JP4433863B2 - 液化ガスタンク用潜没ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、液化天然ガス等の液化ガスを貯蔵する液化ガスタンクに設置して、液化ガスの輸送を行う液化ガスタンク用潜没ポンプ装置に関する。

従来この種の潜没ポンプ装置として、例えば特許文献１に記載されたものが公知である。
前記特許文献１に記載された液化ガスタンク用潜没ポンプ装置は、液化タンク内に設置された揚液管内にポンプ本体が垂下されており、ポンプ本体のケーシング内には、液化ガスを昇圧する羽根車と、この羽根車を駆動する電動機が設けられている。
羽根車と電動機を連動する回転軸は、ケーシングの上下段と中段に設置された静圧軸受けにより回転自在に支承されており、中段に設けられた静圧軸受けの近傍には、回転軸に作用するスラスト力を支承する軸推力平衡手段が設置されている。
また回転軸の下端にはインデューサが設けられていて、このインデューサにより液化タンクの液位が低下した場合でもキャビテーションによりポンプが運転不能になるのを抑制している。
特開平７−３１７６９５号公報

しかし前記特許文献１に記載された従来の潜没ポンプ装置では、インデューサ下流の流れに旋回成分を含むことから、羽根車にとっては所謂予旋回流れとなるため、羽根車の全揚程が低下する。
一般的に設計点においては、インデューサ全揚程と羽根車の予旋回による全揚程の低下量はほぼ等しいとされている。このため前記特許文献１に記載された潜没ポンプ装置で全揚程の向上を図ろうとした場合、ポンプ本体を大型にする必要があるため潜没ポンプ装置が高価となる。
またポンプ装置を設置する揚液管の径も大きくする必要があるため設備費が嵩むと共に、ポンプ本体の大型化による質量の増加により、分解組み立てに際して人件費もかさむため、不経済である等の問題もある。

本発明はかかる従来の問題を改善するためになされたもので、インデューサの下流側にガイドベーンを配置することにより全揚程を向上させた液化ガスタンク用潜没ポンプ装置を提供することを目的とするものである。

本発明の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置は、液化ガスタンク内に設置された揚液管内にポンプ本体を垂下して液化ガスの輸送を行う液化ガスタンク用潜没ポンプ装置であって、ポンプ本体の吸込み口に設けられ、吸込み口より吸入した液化ガスを昇圧するインデューサと、インデューサの下流側に設けられ、インデューサにより昇圧された液化ガスをさらに昇圧して揚液管内へ吐出する羽根車と、インデューザとの距離が前記インデューサの外径の５〜１５％となるようインデューサと羽根車の間に設けられ、インデューサにより昇圧された液化ガスを整流して羽根車へ流入させるガイドベーンと、ガイドベーンの中心部を形成するボス部に設けられ、インデューサ及び羽根車が取り付けられた回転軸の下端側を回転自在に支承する静圧軸受とから構成したものである。

前記構成により、インデューサにより昇圧された液化ガス中の旋回成分が、インデューサの下流側に設けられたガイドベーンにより整流されて圧力が回復されるため、インデューサの全揚程が向上すると共に、インデューサにより昇圧され、かつガイドベーンにより整流されて予旋回のない一様な流れになった液化ガスが羽根車に流入して、羽根車によりさらに圧力上昇されるため、ポンプ本体を大型化せずに全揚程の向上が図れるようになる。
またポンプ本体を大型化せずに全揚程の向上が図れることから、潜没ポンプ装置が安価に得られる上、ポンプ本体を設置する揚液管の径を大きくする必要がないため、設備費の削減が図れる。

さらにインデューサ及び羽根車が取り付けられた回転軸の下端側を、ガイドベーンの中心部に設けられたボス部に、静圧軸受けを介して回転自在に支承したことにより、ガイドベーンのボス外径に合わせてインデューサのボス径も子午面流路の拡大縮小を伴わずに小さくでき、これによって流路抵抗によるインデューサの性能が低下することがないと共に、羽根車に流入する流れも一様化できるため、羽根車の性能も向上する。
また軸受けブラケットをインデューサの下流側に設けることにより、インデューサの逆流キャビテーションへの損傷を免れることが可能となる。

またインデューザとガイドベーンとの間の距離を、インデューサの外径の５〜１５％としたことにより、インデューサの効率や羽根車の吸込み性能が低下することがない上、液スーパーキャビテーションの状態でポンプ本体を運転した場合でも、キャビテーションがガイドベーンに達することがないため、キャビテーションによりガイドベーンが損傷を受ける心配がないと共に、回転軸を長くする必要がないためポンプ本体の小型化が図れる。

本発明の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置は、ガイドベーンと羽根車との間の距離を、インデューサの外径の５〜１５％としたものである。

前記構成により、羽根車により昇圧した液化ガスの一部が逆流を起こす低流量域では、ガイドベーンと羽根車より逆流する旋回成分を有する流れとが衝突して旋回を抑制するため、全揚程の向上が図れる上、揚程曲線の不安定な特性を排除できる効果が得られる。

本発明の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置は、ガイドベーンのボス比（ボス外径Ｄｇｈ／羽根外径Ｄｉｔ）を０．３〜０．５とするため、ガイドベーンの外径を、初段羽根車の上流側に設けられたマウスリングの摺動面の内径（Ｄｍ）の±１０％の範囲としたものである。

前記構成により、ガイドベーンの外径とマウスリングの摺動面の間に大きな段差が生じることがないため、ガイドベーンにより整流された液化ガスがスムーズに羽根車へと流入するため、ポンプ効率が低下することがない。

本発明の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置によれば、インデューサにより昇圧された液化ガス中の旋回成分が、インデューサの下流側に設けられたガイドベーンにより整流されて圧力が回復されるため、インデューサの全揚程が向上すると共に、ガイドベーンにより整流されて予旋回のない一様な流れになった液化ガスが羽根車に流入して、羽根車によりさらに圧力上昇されるため、ポンプ本体を大型化せずに全揚程の向上が図れるようになる。
また液化ガスが羽根車によりさらに昇圧されるため、ポンプ本体を大型化せずに全揚程の向上が図れるようになる。
さらにインデューザとガイドベーンとの距離を、インデューサの外径の５〜１５％となるようにしたことから、インデューサの効率や羽根車の吸込み性能が低下することがない上、スーパーキャビテーションの状態でポンプ本体を運転した場合でも、キャビテーションがガイドベーンに達することがないため、キャビテーションによりガイドベーンが損傷を受ける心配がないと共に、回転軸を長くする必要がないためポンプ本体の小型化が図れる。

本発明の実施の形態を、図面を参照して詳述する。
図１は液化ガスタンク用潜没ポンプ装置の断面図、図２はインデューサ付近の拡大図、図３はインデューサ付近の詳細図である。
図１に示す潜没ポンプ装置のポンプ本体１は、液化天然ガス（ＬＮＧ）等の液化ガスを貯蔵する液化ガスタンク（図示せず）内にほぼ垂直に設置された揚液管２内に上方よりワイヤロープよりなる吊下げ手段３により垂下されている。
揚液管２の下端は液化タンクの底部付近に開口されていて、開口部２ａに吸込み弁４が取り付けられており、開口部２ａの内周面に形成されたテーパ状の受け座２ｂに、ポンプ本体１のケーシング１ａ外周面に形成されたテーパ状の着座面１ｂが上方より液密に当接されている。

ポンプ本体１のケーシング１ａは、揚液管２の内径より小径な筒状のポンプケーシング１ｃとモータケーシング１ｄとからなり、ポンプケーシング１ｃの下端に、ポンプケーシング１ｃの内径より小径な吸込み口１ｅが開口されている。
ポンプケーシング１ｃとモータケーシング１ｄの中心部には、軸線方向に回転軸４が貫通されていて、回転軸４の下端部に、吸込み口１ｅ内に設けられたインデューサ５が固着されており、インデューサ５より上方に、ポンプケーシング１ｃ内に設けられた複数段の羽根車６が固着されていると共に、回転軸４の上部側には、モータケーシング１ｄ内に収容された電動機よりなる回転駆動手段８のロータ８ａが固着されている。 ポンプケーシング１ｃの吸込み口１ｅに設けられたインデューサ５と初段の羽根車６の間には、複数枚のガイドベーン７が設けられている。

ガイドベーン７は吸込み口１ｅの内周面に放射方向に突設されていて、各ガイドベーン７の中心部には、回転軸４の先端側が貫通する筒状のボス部７ａが設けられている。
ガイドベーン７のボス部７ａは、インデューサ５の中心部に設けられたボス部７ａの外径と一端側がほぼ同径で、かつ他端側がやや大径となるテーパ状となっていて、インデューサ５により吸込み口１ｅに吸入された液化ガスがスムーズに羽根車６へ流入されるようになっており、またインデューサ５により吸込み口１ｅに吸入され、かつ昇圧された液化ガスは、複数のガイドベーン７により旋回成分が整流されて羽根車６へ流入されるようになっている。
すなわちガイドベーン７は、インデューサ５により回転方向の流れに変換された液化ガスの流れを直線方向へ整流する整流板として機能するようになっており、この整流機能とインデューサ５の性能を最大限に発揮させて小型のポンプ本体１でも高揚程が得られるようにするため、図３に示す各部のパラメータが次のように設定されている。

インデューサ５とガイドベーン７の距離Ｌ１は、長過ぎるとインデューサ５の効率が低下する上、回転軸４を長くしなければならないため、ポンプ本体１の小型化を阻害する。
またインデューサ５と羽根車６間の距離が長くなるため、潜没ポンプ装置のような立軸ポンプの場合、インデューサ５により羽根車６まで押し上げる液化ガスの距離が増大するため、羽根車６の吸込み性能が低下する問題が生じる。
逆に距離Ｌ１が短か過ぎると、液化ガスタンク内の液化ガスが超低液面のときに全揚程が低下するようなスーパーキャビテーションの状態でポンプ本体１を運転した場合、キャビテーションがガイドベーン７に達して、ガイドベーン７が損傷を受ける問題が生じる。
そこで本発明の実施の形態では、インデューサ５からガイドベーン７までの距離Ｌ１を、インデューサ５の羽根の外径Ｄｉｔの５〜１５％としている。

この値は実験でスーパーキャビテーションの状態でもキャビテーションがガイドベーン７に達しない、もしくは達しても影響が少ないことを確認している。
ガイドベーン７から初段の羽根車６までの距離Ｌ２は、長いとガイドベーン７による整流効果が増大するが、長過ぎると回転軸４を長くしなければならないためポンプ本体１の小型化を阻害する。
またインデューサ５からガイドベーン７までの距離Ｌ１と同様に、長過ぎるとインデューサ５により羽根車６まで押し上げる液化ガスの距離が増大するため、羽根車６の吸込み性能が低下する。
逆に短いとガイドベーン７の出口付近のガイドベーン７により分かれた流れが合流することによる不安定な流れが羽根車６へ流入するため、羽根車６の性能が低下する。

そこでガイドベーン７から羽根車６までの距離Ｌ２を、インデューサ５の羽根の外径Ｄｉｔの５〜１５％に設定した。
これによって羽根車６により昇圧された液化ガスの一部が逆流を起こす低流量域では、ガイドベーン７が羽根車６より逆流する旋回成分を有する流れと衝突して予旋回を抑制するため全揚程の向上が図れる上、揚程曲線の不安定な特性を排除できる効果が得られるようになる。
インデューサ５により昇圧された液化ガスを整流するガイドベーン７の内径（ボス部７ａの外径と同じ）Ｄｇｈは、ボス比（ボス外径Ｄｇｈ／羽根外径Ｄｉｔ）によりインデューサ５の性能に大きな影響を与える。
このためボス部７ａの外径Ｄｇｈを小さくすることがインデューサ５の吸込み性能を向上させる上で重要である。
そこで本願発明の実施の形態では、ガイドベーン７のボス比を０．３〜０．５としている。

またガイドベーン７のボス部７ａに回転軸４の下端側を支承する下段軸受け１２を設けているが、下段軸受け１２に玉軸受けを採用した場合、ボス部７ａの外径Ｄｇｈが大きくなり過ぎて前述したボス比０．３〜０．５が得られないため、本発明の実施の形態では、下段軸受け１２に静圧軸受けを採用してボス部７ａの外径Ｄｇｈを小径化することにより、ボス比０．３〜０．５を得ている。
さらにボス部７ａの外径Ｄｇｈと羽根車６の吸込み口１ｉとの口径差は、ガイドベーン７により整流された液化ガスがポンプケーシング１ｃ内へ流入する際大きな影響を及ぼす。
そこでガイドベーン７の外径Ｄｇｈを、ポンプケーシング１ｃの吸込み口１ｉに設けられたマウスリング１ｈの摺接面の内径Ｄｍの±１０％の範囲にした。
なお下段軸受け１２に静圧軸受けを採用した場合のボス比限界は、インデューサ５ｂの外径Ｄｉｔを羽根車６の吸込み口１ｉの口径とほぼ同径とすれば、０．３程度は可能である。

一方ポンプケーシング１ｃとモータケーシング１ｄの中心部を貫通するように設けられた回転軸４の上端部は、モータケーシング１ｄの上端部を閉鎖する端板１ｋに設けられた上段軸受け１０と、ポンプケーシング１ｃとモータケーシング１ｄの間に介在された隔壁板１ｇに設けられた中段軸受け１１と、ガイドベーン７のボス部７ａ内に設けられた下段軸受け１２の３個所で回転自在に支承されている。
上段軸受け１０と中段軸受け１１は、ラジアル方向の荷重を支承する玉軸受けよりなり、下段軸受け１０は、ボス部７ａの外径をガイドベーン７のボス部７ａの外径とほぼ同径にするため、前述したように静圧軸受けが採用されている。
下段軸受け１２の静圧軸受けは、図２に示すように回転軸４の外周面に摺接するインナライナ１２ａと、インナライナ１２ａの外周面に設けられ、かつ固着具１３によりボス部７ａ側に固定されたガイドライナ１２ｂとからなり、初段の羽根車６により昇圧された液化ガスの一部が通路１ｆを経由してインナライナ１２ａの内周面に形成された受圧室１２ｃへ導入されており、これによってインナライナ１２ａと回転軸４の外周面との間に、回転軸４を支承する静圧軸受けが形成されるようになっている。

また中段軸受け１１との下側には、軸推力平衡手段１４が設けられている。
軸推力平衡手段１４は静圧軸受けにより形成されていて、回転軸４に作用するスラスト力を支承するようになっていると共に、ポンプケーシング１ｃとモータケーシング１ｄの間に介在された隔壁板１ｇには複数段の羽根車６により昇圧された液化ガスを揚液管２内へ吐出する吐出口１ｊが斜め方向に複数個開口されている。
なお図１中１５は、電動機よりなる回転駆動手段１２へ電力を供給する給電ケーブルである。

次に前記構成された液化ガスタンク用潜没ポンプ装置の作用を説明する。
液化タンク内に貯蔵された液化ガスを輸送すべくポンプ本体１の上部に設けられた回転駆動手段１２へ電力を供給して、回転駆動手段８により回転軸４を回転させると、回転軸４に固着されたインデューサ５及び羽根車６が回転して、ケーシング１ａの下端に設けられた吸込み弁３より吸込み口１ｅへ液化タンク内の液化ガスが吸いこまれる。
吸込み口１ｅに吸い込まれた液化ガスは、インデューサ５により昇圧された後ガイドベーン７を経てポンプケーシング１ｃ内へ流入し、ポンプケーシング１ｃ内の複数段の羽根車６により順次昇圧されて吐出口１ｊより揚液管２内へ吐出され、揚液管２内を上方へと輸送されるが、吸込み口１ｅ内でインデューサ５により昇圧された液化ガスにはインデューサ５の回転により生じた旋回成分が含まれている。
この旋回成分はインデューサ５の下流側に設けられたガイドベーン７により整流されて圧力が回復されるため、インデューサの全揚程が向上すると共に、インデューサにより昇圧され、かつガイドベーンにより整流された液化ガスが羽根車によりさらに圧力上昇されるため、ポンプ本体を大型化せずに全揚程の向上が図れるようになる。

また従来のインデューサと羽根車の間にガイドベーンのない潜没ポンプ装置の場合、インデューサにより昇圧された旋回成分を含む液化ガスが直接羽根車へと流入する所謂予旋回流れとなため、全揚程が低下していたが、インデューサ５と羽根車６の間にガイドベーン７を設けたことにより、小型のポンプ本体１でも全揚程の向上が図れるようになる。
これはインデューサ５と羽根車６の間にガイドベーン７を設けることにより、インデューサ５により生じた旋回成分がガイドベーン７により整流されて、羽根車６の羽根入口角度に合った流れが初段の羽根車６に流入されるため、羽根車６の全揚程が向上するものである。

一方輸送流量を制限したために低流量域になった場合、インデューサ５はキャビテーションを起こしながら運転されるため、羽根車６により昇圧された液化ガスの一部がインデューサ５側へ逆流し、揚程曲線に不安定領域が発生するが、羽根車により昇圧した液化ガスの一部が逆流を起こす低流量域では、ガイドベーンが羽根車より逆流する旋回成分を有する流れと衝突して旋回を抑制するため、揚程曲線の不安定な特性を改善することができる。

本発明の装置は、インデューサにより昇圧された液化ガス中の旋回成分が、インデューサの下流側に設けられたガイドベーンにより整流されて圧力が回復されるため、インデューサの性能が向上すると共に、ポンプ本体を大型化せずに全揚程の向上が図れるため、液化ガスの輸送を行う液化ガスタンク用潜没ポンプ装置に最適である。

本発明の実施の形態になる液化ガスタンク用潜没ポンプ装置の断面図である。 本発明の実施の形態になる液化ガスタンク用潜没ポンプ装置のディフーザ付近の拡大断面図である。 本発明の実施の形態になる液化ガスタンク用潜没ポンプ装置のディフーザ付近の詳細図である。

符号の説明

１ ポンプ本体
１ｅ 吸込み口
１ｈ マウスリング
２ 揚液管
４ 回転軸
５ インデューサ
５ａ ボス部
６ 羽根車
７ ガイドベーン

Claims (3)

1. 液化ガスタンク内に設置された揚液管内にポンプ本体を垂下して液化ガスの輸送を行う液化ガスタンク用潜没ポンプ装置であって、前記ポンプ本体の吸込み口に設けられ、前記吸込み口より吸入した液化ガスを昇圧するインデューサと、前記インデューサの下流側に設けられ、前記インデューサにより昇圧された液化ガスをさらに昇圧して前記揚液管内へ吐出する羽根車と、前記インデューザとの距離が前記インデューサの外径の５〜１５％となるよう前記インデューサと前記羽根車の間に設けられ、前記インデューサにより昇圧された液化ガスを整流して前記羽根車へ流入させるガイドベーンと、前記ガイドベーンの中心部を形成するボス部に設けられ、前記インデューサ及び前記羽根車が取り付けられた回転軸の下端側を回転自在に支承する静圧軸受とを具備したことを特徴とする液化ガスタンク用潜没ポンプ装置。
2. 前記ガイドベーンと前記羽根車との間の距離を、前記インデューサの外径の５〜１５％としてなる請求項１に記載の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置。
3. 前記ガイドベーンのボス比（ボス外径Ｄｇｈ／羽根外径Ｄｉｔ）を０．３〜０．５とするため、前記ガイドベーンの外径を、初段羽根車の上流側に設けられたマウスリングの摺動面の内径（Ｄｍ）の±１０％の範囲としてなる請求項１または２に記載の液化ガスタンク用潜没ポンプ装置。

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