、スロットルバルブ（１０４）は、手動、自動又は半自動で作動することができる。また、スロットルバルブ（１０４）は、所望の部分負荷流量で作動し、隙間（「Ｓｅ」）の圧力Ｐ１´が残留軸スラストの減少につながる所定の算定値まで上昇する。

図４は、多段ポンプ（１００）に関連する結果を示すグラフ（グラフ結果）である。一例において、グラフ結果は、多段ポンプ（１００）についての時間に対する軸受温度のプロットを含む。一例において、多段ポンプ（１００）は、減摩軸受（転がり軸受）を用いたＣＨＴＲ ４／１ ＋６ポンプである。一例において、隙間（「Ｓｅ」）の圧力Ｐ１´は、最小流量の約６０ｍ^３／ｈｒで約２４ｂａｒである。もう一つの例において、バイパスライン（１０６）のスロットルバルブ（１０４）は、隙間（「Ｓｅ」）の圧力Ｐ１´が所定の算定値である４０ｂａｒに上昇するまで、段階的に作動する。図４から明らかなように、軸受温度が７℃低下しており、このことは、多段ポンプ（１００）の軸受にかかる軸方向の荷重が減少していることを示している。

図５は、本開示の他の実施形態に係る軸スラストが最適化される多段ポンプ（５００）の概略図である。他の実施形態において、多段ポンプ（５００）は、軸スラストを最適化するように構成されたバイパスシステム（５０２）を含む。他の実施形態において、バイパスシステム（５０２）は、隙間（「Ｓｅ」）に近接して設けられるスロットルブッシュ（５０４）を含み、ここで、スロットルブッシュ（５０４）は、バイパスライン（５０６）を画定し、隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために隙間（「Ｓｅ」）内の圧力Ｐ１´を上昇させるため、バイパスライン（５０６）を流れるバランス流を受容するように構成される。

他の実施形態において、スロットルブッシュ（５０４）は、バイパスライン（５０６）の、隙間（「Ｓｅ」）に近接する一端側に配置された流量制御装置（５０８）と、バイパスライン（５０６）の、流量制御装置（５０８）とは反対の他端側に配置されたオリフィスプレート（５１０）とを含む。一例において、流量制御装置（５０８）は、ばね付勢式（spring loaded）の装置であり、部分負荷状態で作動するように構成される。ポンプの運転中、流量制御装置（５０８）は、圧力Ｐ１´が所定の算定値で作動し、多段ポンプ（５００）が最適効率／定格流量で運転しているときは作動しない。また、他の実施形態において、オリフィスプレート（５１０）は、吐出圧力を低下させるとともに、隙間（「Ｓｅ」）の圧力Ｐ１´を所定の算定値まで上昇させるように構成される。

バイパスシステム（１０２、５０２）により、多段ポンプ（１００、５００）は、強制的にオイルが潤滑されるティルティングパッド軸受に代えて減摩軸受（転がり軸受）を採用することが可能になり、それによって費用効果の高い解決策を提供することができる。また、多段ポンプ（１００、５００）の全長及び軸受スパンが減少する。さらに、高価な潤滑油設備、対応する配管及び付属品を削除することができる。

場合によっては、ポンプは、強制的にオイルが潤滑されるすべり軸受やティルティングパッドスラスト軸受を装備することが望まれる。ここで、バイパスシステム（１０２、５０２）を使用すると、ティルティングパッド軸受に作用する正味のスラスト荷重が減少するので、ティルティングパッドスラスト軸受及び潤滑油ポンプ／設備のサイズを大幅に減少させることができる。

構造的特徴に特化した言葉で本主題の実施形態について説明してきたが、本主題は、必ずしも説明された特定の特徴に限定されないことを理解されたい。むしろ、具体的な特徴や方法は、本主題のための実施形態として開示されている。多数ある、本発明のシステム／構成要素の変更形態や適用例は、当業者にとって明らかであり、したがって、添付の特許請求の範囲により、本主題の範囲内に入るそのような変更形態や適用例のすべてが包含されるものとする。

Claims (12)

1. 軸スラストが最適化される多段ポンプ（１００）であって、
   ポンプ吐出ノズル（１０１）と、
   前記ポンプ吐出ノズル（１０１）に接続されたバイパスシステム（１０２）と、
   を含み、
   前記バイパスシステム（１０２）は、
   前記ポンプ吐出ノズル（１０１）に作動的に結合されたスロットルバルブ（１０４）と、
   前記多段ポンプ（１００）内に設けられ、前記スロットルバルブ（１０４）と隙間（「Ｓｅ」）とに接続されたバイパスライン（１０６）と、
   を含み、
   前記隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために前記隙間（「Ｓｅ」）内の圧力を上昇させるため、前記バイパスライン（１０６）を流れるバランス流を受容するように構成されている、
   多段ポンプ（１００）。
2. 前記スロットルバルブ（１０４）は、手動、自動又は半自動で作動可能である、請求項１に記載の多段ポンプ（１００）。
3. 前記スロットルバルブ（１０４）は、所望の部分負荷流量で作動し、前記隙間（「Ｓｅ」）の圧力が残留軸スラストの減少につながる所定の算定値まで上昇する、請求項１に記載の多段ポンプ（１００）。
4. 前記多段ポンプ（１００）が減摩軸受を用いたＣＨＴＲ ４／１ ＋６ポンプである、請求項１に記載の多段ポンプ（１００）。
5. 前記隙間（「Ｓｅ」）内の圧力は、最小流量の６０ｍ^３／ｈｒで２４ｂａｒである、請求項１に記載の多段ポンプ（１００）。
6. 前記バイパスライン（１０６）の前記スロットルバルブ（１０４）は、前記隙間（「Ｓｅ」）内の圧力が所定の算定値である４０ｂａｒに上昇するまで段階的に作動する、請求項１に記載の多段ポンプ（１００）。
7. 軸スラストが最適化される多段ポンプ（５００）であって、
   軸スラストを最適化するように構成されたバイパスシステム（５０２）を含み、
   前記バイパスシステム（５０２）は、
   隙間（「Ｓｅ」）に近接して設けられたスロットルブッシュ（５０４）を含み、
   前記スロットルブッシュ（５０４）は、前記バイパスライン（５０６）を画定し、前記隙間（「Ｓｅ」）は、軸スラストの最適化のために前記隙間（「Ｓｅ」）の圧力を上昇させるため、前記バイパスライン（５０６）を流れるバランス流を受容するように構成されている、
   多段ポンプ（５００）。
8. 前記スロットルブッシュ（５０４）は、前記バイパスライン（５０６）の前記隙間（「Ｓｅ」）に近接する一端側に配置された流量制御装置（５０８）と、前記バイパスライン（５０６）の前記流量制御装置（５０８）とは反対の他端側に配置されたオリフィスプレート（５１０）とを含む、請求項７に記載の多段ポンプ（５００）。
9. 前記流量制御装置（５０８）は、ばね付勢式の装置である、請求項８に記載の多段ポンプ（５００）。
10. 前記流量制御装置（５０８）は、部分負荷状態で作動するように構成されている、請求項８に記載の多段ポンプ（５００）。
11. 前記オリフィスプレート（５１０）は、吐出圧力を低下させるとともに、前記隙間（「Ｓｅ」）の圧力を所定の算定値まで上昇させるように構成されている、請求項８に記載の多段ポンプ（５００）。
12. 前記流量制御装置（５０８）は、前記圧力が前記所定の算定値で作動し、前記多段ポンプ（５００）が最適効率／定格流量で運転しているときは作動しない、請求項１１に記載の多段ポンプ（５００）。

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