JP4275997B2

JP4275997B2 - 二重胴型ポンプ

Info

Publication number: JP4275997B2
Application number: JP2003162885A
Authority: JP
Inventors: 成吉川; 忠近藤; 哲司漁
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004360653A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば熱間鋼材のデスケーリング装置用の高圧ポンプ等として用いて好適な二重胴型ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鋼板の熱間圧延工程では加熱炉から抽出した熱間鋼材を粗圧延機群で圧延し、ついで仕上圧延機群で所定の寸法に圧延する。ところでこのような熱間圧延工程では熱間鋼材表面のスケールを除去するために、各粗圧延機の入・出側や仕上圧延機群の入側にデスケーリング装置を設置し、このデスケーリング装置の高圧ポンプで生成された高圧水を前記熱間鋼材表面に吹き掛けることで、スケールを除去するようにしていた。
【０００３】
図６は前記デスケーリング装置に用いられる高圧ポンプである二重胴型ポンプ２００を示す概略側断面図である。同図に示すように二重胴型ポンプ２００は、両端が軸受１００，１１０によって軸支され且つ複数の羽根車１３０を固定してなるシャフト１２０を、インナーケーシング１４０内に収納し、インナーケーシング１４０内に設けた複数の羽根車収納部１４１内に前記各羽根車１３０を配置することで複数のポンプ１５０を構成し、これら複数のポンプ１５０間をインナーケーシング１４０内で多段に接続し、一方インナーケーシング１４０の外周を吸込流路１６１と吐出流路１６３とを備えたアウターケーシング１６０で囲んで構成されている。なお吸込流路１６１は図の右端の一段目のポンプ１５０の吸込側に接続され、吐出流路１６３は図の左端から二つ目の最終段のポンプ１５０の吐出側に接続されている。また吐出流路１６３のインナーケーシング１４０側の端部には、インナーケーシング１４０の外周をリング状に囲む液溜め部１７０が設けられ、この液溜め部１７０に前記吐出流路１６３が接続されている。吸込流路１６１と吐出流路１６３の横断面は円形である。液溜め部１７０を設けたのは、インナーケーシング１４０から吐出された高圧吐出液は、ポンプ回転方向に向けて回転する流れとなっているので、これを緩和して前記吐出流路１６３からスムーズに高圧吐出液を吐出できるようにするためである。またシャフト１２０の一端（図の右端）側には図示しない流体継手を介して図示しない電動モータが接続される。
【０００４】
そして前記電動モータを駆動してシャフト１２０を回転駆動すれば、吸込流路１６１からインナーケーシング１４０内に液体（水）が吸い込まれ、複数段のポンプ１５０によって昇圧され、高圧となって図の左端から二つ目のポンプ１５０から液溜め部１７０を介して吐出流路１６３に吐出されていく。
【０００５】
しかしながら前記二重胴型ポンプにおいては、これを熱間鋼材のデスケーリング装置用の高圧ポンプとして用いた場合、アウターケーシング１６０の吐出流路１６３の液溜め部１７０に接続されている円形の開口部分１６３ａに、高圧液の応力集中によるひび割れＭを生じるという問題があった。
【０００６】
このようなひび割れＭを生じるのは以下の理由による。即ちデスケーリング装置は熱間鋼材表面のスケールを高圧水で吹き飛ばして除去するために設置されており、省エネルギーや高圧水の節約のため、熱間鋼材が圧延機を通過するときのみに高圧液を吐出するようにしている。このため前記二重胴型ポンプは、図示しない流体継手によってシャフト１２０の回転数を増減し、これによって吐出流路１６３から吐出される流体の圧力を、高圧の際は３０〜５０（ＭＰａ）程度、圧力を落した際は１（ＭＰａ）程度となるようにしていた。具体的には例えば１，２分間に一回程度高圧水を間欠的に噴射していた。そしてこのような圧力差の大きい高圧と低圧が繰り返されることで、元々その構造上水圧による応力集中が生じる前記吐出流路１６３の開口部分１６３ａに、ついには亀裂が生じてしまうのである。この問題は高圧時の吐出圧力が高く且つ高圧低圧の圧力差が大きいほど、また高圧と低圧の繰り返し頻度が激しいほど大きくなる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、たとえ吐出圧力が高くなっても、また高圧と低圧の繰り返しが行われても、アウターケーシングの吐出流路の開口部分にひび割れが生じない二重胴型ポンプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、前記ひび割れＭが生じる原因を追求し、その結果前記ひび割れＭが生じる位置に着目した。即ち図７はアウターケーシング１６０の吐出流路１６３を液溜め部１７０側から見た図であるが、同図に示すようにひび割れＭは、常に吐出流路１６３の液溜め部１７０に接続されている円形の開口部分１６３ａの内、ポンプ軸（シャフト１２０の回転軸）方向に向かう方向に生じていることを見出した。そしてこの位置にひび割れＭが生じる原因を究明したところ、以下のことが原因であるとわかった。
【０００９】
即ち図８に示すように、筒状の管２００の側壁に加わる応力は、ポンプ軸に対し、軸方向応力σｓよりも円周方向応力σｒの方が大きく、約二倍であることが知られている。このことから図７に示す円形の開口部分１６３ａに加わる応力は、円周方向に向かう応力の方が、ポンプ軸方向に向かう応力よりもかなり大きくなり、この円周方向に向かう応力によってひび割れＭはポンプ軸方向（シャフト１２０の回転軸方向）に向かって生じるのである。そこで本願発明者は、前記強い応力の加わる部分を応力に耐えられる形状に変更することで、この問題を解決した。
【００１０】
即ち本願請求項１に記載の発明は、複数の羽根車を取り付けたシャフトを内部に収納することで多段のポンプを構成するインナーケーシングと、前記インナーケーシングの外周を囲むように設置されるアウターケーシングとを具備し、前記インナーケーシングから吐出される高圧液をインナーケーシングとアウターケーシングの間に形成した液溜め部及びアウターケーシングに設けた前記液溜め部に接続される吐出流路を介して外部に吐出する構造の二重胴型ポンプにおいて、前記吐出流路の前記液溜め部に接続されている開口部分の形状を、ポンプ軸に対し、軸方向の内径よりも円周方向の内径が大きくなる形状に形成したことを特徴とする二重胴型ポンプである。
これによって前記開口部分のポンプ軸方向に向かって対向する両側辺の曲率半径を大きくでき、この両側辺部分に印加される円周方向応力が分散され、応力集中の程度を小さくできる。従ってこの開口部分周辺に強い円周方向応力が繰り返し印加されても、開口部分にひび割れは生じなくなる。
【００１１】
本願請求項２に記載の発明は、前記吐出流路の前記液溜め部に接続されている開口部分の形状は、楕円形状又は長円形状であることを特徴とする請求項１に記載の二重胴型ポンプである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施の形態にかかる二重胴型ポンプ１を示す概略側断面図であり、デスケーリング装置の高圧ポンプとして用いられるものである。この二重胴型ポンプ１は、両端が軸受１０，１５によって軸支され且つ複数（例えばこの図の場合は八個）の羽根車３０を固定してなるシャフト（主軸）２０を、円柱状に形成されたインナーケーシング４０内に収納し、インナーケーシング４０内に設けた複数（例えば八個）の羽根車収納部４１内に前記各羽根車３０を配置することで複数（例えば八組）のポンプ５０−１〜８を構成し、これら複数のポンプ５０−１〜８間をインナーケーシング４０内で多段に接続し、一方インナーケーシング４０の外周を吸込流路６１と吐出流路６３とを備えたアウターケーシング６０で囲み、さらにアウターケーシング６０の軸受１０側の面を、カバー７０で塞いで構成されている。なお吸込流路６１は仮想線で示しているが、この例では水平方向に設けられている。そして吸込流路６１には吸込管６２が接続され、吐出流路６３には吐出管６４が接続されている。
【００１３】
ここでシャフト２０に直列に固定される八個の羽根車３０は、シャフト２０にかかるスラスト荷重をバランスするため、左右四個ずつ逆向きに取り付けられている。またインナーケーシング４０の一段目のポンプ５０−１の吸込側にアウターケーシング６０の吸込流路６１を接続し、八段目のポンプ５０−８の吐出側にアウターケーシング６０の吐出流路６３を接続している。各ポンプ５０−１〜８はインナーケーシング４０の内部においてこの順番に直列に連結されている。
【００１４】
アウターケーシング６０の内部には、インナーケーシング４０の外周側面にほぼ密着してこれを収納する横断面円形のインナーケーシング収納部６５が設けられ、またインナーケーシング収納部６５の中央付近の前記八段目のポンプ５０−８の近傍には円周状の凹部からなる液溜め部６７が設けられ、前記吐出流路６３はこの液溜め部６７にその上方から接続している。
【００１５】
ここで図２はアウターケーシング６０の吐出流路６３を液溜め部６７側から見た図である。同図に示すように吐出流路６３の液溜め部６７に接続されている開口部分６３ａの形状は、その長径（長軸方向の内径）Ｌ１が円周方向、短径（短軸方向の内径）Ｌ２がポンプ軸（シャフト２０の中心軸）方向を向く楕円形状に形成されている。なお楕円形状に形成されているのは、前記開口部分６３ａだけであり、吐出流路６３を下流側（上方）に進むにつれて徐々に円形になり、吐出流路６３の開口部分６３ａから所定寸法（例えば５ｃｍ）下流側（上方）の部分では完全な円形になるように形成されている。但しもちろん吐出流路６３をその全長にわたって横断面楕円形状に形成しても良い。これによって吐出流路６３の開口部分６３ａにおけるポンプ軸方向に向かって対向する両側辺Ｓ１，Ｓ２の曲率半径が円周方向に向かって対向する両側辺Ｓ３，Ｓ４の曲率半径に比べて大きくなる。
【００１６】
次に図３はデスケーリング装置の高圧ポンプとして用いるために、前記二重胴型ポンプ１に駆動手段８０を連結した状態を示す図であり、図３（ａ）は全体概略側面図、図３（ｂ）は左側面図である。同図に示すように二重胴型ポンプ１のシャフト２０は、流体継手９０を介して駆動手段８０の駆動軸８１に連結されている。駆動手段８０としては電動モータを用いている。シャフト２０の回転数、即ちポンプ回転数を増減してポンプ吐出圧を変化させる場合は、流体継手９０内への作動油量を増減させる。
【００１７】
そして熱間鋼材表面のデスケーリングを行う場合は、駆動手段８０及び流体継手９０によってシャフト２０の回転数、即ちポンプ回転数を高速とし、これによって図１に示す吸込流路６１からインナーケーシング４０内に吸い込まれた液体（水）を、複数段（八段）のポンプ５０−１〜８によって順番に段階的に昇圧し、最終的に所定の高圧（例えば３０〜５０（ＭＰａ））となって中央のポンプ５０−８から液溜め部６７を介して吐出流路６３に吐出する。吐出流路６３から吐出された高圧水は、図示しない噴射ヘッダから熱間鋼材表面に向けて噴射され、熱間鋼材表面のスケールを高圧水で吹き飛ばし除去する。一方熱間鋼材のデスケーリングを行わない場合は、駆動手段８０及び流体継手９０によってシャフト２０の回転数、即ちポンプ回転数を減少し、その複数段のポンプ５０−１〜８によって順番に昇圧される最終的圧力を低圧（例えば１（ＭＰａ））とし、これによって省エネルギー化や水の省資源化を図る。
【００１８】
以上のように動作する二重胴型ポンプ１において、特に吐出流路６３の開口部分６３ａ近傍には最も高圧が印加され、且つ熱間鋼材が圧延機を通過する毎に間欠的に高圧と低圧とが繰り返され、その構造上特にこの開口部分６３ａ近傍に水圧による激しい応力集中の繰り返しが行われる。
【００１９】
特に図８を用いて説明した筒状の管２００の側壁に加わる応力は、軸方向応力σｓよりも円周方向応力σｒの方が大きく、約二倍であるが、この実施の形態においては、開口部分６３ａの形状を、図２に示すようにポンプ軸方向に向かって対向する両側辺Ｓ１，Ｓ２の曲率半径を円周方向に向かって対向する両側辺Ｓ３，Ｓ４の曲率半径に比べて大きく形成したので、主として円周方向応力σｒを支えるポンプ軸方向に向かって対向する両側辺Ｓ１，Ｓ２の曲率半径が大きくなり、この円周方向応力σｒが分散され、応力集中の程度を小さくできる。従って従来、吐出流路６３の開口部分６３ａの形状を円形としていた場合に比べて、応力集中が緩和され、このため従来応力集中の繰り返しによって開口部分のポンプ軸方向に向かって生じていたひび割れは、この実施の形態では生じなくなり、強い応力の繰り返しに耐えられるようになった。
【００２０】
さらに本願発明者は前記楕円形状とした開口部分６３ａ付近の３次元ソリッドによる立体要素の応力解析を行った。その計算結果によれば、やはり図４のＡ，Ａ部分、即ち吐出流路６３の開口部分６３ａのポンプ軸方向に向かって対向する部分の応力が最も大きくなったが、その応力の数値は最大でも１８．３（ｋｇ／ｍｍ²）となり、この数値は前記開口部分６３ａを円形に形成した場合の応力値に比べて低く、強度上、アウターケーシング６０に割れ等の不都合が生じないものであった。
【００２１】
上記実施の形態では吐出流路６３の開口部分６３ａの形状を、その長径Ｌ１が円周方向、短径Ｌ２がポンプ軸方向を向く楕円形状に形成したが、図５に示すように、吐出流路６３の開口部分６３ａの形状を、その長径Ｌ１が円周方向、短径Ｌ２が軸方向を向く長円形状に形成してもよい。このように形成しても主として円周方向応力σｒを支えるポンプ軸方向に向かって対向する両側辺Ｓ１，Ｓ２の曲率半径が大きくなり（ほぼ直線）、この円周方向応力σｒが分散され、応力集中の程度を小さくできる。従ってこの場合も応力集中が緩和され、このため従来応力集中の繰り返しによって開口部分のポンプ軸方向に向かって生じていたひび割れは生じなくなり、強い応力の繰り返しに耐えられるようになった。
【００２２】
なお吐出流路６３の開口部分６３ａの形状は、楕円・長円に限られず、前記円周方向応力の集中を緩和できる形状であれば良く、要はポンプ軸方向の内径よりも円周方向の内径が大きくなる形状であれば良い。または開口部分６３ａの形状は、ポンプ軸方向に向かって対向する両側辺の曲率半径が、円周方向に向かって対向する両側辺の曲率半径に比べて大きくなる形状であれば良い。
【００２３】
また上記実施の形態では二重胴型ポンプをデスケーリング装置に用いた場合を説明したが、例えばボイラ燃料供給ポンプや、その他各種高圧を使用する装置にも使用できる。
【００２４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、たとえ吐出圧力が高圧で、且つ圧力差の大きい高低圧が繰り返し印加されても、アウターケーシングの吐出流路の開口部分にひび割れを生じることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかる二重胴型ポンプ１を示す概略側断面図である。
【図２】アウターケーシング６０の吐出流路６３を液溜め部６７側から見た図である。
【図３】二重胴型ポンプ１に駆動手段８０を連結した状態を示す図であり、図３（ａ）は全体概略側面図、図３（ｂ）は左側面図である。
【図４】アウターケーシング６０の吐出流路６３近傍部分の断面斜視図である。
【図５】他の実施の形態にかかるアウターケーシング６０の吐出流路６３を液溜め部６７側から見た図である。
【図６】従来の二重胴型ポンプ２００を示す概略側断面図である。
【図７】アウターケーシング１６０の吐出流路１６３を液溜め部１７０側から見た図である。
【図８】管２００の側壁に加わる応力の説明図である。
【符号の説明】
１二重胴型ポンプ
１０，１５軸受
２０シャフト（主軸）
３０羽根車
４０インナーケーシング
４１羽根車収納部
５０−１〜８ポンプ
６０アウターケーシング
６１吸込流路
６２吸込管
６３吐出流路
６３ａ開口部分
６４吐出管
６５インナーケーシング収納部
６７液溜め部
７０カバー
Ｌ１長径
Ｌ２短径
８０駆動手段
８１駆動軸
９０流体継手

Claims

複数の羽根車を取り付けたシャフトを内部に収納することで多段のポンプを構成するインナーケーシングと、前記インナーケーシングの外周を囲むように設置されるアウターケーシングとを具備し、前記インナーケーシングから吐出される高圧液をインナーケーシングとアウターケーシングの間に形成した液溜め部及びアウターケーシングに設けた前記液溜め部に接続される吐出流路を介して外部に吐出する構造の二重胴型ポンプにおいて、
前記吐出流路の前記液溜め部に接続されている開口部分の形状を、ポンプ軸に対し、軸方向の内径よりも円周方向の内径が大きくなる形状に形成したことを特徴とする二重胴型ポンプ。
前記吐出流路の前記液溜め部に接続されている開口部分の形状は、楕円形状又は長円形状であることを特徴とする請求項１に記載の二重胴型ポンプ。