(57)【要約】【課題】簡易な構造で軸推力を平衡させつつ軸自励振動を安定化し、かつ細隙部の漏洩流量を低減することを可能とするポンプを提供する。【解決手段】羽根車とプレッシャースリーブが取り付けられた軸と、プレッシャーレデューシングブッシュが取り付けられたケーシングリングと、前記軸を回転駆動するモータと、前記プレッシャースリーブと前記プレッシャーレデューシングブッシュの間に設けられた環状細隙と、該環状細隙の羽根車側に設けられた高圧室と、前記環状細隙の反羽根車側に設けられたバランス室と、該バランス室からの排水のための排水配管と、前記環状細隙の差圧を調整する圧力調整手段と、を具備するポンプ。【選択図】  図２
2013087622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
羽根車とプレッシャースリーブが取り付けられた軸と、
プレッシャーレデューシングブッシュが取り付けられたケーシングリングと、
前記軸を回転駆動するモータと、
前記プレッシャースリーブと前記プレッシャーレデューシングブッシュの間に設けられた環状細隙と、
該環状細隙の羽根車側に設けられた高圧室と、
前記環状細隙の反羽根車側に設けられたバランス室と、
該バランス室からの排水のための排水配管と、
前記環状細隙の差圧を調整する圧力調整手段と、
を具備することを特徴とするポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記圧力調整手段は、前記排水配管に設けたバルブであることを特徴とするポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載のポンプにおいて、
さらに、前記軸の軸推力荷重を支持する軸推力軸受と、
該軸推力軸受が支持する荷重の大きさを測定するロードセルと、
該ロードセルの出力に基づいて前記バルブを調整する制御回路と、
を具備することを特徴とするポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記羽根車の高圧室側外周に設けた放射状凸部であることを特徴とするポンプ。
【請求項５】
請求項１に記載のポンプにおいて、
前記プレッシャーレデューシングブッシュの高圧室側内周に設けた放射状凸部または放射状凹部であることを特徴とするポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸推力平衡装置を有する多段遠心ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
軸推力平衡装置を有する多段遠心ポンプに関する文献として特開昭５８−７２６９３号公報（特許文献１）がある。同文献には、同文献の第１図に示されるように、軸（同文献における符号２）に取り付けられたバランスドラム（同文献における符号３）とケーシングリングに取り付けられたバランスブッシュ（同文献における符号４）との間に環状細隙（同文献における符号５）を設け、かつ、バランスドラム、バランスブッシュと軸に取り付けた羽根車（同文献における符号１）の背部との間に高圧室（同文献における符号６）を設けるとともに、バランスドラム、バランスブッシュの反羽根車側に低圧のバランス室（同文献における符号７）を設けることで構成した軸推力平衡装置が開示されている。
【０００３】
特許文献１では、羽根車の吸込口（同文献における符号１ａ）から吸い込まれ、吐出口（同文献における符号１ｂ）から吐き出された吐出水の大部分は吐出ケーシングを経て所定の排水先へ送られる。吐出水の一部は羽根車と吐出ケーシングの隙間から羽根車の背部に設けられた高圧室に流入し、さらに細隙およびバランス室を経てポンプの吸込側や大気中など所定の排出先へ排出される。
【０００４】
このような構成を採った場合、バランスドラムの高圧室側の側壁にはポンプの吐出圧（高圧）が作用し、羽根車の反対方向に向かう推進力が生じる。一方、バランスドラムのバランス室側の側壁にはバランス室の圧力が作用するため、羽根車の方向に向かう推進力が生じる。このように、バランス室を設けることで、バランスドラムには高圧室からバランス室に向かう軸方向の力が緩和される。
【０００５】
特許文献１の構成を採用したとき、高圧室とバランス室には圧力差があるため両者を繋ぐ環状細隙には水が流れ流体膜が形成され、この流体膜によって一種の軸受作用が生じる。軸が軸系の固有角振動数Ωに比べて高い角速度ωで回転されると、流体膜の軸受作用により、軸自励振動を発生することがある。そして、環状細隙の流体膜の圧力が大きくなり、漏洩流量が多くなると、軸受け作用も大きくなり、軸自励振動が大きくなるおそれがある。また、環状細隙を漏洩する流量が多ければポンプから排水先に吐き出される水量が少なくなり、ポンプの効率低下を招く恐れがある。
【０００６】
特許文献１では、環状細隙を漏洩する流量を低減させるため、同文献の第７図から第９図に示されるように、環状細隙に任意数の圧力室（同文献における符号８）を設けている。これにより、環状細隙を漏洩する流量を低減し、かつ軸方向長さを分割して小さくすることで軸自励振動を安定化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−７２６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、ポンプは高効率化と高速化が進んでいる。特許文献１の軸推力平衡装置は軸自励振動を安定化しつつ環状細隙の漏洩流量を低減する技術として優れているが、環状細隙の漏洩流量の更なる低減による効率の向上と高速運転時の軸自励振動の更なる低減に適した構成ではない。また、軸推力軸受の種類によって決まる許容値以下に軸推力を平衡させることが必要であるがこの点も考慮されていない。さらに、経年した場合に土砂摩耗などにより羽根車に取り付けられているライナリングの細隙クリアランスが拡大してしまい、軸推力が変化した場合においても、環状細隙部漏洩流量と軸推力を最適化できることが望ましいが、特許文献１ではこれに対処する構成は示されていない。
【０００９】
本発明は以上のような事情を背景になされたものであり、簡易な構造で、環状細隙の漏洩流量の低減、軸推力の平衡、軸自励振動の安定化を実現するポンプ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】
【００１０】
上記課題は、羽根車とプレッシャースリーブが取り付けられた軸と、プレッシャーレデューシングブッシュが取り付けられたケーシングリングと、前記軸を回転駆動するモータと、前記プレッシャースリーブと前記プレッシャーレデューシングブッシュの間に設けられた環状細隙と、該環状細隙の羽根車側に設けられた高圧室と、前記環状細隙の反羽根車側に設けられたバランス室と、該バランス室からの排水のための排水配管と、前記環状細隙の差圧を調整する圧力調整手段と、を具備するポンプによって解決される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、簡易な構造で軸推力を平衡させつつ軸自励振動を安定化し、かつ細隙部の漏洩流量を低減することを可能とするポンプが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１のポンプの断面模式図。
【図２】実施例１のポンプの軸系を単純化した模式図。
【図３】経年劣化による軸推力の変化を説明する図。
【図４】実施例２のポンプの断面模式図。
【図５】実施例２の羽根車の高圧室側の正面模式図。
【図６】実施例２のプレッシャースリーブとプレッシャーレデューシングブッシュの高圧室側の正面模式図。
【図７】実施例１の環状細隙８を流れる流体膜の連成ばね係数と差圧の関係を説明する図。
【図８】実施例３のポンプ軸系を単純化した模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、実施例の概要を説明する。
【００１４】
ポンプにおいて、軸推力が軸推力軸受によって決まる許容値以下になる範囲でバランス室の圧力を増加し、細隙部の差圧を低減することで細隙部の漏洩流量と軸自励振動の要因の一つである流体膜の軸受作用（不安定流体力）を抑制する。
【００１５】
具体的には、羽根車側の高圧室と反羽根車側の低圧バランス室を環状細隙で連通した軸推力平衡装置を有するポンプにおいて、低圧バランス室の圧力を可変としたことを特徴としている。これによりバランス室の圧力を増加させ、環状細隙の差圧を低減する。そして、軸推力軸受に取り付けられたロードセルの出力信号に応じて、軸推力軸受に作用する荷重が許容値以下になるようバランス室の圧力を制御する。こうすることで、軸推力が平衡する範囲において環状細隙の差圧を最小化することが可能となり、経年劣化などにより軸推力が変化した際にも軸推力を平衡させることが可能となる。
【００１６】
バランス室に通ずる配管と配管に取り付けるバルブなどの抵抗体を設け、抵抗体の抵抗の大きさを調整することでバランス室の圧力を可変とすることが好ましい。こうすることで、外部動力を用いない簡易な構造で圧力を制御することが可能となる。また、ポンプ始動時など管内が水で満たされていない状態においては、別ポンプなど外部動力を用いてバランス室の圧力を制御することが好ましい。
【００１７】
また、羽根車の高圧室側に旋回を促進する放射状の凸部を設けることが好ましい。このようにすることで、周方向速度に基づく遠心力が大きくなるために半径方向の圧力勾配が大きくなり、環状細隙入口の圧力が小さくなる。
【００１８】
また、羽根車に設けた放射状凸部の半径方向位置を外周側に設定することが好ましい。こうすることで細隙部に流入する水の旋回流れを低減し、不安定流体力を低減することが可能となる。また、プレッシャーレデューシングブッシュの高圧室側内周に旋回を抑制する放射状の凸部または凹部を組み合わせて設けることが好ましい。
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の具体的な実施例を説明する。
【実施例１】
【００２０】
本発明の実施例を、図１から図３および図７を用いて説明する。
【００２１】
図１は、本実施例のポンプの要部の断面図で、縦方向で断面したポンプの構造を模式化した図である。ここに示すように、本実施例のポンプは、羽根車９とプレッシャースリーブ１が取り付けられた軸７と、プレッシャースリーブ１と略等しい軸方向長さのプレッシャーレデューシングブッシュ２を取り付けたケーシングリング（図示せず）と、軸７を回転駆動する原動機（図示せず）を有し、プレッシャースリーブ１とプレッシャーレデューシングブッシュ２の間に環状細隙８を設けている。また、環状細隙８の羽根車９側には高圧室３を設け、反羽根車側には低圧のバランス室４を設けている。
【００２２】
このような構造のポンプにおいて、羽根車９の吸込口９ａから吸い込まれ、羽根車吐出口９ｂから吐き出された吐出水の大部分は吐出ケーシング（図示せず）を経て所定の排水先１８へ送られる。吐出水の一部は羽根車９と吐出ケーシングの隙間から羽根車９の背部に設けられた高圧室３に流入し、さらに環状細隙８、バランス室４、排水配管５を経て排水先１８へ排出される。なお、本実施例では、排水先１８をポンプの吸込側とした。
【００２３】
排水配管５には、圧力調整手段としてバルブ６を取り付けており、バルブ６の抵抗を増大させることでバランス室４の圧力を増大させることができ、また、バルブ６の抵抗を減少させることでバランス室４の圧力を低減させることができる。このようにバランス室４の圧力を可変させることで、環状細隙８の差圧を抑制することが可能となる。
【００２４】
次に、本実施例のポンプの軸系を単純化した図２を用いて、本実施例のポンプの構成を更に説明する。なお、図１で説明済みの構成については説明を省略する。
【００２５】
図２に示すように、バランス室４の反羽根車側には軸封装置１４が設けられている。また、軸７の両端には、軸７に作用する軸推力荷重を支持する軸推力軸受１０が設けられている。反羽根車側の軸推力軸受１０にはロードセル１１が取り付けられており、軸推力軸受１０が支持する荷重の大きさを連続測定する。ロードセル１１の出力信号は制御回路１９に入力され、制御回路１９はその信号に応じてバルブ６を制御し、バランス室４の圧力を調整する。このようにして、バランス室４の圧力はロードセル１１の信号により決定される。このとき、バランス室４の圧力は、軸推力軸受１０の種類によって決まる許容値以下となる最大値をとることが好ましい。こうすることで、環状細隙８の差圧と軸推力軸受１０に作用する荷重を最適とすることが可能となる。
【００２６】
図３は、流量比（％）とスラスト荷重（軸推力実測値）の関係を示す図であり、設計時のスラスト荷重と経年劣化時のスラスト荷重を比較する図である。図３において、スラスト荷重が正のときはスラスト荷重が羽根車方向であることを示しており、負のときは反羽根車方向であることを示す。ここに示すように、設計時には何れの流量比のときも反羽根車側方向のスラスト荷重がかかる。一方、土砂摩耗などに起因する経年劣化によってライナリング（図示せず）の細隙クリアランスが拡大すると、スラスト荷重が増加していき、最終的には何れの流量比のときも羽根車側方向のスラスト荷重がかかる。すなわち、経年劣化により、スラスト荷重の方向が逆転してしまうという問題が生じる。
【００２７】
このようなスラスト荷重変動に対応するため、制御回路１９は、バランス室４の圧力を減少させるようにバルブ６を調節し、環状細隙８の差圧を調整することで、反羽根車側のスラスト荷重を調整し、軸推力軸受１０にかかるスラスト荷重を所望の値に保ちながら差圧を最適化することができる。このようにして、増加した羽根車９方向の軸推力の大きさに合わせてバルブ６を調整しバランス室４の圧力を減少調整することで、経年した場合など軸推力が変化した場合にも環状細隙８の差圧と軸推力軸受１０に作用する荷重を最適化することが可能となる。
【００２８】
図７は、環状細隙８を流れる流体膜の連成ばね係数ｋxyの計算値と環状細隙８の差圧ΔＰの関係を示した図であり、差圧ΔＰを小さくすると連成ばね係数ｋxyが小さくなることが示されている。ここで、環状細隙８を流れる流体膜の不安定流体力は連成ばね係数ｋxyの大きさによるので、軸自励振動を安定化させるためには、環状細隙８の差圧ΔＰを小さくし、連成ばね係数ｋxyを小さくすることが望ましい。
【００２９】
なお、以上の実施例では、排水配管５に取り付けたバルブ６によりバランス室４の圧力を制御しているが、ポンプ始動時に排水配管５に水が充満していない場合などは外部の別ポンプをバランス室４に接続してバランス室４の圧力を制御することもできる。
【実施例２】
【００３０】
図４〜図７を用いて、本発明の実施例２を説明する。なお、実施例１と同等の構成については同一の符号を付し説明を省略することとする。
【００３１】
実施例２のポンプの断面模式図を図４に示す。ここに示すように、本実施例のポンプは羽根車９の高圧室側外周に旋回を促進する放射状凸部１２を設けるとともに、プレッシャーレデューシングブッシュ２の高圧室側内周に旋回を抑制する放射状凸部１３を設けたものである。
【００３２】
また、図５は本実施例の羽根車９を高圧室３側から見た正面図であり、図６は本実施例の羽根車９、プレッシャースリーブ１、プレッシャーレデューシングブッシュ２を羽根車吸込口９ａ側から見た正面図である。なお、図６の右上象限では、羽根車９を省略し、プレッシャースリーブ１、および、プレッシャーレデューシングブッシュ２を図示した。
【００３３】
このようなポンプを用いる場合、数１に示す様に高圧室３の半径方向の圧力勾配は周方向速度に基づく遠心力と釣り合う。
【００３４】
【数１】
2013087622.tif 000003
ここで、ｐ：流体の圧力、ｒ：半径位置、ρ：流体の密度、ｖ：流体の旋回速度である。
【００３５】
よって、放射状凸部１２を設けて外周側での旋回を促進することで半径方向の圧力勾配を増加させ、高圧室３の内周側での圧力を抑制することが可能となる。また、高圧室３内の旋回を促進することで高圧室３の静圧成分をさらに抑制し、羽根車９方向の軸推力が抑制される。これらの抑制された軸推力分だけバランス室４の圧力を増加させることで環状細隙８の差圧を更に低減することが可能となる。また、内周側に旋回を抑制する放射状凸部１３を設けることで環状細隙８に流入する旋回流れを抑制することが可能となり、軸自励振動を安定化することが可能となる。なお、プレッシャーレデューシングブッシュ２には、放射状凸部１３に代え、放射状の凹部を設けても良い。
【００３６】
次に、本実施例を用いて環状細隙８の差圧を低減した場合の、軸自励振動の要因の一つである不安定流体力への効果とポンプ効率を説明する。環状細隙８の漏洩流量と差圧は以下の関係式で表される。
【００３７】
【数２】
2013087622.tif 000004
ここで、Ｑleak：環状細隙８の漏洩流量、ΔＨ：環状細隙８の差圧である。
【００３８】
ポンプの吐出流量をＱ、本実施例を適用しない場合の環状細隙８の差圧の割合をαとすると、ポンプ効率ηは以下の式で表される。
【００３９】
【数３】
2013087622.tif 000005
ここで、Ｑleak′：本実施例を適用しない場合の環状細隙８の漏洩流量、η′：本実施例を適用しない場合のポンプ効率である。
【００４０】
数３において、Ｑleak′＝０.０１Ｑ、α＝０.８、η′＝９０（％）とすると、約０.１％の効率向上が見込める。
【００４１】
図４〜図６で示した本実施例の構成を適用することによって、高圧室３の半径方向の圧力勾配を大きくでき、環状細隙８の入口の圧力を小さくできる。この結果、環状細隙８の差圧ΔＰを小さくでき不安定流体力を小さくできるので、軸自励振動は安定化する。
【実施例３】
【００４２】
図８を用いて、本発明の実施例３を説明する。なお、実施例１と同等の構成については同一の符号を付し説明を省略することとする。
【００４３】
図８は本実施例の軸系を単純化した図であり、バランス室４の軸封装置１４側にシール構造１５を設け、シール構造１５の軸７に面する面に圧力室１６を設けた点で実施例１と相違する。こうすることで、バランス室４の圧力を軸封装置１４が受ける圧力よりも大きくし、軸封装置１４の許容圧力よりもバランス室４の圧力を大きくすることが可能となる。
【００４４】
なお、図８では、３つの圧力室１６を設けた例を示すが、本実施例の適用対象はこれに限られず、シール構造１５の軸方向長さを長くし、より多くの圧力室１６を設けても良い。また、図８では、シール構造１５の内周面に凹部を設けることで圧力室１６を形成しているが、シール構造１５の内周面および軸７の外周面のいずれか一方または双方に凹部を形成し圧力室１６を設けても良い。さらに、シール構造１５と軸７の間の環状細隙１７のクリアランスを環状細隙８のクリアランスと同程度にすることが、シール構造１５からの漏洩を抑制する上で望ましい。
【実施例４】
【００４５】
以上で説明した実施例１〜実施例３の構成に以下の構成を組み合わせても良い。
【００４６】
以上の実施例では、軸推力軸受１０の荷重を測定するセンサとしてロードセル１１を用いたが、軸推力荷重を測定できる代替センサを用いることも可能である。このような構成を採用しても、実施例１〜実施例３と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
また、以上の実施例では、環状細隙８を挟むプレッシャースリーブ１とプレッシャーレデューシングブッシュ２に圧力室を設けていないが、いずれか一方または双方に凹部を形成し任意数の圧力室を設けることもできる。このような構成を採用した場合には、減圧効果を向上させて、漏れ量を更に減らすことができる。
【００４８】
さらに、以上の実施例ではプレッシャースリーブ１に旋回を抑制する放射状凸部１３を設けているが、放射状凸部１３に代えて凹部とすることも可能である。このような構成を採用した場合には、羽根車とプレッシャースリーブ１の間隔が狭くても、両者が接触する危険性を低くすることができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  プレッシャースリーブ
２  プレッシャーレデューシングブッシュ
３  高圧室
４  バランス室
５  排水配管
６  バルブ
７  軸
８、１７  環状細隙
９  羽根車
９ａ  羽根車吸込口
９ｂ  羽根車吐出口
１０  軸推力軸受
１１  ロードセル
１２、１３  放射状凸部
１４  軸封装置
１５  シール構造
１６  圧力室
１８  排水先
【図１】
2013087622.tif 000006
【図２】
2013087622.tif 000007
【図３】
2013087622.tif 000008
【図４】
2013087622.tif 000009
【図５】
2013087622.tif 000010
【図６】
2013087622.tif 000011
【図７】
2013087622.tif 000012
【図８】
2013087622.tif 000013