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JP2005171825A - Fluid conveyance machine - Google Patents

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JP2005171825A JP2003410940A JP2003410940A JP2005171825A JP 2005171825 A JP2005171825 A JP 2005171825A JP 2003410940 A JP2003410940 A JP 2003410940A JP 2003410940 A JP2003410940 A JP 2003410940A JP 2005171825 A JP2005171825 A JP 2005171825A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fluid conveyance machine of a small and compact structure for enabling high speed operation. <P>SOLUTION: A double suction type impeller 21 is disposed to a rotational shaft, and the impeller and a pump casing 31 disposed to surround the impeller constitute a double suction type pump 16. The rotational shaft 11 is supported in a non-contact state by magnetically levitated motors 12, 13 having a radial magnetic bearing function and a motor function, and is rotary driven. The double suction type pump 16 has a pressure balance mechanism positioning the rotational shaft in an axial direction. Preferably, the double suction type pump 16 is disposed at an approximately center of the rotational shaft 11. and two magnetically levitated motors 12, 13 are disposed on both sides of the pump 16 of the rotational shaft 11. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、流体搬送機械に係り、特に高速運転に好適なポンプ等の流体機械に関する。   The present invention relates to a fluid conveyance machine, and more particularly to a fluid machine such as a pump suitable for high-speed operation.

通常の電動機では固定子・回転子間の空隙磁束分布は回転対称であり、原理上、半径方向の磁気浮上力は発生しない。これに対して、磁気浮上モータは、その回転子・固定子間の2つの回転磁界が重畳した磁束分布を偏配することにより、半径方向力を発生することができる。すなわち、ステータに極数が±2だけ異なる2つの回転磁界を形成し、極数の異なる2つの回転磁界の重畳により、ロータに半径方向の静止磁気力を付与すると共に、ロータに回転駆動力を付与する磁気浮上モータが知られている(特許文献1、非特許文献1,2参照)。   In an ordinary electric motor, the air gap magnetic flux distribution between the stator and the rotor is rotationally symmetric, and in principle, no magnetic levitation force in the radial direction is generated. On the other hand, the magnetic levitation motor can generate a radial force by unevenly distributing a magnetic flux distribution in which two rotating magnetic fields between the rotor and the stator are superimposed. That is, two rotating magnetic fields different in number of poles by ± 2 are formed on the stator, and by applying two rotating magnetic fields different in pole number, a static magnetic force in the radial direction is applied to the rotor, and a rotational driving force is applied to the rotor. A magnetic levitation motor to be applied is known (see Patent Document 1, Non-Patent Documents 1 and 2).

すなわち、この磁気浮上モータでは、ラジアル磁気軸受とモータの機能を兼ね備えたものであり、ロータに対して回転駆動力を発生しつつ、ロータを磁気浮上力によりラジアル方向に非接触で支持する機能を有している。このラジアル方向に非接触で回転軸を支持する機能により、通常の軸受が使用できない環境、例えば超低温の真空中の雰囲気下でも非接触で回転軸の軸支持が可能になる。また、回転軸が非接触で支持されるので、摩擦や摩耗が一切発生せず、例えば超純水のように極端に不純物の混入を嫌う流体の搬送機械にも好適である。   In other words, this magnetic levitation motor combines the functions of a radial magnetic bearing and a motor, and has the function of supporting the rotor in a radial direction by the magnetic levitation force while generating a rotational driving force for the rotor. Have. The function of supporting the rotating shaft in the radial direction in a non-contact manner makes it possible to support the shaft of the rotating shaft in a non-contact manner even in an environment where a normal bearing cannot be used, for example, in an atmosphere in an ultra-low temperature vacuum. Further, since the rotating shaft is supported in a non-contact manner, friction and wear do not occur at all, and it is also suitable for a fluid transporting machine that extremely dislikes impurities such as ultrapure water.

特開平8−144987号公報JP-A-8-144987 「ベアリングレスドライブ内外の試作・応用」平成14年度電気学会産業応用部門大会 講演論文集[1]p23−28. 平成14年8月、鹿児島大学"Prototypes and applications inside and outside bearingless drives" Annual Conference of Industrial Applications Division of the Institute of Electrical Engineers of Japan [1] p23-28. August 2002, Kagoshima University Christian Redmann, Paeul Meuter, Angelo Ramella, Thomas Gempp:「30kW Bearingless Cannedmotor Pump on The Test Bed」 Seventh International Symp. on Magnetic Bearings, ETH Zurich(2000)Christian Redmann, Paeul Meuter, Angelo Ramella, Thomas Gempp: `` 30kW Bearingless Cannedmotor Pump on The Test Bed '' Seventh International Symp. On Magnetic Bearings, ETH Zurich (2000)

また、通常の遠心ポンプは、運転時に、吸込み方向(軸方向)に流体力が発生し、アキシャル軸受への負荷が増大する。したがって回転数を上げるなどの操作で、ポンプの出力を大きくした場合は、回転軸に付与されるアキシャル力が増大する。増大したアキシャル力に対して支持を行うためにはアキシャル磁気軸受を大型化して対応せざるを得ないので、さらに軸寸法は長くなる。   Further, during operation, a normal centrifugal pump generates a fluid force in the suction direction (axial direction), increasing the load on the axial bearing. Therefore, when the output of the pump is increased by an operation such as increasing the rotational speed, the axial force applied to the rotating shaft increases. In order to support the increased axial force, the axial magnetic bearing must be enlarged to cope with it, so that the shaft dimension becomes longer.

また、回転軸端に羽根車やアキシャル磁気軸受をつけた場合は、回転軸中央にこれらがある場合に比べて、回転軸の曲げ周波数が低下するので、曲げ周波数で決まる回転速度限界が低下してしまうという問題がある。さらに、回転軸の曲げによる偏心量が大きくなるので、回転軸の重量アンバランスが増大し、高速回転では大きな振動が発生する場合がある。   In addition, when an impeller or an axial magnetic bearing is attached to the end of the rotating shaft, the rotational frequency limit determined by the bending frequency is reduced because the bending frequency of the rotating shaft is lower compared to the case where these are in the center of the rotating shaft. There is a problem that it ends up. Furthermore, since the amount of eccentricity due to bending of the rotating shaft increases, the weight imbalance of the rotating shaft increases, and a large vibration may occur at high speed rotation.

また、遠心ポンプは回転数の上昇に伴い出力が増大するので、同出力ならば、高速回転運転により羽根車は小型化できる。この小型化により、回転体の重量を軽減でき、軸の共振周波数が上昇し、磁気浮上制御が容易になる。しかしながら、ポンプの高速運転はキャビテーションを誘引し、羽根車の破損につながるので、回転速度の高速化には限界がある。   Further, since the output of the centrifugal pump increases as the rotational speed increases, the impeller can be reduced in size by high-speed rotation operation if the output is the same. This downsizing can reduce the weight of the rotating body, increase the resonance frequency of the shaft, and facilitate magnetic levitation control. However, high-speed operation of the pump induces cavitation and leads to breakage of the impeller, so there is a limit to increasing the rotational speed.

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、高速運転が可能で、小型コンパクト化した構造の流体搬送機械を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fluid conveyance machine having a compact and compact structure capable of high-speed operation.

本発明の流体搬送機械は、回転軸に両吸込型の羽根車を備え、該羽根車を取囲むように配置したポンプケーシングと共に両吸込型のポンプを構成し、前記回転軸は、ラジアル磁気軸受機能とモータ機能を兼ね備えた磁気浮上モータにより非接触支持されると共に回転駆動され、前記両吸込型のポンプは、前記回転軸をアキシャル方向に位置決めする圧力バランス機構を備えたことを特徴とするものである。   The fluid conveyance machine of the present invention includes a double suction type impeller on a rotary shaft, and constitutes a double suction type pump together with a pump casing arranged so as to surround the impeller, and the rotary shaft is a radial magnetic bearing. A non-contact supported and rotationally driven by a magnetic levitation motor having both a function and a motor function, wherein the both suction pumps are provided with a pressure balance mechanism for positioning the rotating shaft in the axial direction. It is.

上記本発明によれば、回転軸が磁気浮上モータによりラジアル方向に非接触支持されるとともに、両吸込型ポンプの圧力バランス機構によりスラスト方向に位置決めされるので、アキシャル軸受および回転軸のアキシャルディスクを省略することができる。このため、回転軸の軸長を短縮することができる。また、回転軸は磁気浮上モータにより非接触支持されるので、軸受の摩擦・摩耗が発生せず、さらに回転軸の短縮による曲げ周波数で決まる回転速度限界が上昇し、高速運転に適した構造が得られる。そして、両吸込型の羽根車を備えたポンプを配置することで、キャビテーションが発生し始める回転速度を上昇することができ、これにより高速運転を行ってもキャビテーションが発生し難く、安定したポンプの高速運転が可能となる。そして、回転速度の高速化によりポンプの高出力化、小型コンパクト化を達成することができる。   According to the present invention, the rotary shaft is supported in the radial direction in a non-contact manner by the magnetic levitation motor, and positioned in the thrust direction by the pressure balance mechanism of both suction pumps. Can be omitted. For this reason, the axial length of a rotating shaft can be shortened. In addition, since the rotating shaft is supported in a non-contact manner by a magnetic levitation motor, bearing friction and wear do not occur, and the rotational speed limit determined by the bending frequency increases due to the shortening of the rotating shaft, making the structure suitable for high-speed operation. can get. By arranging a pump equipped with both suction type impellers, the rotational speed at which cavitation begins to occur can be increased, which makes it difficult for cavitation to occur even at high speed operation, and a stable pump. High speed operation is possible. Further, by increasing the rotational speed, it is possible to achieve high output and small size of the pump.

ここで、前記両吸込型のポンプは、前記回転軸のほぼ中央に配置され、該回転軸の前記ポンプの両側に二台の前記磁気浮上モータが配置されていることが好ましい。これにより、軸固有値の周波数が上昇し、浮上安定領域が高い周波数まで拡大し、浮上安定性の向上に寄与することができる。   Here, it is preferable that the both suction type pumps are arranged at substantially the center of the rotary shaft, and the two magnetic levitation motors are arranged on both sides of the pump of the rotary shaft. As a result, the frequency of the axis eigenvalue is increased, and the levitation stability region is expanded to a higher frequency, which can contribute to the improvement of levitation stability.

また、前記ポンプケーシングが、ダブルボリュートを備えることが好ましい。これにより、回転体に作用する流体力のラジアル成分を減らすことができ、エネルギー損失の低減を図ることができる。また、前記ポンプケーシングが、ディフューザを備えるようにしてもよい。これによっても、回転体に作用する流体力のラジアル成分を減らすことができ、エネルギー損失の低減を図ることができる。   The pump casing preferably includes a double volute. Thereby, the radial component of the fluid force acting on the rotating body can be reduced, and energy loss can be reduced. The pump casing may include a diffuser. Also by this, the radial component of the fluid force acting on the rotating body can be reduced, and energy loss can be reduced.

また、前記回転軸をアキシャル方向に位置決めする圧力バランス機構は、前記両吸込型の羽根車の両側とケーシングとの間に一対の可変の隙間を備え、該一対の可変の隙間の大きさにより、前記両吸込型の羽根車の両側における圧力のバランスを取ることが好ましい。これにより、アキシャルディスクおよびアキシャル軸受を用いることなく、ポンプ羽根車を備えた回転軸をアキシャル方向に容易に且つ確実に位置決めすることができる。   Further, the pressure balance mechanism for positioning the rotating shaft in the axial direction includes a pair of variable gaps between the both sides of the both suction type impellers and the casing, and the size of the pair of variable gaps, It is preferable to balance the pressure on both sides of the both suction type impellers. Thereby, the rotary shaft provided with the pump impeller can be easily and reliably positioned in the axial direction without using an axial disk and an axial bearing.

総じて本発明によれば、軸長を短縮し、キャビテーションの影響を最小限に抑え、高速運転を可能とし、これにより小型コンパクト化すると共に高出力化したポンプ等の流体搬送機械を提供することができる。   In general, according to the present invention, it is possible to provide a fluid conveyance machine such as a pump that shortens the shaft length, minimizes the influence of cavitation and enables high-speed operation, thereby reducing the size and size and increasing the output. it can.

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の機能を有する部材または要素には同一の符号を付して、その重複した説明を省略する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the member or element which has the same function, and the duplicate description is abbreviate | omitted.

図1は、本発明の一実施形態の両吸込型のポンプ(流体搬送機械)を示す。流体搬送機械は、中央部に両吸込型のポンプ16を備え、その回転軸11がポンプ16の両側に配置された磁気浮上モータ12,13により回転駆動されると共にラジアル磁気軸受として非接触支持されている。磁気浮上モータ12,13の両側には変位センサ19が配置され、計測した回転軸11の変位に基づいて図示しないコントローラにより、磁気浮上モータを制御し、回転軸11を所定位置に浮上支持する。変位センサ19のさらに両側には、タッチダウン軸受20が配置されている。   FIG. 1 shows a double suction pump (fluid transfer machine) according to an embodiment of the present invention. The fluid conveyance machine includes a double suction pump 16 at the center, and its rotary shaft 11 is rotationally driven by magnetic levitation motors 12 and 13 disposed on both sides of the pump 16 and is supported in a non-contact manner as a radial magnetic bearing. ing. Displacement sensors 19 are arranged on both sides of the magnetic levitation motors 12 and 13, and the magnetic levitation motor is controlled by a controller (not shown) based on the measured displacement of the rotary shaft 11, and the rotary shaft 11 is levitated and supported at a predetermined position. Touch-down bearings 20 are disposed on both sides of the displacement sensor 19.

両吸込型ポンプ16は、左右対称の羽根車21を備え、左右両側から軸方向に吸い込んだ流体を遠心方向(半径方向および外周の接線方向)に加圧する遠心ポンプである。すなわち、吸込口17から吸い込まれた流体は、ポンプケーシング31の両側の流路17a,17bを流れ、ケーシングの開口部16aからポンプ室16b内に軸方向に流れ、羽根車21により遠心方向に加圧され、図2に示すダブルボリュート22を経て吐出口18より吐出される。   Both suction type pumps 16 are centrifugal pumps that are provided with symmetrical impellers 21 and pressurize the fluid sucked in the axial direction from both the left and right sides in the centrifugal direction (radial direction and tangential direction of the outer periphery). That is, the fluid sucked from the suction port 17 flows through the flow paths 17a and 17b on both sides of the pump casing 31, flows axially into the pump chamber 16b from the opening 16a of the casing, and is added in the centrifugal direction by the impeller 21. And discharged from the discharge port 18 through the double volute 22 shown in FIG.

図2は、このポンプ16の要部の断面構成を示す。回転軸11には両吸込型の羽根車21が固着され、羽根車21の回転により遠心方向に加圧された流体をボリュート22を介して吐出口18に導く。ボリュート22には隔壁23を備え、これにより2本のボリュート22a,22bを形成することができ、全体としてダブルボリュートとなっている。ボリュート22a,22bは、それぞれの流入口A,Bを備え、この流入口A,Bは回転軸に対して、180゜回転した回転対称位置に配置されている。このようにケーシング内部のボリュート流入口A,Bを2箇所に備えたダブルボリュートタイプにすることで、羽根車により加圧される流体力のラジアル方向成分を大幅に減らすことができる。これによりポンプの効率を高めることができ、静粛な運転が可能となる。   FIG. 2 shows a cross-sectional configuration of the main part of the pump 16. A double suction impeller 21 is fixed to the rotary shaft 11, and the fluid pressurized in the centrifugal direction by the rotation of the impeller 21 is guided to the discharge port 18 through the volute 22. The volute 22 is provided with a partition wall 23, whereby two volutes 22a and 22b can be formed, and the whole is a double volute. The volutes 22a and 22b are provided with respective inlets A and B, and the inlets A and B are arranged at rotationally symmetric positions rotated by 180 ° with respect to the rotation axis. Thus, by using the double volute type having two volute inlets A and B inside the casing, the radial component of the fluid force pressurized by the impeller can be greatly reduced. As a result, the efficiency of the pump can be increased, and a quiet operation becomes possible.

図3は、ポンプケーシング内部の拡大断面構成を示す。上述したように回転軸11に固着された羽根車21は、両吸込型の左右対称の構造を有しており、軸方向に左右両側のケーシング31の開口部16aから吸込んだ流体を回転する羽根車21の羽根(ブレード)により遠心方向に加圧し、上述したようにダブルボリュート22(22a,22b)を経て吐出口18より吐出する。   FIG. 3 shows an enlarged cross-sectional configuration inside the pump casing. As described above, the impeller 21 fixed to the rotating shaft 11 has a both-suction type left-right symmetrical structure, and the blade that rotates the fluid sucked from the openings 16a of the casings 31 on the left and right sides in the axial direction. Pressure is applied in the centrifugal direction by the blades (blades) of the wheel 21 and the air is discharged from the discharge port 18 through the double volute 22 (22a, 22b) as described above.

すなわち、両吸込型のポンプ16においては、回転軸11の軸方向に沿って左右両側から流体が吸い込まれ、回転する羽根車21によりシュラウド32,32の内部を半径方向(および外周の接線方向)に流体が加圧される。したがって、アキシャル方向の軸推力(スラスト力)は左右均等に生じるため、基本的にアキシャル軸受は不要である。そして、このポンプ16においては、回転軸11を両吸込型のポンプ16によりアキシャル方向に位置決めする圧力バランス機構を備えている。   That is, in the double suction type pump 16, fluid is sucked in from the left and right sides along the axial direction of the rotating shaft 11, and the inside of the shrouds 32, 32 is radial (and the tangential direction of the outer periphery) by the rotating impeller 21. The fluid is pressurized. Therefore, axial thrust (thrust force) in the axial direction is evenly generated on the left and right, so that basically no axial bearing is required. The pump 16 is provided with a pressure balance mechanism for positioning the rotary shaft 11 in the axial direction by the double suction pump 16.

羽根車21には左右対称のシュラウド32,32を備え、その凸部32a,32bがそれぞれケーシング31の内面と対面し、それぞれ隙間を形成している。すなわち、シュラウド32の凸部32aとケーシング31の内側面との間に一対の隙間CALおよびCARが形成され、加圧された流体が羽根車の吸込側に戻る隙間抵抗を構成している。同様に、シュラウド32の凸部32bとケーシング31の内周面との間にも一対の隙間C,Cが形成され、同様に加圧流体の吸込側への戻り流路の隙間抵抗を構成している。 The impeller 21 includes left and right symmetric shrouds 32 and 32, and the convex portions 32 a and 32 b face the inner surface of the casing 31 to form gaps. That is, a pair of gaps CAL and CAR are formed between the convex portion 32a of the shroud 32 and the inner side surface of the casing 31, and constitute a gap resistance in which the pressurized fluid returns to the suction side of the impeller. . Similarly, a pair of clearance C R also between the inner circumferential surface of the convex portion 32b and the casing 31 of the shroud 32, C R is formed, the gap resistance of the return flow path to the suction side of the similarly pressurized fluid It is composed.

この圧力バランス機構の動作は次の通りである。仮に、回転軸11が図中左側に移動すると、左側の隙間CALが小さくなり、右側の隙間CARが大きくなる。したがって、室35Lの圧力Pが高くなり、一方、室35Rの圧力Pが小さくなる。このため、この圧力P,Pの大小差により、シュラウド32,32とこれに固定された回転軸11が室35L,35Rの略中央部に戻され、ここに位置決めされる。なお、シュラウド32の凸部32bはケーシング31の内周面31bに沿って十分な軸方向長さが存在するので、回転軸11が軸方向に移動しても隙間Cを一定に保つことができる。これにより、ポンプで加圧された流体の室35L,35Rへの戻り流路における隙間抵抗を一定に保つことができる。 The operation of this pressure balance mechanism is as follows. If the rotating shaft 11 moves to the left side in the figure, the left gap CAL becomes smaller and the right gap CAR becomes larger. Accordingly, the pressure P L of the chamber 35L is increased, whereas the pressure P R of the chamber 35R is reduced. Therefore, the pressure P L, the magnitude difference between the P R, the rotation shaft 11 fixed thereto and the shroud 32, 32 chambers 35L, is returned to the substantially central portion of the 35R, are positioned here. Incidentally, the convex portion 32b of the shroud 32 has sufficient axial length to lie along the inner peripheral surface 31b of the casing 31, that the rotation shaft 11 is kept constant the clearance C R be moved in the axial direction it can. Thereby, the clearance resistance in the return flow path to the fluid chambers 35L and 35R of the fluid pressurized by the pump can be kept constant.

次に、キャビテーションについて検討する。通常のいわゆる片吸込ポンプでは、キャビテーション発生限界の指標となる吸込比速度Sは、その要求有効吸込ヘッド:HNPSH[m]、流量:Q[m/min]と回転速度n[min−]を用いて

Figure 2005171825
で求められる。 Next, consider cavitation. In a normal so-called single suction pump, the suction specific speed S, which serves as an index of the cavitation generation limit, is determined by its required effective suction head: H NPSH [m], flow rate: Q [m 3 / min], and rotational speed n S [min− 1 ]
Figure 2005171825
Is required.

両吸込ポンプはアキシャル方向に対称な形状であり、軸に対して両方向が吸込口であることを特徴としており、その回転速度をnとすると、吸込比速度を

Figure 2005171825
により求めることができる。同じ揚程かつ同じ流量の片吸込ポンプと両吸込ポンプでは、それぞれのキャビテーション発生限界の回転速度は上の2つの式より
Figure 2005171825
で関係づけられる。これにより両吸込ポンプにおいては、理論上、キャビテーションが発生し始める回転速度は片吸込ポンプに比べ√2倍になり、その分だけ高速回転が実用上可能になることを意味している。 Double-suction pumps are symmetrical in axial direction, it is characterized in that both with respect to the axis is suction port is the rotational speed and n d, the suction specific speed
Figure 2005171825
It can ask for. For single suction pumps and double suction pumps with the same head and flow rate, the rotational speed of each cavitation generation limit is
Figure 2005171825
Are related. As a result, in both the suction pumps, the rotational speed at which cavitation starts theoretically becomes √2 times that in the single suction pump, which means that high speed rotation is practically possible.

次に、磁気浮上モータ12,13による回転軸の支持および駆動について説明する。磁気浮上モータ12,13は、ステータ14に備えた図示しない巻線により極数が±2異なる2つの回転磁界を形成し、回転軸11に固着されたロータ15を回転駆動すると共に磁気浮上支持するものである。すなわち、ステータ14に例えば2極と4極の回転磁界を形成することで、2極の回転磁界によりモータとしてロータ15を回転駆動すると共に、2極の回転磁界と4極の回転磁界との重畳により半径方向の静止磁束分布が形成され、この大きさを制御することによりラジアル磁気軸受として回転軸11を任意の位置に浮上支持することができる。   Next, support and driving of the rotating shaft by the magnetic levitation motors 12 and 13 will be described. The magnetic levitation motors 12 and 13 form two rotating magnetic fields having a number of poles different by ± 2 by windings (not shown) provided on the stator 14, and rotationally drive the rotor 15 fixed to the rotating shaft 11 and support the magnetic levitation. Is. That is, by forming, for example, a two-pole and four-pole rotating magnetic field on the stator 14, the rotor 15 is driven to rotate as a motor by the two-pole rotating magnetic field, and the two-pole rotating magnetic field and the four-pole rotating magnetic field are superimposed. Thus, a static magnetic flux distribution in the radial direction is formed, and by controlling the magnitude, the rotary shaft 11 can be levitated and supported at an arbitrary position as a radial magnetic bearing.

なお、回転軸11の浮上位置の制御は、変位センサ19により回転軸の位置を検出し、所定の位置に回転軸11を支持するように図示しない制御装置によりステータ14に供給する4極回転磁界(制御磁界)の大きさおよび位相を調整することにより行うことができる。   The floating position of the rotating shaft 11 is controlled by a quadrupole rotating magnetic field supplied to the stator 14 by a control device (not shown) so that the position of the rotating shaft is detected by the displacement sensor 19 and the rotating shaft 11 is supported at a predetermined position. This can be done by adjusting the magnitude and phase of the (control magnetic field).

独立したモータと磁気軸受に代わり、磁気浮上モータを採用することにより、部品点数を減らせるだけではなく、回転軸長の短縮が可能になる。これにより、高速回転やコスト面の向上が達成される。なお、磁気浮上モータ12,13による回転軸11の非接触支持は、ラジアル方向についてのみであるが、回転体を完全非接触で支持する場合は、従来技術ではさらにアキシャル磁気軸受が必要である。
一般的なアキシャル磁気軸受の構造は、軸に固定された円盤と、その円盤を軸方向から挟み込むように対向配置された電磁石により構成される。アキシャル磁気軸受を有する回転機械の構成では、回転軸全長が長くなる。このため軸の危険周波数が低下し、高速回転が困難になることは上述したとおりである。また、アキシャル軸受を追加したため、回転体の表面積が増えることになり、表面積増加に伴い、回転体を取り巻く流体の摩擦損失が増加し、その結果、機器のエネルギー損失も大きくなる。
By adopting a magnetic levitation motor instead of an independent motor and magnetic bearing, not only the number of components can be reduced, but also the rotational axis length can be shortened. As a result, high-speed rotation and cost improvements are achieved. Note that the non-contact support of the rotating shaft 11 by the magnetic levitation motors 12 and 13 is only in the radial direction. However, when the rotating body is supported in a completely non-contact manner, an axial magnetic bearing is further required in the prior art.
The structure of a general axial magnetic bearing is composed of a disk fixed to a shaft and electromagnets arranged to face each other so as to sandwich the disk from the axial direction. In the configuration of a rotary machine having an axial magnetic bearing, the entire length of the rotary shaft becomes long. For this reason, the dangerous frequency of the shaft is lowered, and high-speed rotation becomes difficult as described above. Further, since the axial bearing is added, the surface area of the rotating body increases, and as the surface area increases, the friction loss of the fluid surrounding the rotating body increases, and as a result, the energy loss of the device also increases.

しかしながら、上述した圧力バランス機構を備えた両吸込ポンプ16を磁気浮上モータ12,13と組合せることにより、アキシャル磁気軸受が完全に不要となる。この結果、回転軸を短縮できるので、共振周波数を高くすることができ、また、アキシャル磁気軸受部分で発生していた流体損失を皆無にできる。さらに両吸込ポンプ16を軸中央に配置し、その両端に磁気浮上モータ12,13を配置することで、軽量・コンパクトな装置となり、回転軸の重量アンバランスをなくすことができる。その結果、軸固有値の周波数が上昇し、回転体の浮上安定性に寄与することができる。   However, by combining the suction pumps 16 having the pressure balance mechanism described above with the magnetic levitation motors 12 and 13, the axial magnetic bearing is completely unnecessary. As a result, the rotating shaft can be shortened, so that the resonance frequency can be increased, and the fluid loss that has occurred in the axial magnetic bearing portion can be eliminated. Further, by arranging both the suction pumps 16 at the center of the shaft and the magnetic levitation motors 12 and 13 at both ends thereof, a light and compact device can be obtained, and the weight imbalance of the rotating shaft can be eliminated. As a result, the frequency of the shaft eigenvalue increases, which can contribute to the floating stability of the rotating body.

この配置で、さらにポンプ両側に位置するモータの寸法を等しくすれば、回転軸11はポンプ部分を含めて完全に軸方向に対称な構造にすることができ、軸固有値は、同一軸長なら最大値をとることができる。加えて、二台の磁気浮上モータの寸法が等しいことで、二台の磁気浮上モータの軸支持剛性が完全に一致するので、軸受アンバランスが発生せず、高速回転が容易になる。また、二台のモータ構造を同一にすることにより、量産効果が生じる。   If the dimensions of the motors located on both sides of the pump are made equal in this arrangement, the rotary shaft 11 can be made to be completely symmetrical in the axial direction including the pump portion. Can take a value. In addition, since the two magnetic levitation motors have the same dimensions, the shaft support rigidity of the two magnetic levitation motors is completely matched, so that no bearing imbalance occurs and high-speed rotation is facilitated. Further, by making the two motor structures the same, a mass production effect is produced.

さらにポンプケーシングを上述したダブルボリュートタイプにすることで、回転体に作用する流体力のラジアル成分を大幅に減らすことができ、これにより、磁気浮上支持される回転体のラジアル変位は微小となり、振動の少ない流体搬送機械を提供できる。このラジアル方向の振動低減の効果は、上述ようなダブルボリュートケーシングの形状でなくても、図4に示すような適正に配置されたディフューザ26によっても、回転体に作用する流体力のラジアル成分を大幅に減らすことができ、同様な効果を得ることもできる。   Furthermore, by making the pump casing into the double volute type described above, the radial component of the fluid force acting on the rotating body can be greatly reduced. As a result, the radial displacement of the rotating body supported by magnetic levitation becomes minute and vibrations It is possible to provide a fluid transfer machine with a small amount. The effect of reducing the vibration in the radial direction is that the radial component of the fluid force acting on the rotating body is not affected by the shape of the double volute casing as described above, but also by the properly arranged diffuser 26 as shown in FIG. It can be greatly reduced and a similar effect can be obtained.

以上の説明から明らかなように、両吸込ポンプと磁気浮上モータを組み合わせたことで、アキシャル磁気軸受を不要とすることができ、軸長を短くすることが可能となり、軽量、コンパクトな流体搬送機械を提供することができる。さらにこの軸長短縮と両吸込ポンプのキャビテーションの発生し難さが相まって、従来に比べて高速回転が可能になるので、ポンプ部分の小型化・高出力化にも有用である。   As is clear from the above description, the combination of both suction pumps and a magnetic levitation motor eliminates the need for an axial magnetic bearing, shortens the shaft length, and is a lightweight and compact fluid transfer machine. Can be provided. In addition, the reduction in shaft length and the difficulty of generating cavitation in both suction pumps make it possible to rotate at a higher speed than before, which is useful for reducing the size of the pump and increasing the output.

尚、上記実施形態は本発明の実施例の一態様を述べたもので、本発明の趣旨を逸脱することなく種々の変形実施例が可能なことは勿論である。   In addition, the said embodiment described one aspect | mode of the Example of this invention, Of course, a various deformation | transformation Example is possible, without deviating from the meaning of this invention.

本発明の一実施形態の流体搬送機械の正面断面図である。It is front sectional drawing of the fluid conveyance machine of one Embodiment of this invention. 図1に示す流体搬送機械のボリュート部分の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the volute part of the fluid conveyance machine shown in FIG. 図1に示す流体搬送機械のポンプ内部の構成例を示す正面断面図である。It is front sectional drawing which shows the structural example inside the pump of the fluid conveyance machine shown in FIG. 図1に示す流体搬送機械のボリュート部分の他の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the other structural example of the volute part of the fluid conveyance machine shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

11 回転軸
12,13 磁気浮上モータ
14 ステータ
15 ロータ
16 両吸込型ポンプ
16a 開口部
16b ポンプ室
17 吸込口
17a,17b 流路
18 吐出口
19 変位センサ
21 羽根車
22,22a,22b ボリュート
23 隔壁
26 ディフューザ
31 ケーシング
31b ケーシングの内周面
32 シュラウド
32a,32b 凸部
35L,35R 室
AL,CAR,C 隙間
,P 圧力
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Rotating shafts 12 and 13 Magnetic levitation motor 14 Stator 15 Rotor 16 Both suction type pump 16a Opening part 16b Pump chamber 17 Suction port 17a, 17b Flow path 18 Discharge port 19 Displacement sensor 21 Impeller 22, 22a, 22b Volute 23 Partition 26 the diffuser 31 casing 31b the inner peripheral surface 32 the shroud 32a of the casing, 32b convex portion 35L, 35R chamber C AL, C AR, C R clearance P L, P R pressure

Claims (6)

回転軸に両吸込型の羽根車を備え、該羽根車を取囲むように配置したポンプケーシングと共に両吸込型のポンプを構成し、
前記回転軸は、ラジアル磁気軸受機能とモータ機能を兼ね備えた磁気浮上モータにより非接触支持されると共に回転駆動され、
前記両吸込型のポンプは、前記回転軸をアキシャル方向に位置決めする圧力バランス機構を備えたことを特徴とする流体搬送機械。
A rotary suction shaft is provided with a double suction impeller, and a double suction pump is configured with a pump casing arranged so as to surround the impeller,
The rotating shaft is non-contact supported and rotated by a magnetic levitation motor having a radial magnetic bearing function and a motor function,
The both-suction type pump includes a pressure balance mechanism for positioning the rotating shaft in an axial direction.
前記両吸込型のポンプは、前記回転軸のほぼ中央に配置され、該回転軸の前記ポンプの両側に二台の前記磁気浮上モータが配置されていることを特徴とする請求項1記載の流体搬送機械。   2. The fluid according to claim 1, wherein the both suction type pumps are arranged at substantially the center of the rotary shaft, and the two magnetic levitation motors are arranged on both sides of the pump of the rotary shaft. Conveying machine. 前記ポンプケーシングが、ダブルボリュートを備えたことを特徴とする請求項1または2記載の流体搬送機械。   The fluid conveying machine according to claim 1, wherein the pump casing includes a double volute. 前記ポンプケーシングが、ディフューザを備えたことを特徴とする請求項1または2記載の流体搬送機械。   The fluid transport machine according to claim 1, wherein the pump casing includes a diffuser. 前記回転軸をアキシャル方向に位置決めする圧力バランス機構は、前記両吸込型の羽根車の両側とケーシングとの間に一対の可変の隙間を備え、該一対の可変の隙間の大きさにより、前記両吸込型の羽根車の両側における圧力のバランスを取ることを特徴とする請求項1または2記載の流体搬送機械。   The pressure balance mechanism that positions the rotating shaft in the axial direction includes a pair of variable gaps between both sides of the both suction type impellers and the casing. The fluid conveying machine according to claim 1 or 2, wherein the pressures on both sides of the suction type impeller are balanced. 前記磁気浮上モータは、ステータに極数が±2異なる2つの回転磁界を形成し、ロータを回転駆動すると共に磁気浮上支持するものであることを特徴とする請求項1または2記載の流体搬送機械。
3. The fluid conveyance machine according to claim 1, wherein the magnetic levitation motor forms two rotating magnetic fields having a number of poles different by ± 2 in the stator, and rotationally drives the rotor and supports the magnetic levitation. 4. .
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