JP4455328B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本開示は、大型の縦向きポンプを支持するシステムおよび方法に関する。より詳細には、この開示は、ポンプを縦方向に支持すると共に、船舶の甲板のような動的環境での未使用期間中にポンプシャフトの軸受に対する応力を軽減するシステムおよび方法に関する。

容器間あるいは一つの容器から使用点へと流体を移送するために、往復式または遠心式の機械ポンプがしばしば使用される。産業用の遠心ポンプは、吸込口を有する縦方向に延びるコラムと、コラムの下端でシャフト周りに取り付けられた１段または多段のインペラとにより構成される。インペラは、シャフトにより駆動され、当該シャフトは、縦向きコラムの頂部に取り付けられた吐出ヘッドの頂部に搭載されている駆動モータに向けてコラムを通ってそれと同軸に上方に延出している。作業中、ポンプ吸込口は、ポンプの底部に位置させられ、汲み上げられる液体に浸漬されるか、あるいは、１つまたはそれ以上の供給ポンプからの加圧流体の供給を受ける。インペラの回転により、ポンプ吸込口へと汲み入れられた液体は、他の容器、管または使用点と流体連通する出口管へと送り出される。

特定の用途に応じて、これらの形式のポンプは、一般におよそ１５〜２０フィート（およそ４．５〜６ｍ）またはそれ以上のコラム長と、最高でおよそ３フィート（およそ１ｍ）またはそれ以上まで達するコラム径とを有するかなりのサイズのものとなるであろう。それゆえに、ポンプは、いくつかの主要な部品により構成されるが、それぞれの部品が数百ポンドの重量となるであろうから、ポンプの全重量は、およそ１００００〜１５０００ポンド（およそ、４５００〜６８００ｋｇ）またはそれを超えるであろう。

上述のように、このようなポンプは、一般に固定されたベースに据え付けられ、その結果、ポンプが作動している間、支持ベースの移動は殆どあるいは全くなくなる。しかしながら、ときとして、（作動中およびポンプの非作動期間中の双方に）動きやすいベースに据え付けられる。例えば、ポンプが、横方向に傾いたり、波の頂部を超えて激しく下降したりする船舶の甲板に据え付けられる場合である。そのような動きは、ポンプとその構成部品に大きな加速度を与え、場合によっては、重力の通常の力に付加されるとおよそ１．８Ｇに達する加速度（G-force）を有するであろう。これらの力は、軸受の寿命を著しく減じる軸受のブリネリングを引き起こす。

更に、ポンプは、現状、ポンプの使用期間と未使用期間との何れにおいても、横方向の動きやポンプ支持体の傾きに耐えるように十分に支持されていない。

従来技術のこれらまたは他の問題や不備は、ポンプの未使用期間中にポンプシャフトに対して上向きの力が及ぼされ、それにより、通常シャフトを支持している軸受の負担を軽減するポンプシャフト支持構造および方法を提供することにより克服される。他の形態において、その上端でそれに対して固定されたキャップを有する縦向き圧力ポットは、ポンプハウジングをそれから吊り下げており、圧力ポットの下端に固定された横方向支持体は、ポンプハウジングの延長部と相互に干渉して圧力ポット内でポンプハウジングが横方向に揺れることを防止する。

上述の特徴および他の特徴は、以下の図面および詳細な説明により例示される。

これらおよび他の特徴は、以下の図面を参照しながら説明されるであろう。

図１を参照するに、ポンプ１００は、主として支持リング１１２および支持アーム１１４により支持される吸込ポット１１０を含む。吸込ポット１１０の頂部には、キャップ１１６が取り付けられており、キャップ１１６からは、ポンプハウジング１１８が吊り下げられている。ポンプハウジング１１８の内部には、ポンプシャフト１２０が回転自在に取り付けられており、ポンプシャフト１２０は、公知の手法で求心力により流体を汲み上げる少なくとも１組の羽根１２２を保持している。流体は、供給ポンプ（不図示）からの圧力のもとで吸込口１２４を介して吸込ポット１１０に入る。流体は、吸込ポット１１０の底部１２８の周辺で入口１２６を介してポンプハウジング１１８に入り、その後、それぞれの組の羽根が段を構成する１つまたはそれ以上の組の羽根１２２を通過する。ポンプチャンバの頂部には、流体を排出口（不図示）へと通過させる排出管１３０がある。このように、流体は、吸込ポット１１０の底部１２８から入り、排出管１３０を介して吸込ポット１１０の上部で排出される。シャフト１２０は、電気モータ１３２によって駆動され、作動中に羽根１２２の組の動作を促進させる。吸込ポット１１０には、軸受の故障や他の不具合を示すであろう異常な振動を検出するために、振動センサ１３４が連結される。

特定の用途において、ポンプ１００は、シャフト支持軸受１３６（３組示されている）に過度の応力を与える可能性をもった比較的大きな加速度を受けることになるであろう。シャフト支持軸受１３６に対する応力を軽減するために、ポンプ１００の未使用期間中には、シャフト支持システム１５０が用いられる。

図２および図３は、それぞれ、ポンプ作動中とポンプが使用されない時とにおける一実施形態のシャフト支持システム１５０を示している。シャフト支持システム１５０において、シャフト１２０は、（図１に示されるように吸込ポット１１０のキャップ１１６における）開口１３８を通って上方に延出していることに留意されたい。シャフト１２０のねじが切られた上端部１５２は、少なくとも１つまたはそれ以上のナット１５８により、ねじが切られた上端部１５２の肩部１５６に対して固定されたワッシャ１５４を含む。シャフト１２０の周りには、エンドプレート１６２および１６４の間に延びる円筒形状の開口１６０（概ね矢印１６０により示される）が構成されている。エンドプレート１６２，１６４のそれぞれは、ポンプシャフト１２０がその中心を通って延在する開口を含む。シャフト１２０と円筒形状の開口１６０の内部との間には、環状ピストン１６６が配置されている。環状ピストン１６６は、エンドプレート１６４に形成された開口を通って上方に延出する第１ステム１６８と、エンドプレート１６２に形成された開口を通って下方に延出する第２ステム１７０とを含む。環状ピストン１６６は、好ましくは、シリンダ１６０の内壁およびエンドプレート１６２，１６４に形成された開口の内壁に対してシールされる。エンドプレート１６２は、更に吸込ポット１１０のキャップ１１６（図１）に対してシールされ、エンドプレート１６４は、更にポンプシャフト１２０のねじが切られた上端部１５２を覆うキャップ１７２に対してシールされる。

エンドプレート１６２は、更に、環状ピストン１６６とエンドプレート１６４との間に形成された圧力空間１７６と流体連通する入口１７４を含む。加えて、エンドプレート１６２は、ピストン１６６とエンドプレート１６２との間に形成された圧力空間１８０と流体連通する入口１７８を含む。圧力空間１８０には、環状ピストン１６６をエンドプレート１６２に向けて付勢するための圧縮ばね１８２が配置されている。

図３に示されるように、ポンプ１００の未使用期間中には、加圧された流体、例えば窒素が入口１７４に供給され、圧力空間１７６内の流体圧力が増加させられる。出口１７８は、大気圧のような低圧源に接続されている。圧力空間１７６および１８０の圧力差が圧縮ばね１８２により及ぼされる力に打ち勝つと、環状ピストン１６６が上方に移動し、第１ステム１６８のリム１８４を移動させてワッシャ１５４に当接させる。圧力空間１７６内の圧力は、制御システム２０４を用いて所定の圧力量に調整されるとよく、それにより、ワッシャ１５４に対して所定量の力を加えることができる。こうして十分な力がワッシャ１５４に対して及ぼされ、シャフト１２０およびそれに保持された羽根１２２の重量からの軸受１３６（図１参照）の負担を軽減し、それにより、例えば支持システム１５０の移動によりもたらされるであろう過加重に起因するブリネリングから軸受１３６を保護することができる。

制御システム２０４は、図示されるように、圧力レギュレータ２０８と流体連通するガス源２０６と、電磁弁のような作動可能バルブ２１０とを概ね含む。バルブを駆動すると共に圧力を制御するために回路手段が設けられる。このように、制御システム２０４は、ポンプ１００の使用中および未使用中にシャフト支持システム１５０を入り切りするのに使用され得る。

好ましくは、任意の通気孔２１２が図示されるように第２ステム１７０とエンドプレート１６２の壁部との間に画成される空間と流体連通するように配置される。この通気孔は、流体がシャフト支持システム１５０の駆動ガス２０６と混合させられることを防止する。駆動ガスと汲み上げられる流体との混合は、シールの故障が発生した場合であっても防止される。

図２に示されるシャフト支持システム１５０の利点には、ポンプ１００が停止された際に、シャフト１２０の支持を自動的に作動かつ入れることができることがある。また、シャフト１２０の支持は、ポンプ１００が始動または作動される際に要求に応じて切られ得る。シャフト１２０の支持が入れられている際にポンプ１００の作動を防止するために、好ましくは、圧力空間１７６と作動的に連通する圧力スイッチを備えたインターロック機構が用いられるとよく、それにより、支持システム１５０およびポンプ１００の様々な構成部品の損傷を防止することができる。更に、圧縮空間１７６において空気圧を用いることにより、環状ピストン１６６がシャフト１２０やポンプハウジング１１８に使用される材料に起因する熱変動を自動的に補償する。例えば、シャフト１２０は、好ましくはステンレススチールからつくり出される。これに対して、ポンプハウジング１１８は、好ましくはアルミニウムからつくり出される。ポンプ１００が極低温の流体を汲み上げるの使用される際には、ステンレススチール製のシャフト１２０とアルミニウム製のポンプハウジング１１８とは、それらの熱膨張係数が異なることに起因して異なる反応を示すであろう。支持システム１５０は、未使用期間中にポンプシャフト１２０のねじが切られた上端部１５２に対するリフト力を比較的一定に有利に維持する。例えば、液体水素、液体窒素、液化天然ガス、あるいは絶対温度で０度から１２５度の温度を有する極低温流体等のような極低温流体を汲み上げた後、ポンプの構成部品は、著しく冷却されるであろう。ここで説明されるシャフト支持システム１５０は、望まれれば、これらの温度においても入れることができ、未使用期間中にポンプが暖機した後に入れたままにしておくこともできる。

図４は、図２および図３の実施形態よりもシンプルな設計を提供するシャフト支持システム１５０の第２の実施形態を示す。この実施形態において、シャフト支持システム１５０は、手動で作動される。シャフト１２０は、吸込ポット１１０のキャップ１１６の穴開口１３８を通って上方に延出する。支持体１８６は、ポンプシャフト１２０のねじが切られた上端部１５２が通過する開口を含むプラットホーム１８８を支持する。ポンプ１００の未使用期間中には、シャフト１２０の上端部にナット１５８が予め定められたトルクまでねじ込まれ、それにより、ポンプ１００のための支持構造の移動中に発生させられる過剰な応力から軸受１３６の負担を軽減することができる。ポンプが使用される際には、ナット１５８は完全に取り外され、シャフト１２０の上端部を覆うようにキャップ１７２が設置される。

再度図１を参照し、吸込ポット１１０の主要な支持体は、支持リング１１２および支持アーム１１４によるものであることに留意されたい。ポンプハウジング１１８は、吸込ポット１１０のキャップ１１６から完全に吊り下げられている。それゆえに、船舶あるいはポンプ１００が配置される他の構造体の傾きといったような横方向の力を受けるようになると、誘発されたその横方向の動きに起因して吸込ポット１１０およびポンプハウジング１１８に対して極めて大きな応力が発生する。そのような横方向の動きを減じるか、あるいは除くために、吸込ポット１１０の下端に横方向支持体１９０が設けられている。図５においてより明瞭に示されるように、ポンプ１００の横方向支持体１９０は、吸込ポット１１０の底部１２８を通って延出しそこに溶接されたホルダ１９２を備える。ホルダ１９２は、支柱１９６が従属する凹部１９４を含む。支柱１９６は、羽根１２２から離れて配置されたポンプの下端に固定して連結されている。支柱１９６（図１）および凹部１９４は、互いに協働してそれらの間の相対的な横方向の動きを防止する。ホルダ１９２の下端には、好ましくは、カップ１９８へと延びる熱ブロック２００が配置される。カップ１９８は、ポンプ１００を収容するチャンバ（不図示）の底部または他の利用可能な支持面を備えるであろうポンプ１００の外部の剛体支持面２０２に固定される。かくして、カップ１９８と熱ブロック２００とは、互いに協働して吸込ポット１１０の横方向の動きを防止する。

かかる構成は、液化された水素、窒素、天然ガス、あるいは絶対温度で０度から１２５度の範囲にある低温液体等のような極低温流体を汲み上げる上で特に有利である。先に論じたように、シャフト１２０および吸込ポット１１０は、好ましくはステンレススチール（例えば３１６ステンレススチール）により形成される一方、ポンプハウジング１１８は、好ましくはアルミニウムにより形成される。アルミニウムは、ステンレススチールよりも一層大きな熱膨張係数を有するので、ポンプハウジング１１８の下端が吸込ポット１１０の底部１２８に対して移動することが予想される。更に、温度が変化するにつれて、吸込ポット１１０の底部１２８が面２０２に対して移動することが予想される。凹部１９４およびカップ１９８は、好ましくは、支柱１９６、ホルダ１９２およびカップ１９８の相対的な移動を許容して、熱膨張を可能とし、しかも同時に実質的な横方向の移動を防止するのに十分な深さを有する。熱ブロック２００は、好ましくは、熱が面２０２およびカップ１９８からホルダ１９２により吸込ポット１１０内に伝えられることを防止する断熱特性を有する高強度構造材料により形成される。ポンプ１００が極低温流体に対する使用を意図されていないのであれば、熱ブロック２００は、必要とされないか、あるいは、流体の熱特性に依存する単一要素としてホルダ１９２に組み込まれるであろう。

好適な実施形態を参照しながら本開示が説明されたが、当業者によって様々な変更がなされ得ると共に、本開示の範囲から離れることなく、それらの要素を均等物で置換され得ることは理解されよう。ここで用いられる第１および第２という用語は、重要性や位置の順序を示すことを意図したものではなく、単に一つの要素とそれに類する他の要素とを区別することを意図したものである。更に、本開示の範囲から離れることなく、特定の状況や材料を本開示の教示に適合させるために、多くの改良がなされるであろう。従って、本開示は、それを実施するために考えられた最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されると意図されているのではなく、本開示は特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を含むものとして意図されているのである。

ポンプの横断面図である。 入り位置にある一実施形態によるポンプシャフトロック機構の詳細を示す図面である。 切り位置にある図２のポンプシャフトロック機構を示す図面である。 第２の実施形態によるポンプシャフトロック機構の詳細を示す図面である。 横方向支持体の部分的な分解図である。

Claims (3)

1. 縦に向けられるポンプハウジングと、
   前記ポンプハウジングを内部に収容する吸込ポットと、
   前記吸込ポットの頂部に取り付けられ、前記ポンプハウジングが下方に吊り下げられるキャップと、
   前記ポンプハウジングの内部を通って縦方向に延びるとともに前記キャップの開口部を通って上方に延出する上端部を有するシャフトであって、前記ポンプハウジングおよび前記キャップに取り付けられた軸受によって回転自在に支持されるシャフトと、
   前記シャフトの前記上端部に固定されるワッシャと、
   前記シャフトの周りかつ前記ワッシャと前記キャップの間に配置され、内部空間を有するエンドプレートと、
   前記エンドプレートの内部空間に前記シャフトの前記上端部と同軸に配置され、前記内部空間を上部圧力空間と下部圧力空間とに画成するピストンであって、前記エンドプレートに形成された開口を通って前記ワッシャの方向に延出するステムを有するピストンと、
   前記エンドプレートの下部圧力空間と流体連通するガス源と、前記ガス源と前記エンドプレートとの間にある作動可能バルブと、を含む制御システムと、を備え、
   当該ポンプの未使用期間中に、前記制御システムを用いて、前記下部圧力空間内での圧力増加および前記上部圧力空間内での圧力減少により前記ピストンを上方に動かして前記ステムの上端を前記ワッシャに当接させることを特徴とするポンプ。
2. 前記ピストンは、前記エンドプレートに形成された第２開口を通って前記キャップの方向に延出する第２ステムをさらに有し、
   前記第２ステムと前記エンドプレートとの間に画成される空間と流体連通する通気孔をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 縦に向けられるポンプハウジングと、
   前記ポンプハウジングを内部に収容する吸込ポットと、
   前記吸込ポットの頂部に取り付けられ、前記ポンプハウジングが下方に吊り下げられるキャップと、
   前記ポンプハウジングの内部を通って縦方向に延びるとともに前記キャップの開口部を通って上方に延出する上端部を有するシャフトであって、前記ポンプハウジングおよび前記キャップに取り付けられた軸受によって回転自在に支持されるシャフトと、
   前記シャフトに接続される移動可能なシャフト支持体と、を備え、
   前記シャフトの前記上端部にはねじが切られており、
   前記シャフト支持体はプラットホームを含み、このプラットホームは、前記シャフトの前記上端部が通過する開口と、当該ポンプの未使用期間中に前記シャフトの前記上端部および前記プラットホームに対して締め付けられることにより、前記シャフトの前記上端部に上向きの力を与えるナットと、を有することを特徴とするポンプ。

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