特許 7029440 多段ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-02-22

(45)【発行日】2022-03-03

(54)【発明の名称】多段ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/60 20060101AFI20220224BHJP

【ＦＩ】

F04D29/60 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019507525

(86)(22)【出願日】2018-03-08

(86)【国際出願番号】 JP2018008947

(87)【国際公開番号】W WO2018173769

(87)【国際公開日】2018-09-27

【審査請求日】2020-09-23

(31)【優先権主張番号】P 2017057952

(32)【優先日】2017-03-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000000239

【氏名又は名称】株式会社荏原製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100118500

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 哲也

(74)【代理人】

【識別番号】100091498

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 勇

(72)【発明者】

【氏名】細田 規彦

【審査官】井古田 裕昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１８０３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１５４７９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－０５６６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５３－１２２７０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２００９－２８１６７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５２－０２４３１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－００５４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６１－０２５５９３（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ ２９／６０

Ｆ０４Ｄ ２９／１２

Ｆ０４Ｄ １／０８

Ｆ０４Ｄ ２９／０４１

Ｆ１６Ｌ ５５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体を移送するための多段ポンプであって、
主軸と、
前記主軸に固定された複数段の羽根車と、
前記複数段の羽根車を収容し、吸込口および吐出口を有するケーシングと、
液体から前記複数段の羽根車に加えられるスラスト力をキャンセルするためのバランス機構と、
前記主軸と前記ケーシングとの間の隙間を封止するメカニカルシールと、
前記ケーシングに接続された連絡管と、
前記連絡管を通じて前記バランス機構のバランス室に接続された圧力逃し弁を備え、
前記バランス機構は、前記ケーシングに固定されたバランスシートと、前記主軸に固定されたバランスディスクと、前記バランスシートおよび前記バランスディスクを囲む前記バランス室と、前記バランス室と多段ポンプの吸込側とを連通するバランス配管とを備え、
前記多段ポンプの上流または前記多段ポンプ内で発生したウォーターハンマーに起因して発生した衝撃波が、前記バランス配管内の液体を伝播して前記バランス室内に到達し、前記バランス室内の液体の圧力を上昇させたときに、前記圧力逃し弁が開いて前記液体を前記バランス室の外に放出するように構成されており、
前記バランスディスクの内面は前記バランスシートの外面に対向しており、前記バランスディスクの内面と前記バランスシートの外面との間には軸方向の隙間が存在し、前記バランスディスクの内面および前記バランスシートの外面には、互いに対向する窪みがそれぞれ形成されており、これら窪みによって前記バランスディスクと前記バランスシートとの間に中間圧力室が形成されている、多段ポンプ。

【請求項2】

前記バランス配管は、前記バランス室と、前記複数段の羽根車のうちの１段目の羽根車と２段目の羽根車との間の流路とを接続する請求項１に記載の多段ポンプ。

【請求項3】

前記バランス配管は、前記バランス室と、前記複数段の羽根車のうちの２段目の羽根車と３段目の羽根車との間の流路とを接続する請求項１に記載の多段ポンプ。

【請求項4】

前記バランス配管に取り付けられた逆止弁をさらに備え、
前記逆止弁は、前記バランス室から前記多段ポンプの吸込側へのみ液体が通れることを許容するように構成された請求項１に記載の多段ポンプ。

【請求項5】

前記多段ポンプは、前記多段ポンプの起動時にインバータによって前記主軸の回転速度が徐々に上昇するように駆動可能である請求項４に記載の多段ポンプ。

【請求項6】

前記多段ポンプは、前記多段ポンプの吐き出し側に設けられた逆浸透膜へ通流させるための液体を圧送するポンプである請求項１に記載の多段ポンプ。

【請求項7】

前記圧力逃し弁の吐出口に接続され、前記圧力逃し弁が作動したことを検出する作動検出センサをさらに備えた請求項１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、液体を移送するための多段ポンプに関し、特に高温高圧の水を加圧してボイラに移送する給水ポンプとして使用可能な多段ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

蒸気タービンを用いた発電システムでは、多段ポンプからなる給水ポンプを用いて高温高圧の水をボイラに供給し、ボイラにて水を加熱して蒸気を発生させる。図１５は、蒸気タービンを用いた発電システムを示す模式図である。工業用水または純水などの水は、タンク２００に供給され、ポンプ２０１によって脱気器２０５に送られる。脱気器２０５は、溶存酸素を水から除去するための装置であり、下流に配置されたボイラ２１１や配管などの錆を防止するために設けられる。水は脱気器２０５内で１４０～１５０℃の高温に加熱され、高温高圧の水が脱気器２０５内で生成される。

【0003】

脱気器２０５は、給水ポンプ２０８よりも高い位置に配置されており、脱気器２０５と給水ポンプ２０８は吸込配管２０６により連結されている。脱気器２０５内の高温高圧の水は、吸込配管２０６を通って給水ポンプ２０８に吸い込まれ、給水ポンプ２０８で加圧されてボイラ２１１に送られる。高温高圧の水はボイラ２１１で２００～３００℃にさらに加熱され、蒸気が生成される。蒸気は蒸気タービン２１２を回転させ、蒸気タービン２１２に連結された発電機２１４を回転させる。

【0004】

蒸気タービン２１２を出た蒸気の一部は脱気器２０５に移送され、脱気器２０５の内部は高圧に維持される。残りの蒸気は復水器２１５で凝縮されて水となる。凝縮された水はポンプ２１６によってタンク２００に移送される。このようにして水が発電システム内を循環しながら、蒸気によって蒸気タービン２１２が回転され、蒸気タービン２１２に連結された発電機２１４が発電する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開昭５１－７１５０２号公報

【文献】特開昭５９－３３７９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

脱気器２０５内には高温高圧の水が液体の状態で存在する。このような高温高圧の水を沸騰させずにボイラ２１１に移送するために、上述した給水ポンプ２０８には多段ポンプが使用されている。しかしながら、給水ポンプ２０８に用いられているメカニカルシールのシールリングが、給水ポンプ２０８の運転中に破損する事象が起こり、水が給水ポンプ２０８から漏洩するという問題が発生している。

【0007】

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、メカニカルシールのシールリングの破損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】

【0008】

本発明者は、メカニカルシールのシールリングが破損する原因を究明すべく実験を重ねたところ、次のような理由が判明した。図１５に示す脱気器２０５内の水は、溶存酸素を水から除去するために高温に加熱され、さらに水を液体の状態に維持するために脱気器２０５内は高圧となっている。水を液体の状態に維持する理由は、給水ポンプ２０８が水をボイラ２１１に送ることを可能とするためである。一例では、脱気器２０５内の水は１４５℃で４２７ｋＰａに加熱される。

【0009】

図１５に示すように、脱気器２０５は、給水ポンプ２０８よりも数十メートルほど高い位置に配置される。吸込配管２０６内に存在する水に加わる圧力は、脱気器２０５内の圧力と水頭圧との和である。通常の運転時では、吸込配管２０６内に存在する水に加わる圧力は、水の蒸気圧よりも高い。よって、図１Ａに示すように、吸込配管２０６内の水は液状のまま給水ポンプ２０８に吸い込まれる。

【0010】

ところが、蒸気タービン２１２から脱気器２０５内に注入される蒸気の流量が何らかの原因により低下すると、脱気器２０５内の圧力が低下し、吸込配管２０６内の水は蒸発しやすくなる。図１Ｂに示すように、脱気器２０５内の圧力と水頭圧との和よりも水の蒸気圧が高くなると、キャビテーションが発生し、吸込配管２０６内の水に気泡が形成される。水が吸込配管２０６内を流下するにつれて、吸込配管２０６内の水に加わる水頭圧は増加する。そして、図１Ｃに示すように、脱気器２０５内の圧力と水頭圧との和が水の蒸気圧以上となると、気泡が潰れ、衝撃波が発生する。この現象は、いわゆるウォーターハンマーである。ウォーターハンマーは吸込配管２０６内で起こることもあれば、給水ポンプ２０８内でも起こり得る。

【0011】

多段ポンプからなる給水ポンプ２０８は、加圧された水から羽根車に作用するスラスト力をキャンセルするためのバランス機構を備えている。気泡が潰れたときに生ずる衝撃波は、バランス機構の一部を構成するバランス配管（図１５の符号２０８ａ参照）内を伝播し、最終的にメカニカルシールに到達する。このため、衝撃波によってメカニカルシールのシールリングが割れてしまう。

【0012】

このように、発明者は、脱気器２０５内の圧力低下に起因してキャビテーションが発生し、気泡が潰れるときに生じる衝撃波がメカニカルシールのシールリングを破損させることを実験により発見した。脱気器２０５内の圧力低下は、主にボイラ２１１が発生する蒸気の圧力の低下によって引き起こされる。したがって、ボイラ２１１の運転を安定させることは１つの解決策である。しかしながら、ボイラ２１１の圧力が低下する原因には、燃料の不安定な供給、蒸気タービン２１２のトリップなどの様々な原因があり、ボイラ２１１の安定的運転を維持することは難しい。

【0013】

そこで、本発明によれば、メカニカルシールのシールリングの破損を防止することができる次のような多段ポンプが提供される。一態様によれば、液体を移送するための多段ポンプであって、主軸と、前記主軸に固定された複数段の羽根車と、前記複数段の羽根車を収容し、吸込口および吐出口を有するケーシングと、液体から前記複数段の羽根車に加えられるスラスト力をキャンセルするためのバランス機構と、前記主軸と前記ケーシングとの間の隙間を封止するメカニカルシールと、前記ケーシングに接続された連絡管と、前記連絡管を通じて前記バランス機構のバランス室に接続された圧力逃し弁を備え、前記バランス機構は、前記ケーシングに固定されたバランスシートと、前記主軸に固定されたバランスディスクと、前記バランスシートおよび前記バランスディスクを囲む前記バランス室と、前記バランス室と多段ポンプの吸込側とを連通するバランス配管とを備え、前記多段ポンプの上流または前記多段ポンプ内で発生したウォーターハンマーに起因して発生した衝撃波が、前記バランス配管内の液体を伝播して前記バランス室内に到達し、前記バランス室内の液体の圧力を上昇させたときに、前記圧力逃し弁が開いて前記液体を前記バランス室の外に放出するように構成されており、前記バランスディスクの内面は前記バランスシートの外面に対向しており、前記バランスディスクの内面と前記バランスシートの外面との間には軸方向の隙間が存在し、前記バランスディスクの内面および前記バランスシートの外面には、互いに対向する窪みがそれぞれ形成されており、これら窪みによって前記バランスディスクと前記バランスシートとの間に中間圧力室が形成されている、多段ポンプが提供される。

【0014】

一態様によれば、主軸と、前記主軸に固定された複数段の羽根車と、前記複数段の羽根車を収容し、吸込口および吐出口を有するケーシングと、液体から前記複数段の羽根車に加えられるスラスト力をキャンセルするためのバランス機構と、前記主軸と前記ケーシングとの間の隙間を封止するメカニカルシールと、前記吸込口に接続された吸込配管と、前記吸込配管に接続された圧力逃し弁を備え、前記バランス機構は、前記ケーシングに固定されたバランスシートと、前記主軸に固定されたバランスディスクと、前記バランスシートおよび前記バランスディスクを囲むバランス室と、前記バランス室と多段ポンプの吸込側とを連通するバランス配管とを備え、前記バランスディスクの内面は前記バランスシートの外面に対向しており、前記バランスディスクの内面と前記バランスシートの外面との間には軸方向の隙間が存在し、前記バランスディスクの内面および前記バランスシートの外面には、互いに対向する窪みがそれぞれ形成されており、これら窪みによって前記バランスディスクと前記バランスシートとの間に中間圧力室が形成されている、多段ポンプが提供される。

【0015】

一態様では、前記バランス配管は、前記バランス室と、前記複数段の羽根車のうちの１段目の羽根車と２段目の羽根車との間の流路とを接続する。
一態様では、前記バランス配管は、前記バランス室と、前記複数段の羽根車のうちの２段目の羽根車と３段目の羽根車との間の流路とを接続する。

【0016】

一態様では、前記多段ポンプは、前記バランス配管に取り付けられた逆止弁をさらに備え、前記逆止弁は、前記バランス室から前記多段ポンプの吸込側へのみ液体が通れることを許容するように構成される。
一態様では、前記多段ポンプは、前記多段ポンプの起動時にインバータによって前記主軸の回転速度が徐々に上昇するように駆動可能である。
一態様では、前記多段ポンプは、前記多段ポンプの吐き出し側に設けられた逆浸透膜へ通流させるための液体を圧送するポンプである。
一態様では、前記多段ポンプは、前記圧力逃し弁の吐出口に接続され、前記圧力逃し弁が作動したことを検出する作動検出センサをさらに備える。

【0017】

一態様では、前記圧力逃し弁に代えて、衝撃波を吸収するウォーターハンマー防止装置を備える。
一態様では、前記ウォーターハンマー防止装置は、液体の通路が内部に形成された柔軟な内管と、前記内管を囲む柔軟な外管と、前記内管と前記外管との間に形成されている空気層とを備えたフレキシブル継手である。
一態様では、前記ウォーターハンマー防止装置は、衝撃波を吸収する減衰装置が内部に配置された容器を備えたバッファタンクである。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、衝撃波によって上昇した液体の圧力は、圧力逃し弁によって解放される。したがって、衝撃波はメカニカルシールまで到達することがなく、結果として、メカニカルシールのシールリングの破損を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1A】水が液体の状態で流れる様子を示す模式図である。

【図1B】圧力低下に起因してキャビテーションが発生する様子を示す模式図である。

【図1C】気泡が潰れてウォーターハンマーが起こる様子を示す模式図である。

【図2】多段ポンプの一実施形態を示す図である。

【図3】図２に示すバランス機構を示す拡大断面図である。

【図4】吐出側のメカニカルシールを示す拡大断面図である。

【図5】圧力逃し弁を備えた多段ポンプの側面図である。

【図6】図５に示す多段ポンプの背面図である。

【図7】ケーシングの吸込口に接続された圧力逃し弁を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図である。

【図8】バランス配管に接続された圧力逃し弁を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図である。

【図9】メカニカルシールのシール室に接続された圧力逃し弁を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図である。

【図10】吸込配管に接続された圧力逃し弁を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図である。

【図11】図２に示す実施形態のバランス配管に逆止弁が取り付けられた一実施形態を示す図である。

【図12】図１１に示す多段ポンプに電動機が連結された一実施形態を示す図である。

【図13】図２に示す実施形態の圧力逃し弁が作動したことを検出する作動検出センサが設けられた一実施形態を示す図である。

【図14】圧力逃し弁に代えて、ウォーターハンマー防止装置が設けられた一実施形態を示す図である。

【図15】蒸気タービンを用いた発電システムを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

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２は、多段ポンプの一実施形態を示す図である。本実施形態の多段ポンプは、図１５に示す発電システムの給水ポンプ２０８としての使用に適している。図２に示すように、多段ポンプは、主軸１と、主軸１に固定された複数段の羽根車３ａ～３ｊと、羽根車３ａ～３ｊを収容するケーシング２と、各段の羽根車３ａ～３ｊの吐出側に配置された複数段のガイドベーン５を備えている。本実施形態では、各羽根車３ａ～３ｊは片吸込型の遠心羽根車である。羽根車３ａ～３ｊは同じ方向を向いて主軸１上に配列されている。以下の説明では、羽根車３ａ～３ｊを総称して単に羽根車３という場合がある。本実施形態では、１０枚の羽根車３が配置されているが、羽根車３の枚数は本実施形態に限定されない。

【0021】

ケーシング２は、吸込口２ａを有する吸込ケーシング２Ａと、複数段の羽根車３ａ～３ｉをそれぞれ収容する複数の中間ケーシング２Ｂと、吐出口２ｃを有し、最終段の羽根車３ｊを収容する吐出ケーシング２Ｃとを有している。中間ケーシング２Ｂは、吸込ケーシング２Ａと吐出ケーシング２Ｃとの間に配置されている。吸込ケーシング２Ａ、中間ケーシング２Ｂ、および吐出ケーシング２Ｃは通しボルト５１およびナット５２によって互いに固定されている。主軸１は、吸込ケーシング２Ａ、中間ケーシング２Ｂ、および吐出ケーシング２Ｃを貫通している。

【0022】

主軸１は軸受８，９により回転可能に支持されている。主軸１の一端は図示しない駆動源（電動機など）に連結され、駆動源によって主軸１と羽根車３は一体に回転される。羽根車３が回転すると、液体は吸込口２ａを通って羽根車３ａに流入し、羽根車３ａの回転によって液体に速度エネルギーが与えられる。増速された液体は羽根車３ａを出てガイドベーン５に沿って流れ、次段の羽根車３ｂに流入する。液体がガイドベーン５に沿って流れるときに液体の速度エネルギーは圧力に変換され、液体は昇圧される。このようにして液体は複数段の羽根車３および複数段のガイドベーン５によって順次昇圧され、最終的に吐出口２ｃから吐き出される。

【0023】

各羽根車３には、昇圧された液体によって吸込側へ向かうスラスト力が作用する。そこで、多段ポンプは、このようなスラスト力をキャンセルすることができるバランス機構１１を備えている。さらに、多段ポンプは、ケーシング２と主軸１との間の隙間を封止するための軸封装置としてのメカニカルシール３１，３２を備えている。メカニカルシール３１，３２は、ケーシング２の吸込側と吐出側に設置されている。吐出側のメカニカルシール３２は、バランス機構１１の反吸込側に配置されている。

【0024】

吸込ケーシング２Ａにはスタッフィングボックス３３が連結され、吐出ケーシング２Ｃにはスタッフィングボックス３４が連結されている。メカニカルシール３１，３２は、スタッフィングボックス３３およびスタッフィングボックス３４内にそれぞれ配置されている。

【0025】

図３は、図２に示すバランス機構１１を示す拡大断面図である。バランス機構１１は、吐出ケーシング２Ｃに固定されたバランスシート１２と、主軸１に固定されたバランスディスク１５と、バランスシート１２およびバランスディスク１５を囲むバランス室１６と、バランス室１６と多段ポンプの吸込側とを連通するバランス配管１８とを備えている。

【0026】

バランスシート１２、バランスディスク１５、およびバランス室１６は、吐出ケーシング２Ｃ内に位置している。バランスシート１２は静止しており、その一方でバランスディスク１５は主軸１と一体に回転可能となっている。バランスディスク１５の内面はバランスシート１２の外面に対向しており、バランスディスク１５の内面とバランスシート１２の外面との間には微小な軸方向の隙間δが存在する。バランスディスク１５の内面およびバランスシート１２の外面には、互いに対向する窪みがそれぞれ形成されており、これら窪みによってバランスディスク１５とバランスシート１２との間に中間圧力室２０が形成されている。

【0027】

バランスディスク１５は主軸１を囲む第１円筒部１５ａを有しており、バランスシート１２は第１円筒部１５ａを囲む第２円筒部１２ａを有している。第１円筒部１５ａの外周面と第２円筒部１２ａの内周面との間には、微小な径方向の隙間εが存在する。この隙間εは中間圧力室２０に連通している。第１円筒部１５ａおよび第２円筒部１２ａは、最終段の羽根車３ｊと中間圧力室２０との間に位置している。バランス配管１８の一端はバランス室１６に接続され、バランス配管１８の他端は１段目の羽根車３ａと２段目の羽根車３ｂとの間の流路に接続されている（図２参照）。バランス室１６内の圧力は、１段目の羽根車３ａと２段目の羽根車３ｂとの間の液体の圧力と、バランス配管１８内の圧力損失との和に相当する圧力である。一実施形態では、バランス配管１８の一端はバランス室１６に接続され、バランス配管１８の他端は２段目の羽根車３ｂと３段目の羽根車３ｃとの間の流路に接続されてもよい。

【0028】

バランス機構１１の動作は次の通りである。最終段の羽根車３ｊを出た液体の一部は、この羽根車３ｊの背面側を流れ、上記隙間εに到達する。さらに液体は隙間εを通って中間圧力室２０を満たし、隙間δを通ってバランス室１６内に流出する。バランス室１６内の液体はバランス配管１８を通って、１段目の羽根車３ａと２段目の羽根車３ｂとの間の流路（または２段目の羽根車３ｂと３段目の羽根車３ｃとの間の流路）に戻される。

【0029】

羽根車３に加わる吸込側へのスラスト力が大きくなると、バランスディスク１５は羽根車３および主軸１とともに吸込側に移動する。その結果、隙間δは小さくなる。隙間δが小さくなるに伴って、中間圧力室２０からバランス室１６に漏れる液体が少なくなるので、中間圧力室２０内の圧力が上昇する。その結果、中間圧力室２０内の液体がバランスディスク１５を反吸込側に押すバランス力が増加し、バランスディスク１５は羽根車３および主軸１とともに反吸込側に移動する。このようにして、羽根車３に加わるスラスト力と、バランスディスク１５に加わるバランス力とが釣り合うことによって、スラスト力はバランス力によってキャンセルされる。

【0030】

バランス室１６には、連絡管２１を通じて圧力逃し弁２２が接続されている。この圧力逃し弁２２は、バランス室１６内の圧力が設定値よりも高いときに開いてバランス室１６内の液体を放出し、バランス室１６内の圧力が上記設定値よりも低いときに閉じるように構成されている。このような圧力逃し弁２２は、安全弁とも呼ばれ、市場で入手することができる。

【0031】

上述したように、多段ポンプの上流または多段ポンプ内でウォーターハンマーが発生すると、衝撃波は、バランス配管１８内の液体を伝播してバランス室１６に到達し、バランス室１６内の液体の圧力を上昇させる。このとき、圧力逃し弁２２が開き、液体は圧力逃し弁２２を通ってバランス室１６の外に放出される。このように、バランス室１６に連通する圧力逃し弁２２は、ウォーターハンマーが起こった場合に、バランス室１６内の圧力の上昇を防ぐことができる。結果として、圧力逃し弁２２は、以下に説明するメカニカルシール３２の破損を防止することができる。

【0032】

図４は、吐出側のメカニカルシール３２を示す拡大断面図である。図４に示すように、メカニカルシール３２は、スタッフィングボックス３４に支持されたシールリング（固定側リング）３５と、主軸１とともに回転可能な回転側リング３６と、シールリング３５を回転側リング３６に押し付けるばね３７とを有している。回転側リング３６は、メイティングリングともいう。主軸１の外周面には軸スリーブ４０が固定されており、軸スリーブ４０の外周面にリングホルダ４１が固定されている。回転側リング３６はリングホルダ４１に固定されており、回転側リング３６およびリングホルダ４１は、主軸１と一体に回転するようになっている。主軸１の回転に伴って回転側リング３６はシールリング３５に摺接する。本実施形態では、シールリング３５および回転側リング３６は炭化ケイ素から構成されている。

【0033】

軸スリーブ４０とスタッフィングボックス３４の内面との間にはシール室４３が形成されている。シールリング３５および回転側リング３６は、シール室４３に面している。図４の矢印で示すように、液体は、バランス機構１１のバランス室１６（図３参照）からメカニカルシール３２に向かって流れ、シール室４３内に流入する。シールリング３５は、ばね３７によって回転側リング３６に押し付けられているので、シールリング３５と回転側リング３６との間には極めて微小な隙間のみが存在する。よって、メカニカルシール３２に到達した液体の漏洩はメカニカルシール３２によって実質的に防止される。

【0034】

本実施形態のメカニカルシール３１，３２は、該メカニカルシール３１，３２を冷却するための注水管を持たない、いわゆるデッドエンド型のメカニカルシールである。

【0035】

図５は、圧力逃し弁２２を備えた多段ポンプの側面図であり、図６は図５に示す多段ポンプの背面図である。図５ではバランス配管１８は模式的に描かれている。吐出ケーシング２Ｃには、上述した圧力逃し弁２２が連絡管２１を通じて連結されている。多段ポンプの上流または多段ポンプ内でウォーターハンマーが発生すると、衝撃波は、バランス配管１８内の液体を伝播してバランス室１６内に到達し、液体の圧力を上昇させる。このとき、液体の圧力は圧力逃し弁２２を通ってバランス室１６の外に解放される。したがって、図４に示すメカニカルシール３２の破損、特にシールリング３５の破損を防止することができる。

【0036】

本実施形態の圧力逃し弁２２は、ウォーターハンマーに起因した圧力上昇のみならず、他の原因による圧力上昇も防ぐことができ、メカニカルシール３２の破損を防止することができる。

【0037】

上述した実施形態では、圧力逃し弁２２はバランス室１６に接続されているが、ウォーターハンマーが発生した箇所と、吐出し側のメカニカルシールと３２との間であれば、圧力逃し弁２２の接続位置は特に限定されない。例えば、ケーシング２の吸込口２ａ、バランス機構１１のバランス配管１８、メカニカルシール３２のシール室４３、または吸込口２ａに接続された吸込配管２０６（図１５参照）に圧力逃し弁２２を接続してもよい。

【0038】

図７は、ケーシング２の吸込口２ａに接続された圧力逃し弁２２を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図であり、図８は、バランス配管１８に接続された圧力逃し弁２２を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図であり、図９は、メカニカルシール３２のシール室４３に接続された圧力逃し弁２２を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図であり、図１０は、吸込配管２０６に接続された圧力逃し弁２２を備えた多段ポンプの一実施形態を示す図である。図１０では、吸込配管２０６は模式的に描かれている。図１０に示す実施形態において、圧力逃し弁２２は、吸込口２ａに近い位置において吸込配管２０６に接続されることが好ましい。

【0039】

図７乃至図１０に示すいずれの実施形態でも、圧力逃し弁２２は、ウォーターハンマーに起因した圧力上昇のみならず、他の原因による圧力上昇も防ぐことができ、メカニカルシール３２の破損を防止することができる。

【0040】

上述した各実施形態において、バランス配管１８に逆止弁を取り付けてもよい。図１１は、図２に示す実施形態のバランス配管１８に逆止弁６０が取り付けられた一実施形態を示す図である。逆止弁６０は、バランス室１６から液体吸い込み側の方向へのみ液体が通流可能な弁である。言い換えると、逆止弁６０は、バランス室１６内の液体がバランス配管１８を通って多段ポンプの吸込側へ流れることのみを許容する弁である。

【0041】

逆止弁６０の圧力損失は、バランス室１６の圧力の上昇に繋がる。バランス室１６の圧力上昇は、バランスディスク１５とバランスシート１２との間の距離が狭くなり、両者が接触する原因となり得る。そこで、逆止弁６０は、多段ポンプの運転中のバランス室１６の圧力や流量にとって抵抗とならない弁が選定される。

【0042】

本実施形態の多段ポンプによれば、バランスディスク１５とバランスシート１２との接触を抑制することができる簡素な構造を実現することができる。すなわち、多段ポンプの停止中に他のポンプなどによって多段ポンプの内部に通水する場合、吸い込み側の圧力は、多段ポンプの内部を通る際に多段の羽根車２の管路抵抗によって減圧され、減圧された圧力がバランス室１６にかかる。一方、バランス配管１８を介した液体の通流に着目すると、逆止弁６０は、液体が多段ポンプの吸込側からバランス配管１８を通ってバランス室１６へ流れるのを阻止する。その結果、バランスディスク１５には反吸込側方向のスラスト力が加わるのみであるから、バランスディスク１５とバランスシート１２とが接触することを防止することができる。

【0043】

図１１に示す逆止弁６０は、図２に示す実施形態のみならず、図７，図８，図９，図１０に示す実施形態にも適用することができる。逆止弁６０を図８に示す実施形態に適用する場合、圧力逃し弁２２はバランス室１６と逆止弁６０との間に配置される。

【0044】

図１２は、図１１に示す多段ポンプに電動機５５が連結された一実施形態を示す図である。多段ポンプの主軸１は、カップリング５６により電動機５５の駆動軸５５ａに連結される。多段ポンプは電動機５５によって駆動される。電動機５５にはインバータ５７が電気的に接続されており、電力はインバータ５７を経由して電動機５５に供給される。電動機５５はインバータ５７によって可変速駆動される。

【0045】

本実施形態の多段ポンプは、多段ポンプの起動時にインバータ５７を用いて回転速度が徐々に上昇して吐き出し圧力が徐々に上昇するように駆動され得る。この場合、インバータ５７の出力周波数が低く吐出口２ｃでの圧力が低い間は、バランス室１６の圧力が多段ポンプの吸込側での圧力よりも低いので、逆止弁６０は閉じられたままである。すなわち、バランス室１６と多段ポンプの吸込側との間でバランス配管１８を介した液体の移動は制限される。逆止弁６０が閉の間は、バランスディスク１５には吸込側方向の推力が加わることはなく、反吸込側方向の推力が加わるのみである。したがって、回転しているバランスディスク１５と静止しているバランスシート１２とが接触することを抑制することができる。

【0046】

多段ポンプが定格速度で運転し、吐き出し圧力が安定すると、吐き出し側の圧力が上昇し、バランス室１６内の圧力が多段ポンプの吸込側での圧力よりも高くなる。すると、逆止弁６０が開き、バランス室１６と多段ポンプの吸込側は、バランス配管１８によって連通する。その結果、バランス室１６内の圧力と、多段ポンプの吸込側の圧力とは、実質的に同一となり主軸１をバランスさせることができる。

【0047】

図１３は、圧力逃し弁２２が作動したことを検出する作動検出センサ７０が設けられた一実施形態を示す図である。作動検出センサ７０は、圧力逃し弁２２の吐出口に接続されており、圧力逃し弁２２が作動したことを検出するように構成されている。このような作動検出センサ７０の例としては、圧力センサおよび漏水検出器が挙げられる。作動検出センサ７０は、圧力逃し弁２２が作動したことを検出すると、検出信号を発するように構成される。図１３に示す作動検出センサ７０は、図２に示す実施形態のみならず、図７，図８，図９，図１０，図１１，図１２に示す実施形態にも適用することができる。

【0048】

上述した各実施形態において、圧力逃し弁２２に代えて、ウォーターハンマーが発生したときの衝撃波を吸収することができるウォーターハンマー防止装置を設けてもよい。図１４は、圧力逃し弁２２に代えて、ウォーターハンマー防止装置８０が設けられた一実施形態を示す図である。図１４に示す例では、図２に示す圧力逃し弁２２に代えて、ウォーターハンマー防止装置８０が設けられている。

【0049】

ウォーターハンマー防止装置８０の例としては、フレキシブル継手やバッファタンクが挙げられる。フレキシブル継手は、液体の通路が内部に形成された柔軟な内管と、この内管を囲む柔軟な外管と、内管と外管との間に形成されている空気層とを備えている。衝撃波は空気層によって吸収される。バッファタンクは、衝撃波を吸収することができる減衰装置が内部に配置された容器を備えている。このようなフレキシブル継手およびバッファタンクは、市場で入手することができる。図１４に示すウォーターハンマー防止装置８０は、図２に示す実施形態のみならず、図７，図８，図９，図１０，図１１，図１２に示す実施形態にも適用することができる。

【0050】

上述した各実施形態の多段ポンプは、図１５に示す発電システムの給水ポンプ２０８としての使用に適しているが、本発明はこの用途には限定されない。例えば、上述した各実施形態の多段ポンプは、海水淡水化システムにおいて、多段ポンプの吐き出し側に設けられた逆浸透（ＲＯ）膜を通流させるための流体（海水）を圧送するポンプとして使用することができる。

【0051】

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。

【産業上の利用可能性】

【0052】

本発明は、液体を移送するための多段ポンプに利用可能であり、特に高温高圧の水を加圧してボイラに移送する給水ポンプとして使用可能な多段ポンプに利用可能である。

【符号の説明】

【0053】

１ 主軸
２ ケーシング
２Ａ 吸込ケーシング
２Ｂ 中間ケーシング
２Ｃ 吐出ケーシング
３，３ａ～３ｊ 羽根車
５ ガイドベーン
８，９ 軸受
１１ バランス機構
１２ バランスシート
１５ バランスディスク
１６ バランス室
１８ バランス配管
２０ 中間圧力室
２１ 連絡管
２２ 圧力逃し弁
３１，３２ メカニカルシール
３３，３４ スタッフィングボックス
３５ シールリング（固定側リング）
３６ 回転側リング
３７ ばね
４０ 軸スリーブ
４１ リングホルダ
４３ シール室
５１ 通しボルト
５２ ナット
６０ 逆止弁
７０ 作動検出センサ
８０ ウォーターハンマー防止装置

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】