JP4879526B2 - ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、流体を圧送するポンプに係り、特に、ＬＮＧ、ＬＰＧ、液体窒素などの超低温液体を圧送するのに好適な、軸推力バランス機構を備えたポンプに関する。

ＬＮＧ／ＬＰＧなどの超低温液体を、半地下式の貯留タンク、船舶の貯留槽などから圧送するのに大容量のモータポンプが用いられている。この種のポンプでは、一般に立軸ポンプが用いられ、羽根車前後の圧力アンバランスにより発生する下向きの力、回転体自重による下向きの力、流れの方向転換により発生する下向きの力などから下向きの軸推力（軸スラスト）が発生する。このため、軸推力バランス機構を設け、下向きの軸推力にバランスする上向きの力を回転体に作用させ、軸スラストのバランスを取ることで軸受の負担を軽減し、軸受の保護を図っている。

上述したように、ポンプの軸スラストは上記スラストバランス機構で完全にバランスする設計になっている。しかしながら、上記スラストバランス機構で軸スラストが完全にバランスするのは、ポンプの定常運転状態である。ポンプ始動時の過渡状態においては、ポンプ吐出側にガス溜まりがあると、ポンプ吐出し圧はガス溜まりがなくなるまで上昇しない。従って一般にポンプ最終段羽根車の背面側に設けられているスラストバランス機構に、必要な静圧が形成されず、軸スラストが回転体に作用することになる。このため、ポンプ始動時の軸スラストにより、軸受に負担がかかり、その寿命を低減する可能性があるという課題があった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、始動時にも軸スラストが回転体に作用せず、始動時の軸スラストによる軸受の損傷という問題が無く、安定した始動が可能なポンプを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の立軸ポンプは、前記ポンプの始動時に、前記ポンプの吸込段羽根車の回転により発生する静圧に基づいて、前記ポンプの回転軸に作用する軸推力に対して反対方向の力を作用させるバランスピストン機構を、前記ポンプ回転軸の吸込側に備えたことを特徴とするものである。

前記バランスピストン機構は、ケーシングと、前記ポンプの回転軸に固定したバランスピストンと、前記バランスピストンに対して僅かな隙間を有して配置されたケーシング側に固定されたバランスブッシュと、前記バランスピストンとバランスブッシュの間の隙間の上流側かつ下側に配置された高圧室と、前記バランスピストンとバランスブッシュの間の隙間の下流側かつ上側に配置された低圧室と、前記ポンプの吸込段羽根車の回転により発生する静圧を前記高圧室に導入する配管とを備える。

ポンプの吸込段羽根車の回転により発生する静圧を、その静圧のほぼ最大位置である羽根車外周付近から取り出し、前記ポンプ回転軸の吸込側に備えたバランス機構の高圧側に導入することで、ポンプ始動時のガス溜まりなどによる軸スラストをバランスさせることができる。これにより、始動時の過渡的に生じる軸スラストをバランスさせることができ、始動時の軸受の負担を無くし、軸受の損傷という問題が生ぜず、安定した始動が可能となる。

前記バランスピストン機構の低圧室と前記ポンプの最終段出口側減速構造部の途中または出口付近とを接続する配管を備えることで、ポンプ吐出側のガス溜まりが無くなり、十分な静圧が形成されると、前記バランスピストン機構の高圧側と低圧側は定常状態の圧力となり、このバランスピストン機構からは始動時の軸スラストを補償する力が生じなくなり、スムーズに定常運転状態のスラストバランス機構によるバランス動作に移行することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の第１実施形態のポンプを示す。このポンプは、ＬＮＧ／ＬＰＧ等の超低温液体の圧送用ポンプである。ポンプケーシング１１内には、回転軸１２がその中央に配置され、回転軸１２は玉軸受１３，１４により回転自在に支持されている。回転軸１２の下部には、羽根車１５とその下部にらせん状の流路を備えたインデューサ１６とが固定され、吸込口Ｓから吸込まれた流体は、インデューサ１６及び羽根車１５により加圧され、ガイドベーン１７からなる減速機構部により加圧された流体の有する速度エネルギーが圧力エネルギーに変換され、流体流路１８を通り、吐出口Ｔより送出される。

回転軸１２はモータによって回転駆動され、ポンプケーシング１１内にモータステータ２１と、これと同軸状に回転軸１２に固定されたモータロータ２２とが配置されている。電力ケーブル２３が接続ボックス２４を介してモータステータ２１に接続され、モータステータ２１が外部から電力の供給を受け、モータロータ２２を回転駆動することで、回転軸１２が回転し、これに接続した羽根車１５及びインデューサ１６が回転し、吸込口Ｓより吸込まれた流体を加圧する。

この種のポンプでは、使用する材料は低温脆性を考慮したものが採用され、一般に回転シール部が無く、外部への液化ガスの漏れは全くなく、信頼性の高い機構が採用されている。また、電力ケーブルも超低温下で使用可能なものが採用され、安定な運転動作が確保されている。

図示するように、モータステータ２１の外周側に流体流路１８が配置され、モータステータ２１はポンプの自液で冷却される。ポンプは、回転軸１２を上部玉軸受１３及び下部玉軸受１４でラジアル方向に支持され、定常運転状態において、軸方向荷重は、最終段羽根車に装備されたスラストバランス機構１９によって完全バランスが達成されるため、軸スラストは作用しない。

このポンプのスラストバランス機構１９は、図２に示すように、羽根車１５の背面に一体的に形成されたスロットルリング１５ｃと、ケーシング側に設けられたウェアリング１９ｗと、同じくケーシング側に設けられたバランスシート１９ｓなどから構成されている。ここで、ケーシング側に設けられたウェアリング１９ｗと羽根車側リングとの間の円筒状隙間は、羽根車１５の軸方向変位に対して変わらないので、固定流路抵抗を構成する。また、ケーシング側に設けられたバランスシート１９ｓの羽根車背面への対向面とスロットルリング１５ｃの面との間の隙間は、羽根車１５の軸方向変位に比例するので、可変流路抵抗を構成する。ここで、バランスシート１９ｓの内側の室１９ｚは、ポンプ吸込側への連通流路１９ｍなどを備え、吸込側圧力に近い圧力となっている。

このスラストバランス機構１９の動作は、以下のとおりである。下向きの軸スラストが大きく、羽根車１５が下向きに移動すると、バランスシート１９ｓとスロットルリング１５ｃとの間の可変流路抵抗隙間が開き、バランスシート１９ｓの内側の室１９ｚの圧力は吸込側圧力に近いので、羽根車１５の背面の室１９ｙの圧力が低下し、これにより羽根車１５に上向きの力が作用し、羽根車１５は上向きに移動する。逆に、羽根車１５が上向きに移動すると、バランスシート１９ｓとスロットルリング１５ｃとの間の可変流路抵抗隙間が狭くなり、羽根車１５の背面の室１９ｙの圧力が上昇し、これにより羽根車１５に下向きの力が作用し、羽根車１５は下向きに移動する。このようにして、スラストバランス機構１９により、定常運転状態においては、軸スラストは完全にバランスした状態になっている。

しかしながら、実際には、始動直後の一定時間の間は、最終段羽根車背面において、ポンプ吐出圧が立たないため、最終段羽根車背面の静圧を利用したスラストバランス機構１９は、十分にその機能を発揮できない。このため、羽根車の流体加圧に伴う静圧による軸スラストのみが有効に作用し、過大な下向き荷重（軸スラスト）が作用することになる。すなわち、ポンプで発生した遠心力による羽根車周辺の静圧分布は存在するが、ガス溜まりなどが存在すると、次段に達する前にガイドベーン前後における逆流、衝突などによる損失により、最終段羽根車背面の圧力はほとんどゼロの状態になる。したがって羽根車各段に静圧分布が存在しても、スラストバランス機構１９の作動に必要な最終段羽根車背面での十分な静圧を生ずることはないことになる。

そこで、ポンプの下部にバランス機構（バランスピストン機構３０）を設置することで、容易に荷重のバランスを取り、ポンプ始動時の軸スラストを軽減することができる。このバランスピストン機構３０は、ケーシング３１と、前記ポンプの回転軸に固定したバランスピストン３３と、前記バランスピストンに対して僅かな隙間を有して配置されたケーシング側に固定されたバランスブッシュ３４と、前記バランスピストンとバランスブッシュの間の隙間の上流側に配置された高圧室３５と、前記バランスピストンとバランスブッシュの間の隙間の下流側に配置された低圧室３６とから構成されている。

そして、ポンプの吸込段羽根車１５の回転により発生する静圧を、高圧室３５に導入する配管３７とを備えている。配管３７は、ポンプの吸込段羽根車の外周１５ａ付近に開口し、羽根車１５の回転により発生する最大の静圧を、吸込段羽根車外周付近から取り出すようにしている。

すなわち、ケーシング３１は蓋体３２により閉塞され、ケーシング３１の上端面の開口から回転軸１２が挿入され、回転軸１２の端部にバランスピストン３３が固定され、ケーシング３１側に固定されたバランスブッシュとの僅かな隙間によりバランスピストン機構を構成している。ケーシング３１の上端面開口には、すべり軸受３８が配置され、回転軸１２の吸込側端部をラジアル方向に支持し、回転軸１２の端部の触れ回りを防止している。ケーシング３１は、リブ３９によりポンプケーシング１１に固定されている。

このバランスピストン機構３０の動作は以下のとおりである。ポンプの始動時に、羽根車周辺の流体流路にガス溜まりなどがあると、羽根車１５及びインデューサ１６の回転に伴い、吸込口Ｓから流体が吸込まれるが、ポンプのスラストバランス機構１９が動作する部分では、静圧は殆どゼロの状態にある。一方で、吸込段羽根車の回転により流体が吸込まれ、加圧されると吸込段羽根車の外周には静圧が生じ、軸スラストが生じる。

しかしながら、この時点でポンプのスラストバランス機構１９が動作する部分では、静圧は殆どゼロの状態にあるので、スラストバランス機構１９は動作しないが、配管３７が、ポンプの吸込段羽根車の外周１５ａ付近に開口し、羽根車１５の回転により発生する最大の静圧を、吸込段羽根車外周付近から取り出し、バランスピストン機構３０の高圧室３５に導入する。これにより、バランスピストン３３に上向きの力が作用し、上記ポンプ始動時の軸スラストとバランスさせ、玉軸受１３，１４への負荷を軽減することができる。

ここで、高圧室３５に導入された流体は、バランスピストン３３とバランスブッシュ３４との隙間を通り低圧室３６に入り、さらに、すべり軸受３８と回転軸１２との隙間を通り、吸込側に戻される。

従って、ポンプ回転軸の吸込側端部にバランスピストン機構３０を配置し、吸込段羽根車による加圧静圧を取り出し、高圧室に導入することで、ポンプ始動時のスラストバランス機構１９が動作しないときにも、軸スラストをバランスさせ、玉軸受１３，１４の負荷を軽減し、この損傷を防止できる。なお、バランスピストン機構３０を回転軸１２の吸込側端部に設けることで、既存のスラストバランス機構１９に手を加えることなく、始動時の軸スラストの問題を解決することができる。また、上記図１は、単段ポンプの例であるが、多段ポンプ、特に段数の多い高圧ポンプで有効である。

なお、図３に示すように、バランスピストン機構３０の低圧室３６と、ポンプの最終段出口側減速構造部の途中または出口付近とを接続する配管４０を備えるようにしてもよい。出口側減速機構部とは、この実施形態では、ポンプケーシングの流体流路にガイドベーン１７が配置された部分であり、ポンプ羽根車により加圧された流体の速度エネルギーが圧力エネルギーに変換される部分である。ポンプ最終段の減速機構部に十分な静圧が形成されることは、ポンプ始動時に存在したガス溜まりが消滅し、ポンプの加圧流体がその部分に充満し、スラストバランス機構１９が正常に作動する状態であることを意味する。

バランスピストン機構３０の低圧室３６と、ポンプの最終段出口側減速構造部の途中または出口付近とを接続する配管４０を備えることで、バランスピストン機構３０において、ポンプ始動時のガス溜まりが消滅し、スラストバランス機構１９が作動するようになると、低圧室３６と高圧室３５の圧力がバランスするようにできる。従って、ポンプ始動時にガス溜まりが存在し十分な静圧が存在しないときには、バランスピストン機構３０が作動し、ガス溜まりが消滅し十分な静圧になると、バランスピストン機構３０は完全にバランスした状態となり、その機能を終え、以降の軸スラストのバランスはスラストバランス機構１９に移行することになる。

図４は、本発明の第２実施形態のポンプを示す。このポンプは、例えばＬＮＧタンク内でＬＮＧに浸漬して用いられるインタンク型サブマージドモータポンプの例である。このポンプは、ＬＮＧタンク内に設置されたディスチャージコラム２０内に据え付けられる。ディスチャージコラム２０は、図示しない送液管に接続され、ポンプで加圧された流体がディスチャージコラム２０の上部から送液管に送出される。

このポンプにおいても、羽根車１５及びインデューサ１６を備えた回転軸１２がモータ２１，２２により回転駆動され、吸込側から吸込まれた流体を加圧し、吐出側に吐出する。回転軸１２は上部玉軸受１３及び下部玉軸受１４によりラジアル方向に支持され、スラスト方向の荷重はスラストバランス機構１９により定常運転時には完全にバランスするようになっている。そして、回転軸１２の末端には、ポンプ始動時のガス溜まりなどによる軸スラストのアンバランスを補償するためのバランスピストン機構３０を備えている。

図５は、このバランスピストン機構３０の構成例を示す。このバランスピストン機構３０においても、バランスピストン３３とバランスブッシュ３４との間の隙間の上流側（下側）に高圧室３５が設けられ、下流側（上側）に低圧室３６が設けられ、高圧室３５は配管３７によりポンプ吸込段の羽根車外周付近に連通している点は、上記実施形態と同様である。なお、低圧室３６は上記実施形態と同様に、ポンプの最終段出口側減速構造部の途中または出口付近と連通させるようにしても良い。

図５に示すバランスピストン構造で、ポンプ始動時の軸スラストを低減する力を付与するには、バランスピストン３３の径を大きくすることによるか、羽根車外周付近から取り出す静圧をより大きくすることを考慮する必要がある。また、バランスピストンとブッシュ間の隙間部分からの漏洩量を極力小さなものにすることも重要である。漏洩量Ｑは圧力Ｐの平方根に比例し、漏洩隙間円環部径におおよそ比例する。また、発生荷重Ｗは圧力Ｐに比例し、漏洩隙間円環部径の二乗に比例する。

バランスピストンとブッシュ間の隙間は、０．１−０．２ｍｍ程度であり、上記を考慮すると、バランスピストンの直径はポンプ羽根車吸込側のライナリング直径の２倍程度とすることで、ポンプ始動時の軸スラストを補償するのに十分な荷重が得られると考えられる。

図６は、上記バランスピストン機構の変形例を示す。このバランスピストン構造は、ケーシング３１内に、バランスピストンを複数個設けることによって、ポンプ始動時の過大な下向き荷重を軽減するようにしたものである。すなわち、高圧室３５ａと低圧室３６ａとの間に、バランスピストン３３ａを配置し、高圧室３５ｂと低圧室３６ｂとの間にバランスピストン３３ｂを配置している。高圧室３５ａ，３５ｂは、配管３７ａ，３７ｂを介してポンプの吸込段羽根車の外周１５ａ付近（図３参照）に連通し、低圧室３６ａ，３６ｂは、配管４０ａ，４０ｂを介してポンプの最終段出口側減速構造部１７の途中または出口付近（図３参照）と連通している。また、回転軸１２はブッシュ３４ａ，３４ｂにより回転可能に支持されている。

特に、高圧多段のコラム式ポンプの場合、ポンプ始動時にスラストバランス機構の位置まで静圧が上昇するのに時間がかかり、この間に過大な軸スラストが発生し、従来のままの玉軸受では損傷する恐れがあった。しかしながら、上記のバランスピストン機構などのバランス機構を設けることで、上記過大な軸スラストを軽減する荷重を発生でき、こうした不具合を回避することが出来る。

ここで、これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。

本発明の第１実施形態のポンプを示す図である。 スラストバランス機構の拡大断面図である。 図１の変形例のポンプを示す図である。 本発明の第２実施形態のポンプを示す図である。 ポンプ始動時の軸スラストを軽減するバランス機構の構成例を示す図である。 図５の変形例のバランスピストン機構を示す図である。

符号の説明

１１ ポンプケーシング
１２ 回転軸
１３，１４ 玉軸受
１５ ポンプ羽根車
１５ａ 羽根車外周
１５ｃ スロットルリング
１６ インデューサ
１７ ガイドベーン
１８ 流体流路
１９ スラストバランス機構
１９ｓ バランスシート
１９ｍ 連通流路
１９ｗ ウェアリング
１９ｙ，１９ｚ 室
２０ ディスチャージコラム
２１ モータステータ
２２ モータロータ
２３ 電力ケーブル
２４ 接続ボックス
３０ バランスピストン機構
３１ ケーシング
３２ 蓋体
３３ バランスピストン
３４ バランスブッシュ
３５，３５ａ，３５ｂ 高圧室
３６，３６ａ，３６ｂ 低圧室
３７，３７ａ，３７ｂ，４０，４０ａ，４０ｂ 配管
３８ すべり軸受
３９ リブ
Ｓ 吸込口
Ｔ 吐出口

Claims (5)

1. スラストバランス機構を備えた立軸ポンプであって、
   前記ポンプの始動時に、前記ポンプの吸込段羽根車の回転により発生する静圧に基づいて、前記ポンプの回転軸に作用する軸推力に対して反対方向の力を作用させるバランスピストン機構を、前記ポンプ回転軸の吸込側に備え、
   前記バランスピストン機構は、ケーシングと、前記ポンプの回転軸に固定したバランスピストンと、前記バランスピストンに対して僅かな隙間を有して配置されたケーシング側に固定されたバランスブッシュと、前記バランスピストンとバランスブッシュの間の隙間の上流側かつ下側に配置された高圧室と、前記バランスピストンとバランスブッシュの間の隙間の下流側かつ上側に配置された低圧室と、前記ポンプの吸込段羽根車の回転により発生する静圧を前記高圧室に導入する配管とを備えたことを特徴とするポンプ。
2. 前記ポンプの吸込段羽根車の回転により発生する静圧を、前記吸込段羽根車外周付近から取り出すことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
3. 前記バランスピストン機構に、すべり軸受を備えたことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
4. 前記バランスピストン機構の低圧室と前記ポンプの最終段出口側減速構造部の途中または出口付近とを接続する配管を備えたことを特徴とする請求項１記載のポンプ。
5. 前記ポンプの始動時には前記バランスピストン機構により前記軸推力がバランスされ、前記ポンプの定常運転時には前記スラストバランス機構による前記軸推力のバランス動作に移行することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のポンプ。

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