JP4479495B2

JP4479495B2 - 液化ガス用ポンプ装置

Info

Publication number: JP4479495B2
Application number: JP2004362656A
Authority: JP
Inventors: 和雄天野; 泰司橋本; 貴樹福地
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-12-15
Also published as: JP2006170046A

Description

本発明は、液化ガス用ポンプ装置に関するものである。

一般に、液化ガス用ポンプ装置は、常温よりも温度が低い環境下、例えば、液化天然ガスに用いた場合には−１６４℃という極低温環境中にて使用される。そのため、液化ガス用ポンプ装置を構成する各部品は、極低温環境中においても極端な靭性低下を生じない材料であるオーステナイト系ステンレス鋼，アルミニウム合金，銅系合金が主として用いられる。液化ガス用ポンプ装置の従来構造における代表的な構造を図６に示す。

（軸）
軸については、起動・停止時の過渡トルクや運転トルクが衝撃的に負荷されること、また、モータの電気的な制約事項から、図６に示されるように（特許文献１の図１に示されるものも同じ）、モータロータ５０を設置するモータ軸５１と、流体を吸い込んで目的とする圧力まで昇圧する役目をする羽根車５２を設置するポンプ軸５３とを別々に設けて二重軸構造とし、モータ軸５１は磁性材料で高強度を有する析出硬化系ステンレス鋼で製作、ポンプ軸５３は低温でも高い靭性値を有する非磁性のオーステナイト系ステンレス鋼で製作するのが一般的な構造である。

（軸受部品）
従来構造の液化ガス用ポンプ装置においてモータ軸５１に静圧すべり軸受５４を有する場合、静圧すべり軸受５４には、特許文献２に示されるように、摺動性を重視した潤滑材が含有された特殊カーボン材が用いられている。また、この静圧すべり軸受５４と取り合う軸側には、摺動性と耐摩耗性を確保する目的で、ＳＵＳ３０４鋼にメテコ溶射したスリーブ５５を組み合わせた構造を採用している。

（ベアリングハウジング，バランスディスク等の摺動部品）
液化ガス保管タンクのコラムパイプの最下部に設置されるインタンク式の液化ガス用ポンプ装置においては、ポンプ起動後にスラストバランス機能が作用するまでの間が数分間と長く、その間、摺動部品であるベアリングハウジング５６は、モータ下部に設けたボールベアリング５７を通じて大きなスラスト荷重を受けることになる。また同様に、ポンプ起動後の数分間は、特許文献３の図７に液化ガスタンク用潜没ポンプの起動直後のシステムヘッドカーブで示すように、静圧すべり軸受５４が機能するために必要な吐出圧力が得られない状態であるため、この起動時の数分間は、ロータ系の不安定現象で生じるラジアル荷重を衝撃荷重的に受けることから、強度，耐磨耗性、並びに低温靭性に優れる材質が必須であるとの考えから、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。また、摺動部品であるバランスディスク５８の材質も強度，耐磨耗性、並びに低温靭性に優れる材質との観点から、オーステナイト系ステンレス鋼が用いられている。

特開２０００−２７７９３号公報特開平１１−２５７２８５公報特許第３１８９６８３号

近年、液化ガス用ポンプ装置においては、ポット式昇圧ポンプを廃止し、インタンク式ポンプのみでタンクからの払い出しと昇圧を行う高揚程化，大容量化のポンプを採用し、基地建設費用の低減を図る要求が顕著になってきている。また、海外においては、液化ガスの受け入れ基地と、ガスを消費する都市部との距離が離れている等の理由から、昇圧用のポット式ポンプの高揚程化が顕著である。このような高揚程化，大容量化に伴って、従来構造に比べてモータ出力の増大（モータの大型化），羽根車の大径化，羽根車段数の増加が必須となっている。また、過酷な製品競争に勝ち残るためには、コスト面においても更なる低下を図り、他社に勝る高信頼性，高効率化を図り、地球環境に優しい製品が必要不可欠となっている。このような現状下においては、上述したような従来構造に対しては、下記の解決すべき課題がある。

モータ軸５１を中空構造とし、モータ軸５１にモータロータ５０を焼き嵌めして、キー５９Ｂにて回転方向を固定する。その後、ポンプ軸５３に貫通させてキー５９Ａにて回転方向を固定し、軸方向はポンプ軸５３の上端に設けたネジ部により軸ナット６０で固定する構造となる。この場合、モータ軸５１を中空構造で製作するため、中実材料から中空に加工するための膨大な費用が掛かる上、モータ軸５１とポンプ軸５３、並びにスリーブ５５との嵌め合い部分には微小な隙間を有する構造となるため、長期間の使用においては、多少の差はあるもののどうしてもフレッティング現象が生じてしまう。また、モータ軸５１とポンプ軸５３が一体でないため、モータ軸５１の外径寸法の割には、軸の剛性が低くなり、ロータ系全体としての固有振動数が低い傾向にある。今後、液化ガス用ポンプ装置の更なる高揚程化，大容量化が促進され、モータ出力の大きなポンプ（モータロータ５０の質量が重くなる）を製作する場合においては、ロータ系の固有振動数を回転速度よりも高くするオーバークリティカルな設計が非常に困難となる。また、図５に示すように、液化ガス用ポンプ装置の運転中におけるモータの磁束の流れは、非磁性体であるオーステナイト系ステンレス製のポンプ軸５３部分を避けて、磁性材である中空モータ軸５１部分を
流れるため、磁束に乱れを生じてモータ特性にとっては、特に力率が低下する要因になっている。

液化ガス用ポンプ装置の固定側部品（例えば、ステージケーシング６１やステージ６２）は、液化ガス用ポンプ装置全体としての質量低減を目的に、アルミニウム合金で製作されることが多い。この場合、ポンプ軸５３の材料として、一般的に用いる析出硬化系ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０鋼を用いた場合、ＳＵＳ６３０鋼の線膨張係数（約９×１０^−６／℃）と、液化ガス用ポンプ装置の固定側部品（例えば、ステージケーシング６１やステージ６２）の材質であるアルミニウム合金の線膨張係数（１８×１０^−６／℃）が約２倍と大幅に異なる。そのため、図２に示すように、常温でポンプ軸５３に羽根車５２等を組み立てた時のロータ側と固定側との相対位置関係と、実際の使用環境中（例えば、液化天然ガス環境中では−１６４℃）におけるロータ側と固定側との相対位置関係とが、線膨張係数の相違によって異なってくる。

この現象は、当然ポンプの羽根車５２の段数が多くなり、ポンプ軸５３の長さが長くなるにつれて顕著に生じ、その相対位置の変化量が大きくなってしまうと、羽根車５２とステージ６２の最適位置からのずれ量が大きくなるため、ポンプの性能に大きく影響し、性能の低下を招くことになる。したがって、羽根車（インペラ）５２の段数が多く、ポンプ軸５３が長くなる場合には、図３に示すように、ポンプ軸５３と固定側部品（例えば、ステージケーシング６１やステージ６２）の材質との線膨張係数の差から、実際に使用される極低温環境中（例えば、液化天然ガス環境中では−１６４℃）でのロータ側である羽根車５２と固定側であるステージ６２の相対位置関係が最適状態となるように考慮した羽根車５２の位置決めが必要となる。

（軸受部品）
静圧すべり軸受５４と取り合うポンプ軸５３側に用いる、ＳＵＳ３０４鋼にメテコ溶射したスリーブ５５は、摺動性と耐磨耗性には優れた特性を有しているが、溶射に係わるコストが非常に高価である欠点を有している。ポンプの更なる高揚程化，大容量化に伴い、このスリーブ５５のサイズも大きくなるため、現状技術の延長では、更なるコストアップが問題となる。

（ベアリングハウジング，バランスディスク等の摺動部品）
液化ガス用ポンプ装置の起動瞬時は、前述したように、スラストバランス機能，静圧すべり軸受機能が完全に作用しないため、使用している羽根車のモデルによっても多少の違いは生じるものの、ロータが羽根車５２に作用する流体力によって上方に瞬時に移動し、ベアリングハウジング５６の下面と、バランスディスク５８の上面が、図６のＢで示す位置にて接触摺動する場合がある。この摺動現象は、安定した通常運転状態では生じないが、更なるポンプの高揚程化，大容量化に伴い、起動瞬時にロータが羽根車５２に作用する流体力によって上方に瞬時に移動する力も大きくなるため、現状構造で採用しているベアリングハウジング５６とバランスディスク５８がオーステナイト系ステンレス鋼同士では、上述した起動瞬時の摺動によって、異常磨耗が促進されることが懸念される。

従来技術においても、ある程度までの液化ガス用ポンプ装置仕様においては問題なく対応することが可能であるが、２重軸構造によるロータ剛性の確保、フレッティング現象の防止、羽根車の位置決め精度向上、ベアリングハウジングとバランスディスク部の摺動磨耗問題など、問題を解決できる範囲には限界がある。このため、従来技術においては、更なる液化ガス用ポンプ装置の高揚程化，大容量化に伴うロータ系の剛性低下、フレッティング現象、羽根車の位置決め精度向上、ベアリングハウジングとバランスディスク部の摺動磨耗問題などを防止、または、現状程度に維持して液化ガス用ポンプ装置の信頼性を確保するのは非常に困難であり、改善の余地が残されていた。

本発明の目的は、更なる液化ガス用ポンプ装置の高揚程化，大容量化に伴ったポンプ構造の簡素化，高信頼性，高効率化を実現させた、地球環境に優しい液化ガス用ポンプ装置、より具体的には常温組み立て時におけるロータ側とステータ側の相対位置関係と液化天然ガス環境中におけるロータ側とステータ側の相対位置関係の位置変化の少ない液化ガス用ポンプ装置を提供することにある。

本発明は、液化ガスタンク内に垂下された揚液管内に挿入、または地上に設置された地上ポット内に挿入され、液化ガスを吸い込み、吐出する液化ガス用ポンプ装置において、ポンプ軸とモータ軸とを一体部品一軸構造の回転軸となし、該回転軸を、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成し、該回転軸をモータロータに他の材料を介在させることなく直接的に固着する構造を有することを特徴とする液化ガス用ポンプ装置を提供する。

前記ポンプ軸あるいはモータ軸に用いられる軸受部品、あるいは摺動部品を、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成することを特徴とする液化ガス用ポンプ装置を提供する。

以上説明したように、ポンプ軸とモータ軸とを別部品としない一体構造として、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成することでロータ系の高剛性化、フレッティング現象の防止、羽根車の位置決め精度向上が図れ、ポンプの信頼性が向上する。また、モータ特性が向上することにより、より性能のよい液化ガス用ポンプ装置が実現でき、ポンプ効率の向上とあいまって、地球環境に優しい液化ガス用ポンプ装置、すなわち常温組み立て時におけるロータ側とステータ側の相対位置関係と液化天然ガス環境中におけるロータ側とステータ側の相対的位置関係の位置変化の少ない液化ガス用ポンプ装置が実現できる。

本実施例である液化ガス用ポンプ装置は、ステージケーシングおよびステージを含む固定側部品がアルミニウム合金で作られ、該固定側部品に可動側部品である羽根車および羽根車が固定される回転軸が組み込まれ、液化ガスタンク内に垂下された揚液管内に挿入、または地上に設置された地上ポット内に挿入され、液化ガスを吸い込み、吐出する液化ガス用ポンプ装置において、ポンプ軸とモータ軸とを一体部品一軸構造の回転軸となし、該回転軸を、珪素が３％から５％含有され、線膨張係数が１３×１０^−６／℃から１８×１０^−６／℃の析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成し、該回転軸をモータロータに他の材料を介在させることなく直接的に固着した構造を有して構成されることを特徴とする液化ガス用ポンプ装置である。

また、前記回転軸は、該回転軸を前記モータロータに固着させる部分を含む固着部分が前記回転軸の他の部分に比べて外径が大きく形成される。

本発明に係る液化ガス用ポンプ装置の裁量の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の液化ガス用ポンプ装置の実施例を示す断面図である。
本実施例の液化ガス用ポンプ装置１００は、液化ガスタンクあるいは地上に設置された地上ポット内に垂下される揚液管３１の底部３２に着座させて設置したポンプ部３３およびモータケーシング部３４を備える。

揚管液３１の底部は吸込口３５につながっており、吸込口３５から吸込弁３６を介して液化ガスはポンプ部３３に入る。

ポンプ３３は、上方位置に設けた回転駆動部４１と下方位置に設けた羽根車（インペラ）部４２と、回転軸としてのポンプ軸２からなる。ポンプ軸とモータ軸とは一体部品一軸構造の回転軸としてあり、ここではポンプ軸２として表わす。従って図には回転軸はポンプ軸２として表示してある。回転駆動部４１は、ポンプ軸２にキー３で固定したモータロータ１と、モータロータ１に対向するステータ１Ａとからなる。このように、モータロータ１とステータ１Ａとはモータを形成し、モータロータ１を回転させることでポンプ軸２を回転する。羽根車部４２は、液化ガス吸込側からポンプ軸２の上方にかけて、ポンプ軸２に取り付けた複数の羽根車（インペラ）４、及び固定側に取り付けたステージ６およびステージケーシング５からなる。このように、固定側部品はステージケーシング５およびステージ６を含んだ部品である。

ベアリングハウジング８に設けた静圧すべり軸受１１Ａ，１１Ｂ（１１）に対向してポンプ軸２にスリーブ７Ａ，７Ｂ（７）が設けられている。また、ベアリングハウジング内にボールベアリング４３が収納してある。また、ベアリングハウジング８の下部の空間内にバランスディスク９が配設してある。ベアリングハウジング下部とバランスディスク上部の対向面は摺動部１０となる。

図１において、ポンプ軸２は、上述のように一体軸構造とし、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で製作されている。モータロータ１は、ポンプ軸２に焼き嵌め（冷し嵌めを含む。）にて取り付け、軸方向の移動を拘束している。また、回転方向に対しては、大きなトルクを伝達する必要があるため、キー３によって回転防止を図っている。この場合に、ポンプ軸２である回転軸は、回転軸をモータロータ１に固着させる部分２Ａが回転軸の他の部分の径に比べて外径が大きく形成してある。これによって固定性を向上させている。

ポンプ軸２には、流体を吸い込んで目的とする圧力まで昇圧する役目をする羽根車４が多段数設けられている。液化ガス用ポンプ装置１００の本体は、質量低減を目的に、アルミニウム合金で製作されている。すなわち、固定側部品であるステージケーシング５およびステージ６はアルミニウム合金を材料として作られる。アルミニウム合金の線膨張係数は１８×１０^−６／℃程度である。一方、本実施例にて用いたポンプ軸材料の線膨張係数は、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で作っており、熱処理条件によって異なるものの、２０℃から−１９６℃における平均値で１３×１０^−６／℃から１８×１０^−６／℃程度であり、従来のポンプ軸材料であるＳＵＳ６３０鋼の線膨張係数である９×１０^−６／℃に比べて約１．５倍程度上昇し、熱処理条件によっては、固定側部品の材質であるアルミニウム合金の線膨張係数と同等であるデータが得られる。珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼の強度と靭性に関しても、液化窒素ガス環境中での試験結果によれば、ＳＵＳ６３０鋼を上回る、優れた特性が確認されている。

また、図５に示すように、液化ガス用ポンプ装置１００の運転中におけるモータの磁束の流れは、磁性体である高珪素ステンレス製のポンプ軸２を流れるための磁束が乱れずスムーズな流れが形成され、力率・特性のよいモータが構成される。

上述のように、固定側部品の材質であるアルミニウム合金の線膨張係数と、ポンプ軸２に用いる珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼の線膨張係数に大きな違いが無いことは、更なる液化ガス用ポンプ装置の高揚程化，大容量化が促進された場合においても、従来のように、ポンプ軸２と固定側部品（例えば、ステージケーシング５やステージ６）の材質との線膨張係数の差から、実際に使用される極低温環境中（例えば、液化天然ガス環境中では−１６４℃）でのロータ側である羽根車４と固定側であるステージ６の相対位置関係が最適状態となるように考慮した羽根車４の詳細な位置決めが不要となり、設計検討の簡素化、並びに羽根車４の位置決め精度の向上が図れる。また、磁性材料による一体軸構造のため、図５に示すように、液化ガス用ポンプ装置の運転中におけるモータの磁束流れは、磁性材料である中実ポンプ軸２部分の全断面を規則正しく流れるため、従来の二重軸構造のような磁束の乱れが生じず、モータ特性も改善され、ポンプ特性の向上が図れる。

図１において、７Ａ，７Ｂ（７）は、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で製作されたスリーブである。珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼は、液化窒素ガス環境中の−１９２℃において、従来構造であるメテコ溶射の摺動特性と耐磨耗特性よりも優れる結果が得られており、従来構造のように、ＳＵＳ３０４鋼にメテコ溶射した構造は必要なくなる。したがって、丸棒からの削り出し、または、リング鍛造などの手法により簡易に製作することが可能であり、溶射に係わるコスト削減が可能となり、ポンプの更なる高揚程化，大容量化に安価な構造で対応できる。

図１において、８は、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で製作されたベアリングハウジングである。珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼の強度と靭性に関しては、軸の改善効果でも示したが、液化窒素ガス環境中での試験結果によれば、ＳＵＳ６３０鋼を上回る、優れた特性が確認されている。また、摺動特性と耐磨耗特性についても、ＳＵＳ３０４鋼よりも優れる結果が得られている。

したがって、ベアリングハウジングを珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で製作することにより、従来のＳＵＳ３０４に比べて摺動特性と耐磨耗特性が向上するため、従来、液化ガス用ポンプ装置の起動瞬時に生じるベアリングハウジング８の下面と、バランスディスク９の上面が、図１のＣで示す位置にて接触摺動した場合においても、オーステナイト系ステンレス鋼同士の摺動磨耗に比べて、その磨耗量は少なく、ポンプの信頼性も向上する。また、ＳＵＳ３０４鋼に比べて強度特性にも優れることから、ベアリングハウジングの薄肉化が可能となり、ポンプ質量の軽量化にも寄与できる。

本実施例によれば、モータ軸とポンプ軸の区別がなく一体構造の回転軸としているので、上述した二重軸構造の場合のように、材料を二種類準備する必要が無く、モータ軸の中空加工も必要ないため加工性は格段に向上してコスト低減に効果がある。また、モータ軸とポンプ軸との嵌め合い部分がないため、軸間の隙間によってフレッティングが生じる心配もない。更に、液化ガス用ポンプ装置の運転中におけるモータの磁束流れは、磁性材料である中実ポンプ軸部分の全断面を規則正しく流れるため、二重軸構造のような磁束の乱れが生じず、モータ特性にとっては、特に力率が向上する要因になる。

また、ポンプ軸２である回転軸を珪素が３％から５％含有され、線膨張係数が１３×１０^−６／℃から１８×１０^−６／℃の析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成されているので固定側部品をアルミニウム合金を材料として製作した場合にアルミニウム合金の線膨張係数１８×１０^−６／℃〜２０×１０^−６／℃にほぼ同等になる。これによって、常温組み立て時におけるロータ側とステータ側の相対位置関係と液化天然ガス環境中におけるロータ側とステータ側の相対位置関係の位置変化の少ない、すなわち図４に示す現象の少ない液化ガス用ポンプ装置１００が構成されることになる。

また、ポンプ軸とモータ軸とを別部品とせずに一体で中実構造の回転軸とする場合に、図６で示したモータ軸を設けずに、ポンプ軸のモータ軸と嵌め合う範囲Ａを、モータ軸の寸法形状に加工することになる。

この場合、上述したように、モータの電気的な特性との兼ね合いで、ポンプ軸は磁性体としている。磁性を有するステンレス鋼には、マルテンサイト系、析出硬化系などがあるが、軸として必要な強度と靭性を有し、また、モータ軸として、従来から液化ガス中において長期間の使用実績がある高強度で磁性材料の析出硬化系ステンレス鋼であるＳＵＳ６３０鋼を用いる。

本発明に係る液化ガス用ポンプ装置の第１実施例を示す図。使用温度を考慮した羽根車位置の決定概要図。線膨張係数の相違によるロータ側と固定側の相対位置の変化を示す図。本実施例に係るモータ部における磁束流れを示す図である。従来の二重軸構造におけるモータ部における磁束流れを示す図である。従来構造の液化ガス用ポンプ装置の断面図。

符号の説明

１…モータロータ、２…ポンプ軸、３…実施例におけるキー、４…羽根車（インペラ）、５…ステージケーシング、６…ステージ、７Ａ…モータ上部スリーブ、７Ｂ…モータ下部スリーブ、８…ベアリングハウジング、９…バランスディスク、１０…ベアリングハウジング下部とバランスディスク上部の摺動部、１１…静圧すべり軸受、３３…ポンプ、３４…モータケーシング、４３…ボールベアリング、５０…モータロータ、５１…モータ軸、５２…羽根車（インペラ）、５３…ポンプ軸、５４Ａ…モータ上部の静圧すべり軸受、５４Ｂ…モータ下部の静圧すべり軸受、５５Ａ…モータ上部のスリーブ、５５Ｂ…モータ下部のスリーブ、５６…ベアリングハウジング、５７…ボールベアリング、５８…バランスディスク、５９Ａ…モータ軸とポンプ軸の固定用キー、５９Ｂ…モータ軸とモータロータの固定用キー、６０…軸ナット、６１…ステージケーシング、６２…ステージ。

Claims

液化ガスタンク内に垂下された揚液管内に挿入、または地上に設置された地上ポット内に挿入され、液化ガスを吸い込み、吐出する液化ガス用ポンプ装置において、ポンプ軸とモータ軸とを一体部品一軸構造の回転軸となし、該回転軸を、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成し、該回転軸をモータロータに他の材料を介在させることなく直接的に固着する構造を有することを特徴とする液化ガス用ポンプ装置。
請求項１において、前記ポンプ軸あるいはモータ軸に用いられる軸受部品、あるいは摺動部品を、珪素が３％から５％含有される析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成することを特徴とする液化ガス用ポンプ装置。
ステージケーシングおよびステージを含む固定側部品がアルミニウム合金で作られ、該固定側部品に可動側部品である羽根車および羽根車が固定される回転軸が組み込まれ、液化ガスタンク内に垂下された揚液管内に挿入、または地上に設置された地上ポット内に挿入され、液化ガスを吸い込み、吐出する液化ガス用ポンプ装置において、
ポンプ軸とモータ軸とを一体部品一軸構造の回転軸となし、該回転軸を、珪素が３％から５％含有され、線膨張係数が１３×１０^−６／℃から１８×１０^−６／℃の析出硬化型の高珪素ステンレス鋼で形成し、該回転軸をモータロータに他の材料を介在させることなく直接的に固着した構造を有すること
を特徴とする液化ガス用ポンプ装置。
請求項３において、前記回転軸は、該回転軸を前記モータロータに固着させる部分を含む固着部分が前記回転軸の他の部分に比べて外径が大きく形成されていることを特徴とする液化ガス用ポンプ装置。