Thread Content
インペラーに作用し（軸に伝わる）軸方向の力を除去またはバランスさせない場合、この軸方向の力がローターを軸方向に移動させ、固定部品と接触してポンプの部品が損傷し、動作不能になってしまいます。一般的に、ポンプの軸方向力をバランスさせるために以下の方法が用いられる。 1、スラストベアリング 軸方向の力が小さい小型ポンプでは、軸方向の力を支えるためにスラストベアリングを使用することが、一般的に簡単で経済的な方法です。他のバランス装置を使用しても、常にある程度の残留軸方向力が存在することを考慮し、時として推力ベアリングが取り付けられる。 2、バランス孔またはバランス管 図1に示すように、インペラーの後蓋板にシールリングを取り付け、このシールリングの直径は通常前シールリングと同等である。同時に後蓋板の下部に孔を開けるか、専用の連通管を設けて吸込み側と接続する。液体がシールリングの隙間を流れる際の抵抗損失により、シール下部の液体の圧力が低下し、それによって後蓋板に作用する軸方向力が減少する。軸方向力の減少度合いは、穴の数と穴径の大きさによって決まります。この場合でも、10～15％の不均衡な軸方向力が残っている。軸方向力を完全にバランスさせるためには、シールリングがある直径をさらに大きくする必要がある。なお、シールリングとバランス孔は互いに補完し合うものであり、シールリングのみを設けてバランス孔がなければ軸方向力をバランスさせることはできない；バランス孔のみを設けシールリングを設けないため、漏れ量が多く、軸方向力のバランスがほとんど取れない。http://www.b-fz.com/UploadFiles/%E7%A6%BB%E5%BF%83%E6%B3%B5%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E8%BD%B4%E5%90%91%E5%8A%9B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E6%9C%89%E5%93%AA%E4%BA%9B1.png 図1 バランス孔の概略図 このバランス方法を採用することで軸シール部の圧力を低減できるが、欠点として容積損失が増加する（バランス孔からの漏れ量は、一般に設計流量の2～5％程度）。また、バランス孔からの漏れ流れがインペラーに流入する主な液体流れと衝突し、正常な流動状態が乱れるため、ポンプのキャビテーション耐性が低下します。そのため、一部のポンプ本体には穴が開けられ、配管を通じて吸込管と接続されるが、構造が複雑になる。 上記のバランス法を用いると、軸方向力は完全にバランスすることはなく、残った軸方向力はポンプのベアリングが支えなければならない。バランス孔で軸方向力をバランスさせる構造は広く使用されており、単段遠心ポンプだけでなく多段遠心ポンプにも用いられる。しかし、軸方向力が完全にバランスしないため、依然としてスラストベアリングを設置する必要があり、さらにシールリングが1つ追加されるため、ポンプの軸方向寸法が増大することから、揚程が低く、サイズも小さいポンプにのみ使用される。 3. 両吸込みインペラ 単段ポンプに両吸込み式インペラを使用すると、インペラが対称であるため、インペラの両側の軸方向力が互いに相殺される。しかし実際には、インペラの両側のシール隙間の差異や、インペラがボリュートケーシングの中心位置に対してずれていることにより、ごく小さな残留軸方向力が生じ、この軸方向力はベアリングが負担しなければならない。 4、背羽根 ポンプの背羽根は後部カバープレートの外側に取り付けられ、つまり主羽根車の背面に吸込み方向と反対側に位置する追加の半開放型羽根車が設けられることに相当する。図2を参照。鋳造を容易にするため、この背羽根は通常半径方向に作られるが、曲がった形状のものもある。インペラにバックブレードを付けると、バックブレードが液体の回転を強制し、液体の角速度が増加することで後部カバープレート上の圧力水頭分布が変化し、不均衡力が減少する。残りの軸方向力は依然としてベアリングが負担しなければならない。http://www.b-fz.com/UploadFiles/%E7%A6%BB%E5%BF%83%E6%B3%B5%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E8%BD%B4%E5%90%91%E5%8A%9B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E6%9C%89%E5%93%AA%E4%BA%9B2.png 図2 背羽根の模式図 背羽根は軸方向の力をバランスさせるだけでなく、軸封の前にある液体の圧力も低減する機能がある。背面羽根車式ポンプの揚程は約1～2％向上し、ポンプ効率は2～3％低下する。背羽根には不純物がシール部に入るのを防ぐ機能もあり、不純物を含む液体を送るポンプでよく使用されます。 5、インペラの対称配置 この方法は主に多段ポンプで使用される。ポンプのすべてのインペラは2つの方向に均等に分けられ、向かい合ってまたは背中合わせに一定の順序で配置される（図3参照）。これにより軸方向力が互いに相殺される。http://www.b-fz.com/UploadFiles/%E7%A6%BB%E5%BF%83%E6%B3%B5%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E8%BD%B4%E5%90%91%E5%8A%9B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E6%9C%89%E5%93%AA%E4%BA%9B3.png インペラの対称的な配置図 インペラを配置する際の原則は：（1）段間の遷移流路はあまり複雑にしてはならず、鋳造を容易にし、抵抗損失を減らすためである； （2）両端の軸封側には低圧段を配置し、軸封が受ける圧力を軽減する； （3）隣接する2つのインペラ間のステージ差は大きくしないようにし、ステージ間の圧力差を小さくしてステージ間漏れを低減する。 セグメント式ポンプの対称的な配置により軸方向力がバランスするが、段間漏れが増加する。対称に配置されたインペラは、構造が完全に同一である場合にのみ完全にバランスが取れる。各段のハブ軸受けが異なる場合にも、一定の軸方向力が生じる。 6. バランスドラム バランスドラムは円柱形で、最終段のインペラの後ろに取り付けられ、ローターと共に回転する。平衡ドラムの外周面とポンプ本体との間には、半径方向の隙間が形成される。バランスドドラムの前方は最終段インペラの後部ポンプ室で、後方は吸入口と接続されたバランス室である。このようにしてバランスドラムに作用する圧力差により、右方向を向くバランス力が生じ、この力がローターに作用する軸方向力をバランスさせるのに用いられる。図4-7のように、バランスディスクはさまざまな運転条件において軸方向力を自動的かつ完全にバランスさせることができるため、多段遠心ポンプで広く使用されている。図5に示すように、シールリングとポンプ本体の間には隙間があり、ディスクの端面とポンプ本体の間には軸方向の隙間boがある。また、バランスディスクの後方にはポンプの吸入口と連通するバランス室がある。半径方向の隙間bの手前の圧力は、最終段のインペラの背面にある圧力pです。液体が隙間bを通過すると、圧力はp’に低下します。半径方向の隙間における圧力降下量は△p1＝p－p’となります。液体が軸方向の隙間b0を通過すると、圧力はさらにpoまで低下します。軸方向の隙間の両端における圧力降下量は△p2＝p’－poであり、ここでpoはポンプの吸入口の圧力に近い値です。全体のバランスディスク装置の圧力降下は△p=△p1+△p2となる。こうして、バランスディスクにポンプの軸方向力と反対方向のバランス力が作用する。http://www.b-fz.com/UploadFiles/%E7%A6%BB%E5%BF%83%E6%B3%B5%E5%B9%B3%E8%A1%A1%E8%BD%B4%E5%90%91%E5%8A%9B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E6%9C%89%E5%93%AA%E4%BA%9B5.png図5 バランスディスクの概略図 バランスディスクの作動原理は以下の通りです。軸方向力がバランスディスクのバランス力を上回ると、遠心ポンプの回転部が左側に移動し、軸方向隙間boが狭くなります。その結果、隙間を流れる流体の抵抗が増大し、全体のバランス装置の総抵抗係数も大きくなります。しかし、△pは変わらないため、漏れ量qが減少し、その結果△p1は減少して△p2は増大する。これにより平衡力が増加し、回転部が絶えず左側に移動するにつれて平衡力も増大し、ある位置に達すると平衡力と軸方向力が均衡を保つ。軸方向の力が平衡力より小さい場合、回転部は左に移動し、上記の過程とは逆に、遠心ポンプも軸方向の平衡状態になる。したがって、バランスディスク装置を備えた遠心ポンプには、一般的にスラストベアリングは取り付けられない。