JP4965916B2 - キャンドモータポンプ - Google Patents

Description

本発明は、キャンドモータポンプのキャン内の取扱い流体の流れの制御に関する。

モータの出力軸の一端に低圧側インペラ、他端に高圧側インペラを設けた対向型のインペラを有し、低圧側インペラにより吐出された取扱い流体を高圧側インペラに送り、さらにここで加圧して送り出すキャンドモータポンプが知られている。このような、対向型のインペラを有するキャンドモータポンプが、下記特許文献１，２に記載されている。

キャンドモータポンプは、モータのロータおよび出力軸がキャンに収められており、またキャン内は、取扱い流体で満たされている。この取扱い流体により、出力軸を支持する軸受の潤滑および冷却、ロータの冷却が行われる。特許文献１，２に示されるキャンドモータポンプにおいては、高圧側インペラにより吐出された取扱い流体をキャン内に導き、低圧側インペラの吐出側に流し、潤滑および冷却を行っている。

特開平１０−１１５２９５号公報 特開２０００−３２４７４７号公報

キャンドモータポンプに限らず、遠心ポンプの一般に、締め切り運転付近の流量が少量となる運転領域においては、取扱い流体の温度が上昇する。前記公報のキャンドモータポンプのように、高圧側インペラの吐出した取扱い流体をキャン内に送る場合、小流量運転による取扱い流体の温度上昇のために、軸受、ロータ等を十分に冷却ができない場合があるという問題があった。

また、取扱い流体が比較的沸点の低い液体であると、暖まった液体が、低圧側インペラの吸込側の低い圧力の部分で気化し、ポンプが運転できなくなる場合があるという問題があった。

本発明は、小流量運転が可能な、対向型のインペラを有するキャンドモータポンプを提供する。

本発明のキャンドモータポンプは、対向型のインペラを有し、取扱い流体を、低圧側インペラと、低圧側インペラと対向して設けられる高圧側インペラにより順次加圧する多段の構成を採り、モータ出力軸の低圧側インペラが設けられた側に高圧側インペラと対向して、補助インペラを更に設ける。補助インペラは、取扱い流体を、キャン内に送り込み、ここを通過させて高圧側インペラ背面側から吸込側に送り込む。

温度が上昇した取扱い流体がポンプ内を循環することが防止でき、更なる温度上昇を防止することができる。

また、高圧側インペラの背面側には、環状の固定オリフィスを設け、この固定オリフィスの内側に高圧側インペラの吸込側の圧力を導くバランスホールを設けることができる。

また、モータの出力軸の高圧側インペラが設けられた側の端部に、補助インペラが送り出した取扱い流体を、高圧側インペラの背面側から吸込側に導く導出孔を設けることができる。

また、高圧側インペラの背面側に、高圧側インペラの軸方向の位置により隙間が変化する可変オリフィスを設けることができる。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態のキャンドモータポンプ１０の全体構成を示す断面図である。キャンドモータポンプ１０は、モータ１２と、モータ１２の軸方向の両端に配置された遠心ポンプである低圧段ポンプ１４、高圧段ポンプ１６を有する。取扱い流体は、吸込管１８から低圧段ポンプ１４に吸い込まれ、低圧段ポンプ１４により送り出され、接続管２０を通って高圧段ポンプ１６に送られる。そして、高圧段ポンプ１６で更に加圧されて吐出管２２より吐出される。

モータ１２は、軸受２４，２５に支持された出力軸２６とロータ２８が円筒形のキャン３０内に収められ、ロータ２８を囲むように、キャン３０の外側にステータ３２が配置される構成を有する。キャン３０内部は、低圧段ポンプ１４のケーシング３４内部および高圧段ポンプ１６のケーシング３６内部と連通し、取扱い流体で満たされている。出力軸２６の両端、すなわち図１において、左右に延びた軸の両端には、それぞれ低圧段ポンプ１４の低圧側インペラ３８および高圧段ポンプ１６の高圧側インペラ４０が固定されている。

図２は、低圧段ポンプ１４側の詳細構成を示す断面図である。前述したように、出力軸２６には低圧側インペラ３８が固定されている。本実施形態の低圧側インペラ３８は、前後面にシュラウドを有する両面シュラウド型のインペラである。低圧側インペラ３８の更に前方には、インデューサ４２が固定されている。また、出力軸２６の、低圧側インペラ３８の後側には、補助インペラ４４が配置され、低圧側インペラ３８およびインデューサ４２と同様に出力軸２６により駆動される。補助インペラ４４は、遠心ポンプのインペラであり、本実施形態では、後面シュラウドのみ設けられた前面開放型のインペラである。

低圧段ポンプのケーシング（以下、低圧段ケーシングと記す。）３４は、吸込管１８と一体化された前面ケーシング４６と、後面ケーシング４８と、低圧側インペラ３８と補助インペラ４４の間に介在する中間ケーシング５０とを有する。この中間ケーシング５０によって、低圧段ケーシング３４の内部の空間は、低圧側インペラ室５２と補助インペラ室５４に分けられている。後面ケーシング４８は、更に後方に延び、軸受２４を保持する軸受ホルダ５６が設けられている。さらに、後面ケーシング４８には、補助インペラ４４が吐出した取扱い流体をキャン３０内に送るための貫通孔５７が設けられている。

出力軸２６に駆動されて低圧側インペラ３８が回転すると、取扱い流体はインペラにより、その外周部に送り出され、大部分は接続管２０へと流れる。取扱い流体の一部は、低圧側インペラ室５２内の低圧側インペラ３８の背面側を通って、補助インペラ室５４へと流れる。そして、補助インペラ４４により送り出され、貫通孔５７を通って、また補助インペラ４４の背面側から軸受２４を通って、キャン３０内へと流れる。

図３は、高圧段ポンプ１６側の詳細構成を示す断面図である。出力軸２６の、もう一方の端には、高圧側インペラ４０が固定されている。高圧側インペラ４０も、両面シュラウド型のインペラである。高圧側インペラ４０の後面シュラウドの背面側には、後面ウェアリングリング５８が設けられている。また、高圧側インペラ４０の後面シュラウドの最も内側の部分に、高圧側インペラ４０の吸込側と、背面側を連通するバランスホール６０が設けられている。高圧段ポンプのケーシング（以下、高圧段ケーシングと記す。）３６は、接続管２０が接続される前面ケーシング６２と、後面ウェアリングリング５８に径方向に対向して固定オリフィス６３を形成する固定オリフィス形成部６４を有する後面ケーシング６６とを有する。さらに、後面ケーシング６６には、後面シュラウドに向けて軸方向に突出した円環状の可変オリフィス形成壁６８が設けられている。可変オリフィス形成壁６８の半径は、形成壁６８がバランスホール６０の配置された位置より外側に位置するように定められている。可変オリフィス形成壁６８の先端面と後面シュラウドの間の隙間によりオリフィス６９が形成される。このオリフィスは、高圧側インペラ４０の軸方向の動きによりその隙間が変化する可変オリフィス６９である。

後面ケーシング６６の後方には、軸受２５を保持する軸受ホルダ７０が結合されている。軸受ホルダ７０の、軸受２５より高圧側インペラ４０側の位置に、ホルダ７０の外周側から内周側に貫通する貫通孔７２が設けられている。出力軸２６に高圧側インペラ４０を固定するボルト７４には、その軸線に沿って貫通孔７６があけられている。このボルト７４がねじ込まれる出力軸２６のねじ穴の下穴７８は、ボルト長より十分に長く形成されている。下穴７８の延長された部分を貫通するように、出力軸２６には、径方向に延びる貫通孔８０が明けられている。さらに、高圧側インペラ４０の出力軸２６に嵌る円筒部分の、貫通孔８０に対向する部分にも貫通孔８２が明けられている。

補助インペラ４４より送り出された取扱い流体は、ロータ２８とキャン３０の隙間等を通り、さらに軸受２５または軸受ホルダ７０の貫通孔７２を通り、バランスホール６０を通って、高圧側インペラ４０の吸込側へと流れる。また、一部の取扱い流体は、貫通孔８０，８２、ねじの下穴７８、およびボルトの貫通孔７６を通って高圧側インペラ４０の吸込側へと導かれる。補助インペラ４４から高圧側インペラ４０の吸込側に送られた取扱い流体は、高圧側インペラ４０によりその大部分が吐出管２２に送られ、キャン内の潤滑、冷却し、温度が上昇した取扱い流体がポンプ内を循環することが防止される。

本実施形態のキャンドモータポンプ１０は、高圧段ポンプ１６に、固定オリフィス６３および可変オリフィス６９が設けられている。前記公報の従来のポンプにおいては、高圧側インペラの吐出圧を、このインペラの背面を通してロータ内に導き、更に低圧側インペラの背面に送り込んでいる。このため、インペラの背面を利用したスラストバランス機構を設けることができなかった。これに対し、本実施形態のキャンドモータポンプ１０においては、固定オリフィス６３および可変オリフィス６９を形成して、スラストバランスをとることが可能となっている。

前述のように、固定オリフィス６３は、高圧側インペラ４０の背面側に設けられた後面ウェアリングリング５８と後面ケーシングの固定オリフィス形成部６６により形成されている。ウェアリングリング５８の外周面と、固定オリフィス形成部６６の内周面が対向し、この両面の隙間が固定オリフィス６３を形成する。この両面の間隔は、高圧側インペラ４０の軸方向に移動により変化せず、この意味で「固定」の語を用いている。固定オリフィス６３により高圧側インペラ４０の吐出圧は、固定オリフィス６３の半径方向内側の領域には作用せず、一方この内側の領域には、バランスホール６０で導かれた高圧側インペラ４０の吸込側圧力が作用する。高圧側インペラ４０の前面シュラウドには、前面ウェアリングリング８４より外側の部分に吐出圧が作用する。前面、後面のウェアリングリング５８，８４の半径差に対応したスラストが高圧側インペラ４０に作用する。このスラストを、他の部分で発生するスラストとバランスさせる、または一部相殺させることにより、出力軸２６に発生するスラストを減少させることができる。

また、可変オリフィス６９は、高圧側インペラ４０の後面シュラウドと可変オリフィス形成壁６８の先端面により形成される。後面シュラウドと可変オリフィス形成壁６８の対向する面の間隔は、高圧側インペラ４０の軸方向の移動により変化し、この意味で「可変」の語を用いている。高圧側インペラ４０が図中右方向に移動すると、可変オリフィス６９の隙間が狭まり、固定オリフィス６３と可変オリフィス６９の間の空間の圧力は、吐出側の圧力の影響が強くなり、上昇する。したがって、高圧側インペラ４０を右へと移動させるスラストは弱くなるか、または左へと移動させるスラストが発生する。

逆に、高圧側インペラ４０が左に移動すると、可変オリフィス６９の隙間が拡がり、固定オリフィス６３と可変オリフィス６９の間の空間の圧力は、高圧側インペラ４０の吸込側圧力の影響を強く受け、低下する。これにより、高圧側インペラ４０を左へと移動させるスラストは弱くなるか、または右へと移動させるスラストが発生する。このように、可変オリフィス６９は、ポンプ吐出流量の変化などで生じるスラストの変化に対応して、スラストバランス機構により発生するスラストを変化させている。

なお、固定オリフィス６３と可変オリフィス６９は、いずれか一方を設けるようにもできる。

図４は、本実施形態のキャンドモータポンプ１０内の取扱い流体の流れを模式的に示す図である。このポンプ１０の主な流れ、すなわち取扱い流体のポンプ外部への送出に係る流れは、低圧側インペラ３８が吸い込んだ流体（Ｆ１）を、接続管を介して高圧側インペラ４０に送り（Ｆ２）、高圧側インペラ４０によりポンプ外部に送り出す（Ｆ３）流れである。これに対し、ポンプ内部の冷却、潤滑を行うための流れが存在する。これは、低圧側インペラ３８の吐出した流れの一部を補助インペラ４４に導き（Ｆ４）、補助インペラ４４で必要な揚程を与えてキャン内に送り出す（Ｆ５）。この流れ（Ｆ５）により軸受２４，２５の潤滑および冷却、ロータ２８の冷却が行われる。その後、バランスホールを通過して（Ｆ６）、またはボルトの貫通孔等を流れ（Ｆ７）、高圧側インペラ４０の吸込側に送られる。高圧側インペラ４０より吐出された取扱い流体の一部は、このインペラの背面側を流れ（Ｆ８）、バランスホールを通って（Ｆ６）、再び高圧側インペラ４０の吸込側に戻る。

軸受２４，２５やロータ２８を冷却して温度が上昇した取扱い流体は、その大部分が高圧側インペラ４０によって、ポンプ外に吐出される（Ｆ３）ので、ポンプ内の温度上昇を抑制することができる。また、温度が上昇した取扱い流体が、圧力の低い低圧側インペラ３８、特にその吸込側に送られることがなく、沸点の低い液体を取り扱う場合にも、液体の気化を防止することができる。

上記の実施形態においては、低圧段ポンプ１４，高圧段ポンプ１６共に、１段の遠心ポンプにより構成される例を示したが、必要に応じて、段数を増やし、多段の遠心ポンプを構成してもよい。

本実施形態のキャンドモータポンプ１０の概略構成を示す断面図である。 キャンドモータポンプ１０の低圧段ポンプ１４周囲の詳細構成を示す断面図である。 キャンドモータポンプ１０の押圧段ポンプ１６周囲の詳細構成を示す断面図である。 キャンドモータポンプ１０内の取扱い流体の流れを模式的に示す図である。

符号の説明

１０ キャンドモータポンプ、１２ モータ、１４ 低圧段ポンプ、１６ 高圧段ポンプ、２４，２５ 軸受、２６ 出力軸、２８ ロータ、３０ キャン、３４，３６ ケーシング、３８ 低圧側インペラ、４０ 高圧側インペラ、４４ 補助インペラ、５７ 貫通孔、５８ 後面ウェアリングリング、６０ バランスホール、６３ 固定オリフィス、６９ 可変オリフィス、７２ 貫通孔、７４ ボルト、７６ 貫通孔、７８ ネジの下穴、８０ 貫通孔。

Claims (4)

1. モータのロータおよび出力軸が取扱い流体で満たされたキャンに収められ、モータの出力軸の一端に低圧側インペラ、他端に高圧側インペラが対向して設けられ、低圧側インペラにより吐出された取扱い流体が高圧側インペラに送られ、さらに加圧される、キャンドモータポンプであって、
   低圧側インペラが設けられた側の出力軸に高圧側インペラと対向して設けられ、取扱い流体を、キャン内を通過させて高圧側インペラの背面側から吸込側に送る補助インペラ、
   を有するキャンドモータポンプ。
2. 請求項１に記載のキャンドモータポンプであって、
   高圧側インペラの背面側に設けられた環状の固定オリフィスと、
   高圧側インペラに設けられ、固定オリフィスの内側に高圧側インペラの吸込側の圧力を導くバランスホールと、
   を有するキャンドモータポンプ。
3. 請求項１または２に記載のキャンドモータポンプであって、
   高圧側インペラが設けられた側の出力軸の端部に設けられ、補助インペラが送り出した取扱い流体を、高圧側インペラの背面側から吸込側に導く導出孔、
   を有するキャンドモータポンプ。
4. 請求項２または３に記載のキャンドモータポンプにおいて、
   高圧側インペラの背面側に設けられ、高圧側インペラの軸方向の位置により隙間が変化する可変オリフィス、
   を有するキャンドモータポンプ。

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