JP5798339B2 - 循環ポンプ - Google Patents

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。また、ポンプケーシング内の熱水（缶水）が冷却されるという問題（ボイラ熱量の損失）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、前記循環冷却機構は、接続管の一端が前記モータケーシングの上端側に接続されるとともに、前記接続管の他端が前記モータケーシングの下端側の前記ヒートバリアに形成した前記軸貫通部に連通する高圧冷却水路に接続されており、前記循環冷却機構の前記接続管に、前記モータケーシング内の冷却水を吸い込んで循環供給するためのポンプを配設するとともに、前記ヒートバリアの前記軸貫通部および前記高圧冷却水路の外側に、前記軸貫通部および前記高圧冷却水路と交差しないように低圧冷却水供給機構から低圧冷却水を常に通水する低圧冷却水路を設けた構成としている。
前記低圧冷却水路は、前記軸貫通部の外周に位置する複数の貫通孔からなり、前記複数の貫通孔が順次交差するように設けられている。

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、循環冷却機構の接続管に配設したポンプによりモータケーシング内の冷却水を強制的に循環させることができる。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うえ、モータケーシング内の冷却水がポンプ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。また、ポンプケーシング内の熱水が冷却されることによるボイラ熱量の損失を防止できる。

この循環ポンプでは、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、循環冷却機構の接続管に配設したポンプによりモータケーシング内の冷却水を強制的に循環できるため、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うえ、モータケーシング内の冷却水がポンプケーシング内に流入することはない。よって、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うえ、ポンプケーシング内の熱水が冷却されることによるボイラ熱量の損失を防止できる。

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。

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３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２１と、ヒートバリア２１の下部に位置するポンプケーシング３２とを備えている。そして、これらの内部には回転軸３６が回転可能に支持され、その下端にインペラ３９が配設されるとともに、上端に冷却水循環用インペラ４１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４２が接続されている。そして、本発明では、この循環冷却機構４２の接続管４３に、回転軸３６の回転を停止した暖待機中でも、モータケーシング１０内の冷却水を強制的に循環可能とするポンプ４７を配設したものである。

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４２の接続管４３を接続する注水口１８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１９により塞がれている。このモータカバー１９には、ガス排出機構４８の排出管４９を接続する排出口２０が設けられている。

ヒートバリア２１は、内部に断熱空間部２２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２１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２３が設けられている。この軸貫通部２３の上部は、拡径された回転軸支持部２４とされている。この回転軸支持部２４の内部には、回転軸３６の下部を回転可能に支持する下側スリーブ２５が配設されている。また、ヒートバリア２１には、外周部から回転軸支持部２４にかけて径方向に貫通する高圧冷却水路２６が設けられている。この高圧冷却水路２６の外側端部は、循環冷却機構４２の接続管４３を接続する注出口を構成する。

さらに、ヒートバリア２１には、断熱空間部２２の上側に位置するように、低圧冷却水路２７が設けられている。この低圧冷却水路２７は、図３に示すように、軸貫通部２３および高圧冷却水路２６と交差することなく、軸貫通部２３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２８ａ〜２８ｄにより構成される。例えば、第１の貫通孔２８ａの一端を流入口とし、他端を閉塞する。また、第１の貫通孔２８ａと交差するように第２の貫通孔２８ｂを形成し、その両端を閉塞する。さらに、第２の貫通孔２８ｂと交差するように第３の貫通孔２８ｃを形成し、その両端を閉塞する。そして、第３の貫通孔２８ｃと交差するように第４の貫通孔２８ｄ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２８ａの一端の流入口から第４の貫通孔２８ｄ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３２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２６および低圧冷却水路２７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２１には、軸貫通部２３に流体移動を抑制するための流動抑制機構２９が設けられている。この流動抑制機構２９は、軸貫通部２３を通して、モータケーシング１０からポンプケーシング３２へ冷却水が流動すること、および、ポンプケーシング３２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２３の回転軸支持部２４の下部に位置するように、ラビリンス形の軸シール３０を配設している。この軸シール３０は、軸貫通部２３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３１が設けられている。

ポンプケーシング３２は、略半球形状をなす中空状のもので、ヒートバリア２１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３２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３３が設けられるとともに、この吸込部３３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３４が設けられている。ポンプケーシング３２の内部は、吸込部３３から吸い込んだ熱水を吐出部３４へ案内するためのガイドベーン３５により区画されている。

回転軸３６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３２内にかけて、ヒートバリア２１の軸貫通部２３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３７と、ポンプケーシング３２内に配設されるインペラ３９に形成した軸部３９ａ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４１に形成した軸部４１ａとを、一体的に連結することにより１本の回転軸３６を構成している。よって、ヒートバリア２１の軸貫通部２３を貫通する回転軸３６とは、インペラ３９の軸部３９ａである。勿論、これら軸部３９ａ，４１ａは、回転軸本体３７と一体成形することも可能である。

この回転軸３６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３６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３８が配設されている。このモータロータ３８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３８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３９は、ポンプケーシング３２のガイドベーン３５内に配設されている。このインペラ３９には、円板状をなす主板から回転軸本体３７に連結される軸部３９ａが突設されている。インペラ３９の主板の下面側にはインペラ羽根４０が設けられ、このインペラ羽根４０により、ポンプケーシング３２の吸込部３３から吸い込んだ熱水を吐出部３４から吐出する。

冷却水循環用インペラ４１は、回転軸３６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４２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４１には、円板状をなす主板から回転軸本体３７に連結される軸部４１ａが突設されている。この冷却水循環用インペラ４１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４１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４２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２１の注出口とを、迂回するように接続する接続管４３を備えている。この接続管４３には、上向きに延びる部分にモータクーラ４４が配設されている。このモータクーラ４４は、低圧冷却水入口４５と低圧冷却水出口４６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４３内を流動する昇温した冷却水を冷却するものである。

ポンプ４７は、循環冷却機構４２の接続管４３において、モータクーラ４４の上流側に介設したキャンドモータ式ポンプからなる。このポンプ４７は、上流側であるモータケーシング１０内の冷却水を吸い込んで、モータクーラ４４を介して下流側である注水ポケット１７に循環供給する。なお、このキャンドモータ式のポンプ４７は、モータのコイルを缶（キャン）に収めて防水し、水中でも使用できるようにしたものである。

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４８が更に設けられている。このガス排出機構４８は、モータケーシング１０の上端の排出口２０に接続した排出管４９と、この排出管４９に介設したオリフィス５０および逆止弁５１とからなる。排出管４９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５２に分岐接続されている。オリフィス５０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５１は、モータケーシング１０から吸込側ボイラ配管５２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３２の吸込部３３に吸込側ボイラ配管５２が接続され、ポンプケーシング３２の吐出部３４に吐出側ボイラ配管５３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５３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５２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、ヒートバリア２１の低圧冷却水路２７および循環冷却機構４２のモータクーラ４４には、回転軸３６を回転させた稼働中、および、回転軸３６を停止させた暖待機中のいずれの状態でも、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３６の回転により、インペラ３９と冷却水循環用インペラ４１が回転する。これにより、ポンプケーシング３２では、インペラ３９の回転により、吸込側ボイラ配管５２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４１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の下部の冷却水は接続管４３に吸い込まれ、モータクーラ４４にて冷却されて注水ポケット１７に循環供給される。そして、この循環冷却機構４２による冷却水の循環流により、軸貫通部２３を通したモータケーシング１０内の冷却水とポンプケーシング３２内の熱水との自然対流が防止される。

一方、暖待機中には、回転軸３６が停止されるため、インペラ３９と冷却水循環用インペラ４１が停止している。これにより、ポンプケーシング３２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４１による冷却水の水流（循環）が停止される。この状態で、循環冷却機構４２の接続管４３に介設したポンプ４７を駆動させる。これにより、モータケーシング１０内では、稼働中と同様に、モータケーシング１０の下部の冷却水が接続管４３に吸い込まれ、モータクーラ４４にて冷却されて注水ポケット１７に循環供給される。その結果、この暖待機中においても同様に、冷却水の循環流によって、軸貫通部２３を通したモータケーシング１０内の冷却水とポンプケーシング３２内の熱水との自然対流が防止される。

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３６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４９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４９を通して吸込側ボイラ配管５２へ排出される。具体的には、吸込側ボイラ配管５２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５２へ向けた流れが生じ、気体を排出できる。但し、気体および液体が排出管４９を通して吸込側ボイラ配管５２へ排出されると、その排出量に応じた熱水が軸貫通部２３を通してポンプケーシング３２からモータケーシング１０内に流入する。その量は、軸シール３０およびオリフィス５０によって極微量となるように設定されている。しかも、流入した熱水は、モータケーシング１０に直接流入するのではなく、接続管４３を介してモータクーラ４４にて冷却されて上端の注入ポケットから注入される。よって、モータケーシング１０内の冷却水の温度が昇温することはない。

このように、本発明の循環ポンプでは、回転軸３６の回転を停止した暖待機中に、循環冷却機構４２の接続管４３に配設したポンプ４７によりモータケーシング１０内の冷却水を強制的に循環させることができる。よって、ポンプケーシング３２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うえ、モータケーシング１０内の冷却水がポンプケーシング３２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、ポンプケーシング３２内の熱水が冷却されることによるボイラ熱量の損失を防止できる。

また、本実施形態の循環ポンプには、モータケーシング１０の上端に排出管４９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５２へ排出できるようにしている。そのため、稼働中に回転軸３６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４９には逆止弁５１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５２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３２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４２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、循環冷却機構４２の１つとして冷却水循環用インペラ４１を設け、稼働中には冷却水循環用インペラ４１により冷却水を循環供給し、暖待機中にはポンプ４７により冷却水を循環供給する構成としたが、冷却水循環用インペラ４１を設けない構成とし、稼働中および暖待機中のいずれでもポンプ４７により冷却水を循環供給する構成としてもよい。

また、前記実施形態では、ポンプケーシング３２にガイドベーン３５を配設したが、このガイドベーン３５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３２は、吸込部３３の軸方向に対して吐出部３４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３８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
２１…ヒートバリア
２３…軸貫通部
２６…高圧冷却水路
２７…低圧冷却水路
３２…ポンプケーシング
３３…吸込部
３４…吐出部
３６…回転軸
３９…インペラ
４２…循環冷却機構
４３…接続管
４４…モータクーラ
４７…ポンプ
４８…ガス排出機構
４９…排出管
５１…逆止弁
５２…吸込側ボイラ配管
５３…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、
   前記循環冷却機構は、接続管の一端が前記モータケーシングの上端側に接続されるとともに、前記接続管の他端が前記モータケーシングの下端側の前記ヒートバリアに形成した前記軸貫通部に連通する高圧冷却水路に接続されており、
   前記循環冷却機構の前記接続管に、前記モータケーシング内の冷却水を吸い込んで循環供給するためのポンプを配設するとともに、
   前記ヒートバリアの前記軸貫通部および前記高圧冷却水路の外側に、前記軸貫通部および前記高圧冷却水路と交差しないように低圧冷却水供給機構から低圧冷却水を常に通水する低圧冷却水路を設けたことを特徴とする循環ポンプ。
2. 前記低圧冷却水路は、前記軸貫通部の外周に位置する複数の貫通孔からなり、前記複数の貫通孔が順次交差するように設けられている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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