JPH0255896A - 磁気軸受を備えた遠心ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、バランスディスク（釣合盤）によって、軸推
力を羽根車の発生圧力を利用して水力学的にバランスさ
せるようにした単段又は多段の遠心ポンプに関し、特に
上記バランスディスク装置とスラスト磁気軸受とを併用
した遠心ポンプに関する。

〔従来の技術〕

従来、遠心ポンプの吐出段より低圧部に圧力水の一部を
返流させる流路に、ポンプ軸方向の隙間による固定絞り
部と半径方向の隙間による可変絞り部とを直列に配置し
、両絞り部の間の空間の圧力を、ポンプ軸方向変化に伴
う前記可変絞り部の流路抵抗の変化により変化せしめて
自動的にポンプ軸推力の平衡に行なうバランスディスク
装置は、遠心ポンプの軸推力平衡装置として古くから用
いられており、固定絞り部と可変絞り部の眞後位置関係
や、何れをポンプ回転軸中心に近い側に位置させるかな
ど構造上の詳細に係わる変形はあるものの、適切に設計
によってポンプ定常運転時における軸推力の平衡機能は
完全といってよいものであり、既に長年の実績により確
められている。

第３図は、多段遠心ポンプに上記バランスディスフ式軸
推力平衡装置を適用した一例を示す要部断面図であって
、ポンプ（モータ）軸１に取付けられた最終段羽根車２
の主板２ａの裏面には、一体にバランスディスク３が形
成され、該バランスディスク３に対向して、軸方向の隙
間Ｅ、と半径方向の隙間ｃ２　を保持してバランスシー
１−４がケーシング５に取付けられており、両隙間ε４
、ｉ２の間に中間室６が形成され、該バランスシー１へ
４の裏側（下流側）は逃がし流路７を経てモータ室８に
連通されるようになっている。

ポンプ運転時、最終段羽根車２より吐出された流体の一
部が、主板２ａ裏面に形成された間隔一定の軸方向の固
定隙間Ｅ、を経て中間室６へ流入し。

ここで羽根車２に左向き（吸込口向き）の軸推力を働か
せる。該左向きの軸推力によって、シュラウド２ｂに働
く右方向の推力に抗して軸１が左方向に変位すると、可
変絞り部を構成する半径方向の隙間Ｅ２が大きくなり、
該部の流路抵抗は下がる。

ところが、逃し液流路の上流に存在する隙間ε１は、軸
の左右動により流路抵抗の変化しない固定絞り部を構成
するので、隙間ε２が広がれば中間室６の圧力は下がる
ことになり１羽根車２には全体として右向きの推力が働
き、隙間ε２を狭めようとする。そしてこれが狭くする
と、中間室６内圧は再び上昇し、羽根車２に働く右向き
推力は小さくなり、軸１は再び左方向に動こうとする。

このようにして、バランスディスク”Ａｎは、羽根車の
発生する軸推力に見合って隙間ε２を自ら決定する自動
制御系をなしている。なお、眞記した隙間εい　ε２の
位置関係によっては、軸１の動きと隙間Ｅ２の変化が上
記のものと逆になるものもあるが、その作動原理及び効
果において何等異なるところはない。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記のように、従来の軸推力平衡装置においては、定常
運転状態においては、軸推力は、中間室６の半径方向（
円環状）面積を、羽根車マウスリング２ｃと軸１との間
で形成される円環状面積に対して適切に大きい値とし、
且つそれと関連して固定隙間ε１の大きさを適切にとれ
ば、可変隙間Ｅ２は自動的に適切な値となり、ポンプは
円滑に運転される。

従って、バランスディスク装置を有するポンプ軸は１通
常、軸を軸方向に固定する推力軸受は持たないのである
が起動、停止時等の過渡的運転状態においては、羽根車
において軸推力を生せしめる羽根ｔＨ前後差圧の形成と
、それに対抗すべき逆向貴は推力を生ずるバランスディ
スク前後差圧の形成とが時間的に一致しない。差圧の形
成がすべて絞り流路を流体が通過する際の圧力降下によ
ってなされるため、流れが定常になるまでには当然成る
時間を要するからである。そのため１羽根車推力とバラ
ンスディスク推力の平衡が極く短時間ではあるが平衡せ
ず、隙間ｃ２が瞬間的に零となって金属接触し、このよ
うなことを繰り返えすことにより摩耗することがあった
。：又支軸ポンプにあっては、停止時に回転体の軸方向
位置を拘束できず不便であった。

上記の理由により、バランスディスク装置を使用しなが
ら推力軸受を取付けることが往々にしであるが、そのと
きは、精細な計算によって運転中の隙間Ｅ２を算出推定
し、その値が保たれるように推力軸受位置を設定するの
であって、非常な手間を要し、それらの措置を誤ると、
推力軸受荷重が過大となって軸受を早期に摩耗させるこ
とになるという問題点があった。

本発明は、上記のような非常な手間を要する煩わしい作
業を何等伴うことなく、正規以外の状態の運転時の軸位
置につつがなく対応し、且つ起動。

停止時のバランスディスク面の金属接触を防止し、併せ
て停止中の回転体位置の拘束を行なうようにした軸推力
平衡装置を備えた遠心ポンプを提供することを目的とし
ている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために１本発明は、軸方向推力軸
受に磁気軸受を用い、バランスディスク面と軸と共に移
動する軸方向変位検出面間の距雅と、固定側にあって上
記バランスディスク面と軸方向変位検出面にそれぞれ対
向するバランスシート面と変位センサ面間の距離とを等
しくするか、又は後者を前者より僅かに（最大０．２ｍ
ｍ）長くするようにし、運転中バランスディスクにより
規定される回転体軸方向位置とスラスト磁気軸受の中立
位置とをほぼ一致させることを可能としたことを特徴と
している。

〔作　用〕

本発明は、上記のように構成されているので。

ポンプが停止していて、磁気軸受に通電がなされていな
ければ、ポンプが支軸の場合１回転体は自重により下に
下がっていて、下部タッチダウン軸受等によって支持さ
れている。

次に、磁気軸受に通電がなされると、回転体は磁気推力
軸受の電磁力により浮上し、固定側の軸方向変位センサ
の面と対向して移動する軸方向変位検出面との隙間ε１
が所定の値になる所で安定する。このとき、バランスデ
ィスク面とこれに対向するバランスシート面との隙間ε
２が安全な値（０，２ｍｍ以上）に保たれておれば、回
転体は軸方向に完全に浮遊しており１機械的にどこも接
触していない状態となる。

ここでポンプを起動すれば、ポンプが揚程を発生するに
つれてバランスディスクが機能を発揮し、バランスディ
スク隙間ｆ２は既に述べた作動原理により、ポンプの設
計により決定される値に自動的になって行こうとする。

ポンプ運転中、ポンプ回転体は、スラスト磁気軸受の中
立点の如何に拘らず、ポンプの水力学的要因により決定
される隙間ε、に相当する位置で運転される。

次に、運転していたポンプがスイッチＯＦＦされて回転
が下がって行くと、水力的浮上刃は回転数の２乗に比例
して急速に低下するので、やがて立゛軸の場合自重を支
えられなくなり、回転体は下へ下がろうとするが、磁気
スラスト軸受の作用により、ポンプ停止状態においても
運転中と同じか、僅か（０，１＋ｍｍ〜０．２ｍｍ）に
下がった位置に浮上保持される。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、スラスト磁気軸受を液中モータポンプに用い
た本発明の一実施例を示す全体構造の断面図、第１Ａ図
及び第１Ｂ図は第１図の上半部及び下半部をそれぞれ拡
大して示した断面図である。

図中、第３図に記載した符号と同一の符号は同一ないし
同類部分を示すものとする。

図において、単段羽根車２の主板２ａの裏面に一体に形
成されたライナリング２ｄの外周面とケーシング５の内
周面との間に、軸方向の固定隙間Ｅ１を具えた固定絞り
部を形成し、上記ランナリング２ｄと、主板２ａのボス
部に一体に形成されたバランスディスク３との間に、中
間室６を形成し、該バランスディスク３と半径方向の隙
間Ｅ２　を隔ててバランスシート４をケーシング５に一
体に取付け、これらバランスディスク３とバランスシー
ト４とによって可変絞り部を形成し、該バランスシート
４の内径側を玉軸受の等間隔部又は逃がし通路７を経て
電動機室内に連通している点は、従来のもの（第３図）
と変りはない。

この実施例では、上記バランスシート４を取付けたケー
シング５の裏側（図で上方）に、下部半径方向変位セン
サ１１が取付けられており、該半径方向変位センサ１１
の半径方向内側（内径側）に、変位検出環１２を具えた
環状部材１３ａが軸１に嵌着されており、上記変位検出
ａ１２に軸方向に隙間ｃ３　を隔てて軸方向変位センサ
１４がケーシング５に取付けられている。

上記軸方向変位センサ１４の上方には、電動機１５を介
して下部ラジアル磁気軸受１６と上部ラジアル磁気軸受
１７が何れも軸１に取付けられており、該上部ラジアル
磁気軸受１７の上方には、上部半径方向変位センサ１８
が、軸１に嵌着された環状部材１３ｂの周面と対向する
ようにして下部軸受ケース１９に固定されている。

一方、軸１の上端部には、電磁石を用いたスラスト磁気
軸受２０が取付けられており、該スラスト磁気軸受２０
には１回転体の重量（大型のポンプでは数百キログラム
・となる。）を支える必要上、浮上刃が大きくとれる能
動型が使用される。該スラスト磁気軸受２０は、軸に取
付けられたスラスト磁気軸受円板（回転子）２１を挿ん
で、上下方向にそれぞれ隙間ｇ、及びｇ２を隔てて、固
定子ヨーク（継鉄）に外側を包囲されたスラスト磁気軸
受コイル（励磁コイル）２３及び２２が配置され、上部
軸受ケース１９ａ内に収納されている。各コイル２２．
２３は。

該軸受に浮上刃を生ずる電磁的推力を発生させるもので
、該発生する電磁力の反力が受けられるように、モータ
カバー２４、下部軸受ケース１９にボルト等によって固
着されている。

上記コイル２２．２３に流れる電流は、軸方向変位セン
サ１４よりの信号を入力とする負饋還回路によって、隙
間Ｅ、が所定の値となるように制御されるようになって
いる。そして軸受としての負荷−変位特性は、中立点の
近傍においてほぼ線型となし得る。なお、図中、９ｄ及
び９ｂは下部及び上部のタッチダウン軸受、２６は吸込
口、２７は吐出口、２８はインデューサ、２９は案内羽
根であり、また、２種類の矢印のうち、吸込、吐出口２
６．２７を通る尾羽根のついた大きい矢印はポンプ揚液
流路を、またモータ室を通る小さい矢印はバランス漏れ
液（モータ冷却液）の流路をそれぞれ示している。

次に、上記スラスト磁気軸受を用いた作用について説明
する。

ポンプが停止していて、磁気軸受２０に通電がなされて
いないときは、回転体は自重により下に下がっていて、
図示のように、下部タッチダウン軸受９ａに軸１の胴突
き段が乗り、隙間ｇ工＝０　の状態で支持されている。

次に、磁気軸受２０に通電がなされると、回転体は磁気
軸受コイル２３の電磁力により浮上し、軸方向変位セン
サ１４の面◎と変位検出環１２の面０との隙間ε、が所
定の値となる所で安定する。このとき、バランスディス
ク面のと、これに対向するバランイシート■との隙間ε
２が安全な値、即ち。

０．２　ｍ以上に保たれておれば、回転体は軸方向に完
全に浮遊しており、機械的にどこも接触していない状態
となる。

ここでポンプを起動すれば、ポンプが揚程を発生するに
つれてバランスディスク３が機能を発揮し出し、該バラ
ンスディスク３の隙間ε２は既に述べた作動原理により
、ポンプの設計による決定される値に自動的になって行
こうとする。この方は、液圧力によるものであるから、
自重、即ち磁気スラスト軸受の復元力に比べて桁違いに
大きい値であるからポンプが運転されれば、ポンプ回転
体は、スラスト磁気軸受の中立点の如何に拘らず。

上記の機構によりポンプの水力学的要因により決定され
る隙間Ｅ４に相当する位置で運転される。

上記の隙間Ｅ２は、計算により推定されるが、細かくは
、運転中のセンサによる実ｄＩｑにより値が分かる。ま
たε２の値は、同一回転数でもポンプ運転点の違いによ
って±３０％程度の変化はあるものである。従って、予
めスラスト磁気軸受の中立点を上記運転中のバランスデ
ィスク３の隙間ε２の回転体位置に近く定めておく（な
お、実際には、それより０．１〜０　、２ａ＋ｎ＋ε２
の大きい状態で支持されるように定めておく方が、ポン
プの空転のことを考えたときには安全といえよう。）こ
とにより。

磁気軸受に回転中にも無理のかからない状態とすること
ができる。このことは、正常運転中はポンプ回転体は自
ら発生する水力的な力により浮上しているので、磁気ス
ラスト軸受はなくともよい存在となっているということ
を意味する。

ところが、運転中は磁気スラスト軸受には通電せずども
よいかというと、正常な運転のみ考えの対象とすればそ
の通りであるが、重度のキャビテーションとかガス吸込
み等によりポンプ揚程が著しく低下した場合には、バラ
ンスディスクも正常な動作ができなくなるわけであるか
ら、モータの保護回路によるポンプトリップを行うにし
ても。

磁気スラスト軸受は常時作動している状態としておく方
が安全である。また、磁気スラスト軸受がその中立点か
らずれた状態で運転されるということは、饋還回路に常
に復元力を生せしめる電流が流れているということにな
るが、これは回路を工夫することにより特に支障とはな
らない。

次に、運転していたポンプがスイッチ−０ＦＦされて回
転が下がって行くと、水力的浮上刃は回転数の二乗に比
例して急速に低下するのでやがて自重を支えられなくな
り１回転体は下へ下がろうとするが、当該磁気スラスト
軸受の作用により、ポンプ停止状態においても運転中と
同じかわづか（０，１〜０，２＋＋ｕａ）に下がった位
置に浮上保持される。

第２図は、上記の関係を図示した作用線図であって、縦
軸にポンプ軸に作用する軸推力Ｆａが、また横軸にスラ
ストディスクの隙間Ｅ２がそれぞれ示されている。

図において、バランスディスク３が発生する軸推力Ｆｄ
（下向き）は、Ｆｄ凹曲線示される。また羽根車２が発
生する軸推力（上向き）を、訃”１ｎ重をＷとすると、
見かけ上の上向き軸推力Ｆｕは、Ｉｉ’ｕ＝Ｆｉ−Ｗと
なるから、回転体はこの両社の釣合い点Ｐで運転され、
そのときの隙間はε２ｎである。

一方、磁気スラスト軸受の推力−変位曲線はｌ−’　Ｍ
で表わされる。該曲線ＦＭは、隙間ε２がｆ　２ｎ（中
立点）より小さいときは下部コイル２２によって下向き
推力を与え、同じく大きいときは上部コイル２３によっ
て上向き推力を与えるように中立点で反転して示されて
いる。またＴは該磁気スラス１〜軸受の容量で、自重Ｗ
を余裕分割増した値に設計される。即ち、該ＦＭはポン
プ停止時（つまり、上記隙間Ｅ２の大きいときに相当す
る。）のスラスト曲線（下向きを正としている６従って
負の部分は上向き推力を示し、自重と釣合うことができ
る。）と考えられ、自重Ｗ（下向き推力である）は中立
点よりΔ（２だけバランスディスクの隙間の増した状態
で支持される。バランスディスクとスラスト磁気軸受を
併設した場合の運転中のポンプ下向き軸推力は、このＦ
ｄとＦＭとの和となるから、図のＦｄ’曲線で示され、
磁気軸受の中立点と点Ｐとが一致していればバランスデ
ィスクギャップＥ２は、スラスト磁気軸受のない時の値
ｆ２ｎと変らない。もしこの両者が一致していないとＦ
ｄ’曲線に歪みを生じ、ｔｚｎは僅かに変化するが、こ
れはポンプの運転にとって何等支障のないものである。

ポンプ停止過程においては、減速に従ってＦｄ凹曲線下
方に移動してくるが、羽根車の発生軸推力Ｆｉも同時に
減少するので、交点Ｐの横座標即ちε２ｎは殆ど変らな
いで推移し、最後に交点Ｐの縦座標即ちＦｕが０となる
に及んで隙間εよは不定すなわち機械的支持のある点ま
で下降することになる。

従来はこれをスラストパッド又は球軸受等の液中軸受で
行なって来たが１本発明のように、磁気スラスト軸受を
併設することにより、曲線Ｆｄは曲線Ｆｄ’　となり、
これも回転低下に応じて下方に移動することには変りな
いが、停止の場合の究極の姿はＦＭとなるわけであるか
ら、」１下推力は依然として交点Ｐｓを有し、回転体は
ここで浮遊支承される。

以上は磁気スラスト軸受の中立点をギャップε２ｎの軸
位置と合致させ得た理想的な場合につき述べたが、これ
が十分の数ｍ１ｆｉのオーダーで少々ずれたとしても、
　Ｆｄ’曲線に多少の変化を来すだけで、ε。も僅かに
変るのみであって、全体として何の不都合もない。

なお、実際には、多くの場合、自重Ｗの羽根車推力Ｆｉ
に対する比率およびバランスディスク軸推力Ｆｄに対す
る磁気スラスト軸受の推力Ｔの比率は。

第２図より想像される値より遥かに小さいものであって
、従ってＦｄよりＦｄ’への変形も僅かなものである。

第２図は原理を示すために誇張して描かれている。

上記のように、バランスディスク３の隙間εよは、ポン
プの運転中一定吐出流量においては一定値を保つが、該
バランスディスク３の面のと、変位検出環１２の軸方向
変位センサ１４との対向面◎との距離ｄと、これらに対
向するバランスシー１〜４の面■と軸方向変位センサの
面＠との距離ｄ′を等しくするか、又は後者ｄ′を前者
ｄより最大０．２ｍｍまでの範囲内で大きくとるように
すれば、ポンプの如何なる運転状態においてもスラスト
磁気軸受２０は、はぼ中立の位置に位することになり、
且つポンプを停止したとき、回転体は恰も回転しつつあ
るときと同じような位置に浮上支持されている（この場
合、ポンプ回転体重量のみを支持するだけであるので容
易である。）こととなり１回転体と固定側はどこも機械
的に接触することなく起動、停止され、従ってポンプは
長期に亘って保守を不要（メンテナン・スフリー）とす
ることができる。

上記した実施例においては、液中（サブマージド）モー
タポンプを例にとって説明したが、上述した原理は、バ
ランスディスク装置によってポンプ軸推力を平衡させる
ポンプにおいてすべて同じであるので、同様に適用する
ことができる。また、室軸ポンプについて説明したが横
軸ポンプに適用できることも勿論可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、バランスディスク
装置とスラスト磁気軸受を併用し、バランスディスク面
と軸方向変位検出面間の距離と。

固定側にあってこれらと対向するバランスシート面と変
位センサ面間の距離とを等しくするか、又は後者を前者
より僅かに長くするようにしたことにより、バランスデ
ィスクが正規に作用するポンプの運転状態にあっては、
バランスディスクによって回転位置が決定され、ポンプ
停止時その他バランスディスクが機能しないときは、該
スラスト磁気軸受によって回転体位置が決定され、室軸
ポンプであれば、自重を支持してその位置に）ｌ上させ
ることにより、また横軸ポンプであれば、羽根車軸推力
とバランスディスク軸推力の発生の時間的差等により発
生する軸推力に対応して中立位置近辺に保つことにより
、回転体と固定側とが如何なる時にも接触することがな
く、従って保守不要のポンプとすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はスラスト磁気軸受を液中モータポンプに用いた
本発明の一実施例を示す全体装置の断面図、第１Ａ図及
び第１Ｂ図は第１図の上半部及び下半部の拡大断面図、
第２図は作用線図、第３図は従来例を示す要部断面図で
ある。 ２・・・羽根車、　　　　　　　３・・・バランスディ
スク、４・・・バランスシート、　　　６・・・中間室
、１１・・・下部半径方向変位センサ。 １２・・・変位検出環、１４・・・軸方向変位センサ、
１８・・・上部半径方向変位センサ、 ２０・・・スラスト磁気軸受、 ２１・・・スラスト磁気軸受円板、 ２２．２３・・・スラスト磁気軸受コイル。 ε１、ε２、Ｅｌ、ｇ工、　ｇｘ、ｇｉ　”’隙間、■
、■、（０，０・・・面。 第１八圓 第１Ｂ図 第２図 手続ネ市ｔＥ書（自発） 平成元年 ４月１２［１

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、バランスディスク装置によって羽根車推力を平衡さ
   せるようにした単段又は多段の遠心ポンプにおいて、軸
   方向推力軸受に磁気軸受を用い、バランスディスク面と
   軸と共に移動する軸方向変位検出面間の距離と／固定側
   にあって上記バランスディスク面と、軸方向変位検出面
   にそれぞれ対向するバランスシート面と変位センサ面間
   の距離とを等しくするか、又は後者を前者より僅かに長
   くするようにし、運転中バランスディスクにより規定さ
   れる回転体軸方向位置とスラスト磁気軸受の中立位置と
   をほぼ一致させることを可能としたことを特徴とする磁
   気軸受を備えた遠心ポンプ。