JP6378765B2 - 荷重緩和デバイス - Google Patents

Description

本発明は、荷重緩和要素を有する流体フロー機械の軸推力を補償する機構であって、荷重緩和要素が、協働した回転をするためにシャフトに接続されているとともに、ケーシングに対して固定されたカウンタ要素と共に、半径方向流量絞り間隙を形成する機構に関する。

軸推力は、流体フロー機械のロータに作用する全ての軸方向力の合成である。異なるタイプの軸推力補償の間に区別がつけられている。

バランスディスク、単動ピストン、および複動ピストンという実質的に３つのタイプの軸推力を吸収する荷重緩和デバイスが知られている。３つの実施形態の全てに共通しているものは、間隙を通じて案内される緩和流である。緩和流は、渦巻ポンプの入口に概してフィードバックされるものであり、漏れ損失を表しており、これを最小にしようとしてできる限り小さい間隙幅が使用される。

その目的は、流体フロー機械の無故障動作を確実にするために流体フロー機械の全ての動作状態におけるロータの制御された軸方向位置を実現することである。渦巻ポンプの動作中、固定部品に対しての可動部品の擦れを防がなければならない。

バランスディスクを有する流体フロー機械の動作中、荷重緩和要素の２つの側面の間に作用する圧力差は、軸推力とは反対である荷重緩和力をもたらす。ここで、荷重緩和力は、軸推力に正確に等しい。ロータに関して力の均衡が存在する。カウンタ要素に対しての荷重緩和要素の擦れが防がれる。

起動過程および停止過程中、この圧力差は、まだ確立されておらず、適切な対策なしで荷重緩和要素とカウンタ要素の間で接触が生じる。半径方向間隙表面が一緒に延びるそのような場合は、「リフトオフデバイス」中のばね組立体の助けで防がれるはずである。

特許文献１は、渦巻ポンプ用のリフトオフデバイスを記載している。このリフトオフデバイスは別個のコンポーネント要素を形成し、その回転部品は遠心機のシャフトスタブに固定されており、前記スタブは、入力側から離れるように向いている。非回転部品は、遠心機のケーシングに支持されている。起動および停止中に軸方向力を吸収するためのこれらの従来のデバイスでは、ばね組立体は、流体が貫流する領域の外側の別個の空間に配置される。この空間は、ポンピング媒体から封止されている。そのような設計は、全長の延長をもたらした。さらに、専用のケーシングが、デバイスのために用意されなければならない。

流体フロー機械の起動過程および停止過程時に軸方向力を取り上げる別の可能性は、カルダンリングの使用にある。

特許文献２は、カルダンリングが使用されている多段渦巻ポンプのための荷重緩和デバイスを記載している。カルダンリングは、それが残留推力によって弾性的に変形させられるような寸法で製作されている。カルダンリングは、分離した封止空間中に配置されている。この設計も流体フロー機械の全長の追加をもたらす。

遠心機のポンプロータの軸推力を制限するデバイスは、特許文献３に記載されている。荷重緩和要素は、自由に移動可能なスラスト軸受けおよび外側軸受けリングがばね力により支持軸受けフランジに支えられ、制限する効果を及ぼすことによってカウンタ要素にぶつかることが防がれる。この設計のために油潤滑が必要とされる。この設計に関しても、機械の全長は、ポンピング媒体から対応するケーシングが封止される対応するシャフト部分によって増加させられる。

ドイツ特許第８８６２５０号明細書 ドイツ特許出願公開第１９９２７１３５Ａ１号明細書 ドイツ実用新案出願公開第１７４５８９８Ｕ号明細書

本発明の目的は、流体フロー機械の軸推力を補償する機構であって、荷重緩和要素は、起動中または停止中でもカウンタ要素に対しての擦れが確実に防がれる機構を特定することである。同時に、接触を防ぐことは、流体フロー機械の全長の追加をもたらすべきではない。専用のケーシング、およびさらなる潤滑油のさらなる使用も、防がれるはずである。

本発明によれば、この目的は、荷重緩和要素とカウンタ要素の間の距離を維持するデバイスがカウンタ要素に配置され、前記デバイスが少なくとも１つの力発生要素を有し、この力発生要素が軸推力とは反対の力を発生させることによって実現される。

本発明によれば、デバイスは、カウンタ要素自体に配置される。デバイスは、媒体が貫流する流体フロー機械の領域に位置する。したがって、シャフトの何らかの延長または追加のケーシングの必要性がない。さらに、別個の潤滑油は、本発明によるデバイスを用いて無くされる。

デバイスは、少なくとも１つの力発生要素を有し、この少なくとも１つの力発生要素は軸推力とは反対の力を発生させる。力発生要素は、例えば油圧または磁気的に動作することができる。力を発生させるために圧電素子を使用することも可能である。

本発明の特に有利な実施形態では、ばねが力発生要素として使用される。これは、製造が安価であり、荷重緩和要素がカウンタ要素に対して擦れるのを防ぐことにおいて非常に信頼できることを証明している。さらに、追加の駆動手段は必要とされない。

好ましくは、デバイスは、力発生要素に加えて軸方向移動可能要素を有する。本発明の有利な実施形態では、軸方向移動可能要素は、カウンタ要素によって形成されたガイドにおいて少なくとも部分的に係合する少なくとも１つの領域を有する。このために、軸方向移動可能要素は、カウンタ要素中の環状凹部に係合する環状突出部を有することができる。

本発明の好ましい実施形態では、力発生要素は、ケーシングに対して固定されたカウンタ要素と軸方向移動可能要素との間に配置されている。この場合には、力発生要素が配置される空間が形成される。ここで、力発生要素は、カウンタ要素に支持され、軸方向移動可能要素に作用することができる。

荷重緩和要素は、高圧空間に面する表面と、低圧空間に面する表面とを有する。流体フロー機械の動作中、高圧空間と低圧空間の間の圧力差は、軸推力とは反対である荷重緩和力をもたらす。ここで、荷重緩和力は、軸推力に精確に等しい。ロータに関して力の均衡がある。カウンタ要素に対して荷重緩和要素が擦れるのが防がれる。

この圧力差が起動過程または停止過程時にまだ確立されていないので、本発明によれば、起動および／または停止中に力が力発生要素によって確立されるように用意され、前記要素は、カウンタ要素に配置されている。この力は、軸方向移動可能要素に作用する。結果として、軸方向移動可能要素は、荷重緩和要素の方向に移動させられる。

滑り軸受要素は、軸方向移動可能要素に配置されることが好ましい。本発明の特に有利な実施形態では、滑り軸受要素は、高力熱可塑性材料で構成される。ここにはポリアリールエーテルケトン系のプラスチックが特に有利であることが証明されている。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）が使用されることが好ましい。この滑り要素は、媒体によって滑らかにされた滑りを可能にする。

起動過程または停止過程時に、軸方向移動可能要素は、滑り軸受要素が荷重緩和要素に乗っている程度まで力発生要素によって移動させられる。したがって、滑り軸受要素は、荷重緩和要素のための止め具として働き、したがって荷重緩和要素がカウンタ要素に対して擦れるのを防ぐ。

本発明による材料の選択によって、滑り軸受要素上での荷重緩和要素の滑りは、媒体によって滑らかにされ、荷重緩和要素がカウンタ要素に対して擦れるのを防ぐ。それによって、カウンタ要素および／または荷重緩和要素への損傷が防がれる。摩耗は生じず、したがって半径方向流量絞り間隙の所望の形状が防がれる。

好ましくは、滑り軸受要素はリングである。本発明の特に有利な実施形態では、リングは、軸方向移動可能要素によって形成された受け口内に配置されている。このために、軸方向移動可能要素は、滑り要素が静止している溝を有することができる。好ましくは、滑り要素は、接着材および／またはいくつかの他の固定手段によって軸方向移動可能要素に固定されている。

起動段階中、軸方向移動可能要素は、荷重緩和要素に向かって移動させられる。次いで、高圧空間と低圧空間の間で圧力差が確立されている場合、圧力差は荷重緩和要素に作用し、荷重緩和力をもたらし、軸推力に逆らってロータを移動させる。

流体フロー機械が所望の速度で運転しているとき、圧力は、軸方向移動可能要素および滑り軸受要素に作用する。結果として、軸方向移動可能要素は、カウンタ要素に向けて荷重緩和要素から離れるように移動する。したがって、軸方向移動可能要素は、滑り軸受要素と共に、後退位置に移動させられる。

封止要素は、軸方向移動可能要素とカウンタ要素の間に配置されることが好ましい。この封止要素によって、高圧空間は、低圧空間から分離される。力発生要素は、低圧になっている空間中に配置される。

好ましくは、カウンタ要素は開口を有し、この開口は、力発生要素が配置されている空間を荷重緩和空間へ接続する。この接続によって、媒体は、軸方向移動可能要素が移動するときに空間から逃れるまたは空間に流れ込むことができる。

機械が停止させられるとき、高圧空間と低圧空間の間の圧力差が減少し、その結果として、荷重緩和力は減少し、流量絞り間隙はますます小さくなっている。結果として、高圧空間内で軸方向移動可能要素および滑り軸受要素に作用する圧力も減少する。したがって、新しい均衡が確立され、そこで力発生要素が荷重緩和要素に向かって軸方向移動可能要素を移動させる。結果として、軸方向移動可能要素は、前方に移動する。この位置において、バランスディスクは、滑り軸受要素に支えられ、荷重緩和要素がカウンタ要素に対して擦られるのを防ぐ。

さらなる利点および特徴は、図面を参照して例示の実施形態の説明から、および図面自体から明らかになろう。

渦巻ポンプに取り付けられた軸推力を補償する機構を示す図である。 多段渦巻ポンプの軸断面詳細図である。

図１は、複数のロータ２を支えるシャフト１を有する渦巻ポンプを示す。ロータは、段のついたケーシング３によって囲まれている。ポンピング媒体は、吐出しケーシング４を通じて流れる。

軸方向流量絞り間隙８は、吐出しケーシング４に接続された絞りスリーブ６と、協働した回転をするためにシャフト１に接続されたピストンとも呼ばれるコンポーネント７との間に形成されており、好ましくはその外周にはポリエーテルエーテルケトン層が設けられている。

ポンピング流体は、軸方向流量絞り間隙８を通じて渦巻ポンプの高圧領域から迂回され、荷重緩和流として経路設定される。

図２に示された空間９および１０は、流体で満たされている。これは、渦巻ポンプのポンピング媒体であることが好ましい。渦巻ポンプの動作中、空間９内の圧力は、空間１０内の圧力よりもかなり高い。荷重緩和要素１１は、「高圧」空間９と「低圧」空間１０との間に配置される。例示の実施形態では、荷重緩和要素１１はバランスディスクである。荷重緩和要素１１は、協働した回転をするためにシャフト１に接続されている。

荷重緩和要素１１の表面に作用する圧力差Δｐ＝ｐ_９−ｐ_１０によって、荷重緩和力は軸推力Ｆ_ａｘと反対になる。例示の実施形態では、軸推力は、図面を見たときに左から右へ作用する。圧力差Δｐ＝ｐ_９−ｐ_１０によって発生する荷重緩和力は、図面を見たときに右から左へ作用する。

半径方向流量絞り間隙１３は、荷重緩和要素１１とカウンタ要素１２の間に形成される。カウンタ要素１２は、ケーシングにしっかり接続される。

動作中に軸推力が変わり、荷重緩和力が低下する場合、ロータはポンプの吸い込み側の方向に移動し、半径方向流量絞り間隙１３はより狭くなる。流量絞り間隙１３にわたっての制約がより大きくなるにつれて圧力ｐ_９は増加し、したがって荷重緩和力も増加する。荷重緩和力が軸推力よりも大きいも場合、過剰な力は、ロータをポンプの後部側へ向けて移動させ、流量絞り間隙１３はより大きくなる。これは、荷重緩和要素に作用する圧力ｐ_９および荷重緩和力もやはり低下するという影響を有する。約０．０５から０．１ｍｍの流量絞り間隙が形成されているところでの力の平衡は、ロータにおいて確立される。荷重緩和要素１１は、本発明による機構における自己調節ハイドロダイナミックスラスト軸受けとして働く。

系が安定なままであり、制御移動があまりに素早く起こらないことを確実にするために、軸方向流量絞り間隙８が０．０１ｍｍより大きくかつ０．１２ｍｍより小さい半径方向流量絞り間隙１３が確立されるように設計されなければならない。

比較的小さい荷重緩和流は、荷重緩和要素１１としてバランスディスクに用いるときに有利であり、高い体積効率が実現されることを確かなものとする。従来のバランスディスクの場合には、これまで摩耗に対する感受性の増加が不利であった。

本発明によるデバイスでは、起動時および／または停止時に荷重緩和要素１１とカウンタ要素１２の間の距離を維持するためのデバイスによって摩耗が防がれる。本発明によれば、デバイスは、カウンタ要素１２に配置される。このデバイスは、力発生要素１４を備える。力発生要素１４は、起動時および／または停止時に軸推力とは反対の力を発生させ、この力は、荷重緩和要素１１とカウンタ要素１２の間で距離が維持されることを確実にする。

距離を維持するデバイスは、軸方向移動可能要素１５を有する。力発生要素１４は、軸方向移動可能要素１５とケーシングに対して固定されたカウンタ要素１２との間に配置されている。

デバイスは、滑り軸受要素１６をさらに備えており、滑り軸受要素１６は、軸方向移動可能要素１５によって支持されている。このために、軸方向移動可能要素１５は、リングとして設計されている滑り軸受要素１６が配置されている凹部１７を有する。凹部１７は、円溝として設計されている。

滑り軸受要素１６の端は、荷重緩和要素１１に面する。滑り軸受要素１６は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で構成されている。

好ましくは、滑り軸受要素１６は、荷重緩和要素１１に面するとともにチャンネル（図示せず）を有する構造端を有する。媒体によって滑らかにされた滑り軸受けは、それによって可能になされている。

起動および停止中に、圧力差Δｐ＝ｐ_９−ｐ_１０は、とても小さく、軸推力が生じた場合には荷重緩和要素１１はカウンタ要素１２に支えられている。カウンタ要素１２に対しての荷重緩和要素１１のこの擦れは、かなりの摩耗減少をもたらす。

本発明による機構では、力発生要素１４は、図面を見たときに右から左へ軸方向移動可能要素１５を移動させる。この過程中、滑り軸受要素１６は、荷重緩和要素１１に乗っており、荷重緩和要素１１は、滑り軸受要素１６に面する側にアーマード領域１８を有する。起動中または停止中、媒体によって滑らかにされた滑り軸受けは、したがって、荷重緩和要素１１と滑り軸受要素１６の間に作られる。カウンタ要素１２に対しての荷重緩和要素１１の擦れは、この場合に防がれる。

十分な圧力差Δｐ＝ｐ_９−ｐ_１０が２つの空間９と１０の間に確立されるや否や、流量絞り間隙は、荷重緩和要素１１とカウンタ要素１２の間で確立される。増加した圧力９も、滑り軸受要素１６の端に作用する。この圧力ｐ_９により、軸方向移動可能要素１５は、図面を見たときに左から右へ移動させられる。ここで、デバイスは、その後退動作位置にある。

したがって、本発明による機構は、起動中または停止中に係合解除するデバイスを提供し、したがって右から左へ移動させ、動作状態の間にその動作位置の中に動かして戻し、図面を見たときに左から右へ移動させられる。

軸方向移動可能要素１５は、Ｏ−リングとして設計された封止要素２０が配置されている第１の溝１９を有する。さらに、軸方向移動可能要素１５は、Ｏ−リングとして設計された封止要素２２が配置されている第２の溝２１を有する。 封止要素２０および２２は、「高圧」空間９を「低圧」空間１０から分離する。

カウンタ要素１２は開口２３を有し、この開口２３は力発生要素１４が配置されている空間を荷重緩和空間１０に接続する。開口２３は、圧力均衡化穴として具体化される。

停止中に送達圧力が下落するとき、軸方向移動可能要素１５は、その前進位置を元に戻し、絞り表面が互いにぶつかるのを防ぐ。

Claims (8)

1. 荷重緩和要素（１１）を有する流体フロー機械の軸推力を補償する機構であって、
   前記荷重緩和要素（１１）は、協働した回転をするためにシャフト（１）に接続されており、ケーシングに対して固定されたカウンタ要素（１２）と共に半径方向流量絞り間隙（１３）を形成している、機構において、
   前記荷重緩和要素（１１）と前記カウンタ要素（１２）との間の距離を維持するデバイスが、前記カウンタ要素（１２）に配置されており、
   前記デバイスが少なくとも１つの力発生要素（１４）を有しており、前記デバイスは、軸方向移動可能要素（１５）を有し、滑り軸受要素（１６）が、前記軸方向移動可能要素（１５）に配置されており、前記少なくとも１つの力発生要素（１４）は、前記軸方向移動可能要素（１５）と前記カウンタ要素（１２）との間に配置され、互いに反対方向の力を発生させ、前記軸方向移動可能要素（１５）を、前記推進力とは反対方向に移動させるように構成されていることを特徴とする機構。
2. 前記力発生要素（１４）は、前記カウンタ要素（１２）と前記軸方向移動可能要素（１５）との間に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の機構。
3. 前記カウンタ要素（１２）は、前記軸方向移動可能要素（１５）のためのガイドを有していることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の機構。
4. 少なくとも１つの封止要素（２０、２２）は、前記軸方向移動可能要素（１５）と前記カウンタ要素（１２）の間に配置されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の機構。
5. 前記カウンタ要素（１２）は、前記力発生要素（１４）が配置されている第１の空間を、前記ケーシングと前記カウンタ要素（１２）との間の第２の空間（１０）に接続する開口（２３）を有していることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の機構。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の流体フロー機械の軸推力を補償する方法において、前記軸推力と反対の力が、カウンタ要素（１２）に配置されている力発生要素（１４）によって確立されることを特徴とする方法。
7. 前記反対方向の力が、前記軸方向移動可能要素（１５）を軸方向に移動させることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記滑り軸受要素（１６）は、前記軸方向の移動によって回転式荷重緩和要素（１１）に衝突し、結果として、前記荷重緩和要素（１１）と固定カウンタ要素（１２）の間の接触が防がれることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
   
   
   

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