JP4035326B2 - 遠心ポンプの軸受装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、駆動モータに結合でき、外径部に放出縁部を備えたインペラーを有し、また少なくとも１つの軸シールを有する遠心ポンプに関するものである。
【０００２】
本発明の目的は、駆動モータを直結して配置し,主として所謂片吸込み形の遠心ポンプを備えるモータ駆動型ポンプ装置を著しく改良することにある。ポンプ装置は、好ましくは、垂直回転軸を備えた垂直型のものであり得、そして配管か又は駆動モータを動かす必要なしに保守のために必要なポンプ構成要素を取外すことのできるように構成され得る。
【０００３】
この種のポンプユニットに組み込まれる遠心ポンプは、多数の実施形態のものが知られている。通常、軸は、数百ｍｍ離間される二つの軸軸受で支持されている。軸は、その一端にインペラーを支持し、そしてまた、インペラーと一方の軸軸受との間に軸シールが配置されている。この実施形態では、インペラーは、軸受間の距離とほぼ同じ大きさの実質的な張出し部を備えている。普通、ポンプを通る流体の流れと共に大きさの変化する半径方向に向いた力はインペラーに作用する。この力は、軸を座屈（変形）させることになり、このことはインペラーの内側シールに十分に大きな隙間を必要とし、軸シールの機能を相当に低減させることなる。このファクターは最低品質のポンプの規格における注目事項である。規格ＡＰＩ６１０（米国石油協会）及びＩＳＯ５１９９（国際規格機構）ではいずれも軸シールに近接した座屈について最大許容値は０．０５ｍｍであると規定されている。商業的かつ技術的評価では、座屈の程度を表す別の仕方、すなわち表示Ｌ^３／Ｄ_４が用いられる。この表示においてＬはインペラーの張出しを表し、Ｄは軸の直径である。
【０００４】
インペラー及び張出しの支持を避けるために、インペラーは各側に軸受を備えている。しかし、これには各側に一つづつ二つの軸シールが必要である。また軸受の少なくとも一方は汲み上げられた流体中に配置され、潤滑され、冷却される。密封シール型ポンプのような特殊な場合には、軸受及び駆動機構の両方ともほとんど流体中に配置される。その結果、この実施形態では軸シールはない。
【０００５】
さらに、インペラーは、駆動モータ、通常は電動機の軸に直接又は電動機軸に堅固に接続される軸伸張部に装着され得る。しかし、標準設計の普通の電動機においては、１０〜３０kW以上の電動機出力では、それらの軸軸受の軸受強度は十分ではない。従って、軸伸張部に少なくとも一つの特別の軸受を設けるようにポンプを設計している。
【０００６】
配管や駆動モータを取外す必要なしに、インペラー、軸シールなどのようなポンプ装置の内部構成要素を容易に分解できるようにするために、ポンプケーシングはポンプ軸に沿って分割され得る（軸方向分割）か又は軸に対して横断して分割され得る（径方向分割）。径方向分割に関しては、駆動モータ側に開口を用いるのが現在では普通である（所謂後方取り出し）。軸の一部又は伸張軸継手の一部（スペーサー）をまず分解することによって分解は可能となる。この場合、これらの部品は内部構成要素を取出すことができるような長さのものである。この形式のポンプ装置においては、通常、遠心ポンプ及び駆動モータが正確な同心配置から僅かにずれてもいいように捩れ剛性をもちしかも弾性的な一つ以上の軸継手が設けられる。従って軸軸受は従来の方法に従って配置され得、又は軸継手の一つが単に角度弾性である場合には、軸受の一つはポンプ軸に配置され得、残りの軸受機能は駆動モータ軸受により行われる。
【０００７】
本発明によれば、従来の技術に伴う多数問題点を解決する新規の遠心ポンプを提供することを目的としている。
【０００８】
本発明によれば、遠心ポンプは、インペラーがポンプに作用する力を吸収するため、二つの軸線方向に隣接した軸受から成る軸受装置に支持され、複数の軸受の幅又はそれぞれの軸受軌道部の構成が特性距離ａを形成し、インペラーの放出縁部における中心点が軸線方向にみて、軸受間の軸線方向中心点からでしかもポンプの入口端部の方向において又はポンプの入口端部から距離ｂの位置にあり、ここでｂが２×ａ以下か又は等しいことを特徴としている。
【０００９】
別の実施の形態によれば、軸受の少なくとも一つと少なくとも一つの軸シールとの間に、軸シールからポンプの周囲部への全ての漏れを輸送及び（又は）分流させる回転可能なスリーブが配置され、またスリーブは、インペラーのハブ部分を二つのチャンバに分割し、軸受を配置したチャンバはポンプ流体及び（又は）軸シールから漏れる全ての流体から分離されている。
【００１０】
さらに別の実施の形態によれば、駆動モータからインペラーへトルクを伝達する駆動軸の一端は、例えば所謂スプライン又はキー継手を用いて、インペラーのハブにおける軸端受け凹部の少なくとも二つの接触表面に嵌合され、また駆動軸の他端は継手を介して駆動モータ軸に接続するように構成されている。継手は、駆動軸に固定されるか又は駆動軸と一体の部片に構成された第１フランジと、モータ軸に固定されるか又はモータ軸と一体の部片に構成された第２フランジとから成り得、上記第１、第２フランジは、ナット及びボルト接続、接着剤接合、シャリングピンなどによって結合できる。
【００１１】
軸受装置における軸受のそれぞれの外側軸受軌道体は有利には、インペラーハブに配置され、また軸受のそれぞれの内側軸受軌道体はポンプケーシングに機械的に結合される。
【００１２】
有利には、軸シールはインペラーハブの環状部分に配置され、また軸受のそれぞれの外側軸受軌道体はインペラーを介して駆動軸に固定されて、駆動軸と共に回転できる。
【００１３】
遠心ポンプの回転軸は好ましくは実質的に垂直となるように配列され、また駆動モータはポンプケーシングに接続されるスタンドに取り付けられ得る。
【００１４】
回転可能なスリーブは好ましくは、インペラーと共に回転する際に、軸軸受装置のチャンバを通過して軸シールからの漏れ流体をポンプの周囲へ移送するためポンピング作用を発生するように構成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明を更に詳しく説明する。
【００１６】
本発明の特徴の一つは、軸軸受１、１’及び軸シールがオーバーハングなしで又は最少のオーバーハングをもってインペラー３に配置されることにある。インペラーの中心線は符号２１で示す。インペラーに作用する半径方向力及びモーメントは、傾斜モーメント又は曲げモーメントを生じることなしにしかも変形を伴わずに軸受によって取上げられる。表示Ｌ^３／Ｄ_４は実際にゼロに等しい。従って、軸軸受は、少なくとも一つの軸受において幾つかの離間した軸受に相当する機能をもつ軸受軌道（軸受面）を備えるように構成されている。軸受は、例えば、幾つかの単又は二重角度接触玉軸受、円錐形玉軸受又は所謂四点軸受として構成され得る。汲み上げられた媒体に対する少なくとも一つの軸シール２は、軸受の一つ１に隣接して又は軸受の一つ１に対して限定された距離をおいて配置され、そして相対的に薄い回転可能な分割スリーブすなわちカップ５によって軸受の一つ１から分離されている。従って、スリーブ５は、インペラーハブ部分における領域を二つの別個のチャンバ６、７に分割する。軸シール２からのスリーブ５の軸線方向の伸張は、その形状又は回転の結果として、軸シールチャンバ７からの全ての漏れを、ポンプケーシングにおける開口１７を介してポンプ装置の周囲部１６へ移送及び（又は）そらせるのに十分なように大きく、こうして軸軸受１、１’の配置されているチャンバ６へ漏れが流れ込むのを阻止している。軸受及びシールに対するインペラーハブ部分内の空間が限られているために、トルクをインペラー３に伝達する駆動軸８は相対的に大きく負荷され、そして駆動軸８の一端部は、少なくとも二つの緊締手段すなわち軸キー、好ましくは図面に符号９で示す所謂スプラインの形態の幾つかの手段を用いて噛合い接続によりインペラー３に接続される。駆動軸８は有利には、スリーブ５及びインペラーハブの関連部品である軸受キャリア１９を用いて汲み上げた流体から分離又は密封される。また駆動軸８の他端部は駆動フランジ１０、１０’に普遍的に接合され又は駆動フランジ１０、１０’と一体部片として構成され、駆動フランジ１０、１０’に随意にたわみ性の軸継手がトルクを供給するために接続され得る。インペラーハブ部分は軸軸受１、１’に対する軸受軌道１２、１４；１２’、１４’として又は軸受座として構成され得、これらの軸受軌道又は軸受座は捩れモーメント以外のインペラー３における力及びモーメントを軸受に伝達させる。このことは、駆動軸８がトルクで負荷されるだけであり、その構成が最適化され得ることを意味している。インペラーの内部に軸軸受１、１’及び軸シールを配置することにより、ポンプ装置の全体の大きさ及び重量を大きく変えることになる。特に、遠心ポンプのポンプケーシング１５、１５’、１５’’に配置した又はポンプケーシングに隣接して配置したスタンド（図示していない）によって駆動モータ（図示していない）を支持する縦型ポンプの場合、ポンプ装置の全高を大きく低減することができる。これにより、通常のモータ振動の大きさ及び危険が低減されることになる。船舶のボードに配置したポンプの場合には、海上における船舶の動きにおいてポンプ装置の動作を妨害する危険及び推進機構によって生じる振動は低減される。
【００１７】
軸軸受の外側軸受リング又は軸受軌道１２、１２’は好ましくは、インペラー３と共に回転でき、そしてインペラーハブ３’に配置される。これにより、静的応力が生じるだけであり、疲労を生じさせ得る動的負荷は生じないという利点が得られる。
【００１８】
軸軸受は、また、基本的にはインペラーハブに配置され、又はこのハブに直結される。従って、軸受装置の軸方向寸法は通常インペラーの軸線方向の全長より短かいか又はほとんど同じ大きさである。
【００１９】
モーメントに関して最適な条件を得るために、インペラー３は、それに作用する力を吸収するために、通常二つの軸線方向に隣接した軸受１、１’から成る軸受装置に支持され、軸受のそれぞれの軸受軌道（１２、１４；１２’、１４’）は特性距離ａを形成し、またインペラー３の放出縁部１３上の中心点は軸線方向に見て、軸受１、１’間の中心点からポンプの入口端部２０の方向に又は入口端部２０より距離ｂの位置にあり、ここで条件ｂ≦２×ａが満たされなければならない。
【００２０】
実際の軸軸受の場合、軸受の幅すなわち一つ又は幾つかの軸受リングの軸方向寸法は上記特性距離aに対する第１の値ａ１を構成している。第２の値ａ２は、軸受装置の中心線２１上の力の中心３０、３０’間の距離である。例えば“背面”組立体における対に配置した単角度接触玉軸受、二重角度接触玉軸受及び所謂四点型の単角度接触玉軸受の場合、ａ２の値は玉軸受の製造業者のカタログに挙げられ、そしてこの値は通常ａ１の２、３倍である。当然、同様な条件は円錐玉軸受及びまた他の軸受形式の場合にも適用する。本発明の特徴である距離ａは値ａ１、ａ２の最大値である。有利には、軸受装置は、曲げモーメント及び傾斜モーメントを最良の可能な仕方で吸収できるようにａ２がａ１より大きい上記型の軸受を備えて構成される。距離ａ１を備える実施の形態は、例えばただ一つのステップ玉軸受を用いる比較的簡単な構造体に対して使用され得る。
【００２１】
形式的には、距離ａ１は、距離ａ２が定義できない場合に距離ａに対する定義を構成する。
【００２２】
回転可能なスリーブ５は有利には、軸シール２からの漏れをポンプの周囲部１６へ移送するため及び（又は）そらすために、少なくとも一つの軸受と少なくとも軸シール２との間に配置される。スリーブ５は、インペラーハブ部分を二つのチャンバ６、７に都合よく分割でき、軸受１、１’の配置されるチャンバ６はポンプ流体及び（又は）軸シール２から漏れる流体から分離される。軸８、１８の間のフランジ継手１０、１０’はナット及びボルト接続、接着剤接合、シャリングピンなどによって固定され得る。
【００２３】
図面に見られ得るように、軸受１、１’のそれぞれの外側軸受軌道体１２、１２’はインペラーハブ３’に配置され、軸受１、１’のそれぞれの内側軸受軌道体１４、１４’はポンプケーシング１５’’’に機械的に接続される。また、軸シール２はインペラーハブの環状部分３’’に配置されることもわかる。さらに、軸受の外側軸受軌道体１２、１２’はインペラー３を介して駆動軸８に接続され、そして駆動軸８と共に回転できることがわかる。
【００２４】
回転可能なスリーブ５は、スリーブ５がインペラー３と共に回転する際、軸軸受装置に対するチャンバ６を通って軸シール２を超えて移動してくる漏れ流体をポンプケーシングにおける開口１７を介してポンプの周囲部１６内に移送するために、ポンピング作用が発生されるように構成した二重壁及び（又は）ベーンを備えて構成され得る。これは図２及び図３に示されている。
【００２５】
図２には、スリーブ５が付加的な部品２２を度のように備えているかを示し、付加的な部品２２は包囲スリーブ部品の形態を成し、半径方向孔２３を備えている。図３において、スリーブはベーンリング２４を備えている。
【図面の簡単な説明】
【図１】遠心ポンプの横断面図。
【図２】遠心ポンプの変形例の部分断面図。
【図３】遠心ポンプの変形例の部分断面図。

Claims (10)

1. 駆動モータに結合でき、ポンプと、軸方向伸長部及び外径部に放出縁部（１３）を備えたインペラー（３）を有し、放出縁部（１３）が実質的に半径方向外方に向って放出するように配列され、また上記ケーシング（１５）内で上記インペラー（３）を回転支持する軸受装置（１、１’）を有し、
   前記軸受装置（１、１’）が、軸受の総軸方向幅ａ１及び、軸受装置の中心線（２１）における軸受の力の中心と、軸線方向に見てインペラー（３）の放出縁部（１３）における中心点（４）との間の距離ａ２の最大の寸法を表す特性距離ａの形でパラメータを有し、
   軸受装置の軸方向中心点から距離ｂの位置にあって、その際にｂ≦ 2 × aである、
   流体輸送用遠心ポンプにおいて、
   上記ケーシング（１５）に接続され且つ上記インペラー（３）内に延び、インペラーハブ部分の関連部品である軸受キャリア（１９、１５’’’）を有し、上記軸受キャリア（１９、１５’’’）が、上記インペラー（３）に接続した第一端部と、上記駆動モータに結合可能な第二端部とを持つ駆動軸（８）を受ける中央通し孔を備え、
   上記インペラー（３）と上記ケーシング（１５）との間に設けられ、軸受装置（１、１’）を移送流体から分離する少なくとも一つの軸シール（２）を有すること、を特徴とする遠心ポンプ。
2. インペラー（３）にスリーブ（５）が接続され、そして軸シール（２）からポンプの周囲部（１６）への全ての漏れを輸送及び（又は）分流させるためスリーブ（５）が軸受（１、１’）と上記少なくとも一つの軸シール（２）との間に配置され、またスリーブ（５）が二つのチャンバ（６、７）を形成し、軸受け（１、１’）を配置したチャンバ（６）が、ポンプ流体及び／または軸シールから漏れる全ての流体から分離されることを特徴とする請求項１に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
3. 駆動モータからインペラー（３）へトルクを伝達する駆動軸（８）の一端が、例えば所謂スプライン又はキー継手を用いて、インペラー（３）のハブ（３’）における軸端受け凹部の少なくとも二つの接触表面に嵌合され、また 駆動軸（８）の他端が継手（１０、１０’）を介して駆動モータ軸（１７）に接続するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
4. 継手が、駆動軸（８）に固定されるか又は駆動軸（８）と一体の部片に構成された第１フランジ（１０）と、モータ軸に固定されるか又はモータ軸と一体の部片に構成された第２フランジ（１０’）とから成り、また上記第１、第２フランジが、ナット及びボルト接続、接着剤接合、及びシャリングピンのグループから選択された手段よって、結合できることを特徴とする請求項３に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
5. 軸受（１、１’）のそれぞれの外側軸受軌道体（１２、１２’）がインペラーハブ（３’）に配置され、また 軸受（１、１’）のそれぞれの内側軸受軌道体（１４、１４’）がポンプケーシングに機械的に結合されることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
6. 軸シール（２）がインペラーハブ（３’）の環状部分（３’’）に配置され、また 軸受（１、１’）のそれぞれの外側軸受軌道体（１２、１２’）がインペラー（３）を介して駆動軸（８）に固定されて、駆動軸（８）と共に回転できることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
7. 遠心ポンプの回転軸線（２１）が本質的に垂直に配列され、また 駆動モータがポンプケーシングに接続されるスタンドに取り付けられることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
8. 回転可能なスリーブ（５）がインペラーと共に回転する際に、軸シール（２）からの漏れ流体をポンプの周囲へ移送するためポンピング作用を発生するように構成される二重壁及び／又はベーンを備えるように回転可能なスリーブ（５）が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の流体輸送用遠心ポンプ。
9. 遠心ポンプのケーシング内にインペラーを回転支持する軸受装置であり、インペラーが軸方向伸長部及び放出縁部を持つ外径を備え、上記放出縁部がほぼ半径方向外方に向いた放出のために配列され、上記軸受装置（１、１’）がインペラー（３）の軸方向伸長部内に配列するようにされ、そして一つ以上の軸受（１、１’）から成り、
   前記軸受装置（１、１’）が、軸受の軸方向全幅ａ１、及び軸受装置の中心線（２１）における軸受力の中心間の距離ａ２の最大値を表す特性距離ａの形でパラメータを有し、そしてインペラー（３）の放出縁部（１３）における中心点（４）が軸方向に見て、軸受装置の軸方向中心点から距離ｂにある位置を取り、その際にｂ≦ 2 ×ａである、
   軸受装置（１、１’）において、
   軸受キャリア（１９）がポンプケーシングに適合するようにされ、しかも上記インペラー（３）内に延び、上記軸受キャリア（１９）が、インペラー（３）に接続した第一端部とポンプの駆動モータに結合可能な第二端部とを持つ駆動軸（８）を受ける中央通し孔を備えたこと、
   を特徴とする軸受装置。
10. 軸受（１、１’）のそれじれの外側軸受軌道体（１２、１２’）が、インペラー（３、３’）内に配置され、また軸受（１、１’）のそれぞれの内側軸受軌道体（１４、１４’）が、ポンプケーシングに機械的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の軸受装置。

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