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多段遠心ポンプの軸力バランス調整方法

多段遠心ポンプにおける軸力バランス調整は、安定した運転を確保するための重要な技術です。インペラが直列に配置されているため、軸力は大きく(最大数トン)蓄積されます。適切にバランス調整されていない場合、ベアリングの過負荷、シールの損傷、さらには機器の故障につながる可能性があります。以下は、一般的な軸力バランス調整方法とその原理、利点、欠点です。

1.対称インペラ配置(背中合わせ/対面)

 

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現代の遠心ポンプの軸力バランス装置の設計において、インペラ段数は一般的に偶数段に選択される。これは、インペラ段数が偶数段の場合、インペラ対称分布方式を用いて装置の軸力をバランスさせることができ、対称分布のインペラが運転過程で発生する軸力は大きさが等しく、方向が反対となり、マクロレベルで平衡状態を示すためである。設計の過程では、良好なシール性を確保するために、逆インペラ入口前のシール絞りサイズがインペラ直径と一致していることに注意する必要がある。

原理隣接するインペラは、軸方向の力が互いに打ち消し合うように反対方向に配置されています。

連続: 2 組のインペラがポンプ シャフトの中点の周りに対称的に設置されます。

対面: インペラは内側または外側を向いて鏡面配置されます。

利点: 追加装置は必要なく、構造がシンプルで、バランス効率が高い(90% 以上)。

デメリット: ポンプハウジングの設計が複雑で、流路の最適化が難しく、偶数段のポンプにのみ適用されます。

アプリケーション: 高圧ボイラー給水ポンプ、石油化学多段ポンプ。

2. バランスドラム

 

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バランスドラム構造(バランスピストンとも呼ばれる)は、軸方向の隙間が狭く、軸方向スラストの大部分を補償できますが、軸方向スラストのすべてを補償できるわけではありません。また、軸方向位置での移動時に追加の補償は行われないため、通常はスラストベアリングが必要です。この設計では、内部再循環(内部リーク)は高くなりますが、起動、停止、その他の過渡状態に対する耐性が高くなります。

 

原理最終段のインペラの後段に円筒形のドラムが設置されています。高圧の流体はドラムとケーシングの隙間から低圧室に漏れ出し、反作用力を発生させます。

● ア利点: 強力なバランス調整能力を備え、高圧多段ポンプ(例:10 段以上)に適しています。

デメリット:漏れ損失(流量の約3~5%)により効率が低下します。追加のバランスパイプや再循環システムが必要となり、メンテナンスが複雑になります。

アプリケーション大型多段遠心ポンプ(例:長距離パイプラインポンプ)。

3.バランスディスク

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現代の多段遠心ポンプの軸力バランス装置の設計プロセスにおける一般的な設計方法として、バランスディスク方式は生産需要に応じて適度に調整することができ、バランス力は主にディスクの半径方向クリアランスと軸方向クリアランスの間の断面積によって生成され、他の部分は主にバランスディスクの軸方向クリアランスと外径断面によって生成され、これら2つのバランス力が軸力のバランスをとる役割を果たします。他の方法と比較して、バランスプレート方式の利点は、バランスプレートの直径が大きく、感度が高いため、機器の動作安定性が効果的に向上することです。ただし、軸方向の走行クリアランスが小さいため、この設計は過渡条件下で摩耗や損傷を受けやすくなります。

 

原理最終段インペラの後段に可動ディスクが設置されています。ディスク前後の圧力差によってディスクの位置が動的に調整され、軸力に対抗します。

利点: 軸力の変化に自動的に適応し、高いバランス精度を実現します。

デメリット: 摩擦により摩耗が発生するため、定期的な交換が必要です。流体の清浄度に敏感です(粒子がディスクに詰まる可能性があります)。

アプリケーション初期の多段浄水ポンプ(徐々にバランスドラムに置き換えられています)。

4.バランスドラム+ディスクの組み合わせ

 

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バランスプレート方式と比較して、バランスプレートドラム方式は、スロットルブッシング部のサイズがインペラハブのサイズより大きいという点で異なります。バランスディスクでは、スロットルブッシングのサイズがインペラハブのサイズに対応する必要があります。一般的に、バランスプレートドラムの設計方法において、バランスプレートによって発生するバランス力は、全軸力の半分以上を占め、最大で全軸力の90%に達し、その他の部分は主にバランスドラムによって提供されます。同時に、バランスドラムのバランス力を適度に増加させることで、バランスプレートのバランス力もそれに応じて減少し、バランスプレートのサイズもそれに応じて減少するため、バランスプレートの摩耗度が低下し、設備部品の耐用年数が向上し、多段遠心ポンプの正常な作動が確保されます。

 

原理ドラムが軸力の大部分を処理し、ディスクが残りの力を微調整します。

利点: 安定性と適応性を兼ね備え、さまざまな動作条件に適しています。

デメリット: 構造が複雑で、コストが高くなります。

アプリケーション: 高性能産業用ポンプ(例:原子炉冷却ポンプ)。

 

5. スラストベアリング(補助バランス)

原理アンギュラーコンタクトボールベアリングまたはキングズベリーベアリングは残留軸力を吸収します。

利点: 他のバランス調整方法の信頼できるバックアップ。

デメリット: 定期的な潤滑が必要。高い軸方向負荷がかかると寿命が短くなります。

アプリケーション:小型から中型の多段ポンプまたは高速ポンプ。

 

6. ダブルサクションインペラ設計

原理: 第 1 段階または中間段階で両吸込羽根車を使用し、両側からの流入により軸力をバランスさせます。

利点: キャビテーション性能を向上させながら効果的なバランスを実現します。

デメリット: 単段軸力のバランスをとるだけ。多段ポンプの場合は他の方法が必要です。

 

7. 油圧バランス穴(インペラバックプレート穴)

原理インペラのバックプレートに穴が開けられており、高圧流体が低圧ゾーンに再循環し、軸力が低減します。

利点: シンプルで低コスト。

デメリット: ポンプの効率が低下します (約 2~4%)。軸力が低い用途にのみ適しており、多くの場合、補助スラスト ベアリングが必要になります。


軸力バランス方法の比較

方法 効率 複雑 メンテナンスコスト 代表的な用途
対称インペラ ★★★★★ ★★★ ★★ 偶数段高圧ポンプ
バランスドラム ★★★★ ★★★★ ★★★ 高揚程多段ポンプ
バランスディスク ★★★ ★★★★ ★★★★ クリーンな流体、可変負荷
ドラム + ディスク コンボ ★★★★★ ★★★★★ ★★★★ 極限状況(核、軍事)
スラストベアリング ★★ ★★ ★★★ 残留軸力バランス
両吸込インペラ ★★★★ ★★★ ★★ 第一段階または中間段階
バランスホール ★★ 小型低圧ポンプ

投稿日時: 2025年3月29日