(57)【要約】【課題】多段ポンプの起動時などにおいて急激な圧力変動があるときに、回転部材が静止部材に衝突することを防止することができる多段ポンプを提供する。【解決手段】多段ポンプは、回転軸１と、回転軸１に固定された複数段の羽根車２と、羽根車２を収容するポンプケーシング３と、羽根車２に発生する軸方向推力を打ち消すためのバランスディスク２１を有するスラストバランス機構２０と、バランスディスク２１を吸込側に付勢する付勢装置３５とを備える。【選択図】図２
2017031966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸に固定された複数段の羽根車と、
前記羽根車を収容するポンプケーシングと、
前記羽根車に発生する軸方向推力を打ち消すためのバランスディスクを有するスラストバランス機構と、
前記バランスディスクを吸込側に付勢する付勢装置とを備えたことを特徴とする多段ポンプ。
【請求項２】
前記スラストバランス機構は、前記回転軸に固定された前記バランスディスクと、前記ポンプケーシングに固定され、前記バランスディスクに対向するバランスシートを備えており、
前記付勢装置は、前記バランスディスクを前記バランスシートに押し付けることを特徴とする請求項１に記載の多段ポンプ。
【請求項３】
前記付勢装置は、前記ポンプケーシングに固定されたばねと、前記ばねによって前記バランスディスクの背面に押し付けられた摺動リングとを有することを特徴とする請求項１または２に記載の多段ポンプ。
【請求項４】
前記バランスディスクの背面は、減圧ラインを通じて前記ポンプケーシングの吸込口に連通する減圧室内に面しており、
前記付勢装置は、前記減圧室内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の多段ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体を加圧して移送する多段ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は一般的な多段ポンプを示す模式断面図である。多段ポンプは、回転軸１０１に固定された複数段の羽根車１０２を有している。液体は、多段ポンプの吸込み口１１０からポンプケーシング１０３内に導入され、複数段の羽根車１０２の回転により順次昇圧され、吐出口１１３から吐出される。
【０００３】
多段ポンプの回転軸１０１には、回転する羽根車１０２の吸込み側と吐出し側との圧力差に起因して、吐出し側から吸込み側へ軸方向推力が作用する。このため、多段ポンプには、軸方向推力に対して反対方向のバランス推力を発生させることによって軸方向推力とバランス推力とを釣り合わせるスラストバランス機構１２０が備えられている。
【０００４】
図６はスラストバランス機構１２０を説明するための図である。スラストバランス機構１２０は、回転軸１０１に取り付けられて回転軸１０１と一体に回転するバランスディスク１２１およびバランスピストン１２２と、ポンプケーシング１０３などの静止側に取り付けられてバランスディスク１２１と対向配置されたバランスシート１２４から構成される。スラストバランス機構として、バランスディスクタイプ以外にもバランスピストンタイプがある。
【０００５】
回転側のバランスディスク１２１と静止側のポンプケーシング１０３およびバランスシート１２４との間には環状の中間室１２５が形成されている。羽根車１０２から吐出された液体の一部は、ポンプケーシング１０３とバランスピストン１２２との間のすき間を通って中間室１２５に流入する。さらに、中間室１２５内の液体は、バランスディスク１２１とバランスシート１２４との間に形成されたすき間Ａを通って流出する。
【０００６】
多段ポンプの運転中、各羽根車１０２には吸込側に向かって軸方向推力Ｆ１〜Ｆｍが作用し、バランスディスク１２１には、吐出側に向かってバランス推力Ｆｂが作用する。その結果、軸方向推力とバランス推力とが釣り合い、軸方向推力が打ち消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２９４３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のスラストバランス機構１２０は、ポンプの起動時などの急激な吐出圧力の上昇（圧力変動）には対応できないことがある。例えば、ポンプの起動時では、スラストバランス機構１２０まで液体は流入しているが、中間室１２５内の圧力が高くないためにバランス作用が生じず、回転部材であるバランスディスク１２１が静止部材であるバランスシート１２４に衝突するおそれがある。その結果、バランスディスク１２１がバランスシート１２４に衝突したときの衝撃によって、これら部材１２１，１２４が焼付いたり、摩耗したりするおそれがある。
【０００９】
本発明は、上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、多段ポンプの起動時などにおいて急激な圧力変動があるときに、回転部材が静止部材に衝突することを防止することができる多段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】
上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、回転軸と、前記回転軸に固定された複数段の羽根車と、前記羽根車を収容するポンプケーシングと、前記羽根車に発生する軸方向推力を打ち消すためのバランスディスクを有するスラストバランス機構と、前記バランスディスクを吸込側に付勢する付勢装置とを備えたことを特徴とする多段ポンプである。
【００１１】
本発明の好ましい態様は、前記スラストバランス機構は、前記回転軸に固定された前記バランスディスクと、前記ポンプケーシングに固定され、前記バランスディスクに対向するバランスシートを備えており、前記付勢装置は、前記バランスディスクを前記バランスシートに押し付けることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記付勢装置は、前記ポンプケーシングに固定されたばねと、前記ばねによって前記バランスディスクの背面に押し付けられた摺動リングとを有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記バランスディスクの背面は、減圧ラインを通じて前記ポンプケーシングの吸込口に連通する減圧室内に面しており、前記付勢装置は、前記減圧室内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
付勢装置は、回転部材であるバランスディスクを予め静止部材であるバランスシートに押し付けることによって、これらの間の隙間をなくすことができる。したがって、ポンプ起動時などにおいて圧力が急激に変動したときであっても、回転部材が、静止部材に衝突することを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る多段ポンプを示す模式断面図である。
【図２】スラストバランス機構を示す模式断面図である。
【図３】図２に示すスラストバランス機構の動作を説明する図である。
【図４】図２に示すスラストバランス機構の動作を説明する図である。
【図５】一般的な多段ポンプを示す模式断面図である。
【図６】スラストバランス機構を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る多段ポンプを示す模式断面図である。図１に示すように、多段ポンプは、回転軸１に取り付けられた複数段の羽根車２と、これら羽根車２を収容するポンプケーシング３とを備えている。
【００１５】
回転軸１は、ラジアル軸受１５によって回転可能に支持されている。回転軸１の端部は、原動機としての電動機（図示しない）に連結されており、この電動機により回転軸１および羽根車２が回転されるようになっている。ポンプケーシング３は、液体をポンプの内部に導入するための吸込口１１と、液体をポンプの外部に吐出するための吐出口１３とを有する。
【００１６】
電動機により回転軸１および羽根車２が回転すると、液体は、吸込口１１からポンプケーシング３内に導入され、１段目の羽根車２に導かれる。回転する羽根車２は、液体に速度エネルギーを与え、速度エネルギーは図示しないディフューザにより圧力エネルギーに変換される。昇圧された液体は、２段目の羽根車２に流入する。このようにして、複数段の羽根車２および複数段のディフューザにより液体は順次昇圧される。最終段目の羽根車２で昇圧された液体は吐出口１３を通って外部に吐出される。
【００１７】
図１に示す多段ポンプにおいては、すべての羽根車２が同一方向を向いて配列されているため、羽根車２に発生する軸方向推力を打ち消すためのスラストバランス機構２０が設けられている。以下、図２を参照してスラストバランス機構２０について説明する。
【００１８】
図２は、スラストバランス機構２０を示す模式断面図である。スラストバランス機構２０は、回転軸１に作用する軸方向推力に対して反対方向のバランス推力を発生させるように構成されている。スラストバランス機構２０は、回転軸１に固定されたバランスディスク２１およびバランスピストン２２と、ポンプケーシング３の吐出側壁３ａに固定されたバランスシート２４を備えている。バランスディスク２１の背面側には減圧室２６が設けられており、バランスディスク２１の背面は減圧室２６に面している。この減圧室２６は、図１に示すように、減圧ライン２７によってポンプケーシング３の吸込口１１に連通している。したがって、減圧室２６内の液体の圧力は、ポンプの吸込側圧力と実質的に同じである。ただし、ポンプの吸込側圧力が液体の飽和蒸気圧力よりも小さい場合は、減圧ライン２７は図示しないサクションタンクに接続される。
【００１９】
回転側のバランスディスク２１と、静止側の吐出側壁３ａおよびバランスシート２４との間には環状の中間室２５が形成されている。羽根車２から吐き出された液体の一部は、吐出側壁３ａとバランスピストン２２との間のすき間を通って中間室２５に流入し、中間室２５を満たす。さらに、中間室２５内の液体は、バランスディスク２１とバランスシート２４との間に形成されたすき間Ｂを通って流出する。
【００２０】
図３および図４は、図２に示すスラストバランス機構２０の動作を説明する図である。図３および図４では、バランス機構２０の要素は簡略的に表されており、後述する付勢装置３５の図示は省略されている。
【００２１】
多段ポンプの運転中、各羽根車２には吸込側に向かって軸方向推力Ｆ１〜Ｆｍが作用し、バランスディスク２１には、吐出側に向かってバランス推力Ｆｂが作用する。図３に示すように、回転軸１とともにバランスディスク２１が吸込側に移動すると、すき間Ｂが小さくなり、中間室２５内の圧力Ｐｉが大きくなる。その結果、バランスディスク２１に作用するバランス推力Ｆｂが大きくなり、バランスディスク２１は回転軸１とともに吐出側に移動する。すると、図４に示すように、すき間Ｂが大きくなり、中間室２５内の圧力Ｐｉが小さくなる。その結果、バランスディスク２１に作用するバランス推力Ｆｂが低くなる。このようにして、最終的に軸方向推力Ｆ１〜Ｆｍとバランス推力Ｆｂとが釣り合う。
【００２２】
しかしながら、ポンプの起動時などでは、急激な圧力変動に起因して、回転部材であるバランスディスク２１が静止部材であるバランスシート２４に衝突するおそれがある。
【００２３】
図２に示すように、バランスディスク２１のバランスシート２４への衝突を防止するために、多段ポンプは、バランスディスク２１を吸込側に付勢する付勢装置３５を備えている。付勢装置３５は減圧室２６内に配置されている。付勢装置３５は、ポンプケーシング３の側壁３ｂに固定されたばね３６と、ばね３６によってバランスディスク２１の背面に押し付けられた摺動リング３７とを備えている。ばね３６の一端は、ポンプケーシング３の側壁３ｂに固定されており、摺動リング３７はばね３６の他端に保持されている。
【００２４】
摺動リング３７は、回転軸１の軸心と同心状に配置されている。摺動リング３７は回転軸１に固定されておらず、回転軸１とともに回転しない。ポンプの運転中において、摺動リング３７は、回転軸１とともに回転するバランスディスク２１の背面に摺動する。
【００２５】
付勢装置３５は、予めバランスディスク２１をバランスシート２４に押し付け、バランスディスク２１とバランスシート２４との間のすき間Ｂをなくすために設けられている。付勢装置３５によってバランスディスク２１がバランスシート２４に押し付けられているとき、羽根車２と羽根車２に隣接して配置されたケーシングライナ４（図１参照）との間には十分な隙間が形成されている。
【００２６】
多段ポンプの停止中、バランスディスク２１は付勢装置３５によってバランスシート２４に予め押し付けられている。バランスディスク２１とバランスシート２４とが接触している状態で、ポンプの起動時において急激に軸方向推力Ｆ１〜Ｆｍが発生しても、バランスディスク２１はバランスシート２４に衝突しない。したがって、バランスディスク２１および／またはバランスシート２４が焼付いたり、摩耗したりすることを防止することができる。
【００２７】
付勢装置３５の付勢力、すなわちばね３６の力はバランス推力Ｆｂに影響を与えない程度の力である。したがって、ポンプの停止中においては、付勢装置３５はバランスディスク２１をバランスシート２４に押し付けるが、ポンプの回転速度が上がって中間室２５内の圧力Ｐｉが高くなるにつれて、液体は付勢装置３５のばね３６の力に抗してバランスディスク２１をバランスシート２４から離し、バランスディスク２１とバランスシート２４との間にすき間Ｂを形成する。その後、軸方向推力Ｆ１〜Ｆｍおよびばね３６の力とバランス推力Ｆｂとが釣り合う。
【００２８】
バランスディスク２１がバランスシート２４に押し付けられた状態でポンプを起動するときに、バランスディスク２１がバランスシート２４にかじりつくことを防止するために、バランスディスク２１とバランスシート２４とを異なる材料から構成してもよい。バランスディスク２１とバランスシート２４とを同じ材料から構成する場合、バランスディスク２１とバランスシート２４との間に硬度差を設けてもよい。さらに、バランスディスク２１とバランスシート２４の表面に樹脂などの材料を被覆してもよい。
【００２９】
同様に、バランスディスク２１と摺動リング３７とを異なる材料から構成してもよい。バランスディスク２１と摺動リング３７とを同じ材料から構成する場合、バランスディスク２１と摺動リング３７との間に硬度差を設けてもよい。さらに、バランスディスク２１と摺動リング３７の表面に樹脂などの材料を被覆してもよい。
【００３０】
ポンプの起動時において、急激な圧力変動が起きないように、ポンプを緩やかに起動（ソフトスタート）させてもよい。ソフトスタートを実現するための一例として、電動機をインバータで駆動するインバータ駆動や、電動機の駆動に要する電流を抑えるスターデルタ駆動を採用してもよいし、流体継手を介して電動機とポンプとを接続してもよい。
【００３１】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００３２】
１      回転軸
２      羽根車
３      ポンプケーシング
３ａ      吐出側壁
３ｂ      側壁
４      ケーシングライナ
１１      吸込口
１３      吐出口
１５      ラジアル軸受
２０      スラストバランス機構
２１      バランスディスク
２２      バランスピストン
２４      バランスシート
２５      中間室
２６      減圧室
２７      減圧ライン
３５      付勢装置
３６      ばね
３７      摺動リング
１０１    回転軸
１０２    羽根車
１０３    ポンプケーシング
１１０    吸込口
１１３    吐出口
１２０    スラストバランス機構
１２１    バランスディスク
１２２    バランスピストン
１２４    バランスシート
１２５    中間室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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