(57)【要約】【課題】  バランスディスクとバランスブッシュから形成される隙間流により生じる不安定振動を抑制することができるバランスディスクの安定化機構を提供する。【解決手段】  回転駆動する主軸１に固定され、該主軸１に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスク２０と、該バランスディスク２０に対向配置されたバランスブッシュ２５と、前記バランスディスク２０に対向する側のバランスブッシュの面２５ａに形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部２５ｂと、前記バランスディスク２０と前記バランスブッシュ２５と前記突出部２５ｂにより画成された第１圧力室２９及び第２圧力室３２と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、前記突出部２５ｂと前記バランスディスク２０の間の隙間３１が、流体流れ方向に向けてテーパ状に縮小するように形成する。【選択図】      図１
2007046507.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動する主軸に固定され、該主軸に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスクと、該バランスディスクに対向配置されたバランスブッシュと、前記バランスディスクに対向する側のバランスブッシュの面に形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部と、前記バランスディスクと前記バランスブッシュと前記突出部により画成された第１圧力室及び第２圧力室と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、
前記突出部と前記バランスディスクの間の隙間が、流体流れ方向に向けてテーパ状に縮小するように形成されることを特徴とするバランスディスクの安定化機構。  
【請求項２】
前記バランスディスクに対向する側の前記突出部の面を傾斜させることにより前記隙間が縮小されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のバランスディスクの安定化機構。
【請求項３】
前記突出部に対向する側の前記バランスディスクの面を傾斜させることにより前記隙間が縮小されるようにしたことを特徴とする請求項１記載のバランスディスクの安定化機構。
【請求項４】
前記突出部側のバランスディスクの傾斜面に対して裏側に位置する面を、該傾斜面と略平行に傾斜させたことを特徴とする請求項３記載のバランスディスクの安定化機構。
【請求項５】
回転駆動する主軸に固定され、該主軸に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスクと、該バランスディスクに対向配置されたバランスブッシュと、前記バランスディスクに対向する側のバランスブッシュの面に形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部と、前記バランスディスクと前記バランスブッシュと前記突出部により区画された第１圧力室と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、
前記突出部を前記バランスディスクの周縁付近まで延設し、該突出部より流体流れ方向下流側に位置する第２圧力室を設けない構成としたことを特徴とするバランスディスクの安定化機構。
【請求項６】
回転駆動する主軸に固定され、該主軸に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスクと、該バランスディスクに対向配置されたバランスブッシュと、前記バランスディスクに対向する側のバランスブッシュの面に形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部と、前記バランスディスクと前記バランスブッシュと前記突出部により画成された第１圧力室及び第２圧力室と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、
前記バランスディスクのスラスト方向隙間に、流体流れ方向に向けて縮小化する溝を設けたことを特徴とするバランスディスクの安定化機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ主軸に作用する軸スラストをバランスさせるためのバランスディスクに関し、特に隙間流による動的不安定振動を抑制することのできるバランスディスクの安定化機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠心ポンプでは、運転時に羽根車の前後のシュラウドに作用する力に不釣合いが生じ、羽根車に対して吸込側に向けて羽根車推力が発生し、この羽根車推力は主軸に軸方向推力として作用する。そこで、従来よりこのような軸方向推力をバランスさせるための装置としてバランスディスクを設けた遠心多段ポンプ等が知られている。
このような遠心ポンプは、主軸に固定されたバランスディスクと、ケーシングに固定され、バランスディスクと対向するバランスブッシュとを備え、バランスディスクとバランスブッシュとの間に形成された隙間を漏洩する流体により主軸に作用する軸方向推力をバランスさせている。
【０００３】
従って、羽根車推力が大きくなり主軸に作用する軸方向推力が増加した場合には、主軸が吸込側に変位しようとするために、バランスディスクとバランスブッシュとの間隙の幅が小さくなる。このため、間隙での圧力損失が大きくなり、増加した羽根車推力に対応して、バランスディスクに発生するバランス推力も大きくなる。逆に、羽根車推力が減少した場合には、主軸が吐出側に変位し、間隙の幅が大きくなる。このため、間隙での圧力損失が小さくなり減少した羽根車推力に対応して、バランスディスクに発生するバランス推力も小さくなる。このようにバランスディスク機構は、羽根車推力の増減に対応するように、バランス推力を増減させる自動調節機能を有する。
【０００４】
上記したような遠心ポンプにおいては、バランスディスク機構が安定的に運転されるのは前記隙間が極めて小さい場合に限られる。しかしながら、長期間に亘るポンプの運転に伴い、バランスディスクがバランスブッシュに繰り返し接触し、焼付きやディスク面の損傷を生じる惧れがあった。そこで、特許文献１（特開昭５５−１７６３２号公報）では、ポンプの起動、停止時にバランス装置から吸引管に至る流路を絞り、バランス室の圧力を上昇させてバランスディスクをバランスブッシュから隔離させ、接触を防止する構成が開示されている。
また、特許文献２（特開昭５４−７２５０２号公報）では、同様にバランスディスクがケーシングに接触するという問題を回避するために、中間圧力室に対して、機械の起動時及び停止時に高圧水を供給する構成が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭５５−１７６３２号公報
【特許文献２】特開昭５４−７２５０２号公報
【特許文献３】特開２００５−１０５９０４号公報
【非特許文献１】弥生研究会資料「一次元すきま流路内の剛体平板の不安定振動発生機構」，P240−P257，1991.8.27
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、バランスディスクとバランスブッシュの間の隙間は微小に形成されており、この形状から隙間流による動的不安定振動が発生する惧れがある。従来のバランスディスクは、特許文献１及び特許文献２、或いは特許文献３（特開２００５−１０５９０４号公報、図３参照）に記載されるように、隙間は微小な平行流路で形成されている。このような隙間流路を有する場合、隙間流による動的不安定振動が発生することが知られている（非特許文献１参照）。特に、末広流路の場合、壁面の変位に比例して生じる流体力から、負剛性による不安定と、流体慣性による位相遅れから生じる負減衰による不安定が発生し得る。さらに、出口損失係数が大きい場合は、従来技術に示したような平行流路でも不安定が起こり得るとされている。
特許文献１及び特許文献２に記載される構成は、ポンプ起動、停止時におけるバランスディスクとケーシングとが接触する不具合を解消することを目的としており、ディスク前後の圧力制御はなされておらず、軸振動の発生を抑制することは考慮されていない。また、特許文献３においても、同様に隙間流による動的不安定振動については言及されていない。
【０００７】
従って、本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、バランスディスクとバランスブッシュから形成される隙間流により生じる不安定振動を抑制することができるバランスディスクの安定化機構を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、回転駆動する主軸に固定され、該主軸に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスクと、該バランスディスクに対向配置されたバランスブッシュと、前記バランスディスクに対向する側のバランスブッシュの面に形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部と、前記バランスディスクと前記バランスブッシュと前記突出部により画成された第１圧力室及び第２圧力室と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、
前記突出部と前記バランスディスクの間の隙間が、流体流れ方向に向けてテーパ状に縮小するように形成されることを特徴とするバランスディスクの安定化機構を提供する。
【０００９】
このとき、前記バランスディスクに対向する側の前記突出部の面を傾斜させることにより前記隙間が縮小されるようにすると良い。
また、前記突出部に対向する側の前記バランスディスクの面を傾斜させることにより前記隙間が縮小されるようにしても良い。さらに、前記突出部側のバランスディスクの傾斜面に対して裏側に位置する面を、該傾斜面と略平行に傾斜させたことを特徴とする。
本発明によれば、隙間流による減衰低下を抑制し、流体的不安定化力発生箇所を低減することにより、主軸の不安定振動を抑制することが可能となる。
【００１０】
また、回転駆動する主軸に固定され、該主軸に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスクと、該バランスディスクに対向配置されたバランスブッシュと、前記バランスディスクに対向する側のバランスブッシュの面に形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部と、前記バランスディスクと前記バランスブッシュと前記突出部により区画された第１圧力室と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、
前記突出部を前記バランスディスクの周縁付近まで延設し、該突出部より流体流れ方向下流側に位置する第２圧力室を設けない構成としたことを特徴とする。これにより、隙間部下流にて急拡大することによる流体的不安定を削減し、主軸の不安定振動を抑制することが可能となる。
【００１１】
さらに、回転駆動する主軸に固定され、該主軸に作用するスラスト力を調整するためのバランスディスクと、該バランスディスクに対向配置されたバランスブッシュと、前記バランスディスクに対向する側のバランスブッシュの面に形成された前記主軸の軸線方向に突出する突出部と、前記バランスディスクと前記バランスブッシュと前記突出部により画成された第１圧力室及び第２圧力室と、を備えた遠心ポンプのバランスディスクにおいて、
前記バランスディスクのスラスト方向隙間に、流体流れ方向に向けて縮小化する溝を設けたことを特徴とする。本発明によれば、前記隙間を通る流れが溝により加速するため、隙間流による不安定振動を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
以上記載のごとく本発明によれば、バランスディスクとバランスブッシュの間に形成される隙間流により生じる動的不安定振動を抑制することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１乃至図６は本実施例１乃至６に係るバランスディスク機構を示し、図７は本実施例のバランスディスクを備えた遠心ポンプの部分縦断面図を示す。
【００１４】
まず、図７を参照して本実施例に係るバランスディスク機構が適用される遠心ポンプにつき簡単に説明する。同図に示す遠心ポンプ１００は吐出側のみを部分的に表し、吸込側は省略してある。遠心ポンプ１００は、回転駆動される主軸１と、流体の吸引口を有する吸引ケーシング（不図示）と、流体の吐出口を有する吐出ケーシング５と、吸引ケーシングと吐出ケーシングの間に配された中間ケーシング６を備えており、前記主軸１の中間部には羽根車９が固定されている。該羽根車９より吐出側にはスタッフィングボックス１６が設けられており、羽根車９とスタッフィングボックス１６との間にはバランスディスク２０が配設されている。該バランスディスク２０は主軸１の外周に固定されている。
【００１５】
前記バランスディスク２０は、円筒部２０ａとディスク部２０ｂとで構成される。バランスディスク２０は、主軸１のリング溝内に嵌着されているスプリットリングと当接している。スプリットリングは、バランスディスク２０と固定リングにより挟持されており、固定リングをバランスディスク２０にボルト等で固定することにより、バランスディスク２０及び主軸１に固定される。
前記吐出ケーシング５には、バランスディスク２０の円筒部２０ａの外周側となる位置に、第１バランスブッシュ２５が固定されている。また、バランスディスク２０のディスク部２０ｂの外周側となる位置には、第２バランスブッシュ２６が設けられている。第２バランスブッシュ２６は、ボルトにより吐出ケーシング５に固定されている。
第１バランスブッシュ２５には、主軸１の軸心と直交する面２５ａに、バランスディスク２０と対向する面２５ｃを有する筒状突出部２５ｂが形成されている。
【００１６】
また、前記バランスディスク２０の円筒部２０ａとディスク部２０ｂと第１バランスブッシュ２５は、第１圧力室２９を画成する。第１バランスブッシュ２５は、円筒部２０ａの外周面２０ｅに対向した内周面２５ｆを有しており、円筒部２０ａの外周面２０ｅと第１バランスブッシュ２５の内周面２５ｆとの間に、流体が流通可能な第１流路３０が形成されている。第１流路３０は、一端が吐出ケーシング５内の吐出口に連通しており、他端が第１圧力室２９に連通している。
第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂが形成する面２５ｃと、該面２５ｃに対向するバランスディスク２０の面２０ｃとの間には、主軸１の軸方向と直交方向に延びる間隙３１が形成されている。間隙３１は、その一端が第１圧力室２９と連通している。
【００１７】
第１バランスブッシュ２５と第２バランスブッシュ２６とバランスディスク２０は第２圧力室３２を画成する。第２バランスブッシュ２６は、バランスディスク２０のディスク部２０ｂの外周面２０ｆに対向した内周面２６ａを有している。ディスク部２０ｂの外周面２０ｆと第２バランスブッシュ２６の内周面２６ａとの間には、流体が流通可能な第２流路３３が形成されている。第２流路３３は、一端が第２圧力室３２に接続しており、他端がバランスディスク２０とスタッフィングボックス１６との間に形成されたバランス室３４と連通している。バランス室３４は、吸込ケーシングの吸込口側にバランス管を介して接続されている。従って、第１圧力室２９は、第１流路３０を介して吐出ケーシング５内の吐出口に接続されるとともに、間隙３１、第２圧力室３２、第２流路３３、バランス室３４及びバランス管を介して吸込ケーシング内の吸込口と連通することになる。
【００１８】
上記した遠心ポンプ１００の運転時において、羽根車９の前後のシュラウドに作用する力に不釣り合いが生じ、羽根車９に吸込側（図７における左方向）に向けて羽根車推力が発生し、この推力は、主軸１に軸方向推力として作用する。一方、第１圧力室２９には第１流路３０を介して吐出口側から流体が導かれる。第１圧力室２９内の圧力は、第１流路３０での圧力損失のため吐出圧（Ｐ１）より低い圧力（Ｐ２）となる。第１圧力室２９に導かれた流体は、間隙３１を介して第２圧力室３２に導かれる。第２圧力室３２内の圧力は、間隙３１での圧力損失のために第１圧力室２９内の圧力（Ｐ２）より低い圧力（Ｐ３）となる。第２圧力室３２に導かれた流体は、第２流路３３、バランス室３４に導かれ、最終的にはバランス管を介して吸込口に導かれる。バランス室３４の圧力は、第２流路３３での圧力損失のため、第２圧力室３２内の圧力（Ｐ３）より低い圧力（Ｐ４）となる。この結果、第１圧力室２９内の圧力（Ｐ２）とバランス室３４内の圧力（Ｐ４）との差圧により、バランスディスク２０に吐出側（図２における右方向）に向いたバランス推力が発生する。このバランス推力がバランスディスク２０からスプリットリング２２を介して主軸１に伝えられ、上述した羽根車推力を打ち消すように主軸１に作用する。
【００１９】
このように、バランスディスク２０は、バランス推力の自動調節機能を有している。ここで、羽根車推力が大きくなり主軸１に作用する軸方向推力が増加した場合を考えると、主軸１が吸込側（図２における左方向）に変位しようとするために、間隙３１の幅が小さくなる。このため、間隙３１での流体が流れる流路断面積が小さくなり、間隙３１での圧力損失が大きくなる。これにより、第１圧力室２９内の圧力（Ｐ２）とバランス室３４内の圧力（Ｐ４）との差圧を大きくすることができる。従って、増加した軸方向推力に対応して、大きなバランス推力を得ることが可能となる。このバランス推力は、バランスディスク２０、スプリットリングを介して主軸１に伝えられることになる。
逆に、軸方向推力が減少した場合を考えると、主軸１が吐出側（図２における右方向）に変位し、間隙３１の幅が広くなる。このため、軸方向推力が増加した場合とは逆に、間隙３１での圧力損失が小さくなり、第１圧力室２９内の圧力（Ｐ２）とバランス室３４内の圧力（Ｐ４）との差圧を小さくすることができる。従って、減少した軸方向推力に対応して、バランスディスク２０に発生するバランス推力も小さくすることができる。この場合も同様に、バランス推力は、バランスディスク２０、スプリットリングを介して主軸１に伝えられる。
【００２０】
次に、図１を参照して本実施例１に係るバランスディスク機構につき説明する。上記したようなバランスディスク機構の場合、第１圧力室２９から第２圧力室３２へ流体が通流する際に、バランスディスク２０の面２０ｃと第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃとの間の隙間３１を通過することにより、隙間流れが形成され、これに基づき動的な不安定振動を発生するという問題があった。
本実施例の特徴的な構成として、このような動的不安定振動を抑制するために、前記隙間３１を、流体流れ方向に縮小する略テーパ形状に形成した。
【００２１】
図１に示す実施例１では、前記第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃを、第２圧力室３２側が突出するように傾斜させたものである。
これにより、隙間流による減衰低下を抑制し、流体的不安定化力発生箇所を低減することにより、主軸１の不安定振動を抑制することが可能となる。
図２に示す実施例２では、実施例１とは異なり、前記バランスディスク２０の面２０ｃのうち、少なくとも第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃに対向する部分を、流体流れ方向に縮小するテーパ形状とした。これにより、実施例１と略同様の効果を得ることができる。
【００２２】
ここで、前記実施例２の構成では、バランスディスク２０の円筒部２０ａとディスク部２０ｂとの結合部近傍が細くなり、強度的に問題が生じる場合がある。この場合は図３に示した実施例３のごとく、バランスディスク２０の面２０ｃとは反対側に位置するバランスディスク２０の面２０ｄを、円筒部２０ａに向けてテーパ状に拡張する。これにより、結合部近傍の強度を向上させることが可能である。
【００２３】
また、別の実施例として、図４に示す実施例４は、バランスディスク２０の面２０ｃと第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃとの間の隙間３１下流の第２圧力室３２を設けない構成とする。即ち、前記突出部２５ｂをバランスディスク２０の周縁近傍、即ち図１に示す第２圧力室に相当する位置まで延設し、第２圧力室を形成しないようにする。
これにより、隙間部下流にて急拡大することによる流体的不安定を削減し、主軸の不安定振動を抑制することが可能となる。
【００２４】
図５に示す実施例５は、実施例３と実施例４を組み合わせた構成となっており、バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃを、第２圧力室３２に相当する位置まで段差状に延設するとともに、バランスディスク２０の面２０ｃを前記隙間３１が縮小するように傾斜させ、該面２０ｃに略平行に裏面２０ｄを傾斜させる。これにより、動的不安定振動を防止するとともに、バランスディスク２０の円筒部２０ａの強度を維持することが可能となる。
【００２５】
また図６は本実施例６に係り、バランスディスク２０のＡ方向（図７参照）からの矢視図を示し、第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃに対向するバランスディスク２０の面２０ｃに流体流れ方向下流側に向けて縮小化する流路を形成する溝３５を設けている。従って、バランスディスク２０の面２０ｃと第１バランスブッシュ２５の突出部２５ｂの面２５ｃから形成される隙間３１が徐々に縮小化し、流体の流れが加速するため、隙間流による不安定振動を抑制することが可能となる。
尚、本実施例６は、上記した実施例１若しくは実施例３と組み合わせて用いることも好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施例１に係るバランスディスク機構の概略断面図である。
【図２】本発明の実施例２に係るバランスディスク機構の概略断面図である。
【図３】本発明の実施例３に係るバランスディスク機構の概略断面図である。
【図４】本発明の実施例４に係るバランスディスク機構の概略断面図である。
【図５】本発明の実施例５に係るバランスディスク機構の概略断面図である。
【図６】本発明の実施例６に係るバランスディスクを模式的に示すＡ矢視図である。
【図７】本実施例のバランスディスク機構を備えた遠心ポンプの部分縦断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１      主軸
５      吐出ケーシング
６      中間ケーシング
９      羽根車
２０    バランスディスク
２０ａ  円筒部
２０ｂ  ディスク部
２５    第１バランスブッシュ
２５ｂ  筒状突出部
２６    第２バランスブッシュ
２９    第１圧力室
３０    第１流路
３１    間隙
３２    第２圧力室
３３    第２流路
３４    バランス室
３５    溝
１００  遠心ポンプ
【図１】
2007046507.tif 000003
【図２】
2007046507.tif 000004
【図３】
2007046507.tif 000005
【図４】
2007046507.tif 000006
【図５】
2007046507.tif 000007
【図６】
2007046507.tif 000008
【図７】
2007046507.tif 000009