JP4928265B2 - 多段遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、多段式構造の遠心ポンプであって、各ポンプ段が１つ以上の部材から構成されるケーシングと該ケーシング内に配設される羽根車とを有しており、複数のポンプ段が流れ搬送系統に接続可能に入口及び出口末端部間に配設されると共に接続手段によりそれらの間に保持されており、全羽根車が少なくとも２つのポンプ軸受において支持された１つのポンプシャフトに設けられ、ポンプシャフト端部が駆動装置の接続手段のための受け部を備えており、前記遠心ポンプを据付け位置に固定するために外部支持手段が前記末端部の領域に配設されている遠心ポンプに関するものである。

連接型(linked)ポンプとして形成されたこの方式の各遠心ポンプは、高圧力レベルで流体を搬送するために設計されている。これらは個々の装置として形成されており、そのポンプシャフトは、例えば電気モータ又はタービンである駆動機械に結合要素を介在させて接続されている。遠心ポンプ及び駆動機械は、床板又は基礎に一緒に装着されている。それらは、高圧が必要とされる発電プラント又はその他の設備において多段給水ポンプとしてしばしば使用されている。末端部間のポンプ段の配置と多段構造の結果として、ポンプ段の数と構造形式を変えることにより、それらの製造中に、異なる運転条件に簡単な方法で適応することが可能である。この目的のため、接続手段及びポンプシャフトは、遠心ポンプの対応する全長と整合されていなければならず、また、床板又はポンプ基礎は全長に対応するよう設計されていなければならない。

遠心ポンプのこのような一般的な構造形式は、ＤＥ２２０４９９５Ａ１及びＤＥ２６１４１６３Ｂ１から既知であり、また、ＫＳＢ社の遠心ポンプ辞典第３改訂版、１８５頁から既知である。これらの多段連接型ポンプが接続される場合、ポンプシャフトの各ポンプ軸受は、遠心ポンプの末端部から距離を置いて且つ外部に配置されている。ポンプ軸受間の距離は、取り付けるべきシャフトシールもしくは軸封用の所要スペースのために増しており、該シャフトシールにより遠心ポンプのケーシングから流体が出るのが防止されている。これに由来するシャフト軸受間の大きな軸受距離は、結果として回転構成要素の好ましくない振動を生じさせるかも知れないので、振動の点から見て欠点である。また、末端部を介して遠心ポンプに伝えられるパイプライン力の吸収は、遠心ポンプの力の状態に対して悪影響をもたらすものである。

外部支持手段は、かかる遠心ポンプを各使用箇所で固定する機能を果すと共に、末端部に、さもなければ遠心ポンプの末端部間に、設けられている。脚、バッテンもしくは当て板、或いは支柱として構成されるのが一般的なこれら外部支持手段が好ましい位置に選択されていないと、組立遠心ポンプに関する限りでは、回転構成要素の振動挙動に対して悪影響を及ぼす可能性がある。

本発明の基礎になっている課題は、多段遠心ポンプにおいて、回転系の振動挙動を最適化すると共に、高回転速度での運動を可能とすることである。この課題の解決策は、互いから最大距離にある２つのポンプ軸受の相互に対峙する軸受端面間の軸受距離Ｌ_Lが、最小段全高Ｌ_Mに、値１を引いたポンプ段の数を乗じた積よりも小さいか又は等しいことである。

この解決策は、ロータと呼ばれる遠心ポンプの回転部材を特に剛に設計することに成功している。この場合、滑り軸受の形態のポンプ軸受の軸受端面は、滑り軸受隙間の開始点があるか或いは滑り軸受隙間の流入孔がある部位に配設されている。回転している軸受について言えば、それは、最小距離を確実にする軸受リムの端表面である。ポンプ軸受間の極めて小さい距離は、回転系全体の設計を特に安定化する結果になる。また、シャフト取付部は大きな荷重が加わる羽根車の直ぐ近くに配置されている。

軸受距離にとって重要な最小段全高Ｌ_Mは、ポンプシャフトに投影され且つ軸方向に計測される、互いに続く２つの羽根車出口幅間の中心距離により決定されている。互いに続く羽根車の羽根車入口間の距離は、同様にこの目的のために使用することができる。

実施形態は、吐出側ポンプ軸受が、吐出接続部材横断面の投影(projection)がポンプシャフトに向けられるそれ自体既知の方法で配置されることを可能としている。吐出側ポンプ軸受は、最終ポンプ段に同様に配設されることができ、或いは吐出側ポンプ軸受は、流れ方向において最終ポンプ段の前に置かれたポンプ段の間に又はポンプ段の中に配設されている。これらの措置により、特に、２桁の数のポンプ段を備えた遠心ポンプの場合、シャフト及び羽根車から構成される、実質的にもっと剛な構造のロータが得られることになる。

軸受距離を短縮する目的は、吸込側ポンプ軸受が第１ポンプ段に配設される措置によって果され、また、吸込側ポンプ軸受が第１ポンプ段に続く後続のポンプ段の間に又はポンプ段の中に配設されている措置によって果されることになる。

ポンプシャフトの吐出側又は吸込側端部に最も近くにあるこれら軸受は、外側ポンプ軸受と考えられ、それらの間では、各ポンプ段の羽根車の全て又は幾分かがポンプシャフトに配置されている。また、ポンプ段は、１つ以上の流れ搬送部材から構成される囲繞ケーシングと一緒に羽根車により形成されている。インデューサ、補正装置、補助羽根車又はシールのような特別の付随的構成要素は、この点において、ポンプ段を構成していない。

剛な形式のポンプ構造は、２つの外側ポンプ軸受の軸受中心間の距離Ｌ_Lがシャフト方向に測定した支持手段間の距離Ｌ_Aよりも小さいか又は等しいときに得られる。支持手段は末端部の領域に配設されているので、これは全体的な振動挙動の改善になる。このことは、これが支持手段の特に大領域の配置になるためであり、その結果、後からの据付位置での遠心ポンプの固定が特に安定化することになる。従って、遠心ポンプに作用するパイプライン力は、回転するポンプ部材に対する悪影響なしに確実に基礎に伝えられることになる。

それ自体既知の方法で、接続手段は末端部に配設され、従って、遠心ポンプの主たる部材が互いに保持されることを確実にしている。

ポンプシャフトの吸込側軸受はポンプケーシング内に必ず配設されているので、ポンプ軸受が圧力担持ケーシングの外側に配置される軸受構造と比較して、付加的なシャフトシールが不用にされ、運転の信頼性の向上が得られることになる。軸受距離の短縮は、全体的に見て、回転する構成要素の振動挙動を改善している。

別の実施形態によると、吐出側ポンプ軸受は出口末端部に配設されている。また、この措置は、遠心ポンプに接続されるパイプラインと据付け位置における基礎との間の力の流れ(force flux)を改善している。それにより可能な直線的な力の流れは、もはや回転する構成要素の振動挙動に対して何ら悪影響を及ぼさなくなる。

より剛なシャフト取付部は低いシール荷重になるので、シャフトシールをシャフト端部及び最も近いポンプ軸受の間の領域に配設することが有利であることが分かった。

入口及び／又は出口末端部は、別個の構成要素として形成されていると共に、力伝達方式でポンプ段部材に当接している。また、入口及び／又は出口末端部は、ポンプ段部材の一体要素であってもよい。

ポンプ段の数が多数の場合、例えば、１０段以上のポンプ段が使用される場合、相互に対峙する軸受端面間で測定される最小軸受距離Ｌ_Lminが値２〜５を引いたポンプ段の数に最小段全高さを乗じて決定されることが有利であることが分かった。

本発明の例示的実施形態は、添付図面に記載されており、以下により詳細に説明されている。

図１の例示的な実施形態において、５段遠心ポンプが図示されており、該遠心ポンプの羽根車１は、各段のケーシング２中で回転すると共に、ポンプシャフト３に共同で固定されている。これらのポンプ段は、入口末端部４及び出口末端部６の間に配置されていると共に、圧力支持設計のポンプ段部材２.１〜２.５を有しており、該ポンプ段部材は更に流れ搬送取付具を受けている。この実施形態において、ポンプ段部材２.１〜２.４は同一部材として設計されている。入口末端部４は、例示的な実施形態の下半部において２つの部分になって設計されており、その別個の環状要素４は、力伝達方式により第１段のポンプ段部材２.６に支えられている。このポンプ段部材２.６は同時に、遠心ポンプの吸込ポート５を含むと共に、ケーシングのカバーの機能も果している。例示的な実施形態の上半部において、第１段のポンプ段部材２.６は、入口末端部４の一体構成部品であり、従って、１つの構成要素を形成している。

出口末端部６に関連して同様の挙動がある。それは図の上半部において複数構成の構造のものであり、最後のポンプ段部材２.５、即ち第５ポンプ段部材は、その中に一体化された構成部品である。ポンプ段部材２.５は、他のポンプ段の先行するポンプ段部材２.１〜２.４よりも長くなっている。それは大きな集合スペースを含み、その外に出ているのは吐出接続部材７であり、この吐出接続部材の助けを借りて、搬送流体は、接続されるパイプライン系統に導入されるようになっている。

出口末端部６は、図の下半部において別個の環状要素として形成されていると共に、図の下半部においてケーシング２.５の一体要素として図示されている。それは同時に外部接続手段８のための取付け部を形成しており、該取付け部により全てのポンプ部材が一緒に保持されている。ここに示した接続手段８は、末端部４，６の対応する開口部を通り案内される固定材であって、ねじ要素の助けを借りて、遠心ポンプが一緒に保持されるのを確実にしている。

末端部４及び６に配設されている支持手段９，１０は、遠心ポンプをその更なる据付け位置で固定することを可能にするものである。支持手段９，１０の間の距離Ｌ_Aは、ポンプシャフト３の軸受１１，１２間の距離Ｌ_Lよりも大きい。駆動装置に接続すべきシャフト端部１３は、ここで最後の即ち第５のポンプ段のケーシング２.５に設けられた吐出側軸受１１の近傍に位置している。この第５のポンプ段はカラー１４を有しており、該カラーは、ポンプ段部材２.５の駆動側端部から始まってより小さい直径でポンプ側部材２.５に突入し、従って、軸受１１のための受け部を形成している。更に、このカラー１４には、十分な空きスペースが存在しており、その中に軸方向スラスト補正装置１５を配設している。

軸受１１は吐出接続手段７のほぼ中央に位置しており、その結果、吸収されるべきパイプラインの力又は散逸されるべき振動の力の点から見て良好な力の伝わりが可能である。

この例示的な実施形態において、ポンプシャフト３の他方の吸込側軸受１２は、第１及び第２ポンプ段の間に配設されていると共に、ここでは第１段のケーシング２.１内に支持されている。

シャフトシール１６は、軸受１１とシャフト端部１３との間に配設されている。軸受１１及び１２は、媒体潤滑式軸受として設計され、搬送される流体により潤滑されるようになっている。これらの軸受は、滑り軸受及び／又は転がり軸受として設計することが可能である。それらの選択は、搬送されるべき流体や、生ずる軸受荷重に依存している。媒体潤滑式軸受のため、さもなければ使用される軸受潤滑のためのサービス間隔の必要がない。

遠心ポンプの力伝達式の支持手段９，１０間に軸受１１，１２を配置する結果として、吸込ポート５及び吐出接続部材７の領域で遠心ポンプに作用するパイプライン力は、振動挙動の点から見て最適に吸収されている。多段遠心ポンプの回転部材の軸受距離Ｌ_Lが非常に短い結果として、回転系の耐振動性が非常に高くなり、この形式の遠心ポンプの作動信頼性が決定的に向上することになる。

更に、ポンプ軸受１１，１２の間の短い軸受距離Ｌ_Lは、多段遠心ポンプを非常に短い構造とし、ポンプシャフトの振動及びその臨界回転速度がいい意味で決定的に影響を受けることになる。これは、ポンプシャフトの弾性曲線の改善となり、その結果、更なる利点として、回転ポンプ部材及び静止ポンプ部材間の隙間寸法を減少させることができる。これは効率の上昇になるが、その理由は、この場合に作動の信頼性を損なうことなく隙間流動損失が相当に減少するからである。短い構造形式であることは、概して材料の使用量及び運転コストを減少させるので、全体的に見てコスト低下になる。

末端部４，６を別個の構成要素として製造することは、これらを異なる材料から製作しうるという付加的な利点をもたらすものである。搬送すべき流体のため、この流体に接触する諸構成要素が高い等級の特別な鋼で構成しなければならない場合、力伝達方式で接続手段８が接続される末端部の部材は、コストを低減する方法でより廉価な材料で構成することができる。

図２は、吸込ポート５内に配置されたエントリースター(entry star)の使用を示している。それは、吸込側ポンプ軸受１２と協働する軸受ジャーナル１７を有している。ポンプ軸受１２は、この場合、ここでは吸込側シャフト端部１８の孔１８内にブッシュの形態で内蔵されている。ポンプ軸受１２を通る流体の循環は、図示しない対応の幅広潤滑孔により確保されている。

遠心ポンプを示す断面図である。 吸込側軸受構造を示す断面図である。

Claims (14)

1. 多段式構造の遠心ポンプであって、各ポンプ段が１つ以上の部材から構成されるケーシングと該ケーシング内に配設される羽根車とを有しており、流れ搬送系統への接続可能に複数のポンプ段が入口末端部及び該入口末端部から軸方向に離れた出口末端部の間に配設されていると共に、接続手段によりそれらの間に保持されており、全羽根車が少なくとも２つのポンプ軸受で支持された１つのポンプシャフトに設けられており、ポンプシャフト端部が駆動装置の接続手段のための受け部を備え、前記遠心ポンプを据付け位置に固定するために外部支持手段が入口末端部及び出口末端部の領域に配設されている遠心ポンプにおいて、互いから最大距離にある２つのポンプ軸受（１１，１２）の相互に対峙する軸受端面の間の軸受距離（Ｌ_Ｌ）は、値１を引いたポンプ段（２．１〜２．５）の数を隣接する２つの羽根車出口幅間の中心距離のうち最小である最小段全高（Ｌ_Ｍ）に乗じた積よりも小さいか又は等しく、全羽根車が設けられる１つのポンプシャフト（３）のシャフト端部（１３）と吐出側ポンプ軸受（１１）との間には、シャフトシール（１６）と軸方向スラスト装置が取り付けられていることを特徴とする遠心ポンプ。
2. 吐出側ポンプ軸受（１１）は、吐出接続手段（７）のほぼ中央に位置していることを特徴とする、請求項１に記載の遠心ポンプ。
3. 吐出側ポンプ軸受（１１）は、最終ポンプ段（２．５）に配設されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の遠心ポンプ。
4. 吐出側ポンプ軸受（１１）は、流れ方向において最終ポンプ段（２．５）の前に置かれたポンプ段の間に又はポンプ段の中に配設されていることを特徴とする、請求項２又は３に記載の遠心ポンプ。
5. 吸込側ポンプ軸受（１２）は、第１ポンプ段（２．１）に配設されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
6. 吸込側ポンプ軸受（１２）は、第１ポンプ段（２．１）に続く後続のポンプ段の間に又はポンプ段の中に配設されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
7. 互いから最大距離で配置された前記２つのポンプ軸受（１１，１２）の間の前記軸受距離（Ｌ_Ｌ）は、シャフト方向に測定され、前記支持手段（９，１０）の間の距離（Ｌ_Ａ）よりも小さいか又は等しいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
8. 前記支持手段（９，１０）は、前記末端部（４，６）の領域に配設されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
9. 前記接続手段（８）は、前記末端部（４，６）に配設されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
10. 前記吐出側ポンプ軸受（１１）は、前記出口末端部（６）に配設されていることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
11. 前記シャフトシール（１６）は、シャフト端部（１３）と最も近いポンプ軸受（１１，１２）との間の領域に配設されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
12. 前記入口及び／又は出口末端部（４，６）は、別個の構成要素として形成されていると共に、力伝達方式でポンプ段部材（２．５，２．６）に当接していることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
13. 前記入口及び／又は出口末端部（４，６）は、ポンプ段部材（２．５，２．６）の一体要素であることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。
14. 相互に対峙する軸受面間で測定される最小軸受距離（Ｌ_Ｌｍｉｎ）は、値２〜５を引いたポンプ段の数に隣接する２つの羽根車出口幅間の中心距離のうち最小である最小段全高を乗じたものに等しい１０段以上のポンプ段を備えたことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の遠心ポンプ。

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