横型遠心ポンプの主な軸力源は何ですか

横型渦巻ポンプ は工業プロセスで最も一般的に使用される流体輸送装置であり、その動作の信頼性は生産効率に直接影響します。この専門分野では、軸方向推力が重要な設計および動作パラメータです。軸方向推力の発生メカニズムとそのバランスをとる方法を理解することは、ポンプの選択、設置、トラブルシューティング、およびベアリングとメカニカル シールの寿命の延長にとって非常に重要です。

1. 軸力の中心源: インペラ全体の圧力差

軸力の根本的な原因は、インペラの両側の液体圧力の不均衡です。これは軸力の主要な、そして多くの場合最大の発生源です。

単段片吸込羽根車が最も代表的な例です。遠心ポンプの動作時:

インペラ前部シュラウド側 (吸入側): インペラの中央領域は低圧ゾーンであり、圧力は大気圧に近いか、大気圧より低くなります (NPSH によって異なります)。

インペラ後部シュラウド側 (背面): 液体がインペラから流出してボリュートに流入すると、高圧液体の一部がウェアリングの隙間から浸透したり、そこを通ってインペラの背面に逆流したりします。さらに、ボリュート出口の高圧により、インペラの背面にも圧力がかかります。したがって、インペラの後部の平均圧力は通常、前部よりもはるかに高くなります。

この羽根車の前後の圧力差が有効領域に投影され、吸入口に向かう反力、つまり軸力が発生します。この力の大きさは、ポンプヘッド、インペラの直径、ウェアリングのギャップに直接関係します。ヘッドが高くなると圧力差が増大し、その結果軸力が増大します。

2. インペラ流路における運動量変化の影響

軸力の 2 番目に重要な源は、インペラの内部流路内で流体の方向と速度が変化するときに発生する運動量変化反力です。

液体が吸引ポートからインペラに入ると、流れは軸方向 (ポンプ軸に平行) から半径方向 (ポンプ軸に垂直) に変わります。ニュートンの第 2 法則によれば、流体がインペラ内でこの方向変化を起こすと、必然的にインペラに反力が発生します。この反力のうちポンプシャフトに沿って作用する成分が、逆方向の軸力となります。

ほとんどの片吸込羽根車の設計では、この運動量によって引き起こされる軸力の方向は、圧力差によって生じる軸力と反対になりますが、その大きさは通常、圧力差によって生じる軸力よりも小さくなります。

3. 軸シールとバランス穴の影響：局所的な圧力分布

シャフトシール領域の設計と動作条件も、局所的な軸力の分布に影響を与えます。

メカニカルシール/スタッフィングボックスエリア: シャフトシールにおいて、ポンプシャフトに作用する力は、シール室内の液体圧力と大気圧の合成力です。シール室内の圧力が高いと、ポンプシャフトに沿ってシャフトが外側に押されます。

バランス穴: 軸力のバランスを取るためにバランス穴を使用するインペラの場合、バランス穴の機能は、インペラ後部の高圧液体を吸入ポートまたは低圧領域に戻すことにより、インペラ後部の圧力を効果的に低減することです。バランス穴の直径と数の設計は、インペラの表裏面間の圧力差をどの程度解消するかを直接決定します。

4. 両吸込羽根車と固有の軸力バランス

両吸込遠心ポンプでは、インペラが左右対称の吸込を行うように設計されていることに注意してください。

対称構造：液体は羽根車の中心に両側から同時に対称的に流入します。

機械的なキャンセル: これは、2 つのインペラの流路形状が完全に対称であり、両側の圧力分布も基本的に対称であることを意味します。動作中、2 つのインペラによって生成される軸力は大きさが等しく、方向が逆であり、理論的には自動的な軸力バランスが実現されます。これは、高流量条件への対応を可能にする両吸込ポンプの重要な構造上の利点の 1 つです。

5. 軸力バランスの重要性とその対策

遠心ポンプの設計では、残留軸力を排除または最小限に抑えることが重要です。そうしないと、過剰な軸方向の力によって次のような問題が発生する可能性があります。

ベアリングの過負荷: 継続的な軸方向の力によりスラスト ベアリングに大きな負荷がかかり、摩耗や故障が加速します。これは、遠心ポンプで最も一般的な故障モードの 1 つです。

メカニカル シールの損傷: 軸方向の力の急激な変化により、メカニカル シールの回転リングと固定リングの間で過剰な圧縮や分離が発生し、漏れや深刻な摩耗が発生する可能性があります。

したがって、両吸込羽根車の自己バランス設計に加えて、軸力のバランスを取るためにエンジニアリング設計では次の特殊な機構がよく使用されます。

バランス穴とバックベーン：片吸込ポンプに使用されます。

バランスディスク/ドラム: 多段ポンプで一般的に使用される高圧バランス装置。

横型遠心ポンプの軸力を正確に制御し、ポンプシャフトの安定性を確保することは、機器の長期にわたる信頼性の高い動作を確保するための中核となる技術要件です。