JP3566781B2 - 液化ガスタンク用立軸形潜没ポンプ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は液化ガスタンク用潜没ポンプ装置に係り、特に液化天然ガス等の液化ガスを貯蔵する液化ガスタンク用の液中モ−タ型の潜没ポンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１−３０１９９０号公報に記載されている従来の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置を図７に示す。液化ガスタンク１内に、垂直に揚液管２を垂下形成しておく。揚液管２の内部にはポンプ５を外部から挿入装着する。これにはヘッドプレ−ト８からワイヤ４によってポンプ５を垂直に吊り下げ（高さ数１０ｍ）、ワイヤ４を下げて、揚液管２下部の座面６にポンプ５を着座することで実現する。ポンプ５は、昇圧を行う羽根車（インペラ）部５Ｂと、ポンプの軸につながりこの軸を回転する回転駆動部（回転駆動は例えばモータで行う）５Ａとから成る。座面６は吸込口３に通じており、ポンプ５は吸込弁３Ａからの液化ガスを、ポンプ５で昇圧し、羽根車部５Ｂの吐出側に設けられた複数の吐出通路５Ｐから吐出させる。この吐出液化ガスは通路５Ｐを出て揚液管２内を上方に流れ吐出管７から吐出される。
ポンプ５を起動した場合、吐出液で揚液管２内が満たされるまでの数分間は、ポンプ５は、所定の吐出圧力よりかなり低い吐出圧力で運転する。この数分間は、液を押し上げるだけのわずかな吐出圧だけで充分なためである。この後に通常の運転状態に入る。
【０００３】
図７のポンプ５は一般に立軸形ポンプとよばれるが、この立軸ポンプの従来例には、特公昭６１−５５５８号がある。かかる立軸ポンプでは、回転駆動部５Ｂの配置位置と羽根車部５Ａの配置位置との間付近に、回転軸を支持する玉軸受（例えば、単列深みぞ型の玉軸受）を設け、更に玉軸受への運転時のスラスト荷重による軸受損傷を防止するために、この軸受の近くにバランスディスク等から成る軸スラスト平衡装置を設けている。玉軸受は、ポンプの起動・停止時に回転軸の軸受として働く。一方、起動・停止でない、通常の運転中においては、玉軸受の代わりに静圧軸受が働くように軸スラスト平衡装置が構成されている。これには、静圧軸受を設けておき、運転時に、玉軸受に代わって静圧軸受が軸受として働くような機構にしておけばよい。尚、軸スラスト平衡装置としては特公昭５８−２５８７６号がある。
【０００４】
このように、特公昭６１−５５５８号の立軸ポンプでは、ポンプ運転時、玉軸受に負荷されるスラスト荷重をゼロにする軸スラスト平衡装置を設けてあり、ポンプ通常運転中は、この軸受にはラジアル荷重のみが作用する。但し、このラジアル荷重は、静圧軸受が主として受けるため、実質、玉軸受は補助的な役割をするだけである。しかし実際には軸スラスト平衡装置は、ポンプが所定の吐出圧力を発生した状態で機能するため、玉軸受には、吐出液が揚液管内を満たすまでの数分間、ポンプロ−タの重量や、インペラの下向き推力と言った大きなスラスト荷重が負荷される。
【０００５】
ポンプが比較的小型で揚液管が小口径の時は、満液時間が短く、直ちにスラスト平衡装置が働くが、ポンプの大容量化等によって、揚液管の大口径化がなされた場合、ポンプを起動してから液が揚液管を満たすまでに要する時間が更に延長し、それに伴いスラスト荷重が玉軸受に加わる時間も長くなり、軸受寿命を著しく短縮してしまうため、ポンプの長期安定運転を望むことができなかった。
従って、従来では軸受に単列深みぞ型の玉軸受を使用してきたが、上記のような問題に対処する必要性が出てきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置における軸受を構成する単列深みぞ型の玉軸受は、スラスト荷重にも耐えられる構造とは言え、更なる大きなスラスト荷重に対しては余裕がなかった。
図６には、潜没形立軸ポンプの起動直後のシステムヘッドカーブを示す。この左側のカーブは、横軸が吐出流量、縦軸が吐出出力を示し、▲１▼が起動時、以後▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼と変化してゆく様子を示している。約３分後に▲５▼の状態となって吐出管７から昇圧液化ガスが吐出する。右側のポンプ装置は、揚液管２と、ポンプ５と、ヘッドプレート８と、吐出管７より成る例を示している。
【０００７】
先ず、ポンプ５を起動すると、吐出液で揚液管２内を満了するまでの数分間は液を押し上げるだけのわずかな吐出圧力で充分であり、ポンプ５は定格吐出圧力よりかなり低い吐出圧力で運転され大液量運転となる。揚液管２内の液面が除々に上がると同時に、ポンプのシステムヘッドカーブも変化してゆく。液が揚液管２を満たし上部吐出管２０によって絞られ初めて定格の吐出圧力となる。
特にポンプが大型化し、揚液管２が大口径となった場合、定格吐出圧力になるまで更に時間が延長され、軸スラスト平衡装置が作動せず、玉軸受に多大なスラスト荷重が負荷されることになる。
このようにポンプが大型化した場合などは、ポンプロ−タやインペラ等の羽根車部の重量が増大し、玉軸受にも大きなスラスト荷重が負荷されることになる。更に揚液管の大口径化により、ポンプが起動してから液が揚液管を満たし、所定の吐出圧力となるまでに時間を要し、スラストバランス機構が正常に働くまでに長時間スラスト荷重が玉軸受に負荷されることになり、これらによって軸受寿命が更に短縮してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、ポンプの大容量化、揚液管の大口径化のもとでも軸受の長寿命化を可能にするポンプ装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の液化ガスタンク用立軸形潜没ポンプ装置は、液化タンク内に垂下された揚液管内に挿入され、液化タンクからの液化ガスを吸い込み吐出する液化ガスタンク用立軸形潜没ポンプ装置において、ポンプ軸と、該ポンプ軸を回転駆動するモータ部と、ポンプ軸に沿ってモータ部よりも下方の位置に設けられ、液化タンクから吸い込んだ液化ガスを昇圧する羽根車と、軸スラスト平衡装置と、羽根車で昇圧した液化ガスを吐出する吐出穴と、モータ部配置位置よりも上方の位置で、ポンプ軸を支持する上軸受と、モータ部配置位置よりも下方の位置で、且つ軸スラスト平衡装置の近傍の位置で、ポンプ軸を支持する中軸受と、羽根車の配置位置よりも下方の位置で、ポンプ軸を支持する下軸受と、より成ると共に、上記中軸受は、ポンプ軸方向に沿って玉軸受を複数個配置した、複列配置の玉軸受とし、この玉軸受は、内輪がポンプ軸に一体固定され、外輪外周と軸受ハウジング間に隙間を設けたものとし、この中軸受と軸スラスト平衡装置の配置位置との間に、ポンプ軸を運転時に支持する静圧軸受を設けたものである。
【００１０】
【作用】
本発明によれば、中軸受に玉軸受を複列配置することにより、ポンプ起動直後にあっては多大に加わるスラスト荷重をそれぞれの玉軸受に分散させ、一個の玉軸受に加わるスラスト荷重を低減し、軸受寿命の低下を防止することに寄与できる。
また、玉軸受の内輪がポンプ軸に一体固定され、外輪外周と軸受ハウジング間に隙間を設けたものとし、この中軸受と軸スラスト平衡装置の配置位置との間に、ポンプ軸を運転時に支持する静圧軸受を設けた構造とすることにより、ポンプ通常運転時はスラストバランス平衡装置による軸移動がスムーズに行われ、スラスト荷重が負荷されず、ラジアル荷重は、静圧軸受との組合せによりほとんど負荷されることなく運転できるため、中軸受の寿命向上が図れる。
【００１１】
【実施例】
図１は、液化ガスタンク用潜没ポンプと揚液管との詳細実施例図、特にその縦断面図である。図中、図７と同一符号のものは、従来技術と同等部分であり、図１に示していないが図７と同じように液化ガスタンク、吐出管等が存在することは云うまでもない。
本実施例の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置は、液化ガスタンク内に垂下された揚液管２と、揚液管２の底部に座面６に着座させて設置されたポンプ５、ケ−シング１８から成る。
【００１２】
揚液管２の底部６は吸込口３につながっており、吸込口３から吸込弁３Ａを介して液化ガスが底部６を介してポンプ５内に入る。
ポンプ５は、上方位置に設けた回転駆動部５Ａと、下方位置に設けた羽根車部５Ｂと、回転軸（シャフト）１２とから成る。回転駆動部５Ａは、軸１２に結合した回転子（ロータ）部９と、この回転子部９に対向する静止（ステータ）部１０とから成り、静止部１０と回転子部９とでモータを形成し、回転子部９を回転させることで軸１２を回転する。
【００１３】
羽根車（インペラ）部５Ｂは、液化ガス吸込み側から軸１２の上方にかけて、軸１２に取り付けた複数のインペラ１３、及び固定側に取り付けたステージ１１、から成る。更に、羽根車部５Ｂの上方には、複数の吐出穴５Ｐを設け、吐出通路５Ｑに昇圧液化ガスを送る。
軸１２の回転駆動部５Ａよりも上方のヘッドプレート８への取り付け個所近傍には上軸受１６を設け、軸１２の羽根車部５Ｂの底部６の近傍には下軸受１４を設け、更に、羽根車部５Ｂと回転駆動部５Ａとの中継部近傍に中軸受１５を設け、それぞれが軸１２を支持する。この他に、上軸受１６の上方には静圧軸受１９Ａを設ける。中軸受１５の周囲及び下方には、軸スラスト平衡装置１７を設ける。軸スラスト平衡装置１７は、中軸受１５の外周面に設けた円筒形の軸スリーブ１７Ａ、静圧軸受１９Ｂ、バランスディスク１７Ｂ等から成る。但し、静圧軸受１９Ｂは、正確には軸スラスト平衡装置１７の概念には含まれないが、配置上近くにあるため、平衡装置の一部として含ませた。そして、起動・停止時においては、中軸受１５が軸１２を支持し、一方、運転状態に入ると、バランスディスク１７Ｂの軸方向への遊動により、軸スリーブ１７Ａの働きで中軸受１５による支持が離脱し且つ静圧軸受１９Ｂによる支持が軸１２になされ、中軸受１５から静圧軸受１９Ｂへと支持が変更となる。これによって中軸受１５に作用する軸スラストは除去される。
【００１４】
上軸受１６は、単列深みぞ型玉軸受を使用し、中軸受１５は複列配置の深みぞ型玉軸受を使用する。下軸受１４は静圧すべり軸受を使用する。この静圧すべり軸受を使用するのは、軸受端部の振動を小さくするためである。
中軸受１５に使用した複列配置の深みぞ型玉軸受とは、例えば図１からもわかるように上下の２列配置の玉軸受であり、本実施例の重要な特徴をなす。
静圧軸受１９Ａ、１９Ｂは、軸受１６、１５の周辺部に設けられ、ポンプの高圧吐出液を導いて静圧軸受を形成している。
【００１５】
図２は、中軸受１５及び静圧軸受１９Ｂの断面図を示す。中軸受１５は、複列（図では上下の２列）配置した深みぞ型玉軸受であり、上下の玉軸受１５ａと１５ｂとの間にはこの玉軸受１５ａ、１５ｂと同一内径のリングスペーサ１５ｃを設け、しまりばねで軸１２に一体固定する。更に、ベアリングハウジング１５ｄとの間で間隔１５ｅを設ける。この間隔１５ｅを設けたことで、軸スラスト平衡装置１７の作用による軸方向の移動を円滑に行う役割を果たす。中軸受１５の下方には供給液（矢印）によって軸受機能を果たす静圧軸受１９Ｂを設けてあり、ラジアル荷重は、主としてこの静圧軸受１９Ｂで支持され、シャフト１２が振れ回り等の回転をしない限り、中軸受１５は間隔１５ｅにより補助的な支持の役割を持つ。これによって、玉軸受の固体接触による摩耗等が低減され軸受の寿命を延ばす。また、間隔１５ｅにより、軸スラスト平衡装置１７による軸移動の干渉を防ぐ。
【００１６】
尚、深みぞ型玉軸受の構造としては、内・外輪、玉１５ｆの他に、玉を保持する保持手段が必要である。この保持手段がリベット１５ｈで固定された保持器１５ｇである。リングスペーサ１５ｃは、複列配置した時にリベットの頭どうしが接触しないように保護する働きがあり、この材質は、モータを超電導コイルで形成した場合には極低温下でも強度の劣らないステンレス製が好ましい。
【００１７】
複列化した場合でのスラスト荷重については、図３に示すように、軸方向スラスト荷重Ｆは、上下の玉軸受１５ａと１５ｂとに分散されてそれぞれＦ／２の荷重が加わる故に、軸受１５は更に寿命が延びる。
尚、この複列配置形式の単列深みぞ型玉軸受に、ステンレス鋼、耐摩耗鋼材のレース、及びボール等を使用すればより一層の軸受長寿命が期待できる。
【００１８】
図４には、本発明に係る液化ガスタンク用潜没ポンプ装置の中軸受を含む近傍の構造断面図を示す。
複列配置した深みぞ型玉軸受１５は、リングスペーサ１５ｂを間にはさみ、且つしまりバネによりシャフト１２に一体固定され、インペラ１３及びバランスディスク１７Ｂはテーパブシュ２４によりシャフト１２に固定され、これらはシャフト１２の上下方向の動きと同様に移動する。
【００１９】
ポンプが運転されると、ポンプ軸推力が下向きに働き、シャフト１２が下方向に移動する。間隙２２が大きくなり、バランスディスク１７Ｂの外周から液が多量に流れ込み、バランスディスク１７Ｂの背面の圧力が、バランスディスク１７Ｂ正面圧力より小さくなる。結果としてインペラ１３、バランスディスク１７Ｂを含むシャフト系に働く軸推力のバランスは、（Ａ１＋Ａ２）＜（Ｂ１＋Ｂ２）となり、上向きの推力が勝り上方に移動しようとする。
ここで、Ａ１…インペラに働く上向推力
Ａ２…インペラに働く下向推力
Ｂ１…バランスディスクに働く上向推力
Ｂ１…バランスディスクに働く下向推力
である。
【００２０】
また、逆にシャフト１２が上方に移動し過ぎ、間隙２２が閉じられると、バランスディスク１７Ｂ外周部からは液が流れ込まず、バランスディスク１７Ｂの背面の圧力はほぼバランスディスク１７Ｂ正面の圧力と等しくなる。結果として、シャフト系に働く軸推力のバランスディスクは、（Ａ１＋Ａ２）＜（Ｂ１＋Ｂ２）となり、下向きの推力が大きくなる。それによって、シャフト１２が下向きに移動するのである。
以上の運転中においては、中軸受１５に代わって静圧軸受１９Ｂが軸１２を支持している。
【００２１】
このようにして、自動的に上下方向の軸推力をバランスさせるが、これは、あくまでもポンプが定格吐出圧力付近の所定の吐出圧以上の時の作動である。ポンプが起動され、揚液管２が液で満たされる数分間は、軸スラスト平衡装置１７が働かず、深みぞ型玉軸受１５にスラスト加重が負荷されるが、複列配置（１５ａ、１５ｂ）することにより、スラスト加重を分配し、１個の深みぞ型玉軸受に加わる荷重を低減させ、軸受の寿命を延ばすことができる。
【００２２】
更に、ポンプ運転中に軸１２を支持する、図４の静圧軸受１９Ｂの説明をする。静圧軸受１９Ｂは、ポンプ運転中にあってはポンプ吐出穴５Ｐ付近より、給液孔２１を介して、高圧吐出液が送られて軸１２を支持するものであり、主として、ラジアル方向の荷重に対向する働きをなす。
【００２３】
図５は、上軸受１６と静圧軸受１９Ａを含む近傍の断面図を示す。静圧軸受１９Ａには、昇圧された吐出液が系路３０から導かれて、軸１２の支持を行う。特に、上軸受１６と相まって通常運転中の軸受１２の支持を行う。
【００２４】
本実施例によれば、軸受１５に単列深みぞ型の玉軸受を複列配置することにより、ポンプ起動直後にあっては多大に加わるスラスト荷重をそれぞれの玉軸受に分散させ、一個の玉軸受に加わるスラスト荷重を低減し、軸受寿命の低下を防止することに寄与できるのである。
また、単列深みぞ型の玉軸受を複列配置しシャフト１２に一体固定すると共に、ベアリングハウジング１５ｄと隙間を設けた構造とすることにより、ポンプ通常運転時はスラストバランス平衡装置１７による軸移動がスム−ズに行われ、スラスト荷重が負荷されず、ラジアル荷重は、静圧軸受との組合せによりほとんど負荷されことなく運転できる。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、液化ガスタンク用潜没ポンプの欠点であるポンプ起動時のスラスト荷重による軸受寿命低下を防止し、ポンプの長期安定運転と信頼性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置の実施例縦断面図である。
【図２】本発明の複列配置の深みぞ型玉軸受の実施例断面図である。
【図３】本発明の複列配置の深みぞ型玉軸受のスラスト荷重分配図である。
【図４】本発明の玉軸受及び軸スラスト平衡装置の実施例断面図である。
【図５】本発明の上軸受と静圧軸受との実施例断面図である。
【図６】潜没形立軸ポンプの起動直後のシステムヘッドカーブである。
【図７】従来の液化ガスタンク用潜没ポンプ設備の略示断面図である。
【符号の説明】
１ 液化ガスタンク
２ 揚液管
３ 吸込弁
４ 吊り下げ用ワイヤ
５ 潜没ポンプ
６ 座面
７ 吐出管
８ ヘッドプレ−ト
９ モ−タロ−タ
１０ モ−タステ−タ
１１ ステ−ジ
１２ シャフト
１３ インペラ
１４ 下軸受
１５ 中軸受
１５ａ、１５ｂ 単列配置深みぞ型玉軸受
１５ｃ リングスペ−サ
１５ｆ ボ−ル
１５ｇ 保持器
１６ 上軸受
１７ 軸スラスト平衡装置
１８ ケ−シング
１９Ａ、１９Ｂ 静圧軸受
Ｆ 荷重

Claims (1)

1. 液化タンク内に垂下された揚液管内に挿入され、液化タンクからの液化ガスを吸い込み吐出する液化ガスタンク用立軸形潜没ポンプ装置において、
   ポンプ軸と、
   該ポンプ軸を回転駆動するモータ部と、
   ポンプ軸に沿ってモータ部よりも下方の位置に設けられ、液化タンクから吸い込んだ液化ガスを昇圧する羽根車と、
   軸スラスト平衡装置と、
   羽根車で昇圧した液化ガスを吐出する吐出穴と、
   モータ部配置位置よりも上方の位置で、ポンプ軸を支持する上軸受と、
   モータ部配置位置よりも下方の位置で、且つ軸スラスト平衡装置の近傍の位置で、ポンプ軸を支持する中軸受と、
   羽根車の配置位置よりも下方の位置で、ポンプ軸を支持する下軸受と、
   より成ると共に、上記中軸受は、ポンプ軸方向に沿って玉軸受を複数個配置した、複列配置の玉軸受とし、この玉軸受は、内輪がポンプ軸に一体固定され、外輪外周と軸受ハウジング間に隙間を設けたものとし、
   この中軸受と軸スラスト平衡装置の配置位置との間に、ポンプ軸を運転時に支持する静圧軸受を設けたことを特徴とする液化ガスタンク用立軸形潜没ポンプ装置。

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