JP3614794B2 - 横軸ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、横軸ポンプ及びその駆動装置に係り、特に排水機場等に用いるのに好適な横軸ポンプ及びその駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の横軸ポンプの例が、特開平９−４２１８９号公報や特開平１１−９３８８２号公報に記載されている。特開平１１−９３８８２号公報では、ポンプを駆動する電動機に必要な起動トルクを低減するために、ポンプケーシングよりも上流側の吸込みエルボの上部に開口部を、この開口部に満水検出手段をそれぞれ設け、真空遮断弁を介して真空吸引可能にしている。吸込みエルボ内の水位が開口部まで達していないと、真空吸引して開口部まで水位を上昇させている。
【０００３】
また、特開平９−４２１８９号公報には、内水位と外水位との水位差が小さくなっても排水が開始されるまでの時間を短縮するために、排水路における横軸ポンプの吐出管の出口水位を、嵩上げして吐出管内に水を充満させて待機運転できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
排水ポンプ設備に用いられる横軸ポンプの駆動機には、電動機、ディーゼルエンジンやガスタービン等の原動機が用いられている。原動機の出力回転速度は、ポンプの回転速度より高速であるから原動機とポンプとの間に減速機が必要となる。原動機の中では、冷却水が不要で潤滑油の消費も少ない等の利点からガスタービンが普及し始めている。しかしながら、ガスタービンは他の原動機に比べて高速で回転するので、高減速比の減速機が必要となる。高減速比の減速機は大型になり易い。そのため、ガスタービンから横軸ポンプまでの軸方向長さが長くなり、排水ポンプ機場の土木構造物の建造費用が増大するという不具合を生じている。
【０００５】
また、排水ポンプには、商用電源が停電しても運転可能であることが求められているので、常にポンプの運転に必要な電力を確保なければならない。そのため、原動機及び減速機の他に自己給電可能なように補機類が備えられており、これら補機類はポンプ機場の省スペース化を困難にしている。
【０００６】
さらに、上記各公報に記載のものは、ポンプを駆動する電動機の起動トルクの低減やポンプ起動時の吸込み特性の向上は可能になるものの、ポンプ機場の建設コストの低減や、今後ますます需要が多くなるポンプのリプレース等については、何ら考慮されていない。
【０００７】
本発明の目的は、横軸ポンプをコンパクト化して横軸ポンプが備えられたポンプ機場や建屋の設置面積を縮小可能にし、従来電動機等で駆動されていた横軸ポンプをリプレースする際に、機場や建屋を変更すること無くガスタービン駆動の横軸ポンプに置きかえることを可能にすると共に、商用の外部電源を不要とすることができる横軸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】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、出力軸が水平方向に配置された一軸式のガスタービンと、このガスタービンの出力を減速し、高速回転の歯車列から低速回転の歯車列がケーシングで覆われ、下部に潤滑油を溜める潤滑油溜りを有する減速機と、この減速機に接続された横軸ポンプ本体と、前記減速機の前記潤滑油溜りからオイルクーラに潤滑油を供給し前記減速機に戻す油ポンプと、前記減速機から供給された潤滑油を冷却するオイルクーラと、このオイルクーラに冷却風を送風する冷却ファンと、発電機を含む補機とを備えた横軸ポンプにおいて、前記減速機は、前記ガスタービンの出力軸に結合される入力軸と、この入力軸に取付けられた歯車と噛み合う歯車が設けられた複数の補機駆動軸と、この複数の補機駆動軸の中の１本の補機駆動軸から伝達される動力を前記横軸ポンプ本体に伝達する複数の中間軸と、この中間軸の中の１本の中間軸に設けられた歯車に噛み合う歯車を有する出力軸と、前記補機駆動軸に一端が接続されると共に前記中間軸に他端が接続された流体継手とを有し、前記ケーシングは前記補機駆動軸を受ける軸受を保持する部材が設けられており、流体継手は、前記ガスタービンから動力が供給される高速回転側と、前記横軸ポンプ本体に動力を伝達する低速回転側との間に配置され、前記高速回転側と前記低速回転側のミスアライメントを吸収可能であり、前記減速機と前記ガスタービンとは、一体化されてパッケージ内に収容され、前記減速機の前記潤滑油溜りの潤滑油を前記ガスタービンに送る配管で接続されると共に、前記ガスタービンに送られて温度上昇した潤滑油を前記減速機の前記潤滑油溜りに戻す配管で接続され、前記パッケージは、隔壁によって仕切られたダクト部を通して前記ガスタービン内部に外部空気を導くように形成すると共に、前記ダクト部と異なる部分から前記減速機及び前記ガスタービンを冷却する外部空気を導くように形成し、前記冷却ファンは、前記両方の外部空気を吸引して前記オイルクーラに供給するように設け、前記発電機は前記補機駆動軸に接続され、前記油圧ポンプおよび前記冷却ファンに動力を供給するようにしたことにある。
【０００９】
そしてこの特徴において、減速機は下部に潤滑油を溜める潤滑油溜りを有し、この潤滑油溜りから前記ガスタービンに潤滑油を供給し減速機に戻す油ポンプと、減速機に戻された潤滑油を冷却するオイルクーラと、このオイルクーラに冷却風を送風する冷却ファンとを設け、この冷却ファンを潤滑油溜りに溜められた潤滑油で駆動することにより、商用電源を不要とするのが望ましい。また、流体継手を低速回転側に配置し、この流体継手は高速回転側から低速回転側への熱の伝達を防止可能に設けられていることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下本発明の一実施例を、図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る横軸ポンプを備えたポンプ機場の一実施例の断面図である。図２は、図１に示したポンプ機場の平面図、図３は、図１に示した横軸ポンプを駆動するガスタービンと減速機が一体化された横軸ポンプ駆動装置の平面図、図４はその正面図である。
【００１４】
横軸ポンプ本体３を備える排水設備では、図１に示すように建屋７内にガスタービン１と減速機２を一体とした横軸ポンプ駆動装置１０が配置されている。横軸ポンプ駆動装置１０は、建屋７に固定された横軸ポンプ３とカップリング１１を介して結合されている。図２において、紙面裏側に設けられた給水槽８に流入した雨水等は、吐出配管６を介して紙面右側に設けられた吐出水槽９へ排出される。
【００１５】
図３に横軸ポンプ駆動装置１０の詳細を示す。ガスタービン１の出力軸１３は減速機２の入力軸１４とギヤカップリング１３Ａにより結合されている。その結果、ガスタービン１と減速機２とは一体化されている。ガスタービン１で発生した動力は、複数の補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆ、中間軸２０Ａ〜２０Ｃ及び流体継手１８等を介して出力軸２３に伝達される。
【００１６】
減速機２の入力軸１４には、円筒歯車１５が取り付けられており、２本の補機駆動軸１６Ａ，１６Ｂに取り付けられた円筒歯車１７Ａ，１７Ｂに噛合って１段目の歯車列を構成している。同様に、２本の補機駆動軸１６Ｃ，１６Ｄに取り付けられている円筒歯車１７Ｅ，１７Ｆは、２本の補機駆動軸１６Ａ，１６Ｂに取り付けられた円筒歯車１７Ｃ，１７Ｄにそれぞれ噛合い２段目の歯車列を構成している。
【００１７】
さらに２本の補機駆動軸１６Ｅ，１６Ｆに取り付けられた円筒歯車１７Ｉ，１７Ｊは、２本の補機駆動軸１６Ｃ，１６Ｄに取り付けられた円筒歯車１７Ｇ，１７Ｈと噛合い３段目の歯車列を構成している。各補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆの回転速度を、これらの補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆに接続される補機の使用回転速度に合わせる。そのため、円筒歯車１７Ａ〜１７Ｊの歯数は、適宜の歯数となっており、必ずしも同じではない。
【００１８】
２段目の歯車列を構成する歯車１７Ｄが取付けられた補機駆動軸１６Ｂの一端には、流体継手１８の入力側が接続されている。流体継手１８の出力軸２０Ｄには円筒歯車１９が取り付けられており、中間軸２０Ａに取り付けられた円筒歯車２１Ａと噛合っている。この円筒歯車２１Ａは、中間軸２０Ｂに取り付けた円筒歯車２１Ｂと噛合っている。中間軸２０Ｂにさらに取り付けられた円筒歯車２２Ａは、出力軸２３に取り付けられた円筒歯車２２Ｂと噛合っている。中間軸２０Ａは、出力軸２３の回転方向を変えるために設けられている。中間軸２０Ｃに取付けた円筒歯車１９と中間軸２０Ｂに取付けた円筒歯車２１Ｂとを直接噛み合わせるか、中間軸２０Ａと円筒歯車２１Ａを省けば、出力軸２３の回転方向を逆方向にすることができる。
【００１９】
入力軸１４や補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆ、中間軸２０Ａ〜２０Ｃ、出力軸２３は、図示しない転がり軸受けまたはすべり軸受けで両端部を支持されている。各軸、各歯車及び各軸受は、ケース２４に収納されている。発電機のようなケース２４の外部に保持する補機２５は、複数の補機駆動軸１７Ａ〜１７Ｊのいずれかの一端にベルト等を介して接続されている。図示しない油ポンプやガバナー等のケース２４外部に保持する補機は、補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆをケース２４外まで延ばして、その先端部に接続する。したがって、補機類は、ガスタービン１の動力によって駆動され、駆動源は不要となっている。
【００２０】
図４に、減速機とガスタービンとを一体化した駆動装置１０の正面図を示す。ガスタービン１と減速機２が、上述した方法で一体化されている。一体化した駆動装置１０は、パッケージ３８内に収容されている。ガスタービン１を潤滑する潤滑油は、減速機２の下部に形成された油溜めから配管３６Ｄを経てガスタービン１に送られ、ガスタービン１を潤滑して温度が上昇する。温度が上昇した潤滑油は、配管３６Ｃを経て減速機２の下部に形成された潤滑油溜めに戻される。
【００２１】
減速機２の油溜り部に溜まった潤滑油の一部は、配管３６Ａの途中に設けた油ポンプ３９によりオイルクーラ３２に送られる。オイルクーラ３２は、パッケージ３８内であってガスタービン１の出力軸とは反対端側の上方に置かれている。このオイルクーラ３２内を流通する潤滑油を、油圧モータで駆動されパッケージ３８の天井部に設けられた換気冷却ファン３１に吸込まれる周囲空気が冷却する。オイルクーラ３２で冷却された潤滑油は、配管３６ｂを経て減速機２に戻される。油圧モータへは配管３６Ｅから油が送られる。
【００２２】
換気冷却ファン３１は、オイルクーラ３２内の潤滑油を冷却するためだけに用いられるのではなく、減速機２及びガスタービン１をも冷却するのにも用いられる。パッケージ３８内に設けられた隔壁３７によって仕切られたダクト部には、燃焼用の外部空気３５が取り入れられ、ガスタービン１内部に導かれて燃焼排気３３となって、排気煙突から外部に排気される。
【００２３】
一方、減速機１及びガスタービン２を冷却する外部空気３４は、ダクト部とは異なる部分から吸込まれ、初めに減速機２の周囲を冷却した後、ガスタービン１の周囲を冷却し、その後オイルクーラ３２で潤滑油を冷却して、換気冷却ファン３１の開口部からパッケージ３８外に放出される。このように本実施例では、換気冷却ファン３１がパッケージ３８内の換気を行なうとともに、クーラの冷却もできる配置にしている。なお、クーラを換気用のダクトの入口側に配置してもかまわない。
【００２４】
本実施例によれば、ガスタービンと減速機を一体化して潤滑油系統をまとめ、オイルクーラを冷却するファンと換気用ファンとを兼用したので、オイルクーラの個数とファンの個数を減らすことが可能になり、装置全体をコンパクトにすることができる。
【００２５】
次に、このように構成した本実施例の動作について説明する。図示しないバッテリによりガスタービン１が起動される。ガスタービン１が回転起動すると、ガスタービン１２の回転動力はギヤカップリング１３Ａを介して減速機の入力軸１４に伝達される。入力軸１４に伝達された動力は、１〜３段目の円筒歯車列に伝達されるとともに、各減速段において円筒歯車が取付けられた補機駆動軸及び中間軸の回転速度は減速される。減速して低回転速度となった出力軸２３の動力は、カップリング１１を介して横軸ポンプ本体３の駆動軸に伝達される。横軸ポンプが駆動されると、給水槽８に溜まった雨水等が吐出配管６を経て吐出水槽９に排出される。
【００２６】
ところで、従来の減速機ではガスタービン１から横軸ポンプ本体に動力を伝達する減速機を以下の構造としていた。つまり、減速機を高速回転軸部と低速回転軸部とに分け、これら２つの部分をクラッチ等で結合していた。これは、ガスタービンの出力軸から横軸ポンプ本体の入力軸までに含まれるすべての回転軸を精度良く心出しして組み立てることが困難であったこと、およびガスタービンからクラッチの入力側までに当たる高速回転軸系と、クラッチの出力軸から横軸ポンプ本体の入力軸までの低速回転軸系とにおける熱変形の違いに起因する熱変形誤差を吸収する必要があったこと等による。本実施例においては、ガスタービン側の高速回転側と出力軸側の低速回転側の間に流体継手を設けたので、流体継手が軸芯のずれを吸収できる。その結果、高速回転の歯車列から低速回転の歯車列までを同一の減速機ケーシング内に収容することが可能となり、減速機の軸方向長さを飛躍的に短縮できた。これにより、従来電動機で運転されていた横軸ポンプをリプレースする際に、ガスタービン駆動の横軸ポンプで置きかえることが可能になった。また、流体継手を用いているので、横軸ポンプの回転速度制御を容易に行うことができ、ポンプの流量を可変にできる。
【００２７】
本実施例においては、一軸形のガスタービン１をギヤカップリング１３Ａで減速機と結合して一体化し、さらに、流体継手を用いているので、ガスタービン１２を減速機ケース２４が支持することが可能になり、ガスタービンから減速機の出力軸までの距離を短くできる。この結果、従来電動機駆動の横軸ポンプをリプレースする際、軸方向長さが長くてガスタービンに置きかえるには建屋の改造とを必要としていたが、建屋を改変すること無く横軸ポンプにガスタービンを使用できる。
【００２８】
また、複数の補機駆動軸を設け、それらを各補機に応じた回転速度で運転可能なように円筒歯車を選択しているので、補機駆動軸からガスタービンや減速機に必要な補機を駆動できる。さらに、複数の補機駆動軸の中の少なくとも一つの軸端に油圧モータを設け、この油圧モータが発生した動力または所定の補機駆動軸の端部に発電機を設け、この発電機の発生した動力を油圧ポンプや換気冷却ファンの動力に使用できるので、商用電源を使えない環境下でも横軸ポンプを運転できる。さらにまた、複数の中間軸の中の少なくとも１本の軸端を延長して電動機を接続することにより、工場内での試験等のガスタービンを使用できない環境でも、横軸ポンプ本体の性能把握の試験を容易に行える。
【００２９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、横軸ポンプをコンパクト化して横軸ポンプが備えられたポンプ機場や建屋の設置面積を縮小可能にし、従来電動機等で駆動されていた横軸ポンプをリプレースする際に、機場や建屋を変更すること無くガスタービン駆動の横軸ポンプに置きかえることを可能にすると共に、商用の外部電源を不要とすることができる横軸ポンプを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る横軸ポンプを備えるポンプ機場の一実施例の縦断面図である。
【図２】図１に示したポンプ機場の平面図である。
【図３】図１に示したポンプ機場に用いられるガスタービン一体型減速機の平面図である。
【図４】図１に示したポンプ機場に用いられるガスタービン一体型減速機の正面図である。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…減速機、３…横軸ポンプ本体、４…カップリング、５…カップリング、６…吐出配管、７…建屋、８…給水槽、９…吐出水槽１０…横軸ポンプ駆動装置、１１…カップリング、１３…出力軸、１４…入力軸、１５…円筒歯車、１６Ａ〜１６Ｆ…補機駆動軸、１７Ａ〜１７Ｊ…円筒歯車、１８…流体継手、１９…円筒歯車、２０Ａ〜２０Ｃ…中間軸、２１Ａ、２１Ｂ…円筒歯車、２２Ａ、２３Ｂ…円筒歯車、２３…出力軸、２４…ケース、２５…発電機等の補機、３１…換気冷却ファン、３２…オイルクーラ、３３…燃焼排気、３４…換気冷却用吸気、３５…燃焼用吸気、３６Ａ〜３６Ｅ…潤滑油配管、３７…隔壁、３８…パッケージ。

Claims (1)

1. 出力軸が水平方向に配置された一軸式のガスタービンと、
   このガスタービンの出力を減速し、高速回転の歯車列から低速回転の歯車列がケーシングで覆われ、下部に潤滑油を溜める潤滑油溜りを有する減速機と、
   この減速機に接続された横軸ポンプ本体と、
   前記減速機の前記潤滑油溜りからオイルクーラに潤滑油を供給し前記減速機に戻す油ポンプと、
   前記減速機から供給された潤滑油を冷却するオイルクーラと、
   このオイルクーラに冷却風を送風する冷却ファンと、
   発電機を含む補機とを備えた横軸ポンプにおいて、
   前記減速機は、前記ガスタービンの出力軸に結合される入力軸と、この入力軸に取付けられた歯車と噛み合う歯車が設けられた複数の補機駆動軸と、この複数の補機駆動軸の中の１本の補機駆動軸から伝達される動力を前記横軸ポンプ本体に伝達する複数の中間軸と、この中間軸の中の１本の中間軸に設けられた歯車に噛み合う歯車を有する出力軸と、前記補機駆動軸に一端が接続されると共に前記中間軸に他端が接続された流体継手とを有し、
   前記ケーシングは前記補機駆動軸を受ける軸受を保持する部材が設けられており、
   流体継手は、前記ガスタービンから動力が供給される高速回転側と、前記横軸ポンプ本体に動力を伝達する低速回転側との間に配置され、前記高速回転側と前記低速回転側のミスアライメントを吸収可能であり、
   前記減速機と前記ガスタービンとは、一体化されてパッケージ内に収容され、前記減速機の前記潤滑油溜りの潤滑油を前記ガスタービンに送る配管で接続されると共に、前記ガスタービンに送られて温度上昇した潤滑油を前記減速機の前記潤滑油溜りに戻す配管で接続され、
   前記パッケージは、隔壁によって仕切られたダクト部を通して前記ガスタービン内部に外部空気を導くように形成すると共に、前記ダクト部と異なる部分から前記減速機及び前記ガスタービンを冷却する外部空気を導くように形成し、
   前記冷却ファンは、前記両方の外部空気を吸引して前記オイルクーラに供給するように設け、
   前記発電機は前記補機駆動軸に接続され、前記油圧ポンプおよび前記冷却ファンに動力を供給する
   ことを特徴とする横軸ポンプ。

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