JPH088319Y2 - 遠心ポンプのバランスデイスク式軸推力平衡装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は、バランスディスク（釣合盤）によって、軸
推力を羽根車の発生圧力を利用して水力学的にバランス
させるようにした遠心ポンプのバランスディスク式軸推
力平衡装置に関し、LPG（液化石油ガス）、LNG（液化天
然ガス）等の液化ガス用の液中モータポンプなどに用い
て好適のものである。

〔従来の技術〕

従来、遠心ポンプの吐出段より低圧部に圧力水の一部
を返流させる流路に、ポンプ軸方向の隙間による固定絞
り部と半径方向の隙間による可変絞り部とを直列に配置
し、両絞り部の間の空間の圧力を、ポンプ軸方向変化に
伴う前記可変絞り部の流路抵抗の変化により変化せしめ
て自動的にポンプ軸推力の平衡に行なうバランスディス
ク装置は、遠心ポンプの軸推力平衡装置として古くから
用いられており、固定絞り部と可変絞り部の前後位置関
係や、何れをポンプ回転軸中心に近い側に位置させるか
など構造上の詳細に係わる変形はあるものの、適切に設
計によってポンプ定常運転時における軸推力の平衡機能
は完全といってよいものであり、既に長年の実績により
確められている。

第２図は、液中（サブマージド）モータポンプに上記
バランスディスク式軸推力平衡装置を適用した例を示す
要部断面図であって、１は、吸込ノズル２を具え上部を
蓋されて液中（水中）に浸漬される吸込ベッセルで、内
部に、電動機ロータ３と電動機ステータ４を収納したモ
ータハウジング５と、その下方に直結された多段遠心ポ
ンプ６とを内蔵している。

上記多段遠心ポンプ６は、吸込ケーシング７と中間ケ
ーシング８を備え、内部に玉軸受９に支持されたポンプ
回転軸10に取付けた羽根車11,12を収納し、最終段羽根
車12の主板の裏面（図で上面）によって形成されたバラ
ンスディスクに対向して、軸方向の隙間イと半径方向の
隙間ロを保持してバランスシート13がケーシングに取付
けられており、両隙間イとロの間に中間室ハが形成さ
れ、更にバランスシート13の裏側（下流側）は逃がし通
路14を経てモータ室（低圧室）と連通されるようになっ
ている。

第３図は、第２図の要部を拡大して示した断面図であ
って、図中、15は最終段羽根車12の主板12aの裏面に形
成されたバランスディスクである。

ポンプ運転時、最終段羽根車12より吐出された流体の
一部が、主板12a裏面に形成された間隔一定の軸方向の
固定隙間イを経て中間室ハへ流入し、ここで羽根車12に
左向き（吸込口向き）の軸推力を働かせる。該左向きの
軸推力によって、シュラウド12cに働く右方向の推力に
抗して軸10が左方向に変位すると、可変絞り部を構成す
る半径方向の隙間ロが大きくなり、該部の流路抵抗は下
がる。ところが、逃し液流路の上流に存在する隙間イは
軸の左右動により流路抵抗の変化しない固定絞り部を構
成するので、隙間ロが広がれば中間室ハの圧力は下がる
ことになり、羽根車12には全体として右向きの推力が働
き、隙間ロを狭めようとする。

そしてこれが狭くなると、中間室ハ内圧は再び上昇し、
羽根車２に働く右向き推力は小さくなり、軸10は再び左
方向に動こうとする。

このようにして、軸推力を自動的に平衡するようにな
っていた。

〔考案が解決しようとする課題〕

上記のように、従来の軸推力平衡装置においては、定
常運動状態においては、軸推力は、中間室ハの半径方向
（円環状）面積を、羽根車マウスリング12dと軸10との
間で形成される円環状面積に対して適切に大きい値と
し、且つそれと関連して固定隙間イの大きさを適切にと
れば、可変隙間ロは自動的に適切な値となり、ポンプは
円滑に運転される。

ところが、ポンプの過渡的運転状態、特にポンプ始動
或いは停止時には、羽根車において軸推力を生ぜしめる
羽根車前後差圧の形成と、それに対抗すべき逆向き推力
を生ずるバランスディスク前後差圧の形成とが時間的に
一致しない。差圧の形成がすべて絞り流路を流体が通過
する際の圧力降下によってなされるため、流れが定常に
なるまでには当然或る時間を要するからである。そのた
め、軸推力が短時間ではあるが不平衡となり、多くの場
合、可変絞り部を構成する半径方向流路（隙間）がより
絞られる方向となり、該流路を形成する要素、つまり固
定側要素に相当するバランスシート13と回転側要素に相
当するバランスディスク15とが接触して相互に傷をつけ
ることが屡々発生する。

このような現象に対処するために、双方の対向面に表
面硬化処理等を施し、上記のような短時間の接触に耐え
るように工夫されているが、取扱い液中に含まれる塵埃
等微量の硬質異物の介在による悪影響もあって、上記の
ようなことを繰返しているうちに相互にかじり傷を生
じ、徐々にそれが成長して遂には絞り流路として不適当
な形状となり、軸推力平衡機能に支障を来したり、それ
以前にポンプ軸の円滑な回転運動を妨げたりする不具合
や事故に発展することも珍しくないという問題点があっ
た。

上記のような問題点に対処するために、ポンプ軸に別
個の推力軸受を取り付け、如何なる場合にも、バランス
ディスク15とバランスシート13の対向面が接触しないよ
うにする構造が採られることがあったが、これは本来可
変であるべき絞り間隔に制約を加えるわけであるから、
その間隔を適正に設定するための設計的、組立作業的な
作業はかなり煩わしく、非常な熟練と多大の時間を要す
るという問題点があった。また、第３図の玉軸受９の外
輪とケーシングとの隙間ニを、定常状態における隙間ロ
が零とならない、つまりバランスディスク15とバランス
シート13とが接触しないように設定することも考えられ
るが、このような設定は上記のように熟練と時間を要す
る上、潤滑性に乏しい液中で運転される軸受９に軸推力
が度重なってかかるため、該軸受の摩耗を来たすという
問題点があった。また、上記のような熟練を要する組立
て調整作業は、ポンプの使用先（ユーザ）にとっても、
推力軸受の保守という作業を負担させることになり、好
ましくない事柄であった。

本考案は、上記のような煩わしい作業を何等伴うこと
なくポンプ始動或いは停止時等の過渡的運転状態時にお
いてもポンプ逆スラストを支承してバランスディスク及
びバランスシートを保護するようにした軸推力平衡装置
を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成するために本考案は、遠心ポンプの
吐出段より低圧部に圧力水の一部を返流させる流路に、
ポンプ軸方向の隙間による固定絞り部と半径方向の隙間
による可変絞り部とを直列に配置し、両絞り部の間に形
成される中間室の圧力を、ポンプ軸方向変位に伴う前記
可変絞り部の流路抵抗の変化により変化せしめて、自動
的にポンプ軸推力の平衡を行なうバランスディスク装置
において、上記中間室と可変絞り部との間に、上記可変
絞り部の固定側形成面と同一平面ないし僅かに突出した
平面に動圧平面軸受を設けるとともに、この平面軸受の
裏側に流体が自由に通過可能な流体通路を形成したこと
を特徴としている。

〔作用〕

本考案は上記のように構成されているので、ポンプ運
転時、定常運転状態においては、羽根車により発生する
吸込口向きの軸推力により軸が同方向に変位すると、可
変絞り部の半径方向隙間が大きくなって中間室の内圧が
下がるので、羽根車には全体として吐出口向きに推力が
働いて上記半径方向隙間を狭めようとし、中間室の内圧
が再び上昇し、軸は再び吸込口方向に動こうとし、この
ようにして軸推力が自動的に平衡されることは、従来の
ものと変りがない。

一方、ポンプ始動時或いは停止時のような過渡状態時
においては、羽根車前後差圧の形成とそれに対抗すべき
逆向き推力を生ずるバランスディスク前後差圧の形成と
が時間的に一致しないため、軸推力が一時的に不平衡に
なり、多くの場合、可変絞り部の半径方向隙間が絞られ
る傾向が生じる。しかし本考案では、中間室と可変絞り
部との間に、上記可変絞り部の固定側形成面と同一平面
ないし僅かに突出した平面に動圧平面軸受を設けるとと
もに、この平面軸受の裏側に流体が自由に通過可能な流
体通路を形成しているので、上記のように可変絞り部の
半径方向隙間（流路）がたとえ絞られても、動圧作用に
よって該可変絞り部を構成するバランスシートとバラン
スディスクが互いに接触することがない。従って、これ
らの両部材が保護され傷がつくことがない。

〔実施例〕

次に、本考案の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、本考案の軸推力平衡装置を液中モータポン
プに用いた一実施例を示す要部断面図であって、図中、
第３図に記載した符号と同一の符号は同一ないし同類部
分を示すものとする。

図において、最終段羽根車12の主板12aの裏面に一体
に形成されたライナリング12bの外周面とケーシング８
の内周面との間に、軸方向の固定隙間イを具えた固定絞
り部を形成し、上記ライナリング12bと、主板12aのボス
部に一体に形成されたバランスディスク15との間に、中
間室ハを形成し、該バランスディスク15と半径方向の隙
間ロを隔ててバランスシート13をケーシング８に一体に
取付け、これらバランスディスク15とバランスシート13
とによって可変絞り部を形成し、該バランスシート13の
内径側を玉軸受９の球間隔部又は逃がし通路14を経て電
動機室内に連通している点は、従来のもの（第３図）と
変りはない。

なお、上記電動室内は、ポンプ吸込部その他の低圧部
に連通している常時ポンプ吸込圧又はそれに準ずる（電
動機内での液蒸発を防ぐため１段目等の低圧段出口に戻
すこともある）低圧に保たれ、軸推力バランス装置の洩
れ液は、上記半径方向隙間ロを通過した後は球軸受10又
は通路14を経て電動機室内に入り、電動機冷却を行なっ
て後、上記の低圧部に返される。

そして本実施例では、上記中間室ハと可変絞り部との
間において上記可変絞り部の固定側形成面に相当するバ
ランスシート13の面と同一位置ないし僅か（0.1mm〜0.2
mm）に突出した位置に、動圧軸受板20が、液体が自由に
通過可能の半径方向の通路（チャンネル）ホを形成し且
つケーシング８の内面側壁に一体に形成された複数本の
リブ21によって、抑え板22と動圧軸受支持板23を介して
十分な剛性をもって支持されており、該動圧軸受板20の
前面には、バランスディスク15の面が対向するように半
径方向に延長して形成されている。上記抑え板22は、動
圧軸受板20と同支持板23がガタつかぬように抑えるため
のものであるが、必ずしも強く固縛するものでない。

上記動圧軸受板20は、セラミックス等の硬質脆性材料
からなるリング状円板の表面に、第1a図に示すように、
羽根車12の矢印ａの回転方向に対して動圧を発生する向
きに形成されたスパイラル溝20aと、該スパイラル溝20a
の内径側に連通された環状溝20bとが形成されている。
（図中、斑点部は凹部、白色部はランド部を示してい
る。） 次に、作用について説明すると、ポンプ運転時、定常
運転状態においては、最終段羽根車12より吐出された流
体の一部が、主板12a裏面に形成された間隔一定の軸方
向の固定隙間イを経て中間室ハへ流入し、ここで羽根車
12に左向き（吸込口向き）の軸推力を働かせる。次い
で、複数本のリブ21によって形成された半径方向の通路
ホを経て、可変絞り部へ導かれ、該部の半径方向の隙間
ロを経て、電動機室（低圧部）へ返えされ、この過程
で、上記中間室ハの圧力を、ポンプ軸方向変位に伴う可
変絞り部の半径方向隙間ロによる流体抵抗の変位によっ
て変位させ、軸推力を自動的に平衡させるようになって
いることは従来のもの（第３図）と変りがない。

一方、ポンプ始動時、或いは停止時のような過渡状態
時にあっては、羽根車12のシュラウド12cと、ライナリ
ング12bの外方に位置する主板12aとにそれぞれ作用する
推力に基づく差圧（右向き推力）の形成と、それに対抗
すべき逆向き推力を生ずるバランスディスク15前後差圧
（左向き推力）の形成とが時間的に一致しないため、軸
推力が一時的に不平衡になり、多くの場合、右向き推力
が優って可変絞り部の半径方向隙間ロが絞られる傾向が
生じるが、動圧軸受板20がバランスディスク15に対向し
て、しかもバランスシート13の面と同一ないし僅か（0.
1mm〜0.2mm）に突出して設けられているので、上記のよ
うにバランスディスク15がバランスシート13に近接した
とき、該動圧軸受板20に設けられたスパイラル溝20a及
び環状溝20b内に、バランスディスク15の対向面の矢印
ａ方向の回転に基づき流体を強制的に移動させるのに伴
い動圧を発生し、対向する両面間に所要の厚さの液膜が
形成されて推力荷重を支える。従って、バランスシート
13とバランスディスク15との直接接触を避けることがで
きるので、両部材13と15が傷つくことなく保護される。

この実施例によれば、動圧軸受板20を、セラミックス
板等にショットブラスト加工によりスパイラル溝を加工
して比較的容易に得ることができ、しかも耐蝕、耐摩耗
性に優れ、薄板でも強力な推力を支持することができ
る。

上記した実施例は、液化ガス用の液中モータポンプを
例にとって説明したが、本考案の過渡時軸推力支承装置
は、バランスディスク装置を軸推力平衡装置として使用
しているすべての型式のポンプ、例えばボイラ給水用に
よく使用される輪切り型多段ポンプ等についても同様に
適用できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本考案によれば、中間室と可変
絞り部との間に、上記可変絞り部の固定側形成面と同一
平面ないし僅かに突出した平面に動圧平面軸受を設ける
とともに、この平面軸受の裏側に流体が自由に通過可能
な流体通路を形成したことにより、何等複雑な組立上の
調整を行なうことなく、過渡的運動状態時におけるポン
プ逆スラストを動圧作用により支承して、可変絞り部を
構成するバランスディスクとバランスシート面を保護す
ることができ、ポンプの長寿命化を実現することができ
る。

また、動圧軸受では、定常運転状態時において可変絞
り部のバランスディスクとバランスシート間の正常な間
隔が保たれるため接触せず、該動圧軸受とバランスディ
スク面が共に摩耗するこるとがなく、また過度的運転状
態時においては、上記のように動圧作用により推力を支
持するため軸受摺動部材の摩耗が防止されるので、長期
間の使用でも可変絞り部の接触の恐れがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案の軸推力平衡装置の一実施例を示す断面
図、第1a図は要部をなす動圧平面軸受の平面図、第２図
は従来例の軸推力平衡装置を備えた液中モータポンプの
要部断面図、第３図は第２図の要部を示す断面図であ
る。 10……ポンプ回転軸、11,12……羽根車、12a……主板、
12b……ライナリング、13……バランスシート、14……
逃がし通路、15……バランスディスク、20……動圧軸受
板、21……リブ、22……抑え板、23……動圧軸受支持
板、イ，ロ……隙間、ハ……中間室、ホ……通路。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】遠心ポンプの吐出段より低圧部に圧力水の
   一部を返流させる流路に、ポンプ軸方向の隙間による固
   定絞り部と半径方向の隙間による可変絞り部とを直列に
   配置し、両絞り部の間に形成される中間室の圧力を、ポ
   ンプ軸方向変位に伴う前記可変絞り部の流路抵抗の変化
   により変化せしめて、自動的にポンプ軸推力の平衡を行
   なうバランスディスク装置において、上記中間室と可変
   絞り部との間に、上記可変絞り部の固定側形成面と同一
   平面ないし僅かに突出した平面に動圧平面軸受を設ける
   とともに、この平面軸受の裏側に流体が自由に通過可能
   な流体通路を形成したことを特徴とする遠心ポンプのバ
   ランスディスク式軸推力平衡装置。