JP4513419B2

JP4513419B2 - ポンプ装置

Info

Publication number: JP4513419B2
Application number: JP2004152888A
Authority: JP
Inventors: 貴樹福地; 泰司橋本; 和雄天野
Original assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Current assignee: Hitachi Plant Technologies Ltd
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2024-05-24
Also published as: JP2005337020A

Description

本発明は、ポンプ装置に関し、特に軸受にかかるスラスト荷重を低減するめの軸スラスト平衡装置や自己潤滑の静圧軸受を備えたポンプ装置に関する。

軸スラスト平衡装置や自己潤滑の静圧軸受を備えたポンプ装置は様々な分野で使用されており、代表的な例としては液化ガス用潜没ポンプ装置がある。すなわち液化天然ガスなどの液化ガスをその貯蔵タンクから汲み上げるなどの場合に貯蔵タンク内に潜没させた状態で用いられる潜没型のポンプ装置である。このようなポンプ装置につては、例えば特許文献１〜５などに開示の例が知られている。

これらの従来におけるポンプ装置の代表的な使用例と構造例を図６と図７に示す。図６は、液化ガスの貯蔵タンクにおける液化ガス液体の汲上げ装置を示している。この汲上げ装置は、液化ガス貯蔵タンク１にそれを突き抜けるように立設される揚液管２を有している。揚液管２には、その下端部に吸込弁３が取り付けられるとともに、この吸込弁３の上側に座面４が設けられ、この座面４で支持させるようにしてポンプ装置５が揚液管２の内部に設置されている。すなわちポンプ装置５は、揚液管２の上端部に設置のヘッドプレート７から吊りワイヤ８で例えば５０ｍといった深さまで吊り下げられ、座面４に着座して液化ガス液体Ｌに潜没するように設置されている。このポンプ装置５の駆動源は電動モータであり、給電ケーブル９により電源が供給される。なお汲上げ装置には揚液管２の設置などの際に用いられる巻上げ機１０が付属させられている。

このような汲上げ装置においてポンプ装置５の運転が開始されると、液化ガス液体Ｌが吸込弁３から吸い込まれてポンプ装置５により昇圧される。ポンプ装置５で昇圧された液化ガス液体Ｌは、ポンプ装置５の外周部に円環状に配列して設けられている複数の吐出口５ｎから吐出された後、図中に矢印で示すように揚液管２の内部を上昇し、揚液管２の途中に設けられている吐出管１１から送り出される。

次にポンプ装置５の構造について図７により説明する。ポンプ装置５は、駆動源として電動のモータ２０を有しており、そのモータ２０の回転子２１に、ポンプ装置５の中心部を上下方向に延びる回転軸２２が貫通状態で接続されている。そしてその回転軸２２に、複数段（図の例では６段）にして設けられる羽根車２３（２３ａ〜２３ｆ）が固定的に装着されている。また回転軸２２には最下段の羽根車２３ａの下側でインデューサ２４が固定的に装着されている。このインデューサ２４は、羽根車２３への液体の吸込み性能を高めるために設けられるものであり、ポンプ装置５における昇圧要素である羽根車２３との関係では予備的な昇圧要素といえる。

このような回転軸２２は、３箇所で設けられた静圧軸受、すなわち回転軸２２の上部に設けられた上静圧軸受２４、回転軸２２の中間部に設けられた中静圧軸受２５および回転軸２２の下部に設けられた下静圧軸受２６により半径方向の支持を受けている。このように回転軸２２の軸受に静圧軸受を用いるのは、静圧軸受が制振性に優れしかも長寿命であることからである。各静圧軸受２４〜２６は、羽根車２３で昇圧した液化ガス液体を潤滑液に用いる自己潤滑とされている。具体的にいうと、静圧軸受２４には給液管２７が、静圧軸受２５には給液管２８が、静圧軸受２６には給液管２９がそれぞれ接続され、これらの給液管２７〜２９を通じて高圧吐出液、つまり羽根車２３ａ〜２３ｆで昇圧されて吐出口５ｎから揚液管２に吐出された高圧の液化ガス液体が潤滑液として静圧軸受２４〜２６のそれぞれに供給される。そして静圧軸受２４〜２６に供給される潤滑液は静圧軸受に対する潤滑作用を果たしつつ静圧軸受の外部に排出される。具体的には、上静圧軸受２４と中静圧軸受２５の潤滑液はモータ２０を設置のモータ室３０に排出され、羽根車の間（図の例では最下段の羽根車２３ａとその上の段の羽根車２３ｂとの間）に設けられている下静圧軸受２６の潤滑液はその位置で羽根車の中に排出される。

なお自己潤滑による静圧軸受は、ポンプ装置の起動時や停止時において羽根車による液化ガス液体の昇圧が不十分な状態では安定した軸受作用を発揮できない。そのためポンプ起動時、停止時の補助用として玉軸受３１が上静圧軸受２４に近接して設けられ、また玉軸受３２が中静圧軸受２５に近接して設けられている。

上記のような回転軸２２には、羽根車２３による液化ガス液体への昇圧作用に起因して回転軸２２を下方に引き下げるような軸方向の推力が生じる。また液化ガス用潜没型のように縦軸型の場合には、そこに固着されている回転子２１や羽根車２３の質量と回転軸２２の自重による下方への引き下げ力も回転軸２２に生じる。そこで、これの軸方向推力や引き下げ力に対抗するバランス推力を回転軸２２に加えることで静圧軸受や玉軸受へのスラスト荷重を低減する軸スラスト平衡装置３３が設けられている。

軸スラスト平衡装置３３は、回転軸２２に固定的に装着されたバランスディスク３４と、このバランスディスク３４の側面と後部を覆うようにしてポンプ装置５のケーシング３５に固定されたハウジング３６とを組み合わせた構成とされている。なおバランスディスク３４は、バランスディスクピストンと呼ばれ、あるいはバランスドラムないしバランスドラムピストンなどと呼ばれる場合もある。

バランスディスク３４は、羽根車２３の配置側に臨む側に前面部３７を有し、その反対側に背面部３８を有した構造とされ、その背面部３８は、ハウジング３６との間でバランス室３９を形成するようにされている。このバランスディスク３４は、その前面部３７に最終段の羽根車まで昇圧された液化ガス液体による高い圧力Ｐ１を受ける一方で、その背面部３８に圧力Ｐ１よりも低い圧力Ｐ２を受け、これらＰ１とＰ２の圧力差により上記のバランス推力を発生させる。圧力Ｐ２は、高圧の液化ガス液体がバランスディスク３４とハウジング３６の間の微小な隙間（図示を省略）を通って漏れ出してバランス室３９に入り込み、さらにバランス室３９からモータ室３０に漏れ出すことにより生成される。具体的には、バランスディスク３４の背面部３８とハウジング３６の間には微小な隙間（図示を省略）が形成されており、この隙間による漏出抵抗に応じて圧力Ｐ２が生成される。すなわち圧力Ｐ２が小さくなって回転軸２２が上方に動くと上記隙間の幅が狭くなり、これにより漏出抵抗が増大することで圧力Ｐ２が上昇して回転軸２２を下方の押し下げ、一方、圧力Ｐ２が大きくなって回転軸２２が下方に動くと上記隙間の幅が広くなり、これにより漏出抵抗が減少することで圧力Ｐ２が低下して回転軸２２を上方に押し上げる、というバランス作用がバランスディスク３４に働く。

バランスディスク３４を介してモータ室３０に漏出した液体は、同じくモータ室３０に排出される静圧軸受２５や静圧軸受２４からの液体と合流しながらモータ２０の冷却を行う。そしてモータ室３０における液体は、漏・排出液の戻り流路用としてモータ室３０に接続されている戻り管４０により揚液管２の吸込弁３の近傍から図６における貯蔵タンク１に戻される。この戻り液は、ポンプ装置から吐き出されることのない内部循環液で、ポンプ装置としては損失となるものであるが、ポンプ装置からの全吐出し量の数％にも及んでいる。

特表２００１−５０３１１８号公報特開平１１−２５７２８５号公報特開平１０−２２９６号公報特開平１０−２０５４７８号公報特開昭５８−１９２９９７号公報

上記のようなポンプ装置では、羽根車へ液体を最初に吸い込ませる部位においてキャビテーションが発生し、これにより吸込み流路が狭められて吸込み性能が低下するという問題がある。上記の例におけるポンプ装置のように最下段の羽根車の下側に予備的な昇圧装置としてインデューサが設けられている場合には、このインデューサでキャビテーションが発生し、インデューサを有しないポンプ装置の場合には最下段の羽根車でキャビテーションが発生する。

このキャビテーションの発生について、従来ではそれを抑制するために、インデューサについての場合であれば、インデューサの外径を大きくするとともにインデューサのボスの径をできるだけ小さくすることでインデューサにおける子午面流速を抑えるという手法が用いられていた。

しかし、インデューサの外径が大きくすることはコスト増を招くし、また強度などの問題からボス径を小さくするのにも限界がある。また、インデューサの外径が大きくなると、運転点の全域にわたって吸込み性能を向上させることのできるインデューサを設計するのが非常に難しくなる。特に、低流量運転においては、逆流旋回が主な原因となることで、回転成分の数分の１という非常に低周波でキャビテーションが発生と消滅を繰り返し、ポンプを運転不能にさせる所謂キャビテーションサージなどの不安定現象を発生させる場合がある。

本発明は、以上のような事情を背景になされたものであり、ポンプ装置について、その大型化を招くことなく吸込み部位におけるキャビテーションの発生を抑制でき、これにより吸込み性能を向上させ、またキャビテーションサージなどの不安定現象を招くことのないようにすることを目的としている。

上記目的のため本発明では、モータに接続された回転軸と、前記回転軸に装着された複数段の羽根車と、前記回転軸を支持する軸受および前記軸受へのスラスト荷重を低減させるための軸スラスト平衡装置とを備え、前記軸スラスト平衡装置は前記羽根車による昇圧液体の漏出にて前記スラスト荷重低減作用を発揮するようにされているポンプ装置において、前記羽根車の最下段に位置する羽根車の上流に設けられたインデューサと、前記軸スラスト平衡装置からの漏出液を戻り液として導入する戻り流路と、前記戻り流路に導入した戻り液を、前記インデューサの羽根の先端側であるチップ側近傍において前記インデューサで吸い込まれる液体の流れとは逆方向で羽根の先端に平行な方向に放出する放出部とを具備したことしたことを特徴としている。

本発明では、軸スラスト平衡装置から漏出液や静圧軸受からの排出液を戻り液として、最もキャビテーションテーションの発生しやすいインデューサの羽根の先端側であるチップ側近傍に放出するようにしている。この戻り液は、羽根車で吸い込まれる液体よりもかなり高い圧力となっており、したがって戻り液の放出によりインデューサの羽根のチップ側の圧力を上昇させることができる。この結果、インデューサの羽根のチップ側でのキャビテーションの発生を効果的に抑制することができる。そしてキャビテーションの発生を抑制することで、キャビテーションによる流路の閉塞を避けることができ、吸込み性能を向上させることができる。またこのようにして戻り液を吸込み性能の向上に用いることは、ポンプ装置から吐き出されることのない内部循環液としてポンプ装置の損失となる戻り液の有効活用となり、このことでポンプ装置全体としての効率を向上させることもできる。

以下、本発明の理解を容易にするため参考例から説明する。図１に第１の参考例によるポンプ装置の構成をその要部について示す。図１に示してあるのは、液化ガス用潜没型のポンプ装置における吸込み部位近辺の構成である。ポンプ装置におけるその他の構成は上で説明した図７のポンプ装置と同様である。したがって、図１中における共通要素には図７と同一の符号を付し、またそれらについての説明および図１で現れない他の要素についての説明は上でのそれを援用する。

本参考例では、図７における戻り管４０に対応する要素として戻り管５０を設けている。戻り管５０は、戻り管４０と同様に、図７におけるモータ室３０で合流する軸スラスト平衡装置３３からの漏出液と静圧軸受２５や静圧軸受２４からの排出液を戻り液としてモータ室３０から戻す漏・排出液の戻り流路用として構成されている。

本参考例の戻り管５０は放出部５１を有している。放出部５１は、インデューサ２４との間に高精度なチップクリアランスを保つためのライナも兼ねている座面４に穿設することで、インデューサ２４の近傍でインデューサ２４の羽根２４ｖ、より具体的には羽根２４ｖの先端側であるチップ側に向けて適度な傾きをもって下側から戻り液を放出できるように形成されている。このような放出部５１は、戻り管５０から分岐するようにして複数で設け、その複数の放出部５１によりインデューサ２４の周囲に対して均等的に戻り液を放出できるようにするが好ましい。この場合、放出部５１の数をインデューサ２４における羽根の枚数の整数倍にすると、放出部５１から放出される戻り液に対するインデューサ２４の干渉で脈動を発生する可能性がある。したがって放出部５１の数はインデューサ２４の羽根枚数の整数倍にならないように設定するのが好ましい。例えばインデューサ２４の羽根枚数が３枚であれば、放出部５１の数は４個とするのが適切である。

放出部５１からインデューサ２４の近傍に放出される戻り液は、インデューサ２４で吸い込まれる液体よりもかなり高い圧力となっている。したがって戻り液の放出により、インデューサ２４における吸込み部位の圧力を上昇させることができ、これによりその部位でのキャビテーションの発生を効果的に抑制することができる。そしてキャビテーションの発生を抑制することで、キャビテーションによる流路の閉塞を避けることができ、インデューサ２４による羽根車２３への液体の吸込み性能向上機能をより有効に発揮させることができるようになる。またこのようにして戻り液を吸込み性能の向上に用いることは、ポンプ装置から吐き出されることのない内部循環液としてポンプ装置の損失となる戻り液の有効活用となり、このことでポンプ装置全体としての効率向上にも有効となる。

図２に第２の参考例によるポンプ装置の構成をその要部について示す。本参考例では、第１の参考例における戻り管５０に対応する要素として戻り管６０を設けている。戻り管６０は放出部６１を有している。放出部６１は、座面４の側面からインデューサ２４の羽根２４ｖにその下側（液の流れにおける上流側）で平行になる状態で突出させるようにして設けたノズル体６２に、インデューサ２４の羽根２４ｖに対して直交する向きの放出口６３を複数設けて形成されており、羽根２４ｖに対してその上流側から直交する状態に戻り液を放出することになる。

このような放出部６１は、羽根２４ｖのチップ側だけでなくボス側（インデューサ２４のボス部２４ｂの側）にも高圧な戻り液を供給することができるという利点がある。また放出部６１は、放出口６３の数や配置を変えたり、あるいは各放出口６３のサイズを変えたりすることで、羽根２４ｖのチップ側からボス側の間においてキャビテーションの発生し易い部位に戻り液を重点的に放出するような設計も可能とする。なお、この放出部６１におけるノズル体６２は、回転軸２２の軸受の支持に利用することも可能である。

図３に第３の参考例によるポンプ装置の構成をその要部について示す。本参考例では、第１の参考例における戻り管５０に対応する要素として戻り管７０を設けている。戻り管７０は放出部７１を有している。放出部７１はインデューサ２４に設置されている。具体的には、インデューサ２４の内部にそのボス部２４ｂから羽根２４ｖのチップ側に向けて細い流路７２を穿設するとともに、その流路７２に直交する放出口７３を下向きで羽根２４ｖに穿設した構造で放出部７１を形成している。またこのような放出部７１とする関係で、回転軸２２の内部を貫通するように戻り管７０を設けるようにしている。

このような放出部７１は、羽根２４ｖの内部から上流側に向けて戻り液を放出することになり、羽根２４ｖの近傍におけるキャビテーションの発生し易い部位に対して、より効率的に高圧な戻り液を供給することができ、したがって、より効果的にキャビテーションの発生を抑制することが可能となる。ただ、この場合には放出部７１の設計に際して、戻り管７０が回転軸２２の内部を通ることで戻り液にかかる摩擦ロスや遠心力効果による圧力勾配などを考慮する必要がある。また放出される戻り液がインデューサ２４での液体の吸込みにおける流れを妨げることがないように、羽根２４ｖの面を流れる液体と同一の方向に戻り液を放出するようにするのが好ましい。

以上の各参考例は、戻り液の高圧性を活用するものである。すなわち高圧な戻り液をインデューサの近傍に放出してキャビテーションの発生領域に圧力を供給することによりキャビテーションの発生を抑制し、これにより吸込み性能の向上を図るようにしている。このように戻り液の圧力をキャビテーションの発生抑制に用いる構成の他に、戻り液の高速な流れキャビテーションの発生やキャビテーションサージと呼ばれる不安定現象の発生の抑制に活用する構成も可能である。

インデューサ（インデューサを有しない場合には最下段の羽根車）は、設計流量よりも低流量側においては入口付近において大きな逆流を発生する。これは、一度インデューサの内部に吸い込まれた流れが逆流したものであり、インデューサの回転成分と同一回転方向の流れである、いわゆる逆流旋回流れとなる。この流れは再びインデューサに流入するが、大きな旋回成分を持ち、これが原因となってポンプに不安定な特性を及ぼすことが知られている。例えは、全揚程で考えれば、下記のオイラの理論揚程式からも、入口旋回が増加すれば、全揚程が低下することが分かる。

ここで、ｇ：重力加速度、ｕ：周速度、ｖｕ_１：入口側の絶対速度周方向成分（旋回量）、ｖｕ_２：出口側の絶対速度周方向成分（旋回量）。

またキャビテーションが発生した場合、回転成分の数分の１といった極めて低周波のキャビテーションの発生と消滅を繰り返し、ポンプが運転不能となるキャビテーションサージと呼ばれる現象を発生するが、その主な要因は、逆流旋回流れによるキャビテーションにある。

図４に本発明の実施形態によるポンプ装置の構成をその要部について示す。
なおポンプ装置におけるその他の構成は上で説明した第１ないし第３の参考例のポンプ装置と同様である。したがって、図４中における共通要素には図１ないし図３と同一の符号を付し、またそれらについての説明および図４で現れない他の要素についての説明は上でのそれを援用する。
本実施形態では、第１の参考例における戻り管５０に対応する要素として戻り管８０を設けている。戻り管８０は放出部８１を有している。放出部８１は、上記の逆流旋回流れを打ち消す方向に向けて戻り液を放出できるように形成されている。具体的には、インデューサ２４で吸い込まれる液体の流れとは逆方向で羽根２４ｖの先端に平行な方向に戻り液を放出できるように放出部８１を形成している。

このような放出部８１により戻り液をインデューサ２４に対して放出し、この戻り液の高速流で逆流旋回流れを打ち消すことにより、逆流旋回流れを抑制することができ、したがって上記のような不安定化を有効に回避することができる。

図５に第４の参考例によるポンプ装置の構成をその要部について示す。本参考例は、インデューサを有しないポンプ装置についての形態であり、第１の参考例における戻り管５０と同様な戻り管９０を設けている。戻り管９０は、戻り管５０の放出部５１と同様な放出部９１を有している。この放出部９１は、最下段の羽根車２３ａの近傍で羽根車２３ａの上流側から適度な傾きをもって羽根車２３ａの吸込み部位に戻り液を放出できるように形成されている。このような放出部９１は、放出部５１と同様に、戻り管９０から分岐するようにして複数で設け、その複数の放出部９１により羽根車２３ａの周囲に対して均等的に戻り液を放出できるようにするのが好ましい。

図４に示す本発明の実施形態は、羽根車に吸い込まれる液体の流れにおける最上流に設置の昇圧要素であるインデューサ２４の近傍に戻り液を放出するについて、前記インデューサの羽根の先端側であるチップ側近傍において前記インデューサで吸い込まれる液体の流れとは逆方向で羽根の先端に平行な方向に放出するようにしたが、本発明はこれらに限られず、各参考例における放出方式を組み合わせて用いるようにする形態も可能である。

また本発明の実施形態は、軸スラスト平衡装置を有するポンプ装置についての例であるが、本発明は軸スラスト平衡装置を有しないポンプ装置でも自己潤滑の静圧軸受を有するポンプ装置であれば適用することが可能である。ただ、この場合には戻り液として静圧軸受からの排出液を用いることになり、その戻り液の昇圧要素近傍への放出は上記実施形態と同様にモータ室から戻り管で戻り液を導く方式で行うか、または静圧軸受から直接戻り管で戻り液を導く方式で行うことになる。それらの具体的な態様は上記実施形態におけるそれと同様なので、それについての説明は省略する。

本発明は、軸スラスト平衡装置や自己潤滑の静圧軸受を有するポンプ装置について、それらからの漏・排出液を活用することで吸込み部位におけるキャビテーションの発生を抑制して吸込み性能を高め、またキャビテーションの発生に伴う不安定化現象を有効に回避することができ。したがって、本発明はポンプ装置の分野に有効なものとして広く利用することができる。

第１の参考例によるポンプ装置の要部の構成を示す図である。第２の参考例によるポンプ装置の要部の構成を示す図である。第３の参考例によるポンプ装置の要部の構成を示す図である。本発明の実施形態によるポンプ装置の要部の構成を示す図である。第４の参考例によるポンプ装置の要部の構成を示す図である。液化ガスの貯蔵タンクにおける液化ガス液体の汲上げ装置の従来における代表的な構成を示す図である。従来のポンプ装置の代表的な構成を示す図である。

符号の説明

２０モータ
２２回転軸
２３羽根車（昇圧要素）
２４インデューサ（昇圧要素）
２４ｖインデューサの羽根
２４、２５、２６静圧軸受
３０モータ室
３３軸スラスト平衡装置
５０、６０、７０、８０、９０戻り管（戻り流路）

Claims

モータに接続された回転軸と、前記回転軸に装着された複数段の羽根車と、前記回転軸を支持する軸受および前記軸受へのスラスト荷重を低減させるための軸スラスト平衡装置とを備え、前記軸スラスト平衡装置は前記羽根車による昇圧液体の漏出にて前記スラスト荷重低減作用を発揮するようにされているポンプ装置において、
前記羽根車の最下段に位置する羽根車の上流に設けられたインデューサと、前記軸スラスト平衡装置からの漏出液を戻り液として導入する戻り流路と、前記戻り流路に導入した戻り液を、前記インデューサの羽根の先端側であるチップ側近傍において前記インデューサで吸い込まれる液体の流れとは逆方向で羽根の先端に平行な方向に放出する放出部とを具備したことを特徴とするポンプ装置。