JP6810161B2 - シール装置を有する遠心ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、回転要素と非回転要素との間に間隙が形成されているシール装置を有する遠心ポンプに関する。

このような装置として、例えば、スプリットリング式シール装置が挙げられる。遠心ポンプにおけるスプリットリング式シールは、互いに異なる圧力下にある空洞を密封するように機能する。この場合、回転要素は、これらの空洞間の仕切り内に配置される。回転要素は、シャフト、インペラのハブ、インペラの吸引ノズル、等とすることができる。装置は、非回転要素及び回転要素を備えている。非回転要素は、例えば、ケーシング上に配置されるスプリットリングであってもよいし、又はケーシング自体又はケーシングの一部であってもよい。回転要素は、例えば、インペラ上に配置される回転リングであってもよいし、インペラ自体又はインペラの一部、例えば、クローズドインペラの場合、該インペラの後シュラウドであってもよい。回転要素と非回転要素との間に形成される間隙は、互いに異なる圧力下の空洞間の絞り部として機能し、高圧の空洞から低圧の空洞への過度に大きい流れを阻止する。２つの要素間の間隙が小さいほど、遠心ポンプの効率損失が小さくなる。しかし、この目的の達成に支障となるのは、製造公差及び運転への影響を満たしながら過度に小さい間隙を得ることが極めて困難であるという事実である。従って、非回転要素に対する回転要素の擦過を防ぐために、及びこれに伴う摩耗を阻止するために、これらの要素間の接触を回避する必要がある。

個々の構成部品の製造中の必要な許容誤差に起因して、要素が互いに接触し、これによって、擦過及び摩耗を生じるのを特に阻止するための最小の間隙範囲が存在する。しかし、このような範囲内の間隙であっても、運転中、特にポンプの始動中及び停止中に、接触が生じ、次いで、圧縮又は材料摩耗が生じる状況が頻繁に起こり得る。

特許文献１は、ステータ部品とクローズドインペラトとの間に半径方向シール間隙が形成されている流体ターボ機械を記載している。シール間隙にウエアリングが設けられている。ウエアリングは、静止して配置され、ターボ機械のインペラと面する内側と、外側と、２つの軸方向において互いに離間した側面とを有している。半径方向隙間又は半径方向切込みの形態にある同心状に延在する凹部が、ウエアリングに形成されている。

特許文献２は、遠心ポンプ用のスプリットリング式シールを記載している。このシールは、ケーシングに固定されたスプリットリングを備えている。複数の弾性要素が、スプリットリングのシール面とケーシングとの間に配置されている。その結果、回転部分の損傷が著しく低減されることになる。

特許文献３は、スプリットリング式シールを有する遠心ポンプを記載している。このシールは、静止ケーシング部分内に固定して配置されたスプリットリングからなっている。回転要素が、スプリットリングの内側に配置されている。間隙が、スプリットリングとその内側において回転する要素との間に形成されている。互いに異なる圧力下にある空所が、間隙内の両側に設けられている。回転部分に面するスプリットリングの面は、多角形状の静止スプリットリング面として設計されている。

特許文献４は、調整可能なウエアリング式シールを記載している。この調整の結果として、摩耗に関わらず、遠心ポンプの寿命を延ばすことができる。

欧州特許出願公開第２４６６１４９Ａ１号明細書 独国特許出願公開第３５３０９８６Ａ１号明細書 欧州特許第６８１６５８Ｂ１号明細書 独国特許出願公開第３５１３１１６Ａ１号明細書

本発明の目的は、シール装置を有する遠心ポンプであって、回転要素と非回転要素との間に可能な限り小さい間隙が形成され、これによって、ポンプ効率が可能な限り高められ、間隙を通る流れ損失が可能な限り抑えられ、同時に要素間の摩耗現象が阻止される、遠心ポンプを特定することにある。この遠心ポンプは、長い寿命及び可能な限り低い保守コストによって、他の遠心ポンプから識別されることが意図されている。さらに、この遠心ポンプは、可能な限り安価に製造され、かつ高信頼性の運転が確実なものとされることが意図されている。

この目的は、本発明によって、請求項１の特徴を有する遠心ポンプ及び請求項１１の特徴を有する方法によって達成される。好ましい変更形態は、従属請求項、詳細な説明、及び図面を参照されたい。

本発明によれば、装置の少なくとも１つの要素は、回転可能に取り付けられた可動体を有している。可動体は、いずれも、１つ又は複数の軸を中心として回転可能となるように、又はボールペンのボールのように任意の所望の方向に回転可能となるように、取付けることが可能である。可動体は、いずれも、非回転要素に配置されてもよいし、又は回転要素に配置されてもよい。原理的に、可動体は、回転要素及び非回転要素の両方に配置されてもよい。

もしシール装置がスプリットリング式シール装置として設計され、可動体がスプリットリングとして設計された非回転要素上に配置されたなら、特に有益であることが分かっている。代替的に、このスプリットリング式シール装置の場合、非回転要素は、スプリットリングが取り付けられていないケーシング自体によって構成され、可動体がこのケーシングの（可動体のために特に設計された）構造部内に回転可能に取り付けられてもよい

もし装置がスプリットリング式シール装置として形成されたなら、回転要素は、インペラの後シュラウドに配置された回転リングによって形成されてもよい。代替的に、回転要素は、インペラ自体によって形成されてもよい。この場合、可動体は、例えば、インペラの後シュラウドに回転可能に取り付けられてもよく、この場合、インペラの後シュラウドは、可動体の支持体をなす構造部を備えることになる。

いずれにしても、可動体は、間隙側に配置され、これによって、例えば、遠心ポンプの始動中又は停止中に生じるように間隙が縮小した場合、可動体が、それらの転動によって要素の擦過を阻止することができ、その結果、摩耗現象を効果的に回避することができる。

本発明の装置によれば、遠心ポンプの間隙を通る漏出流れを小さくし、これによって効率を高め、同時に摩耗現象を効果的に阻止するために、間隙範囲を可能な限り小さく設定することができる。何故なら、回転可能に取り付けられた可動体が摩擦力を確実に吸収し、吸収した摩擦力を回転運動に変換するからである。

もし可動体が形状嵌合によって構造部内に（空洞内にとどめられながら、ボールペンのボールのように、自転することができるように又は１つ又は複数の軸を中心として回転することができるように）収容されたなら、特に有益であることが分かっている。構造部は、要素の一部である別体の部品であってもよいし、又は要素自体、すなわち、スプリットリング、回転リング、ハウジング部分、又はインペラによって形成されてもよい。形状嵌合による閉込めの結果として、可動体は、部分的に閉じ込められ、これによって、可動体の一部が構造部を超えて間隙に向かって突出し、可動体の他の一部が構造部に形成された空洞内に位置し、このようにして、可動体が構造部から脱落するおそれが阻止されることになる。

可動体は、例えば、ボールとして設計されてもよい。この場合、もしこれらのボールが任意の方向に自転することが可能となるように取り付けられたなら、有利であることが分かっている。

付加的又は代替的に、装置は、円筒の形態に設計された可動体を備えていてもよい。円筒は、好ましくは、軸を中心として回転可能に取り付けられ、間隙側において円筒の外面の転動が行われるとよい。これらの円筒は、間隙内に少なくとも部分的に突出し、これによって、要素同士の擦過が効果的に阻止され、その結果、摩耗現象が回避されることになる。

本発明の一変更例では、可動体は、ピンを介して相互接続されるようになっている。従って、例えば、ピンを介して接続された複数の円筒が、互いに列をなすように配置されてもよい。これらのピンは、円筒が回転する時の回転軸の部分である。

可動体が埋設される構造部は、可動体を受け入れる空洞をなすハニカム及び／又はセルから構成されてもよい。本発明の一変更例では、個々のセル又はハニカムは、可動体を備えていなくてもよく、この場合、要素は、間隙損失を最小化するように作用するハニカム又はセルを有することになる。これらのセル又はハニカムは、間隙損失の最小化を達成させるような好ましい流れ条件を間隙内にもたらすものである。

本発明の一変更例では、可動体は、要素の内側及び外側の両方を支持するように、取り付けられている。例えば、この目的のために、要素は、中空円筒として設計されるとよく、この場合、可動体が配置される空洞を備える構造部を内外面側に有することができ、その結果、可動体が円筒の内面及び外面の両方に突出し、これによって、要素の内側及び外側の両方が、可動体の回転運動によって支持されることになる。

本発明の特に好ましい変更例では、各要素及び該要素内に取り付けられた可動体は、同一材料から形成されている。この場合、要素及び可動体が造形プロセスによって一緒に作製されると有利であることが分かっている。このような造形的な製造プロセスは、付加製造プロセスとも呼ばれる。例えば、選択的レーザー溶融及び／又は選択的レーザー焼結がこの目的のために用いられてもよい。

この場合、可動体が配置される要素は、堆積材料の層を基部に供給するプロセスによって、作製することができる。要素を作製するための堆積材料は、好ましくは、金属粉末粒子である。本発明の一変更例では、この目的のために、鉄系及び／又はコバルト系粉末粒子が用いられる。これらの粉末粒子は、クロム、モリブデン、又はニッケルのような添加物を含んでいてもよい。金属系堆積材料は、プレート上に薄層をなすように粉末の形態で供給される。次いで、粉末材料は、所望のそれぞれの点においてビームによって局部的に完全に再溶融され、凝固の後、固形の材料層が形成される。次いで、基部が一層の厚み分だけ下降され、粉末が新たに供給される。このサイクルは、層の全てが再溶融され、（可動体が回転可能に取り付けられた）完成品としての要素が生成されるまで、繰り返されることになる。本発明によれば、形状嵌合によって可動体を包含する構造部がこのプロセスにおいて作成されるので、可動体の一部がシール間隙内に突出し、可動体の他の部分が構造部の空洞内に配置され、その結果、可動体が要素から脱落しなくなる。

ビームとして、例えば、個々の粉末層から要素を造形させるレーザービームを用いることができる。レーザービームを案内するためのデータは、３Ｄ−ＣＡＤ本体に基づきソフトウエアによって生成される。選択的レーザー溶融の代替例として、電子ビーム溶融（ＥＢＭ）が用いられてもよい。

このようにして造形された可動体が内部に配置された要素は、遠心ポンプを密封するための装置を構成し、この装置は、特に摩耗を低減させ、これによって、極めて小さい間隙寸法が摩耗を生じることなく許容されることになる。

本発明のさらなる特徴及び利点は、図面を参照する例示的な実施形態の説明及び図面自体から明らかになるだろう。

遠心ポンプの断面図である。 シール装置の概略図である。 円筒体を有する変更例を示す図である。 可動体が相互接続されている変更例を示す図である。 可動体が内側及び外側の両方に走行面を有する変更例を示す図である。 造形プロセスによる装置の生成を示す概略図である。

図１は、インペラ１を有する遠心ポンプを示している。インペラ1は、クローズド式ラジアルインペラとして設計されており、支持ディスク２及び後シュラウド３を有している。羽根は、支持ディスク２上に配置されている。媒体を移送するための通路が、支持ディスク２と後シュラウド３との間に形成されている。インペラ１は、シャフト４によって駆動され、ケーシング５によって密閉されている。

遠心ポンプは、高圧の空洞７を低圧の空洞８から分離するシール装置６を有している。例示的な実施形態では、空洞７は、インペラ１の第２の空洞によって形成されている。空洞８は、遠心ポンプの吸引側を形成している。例示的な実施形態では、装置６は、半径方向シール間隙を有するスプリットリング式シール装置である。

図２は、シール装置の概略図を示している。この装置は、非回転要素９を有している。図２では、非回転要素９は、ケーシング５上に配置されたスプリットリングによって形成されている。図２に示される例の代替例では、非回転要素９は、ケーシング５自体から形成されていてもよい。さらに、装置６は、回転要素１０を有している。図２の例示的な実施形態では、回転要素１０は、インペラの後シュラウド、すなわち、インペラ自体から形成されている。図２に示される例の代替例では、回転リングがインペラの後シュラウドに配置されていてもよい。非回転要素９と回転要素１０との間に間隙Ｓが形成されている。間隙Ｓは、半径方向シール間隙である。高圧の空洞から低圧の空洞への流体流れを最小限に抑えるために、この間隙Ｓは、可能な限り小さくされるべきである。

本発明によれば、装置６は、可動体１１を有している。可動体１１は、図２の例示的な実施形態では、非回転要素９上に配置されている。この目的を達成するために、非回転要素９は、可動体１１が回転可能に取り付けられる構造部１２を有している。

構造部１２は、可動体１１が形状嵌合によって該構造部に埋設されるように構成され、この場合、可動体１１の一部が構造部１２に形成された空洞内に配置され、可動体１１の他の部分が間隙Ｓに向かって突出するようになっている。可動体１１は、回転要素１０上における非回転要素９の転動によって、要素９，１０間に生じる摩耗現象を防ぐことになる。図２の例示的な実施形態では、可動体１１は、多数の可動ボールとして設計されている。

図３は、可動体が可動ローラとして設計された変更例を示している。図３に示されるように、可動体１１は、非回転要素９内に配置されている。非回転要素９は、空洞が形成された構造部を有するスプリットリングとして設計されている。具体的には、可動体は、これらの空洞内に形状嵌合によって収容され、同時に可動体の一部が間隙内に突出し、これによって、可動体の転動が可能になる。図３の例示的な実施形態では、可動体は、円筒断面を有し、その外面に沿って転動することになる。ローラとして設計された可動体は、それらの軸を中心として回転する。ローラに代わって、個々の箇所が、間隙損失を最小限に抑えるハニカム構造又はセル構造を有するようになっていてもよい。

図４は、可動ローラがピン１３によって相互接続された変更例を示している。具体的には、ローラとして設計された複数の可動体は、ピン１３によって回転可能となるように固定して相互接続されている。これらのピン１３も、構造部１２の空洞内に配置されている。

図５は、可動体が内側及び外側の両方に走行面を有する例示的な実施形態を示している。また、図５に示されるように、可動体１１は、スプリットリングとして設計された非回転要素９内に配置されている。この場合、構造部は、可動体が形状嵌合によって構造部内に収容されるが、スプリットリングの内面及び外面の両方に突出するように、選択されている。

図６は、遠心ポンプにおけるシール装置を製造するための方法の構成を示す概略図である。金属粉末の形態にある堆積材料が基部１４に供給される。粉末材料は、所望のそれぞれの箇所において放射線によって局部的に完全に再溶融され、凝固後に固形材料層を形成する。次いで、基部１４が一層の厚み分だけ降下され、粉末が新たに堆積される。全ての層が再溶湯されるまで、このサイクルが繰り返される。このようにして、非回転要素９及び回転要素１０の両方を一つの造形プロセスによって形成することができる。この場合、本発明によれば、これらの要素の少なくとも１つは、移動可能に取り付けられた可動体１１を有することになる。

Claims (6)

1. シール装置（６）を有する遠心ポンプであって、前記シール装置（６）は、非回転要素（９）と回転要素（１０）を有し、前記非回転要素（９）と前記回転要素（１０）との間に間隙（Ｓ）が形成されており、少なくとも１つの要素（９，１０）は、移動可能に取り付けられた可動体（１１）を有し、前記可動体（１１）は、前記間隙に面して配置され、前記可動体（１１）は、転動のための外面を有する、遠心ポンプにおいて、
   前記可動体（１１）は、構造部（１２）内に形状嵌合によって埋設され、前記可動体（１１）の一部が前記構造部（１２）に形成された空洞内に配置され、前記可動体（１１）の他の部分が前記間隙（Ｓ）に向かって突出するように構成されており、
   前記可動体（１１）は、ピン（１３）によって相互接続され、
   前記遠心ポンプの始動中又は停止中に生じ得るように前記間隙（Ｓ）の寸法が減少した場合に、前記可動体（１１）の転動によって、前記要素（９，１０）の摩耗現象が阻止されるようになっていることを特徴とする、遠心ポンプ。
2. 前記可動体（１１）は、中実のボールまたはローラとして設計され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. 少なくとも１つの要素（９，１０）は、ハニカム及び／又はセル構造を有することを特徴とする、請求項１また２に記載の遠心ポンプ。
4. 前記要素（９，１０）及び前記可動体（１１）は、同一材料から形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１つに記載の遠心ポンプ。
5. 前記要素（９，１０）及び前記可動体（１１）は、造形プロセスによって一緒に作製されるようになっていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１つに記載の遠心ポンプ。
6. 前記可動体（１１）は、前記要素（９，１０）の内側及び／又は外側を支持するようになっていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１つに記載の遠心ポンプ。