高圧ポンプの基本形
図1は，火力発電プラント用ボイラ給水ポンプ（BFP） です。このポンプは背面合わせ羽根車配列で軸方向スラ ストのバランスを取り，高圧対応として二重胴を採用し ています。図2では水の流れを説明しています。 高圧ポンプの構造は，多段ポンプであるが故の技術“軸 方向スラストのバランス”と，より高圧に対する対応技 術“二重胴”が基本となります。ここでは，その技術を 少し詳しく説明します。 羽根車が液中で回転すると遠心力によって羽根車出口 圧力（揚程）が高くなりますが，この圧力によって羽根 車形状寸法に見合った軸方向スラスト（軸方向荷重）が 発生します。 多段ではそれぞれの羽根車に同様のスラストが発生す るため，羽根車が同一方向配列の場合，スラスト軸受に 非常に大きな荷重が作用します。そのため特殊なスラス トバランス装置を装備するか，羽根車の配列を背面合わ せにして羽根車同士でスラストを相殺する方法が採用さ れます（詳細後述）。前者がSS型（横形輪切り多段タービン ポンプ），後者が SP 型（水平割多段渦巻ポンプ）です。 加えて，SS型は案内羽根（ガイドベーン）付き輪切りケー シング，SP型は水平割渦巻ケーシング構造です。これら をより高圧対応とするため二重胴としたものがそれぞれ高圧ポンプ
−技術と構造編−
縁の下の力持ち
スラスト軸受 バランススリーブ ラジアル軸受 吐出しカバー 外胴 吐出しノズル 内胴（内部ケーシング） 吸込フランジ ラジアル軸受 主軸 初段羽根車 両吸込 初段スリーブ 中央羽根車ステージピース部 図 1 ボイラ給水ポンプの構造（HDB型） 2 1 3 5 4 図 2 ボイラ給水ポンプの水の流れ（HDB型） 高圧ポンプがその活躍場所で安定した運転をするためには，高圧ポンプ特有の技術“バランス”と“高圧対応”が必要 です。この技術が高圧ポンプの基本となります。そこで，その技術と構造の関係の概要を説明します。高圧ポンプ−技術と構造編− DC型，及び図1・2に示すHD（S）B型（HDB：初段両 吸込，HSB：初段片吸込，以後まとめて HDB と記載） であり，これら代表 4 種類がエバラ高圧ポンプの基本形 となります。大まかな比較を表に示します。なお，応用 型で SSP 型，SPR 型，SPRB 型，SPL 型，及び原子力発 電用給水ポンプ（RFP）に特化した両吸込単段二重胴渦 巻ポンプ（HDR 型）や，BFP 用ブースタポンプとして 使用する場合の単段一重胴渦巻のKS 型なども高圧ポン プの仲間として扱います。
高圧ポンプの構造
（1）羽根車に作用する軸方向スラスト 図 3，4 それぞれに両吸込及び片吸込羽根車とそれら に作用する圧力分布（青色及び緑色矢印）と軸方向スラ ストの方向及び定性的大きさ（朱色矢印）を示します。 仕事中の羽根車には，吸込圧力が作用する部分と，吐 出し圧力が作用する部分があり，この境界は狭い隙間を 有する摺動部によって仕切られます。両吸込（図3）では， 右側の摺動径を左側のそれより小さくして，吐出し圧力 の作用する範囲を広くすることによって，羽根車全体を 左側に押すスラストを発生させています。一般的な単段 両吸込ポンプは摺動径を左右対称として，理論的スラス トをゼロとしますが，軸を安定させるため，あえてスラ ストをかける場合があります。多段の高圧ポンプでは， 摺動部：直径小 ΔP 摺動部：直径大 吐出し圧力 吸込圧力 吸込圧力 軸方向スラスト発生 軸方向スラスト発生 吐出し圧力 図 3 両吸込羽根車 摺動部：直径大 吐出し圧力 吐出し圧力 吸込圧力 軸方向スラスト発生 軸方向スラスト発生 吐出し圧力 ΔP 摺動部：直径小 次の段 前の段 図 4 片吸込羽根車 表 エバラ高圧ポンプの基本形 型式 ※1 羽根車配列 軸方向 スラスト 平衡方法 ケーシング メンテナンス方法 温度・ 圧力※2 断面図 選定目安 SPD SP 背面 合わせ バランススリーブ 水平割 多段 渦巻型 一重胴 現場で実施することが可能 150 ℃ 15 MPa メンテナンス性重視 HDB HSB 二重胴 50 MPa400 ℃ SSD SS 一方向 配列 ※3 バランス ピストン + バランス ディスク 輪切り多段 タービン 型 一重胴 ケーシング ガイドベーン 羽根車 ケーシング ケーシング，ガイドベーン，羽根車を段数 ごとに順次分解する，多くは工場に搬入 200 ℃ 20 MPa 製造コスト重視 DCD DC 同上 二重胴 35 MPa400 ℃ ※1）初段片吸込：SP型，HSB型，SS型，DC型，初段両吸込：SPD型，HDB型，SSD型，DCD型 ※2）上限目安値であり，一部上記数値を超えた実績あり ※3）大型はピストンだけ及びスラスト軸受容量アップ必ず左右径を変えて主軸に対して決まった方向にスラス トをかけて主軸に固定しています。 片吸込（図4）の場合は，羽根車吸込側と反対側に吐 出し圧（次の段の吸込圧となる）が作用するため，大き なスラストが左側（吸込側）に向かって作用します。 （2）同一方向配列（SS型＆DC型） 輪切り多段タービンポンプの羽根車は図5に示すよう に全段同一方向に配列されるため，羽根車による合計ス ラストは非常に大きくなります。 このスラストを特殊で大掛かりなバランス装置で相殺 する方法が採用されます。この装置はバランスピストン とバランスディスクというもので構成されており，理論 的に理想的なバランス方法と考えられています。 図6-1はバランス装置と終段羽根車部の部分構造を示 しています，図6-2グラフ上の曲線はバランスディスク と，それに対向するバランスシートとの隙間変化に対す るバランスピストン+ディスクの合計荷重変化を示して います。羽根車全段の合計荷重は水平線で示され，羽根 車荷重は左向き，バランスピストン＋ディスク荷重は右 向きで，両者の交点が回転体のスラストが釣り合う位置 になります。羽根車の荷重（水平線）は運転中の流量変 動によってグラフ上を上下に変化します。 羽根車荷重が増加すると図6-2の水平線は上方向に移 動し，バランスディスク荷重曲線との交点は左へ移動し ます。図6-3のように羽根車荷重が増加することによっ て，羽根車及びバランスピストン＋ディスクの取り付け られている回転体が左へ移動し，バランスディスクと ケーシングに固定されたバランスシートの隙間が小さく なり，この隙間からの漏れが減少し，バランス中間室の 圧力が増加して，バランスディスク荷重が増加します。 反対に，図6-4は羽根車荷重が減少して交点が右に移動 した場合で，バランスディスクとバランスシートの隙間 が大きくなり，この隙間からの漏れも増加し，バランス 中間室の圧力が下がり，バランス荷重が減少します。こ うしたメカニズムによって，変動する羽根車荷重にバ ランス荷重が釣り合うよう，それぞれ行き過ぎを修正し て常に新しい交点に戻ろうとします。この動作が理想的 なバランス方法といわれるゆえんです。 一方，バランスシートの固定用土台となるケーシング が配管荷重や熱不均一によって変形した場合には，バ ランスシートもそれに応じて傾くことになります。 バランスディスクは，シート面に対して常に平行にな ろうと回転しながら働いており，しかもこのディスクは 二つ割りリングを介して主軸に固定されているため，こ のような場合には，主軸に対してディスクの直角度が狂 うことになり，主軸の荷重受け部（具体的には二つ割り リング溝コーナ部）に過大な曲げ応力が発生する可能性 があります。 この可能性は，ケーシングそのものや主軸及びディス ク等の加工精度（直角度，平行度）が設計許容値を外れ た場合にも同様の懸念があります。 また，当該部の隙間は0.1 mm前後と非常に狭いため流 体内に混在する異物を嫌います。これらに対して加工精 度，組立精度，使用材料・硬度及びメンテナンスにおけ る当該部分の検査等にも慎重な配慮が必要となります。 （3）背面合わせ配列（SP型＆HDB型） 水平割多段渦巻ポンプの羽根車は図7に示すように背 F1∼F5：羽根車軸方向スラスト FB：バランスピストン＋ディスクのスラスト F1∼F5 ，FB：全段羽根車スラストをバランスピストン＋ディスクで相殺 吸込へ 吸込 吐出し 図 5 同一向き配列羽根車の軸方向スラストバランス バランスシート バランスディスク 二つ割リング 主軸 B Pbal Pmed Pdis Fimp F p Fd （≒Psuc） 隙間 バランスピストン 羽根車 Pdis ：吐出し圧力 Pmed ：バランス中間室圧力 Pbal ：バランス出口室圧力（≒吸込圧力） Psuc ：吸込圧力 Fimp ：羽根車スラスト Fp ：バランスピストンスラスト Fd ：バランスディスクスラスト バランスピストン ＋ディスク バランスピストン ＋ディスク 図6-3 図6-1 図6-2 図6-4 隙間 ⇒ 増 ↓ ↓ ↓ バランス中間室圧 （低下） 漏れ量 （増加） バランスディスク荷重 （減少） 隙間 ⇒少 ↓ ↓ ↓ 漏れ量 （減少） バランス中間室圧 （上昇） バランスディスク荷重 （増加） Fd Fp＋Fd＞Fimp F 移動 荷重 0 Fimp＞Fp＋Fd Fp Fimp 釣合点 隙間B Fp＋Fd 変化 図 6 バランスディスクの動作原理
高圧ポンプ−技術と構造編− 面合わせに配列されるため，片吸込の羽根車同士は左右 でスラストが相殺されます。初段両吸込の場合のスラス トは前述（1）の考え方に基づいて計算，その他初段スリー ブ，バランススリーブ，中央部羽根車ステージピース部 （それぞれ冒頭の図1に記載）及び片吸込が奇数段で残っ た1段羽根車など，相殺されない部分はそれぞれ受圧面 積と圧力差から計算し，回転体全体としてバランスする よう摺動直径を設計します。 主軸に作用するスラストが分散されることと，バラン スディスクを装備しないことで，前述の輪切り形に対し て主軸の設計は比較的単純です。
