(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速回転して液体を加圧するインペラと、該インペラの回転を支持するラジアル軸受と、インペラの背面に加圧された液体を流して軸スラストをバランスさせるバランスピストン機構と、インペラの軸スラストを支持するスラスト軸受と、を備え、
バランスピストン機構が作動しない起動時又は低速時には、インペラが背面方向への軸スラストを受けることにより、インペラのスラスト支持面がスラスト軸受に接触してスラスト軸受によって軸スラストを支持し、
バランスピストン機構が作動する通常時には、インペラのスラスト支持面がスラスト軸受から離間し、スラスト軸受を無負荷状態とするようになっている、
ことを特徴とするバランスピストン機構を備えたターボポンプ。
【請求項２】
インペラのスラスト支持面とスラスト軸受との間に隙間δ2が設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載のバランスピストン機構を備えたターボポンプ。
【請求項３】
高速回転して液体を加圧するインペラと、該インペラの回転を支持するラジアル軸受と、インペラの背面に加圧された液体を流して軸スラストをバランスさせるバランスピストン機構と、インペラの軸スラストを支持するスラスト軸受と、を備え、前記スラスト軸受は、インペラが背面方向に所定距離δ2 だけ軸方向に移動したときのみ、インペラのスラスト支持面に接して軸スラストを支持するようになっており、
前記バランスピストン機構は、インペラの外端部に設けられインペラの背面方向移動により隙間δが拡大する入口流路Ａと、インペラの背面内端部に設けられインペラの背面方向移動により隙間δ1 が減少する出口流路Ｂと、入口流路Ａと出口流路Ｂの間にインペラの背面に沿って加圧液体を流す背面流路と、からなり、前記スラスト軸受の隙間δ2 は、隙間δ1 の最大値よりも小さく設定されている、ことを特徴とするバランスピストン機構を備えたターボポンプ。
【請求項４】
前記ラジアル軸受は、ジャーナル軸受である、ことを特徴とする請求項１に記載のバランスピストン機構を備えたターボポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ターボポンプに係わり、更に詳しくは、バランスピストン機構を備えたターボポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
羽根車（インペラ）をケーシング内で回転させ、液体にエネルギを与えるポンプをターボポンプという。図５は、ターボポンプの一種である遠心ポンプの全体構成図であり、液体を導入するインディーサ１、液体を加圧するインペラ２（羽根車）、インペラの回転を支持する軸受３ａ，３ｂ、駆動ガスにより回転駆動されるタービン４、及びケーシング５、等からなり、駆動ガスによりタービン４を高速（例えば２万〜５万ｒｐｍ）で回転させ、この回転力をシャフト６を介してインディーサ１及びインペラ２に伝達し、インペラ２の回転により液体にエネルギを与えて加圧するようになっている。
【０００３】
図６は、図５の部分拡大図である。上述したターボポンプでは、加圧された液体により、インペラ２に大きな軸スラストＦ（図で右向き）が発生する。この軸スラストＦを支持するために、いわゆるバランスピストン機構が従来から用いられている。このバランスピストン機構は、図６に示すように、インペラ２の背面（図で右側面）に加圧された液体が流れる流路７を設け、この流路内の圧力により軸スラストｆ（図で左向き）を発生させ、両方の軸スラストＦ，ｆが一致するようにインペラ２の位置を調節し軸スラストをバランスさせるようになっている。
【０００４】
インペラ２の位置調節は、図に示す２つの流路Ａ，Ｂの隙間により行われる。すなわち、軸スラストＦ，ｆが一致するときに、高速回転に適した適当な隙間が流路Ａ，Ｂに設けられており、軸スラストＦが増加するとインペラ２がわずかに右に移動し、流路Ｂの隙間が狭く流路Ａの隙間が広くなって流路７内の圧力が増大し、この結果、軸スラストｆが増して両方の軸スラストＦ，ｆがバランスする。また、逆に軸スラストＦが減少するとインペラ２がわずかに左に移動し、流路Ｂの隙間が広く流路Ａの隙間が狭くなって流路７内の圧力が減少し、この結果、軸スラストｆが減ってやはり両方の軸スラストＦ，ｆがバランスする。従って、かかるバランスピストン機構により、軸受３ａ，３ｂに作用する軸スラストをほとんどゼロにすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したバランスピストン機構を備えたターボポンプであっても、起動時やインペラの回転速度が比較的低い領域（例えば１万ｒｐｍ以下）では、バランスピストン機構が適切に作動せず、この結果、大きなアンバランス力が（図で右向きに）発生する問題点があった。
【０００６】
このため、従来のバランスピストン機構を備えたターボポンプでは、図６に例示するように、軸受３ａの側面に弾性部材８（例えば皿バネ）を設け、弾性部材８の反力により起動時等のアンバランス力を吸収（支持）するようになっていた。しかし、かかる機構では、軸受３ａが大きな軸スラストを受けながら高速（例えば２万〜５万ｒｐｍ）で回転するため、軸受の負荷が過大となり、低寿命となる問題点があった。すなわち、軸受３ａには、軸スラストを受けられるスラスト軸受（例えばスラスト玉軸受）を用いる必要があるが、かかるスラスト軸受は、一般に１万ｒｐｍ以上の高速運転では寿命が短く、特に高負荷、無潤滑状態（起動時には無潤滑状態になる）では、短時間しか使用できない問題点があった。
【０００７】
本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、起動又は低速時に発生する軸スラストを吸収（支持）することができ、かつ長時間安定して使用ができるバランスピストン機構を備えたターボポンプを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、高速回転して液体を加圧するインペラと、該インペラの回転を支持するラジアル軸受と、インペラの背面に加圧された液体を流して軸スラストをバランスさせるバランスピストン機構と、インペラの軸スラストを支持するスラスト軸受と、を備え、バランスピストン機構が作動しない起動時又は低速時には、インペラが背面方向への軸スラストを受けることにより、インペラのスラスト支持面がスラスト軸受に接触してスラスト軸受によって軸スラストを支持し、バランスピストン機構が作動する通常時には、インペラのスラスト支持面がスラスト軸受から離間し、スラスト軸受を無負荷状態とするようになっている、ことを特徴とするバランスピストン機構を備えたターボポンプが提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施例によれば、インペラのスラスト支持面とスラスト軸受との間に隙間δ2 が設けられている。また、前記バランスピストン機構は、インペラの外端部に設けられインペラの背面方向移動により隙間δが拡大する入口流路Ａと、インペラの背面内端部に設けられインペラの背面方向移動により隙間δ1 が減少する出口流路Ｂと、入口流路Ａと出口流路Ｂの間にインペラの背面に沿って加圧液体を流す背面流路と、からなり、前記スラスト軸受の隙間δ2 は、隙間δ1 の最大値よりも小さく設定されている。また、前記ラジアル軸受は、ジャーナル軸受である、ことが好ましい。
【００１０】
【作用】
上記本発明の構成によれば、インペラの背面に加圧された液体を流して軸スラストをバランスさせるバランスピストン機構と、インペラの軸スラストを支持するスラスト軸受と、を備えており、バランスピストン機構が作動しない起動時又は低速時には、インペラが背面方向への軸スラストを受けることにより、インペラのスラスト支持面がスラスト軸受に接触してスラスト軸受によって軸スラストを支持し、バランスピストン機構が作動する通常時には、インペラのスラスト支持面がスラスト軸受から離間し、スラスト軸受を無負荷状態とするようになっているので、（１）起動時や低速時等のバランスピストン機構が適切に作動しないときに、アンバランス力によりインペラが背面方向に所定距離δ2 だけ移動したときだけスラスト軸受によりアンバランス力を吸収（支持）することができ、（２）インペラが高速に回転する通常時には、バランスピストン機構によりインペラが適正位置に保持され、スラスト軸受とインペラのスラスト支持面との接触をなくし、スラスト軸受を無負荷状態で停止させることができ、これによりスラスト軸受を長時間安定して使用することができる。
【００１１】
また、インペラのスラスト支持面とスラスト軸受との間に隙間δ2 を設けることにより、簡単な構造により、インペラが背面方向に所定距離δ2 だけ移動したときだけスラスト軸受によりアンバランス力を吸収（支持）することができる。更に、前記スラスト軸受の隙間δ2 を、インペラの背面内端部の出口流路Ｂの隙間δ1 の最大値よりも小さく設定することにより、出口流路Ｂを確保した状態でスラスト軸受を確実に作動させることができ、出口流路Ｂにおけるインペラの接触や摩耗を回避することができる。また、ラジアル軸受をジャーナル軸受にすることにより、簡単な構造により、高速回転時（例えば２万〜５万ｒｐｍ）に高負荷を受けることができる。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
図１は、本発明によるバランスピストン機構を備えたターボポンプの全体構成図であり、図２は図１の部分拡大図である。図１及び図２において、本発明のターボポンプ１０は、高速回転して液体を加圧するインペラ１２と、インペラ１２の回転を支持するラジアル軸受１４ａ，１４ｂと、インペラ１２の背面に加圧された液体を流して軸スラストをバランスさせるバランスピストン機構１６と、インペラの軸スラストを支持するスラスト軸受１８とを備えている。ラジアル軸受１４ａ，１４ｂは、それぞれジャーナル軸受であり、潤滑油が外部より圧送され、摺動面に供給されるようになっている。かかる構成により、簡単な構造により、高速回転時（例えば２万〜５万ｒｐｍ）に高負荷を受けることができるようになっている。なお、軸スラストにより軸方向に自由に移動できかつ半径方向の負荷を受けることができるジャーナル軸受以外の軸受（例えばニードル軸受）を用いてもよい。
【００１３】
図３は、図２のＡ〜Ｃ部の拡大図である。図２及び図３に示すように、バランスピストン機構１６は、インペラ１２の外端部に設けられインペラの背面方向移動により隙間δが拡大する入口流路Ａと、インペラ１２の背面内端部に設けられインペラの背面方向移動により隙間δ1 が減少する出口流路Ｂと、入口流路Ａと出口流路Ｂの間にインペラの背面に沿って加圧液体を流す背面流路１７とからなる。インペラ１２で加圧された液体は、入口流路Ａ、背面流路１７、及び出口流路Ｂを通って、低圧部分（例えばインペラ入口）に流れるようになっている。この構成により、インペラ１２の外端部、入口流路Ａ、背面流路１７、出口流路Ｂの順で圧力を下げることができ、背面流路１７内の圧力により、図６に示した軸スラストｆ（図で左向き）を発生させることができる。
【００１４】
また、図３において、入口流路Ａの隙間δと出口流路Ｂの隙間δ1 の和は、一定（例えば約２５０μｍ）になっており、隙間δが大きくなれば、隙間δ1 が小さくなる（例えばδ1 ＝２５０−δの関係）ようになっている。この構成により、インペラ１２内の加圧液体により発生する軸スラストＦ（図で右向き）が増加するとインペラ１２がわずかに右に移動し、隙間δ1 が狭く隙間δが広くなって流路１７内の圧力が増大し、この結果、軸スラストｆが増して両方の軸スラストＦ，ｆがバランスする。また、逆に軸スラストＦが減少するとインペラ１２がわずかに左に移動し、隙間δ1 が広く隙間δが狭くなって流路１７内の圧力が減少し、この結果、軸スラストｆが減ってやはり両方の軸スラストＦ，ｆがバランスする。従って、この機構により、インペラ１２に作用する軸スラストをほとんどゼロにすることができる。
【００１５】
更に、本発明によれば、インペラ１２のスラスト支持面１２ａ（図３参照）とスラスト軸受１８との間には隙間δ2 が設けられているので、例えば起動時やインペラ１２の低速時（例えば１万ｒｐｍ以下）の軸スラストにより、インペラ１２が背面方向に所定距離δ2 だけ軸方向に移動したときのみ、スラスト軸受１８がインペラ１２のスラスト支持面１２ａに接して軸スラストを支持することができる。
【００１６】
なお、このスラスト軸受１８の隙間δ2 は、隙間δ1 の最大値よりも少なくとも小さく設定されている。この構成により、出口流路Ｂを確保した状態でスラスト軸受を確実に作動させることができ、出口流路Ｂにおけるインペラの接触や摩耗を回避することができる。
【００１７】
図４は、本発明によるターボポンプの作動特性図である。この図は、入口流路Ａの隙間δと出口流路Ｂの隙間δ1 の和が２５０μｍ、隙間δがゼロの位置でスラスト軸受１８の隙間δ2 が２１０μｍの場合を示しており、横軸はインペラの回転数（ｒｐｍ）、縦軸は、スラスト軸受１８に作用する荷重（Ａ）と入口流路Ａの隙間δ（Ｂ）を示している。この図に示すように、インペラ１２の回転数が約５０００ｒｐｍ以下の起動時又は低速時には、軸スラストによりインペラ１２が背面方向に２１０μｍ（すなわち所定距離δ2 ）だけ移動し、スラスト軸受１８がインペラ１２のスラスト支持面１２ａに接して軸スラストを支持している。このときのスラスト軸受１８の荷重（軸スラスト）は、この例では約４５ｋｇであり、インペラ１２と同じ回転速度（例えば５０００ｒｐｍ）で回転する。
【００１８】
次いでインペラ１２の回転数が５０００ｒｐｍを越えると、上述したバランスピストン機構により、インペラ１２が左（図で）に移動してスラスト軸受１８とスラスト支持面１２ａとの接触がなくなり、スラスト軸受１８は無負荷状態となり回転速度も低速になり停止する。従って、▲１▼起動時や低速時等のバランスピストン機構が適切に作動しないときに、アンバランス力によりインペラが背面方向に所定距離δ2 だけ移動したときだけスラスト軸受によりアンバランス力を吸収（支持）することができ、▲２▼インペラが高速に回転する通常時には、バランスピストン機構によりインペラが適正位置に保持され、スラスト軸受とインペラのスラスト支持面との接触をなくし、スラスト軸受を無負荷状態で停止させることができ、これによりスラスト軸受を長時間安定して使用することができる。
【００１９】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
上述したように、本発明のバランスピストン機構を備えたターボポンプは、起動又は低速時に発生する軸スラストを吸収（支持）することができ、かつ長時間安定して使用ができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるバランスピストン機構を備えたターボポンプの全体構成図である。
【図２】図１の部分拡大図である。
【図３】図２のＡ〜Ｃ部の拡大図である。
【図４】本発明によるターボポンプの作動特性図である。
【図５】従来のターボポンプの全体構成図である。
【図６】図５の部分拡大図である。
【符号の説明】
１  インディーサ
２  インペラ（羽根車）
３ａ，３ｂ  軸受
４  タービン
５  ケーシング
６  シャフト
７  流路
８  弾性部材
１０  ターボポンプ
１２  インペラ
１４ａ，１４ｂ  ラジアル軸受
１６  バランスピストン機構
１７  背面流路
１８  スラスト軸受
Ａ  入口流路
Ｂ  出口流路
δ，δ1 ，δ2   隙間
【図１】
0003646740.tif 000002
【図２】
0003646740.tif 000003
【図３】
0003646740.tif 000004
【図４】
0003646740.tif 000005
【図５】
0003646740.tif 000006
【図６】
0003646740.tif 000007