JPH0676798B2 - 磁気軸受を備えた遠心ポンプ - Google Patents

磁気軸受を備えた遠心ポンプ

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JPH0676798B2
JPH0676798B2 JP63206344A JP20634488A JPH0676798B2 JP H0676798 B2 JPH0676798 B2 JP H0676798B2 JP 63206344 A JP63206344 A JP 63206344A JP 20634488 A JP20634488 A JP 20634488A JP H0676798 B2 JPH0676798 B2 JP H0676798B2
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thrust
axial
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balance
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陽一 金光
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    • F16C2360/44Centrifugal pumps
    • F16C2360/45Turbo-molecular pumps

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前後位置関
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、適切な設
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ク式軸
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εと半径方向の隙間εを保持してバランスシート
4がケーシング5に取付けられており、両隙間ε、ε
の間に中間室6が形成され、該バランスシート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ε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ε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ε
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εが広がれば中間室6の圧力
は下がることになり、羽根車2には全体として右向きの
推力が働き、隙間ε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、バランスディスク装置は、羽根車の発
生する軸推力に見合って隙間εを自ら決定する自動制
御系をなしている。なお、前記した隙間ε、εの位
置関係によっては、軸1の動きと隙間εの変化が上記
のものと逆になるものであるが、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εの大きさを適切にとれ
ば、可変隙間ε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、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ぜしめる羽根車前後差圧の形成と、
それに対抗すべき逆向き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或る時間
を要するからである。そのため、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ε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
立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てあるが、そのと
きは、精細な計算によって運転中の隙間ε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、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(最大0.2mm)
長くするように上記磁気軸受の制御位置を設定し、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、
ポンプが立軸の場合、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ε
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
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、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ε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、水力的浮上力は回転数の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(0.1mm〜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εを具えた固定絞り部を
形成し、上記ライナリング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ε
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、これらのバランスディスク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
径側を玉軸受の球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、上記変位検出環12に軸
方向に隙間ε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、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、浮上力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g3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19
a内に収納されている。各コイル22、23は、該軸受に浮
上力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ε
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、9a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26、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g1=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
の面ロと変位検出環12の面ロとの隙間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イ
と、これに対向するバランスシート面(イ′)との隙間
εが安全な値、即ち、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、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ε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。この力は、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εに相当する位置で運転される。
上記の隙間εは、計算により推定されるが、細かく
は、運転中のセンサ14による実測により値が分かる。ま
たε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εの回転体位置に近く定めておく(な
お、実際には、それより0.1〜0.2mmε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
生する水力学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とも
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ぜ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−OFFされて回転
が下がって行くと、水力的浮上力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、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(0.1〜0.2mm)に下がった位置に浮上保持
される。
上記のように、本発明は、ポンプ・モータの軸にとりつ
けられて、バランスディスク3と動きを共にする環状部
材13aと、ケーシング側にとりつけられた変位センサ14
との間の変位εを検出し、これによりバランスディス
ク3の軸方向位置を検出することによって、バランスデ
ィスク3とバランスシート4との間隙を、羽根車寸法、
バランスディスク寸法、固定絞り隙間ε等より水力学
的に決定される隙間εに等しいか或いは僅かに大きく
なるように、スラスト磁気軸受の位置を制御(コントロ
ール)し、停止時及び起動・停止等の過渡状態更にはキ
ャビテーション発生時等の異常状態においてバランスデ
ィスク・シートが接触せぬよう制御を行い、一方、正常
運転状態においても磁気軸受の中立位置よりの偏倚を極
小に止め、磁気軸受への過電流を防止するというもので
ある。
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ε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曲線で示される。また羽根車2が発生
する軸推力(上向き)をFi、自重をWとすると、見かけ
上の上向き軸推力Fuは、Fu=Fi−Wとなるから、回転体
はこの両者の釣合い点Pで運転され、そのときの隙間ε
2nである。
一方、磁気スラスト軸受の推力−変位曲線はFMで表わさ
れる。該曲線FMは、隙間εがε2n(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
気スラスト軸受の容量で、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ε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。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Δε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Fd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εは、ス
ラスト磁気軸受のない時の点ε2nと変らない。もしこの
両者が一致していないとFd′曲線に歪みを生じ、ε2n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曲線は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ε
2n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、
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、上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mm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、εn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
体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の面イと、変位検出環12の軸方向変
位センサ14との対向面ロとの距離dと、これらに対向す
るバランスシート4の面イ′と軸方向変位センサの面
ロ′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、ほ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
に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、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、立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
うに上記磁気軸受の制御位置を設定し、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、立軸ポンプであれば、自重を支持
してその位置に浮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、 ε、ε、ε、g1、g2、g3……隙間、 イ、イ′、ロ、ロ′……面。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−189394(JP,A) 実開 昭54−30302(JP,U) 実公 昭34−1172(JP,Y1)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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上記磁気軸受の制御位置を設定
    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。
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