JP2012172654A - 循環ポンプ - Google Patents

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Abstract

【課題】設備構築費用を低減可能な正立式とし、この正立式で生じる水の置換現象による問題を解消する。
【解決手段】回転軸37の回転により、ポンプケーシング33内に配設したインペラ40を回転させて熱水をポンプケーシング33の吸込部34から吸い込んで吐出部35から吐出する一方、モータケーシング10内の冷却水を循環冷却機構43によって冷却しながら循環させるようにした循環ポンプであって、モータケーシング10内の圧力より高い供給圧力で外部冷却水を供給する外部冷却水供給機構48を設け、この外部冷却水供給機構48の給水管49をモータケーシング10に接続する。
【選択図】図1

Description

本発明は、火力発電設備や原子力発電設備などにおいてボイラに熱水を循環供給するための循環ポンプに関するものである。
この種の循環ポンプは、上部にポンプケーシングが設けられ、下部にモータケーシングが設けられている。これらケーシングには1本の回転軸が貫通され、ポンプケーシング内に位置する上端にインペラが配設されている。そして、循環ポンプは、回転軸が回転されることにより、熱水をポンプケーシングの吸込部から吸い込んで吐出部から吐出する。また、モータケーシング内では、回転軸の回転による熱を冷却するための冷却水が、循環冷却機構によって冷却されながら循環される(特許文献1参照)。
しかし、この循環ポンプは、ポンプケーシングの配設スペースの下部に、モータケーシングを配設するためのスペースと、循環冷却機構を配設するためのスペースとが更に必要である。そのため、設備の構築費用が極めて高くなるうえ、メンテナンス作業も極めて煩雑である。即ち、ポンプケーシングを地面上に位置するように設置する場合には、モータケーシングおよび循環冷却機構を配設するためのスペースを確保するために、機場を大きく掘り起こす必要がある。逆に、モータケーシングおよび循環冷却機構を地面上に位置するように設置する場合には、モータケーシングおよびモータケーシングに接続する接続管等を地上の高い位置に設置するための基礎や建屋を設ける必要がある。そのため、設備の構築費用が極めて高くなる。
この問題を解消するには、ポンプケーシングがモータケーシングの下側に位置するように設置(正立式)することが考えられる。このようにすれば、大掛かりな基礎や建屋が不要となるため、構築費用を低減できる。
しかしながら、循環ポンプを正立配置した場合には、回転軸の回転を停止した暖待機中に、下方のポンプケーシング内の熱水と、上方のモータケーシング内の冷却水が、中間に位置するヒートバリアの軸貫通部を通して自然対流する。これにより、モータケーシング内にはポンプケーシング側の熱水が浸入する一方、ポンプケーシング内にはモータケーシング側の冷却水が浸入する。その結果、この水の置換現象により、モータケーシング内の冷却水の水温が上昇し、モータ機構が過熱されるという問題(モータ絶縁物の熱的損傷)が生じる。なお、この問題は、ポンプケーシングをモータケーシングの上部に位置させて倒立配置した場合には生じない。また、正立式および倒立式のいずれでも、回転軸を回転させた稼働中には、循環冷却機構によって冷却水が循環される水流により生じない。
特開2000−338287号公報
本発明は、設備構築費用を低減可能な正立式とし、この正立式で生じる水の置換現象による問題を解消できる循環ポンプを提供することを課題とするものである。
前記課題を解決するため、本発明の循環ポンプは、上端に位置するモータケーシングからヒートバリアの軸貫通部を通して下端に位置するポンプケーシングにかけて配設した回転軸の回転により、前記ポンプケーシング内に配設したインペラを回転させて熱水を前記ポンプケーシングの吸込部から吸い込んで吐出部から吐出する一方、前記モータケーシング内の冷却水を循環冷却機構によって冷却しながら循環させるようにした循環ポンプであって、前記モータケーシング内の圧力より高い供給圧力で外部冷却水を供給する外部冷却水供給機構を設け、この外部冷却水供給機構の給水管を前記モータケーシングに接続した構成としている。
この循環ポンプは、モータケーシングの下部にポンプケーシングを位置させた正立式のものである。そのため、設備の構築時には、モータケーシングおよび循環冷却機構を配設するための大掛かりな基礎や建屋が不要であるため、設備構築費用を低減できる。
また、循環ポンプでは、回転軸の回転を停止した暖待機中に、外部冷却水供給機構の給水管からモータケーシング内に外部冷却水が供給される。そのため、モータケーシング内およびモータケーシングに接続した循環冷却機構では、冷却水が流動する。そして、外部冷却水の供給によるモータケーシング内の余剰の冷却水は、ヒートバリアの軸貫通部を通ってポンプケーシングへ流出する。よって、ポンプケーシング内の熱水がモータケーシング内に流入することはない。その結果、モータケーシング内の温度が異常上昇することによる電気絶縁物の損傷を防止できる。
この循環ポンプでは、前記外部冷却水供給機構の給水管に、前記モータケーシングへ向けた外部冷却水の流動を許容し、逆向きの流動を阻止する逆止弁を配設することが好ましい。このようにすれば、予期せぬ圧力変動によりモータケーシング内の冷却水が外部に流出することを防止できる。その結果、ポンプケーシング内の熱水がモータケーシング内に流入することを確実に防止できる。
また、前記モータケーシングの上端に、このモータケーシング内の気体を外部に排出する排出管を接続することが好ましい。このようにすれば、モータケーシング内にて、経時的に自然発生する可能性がある気体の1つである溶解ガスにより、回転軸が空運転状態となることによる損傷を防止できる。
この場合、前記排出管を、前記ポンプケーシングの吸込部へ熱水を供給する吸込側ボイラ配管に接続することが好ましい。ここで、吸込側ボイラ配管は、稼働中および暖待機中のいずれでもモータケーシングの内圧より高くはならない。そのため、常にモータケーシングから吸込側ボイラ配管へ向けた流れが生じ、逆流を防止することができる。
また、前記排出管に、前記モータケーシングから前記吸込側ボイラ配管へ向けた気体および液体の流動を許容し、逆向きの流動を阻止する逆止弁を配設することが好ましい。このようにすれば、予期しない圧力変動により、吸込側ボイラ配管内の熱水がモータケーシング内に流入することを確実に防止できる。
本発明の循環ポンプは、モータケーシングの下部にポンプケーシングを位置させた正立式のものであるため、モータケーシングおよび循環冷却機構を配設するために大掛かりな基礎や建屋が不要であり、設備構築費用を低減できる。また、外部冷却水供給機構の給水管からモータケーシング内に外部冷却水が供給されるため、モータケーシング内の余剰の冷却水がヒートバリアの軸貫通部を通ってポンプケーシングへ流出する。よって、ポンプケーシング内の熱水がモータケーシング内に流入して、モータケーシング内の温度が異常上昇することによる電気絶縁物の損傷を防止できる。
本発明に係る実施形態の循環ポンプを示す断面図である。 図1の要部拡大断面図である。 図2の要部断面図である。 循環ポンプの暖待機中の水流を示す断面図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図1乃至図4は、本発明の実施形態に係る循環ポンプを示す。この循環ポンプは、上側に位置するモータケーシング10と、モータケーシング10の下部に位置するヒートバリア22と、ヒートバリア22の下部に位置するポンプケーシング33とを備えている。そして、これらの内部には回転軸37が回転可能に支持され、その下端にインペラ40が配設されるとともに、上端に冷却水循環用インペラ42が配設されている。また、モータケーシング10には、内部の冷却水を冷却して循環させる循環冷却機構43が接続されている。そして、本発明では、モータケーシング10に外部冷却水供給機構48を接続し、外部冷却水を連続的に供給可能としたものである。
モータケーシング10は、略円筒状をなすモータケーシング本体11の上端を冷却水用インペラケース15によって塞いたものである。モータケーシング本体11は、上端閉塞部の中心に軸方向に沿って貫通する回転軸支持部12が設けられている。この回転軸支持部12は、モータケーシング本体11内に向けて延びる円筒状をなし、その内周部には上側スリーブ13が配設されている。また、モータケーシング本体11には、内部中間位置にモータステータ14が配設されている。このモータステータ14は、薄板の電磁鋼板を積層してできた円筒状のコアブロックと、このコアブロックの内径側に配設された複数の溝を貫通して巻回したコイル束とで構成されている。
冷却水用インペラケース15は略円錐筒形状をなし、その下端開口部に冷却水用インペラ配設部16が形成されている。この冷却水用インペラ配設部16の上部には、略円柱状をなす空間からなる注水ポケット17が形成されている。この注水ポケット17の外周部には、循環冷却機構43の接続管44を接続する注水口18が設けられるとともに、外部冷却水供給機構48の給水管49を接続する給水口19が設けられている。この冷却水用インペラケース15の上端開口は、モータカバー20により塞がれている。このモータカバー20には、ガス排出機構51の排出管52を接続する排出口21が設けられている。
ヒートバリア22は、内部に断熱空間部23を備えたもので、モータケーシング10の下部に水密状態で配設されている。図2に示すように、ヒートバリア22には、中心に位置するように軸方向に貫通する孔からなる軸貫通部24が設けられている。この軸貫通部24の上部は、拡径された回転軸支持部25とされている。この回転軸支持部25の内部には、回転軸37の下部を回転可能に支持する下側スリーブ26が配設されている。また、ヒートバリア22には、外周部から回転軸支持部25にかけて径方向に貫通する高圧冷却水路27が設けられている。この高圧冷却水路27の外側端部は、循環冷却機構43の接続管44を接続する注出口を構成する。
さらに、ヒートバリア22には、断熱空間部23の上側に位置するように、低圧冷却水路28が設けられている。この低圧冷却水路28は、図3に示すように、軸貫通部24および高圧冷却水路27と交差することなく、軸貫通部24の外周に位置するように穿設した複数(本実施形態では4本)の直線的な貫通孔29a〜29dにより構成される。例えば、第1の貫通孔29aの一端を流入口とし、他端を閉塞する。また、第1の貫通孔29aと交差するように第2の貫通孔29bを形成し、その両端を閉塞する。さらに、第2の貫通孔29bと交差するように第3の貫通孔29cを形成し、その両端を閉塞する。そして、第3の貫通孔29cと交差するように第4の貫通孔29dを形成し、その一端を閉塞し、他端を流出口とする。これにより、第1の貫通孔29aの一端の流入口から第4の貫通孔29dの他端の流出口にかけて連通した水路を形成する。そして、この水路に図示しない低圧冷却水供給機構からの低圧冷却水を通水することにより、モータケーシング10の側とポンプケーシング33の側との遮熱を図る構成としている。なお、図1および図2は、高圧冷却水路27および低圧冷却水路28を図示するために、形式的に対向位置に配置したものである。
そして、本実施形態のヒートバリア22には、軸貫通部24に流体移動を抑制するための流動抑制機構30が設けられている。この流動抑制機構30は、軸貫通部24を通して、モータケーシング10からポンプケーシング33へ冷却水が流動すること、および、ポンプケーシング33からモータケーシング10へ熱水が流動することを抑制するためのものである。この双方向の流動を防止するために、本実施形態では、図2に示すように、軸貫通部24の回転軸支持部25の下部に位置するように、ラビリンス形の軸シール31を配設している。この軸シール31は、軸貫通部24の内周部に配設された円筒形状のもので、その内周面には、環状をなすように複数の環状溝32が設けられている。
ポンプケーシング33は、略半球形状をなす中空状のもので、ヒートバリア22の下部に水密状態で配設されている。このポンプケーシング33には、モータケーシング10の軸方向に沿って突出する円筒状の吸込部34が設けられるとともに、この吸込部34の軸方向に対して交差するように径方向外向きに突出する円筒状の吐出部35が設けられている。ポンプケーシング33の内部は、吸込部34から吸い込んだ熱水を吐出部35へ案内するためのガイドベーン36により区画されている。
回転軸37は、中空状をなすモータケーシング10内からポンプケーシング33内にかけて、ヒートバリア22の軸貫通部24を貫通させて配設されたものである。本実施形態では、モータケーシング本体11内に配設される回転軸本体38と、ポンプケーシング33内に配設されるインペラ40に形成した軸部40aと、冷却水用インペラケース15内に配設される冷却水循環用インペラ42に形成した軸部42aとを、一体的に連結することにより1本の回転軸37を構成している。よって、ヒートバリア22の軸貫通部24を貫通する回転軸37とは、インペラ40の軸部40aである。勿論、これら軸部40a,42aは、回転軸本体38と一体成形することも可能である。
この回転軸37は、上側スリーブ13と下側スリーブ26とで、回転可能に支持されている。また、回転軸37には、モータステータ14に対して径方向内側に位置するようにモータロータ39が配設されている。このモータロータ39は、電磁鋼板を積層した円筒状のブロックと、このブロックの表層側内部を貫通する複数の銅製のバーと、各バーの両端を一括して連結する銅製リングとで構成されている。そして、モータロータ39は、モータステータ14のコイルにより生じる回転磁界の影響を受け、銅製のバーに電磁誘導現象による電流が流れることにより、回転磁界との作用で電磁力が発生して回転されるものである。
インペラ40は、ポンプケーシング33のガイドベーン36内に配設されている。このインペラ40には、円板状をなす主板から回転軸本体38に連結される軸部40aが突設されている。インペラ40の主板の下面側にはインペラ羽根41が設けられ、このインペラ羽根41により、ポンプケーシング33の吸込部34から吸い込んだ熱水を吐出部35から吐出する。
冷却水循環用インペラ42は、回転軸37を回転させた稼働中に、モータケーシング10内の冷却水を循環供給する循環冷却機構43の一部を構成するもので、モータケーシング10の冷却水用インペラケース15内に配設されている。この冷却水循環用インペラ42には、円板状をなす主板から回転軸本体38に連結される軸部42aが突設されている。この冷却水循環用インペラ42は、注水ポケット17内を臨むように開口した吸込流路と、この吸込流路の下端から放射状をなすように径方向外向きに延びる吐出流路とが形成されている。この流路により冷却水循環用インペラ42は、上方の注水ポケット17内の冷却水を下向きに吸い込んで径方向外向きに吐出することにより、回転軸支持部12を通してモータケーシング本体11内で下向きの水流を付与する。
循環冷却機構43は、モータケーシング10の上部である注水ポケット17の注水口18と、モータケーシング10の下部であるヒートバリア22の注出口とを、迂回するように接続する接続管44を備えている。この接続管44には、上向きに延びる部分にモータクーラ45が配設されている。このモータクーラ45は、低圧冷却水入口46と低圧冷却水出口47を備え、図示しない低圧冷却水供給機構から低圧冷却水が供給されることにより、接続管44内を流動する昇温した冷却水を冷却するものである。
外部冷却水供給機構48は、モータケーシング10内の圧力より高い供給圧力で外部冷却水を供給するもので、その給水管49がモータケーシング10の給水口19に接続されている。例えば、この外部冷却水供給機構48は、所定温度の冷却水をポンプによって所定圧力で供給可能としたものである。この給水管49には、モータケーシング10へ向けた外部冷却水の流動を許容し、逆向きの流動を阻止する逆止弁50が配設されている。
また、本実施形態の循環ポンプには、モータケーシング10の内部で発生した気体を外部に排出するためのガス排出機構51が更に設けられている。このガス排出機構51は、モータケーシング10の上端の排出口21に接続した排出管52と、この排出管52に介設したオリフィス53および逆止弁54とからなる。排出管52は、上向きに傾斜するように配管され、その先端が吸込側ボイラ配管55に分岐接続されている。オリフィス53は、モータケーシング10から流出する流体量を安定的に微量に維持するものである。逆止弁54は、モータケーシング10から吸込側ボイラ配管55へ向けた流動を許容し、逆向きの流動を阻止するものである。
このように構成した循環ポンプは、ポンプケーシング33の吸込部34に吸込側ボイラ配管55が接続され、ポンプケーシング33の吐出部35に吐出側ボイラ配管56が接続される。なお、本実施形態の循環ポンプの使用例の1つである発電設備では、吐出側ボイラ配管56が水を過熱して蒸気を生成するボイラに接続され、吸込側ボイラ配管55が蒸気を高温の熱水とする復水器に接続される。そして、発電設備は、ボイラで生成された蒸気で、発電機に連結したタービンを回転させる。タービンを回転させた蒸気は、復水器によって高温の熱水に戻される。この熱水を本実施形態の循環ポンプにより循環供給する。
次に、本実施形態の循環ポンプの動作について具体的に説明する。
まず、モータケーシング10内には、回転軸37を回転させた稼働中、および、回転軸37を停止させた暖待機中のいずれの状態でも、外部冷却水供給機構48から外部冷却水が供給される。同様に、ヒートバリア22の低圧冷却水路28および循環冷却機構43のモータクーラ45には、低圧冷却水供給機構から低圧冷却水が常に供給されている。
そして、稼働中には、回転軸37の回転により、インペラ40と冷却水循環用インペラ42が回転する。これにより、ポンプケーシング33では、インペラ40の回転により、吸込側ボイラ配管55を介して復水器から熱水を吸い込んで、ボイラへ熱水を循環供給する。また、モータケーシング10内では、冷却水循環用インペラ42の回転により、冷却水がモータケーシング10内で下向きに流動する水流が付与される。そして、モータケーシング10の下部の冷却水は、冷却水循環用インペラ42による送水作用により接続管44に吸い込まれ、モータクーラ45にて冷却されて注水ポケット17に循環供給される。
また、モータケーシング10の内部では、外部冷却水の供給により、モータケーシング10内から余剰の冷却水が外部に漏出する。この漏出は、下端のヒートバリア22の軸貫通部24を通したポンプケーシング33と、上端の排出管52を通した吸込側ボイラ配管55となる。そして、これらからの流出量は、外部冷却水供給機構48による供給圧力と、流動抑制機構30を構成する軸シール31およびオリフィス53の設定とにより調整可能である。よって、ポンプケーシング33内の熱水がモータケーシング10に流入することを確実に防止しつつ、モータケーシング10内の冷却水がポンプケーシング33や吸込側ボイラ配管55へ漏出する水量を最小限に抑制できる。
一方、暖待機中には、回転軸37が停止されるため、インペラ40と冷却水循環用インペラ42が停止している。これにより、ポンプケーシング33では、熱水の循環供給が停止される。また、モータケーシング10では、冷却水循環用インペラ42による冷却水の水流(循環)が停止される。しかし、この暖待機中にもモータケーシング10内には、外部冷却水供給機構48によって外部冷却水が供給されている。
モータケーシング10内では、図4に示すように、外部冷却水が注水ポケット17に供給されると、冷却水循環用インペラ42を介してモータケーシング10内を下向きに流れる第1水流と、循環冷却機構43の接続管44を通して下向きに流れる第2水流と、排出管52を通して吸込側ボイラ配管55へ向けて流れる第3水流とが生じる。そのうち、第1水流および第2水流は、ヒートバリア22の軸貫通部24で合流し、この軸貫通部24を通してポンプケーシング33内に流入する。
また、モータケーシング10内では、気体の1つである溶解ガスが経時的に自然発生することがある。そして、このガスは、稼働時に回転軸37を空運転現象を生じさせる。しかし、本実施形態では、モータケーシング10の上端に排出管52を接続している。そして、モータケーシング10内で発生したガスは、稼働中および暖待機中のいずれの状態でも、モータケーシング10の上端である注水ポケット17に溜まり、排出管52を通して吸込側ボイラ配管55へ排出される。具体的には、吸込側ボイラ配管55は、稼働中および暖待機中のいずれでもモータケーシング10の内圧より高くはならない。そのため、常にモータケーシング10から吸込側ボイラ配管55へ向けた流れが生じ、逆流を防止することができる。しかも、本実施形態では、外部冷却水供給機構48による外部冷却水の供給により、モータケーシング10内の圧力が高くなるため、ガスが排出管52を通して吸込側ボイラ配管55へ確実に排出される。
このように、本発明の循環ポンプでは、回転軸37の回転を停止した暖待機中に、外部冷却水供給機構48の給水管49からモータケーシング10内に外部冷却水が供給され、モータケーシング10内の余剰の冷却水がヒートバリア22の軸貫通部24を通ってポンプケーシング33へ流出する。よって、ポンプケーシング33内の熱水がモータケーシング10内に流入することはない。その結果、モータケーシング10内の温度が異常上昇することによる電気絶縁物の損傷を防止できる。
また、外部冷却水供給機構48の給水管49には逆止弁50を設けているため、予期せぬ圧力変動によりモータケーシング10内の冷却水が外部冷却水供給機構48へ向けて逆流することを防止できる。その結果、ポンプケーシング33内の熱水がモータケーシング10内に流入することを確実に防止できる。
さらに、本実施形態の循環ポンプには、モータケーシング10の上端に排出管52を接続し、モータケーシング10内で発生したガスを吸込側ボイラ配管55へ排出できるようにしている。そのため、稼働中に回転軸37が空運転状態となることによる損傷を防止できる。また、排出管52には逆止弁54を設けているため、予期しない圧力変動により、吸込側ボイラ配管55内の熱水がモータケーシング10内に流入することを確実に防止できる。
そして、本発明の循環ポンプは、モータケーシング10の下部にポンプケーシング33を位置させた正立式のものであるため、設備の構築時には、モータケーシング10および循環冷却機構43を配設するための大掛かりな基礎や建屋が不要であるため、設備構築費用を低減できる。
なお、本発明の循環ポンプは、実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では、外部冷却水供給機構48の接続管44を、モータケーシング10の上端の注水ポケット17に接続したが、その接続位置は希望に応じて変更が可能である。また、前記実施形態では、外部冷却水供給機構48によって外部冷却水を稼働中および暖待機中のいずれでも供給する構成としたが、暖待機中だけ供給する構成としてもよい。さらに、外部冷却水を稼働中および暖待機中のいずれでも供給する場合には、冷却水循環用インペラ42は設けない構成としてもよい。
また、前記実施形態では、ポンプケーシング33にガイドベーン36を配設したが、このガイドベーン36は配設しない構成としてもよい。さらに、ポンプケーシング33は、吸込部34の軸方向に対して吐出部35を径方向外向きに突設したものに限られず、螺旋状の流水路を有する渦巻状のものであってもよい。
また、前記実施形態では、モータケーシング10内に配設するモータ機構として、モータステータ14とモータロータ39を有し、回転磁界の作用で回転するものを用いたが、磁石の有無を含み、モータ機構の種類は希望に応じて変更が可能である。
そして、前記実施形態では、本発明の循環ポンプを発電設備に使用する例を挙げて説明したが、使用用途は発電設備に限られるものではない。
10…モータケーシング
17…注水ポケット
22…ヒートバリア
24…軸貫通部
27…高圧冷却水路
28…低圧冷却水路
33…ポンプケーシング
34…吸込部
35…吐出部
37…回転軸
40…インペラ
43…循環冷却機構
44…接続管
45…モータクーラ
48…外部冷却水供給機構
49…給水管
50…逆止弁
51…ガス排出機構
52…排出管
54…逆止弁
55…吸込側ボイラ配管
56…吐出側ボイラ配管

Claims (5)

  1. 上端に位置するモータケーシングからヒートバリアの軸貫通部を通して下端に位置するポンプケーシングにかけて配設した回転軸の回転により、前記ポンプケーシング内に配設したインペラを回転させて熱水を前記ポンプケーシングの吸込部から吸い込んで吐出部から吐出する一方、前記モータケーシング内の冷却水を循環冷却機構によって冷却しながら循環させるようにした循環ポンプであって、
    前記モータケーシング内の圧力より高い供給圧力で外部冷却水を供給する外部冷却水供給機構を設け、この外部冷却水供給機構の給水管を前記モータケーシングに接続したことを特徴とする循環ポンプ。
  2. 前記外部冷却水供給機構の給水管に、前記モータケーシングへ向けた外部冷却水の流動を許容し、逆向きの流動を阻止する逆止弁を配設したことを特徴とする請求項1に記載の循環ポンプ。
  3. 前記モータケーシングの上端に、このモータケーシング内の気体を外部に排出する排出管を接続したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の循環ポンプ。
  4. 前記排出管を、前記ポンプケーシングの吸込部へ熱水を供給する吸込側ボイラ配管に接続したことを特徴とする請求項3に記載の循環ポンプ。
  5. 前記排出管に、前記モータケーシングから前記吸込側ボイラ配管へ向けた気体および液体の流動を許容し、逆向きの流動を阻止する逆止弁を配設したことを特徴とする請求項4に記載の循環ポンプ。
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