JP5478379B2 - 多段ポンプ - Google Patents

Description

本発明は多段ポンプに関し、特に、多段ポンプの旋回流抑制構造に関する。

多段ポンプの羽根車最終段のハブ背面には、軸スラストを低減するためのバランスドラムが設けられている。バランスドラムは、軸と一緒に回転する回転側と、ケーシング側に取り付けられて固定されている固定側とで形成されており、回転側と固定側の間にはシール部と呼ばれる隙間が設けられている。シール部は漏れ流量を低減するために、半径方向隙間が狭く、軸方向に長い隙間となっている。シール部に流入する漏れ流量は、羽根車，ハブ及びバランスドラムの回転側から角運動エネルギを与えられるため、周方向の速度である旋回流れを有している。

シール部では、多段ポンプの軸振れ回り振動不安定を起こす、半径方向流体力と振れ回り方向流体力が発生する場合がある。不安定流体力を低減する方法として、シール部に流入する旋回流れの抑制する方法がある。

非特許文献１には、バランスドラムの固定側に放射状の溝を複数個設け、シール部に流入する旋回流れを抑制する方法が開示されている。この構造はスワールブレーカと呼ばれている。

また、特許文献１には、タービン翼車の背面での旋回流れを防止する方法として、タービン翼車の背面に板を設ける方法が開示されている。

特開２００３−２２７３４４号公報

ターボ機械第２８巻３号ｐ１３−２０

本発明が解決しようとする課題は、バランスドラムのシール部に流入する漏れ流れの旋回流れをより効果的に低減し、シール部に発生する不安定流体力をさらに低減させることである。

上記課題は、ケーシングと、該ケーシング内に軸装した回転軸と、該回転軸に装着された羽根車と、前記回転軸に装着されたハブと、前記回転軸に装着されたバランスドラム回転側と、前記ケーシングに装着されたバランスドラム固定側と、前記バランスドラム回転側と前記バランスドラム固定側の間に設けられた隙間であるシールと、前記バランスドラム固定側の吸込側端面に設けられ、前記シールよりも内径側に伸ばされた旋回止めリブと、を具備する多段ポンプによって解決される。

本発明によれば、バランスドラムのシール部に流入する漏れ流れの旋回流れをより効果的に抑制することができる。更に、羽根車の回転方向に対して逆方向の周方向速度を与えることもできるため、不安定流体力を更に抑制することができる。

実施例１のバランスドラムの斜視図。 実施例１のバランスドラムの正面図。 一般的な多段ポンプの断面図。 非特許文献１のバランスドラムの斜視図。 特許文献１のバランスドラムの斜視図。 特許文献１のバランスドラムの正面図。 実施例１のバランスドラム固定側の組み立て方法を示す図。 多段ポンプの最終段羽根車近傍の要部断面図。 実施例１のバランスドラムの断面図。 流体シミュレーションによる分析領域。 実施例１のバランスドラムのシミュレーション結果。 実施例１の変形例１のバランスドラムのシミュレーション結果。 実施例１の変形例２のバランスドラム固定側の斜視図。 実施例１の変形例３のバランスドラム固定側の斜視図。 実施例１の変形例４のバランスドラム固定側の要部断面図。 実施例２のバランスドラムの斜視図。 実施例２のバランスドラムの断面図。 実施例２の変形例のバランスドラムの要部断面図。 実施例３のバランスドラムの要部断面図。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図３の断面図を用いて、５段の多段ポンプを例に、一般的な多段ポンプの構造を説明する。

図３に示すように、多段ポンプのケーシング１００内には、回転軸２が軸装されている。この回転軸２には、４段の羽根車６と最終段羽根車９の合計５段の羽根車とハブ１０，バランスドラム回転側１１が装着されており、ケーシング１００には、各羽根車６に対応した案内羽根７，戻り羽根８，バランスドラム固定側１２が設けられている。バランスドラム回転側１１とバランスドラム固定側１２によって、バランスドラムが形成され、漏れ流量と軸スラストを低減する。

図１は、実施例１の多段ポンプで用いられるバランスドラムの斜視図である。図１において、２２は旋回止めリブである。また、図２は、図１のバランスドラムを矢印方向から見た正面図である。図２に示すように、バランスドラム回転側１１とバランスドラム固定側１２の間には、リング状の隙間が設けられている。以下では、この隙間をシール１３と呼ぶ。回転軸２が回転すると、回転軸２に固定したハブ１０とバランスドラム回転側１１も回転する。一方、バランスドラム固定側１２とそれに固定された旋回止めリブ２２は、ケーシング１００に固定されているため、回転しない。

図１や図２で示したバランスドラム固定側１２の組立方法の一例を図７に示す。ここに示すように、バランスドラム固定側１２を、上側部３８と下側部３９から構成される半割れ構造とする。本実施例のバランスドラム固定側１２は、このような半割れ構造を採っているので、回転軸２に、ハブ１０，バランスドラム回転側１１を取り付けた後、上側部３８と下側部３９で回転軸２を挟み込むことで、容易にバランスドラムを組み立てることができる。

次に、一般的なバランスドラムの詳細構造を、バランスドラム近傍の要部断面図である図８（ａ）を用いて説明する。上述したように、バランスドラムは回転側１１と固定側１２で構成されている。初段から最終段の羽根車にはポンプ吸込側（左方向）に軸スラストが作用するのに対し、バランスドラム回転側１１にはポンプ吐出側（右方向）に軸スラストが作用する。よって、バランスドラム回転側１１を設けることによって、軸スラストがキャンセルし合い、ポンプ全体に作用する軸スラストが低減されることになる。図に示すように、シール１３は、半径方向に狭く、軸方向に長くなっており、漏れ流れ（１４，１５，１６）の流量を低減している。シール１３に向かう漏れ流れ１４は、ハブ１０，バランスドラム回転側１１から角運動エネルギを与えられ、周方向の速度を有する旋回流れとなる。

ここで、非特許文献１で開示されるバランスドラム固定側の形状を、図４を用いて説明する。図４に示すように、非特許文献１では、シール１３に流入する漏れ流れ１４の旋回流れを抑制するために、バランスドラム固定側１２に放射状の溝１７を複数個設けている。

次に、特許文献１で開示されるバランスドラム固定側の形状を、図５を用いて説明する。図５に示すように、特許文献１では、シール１３に流入する漏れ流れ１４の旋回流れを抑制するために、バランスドラム固定側１２に放射状のリブ１８を複数個設けている。

図６は、特許文献１のバランスドラムを、図５の矢印の方向から見た図である。図６に示すように、リブ１８は、バランスドラム固定側１２の吸込側端面に設けられている。回転軸２の回転中心からバランスドラム固定側１２の最内周までの距離をＲ１、回転軸２の回転中心からリブ１８の最内周までの距離をＲ２とすると、Ｒ１≦Ｒ２を満たすようにリブ１８が設けられる。

非特許文献１や特許文献１のバランスドラムを用いると、図８（ｂ）に示す領域２０（シール１３よりも外径側の領域）だけでなく、領域２１（シール１３よりも内径側の領域）においても大きな旋回流れが発生していることが判明した。これは、領域２１において、ハブ１０に加え、バランスドラム回転側１１も漏れ流れに角運動エネルギを与えているためであると考えられる。

本実施例のバランスドラムでは、領域２１での旋回流れを効果的に抑制するため、図１に示すように、旋回止めリブ２２をシール１３よりも内径側に伸ばした。すなわち、回転軸２の回転中心からバランスドラム固定側１２の最内周までの距離をＲ１、回転軸２の回転中心からリブ２２の最内周までの距離をＲ３とすると、Ｒ３＜Ｒ１を満たすようにリブ２２を設けた。このリブ２２により、領域２１においても、旋回流れを効果的に抑制することができる。

図９は、図２をＡＡ′断面で見た断面図である。旋回止めリブ２２を設けた場合、領域２１にて旋回止めリブ２２がバランスドラム回転側１１と接触する可能性がある。このような接触を防ぐため、リブ２２とバランスドラム回転側１１の間に隙間２３を設ける。隙間２３の軸方向長さは特に限定せず、旋回止めリブ２２とバランスドラム回転側１１とが運転中に接触しないという条件を満足していれば良い。

図４に示す非特許文献１のバランスドラム、図５に示す特許文献１のバランスドラム、図１に示す本実施例のバランスドラムのそれぞれを用いた場合の、シール１３における漏れ流れの旋回流れについて、図１０，図１１を用いて、より詳細に説明する。

図１０は、漏れ流れの周方向速度をシミュレーションする領域を示す図である。図１０に示すように、シール入口３１からシール出口３２に向けて、分析位置２５，２６，２７，２８を定めた。なお、ここでは、分析位置２５〜２８を、シール長の３％，１４％，４４％，８０％の位置に設けた。

図１１において、■は非特許文献１のバランスドラムを用いた場合、○は特許文献１のバランスドラムを用いた場合、●は実施例１のバランスドラムを用いた場合の、各々の分析位置における周方向速度をシミュレーションで予測した結果である。なお、縦軸の正は羽根車と同じ回転方向の旋回流れを、負は羽根車と逆方向の旋回流れを意味している。なお、上述したように、逆方向の旋回流れが増すほど、不安定流体力をより効果的に低減することができる。

非特許文献１のバランスドラムを用いた場合は、何れの分析位置においても正の旋回流れが大きく、不安定流体力を低減することはできない。また、特許文献１のバランスドラムを用いた場合、分析位置２５において負の旋回流れが発生するものの、その値は小さく、不安定流体力を十分に低減することはできない。

一方、実施例１のバランスドラムを用いた場合は、分析位置２５において、大きな負の旋回流れを得ることができるのに加え、分析位置２６においても、負の旋回流れを得ることができる。すなわち、リブ２２のような簡易な構成を設けることによって、特許文献１と比べても効果的に不安定流体力を抑制することができる。

（実施例１の変形例１）
図１２を用いて、実施例１の変形例１を説明する。

図１２において、○は旋回止めリブ２２を１３個設けた場合、●は旋回止めリブ２２を２５個設けた場合の各分析位置での周方向速度を示す。ここに示すように、旋回止めリブ２２の数を増やすことによって、旋回流れの抑制効果を高めることができる。

なお、旋回止めリブ２２を１個以上設けることによって旋回流れの抑制効果を得ることができ、旋回止めリブ２２の個数は任意に設定して良い。

（実施例１の変形例２）
図１３は、旋回止めリブ２２の取り付け方法を説明する変形例である。ここに示すように、旋回止めリブ２２とバランスドラム固定側１２を別部品とせず、一体物として製造しても良い。本変形例の構成を採った場合、一体物であるため、リブとバランスドラム間の取り付け強度をさらに向上させることができる。

（実施例１の変形例３）
図１４は、旋回止めリブ２２の取り付け方法を説明する変形例である。ここに示すように、旋回止めリブ２２とバランスドラム固定側１２を別部品として製造し、溶接構造２９で旋回止めリブ２２をバランスドラム固定側１２に取り付けても良い。本変形例の構成を採った場合、溶接構造であるため、製造コストも安く、設計変更にも柔軟に対応できる。

（実施例１の変形例４）
図１５は、旋回止めリブ２２の取り付け方法を説明する変形例である。ここに示すように、旋回止めリブ２２とバランスドラム固定側１２を別部品として製造し、ネジ３０で旋回止めリブ２２をバランスドラム固定側１２に取り付けても良い。本変形例の構成を採った場合には、溶接取り付けよりも取り付け部の強度が増し、設計変更にも柔軟に対応することができる。

実施例１の多段ポンプでは、旋回止めリブ２２を設け、漏れ流れ１５，１６の周方向速度を低減することで、不安定流体力を抑制した。

実施例２の多段ポンプでは、領域２０を内径側に流れる漏れ流れ１４の量を低減することで、漏れ流れの持ち込み角運動エネルギを低減し、不安定流体力を抑制する。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

実施例２のバランスドラムの斜視図を図１６に示す。図１６において、３３はリングシールであり、旋回止めリブ２２の外径側に設けられる。図１７は図１６のバランスドラムの断面図である。図１７に示すように、ハブ１０の吐出側端面とリングシール３３の吸込側端面の隙間を狭くした。これによって、リングシール３３の外径側と内径側をつなぐ隙間を漏れ流れが内径側（矢印の方向）に流れるときに圧力損失が増大するので、矢印の方向に流れる漏れ量を低減することができる。

このように、旋回止めリブ２２に加えて、更にリングシール３３を設けることによって、漏れ流れの旋回流れ抑制効果はより大きくなる。またこのリングシール３３を設けることによって、漏れ量が低減し、ポンプ効率の向上にも貢献できる。

なお、図１６，図１７では、旋回止めリブ２２，リングシール３３の両方を備えた例を示すが、旋回止めリブ２２を省略した構造としても良い。

（実施例２の変形例）
上記では旋回止めリブ２２の上流部にリングシール３３を設置することによって圧力損失を増大させ、漏れ量の低減を行った。更に漏れ量を低減するため、図１８に示すようにラビリンス構造を適用したリングシール３５を旋回止めリブ２２の外周側に設置する。このラビリンス構造を適用することにより、ハブ１０とリングシール３５の隙間での圧力損失がさらに増大し、矢印の方向に流れる漏れ流れを更に低減することができる。

実施例２の多段ポンプでは、リングシール３３または３５を設け、領域２０を内径側に流れる漏れ流れ１４の量を低減することで、漏れ流れの持ち込み角運動エネルギを低減し、不安定流体力を抑制した。

実施例３の多段ポンプでは、バランスドラム固定側３６の内面にラビリンス構造を適用することで、シール１３での圧力損失を増大し、シール１３を流れる漏れ流れの量を低減し、その結果、漏れ流れの持ち込み角運動エネルギを低減することで、不安定流体力を抑制する。なお、実施例１と同等の構成については説明を省略する。

実施例３のバランスドラムの要部断面図を図１９に示す。図１９において、バランスドラム回転側１１とバランスドラム固定側３６の隙間領域であるシール１３をラビリンス構造とすることにより、シール１３での圧力損失を増大させて、矢印の方向に流れる漏れ流れをさらに低減することができる。

２ 回転軸
６ 羽根車
７ 案内羽根
８ 戻り羽根
９ 最終段羽根車
１０ ハブ
１１ バランスドラム回転側
１２ バランスドラム固定側
１３ シール
１４，１５，１６ 漏れ流れ
２０ シール外径側領域
２１ シール内径側領域
２２ 旋回止めリブ
２３ 隙間
２４ ハブ背面領域
２５，２６，２７，２８ 分析位置
２９ 溶接構造
３０ ネジ
３１ シール入口
３２ シール出口
３３ リングシール
３５ ラビリンス構造を適用したリングシール
３６ ラビリンス構造を適用したバランスドラム固定側
３８ バランスドラム固定側の上側部
３９ バランスドラム固定側の下側部

Claims (8)

1. ケーシングと、
   該ケーシング内に軸装した回転軸と、
   該回転軸に装着された羽根車と、
   前記回転軸に装着されたハブと、
   前記回転軸に装着されたバランスドラム回転側と、
   前記ケーシングに装着されたバランスドラム固定側と、
   前記バランスドラム回転側と前記バランスドラム固定側の間に設けられた隙間であるシールと、
   前記バランスドラム固定側の吸込側端面に設けられ、前記シールよりも内径側に伸ばされた旋回止めリブと、
   を具備することを特徴とする多段ポンプ。
2. ケーシング内に軸装した回転軸に装着された多段の羽根車に対して、前記ケーシングに配設された多段の案内羽根と戻り羽根を有する多段ポンプであって、
   最終段羽根車のハブ背面に軸スラストを低減するためのバランスドラムが設置されており、
   最終段羽根車のハブ背面での旋回流れを抑制するためにバランスドラムの固定側に旋回止めリブが設置されており、
   旋回止めリブの半径方向長さがバランスドラムの回転側まで伸びていることを特徴とする多段ポンプ。
3. 請求項１に記載された旋回止めリブがバランスドラムの固定側と一体で形成されていることを特徴とする多段ポンプ。
4. 請求項１に記載された旋回止めリブがバランスドラムの固定側と溶接で接合されていることを特徴とする多段ポンプ。
5. 請求項１に記載された旋回止めリブがバランスドラムの固定側にネジ止めで取り付けられていることを特徴とする多段ポンプ。
6. 請求項１または２に記載の多段ポンプにおいて、
   前記バランスドラム固定側の吸込側端面には、旋回止めリブの外周に管状のリングシールを設置することを特徴とする多段ポンプ。
7. 請求項６に記載の多段ポンプにおいて、
   前記リングシールはラビリンス構造を備えていることを特徴とする多段ポンプ。
8. 請求項１または２に記載の多段ポンプにおいて、
   バランスドラムの回転側とバランスドラムの固定側の間に設けられた隙間であるシールはラビリンス構造を備えていることを特徴とする多段ポンプ。
   
   

Images