JP4749532B2 - 単段タービンインペラポンプ集成体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マルチチャンネルの再生式ポンプに関するものであり、タービンインペラ型ポンプ集成体を介して、タービンインペラの放射方向（半径方向）の圧力負荷をキャンセル、即ち相殺する多チャンネルの流体路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
タービンインペラ型ポンプの集成体において、タービンインペラは、回転シャフトにキー結合され、環状ライナーの仕切内にてシャフトに対して垂直な平面内を回転するように構成されている。本願出願人による米国特許第5,137,418号に開示されているように、タービンインペラはシャフトに対して軸方向に移動可能となり、複数の環状ライナーの間に配置されるようになっている。また、このポンプ集成体は、環状ライナーを介してインペラに通ずる１個のチャンネルフロー即ちチャンネル流路を備えている。しかしながら、この単一のチャンネル流路は、ポンプ作動中にポンプ集成体内で必然的に生じる液圧力による放射状の負荷を、シャフトに対して補償（補正）するものではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような液圧はシャフトやインペラーに対して力とモーメントを付与せしめ、中心から外れて外側に移動せしめ、シャフトの中心線の軸方向の平面にて回動させ、これによって、クリアランスが存在しない場合には、ポンプ集成体内の回転するインペラーと固定されたライナーとの間において干渉をもたらすことになる。この撓み（変形）のクリアランス許容量は、設計上の圧力制限値と漏れとの一種の妥協によるものとなる。クリアランスを増大すると損傷なしに更に多くの撓みをもたらすことができるが、効率を犠牲にして漏れ損失が増大する。また、漏れが増大すると、最大能力を減ずることになる。設計上の数値以上の圧力による上記のような干渉は未熟なポンプの欠損となり、その結果、不経済で極めて高価な補修を要することとなる。
【０００４】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、シャフト中心線の軸方向の面におけるモーメントを形成する半径方向の液体圧力をキャンセルできるタービンインペラポンプ集成体を提供することである。
【０００５】
本発明の別の目的は、軸受けに加わる放射状の負荷を相殺できる、タービンインペラポンプ集成体を介した二重チャンネルフローを提供することである。
【０００６】
本発明の更に別の目的は、タービンインペラーポンプ集成体を提供することであって、この集成体が、インペラを覆うライナーを有し、それぞれのライナーがＹ軸の周りで対称となった別個のフローチャンネルを備えて、多チャンネルフローを形成するようにしたタービンインペラポンプ集成体を提供することである。
【０００７】
本発明の更に別の目的は、互いに対向する位置にある吸入部と排出部を備え、この両者がライナー部材の多フローチャンネルと協働して、インペラに対して等価で、且つ相殺する圧力を形成してインペラを放射方向の中心となるようにした、タービンインペラ集成体を提供することである。インペラ又はライナー部材の面に傾斜面を形成することで、インペラは外側のライナー部材と内側のライナー部材との間において軸方向の中心位置に配置されることになる。
【０００８】
本発明の更に別の目的は、インペラ対して等しく且つ反対の圧力を有し、ポンプ集成体内にてシャフトの撓みを減少させるタービンインペラ集成体を提供することである。
【０００９】
本発明の更に別の目的は、シャフトの撓みが無く、且つ放射方向の負荷が実質的に最小であって、低能力の軸受けが採用できる、実用的で且つ運転効率に優れた新規なタービンインペラポンプ集成体を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、タービンインペラポンプ集成体を介する、ポンピングされた流体の新規な多チャンネル流路であり、タービンインペラへの軸方向および半径方向の圧力負荷を相殺する新規な多チャンネル流路に係るものである。単段のタービンインペラポンプ集成体は、回転シャフトを駆動するモータを備えている。シャフトは内側ライナーを囲繞している内側カバーを通過して延び、シャフトにはインペラが固定されて回転できる構成とし、且つ外側ライナーが外側のカバーによって覆われている。カバーはライナーを保持してチャンネルを構成し、ライナーの出入り口およびポンプ外部の間を連通する流体通路を形成している。
【００１１】
内側と外側のライナーはインペラを包み、インペラはシャフトに対して放射状に固定されて回動できるようになっている。ライナーのそれぞれは、Ｙ軸を反映した流路を備えており、且つ互いに分離されていて２個の、即ち二重のチャンネルとなって互いに分離独立されている。これらのライナーは内外のカバー、若しくはケーシング部材によって包まれている。内外のカバーはポンプの入口と出口の位置となっており、Ｘ軸およびＹ軸に対して対称となり、且つ互いに対向させている。しかしながら、入口と出口とが、内外カバー部材において放射状に位置した構成も本発明から逸脱するものではない。吸入部に入り込む流体はそれぞれのライナーの２個の吸入部に作動的に分岐され、これによって流体がインペラの羽根によって再循環される。流体はライナーの各チャンネルの周りを推進されて、ライナーの２個の排出部から出される。排出された流体は一緒になってポンプの排出部を通って吐出される。
【００１２】
互いに対向状態に配置された吸入部と排出部の位置決め構成およびライナーの二重チャンネル構造によって、回転するインペラに対する等しくて反対方向の圧力を形成し、インペラへの半径方向の負荷を相殺し、且つライナーの間においてインペラが自己中心配置となるようにしている。等しく且つ反対の圧力条件は、ポンピング作動中においてシャフトの撓み（変形）を減少せしめ、これによってインペラとライナーの摩耗を減少させ、その結果負荷が顕著に小さくなる。放射状水圧負荷のベクトル結果、次のシャフト中心線の平面上のクロス・モメントの減少、およびその次のシャフト変形は、ベアリングの負荷と交換の為の関連するコストを顕著に減少させる。これにより、ポンプ形成体においてスリーブベアリングの採用を可能とし、ポンピングされた流体が非潤滑流体である場合において、ベアリング潤滑剤としてポンピングされた流体の使用を可能にしている。
本発明は、以下本発明の好適な実施例に関する詳細な説明より理解されるとおり、新規な構成と特徴を備えてなるものである。
【００１３】
【実施例】
添付の各図面において、同様の部材部位につては同様の符号を付して説明する。図１は本発明の一実施例による単段のタービンインペラポンプ集成体を示すものである。図示のポンプ集成体（図１）は、例えば、電気的、ガソリン、蒸気あるいは流体モータなどの駆動源（図示せず）で駆動される回動型のシャフト部材１２を備えている。シャフト１２は内部（インボード）カバー若しくはケーシング部材１４と関連するシール体１６を介して延び、これがシャフトを囲み且つ内部カバー部材１４に対してシャフトを回転できるようにしている。内部ライナー部材１８はケーシング１４の凹所１７によって受容されるように配列されており、ピン部材１９によってカバー１４にキー結合されている。上記ピン部材によって上記内部カバー１４に対して内部ライナー部材１８を整列させ、以下に記載のように、ライナー１８の入口部３６，３７とチャンネル７１との間を連通させている。
【００１４】
シャフトに装着されて回動出来るようにし且つ内部ライナー１８の近傍に位置しているのはインペラ部材２０である。このインペラ部材２０は、ハブ部２１（図１および図１２）を有し、これが受容可能な応力限度内の駆動接触圧を受けるのに充分なように構成され、更に、図１１のように周辺羽根２２を有している。更に、インペラ部材２０は開口６９を有し、これがインペラの自己中心配置作用を促すことになるが、これに関しては以下に詳述する。インペラ２０の近傍には外部（アウトボード）ライナー部材２４が装着され、これが外部カバー若しくはケーシング部材２８の凹所２５に受容されるようになっている。外部カバー部材２８はボルト部材２９で内部カバー部材１４に取り付いており、ポンプキャビティを画成してライナー１８および２４を内設している。シャフト１２を横方向の位置に内設するために、充分なベアリングを具備して、一時的な横方向および軸方向の負荷に対抗してシャフトを保持しなければならない。かような目的を達成する方法として種々の構成が可能である。即ち、ベアリングを外部に配置して、シャフトをポンプ集成体と流体の中に突出させる構成とすることも可能である。これとは別に、１個若しくはそれ以上のベアリングを流体とともに集成体の内部に配置してもよい。一般に、ベアリングとしては軸方向のスラストを有することのできるボールベアリングである。ベアリングをスリーブ型のものとする場合には、スラストベアリングを具備しなければならない。
【００１５】
本発明の一実施例を図２〜図９および１３に示す。単段タービンポンプ形成体において二重流路構造が好ましい場合には、外部カバー若しくはケーシング部材２８は、図２に示すように吸入の入口部３２と排出の出口部３３とを備えている。図３〜５は入口部３２への流体の流れと外部カバー部材２８を介しての流路を示している。より具体的には、流体は入口部３２に入り、外部キャビティチャンネル３４を介して導びかれ、そこで流体はライナー１８および２４の二重吸入入口部３６，３７に導かれ、ライナー部材１８，２４に位置した出口部４０，４１を介して外方に送られる（図９および１０、図１３および１４参照）。図４と図５は外部カバー若しくはケーシング部材２８の、図３の４−４，５−５に沿って破断した断面図であり、キャビティチャンネル３４の配置を示している。このキャビティチャンネル３４は外部ライナー１８，２４の入口部３６，３７と協働して、流体を受け入れ、インペラ部材２０に送り込んで、次いで出口部４０，４１へと導く。
【００１６】
図６〜図８、図１３および図１４に示すように、内部ケーシング部材１４は更に内部（インボード）キャビティチャンネル７１を有し、これがライナー部材１８，２４の出口部４０，４１と連通している。内部ライナー部材１８は、内部ケーシング部材１４の凹所２７に受容されるように配置されている。ポンピングされた流体は出口部４０，４１へと導かれる。流体がライナーチャンネルを符号３６から４０１へ、そして符号３７から４０へと移行すると、図１５に示すとおり圧力が構築される。これによって、等しくて、しかしながら反対方向の圧力が、回転するインペラに付与されることになる。かくて、各ライナー部材は、２個のチャンネル（３６から４１へ、および３７から４０へ）を有し、これらがＹ軸に対して対称に配置され且つ分離されている。これらのチャンネルは、内部および外部ケーシング部材内にて吸入部と排出部と協働する。
【００１７】
図９および図１３に示すように、ライナー部材の側壁面２４ａ、１８ａは、複数の傾斜凹所５０がほぼ対称且つバランスされた状態にて形成されているのが望ましく、上記凹所５０の各々が前縁５１と後縁５２を備えた構成である。これらの傾斜凹所５０によって、回転するインペラとライナー部材壁面との間に液体の加圧フィルムを形成し、これが流体バリア即ち流体の隔壁として作用してライナー部材とインペラ２０の摩耗を防止している。
【００１８】
このように、単段インペラポンプの流体流路によって、回転するインペラに対して、等しく且つ反対の軸方向および半径方向の圧力を形成することになり、内部（インボード）ライナーと外部（アウトボード）ライナーとの間の中心位置にインペラが位置するようにさせ、これによってインペラに加わる反対側の安定状態の流体圧を相殺し、引き続いてポンプシャフトへの同様な流体圧を相殺する。
【００１９】
図１５において、内部および外部ライナー１８，２４から回転インペラ２０への流体の流路が示されており、これによる回転インペラへの最終的な圧力の大きさと方向が図示されている。図より理解されるように、内部ライナー部材１８内の二重（２個の）チャンネル構造の入口３７から排出若しくは出口４０へと流れる流体に起因するインペラ２０への圧力５０の大きさと方向は、入口３７から出口４０へと向かって増大する。同様に、入口３６から出口４１へ向かう流体に起因するインペラへの圧力５０も、入口から出口へと向かって増大する。その結果、側部の負荷ベクトル５２は互いに１８０度となる。従って、内部および外部ライナーからインペラへの流体の流れは等価且つ反対の圧力を回転インペラに向けて形成することになり、その結果インペラは、双方のライナー部材の間において自ずから自己中心位置となるようにされ、インペラへの対向する安定状態の流体の力をキャンセルすることになり、最終的には、ポンプシャフト１２への流体の圧力をキャンセルする。
【００２０】
図１６において、内部および外部ライナー１８，２４からインペラ２０へのポンプ流体の流路が図示されており、本発明による２個よりも多いチャンネルを採用したときに、回転インペラに加わる圧力の結果的な大きさと方向を示している。図示より明らかなように、内部（インボード）ライナー部材１８内における３個のチャンネル構成の入口３７から出口４０への流体の流れに起因する圧力５０の大きさと方向が、入口３７から出口４０へと向けて増大している。同様に、入口３６，５６から出口４１，６１へ向かう流体の流れに起因するインペラ２０への圧力は、入口から出口へと向かって増大する。その結果、側部負荷ベクトル５２は互いに１２０度となる。従って、内部および外部ライナーからインペラへの流体の流れによって、回転インペラに対する均一な内側の圧力が形成され、これによってインペラは双方のライナー部材の間において中心位置に付勢され、その結果、インペラ部材２０への対向する安定状態の流体の力を、ひいてはシャフト１２への流体の力を、相殺することになる。このように、側部負荷ベクトルが結果的に均一にインペラの周りに分配されなければならないこと、そしてその結果インペラへの安定した流体の力をキャンセルすることが、本発明の動作において重要となる。
【００２１】
図１７に示すように、本発明によれば、多段タービンインペラ型ポンプも実施例の一つに含まれる。この図において、ポンプ集成体は電気、ガソリン、蒸気あるいは流体モータなどの駆動源（図示せず）によって駆動される回転シャフト部材１２を有している。シャフト１２は、内部（インボード）カバー若しくはケーシング部材１４と関連するシール集成体１６を通過して延びており、上記シール集成体１６はシャフトを囲み、内部カバー部材１４に対してシャフトが回動するように形成されている。第１の内部ライナー部材１８が、ケーシング１４内の凹所２７にて受容されるように配置され構成されており、且つピン部材１９によってカバー部材１４にキー結合されている。上記ピン部材は内部カバー１４に対して内部ライナー部材１８を整列して内部および外部カバーチャンネル３４，７１に対して入口３６，３７を整列し、かくして、以下に説明のように、回転インペラへの圧力が均等且つ反対となるように補助している。
【００２２】
第１のインペラ部材２０が内部ライナー１８の近傍においてシャフトに装着されて回転できるように配置されている。インペラ部材２０はハブ部２１（図１および図１２参照）を有し、受容可能なストレス限界値内の駆動接触圧を受けるに充分な構成となっており、さらに周辺羽根２２を備えている。インペラ２０近傍にはライナー部材６４が装着され、これが第２のインペラ部材２０近傍の別のライナー部材６８にキー結合されている。第２のライナーの入口は流体通路のライナーの出口に対してある角度で整列されている。上記ライナー部材６４，６８は集成体内において、環状のスペーサ部材７０によって保持されている。第２のインペラ２０の近傍には外部ライナー部材２４が装着され、これが外部カバー若しくはケーシング部材２８の凹所２５に受容されるようになっている。スペーサ部材７０と外部カバー若しくはケーシング部材２８はボルト部材２９によって内部カバー部材１４に取り付いている。従って、図１７の多段タービン型ポンプにおいて多段のポンプ作動を有するようにすることが可能である。
【００２３】
以上、本発明はキャビティチャンネル３４，７１がライナー部材上に、或いは、その表面近傍に配置された構成を説明してきた。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、キャビティチャンネルがライナー部材内に配置されたり、あるいは、ライナー部材の外面近傍に配置されるようにすることも可能である。
【００２４】
更に、本発明の一実施例による多段ポンプ集成体（図１７）によれば、部品点数が少なく組立が容易であり、インペラの位置がライナーに対して常に中心の位置に配しておくことが出来るものである。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、シャフト中心線の軸方向面におけるモーメントを形成する半径方向の流体圧力をキャンセルできるタービンインペラポンプ集成体が提供できる。更に、軸受けに加わる放射状の負荷を相殺できる、タービンインペラポンプ集成体を介した二重チャンネルフローを提供できる。更に、タービンインペラーポンプ集成体が、インペラーを覆うライナーを有し、それぞれのライナーがＹ軸の周りにおいて対称とした別個のフローチャンネルを備えて、多チャンネルフローを形成するようにしたタービンインペラ型ポンプ集成体とすることが可能である。
【００２６】
更に本発明は、互いに対向する位置にある吸入部と排出部を備え、この両者がライナー部材の多フローチャンネルと協働して、インペラに対して等価で、且つ、相殺する圧力を形成して、インペラを半径方向の中心位置に維持できるタービンインペラー集成体とすることができる。また、インペラ又はライナー部材の面に傾斜面を形成することで、インペラは外側のライナー部材と内側のライナー部材との間において軸方向の中心に位置されることになる。
【００２７】
更に、インペラー対して等しく且つ反対の圧力を有し、ポンプ集成体内にてシャフトの撓みを減少させるタービンインペラ集成体を提供できる。また、シャフトの撓みが無く、且つ放射方向の負荷が実質的に最小であって、低能力の軸受けが採用できる、実用的で且つ運転効率に優れた新規なタービンインペラ型ポンプ集成体の実現が可能となる。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による単段タービンインペラポンプの断面図である・
【図２】本発明の一実施例による構成であり、吸入および排出部を示す外部ケーシング（又はカバー部材）の正面図である。
【図３】外部ケーシング若しくはカバー部材に対向する内部（インボード）部材の軸方向側面図であり、ケーシングへの流体の流れを示す図である。
【図４】図３における４−４線に沿って破断した断面図である。
【図５】図３における５−５線に沿って破断した断面図である。
【図６】内部ケーシングの外側の面、即ちカバー部材の軸方向側面図であり、ケーシングへの流体の流れを示す図である。
【図７】図６の７−７線に沿って破断した断面図である。
【図８】図６の８−８線に沿って破断した断面図である。
【図９】インペラ部材と協働して、インペラ部材にバランスされた圧力を提供する本発明の外部ライナー部材の正面図である。
【図１０】図９に示す外部ライナー部材の側面図である。
【図１１】外部および内部ライナー部材と協働して、等価で且つ反対の圧力を回転インペラに付与するインペラ部材の正面図である。
【図１２】図１１に示すインペラ部材の側面図である。
【図１３】インペラ部材と協働して等価で且つ反対の圧力をインペラ部材に付与する内部（インボード）ライナー部材の正面図である。
【図１４】図１３に示す内部ライナー部材の側面図である。
【図１５】本発明の実施例による二重チャンネル構造に起因するインペラ半径方向の負荷と側部負荷ベクトルの相殺状況を示す説明図である。
【図１６】本発明の別の実施例による三重（トリプル）チャンネル構造に起因するインペラ半径方向の負荷と側部負荷ベクトルの相殺状況を示す説明図である。
【図１７】本発明の更に別の実施例による多段タービンインペラ型ポンプの断面図である。
【符号の説明】
１２ シャフト
１４ 内部カバー部材
１６ シール集成体
１７ 凹所
１８ 内部ライナー部材
１９ ピン部材
２０ インペラ部材
２４ 外部ライナー
２８ ケーシング部材
３２ 入口部
３３ 排出部
３４ キャビティチャンネル
３６, ３７ 入口部
４０，４１ 出口部
５０ 傾斜凹所
５１ 前縁
５２ 後縁
５６ 入口部
６８ ライナー部材
７１ チャンネル

Claims (3)

1. 単段タービンインペラポンプ集成体であって、
   回転シャフトと、
   互いに結合された内部ケーシング部材及び外部ケーシング部材と、
   上記内部及び外部ケーシング部材はそれぞれキャビティチャンネルを有すると共に、各ケーシング部材は環状の凹所を備えた面と、上記シャフトが回転できるようにした軸方向の開口を備えており、
   上記ケーシング部材の上記環状凹所によって受容されるように配列した内部ライナー部材および外部ライナー部材と、
   上記ライナー部材はそれぞれ上記ケーシング部材にキー結合されており、
   上記ライナー部材の間に配置され且つ上記シャフトとキー結合されて回動できるようになっているインペラ部材とを有し、
   上記内部ライナー部材と外部ライナー部材は、それぞれ、上記インペラ部材の軸周りを１８０°対称とした位置に入口部および出口部が形成されるとともに上記インペラ部材の周辺羽根に沿って延在する２個の円弧状の流体チャンネルを有し、上記内部ライナー及び外部ライナーの上記流体チャンネルの上記入口部が上記外部ケーシング部材の上記キャビティチャンネルと連通し、かつ上記内部ライナー及び外部ライナーの上記流体チャンネルの上記出口部が上記内部ケーシング部材の上記キャビティチャンネルと連通するとともに、上記外部ケーシング部材は、上記回転シャフトの軸方向の端面に吸入の入口部と排出の出口部を備え、上記外部ケーシング部材の上記キャビティチャンネルが上記吸入の入口部に連通し、かつ上記内部ケーシング部材の上記キャビティチャンネルが上記排出の出口部に連通することにより、等価且つ反対の圧力を上記インペラ部材に付与し、上記インペラを上記ライナー部材に対して整列状態に維持してなる、単段タービンインペラポンプ集成体。
2. 上記内部および外部ライナー部材は、環状に配置された複数の凹所を有する固定されたシール面を備え、上記凹所のそれぞれは、前縁と後縁とを備えて上記シール面と上記回転インペラとの間に流体の圧力フィルムを形成してなる請求項１の単段タービンインペラポンプ集成体。
3. 上記外部ケーシング部材の上記キャビティチャンネルは、上記環状凹所を備えた上記表面の近傍に位置されている請求項１の単段タービンインペラポンプ集成体。

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