JP3050407B2 - Seal / bearing assembly - Google Patents
Seal / bearing assemblyInfo
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- JP3050407B2 JP3050407B2 JP8501433A JP50143396A JP3050407B2 JP 3050407 B2 JP3050407 B2 JP 3050407B2 JP 8501433 A JP8501433 A JP 8501433A JP 50143396 A JP50143396 A JP 50143396A JP 3050407 B2 JP3050407 B2 JP 3050407B2
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- Sealing Using Fluids, Sealing Without Contact, And Removal Of Oil (AREA)
- Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、回転シャフト用のシール及びベアリングに
関し、モータ駆動型の遠心ポンプに使用するのに特に適
している。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to seals and bearings for rotating shafts and is particularly suitable for use in motor driven centrifugal pumps.
発明の背景 有害な流体を環境に放出するようには損傷することが
ないように構成されたシールに対する要求が増大してい
る。そのような新しい要求とは別に、シールの設計にお
いては一般的な要求がある。すなわち、シールは、故障
することなく可能な限り長い使用寿命にわたって持ちこ
たえなければならず;シールは、漏洩を生じ始めた時に
は、漏洩流に耐えて大きく裂けてはならず;シールは、
廉価に修理されなければならない。シールを露出させる
ために必要とされる分解時間の長さは、装置すなわち機
器が使用されない時間である。本発明のシール/ベアリ
ング・アセンブリは、後に説明するように、そのような
種々の必要性を意識したものである。BACKGROUND OF THE INVENTION There is an increasing demand for seals configured to be damaging to release harmful fluids into the environment. Apart from such new requirements, there are general requirements in seal design. That is, the seal must withstand the longest possible service life without failure; when the seal begins to leak, it must not withstand the leakage flow and tear severely;
It must be repaired at a low price. The length of disassembly time required to expose the seal is the time when the device or equipment is not used. The seal / bearing assembly of the present invention addresses such various needs, as will be described.
本発明の一般的な特徴 本発明の目的は、遠心ポンプのパッキン箱の中に大き
な圧力、すなわち、プロセス流体の圧力よりも大きな圧
力を発生させるための手段を提供することである。General features of the present invention It is an object of the present invention to provide a means for generating a large pressure in the packing box of a centrifugal pump, i.e. greater than the pressure of the process fluid.
本発明の目的は、粘性のある潤滑性のバリア液体を使
用せずに、上述の高い圧力を得て、バリア液体として水
を用いる場合でも、高い圧力を得ることである。An object of the present invention is to obtain the above high pressure without using a viscous lubricating barrier liquid, and to obtain a high pressure even when water is used as the barrier liquid.
本発明の目的は、パッキン箱の中の圧力を制御し、そ
のような圧力を、プロセス流体の圧力、並びに、外部環
境の圧力に関して制御するための手段を提供することで
ある。It is an object of the present invention to provide a means for controlling the pressure in the packing box and controlling such pressure with respect to the pressure of the process fluid as well as the pressure of the external environment.
本発明は、複合型のシール/ベアリング・アセンブリ
装置を提供し、この装置は、ある軸線の周囲で回転する
ようになされたステータ及びロータを備えている。本装
置は、遠心ポンプのパッキン箱の代わりに取り付けるこ
とができる。The present invention provides a combined seal / bearing assembly device that includes a stator and a rotor adapted to rotate about an axis. The device can be mounted instead of the packing box of the centrifugal pump.
上記ロータ及びステータの構成要素は、補完的な形状
の軸受面が形成されており、これら軸受面は、軸受領域
と呼ばれる領域にわたって、ハイドロダイナミック軸受
の関係で互いに掃除するように配列されている。The components of the rotor and the stator are formed with complementary shaped bearing surfaces, which are arranged to clean each other in a hydrodynamic bearing relationship over an area called the bearing area.
一方の軸受面には溝が形成されており、この溝は、軸
受領域の軸受面に沿って且つ該軸受面の周囲で、螺旋状
の形態で伸長している。上記螺旋溝は、軸受面にわたっ
て伸長する幾つかの回旋部を有しており、そのような回
旋部列は、上記螺旋溝の隣接する回旋部の間に十分な幅
を有するランドを残すように配列されている。上記螺旋
溝は、入口マウス及び出口マウスを有している。A groove is formed in one of the bearing surfaces and extends in a spiral form along and around the bearing surface in the bearing area. The spiral groove has several turns extending over the bearing surface, such a row of turns so as to leave a land of sufficient width between adjacent turns of the spiral groove. Are arranged. The spiral groove has an inlet mouse and an outlet mouse.
本装置は、入口チャンバ及び出口チャンバを形成する
ように構成されており、これら両チャンバは、上記入口
マウス及び出口マウスとそれぞれ流体を搬送する関係で
連通されている。本装置は、また、入口チャンバの中に
バリア液体を搬送し、また、出口チャンバからバリア液
体を搬送するための手段を備えている。The apparatus is configured to define an inlet chamber and an outlet chamber, both of which are in fluid communication with the inlet and outlet mice, respectively. The apparatus also includes means for transporting the barrier liquid into the inlet chamber and transporting the barrier liquid from the outlet chamber.
本装置が駆動されて回転すると、上記バリア液体は、
上記螺旋溝に沿って、上記入口マウスから出口マウスま
で流れる。When the device is driven and rotated, the barrier liquid is
It flows along the spiral groove from the entrance mouse to the exit mouse.
本発明においては、上記装置は、両軸受面の嵌合がき
つい運転隙間になるように構成されていて、上記両軸受
面の間の隙間すなわちギャップは十分に小さく、また、
各回旋部の間のランド幅は十分に広くて、上記両軸受面
の間にハイドロダイナミック膜を連続的に確実に形成す
る。In the present invention, the device is configured so that the fitting between the two bearing surfaces is a tight operating gap, the gap between the two bearing surfaces, that is, the gap is sufficiently small,
The land width between each convolution is sufficiently large to ensure a continuous hydrodynamic film between the bearing surfaces.
軸受面は、円錐形にテーパしているのが好ましく、上
記ロータ又はステータが、上記テーパ部に対して出入り
するように、軸方向に運動可能になされている。The bearing surface is preferably tapered in a conical shape so that the rotor or stator can move axially into and out of the taper.
従来技術に対する本発明の関係 従来技術は、プロセス流体をパッキン箱のシールから
押し出すためにネジ山を用いる構造を備えている。上記
ネジ山は、プロペラの態様で、あるいは、アルキメデス
ネジの態様で作用して、プロセス流体をインペラ室に出
し入れする。1つの例が、米国特許第3,558,238号(197
1年、Van Herpt)に示されている。Relationship of the present invention to the prior art The prior art comprises a structure that uses threads to push the process fluid out of the packing box seal. The threads act in the manner of a propeller or in the form of an Archimedes screw to move process fluid into and out of the impeller chamber. One example is described in US Pat. No. 3,558,238 (197
One year, Van Herpt).
他の通常の構造は、アルキメデスネジを用いて、スリ
ーブをシャフトに沿って軸方向に摺動させる十分な力を
発生し、これにより、バネ負荷さたシール面の間に作用
する力を解放している。そのような構造においては、上
記力に対する反力が、流体をインペラに戻す役割を果た
す。従って、シャフトが速く回転すればする程、より多
くの流体がシールから押し戻され、また、より多くのシ
ール接触力が解放される。そのような構造の例が、米国
特許第3,746,350号(1973年、Mayer+)、及び、米国特
許第4,243,230号(1981年、Baker+)に示されている。Other conventional constructions use Archimedes screws to generate enough force to slide the sleeve axially along the shaft, thereby releasing the forces acting between the spring-loaded sealing surfaces. ing. In such a structure, the reaction to the force serves to return the fluid to the impeller. Thus, the faster the shaft rotates, the more fluid is pushed back out of the seal and more seal contact force is released. Examples of such structures are shown in U.S. Pat. No. 3,746,350 (Mayer +, 1973) and U.S. Pat. No. 4,243,230 (Baker +, 1981).
渦巻の形態の浅い溝が、シール面に形成されていて、
該シール面に存在している液体を所望の方向に動かす役
割を果たす。そのような例が、米国特許第4,290,611号
(1981年、Sedy)、米国特許第4,249,812号(1993年、V
olden+)、及び、米国再発行特許第34,319号(1993
年、Boutin+)に示されている。A shallow groove in the form of a spiral is formed in the sealing surface,
It serves to move the liquid present on the sealing surface in a desired direction. Examples of such are U.S. Pat. No. 4,290,611 (1981, Sedy) and U.S. Pat. No. 4,249,812 (1993, V.
olden +) and US Reissue Patent No. 34,319 (1993
Year, Boutin +).
回転要素の間に非常に小さな半径方向の間隙(クリア
ランス)を用いて、所望の態様での流れを促進する方法
が、米国特許第5,372,730号(1994年、Warner+)に示
されている。A method of using a very small radial clearance between the rotating elements to promote flow in a desired manner is shown in US Pat. No. 5,372,730 (Warner +, 1994).
好ましい実施例の詳細な説明 本発明を更に説明するために、添付図面を参照して本
発明の代表的な実施例を以下に説明するが、図面におい
ては、 図1は、ポンプ/モータ設備の側面図であり、 図2は、図1の設備に使用するのに適した装置の側方
断面図であり、 図3は、別の装置を示す図2と同様の図であり、 図4は、本装置に使用するのに適した要素の図であ
り、 図5は、上記設備に使用するのに適した別の装置の図
であり、 図6は、他の適宜な装置の図であり、 図7は、回路図であり、 図8は、別の適宜な装置の図であり、 図9は、別の適宜な装置の図であり、 図10は、別の適宜な装置の図であり、 図11は、別の構造体が装着されている別の装置の図で
あり、 図12は、別のタイプの装置の図であり、 図13は、本装置に使用するに適した別の要素の図であ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS To further illustrate the present invention, a representative embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. FIG. 2 is a side sectional view of an apparatus suitable for use in the installation of FIG. 1; FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 showing another apparatus; FIG. 5 is a diagram of an element suitable for use in the apparatus, FIG. 5 is a diagram of another device suitable for use in the facility, and FIG. 6 is a diagram of another suitable device. 7 is a circuit diagram, FIG. 8 is a diagram of another suitable device, FIG. 9 is a diagram of another suitable device, and FIG. 10 is a diagram of another suitable device. FIG. 11 is a diagram of another device on which another structure is mounted, FIG. 12 is a diagram of another type of device, and FIG. 13 is a diagram suitable for use in this device. FIG. 9 is a diagram of another element that has been added.
添付図面に示して以下に説明する装置は、本発明を具
体化する例である。本発明の範囲は、添付の請求の範囲
によって画定されるものであって、代表的な実施例の特
定の特徴によって必ずしも画定されるものではないこと
を理解する必要がある。The apparatus shown in the accompanying drawings and described below is an example embodying the present invention. It is to be understood that the scope of the present invention is defined by the appended claims, and not necessarily by the specific features of the exemplary embodiments.
図1は、ポンプ/モータ設備を示している。電動モー
タ20が、ベースフレーム23に取り付けられており、該ベ
ースフレームには、軸受箱25及び遠心ポンプ27も取り付
けられている。モータの電機子は、カップリング30を介
して、ポンプの駆動シャフト29に接続されている。FIG. 1 shows a pump / motor installation. The electric motor 20 is mounted on a base frame 23, and a bearing box 25 and a centrifugal pump 27 are also mounted on the base frame. The armature of the motor is connected via a coupling 30 to the drive shaft 29 of the pump.
回転シャフト29は、パッキン箱32でシールされてい
る。本発明が関係するのは、そのようなパッキン箱を有
する設計である。The rotating shaft 29 is sealed with a packing box 32. It is to the design with such packing boxes that the present invention is concerned.
図2は、ポンプ/軸受箱の状況に応用された、本発明
の例を示している。ポンプのインペラ34が、シャフト29
にキー止めされている。内側の回転スリーブ36も、シャ
フト29にキー止めされている。固定型の外側スリーブ38
が、ポンプ27のハウジング40にキー止めされている。FIG. 2 shows an example of the invention applied to a pump / bearing box situation. The pump impeller 34 is connected to the shaft 29
It is keyed to. The inner rotating sleeve 36 is also keyed to the shaft 29. Fixed outer sleeve 38
Is keyed to the housing 40 of the pump 27.
外側スリーブ38の内側面は、平坦である。回転スリー
ブ36の外側面43には、(単一の)螺旋溝が形成されてい
る。溝45の左側のマウス47は、入口チャンバ49に開いて
いる。溝45の右側のマウス50は、出口チャンバ52に開い
ている。The inner surface of the outer sleeve 38 is flat. On the outer surface 43 of the rotating sleeve 36, a (single) spiral groove is formed. The mouse 47 on the left side of the groove 45 is open to the entrance chamber 49. The mouse 50 on the right side of the groove 45 is open to the outlet chamber 52.
入口チャンバ49は、通常のゴム製のリップ型シール54
によって、外部に対してシールされている。入口チャン
バ49は、ポート56を介してバリア液体源に接続されてい
る。出口チャンバ52は、インペラハウジング40の内部に
対して、すなわち、ポンプ27によって圧送されているプ
ロセス流体に対して開いている。The inlet chamber 49 has a normal rubber lip seal 54
Is sealed to the outside. The inlet chamber 49 is connected via a port 56 to a source of barrier liquid. The outlet chamber 52 is open to the interior of the impeller housing 40, ie, to the process fluid being pumped by the pump 27.
ロータ及びステータ、並びに、内側及び外側のスリー
ブは、Oリング58によって、シャフト及びハウジングに
それぞれシールされている。The rotor and stator, and the inner and outer sleeves are sealed to the shaft and housing by O-rings 58, respectively.
使用の際には、シャフト29は、電動モータによって駆
動されて回転し、これにより、スリーブ36が回転する。
従って、溝45及びその螺旋形態の手段が回転し、これに
より、上記溝の中に位置する液体の分子が、上記溝に沿
って搬送される。モータ20の回転方向は、上記分子が右
側(図面の向きにおいて)へ、すなわち、入口チャンバ
49から出口チャンバ52に向かって、搬送されるようにな
っている。In use, the shaft 29 is driven and rotated by an electric motor, which causes the sleeve 36 to rotate.
Thus, the groove 45 and its helical form means rotate, whereby liquid molecules located in the groove are conveyed along the groove. The rotation direction of the motor 20 is such that the molecules are directed to the right (in the direction of the drawing), ie, the inlet chamber.
From 49, it is conveyed toward the outlet chamber 52.
バリア液体の分子を右側へ搬送する際の螺旋溝45の作
用は、出口チャンバ52の中のバリア液体の圧力を入口チ
ャンバ49の中のバリア液体の圧力よりも高くする役割を
果たす。実際に、バリア液体が上記溝によって拾い上げ
られている入口チャンバの中のバリア液体の圧力は、大
気圧あるいはその付近であり、バリア液体が上記溝から
出る出口チャンバの中の圧力は、上記螺旋溝の作用によ
って、プロセス流体の圧力を超えることができる。The function of the spiral groove 45 in transporting the molecules of the barrier liquid to the right side serves to make the pressure of the barrier liquid in the outlet chamber 52 higher than the pressure of the barrier liquid in the inlet chamber 49. In practice, the pressure of the barrier liquid in the inlet chamber where the barrier liquid is picked up by the groove is at or near atmospheric pressure, and the pressure in the outlet chamber where the barrier liquid exits the groove is the pressure of the spiral groove. The pressure of the process fluid can be exceeded.
従って、上記一対のスリーブ36、38は、パッキン箱32
を通るプロセス流体の漏洩に対して、非常に有効なシー
ルの役割を果たす。シャフト29が回転していて、バリア
液体がポート56に供給されている限り、出口チャンバ52
には、加圧されたバリア液体が充填されることになる。Therefore, the pair of sleeves 36 and 38
It acts as a very effective seal against leakage of process fluid through. As long as shaft 29 is rotating and barrier liquid is being supplied to port 56, outlet chamber 52
Is filled with the pressurized barrier liquid.
プロセス流体が停止した場合(すなわち、プロセス流
体をポンプから離れる方向に搬送する出口パイプが閉塞
した場合)でも、螺旋溝を有するスリーブ36、38は、依
然として、バリア液体を出口チャンバ52の中に圧送する
役割を果たす。If the process fluid is stopped (ie, if the outlet pipe conveying the process fluid away from the pump is closed), the helical grooved sleeves 36, 38 will still pump the barrier liquid into the outlet chamber 52. Play a role.
ポンプの入口パイプが閉塞し、ポンプの内部すなわち
インペラ室に真空が生じてキャビテーションが生じた場
合には、バリア液体は、依然として、出口チャンバへ圧
送される。これとは対照的に、幾つかの従来技術の設計
においては、ポンプの吸入ラインにおけるキャビテーシ
ョンは、パッキン箱の外方に液体が吸い出される状態を
生じ、パッキン箱の中にキャビテーションを生じ、更
に、最終的には、パッキン箱のシール機能を低下させる
ことがある。If the inlet pipe of the pump is blocked and a vacuum is created inside the pump, i.e. the impeller chamber, and cavitation occurs, the barrier liquid will still be pumped to the outlet chamber. In contrast, in some prior art designs, cavitation in the suction line of the pump causes liquid to be drawn out of the packing box, causing cavitation in the packing box, and Finally, the sealing function of the packing box may be reduced.
バリア液体は、清浄な状態に維持する(例えば、濾過
により)ことが容易である、バリア液体は、溝45の出口
マウス50から外方に押し出される。従って、スリーブ3
6、38、及び、面42、43は、プロセス流体に存在する可
能性のある粒子が存在しないように保持される。プロセ
ス流体は、汚れていることが多く、また、粒子又は他の
有害な物質を含むことがあるが、そのような汚れは、プ
ロセス流体が上記溝又は面42、43に入る前に、濾過され
る。The barrier liquid is easy to maintain in a clean state (eg, by filtration). The barrier liquid is pushed out of the outlet mouth 50 of the groove 45. Therefore, sleeve 3
6, 38 and surfaces 42, 43 are kept free of particles that may be present in the process fluid. Process fluids are often dirty and may contain particles or other harmful substances, which are filtered before the process fluid enters the grooves or surfaces 42, 43. You.
バリア液体は、溝45を充満し、また、外側スリーブ38
の内側面42と内側スリーブ38の外側面43との間、あるい
は、少なくとも、面42と溝45の各回旋部の間に存在する
面43のランド43Aとの間に存在する、ハイドロダイナミ
ック膜を形成する。The barrier liquid fills the groove 45 and also forms the outer sleeve 38.
Between the inner side surface 42 and the outer side surface 43 of the inner sleeve 38, or at least, between the surface 42 and the land 43A of the surface 43 existing between the respective convolutions of the groove 45, a hydrodynamic membrane. Form.
バリア液体は、入口チャンバ49に供給され、溝の入口
マウス47の中に吸引される。その結果、軸受面、すなわ
ち、面42、43の被清掃領域のいずれの部分も乾燥しな
い。実際に、ポンプがキャビテーションを起こしている
時(すなわち、プロセス流体を全く吸引していない時)
でも、軸受面のいずれの部分も乾燥しない。Barrier liquid is supplied to the inlet chamber 49 and is drawn into the inlet mouth 47 of the channel. As a result, neither part of the bearing surface, that is, any part of the area to be cleaned on the surfaces 42 and 43 is dried. In fact, when the pump is cavitation (ie, when it is not drawing any process fluid)
However, no part of the bearing surface dries.
バリア液体は、大気圧あるいは大気圧付近で、ポート
56に供給される。バリア液体は、プロセス圧力よりも高
い圧力までパッキン箱の外部で予め加圧する必要がな
く、螺旋溝45の作用が、バリア液体を加圧する役割を果
たす。実際に、ポート56は、バリア液体のリザーバの中
に単に浸漬している供給パイプに接続することができ、
上記リザーバの中の液体のレベルは、上記ポートのレベ
ルよりも下にすることができ、これにより、バリア液体
は、大気圧よりも若干低い圧力で入口チャンア49に吸入
される。(リップシール54は、若干の真空を維持する必
要があるということに基づいて、選択されることにな
る。) 図2に示す回転する螺旋溝の作用の制限は、プロセス
流体の圧力が高くなり過ぎた時に、バリア液体が溝45の
出口マウス40から出ることができないことである。The barrier liquid is at or near atmospheric pressure
Supplied to 56. The barrier liquid does not need to be pre-pressurized outside the packing box to a pressure higher than the process pressure, and the function of the spiral groove 45 plays a role in pressurizing the barrier liquid. In fact, port 56 can be connected to a supply pipe that is simply immersed in a reservoir of barrier liquid,
The level of liquid in the reservoir can be below the level of the port, whereby the barrier liquid is drawn into the inlet chamber 49 at a pressure slightly below atmospheric pressure. (The lip seal 54 will be selected based on the need to maintain a slight vacuum.) The limitation of the action of the rotating helical groove shown in FIG. When passed, the barrier liquid cannot exit the outlet mouth 40 of the groove 45.
また、プロセス流体の圧力が、溝によって発生される
圧力よりも高い場合には、プロセス流体は、ランド43A
と面42との間の境界部に入って、それ自体のハイドロダ
イナミック膜を形成する傾向がある。この膜は、特に、
プロセス流体が低い粘度又は潤滑性を有している場合に
は、その後壊れるか吹き飛ばされる。Also, if the pressure of the process fluid is higher than the pressure generated by the groove, the process fluid
Tend to enter the interface between the surface and the surface 42 to form its own hydrodynamic membrane. This membrane, in particular,
If the process fluid has low viscosity or lubricity, it will subsequently break or be blown away.
面42、43の間の隙間が小さくなればなる程、上記ハイ
ドロダイナミック膜を追い出すに要する圧力は高くな
る。円筒形(すなわち、テーパ形状ではない)の面42、
43の場合には、そのような面の間のクリアランス(隙
間)を約0.1mm以下まで(あるいは、より重度の使用条
件が予想される場合にはそれよりも更に小さい値まで)
減少させることは実際的には可能ではない。The smaller the gap between the surfaces 42, 43, the higher the pressure required to expel the hydrodynamic membrane. A cylindrical (ie, not tapered) surface 42,
In the case of 43, the clearance (gap) between such surfaces should be less than about 0.1 mm (or even lower if more severe use conditions are anticipated).
Reduction is not practically possible.
上述のようなギャップすなわち間隙を用い、バリア液
体として潤滑油を用いた場合には、螺旋溝が、例えば、
80又は100psi(100psi=690kN/平方メートル)という数
十psiの圧力で液体を出口チャンバに入れることが可能
である場合も観察された。そのような圧力は、ポンプが
機能を失っている場合でも、プロセス流体の漏洩を生じ
させないのに十分である。In the case of using the above-described gap or gap and using lubricating oil as the barrier liquid, the spiral groove is
It has also been observed that liquids can enter the outlet chamber at pressures of tens of psi, such as 80 or 100 psi (100 psi = 690 kN / square meter). Such pressure is sufficient to prevent process fluid leakage even if the pump has failed.
しかしながら、バリア液体が、潤滑油の粘度よりも低
い粘度を有する場合には、上記間隙が0.1mm程度である
時には、かなり低い圧力しか維持されないことが分かっ
ている。例えば、バリア液体として水を用いた場合に
は、出口チャンバの中の圧力を、入口チャンバの中の圧
力よりも約2又は3psiだけ高くすることはできないこと
が分かっている。これは、プロセス流体が螺旋溝、及
び、ベアリングの境界面に漏洩しないようにするのには
不十分である。However, it has been found that if the barrier liquid has a viscosity lower than that of the lubricating oil, only a relatively low pressure is maintained when the gap is on the order of 0.1 mm. For example, it has been found that when using water as the barrier liquid, the pressure in the outlet chamber cannot be about 2 or 3 psi higher than the pressure in the inlet chamber. This is not enough to prevent the process fluid from leaking into the helical grooves and bearing interfaces.
図2に示す形態においては、バリア液体は、出口チャ
ンバ52から出ると、プロセス流体に入る。従って、図2
においては、バリア液体は、プロセス流体の中で許容さ
れるタイプの液体でなければならない。プロセス流体に
入るバリア液体の量は、ポンプで圧送されているプロセ
ス流体の流量に比較すると、少ないが、多くの場合に
は、プロセス流体は潤滑油又は他の粘性液体であり、ほ
んの僅かの痕跡でもプロセス流体に入ることは許されな
い。In the configuration shown in FIG. 2, upon exiting the outlet chamber 52, the barrier liquid enters the process fluid. Therefore, FIG.
In, the barrier liquid must be of a type that is acceptable in the process fluid. The amount of barrier liquid entering the process fluid is small when compared to the flow rate of the process fluid being pumped, but in many cases the process fluid is a lubricating oil or other viscous liquid with only a small trace But they are not allowed to enter the process fluid.
多くの工業用のポンプ設備においては、ポンプで圧送
されるプロセス流体は、水、あるいは、水をベースにし
た液体である。潤滑油(ほんの痕跡でも)は、水の中に
入ることは許されないことが多い。しかしながら、0.1m
m程度の大きさのベアリング面の間の隙間を用いる場合
には、水自体は、バリア液体としては殆ど役に立たな
い。水がバリア液体である場合に、出口チャンバ52の中
に有効な圧力を発生させるためには、0.1mmよりもかな
り小さな隙間が必要とされる。しかしながら、雄/雌型
のベアリングの形態として配列された円筒形の面は、高
精度で製作したとしても、実際には、上述の値よりも小
さな間隙を有することができない。円筒形の面は、痕跡
程度の潤滑油がプロセス流体の中で許容される場合に、
使用することができるが、そのようなケースは、極めて
少ない割合のポンプ設備でしか生じない。円筒形の面
は、バリア液体が水である場合には、殆ど使用されな
い。In many industrial pumping installations, the pumped process fluid is water or a water-based liquid. Lubricants (even traces) are often not allowed into water. However, 0.1m
When a gap between bearing surfaces of the order of m is used, the water itself is almost useless as a barrier liquid. If water is the barrier liquid, a gap much smaller than 0.1 mm is required to generate an effective pressure in the outlet chamber 52. However, cylindrical surfaces arranged in the form of male / female bearings, even when manufactured with high precision, cannot actually have gaps smaller than the values mentioned above. Cylindrical surfaces can be used when traces of lubricating oil are allowed in the process fluid.
Although it can be used, such cases only occur with a very small percentage of pumping equipment. Cylindrical surfaces are rarely used when the barrier liquid is water.
図2においては、(平坦な)ステータ/スリーブ38が
ハウジングの中に固定されているが、ロータ/スリーブ
36は、シャフト29上で軸方向に自由に摺動する(しかし
ながら、シャフトと一緒に回転するようにキー止めされ
ている)。バネ65が、ロータ/スリーブをテーパの中に
押し込んでいる。In FIG. 2, the (flat) stator / sleeve 38 is fixed in the housing, while the rotor / sleeve 38
36 is free to slide axially on shaft 29 (however, it is keyed to rotate with the shaft). A spring 65 pushes the rotor / sleeve into the taper.
テーパ面42、43は、組み合わされた対のように互いに
重なっており、これにより、そのようなテーパ面の間の
嵌合は、そのような面の被清掃界面すなわち軸受面全体
にわたって、非常に良好である。The tapered surfaces 42, 43 overlap each other like a combined pair, so that the fit between such tapered surfaces is very much over the cleaned interface of such surfaces, or the entire bearing surface. Good.
図2においては、回転の間に、上記テーパ面の間にハ
イドロダイナミック膜が自然に形成される。そのような
ハイドロダイナミック膜は、バリア液体の粘性、プロセ
ス圧力、回転速度、溝の寸法等の条件に応じて、必要に
応じて薄くしたり厚くしたりすることができる。粘性及
び潤滑性が非常に低い水がバリア液体であっても、面4
2、43の間には膜が独自に発生し、出口チャンバ52の中
には調節可能な圧力が発生することが判明した。In FIG. 2, a hydrodynamic film naturally forms between the tapered surfaces during rotation. Such a hydrodynamic membrane can be made thinner or thicker as needed, depending on conditions such as the viscosity of the barrier liquid, process pressure, rotational speed, groove dimensions, and the like. Even if water with very low viscosity and lubricity is a barrier liquid,
It has been found that between 2 and 43 a membrane is created independently and an adjustable pressure is created in the outlet chamber 52.
実際に、バリア液体が水であり、ポンプが機能を失っ
た場合に、60psi又はそれ以上の圧力を、出口チャンバ
の中で容易に達成することが判明した。また、正常の回
転の間に、ハイドロダイナミック膜は、非常に強く、長
時間の運転の後に、面42、43が直接接触した証拠がない
ことも判明した。Indeed, it has been found that a pressure of 60 psi or more is easily achieved in the outlet chamber if the barrier liquid is water and the pump fails. It was also found that during normal rotation the hydrodynamic membrane was very strong and there was no evidence of direct contact between surfaces 42 and 43 after prolonged operation.
しかしながら、面42、43の間の直接的な接触は、避け
ることができず、スリーブは、焼き付き、スミアリン
グ、ピックアップ等を生ずることなく、偶発的な接触を
許容するような材料から形成しなければならない。例え
ば、一方のスリーブを鋳鉄から形成し、他方のスリーブ
を青銅から形成することができる。あるいは、PTFEの如
き、プラスチックのベアリング材料を用いることができ
る。However, direct contact between the surfaces 42, 43 is unavoidable, and the sleeve must be formed from a material that allows accidental contact without seizure, smearing, pickup, etc. Must. For example, one sleeve can be formed from cast iron and the other sleeve can be formed from bronze. Alternatively, a plastic bearing material, such as PTFE, can be used.
実際に、水の場合でも、非常に薄いけれども、面42、
43の間の境界面に独自に発生するハイドロダイナミック
膜は、そのような境界面がインペラシャフト29のための
実際のジャーナル・ベアリング(主軸受)として作用す
るには十分に強くはないことが分かった。In fact, even in the case of water, although very thin, surface 42,
The hydrodynamic membrane that occurs uniquely at the interface between 43 turns out that such interface is not strong enough to act as a real journal bearing for the impeller shaft 29 Was.
図2は、軸受箱25の中に収容されており、通常の設備
においては、インペラの背後でかなり離れている、概念
的なベアリング67を示している。すなわち、インペラ34
は、シャフトの長いオーバーハングの一端部に取り付け
られている。従って、インペラは、問題となる周期及び
振幅の振動を受けることがある。FIG. 2 shows a conceptual bearing 67 housed in the bearing housing 25 and, in conventional installations, well behind the impeller. That is, impeller 34
Is attached to one end of the long overhang of the shaft. Thus, the impeller may be subject to vibrations of a period and amplitude of interest.
スリーブ36、38は、ベアリングを支援するように作用
すると考えることができる。すなわち、スリーブによっ
て形成されたベアリングは、過剰な振動の一部を緩衝す
ることによって、ベアリング67を支援するように作用す
る。しかしながら、大部分のケースにおいては、ベアチ
ング67は、実際には、設けられないことが分かってい
る。バリア液体の水の場合でも、ポンプシャフト及びイ
ンペラは、スリーブによって形成されるベアリングによ
って適正に支持される。The sleeves 36, 38 can be considered to act to assist the bearing. That is, the bearing formed by the sleeve acts to assist bearing 67 by cushioning some of the excess vibration. However, it has been found that in most cases, the bearing 67 is not actually provided. Even in the case of barrier liquid water, the pump shaft and the impeller are properly supported by bearings formed by the sleeve.
そのような優れたサポートを行う1つの理由は、ベア
リングが、インペラにかなり接近しているということで
ある。図2においては、別個のパッキン箱/シールを設
ける必要はなく、これにより、ベアリングは、少なくと
もシールの幅だけインペラから離されることになり、図
2においては、パッキン箱/シール、及び、ベアリング
は、1つで同じものである。One reason for such excellent support is that the bearings are very close to the impeller. In FIG. 2, there is no need to provide a separate packing box / seal, so that the bearing is separated from the impeller by at least the width of the seal, and in FIG. One is the same.
ポンプの吸入側にキャビテーションが生じた場合で
も、起こりうるアンバランスな荷重、及び、振動を誘起
する他の悪い状況が、シャフト及びインペラの振動する
偏倚運動を生ずることはなく、その理由は、ベアリング
が、インペラに非常に接近しているからである。シャフ
トは、通常のポンプがそのパッキン箱/シールに漏洩を
生じさせるような条件において、円滑に且つ均一に作動
する。Even if cavitation occurs on the suction side of the pump, possible unbalanced loads and other adverse conditions that induce vibration do not result in oscillating biasing motion of the shaft and impeller because the bearing However, it is very close to the impeller. The shaft operates smoothly and uniformly in conditions where a conventional pump would leak its packing box / seal.
テーパ形状のスリーブの螺旋溝は、バリア液体を該溝
に沿って入口マウスから出口マウスへ運ぶ役割を果た
す。溝の一回転当たりにバリア液体が移動する距離は、
そのテーパ形状のために、変動することを理解する必要
がある。すなわち、テーパの細い端部における溝の一回
転の輪の長さは、太い端部における一回転の輪の長さよ
りも短いからである。The spiral groove of the tapered sleeve serves to carry the barrier liquid along the groove from the inlet mouth to the outlet mouth. The distance the barrier liquid moves per rotation of the groove is
It is necessary to understand that it fluctuates because of its tapered shape. That is, the length of one rotation of the groove at the narrow end of the taper is shorter than the length of one rotation of the groove at the thick end.
これを考慮して、設計者は、テーパの細い端部に向か
って溝の断面積が若干大きくなるようにして、減少する
輪の長さを補償するようにしなければならない。図3
は、溝70が、細い端部において若干深く形成されている
状態を示している。With this in mind, the designer must ensure that the cross-sectional area of the groove increases slightly toward the tapered end to compensate for the decreasing ring length. FIG.
Shows a state in which the groove 70 is formed slightly deep at the narrow end.
スリーブ及び溝、並びに、モータの回転方向は、溝が
バリア液体にインペラに向かって運ぶように設定されな
ければならない。そのようにする際には、図4に示すよ
うに、設計者は、スリーブ72、73がバリア液体をテーパ
の太い端部に向かって運ぶように、そのようなスリーブ
を構成することができる。ここでも、溝70は、輪の長さ
の減少を補償するために、細い端部において面積が少し
大きくなる(少し深く形成する)ようにされなければな
らない。The sleeve and groove and the direction of rotation of the motor must be set so that the groove carries the barrier liquid towards the impeller. In doing so, as shown in FIG. 4, the designer can configure such a sleeve such that the sleeves 72, 73 carry the barrier liquid toward the tapered end. Again, the groove 70 must be slightly larger in area (forming slightly deeper) at the narrow end to compensate for the reduction in loop length.
別の実施例(図示せず)においては、ロータスリーブ
を外側スリーブとし、ステータを内側スリーブとするこ
とができる。この場合には、溝は、外側スリーブの内側
面に形成され、これは、溝を外側面に形成するよりもか
なり難しい。しかしながら、最善のハイドロダイナミッ
ク効果を得るために、設計者は、図2のスリーブ38のよ
うな外側のステータスリーブの内側面に溝(螺旋状又は
輪状の)を形成することを好む場合が時々ある。In another embodiment (not shown), the rotor sleeve can be an outer sleeve and the stator can be an inner sleeve. In this case, the groove is formed on the inner surface of the outer sleeve, which is much more difficult than forming the groove on the outer surface. However, for best hydrodynamic effects, the designer sometimes prefers to form a groove (spiral or loop) on the inside surface of the outer stator sleeve, such as sleeve 38 in FIG. .
モータの回転が停止した場合でも、プロセス流体が漏
洩しないようにシステムを保護することが望ましいこと
がある。例えば、図2のシステムは、回転が停止した場
合には、プロセス流体が螺旋溝を逆流して漏洩すること
を許容する。It may be desirable to protect the system from leaking process fluids even when the motor stops rotating. For example, the system of FIG. 2 allows the process fluid to flow back and leak through the spiral groove if rotation stops.
モータが停止した時の漏洩を防止するために、図5に
示すように、出口チャンバ52とポンプハウジング40の内
側すなわちインペラ室との間に、リップシール74が設け
られている。As shown in FIG. 5, a lip seal 74 is provided between the outlet chamber 52 and the inside of the pump housing 40, that is, between the impeller chamber, in order to prevent leakage when the motor stops.
正常運転の間には、出口チャンバ52の中に発生する圧
力は、インペラ室の中に発生する圧力よりも高く、シー
ルリップが開いて、バリア液体がインペラ室に流入する
のを許容する。回転が停止すると、この時点において高
いインペラ室の中の圧力が、リップシールを閉じ、これ
により、インペラ室の中の流体が出口チャンバに入るの
を阻止する。During normal operation, the pressure generated in the outlet chamber 52 is higher than the pressure generated in the impeller chamber, opening the sealing lip and allowing the barrier liquid to flow into the impeller chamber. When rotation stops, high pressure in the impeller chamber at this point closes the lip seal, thereby preventing fluid in the impeller chamber from entering the outlet chamber.
図6は、要素を形成することのできる別の方法を示し
ている。この場合には、ロータスリーブ76は、インペラ
78と一体に形成されている。外側のステータスリーブ80
は、テーパ部の中にバネ負荷されている。インペラの端
部に肩部を持たない、単純で平坦な直径79をパッキン箱
のハウジングに設けるだけで良いことが分かる。FIG. 6 shows another way in which the elements can be formed. In this case, the rotor sleeve 76 is
It is formed integrally with 78. Outer stator sleeve 80
Are spring loaded into the taper. It can be seen that a simple, flat diameter 79 without shoulders at the end of the impeller can be provided in the packing box housing.
図6の代替例(図示せず)として、ステータスリーブ
は、パッキン箱のハウジングの中に形成することができ
る。しかしながら、スリーブがテーパ形状であるので、
ロータの表面をインペラに形成し、ステータの表面をハ
ウジングに形成することは薦めることができず、その理
由は、テーパ形状の利点を得るのであれば、上述の表面
の一方を軸方向に自由に摺動させなければならないから
である。As an alternative to FIG. 6 (not shown), the stator sleeve can be formed in the packing box housing. However, since the sleeve is tapered,
It is not recommended to form the rotor surface on the impeller and the stator surface on the housing, because if the advantage of a tapered shape is obtained, one of the above-mentioned surfaces can be freely free in the axial direction. This is because it must be slid.
図示のアセンブリにおいては、バリア液体が適正な粘
性及び潤滑性を有している限り、この構造は、実際の設
備で遭遇する可能性のあるプロセス流体の総ての条件に
対して、極めて信頼性のあるシールを与えるものと予想
できる。しかしながら、バリア液体の供給が停止した場
合には、溝の入口マウスが乾燥し、面の間の軸受領域全
体が乾燥するか、そのような領域の一部が乾燥する可能
性があることに注意することが重要である。そのような
事態が生じた場合には、出口チャンバ52の中の圧力が低
下し、恐らく、プロセス流体は螺旋溝に入り、パッキン
箱のシールから(左側へ)漏洩することさえある。上記
面が全体的に又は部分的に乾燥すると、それらの使用寿
命はかなり減少する。In the illustrated assembly, as long as the barrier liquid has the proper viscosity and lubricity, this structure is extremely reliable for all process fluid conditions that may be encountered in real equipment. It is expected to give a seal with a certain quality. Note, however, that if the supply of barrier liquid is stopped, the mouth mouth of the groove will dry and the entire bearing area between the surfaces may dry, or part of such an area may dry. It is important to. If such an event occurs, the pressure in the outlet chamber 52 will drop, and perhaps the process fluid will enter the spiral groove and even leak (to the left) from the packing box seal. When the surfaces are wholly or partially dried, their service life is considerably reduced.
従って、設計者は、入口チャンバ49のバリア液体が無
くならないように、注意する必要がある。Therefore, the designer must take care that the barrier liquid in the inlet chamber 49 does not run out.
適正なケースにおいては、バリア液体は、プロセス流
体から取ることができる。勿論、これは、プロセス流体
が潤滑油である場合であるが、幾つかの他のタイプの液
体でも適正な場合がある。In the appropriate case, the barrier liquid can be taken from the process fluid. Of course, this is the case when the process fluid is a lubricating oil, but some other types of liquids may be appropriate.
プロセス流体が潤滑油である場合には、入口チャンバ
49(図2)が乾燥しても問題ではないと考えることがで
きる。その理由は、そのようなプロセス流体は、出口端
から溝45に入って、軸受面を潤滑するからである。しか
しながら、入口チャンバが乾燥した場合には、プロセス
流体が潤滑油であっても、そのようなプロセス流体が、
軸受面の被清掃領域全体に到達して該領域を湿潤させる
とは予想することはできず、従って、軸受面の乾燥接触
を避けることはできない。入口チャンバ49を充満した状
態に確実に維持することにより、設計者は、ハイドロダ
イナミック膜を完全な状態に維持して軸受面が接触しな
いようにする。If the process fluid is lubricating oil, the inlet chamber
It can be considered that drying 49 (FIG. 2) is not a problem. The reason is that such process fluid enters the groove 45 from the outlet end and lubricates the bearing surface. However, if the inlet chamber is dry, even if the process fluid is a lubricating oil, such a process fluid will
It is not anticipated that the entire cleaned area of the bearing surface will reach and wet the area, and therefore dry contact of the bearing surface cannot be avoided. By ensuring that the inlet chamber 49 is filled, the designer keeps the hydrodynamic membrane intact to prevent bearing surface contact.
図7は、入口チャンバにバリア液体を充填した状態に
維持するためのシステムを示している。この場合には、
バリア液体は、パイプ83を介してプロセス流体から供給
され、また、別個の供給源85からも供給される。供給
は、図示のように、バルブによって制御され、これらバ
ルブは、必要に応じて、手動又は自動で制御することが
できる。FIG. 7 shows a system for maintaining the inlet chamber filled with barrier liquid. In this case,
Barrier liquid is supplied from the process fluid via pipe 83 and also from a separate source 85. The supply is controlled by valves, as shown, which can be controlled manually or automatically as required.
バリア液体は、温度制御装置86を通り、更に、フィル
タ87を通る。バリア液体を濾過して清浄にすることが重
要であり、その理由は、軸受面の間に捕捉された異物の
粒子が、ハイドロダイナミック膜の自己保持特性を阻害
するからである。The barrier liquid passes through the temperature controller 86 and further passes through the filter 87. It is important to filter and clean the barrier liquid, as foreign particles trapped between the bearing surfaces impair the self-retaining properties of the hydrodynamic membrane.
入口チャンバ49の中のバリア液体の圧力は、別個の調
節器89によって制御される。そうではなく、バリア液体
をその液体のレベルから吸引することにより、入口チャ
ンバの中の圧力を制御するようにすることもできる。そ
のようなレベルの高さは、ヘッドすなわち圧力を決定す
る。The pressure of the barrier liquid in the inlet chamber 49 is controlled by a separate regulator 89. Instead, the pressure in the inlet chamber may be controlled by aspirating the barrier liquid from that liquid level. The height of such a level determines the head or pressure.
上述の設計は、バリア液体がプロセス流体の中に漏洩
することのできる場合であって、実際に、プロセス流体
は、バリア液体の供給源である。しかしながら、上述の
設計は、機械的に構成するには極めて簡単な構造である
が、その応用性は、それほど一般的ではない。大部分の
場合には、プロセス流体は、バリア液体で希釈されない
ようにすることが必要であり、また、プロセス流体は、
バリア液体として用いるには適していない。The above design is where the barrier liquid is capable of leaking into the process fluid, where in fact the process fluid is the source of the barrier liquid. However, while the above design is a very simple structure to mechanically construct, its applicability is less common. In most cases, it is necessary that the process fluid is not diluted with the barrier liquid, and
Not suitable for use as a barrier liquid.
図7はまた、バリア液体をプロセス流体とは分離した
状態に維持すべき場合に、バリア液体を制御するための
手段を示している。バリア液体及びプロセス流体が別で
ある場合には、特に、バリア液体が水をベースとしてい
る場合には、必要に応じて添加剤をバリア液体に加え
て、粘性及び潤滑性に関するその性質を向上させること
ができる。バリア液体は、出口チャンバの中の圧力を調
節器84によって所望値に維持しながら、パイプ82を介し
て出口チャンバから液体を吸引することにより、再循環
される。FIG. 7 also shows a means for controlling the barrier liquid when the barrier liquid is to be kept separate from the process fluid. If the barrier liquid and the process fluid are separate, especially if the barrier liquid is based on water, additives may be added to the barrier liquid as needed to improve its properties with respect to viscosity and lubricity be able to. The barrier liquid is recirculated by aspirating liquid from the outlet chamber via pipe 82 while maintaining the pressure in the outlet chamber at the desired value by regulator 84.
単一のリップシール74(図5)の代わりに、背中合わ
せのリップシールを、インペラ室と出口チャンバとの間
に設けることができる。同様に、背中合わせのリップシ
ールをテーパ形状のスリーブの他端部に設けて入口チャ
ンバ49(図2)をシールして、内方及び外方への漏洩を
防止することができる。Instead of a single lip seal 74 (FIG. 5), a back-to-back lip seal can be provided between the impeller chamber and the outlet chamber. Similarly, a back-to-back lip seal can be provided at the other end of the tapered sleeve to seal the inlet chamber 49 (FIG. 2) to prevent inward and outward leakage.
リップシールは、数psiの差圧にしか耐えられない。
従って、そのようなシールを大きな差圧から保護するこ
とが重要である。これは、図示の圧力調節器によって、
好ましくは自動的に行うのが好ましい。出口チャンバ52
の中の圧力は、インペラ室49の中の圧力と比較され、出
口の圧力は、出口チャンバの中の圧力がインペラ室の中
の圧力よりも数psiだけ高くなるように、調節される。
次に、シールが壊れた場合には、プロセス流体は、パッ
キン箱の中に漏洩しない。プロセス流体がバリア液体の
中に漏洩することが、バリア液体がプロセス流体の中に
漏洩することよりも、より重要でない場合には、差圧を
他の方法で解消することができる。すなわち、出口チャ
ンバ94の中の圧力を、インペラ室92の中の圧力よりも、
数psiだけ低く維持する。図7の回路においては、2つ
の圧力を(自動的に)比較し、その差の計算を用いて、
符号84において出口チャンバの圧力を調節する。Lip seals can only withstand a differential pressure of a few psi.
It is therefore important to protect such seals from large differential pressures. This is achieved by the pressure regulator shown.
Preferably, it is performed automatically. Outlet chamber 52
Is compared to the pressure in the impeller chamber 49, and the outlet pressure is adjusted so that the pressure in the outlet chamber is several psi higher than the pressure in the impeller chamber.
Second, if the seal breaks, the process fluid will not leak into the packing box. If the leakage of the process fluid into the barrier liquid is less important than the leakage of the barrier liquid into the process fluid, the differential pressure can be relieved in other ways. That is, the pressure in the outlet chamber 94 is higher than the pressure in the impeller chamber 92.
Keep low by a few psi. In the circuit of FIG. 7, the two pressures are (automatically) compared and the difference is calculated using
At 84, the pressure in the outlet chamber is adjusted.
出口チャンバの中の圧力は、螺旋溝の作用によって発
生し(外部圧力源は設けられていない)、勿論、設計者
は、バリア液体の粘度、回転速度、及び、残りのパラメ
ータを考慮して、螺旋溝の圧力発生能力を適正にするよ
うにしなければならない。螺旋溝が、例えば、60psiの
圧力しか供給できず、プロセス圧力が100psiまで上昇す
る(例えば、機能を失っている間)場合には、シール90
は壊れることになる。The pressure in the outlet chamber is generated by the action of a spiral groove (no external pressure source is provided) and, of course, the designer must take into account the viscosity of the barrier liquid, the rotational speed and the remaining parameters, It is necessary to make the pressure generating capability of the spiral groove appropriate. If the spiral groove can only supply a pressure of, for example, 60 psi and the process pressure rises to 100 psi (eg, while losing function), the seal 90
Will break.
同様に、リップシール49は、数psiよりも高い圧力を
受けてはならず、この場合にも、圧力調節器69が、入口
チャンバの圧力を制御する。(上述のように、入口チャ
ンバの中の圧力は、制御されるヘッドレベルからバリア
液体を吸引することによっても、制御することができ
る。) そのような予防措置を取った場合には、バリア液体
は、プロセス流体とは全く別個の回路を循環する。分離
されたバリア液体は、濾過され、その温度及び他の性質
が制御される。Similarly, the lip seal 49 must not be subjected to pressures higher than a few psi, and again, the pressure regulator 69 controls the pressure in the inlet chamber. (As mentioned above, the pressure in the inlet chamber can also be controlled by aspirating the barrier liquid from a controlled head level.) If such precautions are taken, the barrier liquid Circulates in a circuit completely separate from the process fluid. The separated barrier liquid is filtered to control its temperature and other properties.
パイプ82を介して供給されて回路を循環しているバリ
ア液体は、その全体が、螺旋溝を通過する液体であるこ
とが分かる。(外部で加圧された)バリア液体が、別個
に循環している上述の設計においては、そのような循環
は、バイパス基準であった。図9においては、螺旋溝を
通過するバリア液体の総てが、パイプ82に入って、再循
環される。It can be seen that the barrier liquid supplied through the pipe 82 and circulating through the circuit is entirely liquid passing through the spiral groove. In the above design where the barrier liquid (externally pressurized) was circulating separately, such circulating was a bypass reference. In FIG. 9, all of the barrier liquid passing through the spiral groove enters the pipe 82 and is recirculated.
上述のように、エラストマーのリップシールは、数ps
iにしか耐えることができず、そのようなリップシール
が十分に良好でない場合、あるいは、リップシールが他
の理由で適していない場合には、メカニカルシールと置
き換えることができる。As mentioned above, elastomeric lip seals can be a few ps
can be replaced with a mechanical seal if such a lip seal is not good enough or if the lip seal is not suitable for other reasons.
図8は、2つのメカニカルシール105、107を有するパ
ッキン箱の例を示している。シールは、組み合わされた
一対のテーパ形状のスリーブすなわちテーパスリーブの
各端部に設けられており、螺旋溝が、内側のロータスリ
ーブ109の外側面に形成されている。内側スリーブ109
は、符号120においてキー止めされていて、シャフト123
と共に回転し、且つ、シャフトに沿って摺動できるよう
になっている。入口チャンバ及び出口チャンバ125、127
が、各要素の配列によって形成されており、パイプ12
8、129が、バリア液体を上記チャンバ及び螺旋溝に通
す。FIG. 8 shows an example of a packing box having two mechanical seals 105 and 107. Seals are provided at each end of the pair of tapered sleeves, ie, tapered sleeves, with helical grooves formed on the outer surface of the inner rotor sleeve 109. Inner sleeve 109
Is keyed at 120 and the shaft 123
, And can slide along the shaft. Inlet and outlet chambers 125, 127
Are formed by an array of elements, and the pipe 12
8, 129 pass the barrier liquid through the chamber and the spiral groove.
図8に示すスリーブ及びシールは、都合の良いサブア
センブリとして形成することができるカートリッジを備
えており、このカートリッジは、一体化されたユニット
として、パッキン箱のハウジング130の中に嵌合させる
のに適していることが分かる。The sleeve and seal shown in FIG. 8 includes a cartridge that can be formed as a convenient subassembly, which is an integral unit for fitting into the packing box housing 130. It turns out to be suitable.
図9は、メカニカルシールを用いる他の構造を示して
いる。この場合には、スリーブのテーパ形状の境界面が
反対方向を向いており、この場合には内側スリーブ132
の太い端部(すなわち、図9において右側の端部)であ
る端部の内側の特別なスペースを用いて、メカニカルシ
ール134の一端部を収容している。これにより、シール
及びスリーブの全長を最低限一緒に保持することができ
る。上記一対のスリーブを回転シャフト135のためのジ
ャーナル・ベアリングとして数える限り、ベアリングを
越えるシャフト及びインペラのオーバーハングは、可能
な限り短くなる。シール134をスリーブ132の内側に設け
ることにより、上述のオーバーハングを更に短くするこ
とができる。他方のメカニカルシール136が軸方向にお
いて短いことは、それほど重要ではない。FIG. 9 shows another structure using a mechanical seal. In this case, the tapered interface of the sleeve faces in the opposite direction, in this case the inner sleeve 132
One end of the mechanical seal 134 is accommodated by using a special space inside the end which is the thick end of the seal (ie, the right end in FIG. 9). This allows the total length of the seal and sleeve to be kept together at a minimum. As long as the pair of sleeves is counted as a journal bearing for the rotating shaft 135, the overhang of the shaft and impeller beyond the bearing is as short as possible. By providing the seal 134 inside the sleeve 132, the above-described overhang can be further reduced. It is not so important that the other mechanical seal 136 is short in the axial direction.
図9に示すように、別のチャンバ137を入口チャンバ1
47の外側に設けることができる。バリア液体を用いて、
軸受箱の中のベアリング138を潤滑する。しかしなが
ら、そのようにすることが適当でない場合が多く、図10
の構造が好ましい。As shown in FIG. 9, another chamber 137 is connected to the inlet chamber 1.
47 can be provided outside. Using barrier liquid,
Lubricate the bearings 138 in the bearing housing. However, it is often not appropriate to do so, and FIG.
Is preferred.
シール139は、駆動スリーブ140に取り付けられてお
り、該駆動スリーブは、クランプネジ141によって、シ
ャフト135に締め付けられている。駆動スリーブ140の右
側の端部には、駆動歯142が形成されており、そのよう
な駆動歯は、内側スリーブ143の対応する駆動スロット
に係合している。The seal 139 is attached to a drive sleeve 140, which is fastened to the shaft 135 by a clamp screw 141. Drive teeth 142 are formed at the right end of the drive sleeve 140, and such drive teeth engage the corresponding drive slots of the inner sleeve 143.
組み合わされた一対のテーパスリーブ、及び、シール
134は、第1のカートリッジサブアセンブリを形成し、
該サブアセンブリは、ハウジング144の中に嵌合するの
に適している。駆動スリーブ140及びシール139は、別の
カートリッジサブアセンブリを形成し、このカートリッ
ジサブアセンブリは、シャフト135にクランプ止めされ
ており、また、カバー145によって、ハウジング144にボ
ルト止めされている。A pair of tapered sleeves and seals combined
134 forms a first cartridge subassembly;
The subassembly is suitable for fitting into a housing 144. Drive sleeve 140 and seal 139 form another cartridge subassembly that is clamped to shaft 135 and bolted to housing 144 by cover 145.
再度図7を参照すると、図7は、バリア液体を入口チ
ャンバ147(図9)に供給し、また、バリア液体を出口
チャンバ149から回収するための回路を示している。図
示のように、この回路は、(液体を冷却/加熱するため
にエネルギを供給することを除いて)能動的(すなわ
ち、エネルギの入力がない)である。プロセス流体の圧
力を監視して、出口チャンバの中の圧力と比較し、これ
により、シール134が過剰な差圧を受けないように構成
することができる。Referring again to FIG. 7, FIG. 7 shows a circuit for supplying the barrier liquid to the inlet chamber 147 (FIG. 9) and for collecting the barrier liquid from the outlet chamber 149. As shown, the circuit is active (i.e., has no energy input) (except for providing energy to cool / heat the liquid). The pressure of the process fluid can be monitored and compared to the pressure in the outlet chamber, so that the seal 134 is not subjected to excessive differential pressure.
スリーブの間で且つ入口チャンバ及び出口チャンバを
通して、バリア液体を循環させることは、チャンバの中
に発生する恐れのある汚れ及び異物を機械的なベアリン
グから洗い流す役割も果たす。通常のメカニカルシール
には、異物を除去するためのフラッシュ及びドレーン設
備が設けられることが多く、そのような設備は、エネル
ギの供給を必要とすることなく、また、事実上他になに
も必要とすることなく、本ケースに自動的に備わってい
る。Circulating the barrier liquid between the sleeves and through the inlet and outlet chambers also serves to flush dirt and debris that may form in the chambers from the mechanical bearings. Ordinary mechanical seals are often provided with flash and drain equipment to remove foreign objects, and such equipment does not require the supply of energy and virtually nothing else is needed. Without being automatically provided in this case.
内側スリーブ132、143(図9、図10)は、シャフト13
5上で軸方向に自由に摺動し、バネ150(図10)が、内側
スリーブを左側へ押圧する(すなわち、テーパ部の中に
より深く入れる)ことが分かる。しかしながら、バネ15
0の特性は、基本的には、メカニカルシール134の要件に
基づいて選択される。テーパスリーブを互いに押し付け
る力を狭い限界値の間できっちりと制御することが必要
であると考えられる。テーパ面の間に形成されるハイド
ロダイナミック膜は、非常に堅固である。軸受面の間に
一旦膜が形成されると、そのような面を互いに押し付け
る力が増大しても、そのような面同士を実際に押し付け
る際に殆ど効果を持たず、一方、膜を物理的に壊して面
同士を互いに接触させるために必要な力は、かなりのも
のである。従って、テーパ面の間の膜が充填されたギャ
ップは、上記面を互いに押し付ける力が変化しても、あ
るいは、メカニカルシールの要件によって設定しても、
かなりの程度自己設定型で且つ自己維持型である。The inner sleeves 132 and 143 (FIGS. 9 and 10)
It can be seen that it slides freely on 5 axially, and that the spring 150 (FIG. 10) pushes the inner sleeve to the left (ie, goes deeper into the taper). However, the spring 15
The zero characteristic is basically selected based on the requirements of the mechanical seal 134. It may be necessary to tightly control the force pressing the tapered sleeves together over a narrow limit. The hydrodynamic film formed between the tapered surfaces is very robust. Once a film is formed between the bearing surfaces, increasing the force pressing such surfaces together has little effect in actually pressing such surfaces together, while the film is physically The force required to break apart and bring the surfaces into contact with each other is considerable. Therefore, the gap filled with the film between the tapered surfaces, even if the force pressing the surfaces to each other changes, or even set by the requirements of the mechanical seal,
To a large extent it is self-configuring and self-sustaining.
軸方向に運動可能なスリーブ132は、出口チャンバ149
の中の圧力を受け、そのような圧力は、バネ150と同様
に、スリーブ132をテーパ部の中により深く押し込むよ
うに作用する。An axially movable sleeve 132 is provided in the outlet chamber 149.
And such pressure acts to push the sleeve 132 deeper into the taper, similar to the spring 150.
螺旋溝を有する一対のスリーブが、インペラシャフト
用のジャーナル・ベアリングの役割を果たすことを上に
説明した。通常のパッキン箱型のポンプの場合には、シ
ャフトベアリング(軸受箱25の中に位置する)の要件を
決定する際の計算における重要なファクタの1つは、イ
ンペラが上記ベアリングを越えて伸長するオーバーハン
グの長さであった。このオーバーハングが、遭遇するこ
とになり、また、ベアリングが受け入れるべき、振動の
周期及び振幅を決定した。しかしながら、本実施例にお
いては、上記オーバーハングは、事実上ゼロ(シャフト
の直径よりも小さい)である。従って、シャフトベアリ
ングが、インペラに極めて接近しているスリーブによっ
て形成される場合には、ベアリングに対する荷重は、オ
ーバーハングするシャフトに対して準備すべきポンプベ
アリングが通常受ける荷重よりも、かなり小さい。It has been described above that a pair of sleeves having a spiral groove play a role of a journal bearing for an impeller shaft. In the case of a conventional packing box type pump, one of the important factors in the calculations in determining the requirements of the shaft bearing (located in the bearing box 25) is that the impeller extends beyond the bearing. Overhang length. This overhang came to be encountered and also determined the period and amplitude of vibration that the bearing should accept. However, in this embodiment, the overhang is virtually zero (less than the diameter of the shaft). Thus, if the shaft bearing is formed by a sleeve that is very close to the impeller, the load on the bearing will be significantly less than the load normally applied to the pump bearing to be prepared for the overhanging shaft.
従って、この新しい設計は、軸受箱(例えば、符号2
5)の必要性、並びに、その潤滑等の必要性を排除する
だけではなく、荷重をかなり小さくすると共に、ベアリ
ング自身の使用の必要性をかなり減じる。Therefore, this new design has a bearing housing (eg, 2
Not only does it eliminate the need for 5) and its need for lubrication, but it also significantly reduces the load and significantly reduces the need to use the bearings themselves.
通常の設計において、インペラに最も近いベアリング
を、一般的にインペラから15又は20cm離すことができる
とすると、本発明の設計で大きな改善を行うことは困難
ではない。設計者は、好ましくは、シャフトの直径より
も短い範囲内で、ベアリングの境界面をシャフトに沿っ
て軸方向にインペラから離すべきである。Given that the bearings closest to the impeller can be typically 15 or 20 cm away from the impeller in a typical design, it is not difficult to make significant improvements in the design of the present invention. The designer should preferably move the bearing interface axially away from the impeller along the shaft, to within less than the diameter of the shaft.
当然、設計者は、ポンプシャフトが軸方向のスラスト
力に耐えるようにすべきであるが、ポンプハウジングの
外側で且つポンプハウジングとそのような目的のカップ
リング(例えば、符号30)との間に、スラストベアリン
グを設けることが便利であることが多い。(カップリン
グは通常、軸方向の力を伝達することができない。) 図11は、軸受箱25が取り除かれたばかりではなく、モ
ータ軸とポンプシャフトとの間のカップリング30も取り
除かれている構造を示している。軸152は、電動モータ1
54の電機子、及び、ポンプインペラ156の駆動軸の両方
の役割を果たす。ポンプのハウジング、及び、モータの
ハウジングは、1つのユニットとしてボルト止めするこ
とができ、正確に機械加工されたスピゴット158は、ア
ライメントを確実に行わせる役割を果たす。カップリン
グがないので、シャフトに作用する軸方向のスラスト力
は、実際にモータハウジングの中にあるスラストベアリ
ング160によって支持される。Of course, the designer should ensure that the pump shaft withstands axial thrust, but outside the pump housing and between the pump housing and the coupling for such purpose (eg, 30). It is often convenient to provide a thrust bearing. (Couplings generally cannot transmit axial forces.) FIG. 11 shows a structure in which not only the bearing housing 25 has been removed, but also the coupling 30 between the motor shaft and the pump shaft has been removed. Is shown. The shaft 152 is the electric motor 1
It serves as both the armature 54 and the drive shaft of the pump impeller 156. The pump housing and the motor housing can be bolted together as a unit, and a precision machined spigot 158 serves to ensure alignment. Since there is no coupling, the axial thrust forces acting on the shaft are actually supported by thrust bearings 160 located in the motor housing.
図12は、シール/ベアリングの形態として配列されて
組み合わされた一対のテーパ形状のスリーブを示してお
り、この場合には、貫通するシャフトが存在しない。ロ
ータ163は、スタブとして形成されている。FIG. 12 shows a pair of tapered sleeves arranged and combined in a seal / bearing configuration, in which case there is no penetrating shaft. The rotor 163 is formed as a stub.
外側スリーブ164は、符号165において、固定ハウジン
グ167にキー止めされている。外側スリーブは、ハウジ
ングの中で軸方向(垂直方向)に浮くことができ、バネ
167によって上方に押圧されている。The outer sleeve 164 is keyed at 165 to a stationary housing 167. The outer sleeve can float axially (vertically) within the housing,
Pressed upward by 167.
ロータスリーブ163のテーパ面には、螺旋溝169が形成
されている。スリーブ163が回転すると、螺旋溝の作用
によって、入口チャンバ170に供給されるバリア液体
が、出口チャンバ172に向かって下方に押圧され、ハイ
ドロダイナミック潤滑膜が、テーパ面の間に形成され
る。A spiral groove 169 is formed on the tapered surface of the rotor sleeve 163. When the sleeve 163 rotates, the action of the spiral groove pushes the barrier liquid supplied to the inlet chamber 170 downward toward the outlet chamber 172, and a hydrodynamic lubricating film is formed between the tapered surfaces.
入口チャンバ170の上方端は、ロータスリーブとステ
ータスリーブとの間のシール境界面174によってシール
される。上記シール境界面には圧力が殆ど作用せず、そ
の理由は、入口チャンバ170の中の液体が、螺旋溝169の
入口マウスの中に吸引されているからである。The upper end of the inlet chamber 170 is sealed by a sealing interface 174 between the rotor sleeve and the stator sleeve. There is little pressure on the seal interface because the liquid in the inlet chamber 170 is aspirated into the inlet mouth of the spiral groove 169.
図13は、上述の設計に使用されるタイプのロータスリ
ーブ174を示している。スリーブに対するテストにおい
ては、以下の性能に注目した。FIG. 13 shows a rotor sleeve 174 of the type used in the design described above. In the tests on the sleeve, the following performance was noted.
雄型テーパ形状のスリーブNo.1(平坦な雌型スリーブの
中に入っている): − テーパ角度=20゜; − 直径x=47.6mm; − 直径y=31.8mm; − 長さz=44.4mm; − 螺旋溝=一条、2.03mm幅×0.20mm深さ;溝ピッチ=
6.35mm(回旋部間のピッチ) − 回旋部の間のランドの幅=4.32mm テスト1: − 液体=18℃の水(粘度=1.15センチストークス) − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=70psi 流量=2.2リットル/hr. テスト2: − 液体=18℃の水 − 回転速度=3500rpm 結果:発生圧力=100psi 流量=4.5リットル/hr. テスト3: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1100rpm 結果:発生圧力=40psi 流量=1.5リットル/hr. テスト4: − 液体=SAE 30分、18℃のオイル、粘度50センチス
トークス − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=300psi 流量=3.0リットル/hr. スリーブNo.2(細い方の端部を機械加工で切断すること
により、長さzが38.0mmまで減少された点を除いて、ス
リーブNo.1と同じ)(平坦な雌型スリーブの中に入って
いる) テスト5: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=60psi スリーブNo.3(細い方の端部を機械加工で切断すること
により、長さzが31.6mmまで減少された点を除いて、ス
リーブNo.1と同じ)(平坦な雌型スリーブの中に入って
いる) テスト6: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=50psi スリーブNo.4(各々12.7mmピッチの2つの溝を形成し、
隣接する回旋部の間のランドの幅が4.32mmである点を除
いて、スリーブNo.1と同じ)(平坦な雌型スリーブの中
に入っている) テスト7: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=32psi 流量=5.4リットル/hr. テスト8: − 液体=93℃の水(粘度=1.13センチストークス) − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=64psi スリーブNo.5(単一の溝であり、溝の深さが0.25mmまで
増大された点を除いて、スリーブNo.1と同じ)(平坦な
雌型スリーブの中に入っている) テスト9: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=60psi 流量=3.0リットル/hr. スリーブNo.6(単一の溝であり、溝の深さが0.30mmまで
増大された点を除いて、スリーブNo.1と同じ)(平坦な
雌型スリーブの中に入っている) テスト10: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=45psi 流量=4.5リットル/hr. スリーブNo.7(単一の溝であり、溝の深さが0.35mmまで
増大された点を除いて、スリーブNo.1と同じ)(平坦な
雌型スリーブの中に入っている) テスト11: − 液体=18℃の水 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=20psi 流量=6.7リットル/hr. テスト12: − 液体=18℃の糖蜜 − 回転速度=1750rpm 結果:発生圧力=500psi以上 テスト1、2、3は、螺旋溝からより高い圧力及びよ
り大きな流量を生じさせる回転速度の増大範囲を示して
いる。Male tapered sleeve No. 1 (contained in a flat female sleeve):-taper angle = 20 °;-diameter x = 47.6 mm;-diameter y = 31.8 mm;-length z = 44.4. mm;-Spiral groove = single, 2.03mm width x 0.20mm depth; groove pitch =
6.35mm (pitch between convolutions)-Land width between convolutions = 4.32mm Test 1:-Liquid = 18 ° C water (viscosity = 1.15 centistokes)-Rotational speed = 1750rpm Result: Generated pressure = 70psi flow rate Test 2: Liquid = 18 ° C water-Rotational speed = 3500 rpm Result: Generated pressure = 100 psi Flow rate = 4.5 L / hr. Test 3:-Liquid = water at 18 ° C-Rotational speed = 1100 rpm Result : Generation pressure = 40 psi Flow rate = 1.5 l / hr. Test 4:-Liquid = SAE 30 min, oil at 18 ° C, viscosity 50 centistokes-Rotation speed = 1750 rpm Result: Generation pressure = 300 psi Flow = 3.0 l / hr. Sleeve No. 2 (same as sleeve No. 1 except that the length z has been reduced to 38.0 mm by machining the narrow end) (into a flat female sleeve) Test 5:-Liquid = water at 18 ° C-Rotational speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 60 psi No. 3 (same as sleeve No. 1 except that the length z has been reduced to 31.6 mm by machining the narrow end) (in a flat female sleeve) Test 6:-Liquid = water at 18 ° C-Rotational speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 50 psi Sleeve No. 4 (forming two grooves with a pitch of 12.7 mm each,
Same as sleeve No. 1 except that the land width between adjacent convolutions is 4.32mm) (in a flat female sleeve) Test 7:-Liquid = 18 ° C water -Rotational speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 32 psi Flow rate = 5.4 l / hr. Test 8:-Liquid = water at 93 ° C (viscosity = 1.13 centistokes)-Rotary speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 64 psi Sleeve No.5 (Same as sleeve No. 1 except that it is a single groove and the depth of the groove is increased to 0.25 mm) (in a flat female sleeve) Test 9: − Liquid = Water at 18 ° C.-Rotational speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 60 psi Flow rate = 3.0 l / hr. Sleeve No. 6 (except that it is a single groove and the groove depth is increased to 0.30 mm) (Same as sleeve No. 1) (in a flat female sleeve) Test 10:-Liquid = water at 18 ° C-Rotational speed = 1750 rpm Result Generated pressure = 45 psi Flow rate = 4.5 l / hr. Sleeve No. 7 (same as sleeve No. 1 except that it is a single groove and the depth of the groove has been increased to 0.35 mm) (flat female Test 11:-Liquid = water at 18 ° C-Rotational speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 20psi Flow = 6.7 l / hr. Test 12:-Liquid = molasses at 18 ° C-Rotational speed = 1750 rpm Result: Generated pressure = 500 psi or greater Tests 1, 2, and 3 show a range of increasing rotational speeds that result in higher pressure and greater flow from the spiral groove.
テスト4をテスト1と比較すると、水ではなくオイル
を液体として用いると、かなり大きな圧力を得ることが
できることを示している。Comparison of test 4 with test 1 shows that using oil rather than water as the liquid can produce significantly higher pressures.
テスト5、6をテスト1と比較すると、長さを6.4mm
減少させる毎に、得られる圧力が10psiだけ低下するこ
とを示している。Comparing Tests 5 and 6 with Test 1, the length is 6.4mm
Each reduction indicates that the resulting pressure drops by 10 psi.
テスト7をテスト1と比較すると、2つの溝を形成す
ると、1つの溝の場合に比較して、圧力は半分になり、
流量は2倍になることを示している。Comparing Test 7 with Test 1, when two grooves are formed, the pressure is halved compared to the case of one groove,
The flow rate is shown to double.
テスト8は、水が殆ど沸騰している時には、得られる
圧力が概ね8%減少することを示している。Test 8 shows that when the water is almost boiling, the pressure obtained is reduced by approximately 8%.
テスト9、10、11は、螺旋溝を深くすると、圧力が低
下することを示している。液体が水の場合には、約0.50
mmよりも深い溝は、圧力を全く生じない。Tests 9, 10, and 11 show that increasing the depth of the spiral groove reduces the pressure. About 0.50 when the liquid is water
Grooves deeper than mm do not produce any pressure.
テスト12は、液体が糖蜜である場合には、0.50mmの深
さの溝は、500psiよりも大きな圧力を発生することを示
している。しかしながら、糖蜜を用いた場合には、0.30
mmよりも浅い溝は、糖蜜に殆ど影響を与えない。Test 12 shows that if the liquid is molasses, a 0.50 mm deep groove will generate a pressure greater than 500 psi. However, when molasses is used, 0.30
Grooves shallower than mm have little effect on molasses.
上記テストはまた、オイルの如き粘性の高い液体は、
水に比較して、速度、溝の深さ等の変化をかなり許容す
ることを示している。しかしながら、上述の溝は、液体
が水の場合でも、圧力及び体積流量を生じさせる性能が
高いことは明らかである。The above test also shows that highly viscous liquids such as oil
This shows that compared to water, changes in speed, groove depth, and the like are considerably tolerated. However, it is clear that the grooves described above have a high performance in producing pressure and volume flow, even when the liquid is water.
大部分の場合には、パッキン箱の中のバリア液体に圧
力を生じさせる要件は、高い圧力を達成することであ
る。実際に、そのような要件は、バリア液体がプロセス
流体よりも高い圧力にあるということが多い。In most cases, the requirement to create pressure in the barrier liquid in the packing box is to achieve high pressure. In fact, such a requirement is often that the barrier liquid is at a higher pressure than the process fluid.
理論的には、圧力が発生される限り、大きな体積流量
は必要がない。実際に、大きな流量は、流れがプロセス
流体の中に漏洩する場合には特に、不都合である。In theory, as long as pressure is generated, no large volume flow is needed. In fact, large flow rates are disadvantageous, especially if the flow leaks into the process fluid.
しかしながら、パッキン箱の中のバリア液体に圧力を
形成する時には、そのような圧力を形成する手段は、バ
リア液体がパッキン箱を通って強力に循環されている場
合でも、また、パッキン箱のシールが漏洩を生じている
場合でも、そのような圧力を形成することができるよう
に十分に堅固であることが重要である。However, when creating pressure in the barrier liquid in the packing box, the means for creating such pressure may be such that even if the barrier liquid is strongly circulated through the packing box, the sealing of the packing box may be It is important that the pressure be strong enough to be able to build such pressure, even in the event of a leak.
この点に関して、米国特許第4,290,611号に示される
ような、渦形のマーキングを用いて圧力を形成しようと
する試みを検討することができる。そのような渦形のマ
ーキングは、流量がゼロ又はほんの少しのレベルにおい
てのみ、圧力を発生することができる。圧力は、漏洩が
無い間にだけ発生される。従って、何等かの理由で測定
可能な量の漏洩がシールに発生し始めると、圧力を発生
する機能が低下し、シールが直ちに開いて、多量の漏洩
を許容することになる。In this regard, one can consider attempts to create pressure using spiral markings, as shown in US Pat. No. 4,290,611. Such vortex markings can generate pressure only at zero or very low flow rates. Pressure is generated only during the absence of a leak. Thus, if for any reason a measurable amount of leakage begins to occur in the seal, the ability to generate pressure will be reduced and the seal will open immediately, permitting a large amount of leakage.
上述の構造は望ましいものではない。圧力を発生する
ための機構は、多目的型でなければならず、また、シー
ルが漏洩を生じた場合でも、バリア液体の圧力を維持す
るに十分な程度に堅固でなければならない。プロセス流
体とパッキン箱との間のシールに僅かの漏洩が生じ始め
た場合に、プロセス流体が直ちにパッキン箱の中に入る
ようであれば、実際的には殆ど使用できない。The above structure is not desirable. The mechanism for generating pressure must be versatile and robust enough to maintain the pressure of the barrier liquid, should the seal leak. If the seal between the process fluid and the packing box begins to leak slightly and the process fluid immediately enters the packing box, it is practically useless.
上述の設計においては、そのような望ましい程度の圧
力発生の柔軟な堅固さを得ることができる。溝の寸法等
のパラメータを、回転速度及びバリア液体の粘度に対し
て適正に設定すると、バリア液体は、螺旋溝の出口マー
カーから確実に且つ連続的に出ることになる。In the above-described design, such a desired degree of softness of pressure generation can be obtained. Properly setting the parameters such as the dimensions of the grooves for the rotation speed and the viscosity of the barrier liquid ensures that the barrier liquid exits the spiral groove exit marker reliably and continuously.
大部分の遠心ポンプ設備においては、プロセス流体の
中に存在する圧力に打ち勝つために十分な圧力を螺旋溝
から得るようにすることは、設計者には十分に簡単なこ
とであって、螺旋溝が1時間当たり数リットル程度の流
量を発生する場合でも、上述の十分な圧力を得ることが
できる。In most centrifugal pump installations, obtaining sufficient pressure from the spiral groove to overcome the pressure present in the process fluid is simple enough for the designer to use the spiral groove. Generates a flow rate of several liters per hour, the above-mentioned sufficient pressure can be obtained.
この程度の性能は、バリア液体が水の場合でも得るこ
とができることが分かっている。It has been found that this level of performance can be obtained even when the barrier liquid is water.
設計者は、螺旋溝を所望の圧力及び流量を得るための
正しい寸法にする必要がある。The designer needs the helical groove to be dimensioned correctly to obtain the desired pressure and flow rate.
溝は、その幅が2mm前後とした場合に、約0.4mmよりも
深くしてはならない。一般的に、螺旋溝(単数又は複
数)の全断面積又は合計断面積は、約1平方ミリメート
ルを超えてはならず、約0.5平方ミリメートルを超えな
いのが好ましい。The groove should not be deeper than about 0.4 mm, provided that the width is around 2 mm. Generally, the total or total cross-sectional area of the spiral groove (s) should not exceed about 1 square millimeter, and preferably does not exceed about 0.5 square millimeter.
溝は、小さすぎてはならない。小さな溝は、圧力を発
生することはできるが、そのような圧力で適正な体積流
量を供給することはできない。溝の断面積は、約0.3平
方ミリメートルが最小限であって、それ以下では、大多
数の場合には、バリア液体の流量が不適当になる。The groove must not be too small. Small grooves can generate pressure, but cannot provide the proper volume flow at such pressure. The cross-sectional area of the groove is minimally about 0.3 square millimeters, below which in most cases the flow rate of the barrier liquid will be inadequate.
液体が水の場合には、溝は、液体がオイルである場合
の面積の2倍前後の面積になる。When the liquid is water, the groove has an area about twice as large as the area when the liquid is oil.
上述の螺旋溝は、高い圧力をもたらすことができるだ
けではなく、同時に、そのような圧力において良好な流
量を提供することかできることが分かる。これは、パッ
キン箱を有するポンプにおいては従来達成されなかっ
た。It can be seen that the spiral grooves described above can not only provide high pressures, but at the same time provide good flow rates at such pressures. This has not heretofore been achieved in pumps having packing boxes.
溝の1つの回旋部の体積は一般的に、約0.05ミリリッ
トルであり、溝の出口マウスから3リットル/hr(一般
的に生ずる)の割合で液体が流れる場合には、これは、
一回転当たり約0.03ミリリットルの液体を供給するこ
と、すなわち、一回転当たりの溝の1つの回旋部の体積
の約半分に相当するものと計算することができる。The volume of one convolution in the groove is typically about 0.05 milliliters, and if liquid flows from the outlet of the groove at a rate of 3 liters / hr (generally occurs), this means that
It can be calculated to provide about 0.03 milliliter of liquid per revolution, ie, about half the volume of one convolution of the groove per revolution.
入口マウスと出口マウスとの間の溝の全長は、一般的
には、少なくとも50cmあるいは70cmである。30cmが最小
限であると見なすべきである。溝の全長が短か過ぎる
と、圧力を発生することができない。The total length of the groove between the entry and exit mice is generally at least 50 cm or 70 cm. 30cm should be considered minimal. If the total length of the groove is too short, no pressure can be generated.
本発明を使用する際の重要なファクタは、軸受面の間
にハイドロダイナミック膜を形成することである。その
ような膜を堅固に且つ確実にするためには、軸受面の間
の運転隙間すなわちギャップは、十分に小さくすべきで
あり、螺旋溝の隣接する回旋部の間のランドは、十分に
広くすべきである。回旋部の間のランドの幅は、4mmで
あるのが良いことが分かった。2mmが、最小限であると
見なすべきである。An important factor in using the present invention is the formation of a hydrodynamic film between the bearing surfaces. In order to make such a membrane robust and secure, the running gap or gap between the bearing surfaces should be small enough and the land between adjacent convolutions of the spiral groove should be wide enough. Should. It has been found that the width of the land between the convolutions is preferably 4 mm. 2 mm should be considered minimal.
本明細書で説明するように、軸受面がテーパ形状であ
り、一方のテーパ面が、軸方向に動くスリーブに形成さ
れる場合には、設計者は、膜の厚みを決定する面間のギ
ャップを非常に小さくすることができる。ギャップが小
さければ小さいほど、また、ランドが広ければ広いほ
ど、溝の回旋部の間で維持することのできる差圧は大き
くなる。As described herein, if the bearing surface is tapered and one tapered surface is formed in an axially moving sleeve, the designer may determine the gap between the surfaces that determines the thickness of the membrane. Can be very small. The smaller the gap and the wider the land, the greater the differential pressure that can be maintained between the convolutions of the groove.
螺旋溝が長くなればなるほど、得られる最終圧力は大
きくなる。また、溝が長くなればなるほど、溝は逆漏洩
に抵抗し、出口マウスにおける圧力を低下することな
く、溝の断面積を大きくすることができ、従って、より
大きな体積の液体を溝に沿って動かすことができること
が分かる。代表的なパッキン箱設備の寸法的な外皮は、
その中に容易に収容することのできる螺旋溝の寸法が、
溝を通る圧力及び体積流量の適正以上の組み合わせを発
生することができるようなものであることが認識され
る。The longer the spiral groove, the greater the final pressure obtained. Also, the longer the groove, the greater the resistance of the groove to reverse leakage and the greater the cross-sectional area of the groove without reducing the pressure at the outlet mouth, thus allowing a larger volume of liquid to flow along the groove You can see that it can be moved. The outer dimensions of typical packing box equipment are
The dimensions of the spiral groove that can be easily accommodated in it,
It will be appreciated that such a combination can produce more than a reasonable combination of pressure and volume flow through the groove.
螺旋溝の形態は、メカニカルシールが壊れた場合で
も、また、モータの回転が停止した場合でも、極めて少
ない流量の流体が溝を通ってだけ漏洩することができる
ことを意味する。溝は、1平方ミリメートルの面積、及
び、50cmの長さを有することができ、そのような溝を通
る漏洩は必然的にゆっくりとしている。The configuration of the spiral groove means that a very small amount of fluid can leak only through the groove, even if the mechanical seal breaks or the motor stops rotating. The grooves can have an area of one square millimeter and a length of 50 cm, and leakage through such grooves is necessarily slow.
上述のように、設計者は、出口チャンバとインペラ室
との間のメカニカルシールが壊れた場合(モータは運転
していると仮定する)でも、プロセス流体の漏洩が全く
生じないようにしなければならないことがある。この場
合には、設計者は、出口チャンバの中の圧力を調節し
て、インペラ室の中の圧力よりも若干高い圧力にしなけ
ればならない。上述のように、圧力調節器をパッキン箱
のハウジングの外側に設けて、パイプによって上記両チ
ャンバに接続する。As mentioned above, the designer must ensure that no leakage of process fluid occurs if the mechanical seal between the outlet chamber and the impeller chamber breaks (assuming the motor is running). Sometimes. In this case, the designer must adjust the pressure in the outlet chamber to be slightly higher than the pressure in the impeller chamber. As mentioned above, a pressure regulator is provided outside the housing of the packing box and is connected by pipes to both chambers.
エンジニアは、出口チャンバの中の圧力を調節して、
インペラ室の中のプロセス流体の圧力よりも少し高い値
に自動的に調節するようにする必要がある。これによ
り、エンジニアは、シールが漏洩を生じた場合でも、プ
ロセス流体がインペラ室から出口チャンバの中に流れる
のではなく、バリア液体が出口チャンバからインペラ室
の中に流れるようにすることができる。出口チャンバの
中の圧力が、プロセス流体の圧力よりも高い状態に維持
されている限り、プロセス流体は、出口チャンバ従って
外部へ漏洩することはない。The engineer adjusts the pressure in the outlet chamber,
It is necessary to automatically adjust the pressure to a value slightly higher than the pressure of the process fluid in the impeller chamber. This allows the engineer to have the barrier fluid flow from the outlet chamber into the impeller chamber, rather than the process fluid flowing from the impeller chamber into the outlet chamber, should the seal leak. As long as the pressure in the outlet chamber is maintained above the pressure of the process fluid, the process fluid will not leak out to the outlet chamber and thus to the outside.
そうではなく、エンジニアは、それがより適正である
場合には、出口チャンバの中の圧力を調節して、インペ
ラ室の中の圧力よりも小さい圧力にすることができる。
圧力を設定する際の主要な点は、出口チャンバの中の圧
力は、インペラ室の中の圧力から高い方向に又は低い方
向に大幅に異ならない値に設定すべきであるということ
である。Rather, the engineer, if more appropriate, can adjust the pressure in the outlet chamber to a pressure less than the pressure in the impeller chamber.
The main point in setting the pressure is that the pressure in the outlet chamber should be set to a value that does not differ significantly from high or low in the impeller chamber.
同様に、設計者は、入口チャンバと外部との間のメカ
ニカルシールの前後の差圧を小さい値に維持することも
できる。次に、プロセス流体と大気圧との間の全差圧の
先端を、入口チャンバと出口チャンバとの間に伸長する
螺旋溝が取る。すなわち、螺旋溝を用いてシールの前後
の差圧を最小値に維持する。機械的に接触するタイプの
シールの前後の差圧が小さくなればなるほど、シールの
予想寿命は長くなる。Similarly, the designer can maintain a small differential pressure across the mechanical seal between the inlet chamber and the outside. Next, a spiral groove extending between the inlet and outlet chambers takes the tip of the total pressure difference between the process fluid and atmospheric pressure. That is, the differential pressure before and after the seal is maintained at the minimum value by using the spiral groove. The lower the differential pressure across a mechanically contacting type seal, the longer the expected life of the seal.
エンジニアは、出口チャンバの中の圧力を調節して、
プロセス圧力の少し下又は少し上の圧力にすることがで
きる。プロセス流体の圧力は高くなるかも知れないが、
メカニカルシールに作用する差圧は小さい。これは、勿
論、メカニカルシールにとって良いことであるばかりで
なく、出口チャンバの中の圧力が高いということは、テ
ーパ面の間の界面圧力も高いことを意味し、これは、作
動している軸受界面としての軸受面にとっても良いこと
である。The engineer adjusts the pressure in the outlet chamber,
The pressure can be slightly below or slightly above the process pressure. The pressure of the process fluid may be higher,
The differential pressure acting on the mechanical seal is small. This is, of course, not only good for the mechanical seal, but the high pressure in the outlet chamber also means a high interfacial pressure between the tapered surfaces, which means that the working bearing This is also good for the bearing surface as an interface.
プロセス流体の圧力が高い場合、すなわち、数psiよ
りも高い場合には、シールに作用する差圧が低くても、
慎重なエンジニアは、プロセスチャンバのシールとし
て、エラストマーのリップタイプではなく、メカニカル
タイプのものを選択する。反対に、入口チャンバと外部
環境との間のシールは、エラストマーのリップタイプの
ものを安全に設けることができることが多い。メカニカ
ルシールは、一般的に、エラストマーのリップシールよ
りもかなり高価である。If the pressure of the process fluid is high, i.e. higher than a few psi, even if the differential pressure acting on the seal is low,
Careful engineers choose mechanical seals rather than elastomeric lip seals for process chambers. Conversely, the seal between the inlet chamber and the external environment can often be safely provided with an elastomeric lip type. Mechanical seals are generally significantly more expensive than elastomeric lip seals.
設計者は、溝の入口マウスに対するバリア液体の供給
が滞らないようにしなければならない。しかしながら、
これは、通常の工業的なポンプの環境では、それほど強
い要件ではない。それ以上に、バリア液体の供給側を加
圧する必要はない。その理由は、螺旋溝は、必要に応じ
て、(若干の)真空(負圧)からバリア液体を吸引する
ことになるからである。The designer must ensure that the supply of barrier liquid to the mouth of the channel is not interrupted. However,
This is not a very strong requirement in a typical industrial pump environment. Furthermore, there is no need to pressurize the supply side of the barrier liquid. The reason for this is that the spiral groove will draw the barrier liquid from the (slight) vacuum (negative pressure) as needed.
バリア液体は、清浄な状態に保持されなければならな
い。テーパ面の間に汚れがあると、そのような汚れは、
テーパ面の間のギャップを適正に維持するというハイド
ロダイナミック膜の機能に影響を与える。しかしなが
ら、テストにおいては、テーパ面の螺旋溝自身が実際
に、テーパ面から異物の粒子を掃除する役割を果たした
ということを指摘しておく。The barrier liquid must be kept clean. If there is dirt between the tapered surfaces, such dirt will
Affects the function of the hydrodynamic membrane to properly maintain the gap between the tapered surfaces. However, it has been pointed out in the tests that the spiral groove itself on the tapered surface actually played a role in cleaning foreign particles from the tapered surface.
この自己清掃機能の理由は、汚れ粒子は、ハイドロダ
イナミック膜の中にではなく、螺旋溝の中に集まる傾向
があると総括することができる。次に、溝に沿って移動
する液体の速度は、汚れを溝の出口端に流す傾向を有し
ている。螺旋溝の回旋部の間のランドは、これらランド
にある膜の液体が溝の中に入ることができるように、十
分に狭い。この観点から、ランドの幅は約8mmを超えて
はならない。The reason for this self-cleaning function can be summed up by the fact that dirt particles tend to collect in the spiral grooves and not in the hydrodynamic membrane. Secondly, the velocity of the liquid moving along the groove has a tendency to flow dirt to the outlet end of the groove. The lands between the convolutions of the spiral grooves are narrow enough to allow the liquid of the film on these lands to enter the grooves. In this regard, the width of the land must not exceed about 8mm.
ロータ及びステータのスリーブを形成する材料の選択
は重要である。これは、ハイドロダイナミック膜が形成
されていて、理論的には軸受面の間の接触が存在しない
場合でも同じであり、その理由は、必然的に偶発的な接
触が起こるからである。The choice of the material forming the rotor and stator sleeves is important. This is the case even if a hydrodynamic film is formed and, in theory, there is no contact between the bearing surfaces, because accidental contact necessarily occurs.
螺旋溝が形成されている面を有する要素は、平坦な面
が形成されている要素よりも硬い材料から形成するべき
である。そのようにすると、何等かの磨耗が生じる場合
には、平坦な面が磨耗して、溝は完全な状態に維持され
ることになる。実際に、少しの磨耗は有益であり、その
理由は、そのような磨耗は、面同士の間の緩衝を行い、
嵌合の緊密度を高めるからである。Elements having a surface with helical grooves should be formed of a harder material than elements with a flat surface. In that case, if any wear occurs, the flat surface will be worn and the groove will be kept intact. In fact, a small amount of wear is beneficial, because such wear provides a cushion between surfaces,
This is because the tightness of fitting is increased.
適正な組み合わせは、溝を有する雄型のロータを、約
0.1mmの硬質クロムで被覆したステンレス鋼で形成する
か、あるいは、セラミックのベアリング材料で形成する
ことである。(被覆すなわちコーティングを持たないス
テンレス鋼は、汚れる傾向があるので、適当ではな
い。)。平坦な雌型のステータは、カーボン(グラファ
イト)、PTFE、あるいは、硬質金属に接触して長時間稼
働するように開発された(多数の)複合材料の1つから
形成することができる。The right combination will fit a male rotor with grooves
It should be made of stainless steel coated with 0.1mm hard chrome, or made of ceramic bearing material. (Stainless steel without a coating, or coating, is not suitable because it tends to foul.) The flat female stator can be formed from carbon (graphite), PTFE, or one of (a number of) composite materials that have been developed to last a long time in contact with hard metals.
設計者は、テーパ面を互いに押し付けるための何等か
の手段を準備しなければならない。そのような手段は、
機械的なバネの形態を取ることができ、あるいは、テー
パ面を互いに押し付けるように軸方向に運動可能なスリ
ーブに作用する、バリア液体の圧力、あるいは、プロセ
ス流体の圧力を与えることができる。(軸方向の拘束が
全く行われない場合には、上記テーパ面は単に離れる方
向に移動し、ハイドロダイナミック膜は形成されな
い。)。The designer must provide some means for pressing the tapered surfaces together. Such means are:
It can take the form of a mechanical spring, or it can provide the pressure of the barrier liquid or the pressure of the process fluid acting on a sleeve that can move axially to press the tapered surfaces together. (If there is no axial constraint, the tapered surface simply moves away and no hydrodynamic film is formed.)
上記手段をどのように提供するかを判断する際に、設
計者は、バリア液体のプロセス流体への漏洩、あるい
は、プロセス流体のバリア液体への漏洩のいずれが最も
重要であるかを考慮しなければならない。例えば、飲料
液体を圧送する場合には、そのような飲料液体には、バ
リア液体が全く混入しないことが重要であるが、そのよ
うな飲料液体が有害ではない場合には、少量の飲料液体
がパッキン箱を通って漏洩することはそれほど問題では
ない。別の場合においては、プロセス流体が有害な液体
であるか、あるいは、ほんの僅かの痕跡でも発ガン性を
有する液体である場合があり、そのような場合には、そ
のような有害な液体がパッキン箱の中に漏洩して、バリ
ア液体で希釈されることは好ましい。When deciding how to provide the above means, the designer must consider whether leakage of the barrier liquid into the process fluid or leakage of the process fluid into the barrier liquid is the most important. Must. For example, when pumping beverage liquids, it is important that such beverage liquids are free of any barrier liquid, but if such beverage liquids are not harmful, a small amount of beverage liquid may be used. Leakage through the packing box is less of a problem. In other cases, the process fluid may be a harmful liquid, or may be a carcinogenic liquid with very little traces, in which case such harmful liquids may be packed. Preferably, it leaks into the box and is diluted with the barrier liquid.
設計者は、プロセス流体の圧力又はバリア液体の圧力
をテーパ面を互いに押し付けるための主要な要素とする
ことができる。あるいは、一方又は両方の圧力に対して
運動可能なスリーブが中立になり、その軸方向の力が機
械的なバネによって決定されるように、各要素を配列す
ることができる。また、圧力の露呈及び機械的なバネの
幾つかの適宜な組み合わせを行うこともできる。The designer can use the pressure of the process fluid or the pressure of the barrier liquid as the primary factor for pressing the tapered surfaces together. Alternatively, the elements can be arranged such that the sleeve, which is movable with respect to one or both pressures, is neutral and its axial force is determined by a mechanical spring. Also, some suitable combinations of pressure exposure and mechanical springs can be made.
バリア液体の圧力が増大するに従って、ハイドロダイ
ナミック膜は、テーパ面を離すというその傾向を増大さ
せる。従って、プロセス圧力が増大するに連れて、軸方
向に運動可能なスリーブをより強くテーパ部の中に押し
込むことが、一般的には好ましい。As the pressure of the barrier liquid increases, the hydrodynamic membrane increases its tendency to release the tapered surface. Therefore, it is generally preferred to push the axially movable sleeve more strongly into the taper as the process pressure increases.
運動可能なスリーブが離れることに対する抵抗が小さ
すぎる場合には、圧力が適正に形成されない。従って、
設計者は、運動可能なスリーブに作用する軸方向の力を
十分に大きくして、テーパ面を一緒に保持し、これによ
り、所望の圧力が形成されるようにしなければならな
い。If the resistance to detachment of the movable sleeve is too low, the pressure will not build up properly. Therefore,
The designer must make the axial force acting on the movable sleeve large enough to hold the tapered surfaces together, so that the desired pressure is created.
テーパ面が必要以上にしっかりと互いに押し付けられ
ることは、それほど問題ではなく、その理由は、ハイド
ロダイナミック膜は、非常に堅固であるからである。反
対に、スリーブは、膜が実際に壊れてテーパ面が機械的
に接触するほどには、強く押圧してはならない。そのよ
うな場合にテーパ面が一緒に作動した場合でも、テスト
は、テーパ面の間の強制的な接触は、出口チャンバの中
の圧力を低下させることを示している。It does not matter much that the tapered surfaces are pressed together more than necessary, because the hydrodynamic membrane is very rigid. Conversely, the sleeve must not be so strong that the membrane actually breaks and the tapered surface makes mechanical contact. Even if the tapered surfaces acted together in such cases, tests have shown that forced contact between the tapered surfaces reduces the pressure in the outlet chamber.
テーパ部の角度すなわちテーパ角度は、大き過ぎず、
また、小さ過ぎないようにしなければならない。そのよ
うな角度が大きくなればなる程、テーパ面を一緒に保持
して圧力を形成させるために、より大きな力が必要とさ
れる。スリーブを一緒に保持するために必要な力が、都
合良く実行するために、又は、都合良く制御するために
は大きくなり過ぎると、上述の角度は大きくなり過ぎ
る。The angle of the tapered part, that is, the taper angle is not too large,
Also, you must not be too small. The greater such an angle, the more force is needed to hold the tapered surfaces together and create pressure. If the force required to hold the sleeves together becomes too large to perform conveniently or to control conveniently, the angle will become too large.
テーパ角度が大き過ぎると別の問題が生ずる。テーパ
形状のスリーブがインペラシャフト用のジャーナル・ベ
アリングの役割を果たしている限り、テーパ面に作用す
る軸受荷重は、当然にして、テーパ面の間の軸方向の荷
重を誘起する。この誘起された軸方向の力は、運動可能
なスリーブをテーパ部から押し出す傾向を有している。
テーパ角度が大きくなればなる程、運動可能なスリーブ
に作用するように誘起される軸方向の荷重は大きくな
る。そのような角度が大き過ぎる場合には、運動可能な
スリーブの軸方向の運動に抵抗する手段を設けて、運動
可能なスリーブの機能を押さえて、ハイドロダイナミッ
ク膜を形成するための最も好ましい位置に定着させるこ
とになる。しかしながら、テーパ角度が大きくない限
り、スリーブがジャーナル・ベアリングとして作用する
ことにより運動可能なスリーブに誘起される上述の軸方
向の力は無視することができる。Another problem arises when the taper angle is too large. As long as the tapered sleeve plays the role of a journal bearing for the impeller shaft, the bearing load acting on the tapered surface naturally induces an axial load between the tapered surfaces. This induced axial force tends to push the movable sleeve out of the taper.
The greater the taper angle, the greater the axial load induced to act on the movable sleeve. If such an angle is too large, means may be provided to resist axial movement of the movable sleeve to reduce the function of the movable sleeve to the most preferred position for forming a hydrodynamic membrane. It will be fixed. However, as long as the taper angle is not large, the aforementioned axial forces induced on the movable sleeve by the sleeve acting as a journal bearing are negligible.
ここでも、スリーブを越えて伸長するインペラのオー
バーハングは非常に短いので、ジャーナル・ベアリング
の荷重も小さいことを指摘しておく。インペラに作用す
る軸受荷重は、ポンプ室からのプロセス流体の出口をバ
ランスさせることにより、減少させることができる。長
いオーバーハングに起因する振動によって主軸受荷重が
生ずると、出口圧力をバランスさせることができないこ
とが多いが、ベアリングがインペラに非常に接近した場
合には、出口のアンバランス及び振動の両方から生ずる
軸受力は、非常に小さい値まで減少させることができ
る。Again, it should be pointed out that the overhang of the impeller extending beyond the sleeve is so short that the load on the journal bearing is small. The bearing load acting on the impeller can be reduced by balancing the outlet of the process fluid from the pump chamber. If the main bearing load is caused by vibrations due to long overhangs, the outlet pressure often cannot be balanced, but if the bearing is very close to the impeller, it will result from both the exit imbalance and vibration. The bearing forces can be reduced to very small values.
上述の考察に基づき、10゜と30゜との間のテーパ角度
(すなわち、5゜と15゜との間の半角)が良好な結果を
もたらすことが分かったが、テーパ角度は、20゜である
のが好ましい。Based on the above considerations, it has been found that a taper angle between 10 ° and 30 ° (ie, a half angle between 5 ° and 15 °) gives good results, but the taper angle is 20 °. Preferably it is.
本発明に従って適正に作動することのできる最大テー
パ角度は、約60゜である。この値よりも大きい角度で
は、運動可能なスリーブに誘起される軸方向の力を適正
に制御することができない。The maximum taper angle that can operate properly in accordance with the present invention is about 60 degrees. At angles greater than this value, the axial forces induced on the movable sleeve cannot be properly controlled.
反対に、テーパ角度は、小さすぎてもならない。テー
パ角度が小さ過ぎると、互いに重ねた状態でテーパ面を
製造することは、困難となる。その理由は、テーパ面が
固着する傾向があるからである。また、テーパ面が乾燥
し、従って、これらテーパ面の間の摩擦係数が増大した
場合にも、上記固着が生ずる。従って、テーパ角度は、
自己固着する角度よりも大きいのが好ましい。上記自己
固着する角度は、2つのスリーブの間の摩擦係数から決
定することができる。鋳鉄及び青銅のような金属に関し
ては、テーパ角度は、約7゜よりも大きくすべきであ
る。Conversely, the taper angle must not be too small. If the taper angle is too small, it is difficult to manufacture the tapered surfaces in a state of being overlapped with each other. The reason is that the tapered surface tends to stick. The sticking also occurs when the tapered surfaces dry, thus increasing the coefficient of friction between the tapered surfaces. Therefore, the taper angle is
It is preferable that the angle is larger than the self-fixing angle. The self-fixing angle can be determined from the coefficient of friction between the two sleeves. For metals such as cast iron and bronze, the taper angle should be greater than about 7 °.
上述の設計においては、螺旋溝は、ステータスリーブ
にではなく、ロータスリーブに形成されており、この構
造が好ましい。また、ロータスリーブが雄型のスリーブ
であるのが好ましく、その理由は、そのようにすると、
溝は、外側を向いた面に形成され、内側を向いた面は平
坦な状態のままにすることができるからである。In the above design, the spiral groove is formed in the rotor sleeve, not in the stator sleeve, which is preferred. It is also preferred that the rotor sleeve is a male sleeve, the reason for which is that
This is because the grooves are formed on the outwardly facing surface and the inwardly facing surface can remain flat.
螺旋溝をステータのテーパ面に形成して、ロータのテ
ーパ面を平坦な状態にすることもできる。また、溝をロ
ータ及びステータの両方に形成することもできる。The helical groove may be formed in the tapered surface of the stator to make the tapered surface of the rotor flat. Also, the grooves can be formed in both the rotor and the stator.
本発明においては、ハイドロダイナミック膜は、堅固
で確実であるべきである。液体が非常に大きな潤滑性及
び粘性を有していない限り、上記溝をテーパ面の一方に
だけ形成し、他方のテーパ面は平坦な状態にしておくこ
とが好ましい。平坦な状態にしておくのは、ステータの
面であるのが好ましく、また、平坦な状態にしておくの
は、雌型の面であるのが好ましい。両方の面に溝を形成
した場合には、膜を壊す傾向がある。しかしながら、バ
リア液体が汚れていたり、あるいは、汚れる可能性があ
り、また、液体が適当な粘性を有するオイル状の液体で
ある場合には、両方の面に溝を形成するのが好ましい。In the present invention, the hydrodynamic membrane should be robust and secure. Unless the liquid has a very large lubricating property and viscosity, it is preferable to form the groove on only one of the tapered surfaces and leave the other tapered surface flat. The flat surface is preferably the surface of the stator, and the flat surface is preferably the surface of the female mold. If grooves are formed on both surfaces, the film tends to break. However, when the barrier liquid is dirty or may be dirty, and when the liquid is an oily liquid having an appropriate viscosity, it is preferable to form grooves on both surfaces.
本明細書で使用する「psi」という表現は、流体圧の
測定単位である。Sl単位(国際単位)では、1N/m2=1.4
5×10-4psiである。As used herein, the expression "psi" is a unit of measure for fluid pressure. 1N / m 2 = 1.4 in Sl unit (international unit)
5 × 10 −4 psi.
フロントページの続き (31)優先権主張番号 9425594.0 (32)優先日 平成6年12月19日(1994.12.19) (33)優先権主張国 イギリス(GB) (31)優先権主張番号 9506195.8 (32)優先日 平成7年3月27日(1995.3.27) (33)優先権主張国 イギリス(GB) (56)参考文献 特開 昭58−146768(JP,A) 西独国特許出願公開3541816(DE, A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F16J 15/40 F16J 15/447 Continuation of the front page (31) Priority claim number 9425594.0 (32) Priority date December 19, 1994 (December 19, 1994) (33) Priority claim country United Kingdom (GB) (31) Priority claim No. 9506195.8 (32) Priority date March 27, 1995 (March 27, 1995) (33) Priority country United Kingdom (GB) (56) References JP-A-58-146768 (JP, A) West German Patent Application Publication 3541816 (DE, A1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) F16J 15/40 F16J 15/447
Claims (39)
回転するようになされたロータ要素(36)とを備えた、
回転シャフト(29)用の装置であって、 前記ロータ及びステータの要素には、前記軸線の周囲で
同軸状に設けられた補完的な形状の軸受面(42、43)が
形成されており、 前記ロータ及びステータの前記軸受面は、前記ロータの
回転時に、軸受領域と称する領域にわたって、ハイドロ
ダイナミック軸受の関係で互いに掃除するように配列さ
れており、 前記軸受の一方(43)には、連続的な溝(45)が形成さ
れており、該溝は、前記軸受面に沿って且つ該軸受面の
周囲で、前記軸受領域にわたって螺旋状に伸長してお
り、 前記螺旋溝は、前記軸受面にわたって伸長する複数の回
旋部を有しており、これら回旋部は、前期螺旋溝の隣接
する回旋部の間に実質的な幅を有するランドを残すよう
に配列されており、 当該装置は、前記螺旋溝が入口マウス(47)及び出口マ
ウス(50)を有するように構成されており、 当該装置は、入口チャンバ(49)及び出口チャンバ(5
2)を形成し、これらチャンバが前記入口マウス及び出
口マウスとそれぞれ流体を搬送する関係で連通されるよ
うに構成されており、 当該装置は、バリア液体源からバリア液体を受け取って
該バリア液体を前記出口チャンバへ搬送するための手段
(56)と、バリア液体を前記出口チャンバから離れる方
向に搬送するための手段とを備えており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記バリア液体
が前記螺旋溝に沿って前記入口マウスから前記出口マウ
スへ流れるように構成されており、 当該装置は、前記ロータが回転すると、前記軸受面の嵌
合が緊密な運転隙間となり、前記軸受面の間の隙間すな
わちギャップが十分に小さくなり、また、前記回旋部の
間のランドの幅が十分に広くなって、これにより、回転
の間に、前記軸受面の間にハイドロダイナミック膜が連
続的に確実に形成されるように構成されていることを特
徴とする回転シャフト用の装置。The invention comprises a stay multi-element (38) and a rotor element (36) adapted to rotate about an axis.
An apparatus for a rotating shaft (29), wherein said rotor and stator elements are formed with complementary shaped bearing surfaces (42, 43) provided coaxially around said axis. The bearing surfaces of the rotor and the stator are arranged to clean each other in a hydrodynamic bearing relationship over a region called a bearing region when the rotor rotates, and one of the bearings (43) is continuous. And a spiral groove extending along and around the bearing surface over the bearing area, wherein the spiral groove extends in the bearing surface. A plurality of convolutions extending over the helical grooves, the convolutions being arranged to leave a land having a substantial width between adjacent convolutions of the spiral groove; Spiral groove is the entrance mouse 47) and are configured to have an exit mouth (50), the apparatus has an inlet chamber (49) and the outlet chamber (5
2), wherein the chambers are configured to be in fluid communication with the inlet mouse and the outlet mouse, respectively, wherein the apparatus receives barrier liquid from a barrier liquid source and dispenses the barrier liquid. Means for transporting the barrier liquid to the outlet chamber, and means for transporting the barrier liquid away from the outlet chamber, the apparatus comprising: The apparatus is configured to flow from the inlet mouth to the outlet mouth along a spiral groove, and the apparatus is configured such that when the rotor rotates, the fitting of the bearing surfaces becomes a tight operation gap, and the gap between the bearing surfaces is formed. The gap or gap is sufficiently small and the width of the land between the convolutions is sufficiently large so that during rotation, there is a crevice between the bearing surfaces. Apparatus for rotating the shaft, characterized in that it is configured to drop dynamic film is continuously formed reliably.
状の軸受面は、前記軸受領域にわたって、雄型/雌型の
形態で互いに嵌合していることを特徴とする装置。2. Apparatus according to claim 1, wherein said complementary shaped bearing surfaces are fitted over each other in a male / female configuration over said bearing area.
円錐形のテーパ状になされていることを特徴とする装
置。3. The apparatus of claim 2, wherein said bearing surface is
An apparatus characterized by being formed in a conical taper shape.
ータ要素及びステータ要素の一方を他方に対して相対的
に軸方向に運動するようにガイドするための手段と、前
記テーパ面を互いに押圧するように前記一方の要素を軸
方向に押圧するための手段とを備えることを特徴とする
装置。4. Apparatus according to claim 3, wherein the apparatus includes means for guiding one of the rotor element and the stator element for axial movement relative to the other, and the tapered surface. Means for axially pressing said one element to press.
ロセス流体搬送機械に装着されるのに適しており、前記
プロセス流体搬送機械は、加圧されたプロセス流体を収
容するプロセスチャンバを形成しており、該機械の回転
シャフトが、当該装置を貫通し、前記ロータ及びステー
タは、前記回転シャフトの周囲に嵌合するのに適するよ
うに構成されていることを特徴とする装置。5. The apparatus of claim 1, wherein said apparatus is adapted to be mounted on a process fluid transport machine, said process fluid transport machine defining a process chamber containing a pressurized process fluid. An apparatus wherein the rotating shaft of the machine extends through the apparatus and the rotor and stator are configured to fit around the rotating shaft.
可能な要素を軸方向に押圧するための前記手段は、該要
素のある領域であり、この領域は、当該装置が前記機械
に装着された時に、プロセス流体の圧力に露呈されるよ
うに配列されており、また、前記領域は前記プロセス流
体の圧力が高くなると、前記テーパ面を互いに押圧する
力が大きくなるように構成されていることを特徴とする
装置。6. The apparatus according to claim 4, wherein said means for axially pressing said movable element is an area of said element, said area being the area on which said apparatus is mounted on said machine. When exposed to the pressure of the process fluid, the regions are configured such that, when the pressure of the process fluid increases, the force pressing the tapered surfaces together increases. An apparatus characterized in that:
記運動可能な要素を軸方向に押圧するための前記手段
は、バリア液体の圧力に露呈される前記要素のある領域
であることを特徴とする装置。7. The apparatus according to claim 4 or claim 5, wherein said means for axially pressing said movable element is an area of said element that is exposed to the pressure of a barrier liquid. Characteristic device.
記運動可能な要素を軸方向に押圧するための前記手段
は、機械的なバネであることを特徴とする装置。8. Apparatus according to claim 4, wherein said means for axially pressing said movable element is a mechanical spring.
ールは、前記面を擦るタイプのシールであって、前記シ
ール面を弾性的に押圧して互いに擦り合わせてシール接
触させる手段を含んでおり、 前記第1のシールは、前記入口チャンバを外部環境から
シールして分離するような位置に設けられていることを
特徴とする装置。9. The device of claim 1, wherein said device comprises a first seal, said first seal being a type of rubbing said surface, said surface being resilient. Apparatus comprising means for pressing and rubbing against each other to make sealing contact, wherein the first seal is located at a location that seals and separates the inlet chamber from an external environment.
ールは、前記面を擦るタイプのシールであり、 前記第2のシールは、当該装置が前記機械に装着された
時に、前記出口チャンバを前記プロセスチャンバからシ
ールして分離するような位置に設けられていることを特
徴とする装置。10. The device according to claim 5, wherein the device comprises a second seal, wherein the second seal is of a type that rubs the surface. The apparatus is provided in such a position that the outlet chamber is sealed off from the process chamber when the apparatus is mounted on the machine.
ールは、可撓性を有するリップ型のシールであり、前記
第2のシールは、メカニカルシールであり、比較的硬質
の材料の面が弾性的に互いに擦れ合うことを特徴とする
装置。11. The apparatus of claim 10, wherein said first seal is a flexible lip-type seal and said second seal is a mechanical seal, said surface being of a relatively hard material. Devices elastically rub against each other.
有する遠心ポンプであり、 当該装置は、前記軸受面が前記インペラから前記シャフ
トの直径を超えない距離だけ軸方向に隔置されるよう
に、前記機械に関して位置決めされていることを特徴と
する装置。12. The apparatus of claim 5, wherein the opportunity is a centrifugal pump having an impeller mounted on the shaft, the apparatus comprising a centrifugal pump wherein the bearing surface does not exceed the diameter of the shaft from the impeller. An apparatus characterized in that it is positioned with respect to said machine so as to be axially spaced.
の挟角であるテーパ角度は、7゜と30゜との間にあるこ
とを特徴とする装置。13. The apparatus according to claim 4, wherein a taper angle between said tapered surfaces is between 7 ° and 30 °.
は、前記軸受面にわたって、連続的及び規則的に、間断
なく、螺旋状に伸長し、両端部が開放されていることを
特徴とする装置。14. The apparatus according to claim 1, wherein said spiral groove continuously and regularly extends in a spiral manner over said bearing surface, without interruption, and is open at both ends. apparatus.
は、一条型の溝であることを特徴とする装置。15. The apparatus according to claim 1, wherein said spiral groove is a single groove.
全長は少なくとも30cmであることを特徴とする装置。16. The apparatus of claim 1, wherein said spiral groove has a total length of at least 30 cm.
隣接する回旋部の間の平坦なランドの幅が、少なくとも
2mmであることを特徴とする装置。17. The apparatus of claim 1, wherein the width of the flat land between adjacent turns of the spiral groove is at least at least.
An apparatus characterized by being 2 mm.
にある総てのランドの幅の合計が、前記軸受面の総ての
直径の平均の少なくとも半分であることを特徴とする装
置。18. The apparatus of claim 1, wherein the sum of the widths of all lands in said bearing area is at least half the average of all diameters of said bearing surface.
断面積が、1平方ミリメートルよりも小さいことを特徴
とする装置。19. The apparatus of claim 1, wherein the cross-sectional area of the spiral groove is less than one square millimeter.
断面積が、0.3平方ミリメートルよりも大きいことを特
徴とする装置。20. The device according to claim 1, wherein the cross-sectional area of the spiral groove is greater than 0.3 square millimeter.
は、前記ロータに設けられており、前期ステータの面は
平坦であって溝が形成されていないことを特徴とする装
置。21. The apparatus according to claim 1, wherein the spiral groove is provided in the rotor, and the surface of the stator is flat and has no groove.
雄型であることを特徴とする装置。22. The apparatus of claim 21, wherein said rotor is male.
圧力調節装置を備えており、該圧力調節装置は、前記出
口チャンバ中の圧力、及び、前記入口チャンバの中の圧
力を調節することができることを特徴とする装置。23. The apparatus according to claim 1, wherein said apparatus comprises:
An apparatus, comprising: a pressure regulator, wherein the pressure regulator can regulate the pressure in the outlet chamber and the pressure in the inlet chamber.
置は、前記プロセス流体の圧力を測定するための手段を
備えており、前記圧力調節装置は、前記出口チャンバの
圧力を前記プロセス流体の圧力に近い比例値に調節する
ことができることを特徴とする装置。24. Apparatus according to claim 5 or claim 23, wherein the apparatus comprises means for measuring the pressure of the process fluid, and wherein the pressure regulator controls the pressure in the outlet chamber. An apparatus characterized in that it can be adjusted to a proportional value close to the pressure.
体を前記入口チャンバに搬送するための前記手段、及
び、前記バリア液体を出口チャンバから離れる方向に搬
送するための前記手段は、前記出口チャンバの中に存在
するバリア液体を前記入口チャンバへ戻し、これによ
り、前記バリア液体が前記螺旋溝を循環し且つ再循環す
るように、互いに接続されていることを特徴とする装
置。25. The apparatus of claim 1, wherein said means for transporting said barrier liquid to said inlet chamber and said means for transporting said barrier liquid away from said outlet chamber comprise said outlet chamber. Wherein said barrier liquid is connected to said inlet chamber such that said barrier liquid circulates and recirculates said spiral groove.
回転するように取り付けられている回転シャフト(29)
用のシールアセンブリ装置であって、ステータ要素(3
8)と、前記シャフトの回転軸線の周囲で回転するよう
になされているロータ要素(36)とを備えており、 前記ステータ要素及び前記ロータ要素は、軸方向におい
て前記インペラの付近で前記シャフトの周囲で環状に且
つ同軸状に取り付けられており、また、雄/雌の形態で
互いに嵌合するように軸方向にテーパ形状の補完的な面
を有しており、前記ロータは、前記シャフトと共に回転
するように固定されており、また、前記ステータは、前
記ハウジングに固定されており、 前記補完的な面の一方には、該面の周囲で螺旋状に伸長
する連続的な溝が形成されており、前記螺旋溝は、軸方
向の両端部に、開口した入口マウス及び出口マウスを有
しており、前記補完的な面は、前記ロータが回転する
と、該面を完全に横断してシール用のバリア流体を前記
インペラに向かって積極的に搬送するように、緊密な運
転隙間を形成するように構成されており、 更にバリア流体源からバリア流体を受け取って、該バリ
ア流体を前記螺旋溝の前記開口した入口マウスへ信頼性
をもって搬送するための手段(56)を備えていることを
特徴とするシールアセンブリ装置。26. A rotating shaft (29) having an impeller and mounted for rotation in a housing.
Assembly device for a stator element (3
8), and a rotor element (36) adapted to rotate about the axis of rotation of the shaft, wherein the stator element and the rotor element are arranged in the axial direction near the impeller. The rotor is annularly and coaxially mounted around and has complementary faces that are axially tapered to mate with one another in a male / female configuration, the rotor being co-located with the shaft. The stator is fixed for rotation, and the stator is fixed to the housing, and one of the complementary surfaces is formed with a continuous groove extending spirally around the surface. The helical groove has, at both axial ends, open entrance and exit mouths, and the complementary surface seals completely across the surface when the rotor rotates. Barrier flow for Is configured to form a tight operating gap so as to positively convey the fluid toward the impeller, and further receives a barrier fluid from a barrier fluid source and transmits the barrier fluid to the open portion of the spiral groove. A seal assembly device comprising means (56) for reliably transporting to an inlet mouse.
前記補完的な面は、ハイドロダイナミック軸受の関係で
互いに掃除し合うように構成されていることを特徴とす
るシールアセンブリ。27. The seal assembly according to claim 26, wherein:
A seal assembly as claimed in claim 1, wherein said complementary surfaces are configured to clean each other in a hydrodynamic bearing relationship.
前記補完的溝は、前記ロータの補完的な面に設けられて
おり、前記ステータの補完的な面は、平坦で溝が形成さ
れていないことを特徴とするシールアセンブリ。28. The seal assembly according to claim 26, wherein
A seal assembly, wherein the complementary groove is provided in a complementary surface of the rotor, and the complementary surface of the stator is flat and non-grooved.
前記ロータは雄型であることを特徴とするシールアセン
ブリ。29. The seal assembly according to claim 28, wherein
The seal assembly wherein the rotor is a male type.
前記各々のの補完的なテーパ面の軸方向のテーパ角度
が、30゜よりも小さいことを特徴とするシールアセンブ
リ。30. The seal assembly according to claim 26, wherein
A seal assembly, wherein the axial taper angle of each of the complementary tapered surfaces is less than 30 °.
前記ロータ及びステータの一方が、前記シャフトに対し
て相対的に軸方向に運動するように設けられており、更
に、前記ロータ及びステータの前記一方を他方に向けて
軸方向に押圧し、これにより、前記補完的な面を緊密な
運転隙間の関係に維持するための機構を備えていること
を特徴とするシールアセンブリ。31. The seal assembly according to claim 26, wherein
One of the rotor and the stator is provided so as to move axially relative to the shaft, and further presses the one of the rotor and the stator axially toward the other, thereby And a mechanism for maintaining the complementary surface in a tight operating clearance relationship.
前記機構は、機械的なバネであることを特徴とするシー
ルアセンブリ。32. The seal assembly according to claim 31, wherein
The seal assembly wherein the mechanism is a mechanical spring.
前記バリア流体は、水をベースとしていることを特徴と
するシールアセンブリ。33. The seal assembly according to claim 26, wherein
The seal assembly wherein the barrier fluid is water-based.
前記バリア流体は、前記インンペラ作用を受けているプ
ロセス流体から吸引されることを特徴とするシールアセ
ンブリ。34. The seal assembly according to claim 26, wherein
The seal assembly of claim 1, wherein the barrier fluid is aspirated from the impeller process fluid.
前記バリア流体は、前記インペラの作用を受けているプ
ロセス流体とは別であることを特徴とするシールアセン
ブリ。35. The seal assembly according to claim 26, wherein
The seal assembly wherein the barrier fluid is separate from the process fluid under the action of the impeller.
前記ハウジングの中には、前記螺旋溝の前記出口マウス
に流体連通する出口チャンバが設けられており、該出口
チャンバは、前記出口マウスから加圧下で排出されるバ
リア流体を受け取ることを特徴とするシールアセンブ
リ。36. The seal assembly according to claim 26, wherein
An outlet chamber is provided within the housing in fluid communication with the outlet mouth of the spiral groove, the outlet chamber receiving a barrier fluid discharged under pressure from the outlet mouth. Seal assembly.
前記出口チャンバは、前記インペラがその中で回転して
いるプロセスチャンバから、シールサブアセンブリによ
って分離されていることを特徴とするシールアセンブ
リ。37. The seal assembly according to claim 26, wherein
The seal assembly wherein the outlet chamber is separated from a process chamber in which the impeller is rotating by a seal subassembly.
前記出口チャンバの中のバリア流体の圧力を前記プロセ
スチャンバの中のプロセス流体の圧力に近い比例値まで
調節するための圧力調節装置を備えていることを特徴と
するシールアセンブリ。38. The seal assembly according to claim 37, wherein
A seal assembly, comprising: a pressure regulator for regulating the pressure of the barrier fluid in the outlet chamber to a value proportional to the pressure of the process fluid in the process chamber.
前記バリア流体が、水をベースとしていることを特徴と
するシールアセンブリ。39. The seal assembly of claim 38, wherein:
The seal assembly wherein the barrier fluid is water-based.
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|---|---|---|---|---|
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