軸推力とは

遠心ポンプの設計と操作において重要な要素である軸推力は、ポンプ シャフトに平行に作用する正味の力を指します。この記事では、遠心ポンプの軸推力の原因、結果、管理戦略について詳しく説明し、エンジニアとポンプ ユーザーの両方に貴重な情報を提供します。

軸方向推力に寄与する主要コンポーネント

1. インペラシュラウドの軸方向油圧力インペラの前面と背面のシュラウドにかかる圧力分布により、軸方向の力が発生します。
2. 流体の軸方向速度の変化による運動量力: 流体が軸方向に加速または減速すると、インペラに力が加わり、軸方向の推力に寄与します。
3. シールとベアリング間の圧力差による力: シャフトシールとベアリング間の圧力不均衡により、ポンプローターに追加の軸方向の力が発生する可能性があります。
4. ローター部品の重量（垂直ポンプの場合）垂直ポンプ構成では、インペラ、シャフト、その他のコンポーネントを含むローター アセンブリの重量が全体の軸方向推力に影響します。

軸方向推力の計算式

遠心ポンプの羽根車に作用する軸推力（F）は、次の式を使用して計算できます。

F = (P1 – P2) × A + ρ × Q × (V2 – V1)

どこ：

• P1とP2はそれぞれインペラの前部と後部のシュラウドに作用する圧力である。
• Aはインペラシュラウドの面積である
• ρは流体の密度である
• Qは体積流量である
• V1とV2は、それぞれインペラの入口と出口における流体の軸方向速度である。

この方程式は、インペラの軸方向に作用する圧力力と運動量力の両方を考慮します。

さまざまなポンプ設計における軸方向スラストの原因

単段ポンプ

単段遠心ポンプでは、軸推力は主にインペラの前部シュラウドと後部シュラウド間の圧力差から生じます。インペラの排出側の圧力が高いと、インペラを吸入側に向かって押す正味の力が生じます。この軸推力は、インペラの設計、動作条件、摩耗リングのクリアランスなどの要因によって影響を受ける可能性があります。

多段ポンプ

直列に配列された複数のインペラを備えた多段遠心ポンプは、軸方向の推力の管理においてさらなる課題に直面します。各段の複合圧力が上昇するため、単段ポンプに比べて軸方向の力が大幅に高くなります。さらに、軸方向の推力を打ち消すために使用されるバランス ドラム、バランス ディスク、またはバランス ピストンの存在により、システムがさらに複雑になります。

過剰な軸推力の影響

1. スラストベアリングの過負荷と早期故障: 軸方向の力が大きいと、スラスト ベアリングが定格容量を超えて動作し、摩耗が加速して早期に故障する可能性があります。
2. 過度のシャフトのたわみと振動: 不均衡な軸方向の力によりポンプ シャフトがたわみ、振動レベルが増加し、ベアリングの寿命が短くなる可能性があります。
3. ポンプ内部クリアランスの摩耗の加速軸方向のスラストにより、摩耗リングやバランスドラムなどの回転部品と固定部品が接触し、摩耗が加速し、クリアランスが増加する可能性があります。
4. メカニカルシールの漏れと故障: ポンプローターの軸方向の動きが過度であると、メカニカルシールが漏れたり、早期に故障したりする可能性があります。
5. ポンプの効率と信頼性の低下: 過度の軸方向推力による振動、摩耗、部品の損傷の増加の複合的な影響により、ポンプの効率と全体的な信頼性が大幅に低下する可能性があります。

軸推力のバランスと制御の方法

1. スラストベアリングとそのサイズ: アンギュラコンタクトボールベアリングやティルティングパッドベアリングなど、適切なサイズと選択のスラストベアリングは、ポンプによって発生する軸方向の荷重を効果的にサポートできます。ベアリングの負荷容量、速度定格、および潤滑要件を慎重に考慮する必要があります。
2. インペラ配置: 両吸込インペラまたは背中合わせのインペラ配置を使用すると、ポンプローターに作用する軸方向の力のバランスをとることができ、正味の軸方向推力を低減できます。
3. ドラム、ディスク、ピストンのバランスをとる: これらの装置はポンプシャフトに取り付けられ、ポンプの吐出と吸入の圧力差を利用して反作用の軸力を生成します。
4. インペラのバランス穴とカウンターベーンインペラ シュラウドに戦略的に配置された穴またはカウンターベーンは、圧力分布を均等化し、インペラに作用する正味の軸力を低減するのに役立ちます。
5. 自動油圧バランス装置ITT Goulds Pumps の「Balanced-Flow」システムなどの自己調整型油圧バランス装置は、さまざまな動作条件下で最適な軸推力バランスを自動的に維持できます。
6. 摩耗リングクリアランスの影響: 適切な摩耗リングクリアランスを維持することは、軸方向の推力を制御するために不可欠です。通常の摩耗により摩耗リングクリアランスが増加すると、インペラ周囲の圧力分布が変化し、軸方向の推力が増加する可能性があります。

よくある質問

アキシャルスラストベアリングとラジアルスラストベアリングの違いは何ですか?

アキシャル（スラスト）ベアリングはシャフト軸に平行に作用する荷重を支えるように設計されており、ラジアルベアリングはシャフト軸に垂直に作用する荷重をサポートします。

遠心ポンプでは、ポンプインペラによって発生する軸方向の力とポンプケーシング内の圧力分布に対抗するために、軸方向スラストベアリングが使用されます。ラジアルベアリングは、ポンプローターの重量と、インペラとケーシングの相互作用またはシャフトのずれによって生じるラジアル力を支えます。

結論

遠心ポンプの信頼性と効率性を確保するには、軸推力を理解して効果的に管理することが重要です。インペラの設計、ポンプの構成、動作条件など、軸推力に影響するさまざまな要因を考慮することで、エンジニアは適切な推力バランス戦略を設計および選択できます。

定期的な監視、メンテナンス、運用上のベストプラクティスの遵守により、軸推力がポンプの性能と寿命に与える影響をさらに最小限に抑えることができます。