エバラ高圧ポンプの基本形 型式 1 羽根車配列 軸方向スラスト平衡方法 ケーシング メンテナンス方法 温度 2 断面図圧力 選定目安 SPD SP 背面合わせ バランススリーブ 水平割多段渦巻型 一重胴 150 メン15 MPa テナンス性HSB 二重胴 MPa 重視HDB 現場で実施

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1 縁の下の力持ち 高圧ポンプ 技術と構造編 高圧ポンプがその活躍場所で安定した運転をするためには, 高圧ポンプ特有の技術 バランス と 高圧対応 が必要です この技術が高圧ポンプの基本となります そこで, その技術と構造の関係の概要を説明します 吸込フランジ 内胴 ( 内部ケーシング ) 吐出しノズル 外胴 吐出しカバー ラジアル軸受 ラジアル軸受 スラスト軸受 初段羽根車両吸込 バランススリーブ 初段スリーブ 中央羽根車ステージピース部 1 ボイラ給水ポンプの構造 (HDB 型 ) ボイラ給水ポンプの水の流れ (HDB 型 ) 1は, 火力発電プラント用ボイラ給水ポンプ (BFP) です このポンプは背面合わせ羽根車配列で軸方向スラストのバランスを取り, 高圧対応として二重胴を採用しています 2では水の流れを説明しています 高圧ポンプの構造は, 多段ポンプであるが故の技術 軸方向スラストのバランス と, より高圧に対する対応技術 二重胴 が基本となります ここでは, その技術を少し詳しく説明します 羽根車が液中で回転すると遠心力によって羽根車出口圧力 ( 揚程 ) が高くなりますが, この圧力によって羽根 車形状寸法に見合った軸方向スラスト ( 軸方向荷重 ) が発生します 多段ではそれぞれの羽根車に同様のスラストが発生するため, 羽根車が同一方向配列の場合, スラスト軸受に非常に大きな荷重が作用します そのため特殊なスラストバランス装置を装備するか, 羽根車の配列を背面合わせにして羽根車同士でスラストを相殺する方法が採用されます ( 詳細後述 ) 前者がSS 型 ( 横形輪切り多段タービンポンプ ), 後者がSP 型 ( 水平割多段渦巻ポンプ ) です 加えて,SS 型は案内羽根 ( ガイドベーン ) 付き輪切りケーシング,SP 型は水平割渦巻ケーシング構造です これらをより高圧対応とするため二重胴としたものがそれぞれ 8

2 エバラ高圧ポンプの基本形 型式 1 羽根車配列 軸方向スラスト平衡方法 ケーシング メンテナンス方法 温度 2 断面図圧力 選定目安 SPD SP 背面合わせ バランススリーブ 水平割多段渦巻型 一重胴 150 メン15 MPa テナンス性HSB 二重胴 MPa 重視HDB 現場で実施することが可能 SSD SS DC 一方向配列 3 + バランスディスク 同上 輪切り多段タービン型視DCD 一重胴 二重胴 ケーシングガイドベーン羽根車ケーシング ケーシング, ガイドベーン, 羽根車を段数ごとに順次分解する, 多くは工場に搬入 1) 初段片吸込 :SP 型,HSB 型,SS 型,DC 型, 初段両吸込 :SPD 型,HDB 型,SSD 型,DCD 型 2) 上限目安値であり, 一部上記数値を超えた実績あり 3) 大型はピストンだけ及びスラスト軸受容量アップ MPa 製造コスト重 MPa DC 型, 及び図 1 2 に示す HD(S)B 型 (HDB: 初段両吸込,HSB: 初段片吸込, 以後まとめて HDB と記載 ) 摺動部 : 直径大 P 摺動部 : 直径小 であり, これら代表 4 種類がエバラ高圧ポンプの基本形となります 大まかな比較をに示します なお, 応用 型で SSP 型,SPR 型,SPRB 型,SPL 型, 及び原子力発 軸方向スラスト発生 電用給水ポンプ (RFP) に特化した両吸込単段二重胴渦巻ポンプ (HDR 型 ) や,BFP 用ブースタポンプとして 使用する場合の単段一重胴渦巻の KS 型なども高圧ポン プの仲間として扱います 3 両吸込羽根車 1 3,4 それぞれに両吸込及び片吸込羽根車とそれら 摺動部 : 直径大 P 摺動部 : 直径小 に作用する圧力分布 ( 青色及び緑色矢印 ) と軸方向スラ ストの方向及び定性的大きさ ( 朱色矢印 ) を示します 仕事中の羽根車には, が作用する部分と, 吐 出し圧力が作用する部分があり, この境界は狭い隙間を 有する摺動部によって仕切られます 両吸込 ( 図 3) では, 右側の摺動径を左側のそれより小さくして, の作用する範囲を広くすることによって, 羽根車全体を左側に押すスラストを発生させています 一般的な単段 軸方向スラスト発生 前の段 次の段 両吸込ポンプは摺動径を左右対称として, 理論的スラス トをゼロとしますが, 軸を安定させるため, あえてスラ ストをかける場合があります 多段の高圧ポンプでは, 4 片吸込羽根車 9

3 吸込 図 6-1 図 6-3 F 5 : 羽根車軸方向スラスト 必ず左右径を変えてに対して決まった方向にスラス トをかけてに固定しています 片吸込 ( 図 4) の場合は, 羽根車吸込側と反対側に吐 出し圧 ( 次の段の吸込圧となる ) が作用するため, 大き なスラストが左側 ( 吸込側 ) に向かって作用します 2SSDC 輪切り多段タービンポンプの羽根車は 5 に示すよう に全段同一方向に配列されるため, 羽根車による合計ス ラストは非常に大きくなります 吐出し F B : + ディスクのスラスト F 5,F B : 全段羽根車スラストを + ディスクで相殺 5 同一向き配列羽根車の軸方向スラストバランス Fm 羽根車 P バランスシート P m このスラストを特殊で大掛かりなバランス装置で相殺 する方法が採用されます この装置は とバランスディスクというもので構成されており, 理論 的に理想的なバランス方法と考えられています F F B 隙間 Pa (P) 吸込へ バランスディスク 二つ割リング P : Fm : 羽根車スラスト Pm : バランス中間室圧力 F : スラスト Pa : バランス出口室圧力 ( ) F : バランスディスクスラスト P : + ディスク 図 6-2 F 荷重 変化 隙間 少 漏れ量 ( 減少 ) バランス中間室圧 ( 上 ) バランスディスク荷重 ( 増加 ) 0 6 移動 釣合点 F+F Fm F F 図 ディスク FmF+F 隙間 B Fm F+F バランスディスクの動作原理 隙間 増 漏れ量 ( 増加 ) バランス中間室圧 ( 下 ) バランスディスク荷重 ( 減少 ) 6-1 はバランス装置と終段羽根車部の部分構造を示しています, 6-2 グラフ上の曲線はバランスディスクと, それに対向するバランスシートとの隙間変化に対する + ディスクの合計荷重変化を示しています 羽根車全段の合計荷重は水平線で示され, 羽根車荷重は左向き, +ディスク荷重は右向きで, 両者の交点が回転体のスラストが釣り合う位置になります 羽根車の荷重 ( 水平線 ) は運転中の流量変動によってグラフ上を上下に変化します 羽根車荷重が増加すると図 6-2の水平線は上方向に移動し, バランスディスク荷重曲線との交点は左へ移動します 6-3 のように羽根車荷重が増加することによって, 羽根車及び+ディスクの取り付けられている回転体が左へ移動し, バランスディスクとケーシングに固定されたバランスシートの隙間が小さくなり, この隙間からの漏れが減少し, バランス中間室の圧力が増加して, バランスディスク荷重が増加します 反対に, 6-4 は羽根車荷重が減少して交点が右に移動した場合で, バランスディスクとバランスシートの隙間が大きくなり, この隙間からの漏れも増加し, バランス中間室の圧力が下がり, バランス荷重が減少します こうしたメカニズムによって, 変動する羽根車荷重にバランス荷重が釣り合うよう, それぞれ行き過ぎを修正して常に新しい交点に戻ろうとします この動作が理想的なバランス方法といわれるゆえんです 一方, バランスシートの固定用土台となるケーシングが配管荷重や熱不均一によって変形した場合には, バランスシートもそれに応じて傾くことになります バランスディスクは, シート面に対して常に平行になろうと回転しながら働いており, しかもこのディスクは二つ割りリングを介してに固定されているため, このような場合には, に対してディスクの直角度が狂うことになり, の荷重受け部 ( 具体的には二つ割りリング溝コーナ部 ) に過大な曲げ応力が発生する可能性があります この可能性は, ケーシングそのものや及びディスク等の加工精度 ( 直角度, 平行度 ) が設計許容値を外れた場合にも同様の懸念があります また, 当該部の隙間は 0.1 mm 前後と非常に狭いため流体内に混在する異物を嫌います これらに対して加工精度, 組立精度, 使用材料 硬度及びメンテナンスにおける当該部分の検査等にも慎重な配慮が必要となります 3SPHDB 水平割多段渦巻ポンプの羽根車は7に示すように背 10

4 吸込へ 吐出し 吸込 面合わせに配列されるため, 片吸込の羽根車同士は左右 でスラストが相殺されます 初段両吸込の場合のスラス トは前述 (1) の考え方に基づいて計算, その他初段スリー ブ, バランススリーブ, 中央部羽根車ステージピース部 ( それぞれ冒頭の図 1 に記載 ) 及び片吸込が奇数段で残っ た 1 段羽根車など, 相殺されない部分はそれぞれ受圧面 積と圧力差から計算し, 回転体全体としてバランスする よう摺動直径を設計します F 2 F 7 : 羽根車発生スラストは相殺,F S,F BS,F C : 初段羽根車, 初段スリーブ, バランススリーブ, 中央部発生スラストを相殺 F 7,F S,F BS,F C : 全てのスラストが相殺 7 背面配列羽根車の軸方向スラストバランス に作用するスラストが分散されることと, バラン スディスクを装備しないことで, 前述の輪切り形に対し ての設計は比較的単純です ボルト配置位置 8 SPD 型下ケーシングボルト配列例 ( 耐圧 15 MPa の例 ) 内胴に外圧を作用させる PP 最終段 (P) 中間段圧力 (P) 水の流れ 次の段の吸込への流れ 回転方向 9 HDB 型の縦断面 内胴 (a) ( 内部ケーシング ) 水の流れ 外胴 () 羽根車 SP 型のようにケーシングが一重胴の場合は内部が高 圧, 外側大気圧のためケーシング合わせ面は開こうとし ます この圧力に耐え, かつ高圧流体が外部あるいは羽根車各段間同士を仕切る面から漏れないよう, 複雑な通路を避けながら周囲にボルトをまんべんなく配列します ( 8) 更に高圧になるとボルトサイズや本数が増加し配列が不可能になってしまいます 二重胴では, 内部ケーシングを外胴の中に閉じ込めることによって, 内部ケーシングの外側をポンプ最終段ので満たして内部ケーシングに外圧を作用させ, 合わせ面の密着力を高め, シールを確実なものとします これが HDB 型 (9) です 外胴に内部エレメント ( 内部ケーシングと回転体を組み立てたもの ) を挿入後に厚いカバーと十数本の太いボルトでガスケットを締めつけますが (10), 外胴は単純な円筒形状であるため, 一重胴では設計不可能な圧力に対応できるわけです 輪切り一重胴 SS 型を同様の原理で二重胴としたものが DC 型です 短い紙面でしたが, 本稿前半では私たちの生活に関わ 吐出しカバー る高圧ポンプを, 後半では高圧ポンプ構造の基本を紹介 しました 少しは理解いただけたでしょうか エバラの高圧ポンプは, どの分野に於いても世界トッ プレベルにあると筆者は自負しています それはここに 述べた基本技術だけではなく, 実は細部にわたる設計 製造上の多くのきめ細かい配慮やノウハウによって構築 され, その実績が顧客から評価されることによってなさ れてきたものと信じています これらは長年の経験と, ときには顧客との協働によって築き上げてきた結果でも あります 内部エレメント ( 図 の (a)) 10 HDB 型 ( 外胴耐圧 55 MPa の例 ) 今後も現状に満足せずに, 更なる高圧ポンプの発展を 目指してものづくりをすることで, 次の世代においても エバラの高圧ポンプが社会を支えて活躍することを, 技 術の一員として願うものです 外胴 ( 図 の ()) /251 [ 風水力機械カンパニーカスタム事業統括近藤忠 ] 11

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