JP6420700B2 - 多段ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、多段ポンプに関する。

多段ポンプは、回転軸に固定された複数の羽根車を有している。液体は、多段ポンプの吸い込みポートからポンプケーシング内に導入される。ポンプケーシング内に導入された液体は、羽根車により順次昇圧され、吐き出しポートから吐き出される。多段ポンプは、清水や海水などの様々な液体の移送に使用され、様々な場所で使用されている。

多段ポンプの回転軸には、回転する羽根車の吸い込み側と吐き出し側との圧力差に起因して、吐き出し側から吸い込み側へ軸方向推力が作用する。このため、多段ポンプには、軸方向推力に対して反対方向のバランス推力を発生させることによって軸方向推力とバランス推力とを釣り合わせるバランス機構が備えられている。

バランス機構は、回転軸に取り付けられたバランスディスクと、ポンプケーシングに取り付けられてバランスディスクに対向するバランスシートと、を備える。バランスディスク及びバランスシートを収容するバランス空間は、バランス配管によってポンプケーシングの流体の吸い込み側の空間に連通される。

バランス機能を設けることによって、軸方向推力に対して反対方向のバランス推力がバランスディスクに作用し、軸方向推力とバランス推力とが釣り合うことで軸方向推力が打ち消される。このようなバランス機構を備えた多段ポンプは特許文献１に記載されている。

特開２０００−１３０４００号公報

しかしながら、従来技術は、バランス配管を介して還流された流体にキャビテーションが発生するのを抑制することは考慮されていない。

すなわち、バランス空間の圧力が多段ポンプの吸い込み側の空間の圧力よりも高い場合には、バランス空間の流体がバランス配管を介して吸い込み側の空間へ還流される。ここで、吸い込み側の空間の圧力が、吸い込み側の空間へ還流された流体の蒸気圧よりも低い場合には、吸い込み側の空間において流体が蒸発してキャビテーションが発生するおそれがある。キャビテーションが発生した場合には、羽根車の破損や異常音、異常振動の原因となるおそれがある。また、吸い込みケーシングと初段羽根車の摺動部においてドライ摺動が発生するおそれがあるので好ましくない。

これに対して、キャビテーションの発生を抑制するためには、例えば、バランス空間の流体を多段ポンプの上流側に設置された脱気器へ戻す外部バランス式を採用することが考えられる。しかしながら、外部バランス式を採用する場合、脱気器に外部バランス配管の接続口や各種弁、オリフィス等を設けなければならないので設備が複雑化するとともに、脱気器と多段ポンプとを配管で接続しなくてはならないので、配管施工範囲が広くなる。

そこで、本発明は、バランス配管を介して還流された流体にキャビテーションが発生するのを抑制することができる簡素な構造の多段ポンプを実現することを目的とする。

一実施形態の多段ポンプは、回転軸と、前記回転軸に取り付けられた複数の羽根車と、前記回転軸に作用する軸方向推力をバランスさせるためのバランス機構と、前記複数の羽根車及び前記バランス機構を収容するポンプケーシングと、前記バランス機構が収容される前記ポンプケーシング内のバランス空間と、前記複数の羽根車のうちの隣接する一対の羽根車に挟まれる前記ポンプケーシング内の中間空間と、を連通するバランス配管と、を備える。

また、一実施形態の多段ポンプにおいて、前記バランス配管は、前記複数の羽根車のうち最も流体の吸い込み口側に配置された初段の羽根車と前記初段の羽根車の流体下流側に隣接する２段目の羽根車とによって挟まれる第１中間空間と、前記バランス空間と、を連通するか、又は、前記２段目の羽根車と前記２段目の羽根車の流体下流側に隣接する３段目の羽根車とによって挟まれる第２中間空間と、前記バランス空間と、を連通する、ことができる。

また、一実施形態の多段ポンプにおいて、前記バランス機構は、前記回転軸に取り付けられたバランスディスクと、前記ポンプケーシングに取り付けられて前記バランスディスクに対向するバランスシートと、を備えることができる。

図１Ａは、一実施形態の多段ポンプの側面図である。 図１Ｂは、一実施形態の多段ポンプを図１Ａの矢印Ａで示す方向から見た図である。 図１Ｃは、一実施形態の多段ポンプを図１Ａの矢印Ｂで示す方向から見た図である。 図２は、一実施形態の多段ポンプの断面図である。 図３は、一実施形態の多段ポンプの断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１Ａは、一実施形態の多段ポンプの側面図である。図１Ｂは、一実施形態の多段ポンプを図１Ａの矢印Ａで示す方向から見た図である。図１Ｃは、一実施形態の多段ポンプを図１Ａの矢印Ｂで示す方向から見た図である。図２，３はそれぞれ、一実施形態の多段ポンプの断面図である。

多段ポンプ２００は、所定方向に延びる回転軸１と、回転軸１に固定された複数の羽根車２と、これら羽根車２を収容するポンプケーシング３と、を備えている。本実施形態の多段ポンプ２００は、１２個の羽根車２−１〜２−１２を備えるが、羽根車の数は任意である。回転軸１は、軸受９により回転自在に支持されている。回転軸１の一端は、モータなどの駆動源に連結される。回転軸１及び羽根車２は、駆動源によって回転駆動される。

ポンプケーシング３は、吸い込みポート１１が形成された吸い込みケーシング１０と、吐き出しポート３１が形成された吐き出しケーシング３０と、吸い込みケーシング１０と吐き出しケーシング３０との間に配置された中間ケーシング５０と、を備える。吸い込みケーシング１０には脚部８０が取り付けられる。吐き出しケーシング３０には脚部８１が取り付けられる。

中間ケーシング５０は、複数の環状のケーシングピース５０ａが軸方向に積み重なった構造を有している。各羽根車２の径方向外側には、ガイドベーン４が配置されている。各ケーシングピース５０ａ内には、１組の羽根車２及びガイドベーン４が配置されている。吸い込みケーシング１０、中間ケーシング５０、及び、吐き出しケーシング３０は、通しボルト６及びナット７によって互いに固定されている。

吸い込みケーシング１０及び吐き出しケーシング３０は、中間ケーシング５０に着脱可能に取り付けられている。すなわち、吸い込みケーシング１０及び吐き出しケーシング３０は、通しボルト６及びナット７を取り外すことにより中間ケーシング５０から切り離すことができる。

多段ポンプ２００は、羽根車２の段数を変更することが可能になっている。羽根車２の段数を増やす場合は、所望の数の羽根車と、これら羽根車に対応したガイドベーンと、ケーシングピースと、を多段ポンプ２００に追加する。一方、羽根車２の段数を減らす場合は、所望の数の羽根車と、これら羽根車に対応したガイドベーンと、ケーシングピースと、を多段ポンプ２００から取り外す。このように、多段ポンプ２００は、用途に応じて所望の段数にすることができる。

回転軸１は、吸い込みケーシング１０及び吐き出しケーシング３０を貫通して延びている。吸い込みケーシング１０及び吐き出しケーシング３０の回転軸１の貫通部分にはそれぞれ、軸封機構５５が設けられている。軸封機構５５は、例えば、メカニカルシール又はグランドパッキンなどが使用される。軸受９はそれぞれ、軸受ケーシング６５に収容されている。軸受ケーシング６５にはそれぞれ、軸受カバー６７がボルトにより固定されている。各軸受ケーシング６５内には潤滑オイルが充填されており、この潤滑オイルは、冷却パイプ６６によって冷却されるようになっている。なお、冷却パイプ６６は設けられていなくてもよい。

吸い込みケーシング１０には、吸い込みポート１１に接続された吸い込みボリュート２０と、多段の羽根車２のうちの初段の羽根車に隣接した側室２５と、が形成されている。側室２５には、初段の羽根車によって昇圧された液体の一部が流入するようになっている。吸い込みボリュート２０と側室２５は、仕切り壁２６によって隔離されている。

多段ポンプ２００は、バランス機構７０を備える。バランス機構７０は、吐き出しケーシング３０の内部のバランス空間７３に配置されている。バランス機構７０は、回転軸１に取り付けられて回転軸１と一体に回転するバランスディスク７１を備える。また、バランス機構７０は、吐き出しケーシング３０に取り付けられてバランスディスク７１の液体流入側に対向配置されたバランスシート７２を備える。

バランス機構７０は、羽根車２の吸い込み側と吐き出し側の圧力差に起因して発生するスラスト力を支持することによって、回転軸１に作用するスラスト力をバランスさせる機能を有する。羽根車２によって昇圧された液体は、バランスディスク７１とバランスシート７２との間の微小な隙間を通り、バランス空間７３に流入するようになっている。なお、本実施形態の多段ポンプ２００は、バランスディスク７１とバランスシート７２とを備えるバランス機構７０を一例に説明したが、これには限定されない。本発明は、回転軸の軸方向推力に対して反対方向のバランス推力を発生させることによって軸方向推力とバランス推力とを釣り合わせる他の公知のバランス機構を備えたポンプに適用することができる。

多段ポンプ２００は、バランス配管７５を備える。バランス配管７５は、バランス空間
７３と、複数の羽根車２−１〜２−１２のうちの隣接する一対の羽根車に挟まれるポンプケーシング３内の中間空間と、を連通する。

例えば、バランス配管７５は、図２に示すように、複数の羽根車２−１〜２−１２のうち最も流体の吸い込み口側に配置された初段の羽根車２−１と初段の羽根車２−１の流体下流側に隣接する２段目の羽根車２−２とによって挟まれる第１中間空間１１０と、バランス空間７３と、を連通することができる。具体的には、第１中間空間１１０は、ガイドベーン４と中間ケーシング５０によって形成される空間である。中間ケーシング５０には、第１中間空間１１０と連通する配管１００が取り付けられる。バランス配管７５は、配管１００に接続される。

また、バランス配管７５は、図３に示すように、２段目の羽根車２−２と２段目の羽根車２−２の流体下流側に隣接する３段目の羽根車２−３とによって挟まれる第２中間空間１３０と、バランス空間７３と、を連通することもできる。第２中間空間１３０は、ガイドベーン４と中間ケーシング５０によって形成される空間である。中間ケーシング５０には、第２中間空間１３０と連通する配管１２０が取り付けられる。バランス配管７５は、配管１２０に接続される。なお、バランス配管７５は、第１中間空間１１０，第２中間空間１３０に限らず、隣接する一対の羽根車２に挟まれるポンプケーシング３内の中間空間と、バランス空間７３と、を連通することができる。

本実施形態の多段ポンプ２００によれば、バランス配管７５を介して還流された流体にキャビテーションが発生するのを抑制することができる簡素な構造を実現することができる。すなわち、従来技術の多段ポンプは、バランス配管７５を介してバランス空間７３の流体を吸い込みボリュート２０又は側室２５へ還流していた。ここで、吸い込みボリュート２０又は側室２５の圧力が、還流された流体の蒸気圧よりも低い場合には、吸い込みボリュート２０又は側室２５において流体が蒸発してキャビテーションが発生するおそれがある。キャビテーションが発生した場合には、羽根車の破損や異常音、異常振動の原因となるおそれがある。また、吸い込みケーシングと初段羽根車の摺動部においてドライ摺動が発生するおそれがあるので好ましくない。

これに対して、本実施形態の多段ポンプ２００は、バランス配管７５が、複数の羽根車２のうちの隣接する一対の羽根車に挟まれるポンプケーシング３内の中間空間と、バランス空間７３と、を連通する。具体的には、バランス配管７５は、バランス空間７３と、第１中間空間１１０又は第２中間空間１３０と、を連通する。よって、バランス空間７３の流体は、第１中間空間１１０又は第２中間空間１３０へ還流される。ここで、多段ポンプ２００は、流体を羽根車２によって徐々に加圧するので、第１中間空間１１０又は第２中間空間１３０の圧力は、吸い込みボリュート２０又は側室２５の圧力に比べて、高圧である。したがって、バランス空間７３の流体がバランス配管７５を介して第１中間空間１１０又は第２中間空間１３０へ還流したとしても、第１中間空間１１０又は第２中間空間１３０において流体が蒸発してキャビテーションが発生するのを抑制することができる。特に、本実施形態の多段ポンプ２００によれば、比較的高温の流体を移送する場合であり、かつ、多段ポンプ２００の押し込み圧力が低い場合であっても、還流された流体にキャビテーションが発生するのを抑制することができる。

なお、キャビテーションの発生を抑制するためには、例えば、バランス空間７３の流体を多段ポンプ２００の上流側に設置された脱気器へ戻す外部バランス式を採用することが考えられる。しかしながら、外部バランス式を採用する場合、脱気器に外部バランス配管の接続口や各種弁、オリフィス等を設けなければならないので設備が複雑化するとともに、脱気器と多段ポンプとを配管で接続しなくてはならないので、配管施工範囲が広くなる。

これに対して本実施形態の多段ポンプ２００は、外部バランス式ではなく、バランス空間７３の流体を多段ポンプ２００に戻すセルフバランス式を採用している。したがって、本実施形態の多段ポンプ２００によれば、脱気器に外部バランス配管の接続口や各種弁、オリフィス等を設けなくてもよいし、バランス配管７５の配管施工範囲が狭くて済む。したがって、本実施形態の多段ポンプ２００によれば、多段ポンプ２００に関するコストを低減することができるとともに多段ポンプ２００の構造を簡素化することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 回転軸
２ 羽根車
３ ポンプケーシング
７０ バランス機構
７１ バランスディスク
７２ バランスシート
７３ バランス空間
７５ バランス配管
１１０ 第１中間空間
１３０ 第２中間空間
２００ 多段ポンプ

Claims (2)

1. 液体を輸送するための多段ポンプであって、
   回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられた複数の羽根車と、
   前記回転軸に作用する軸方向推力をバランスさせるためのバランス機構と、
   前記複数の羽根車及び前記バランス機構を収容するポンプケーシングと、
   前記バランス機構が収容される前記ポンプケーシング内のバランス空間と、前記複数の羽根車のうちの隣接する一対の羽根車に挟まれる前記ポンプケーシング内の中間空間と、を連通するバランス配管と、を備え、
   前記バランス配管は、前記複数の羽根車のうち最も流体の吸い込み口側に配置された初段の羽根車との流体下流側に隣接する２段目の羽根車と前記２段目の羽根車の流体下流側に隣接する３段目の羽根車とによって挟まれる第２中間空間と、前記バランス空間と、を連通する、多段ポンプ。
2. 請求項１の多段ポンプにおいて、
   前記バランス機構は、
   前記回転軸に取り付けられたバランスディスクと、
   前記ポンプケーシングに取り付けられて前記バランスディスクに対向するバランスシートと、
   を備える多段ポンプ。

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