專利名稱：具備能量回收裝置的泵的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在海水淡水化設備等使用的具備從濃縮水的能量回收動力的能量回 收裝置的泵。
背景技術：
由于世界的水需求的擴大以及因氣候變動導致的水不足等，預計海水淡水化設備 的市場將擴大。從該海水淡水化設備供給的水支撐著人們的生活基礎，在造水成本的降低、 供給飲用水的情況下要求確保水質(zhì)。尤其是在降低造水成本方面，期待為了降低消耗投入 到設備中的電力能量的約50%左右的逆滲透膜加壓供水泵的設備成本以及降低運轉(zhuǎn)成本 而高效率化。
另外，由于從逆滲透膜作為排水排出的濃縮水是供水壓力的通常的高壓，所以，能 量大，該能量雖然被回收，但是，也強烈期待該能量回收設備的設備成本降低以及高效率 化。另外，為了這些設備成本降低以及泵、能量回收設備的高效率化，謀求海水淡水化設備 的大型化。2009年現(xiàn)在為止，設備容量達到50萬 100萬m3/日/設備，需要能夠?qū)?容量設備的加壓泵以及濃縮水能量回收設備。
在先技術文獻
專利文獻1 日本特開平6-210140號公報
在以往技術中，逆滲透膜加壓供水泵為排出量600 3000m3/h、全揚程550 740m、泵軸動力1000 6000kW，采用多級離心擴散泵。另一方面，來自濃縮水的能量回收 設備使用水戽式渦輪機的能量回收裝置。該能量的利用方式如專利文獻1所示，在驅(qū)動加 壓供水泵的馬達主軸上結(jié)合水戽式渦輪機的輸出軸，將由水戽式渦輪機回收的旋轉(zhuǎn)能量用 于加壓供水泵的驅(qū)動力的一部分，謀求加壓泵的節(jié)能。濃縮水水量以及壓力大致為300 1800m7h，揚程為500 700m，該能量約為500 3600kW左右，很大，達到加壓泵驅(qū)動動力 的40 60%左右。
以往，例如如專利文獻1所示，由于上述那樣的加壓泵以及能量回收裝置分別個 別設計制作并配置，所以，安裝的作業(yè)工時大，且裝置大型化，尤其是在上述的超過了規(guī)格 的大容量設備中，存在泵、能量回收裝置進一步大型化，設備成本上升的可能性。另外，就高 效率化而言，在單體效率的改進方面存在限度。
本發(fā)明借鑒了上述以往技術的缺點，提供一種將加壓泵以及能量回收裝置整體做 成一體，謀求了緊湊化、高效率化的具備能量回收裝置的泵。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是一種具備能量回收裝置的泵，所述具備能量回收裝置的泵在由逆滲透膜 對被加壓泵加壓的原水進行過濾時，從上述逆滲透膜的高壓濃縮排水回收能量，用于上述 加壓泵的驅(qū)動力，其特征在于，
上述能量回收裝置使用與上述加壓泵的旋轉(zhuǎn)軸同軸地具有多級的渦輪機葉輪的水力渦輪機，上述渦輪機葉輪以與上述加壓泵的泵葉輪相向的方式配置。
另外，在上述記載的具備能量回收裝置的泵中，其特征在于，具備維持上述渦輪機 葉輪的軸推力和泵葉輪的軸推力的軸推力維持裝置。
另外，在上述記載的具備能量回收裝置的泵中，其特征在于，以上述加壓泵的入口 側(cè)(低壓側(cè))和上述水力渦輪機的出口側(cè)(低壓側(cè))相鄰的方式配置上述加壓泵和上述水 力渦輪機。
另外，在上述記載的具備能量回收裝置的泵中，其特征在于，上述加壓泵以及水力 渦輪機的旋轉(zhuǎn)軸由徑向水中軸承支撐。
另外，在上述記載的具備能量回收裝置的泵中，其特征在于，作為上述軸推力維持 裝置，是使用了平衡盤的軸推力平衡裝置。
另外，在上述記載的具備能量回收裝置的泵中，其特征在于，將上述加壓泵以及水 力渦輪機旋轉(zhuǎn)軸的端部做成在端蓋無密封的構造。
發(fā)明效果
根據(jù)本發(fā)明，通過使加壓泵和能量回收裝置一體化，能夠緊湊，謀求高效率化。
尤其是，作為能量回收裝置通過做成多級渦輪機，不僅是泵部，渦輪機部也沒有必 要像水戽式水力渦輪機那樣設置成比用于排水的液面高，能夠降低裝置的設置面高度，因 此，更容易確保泵的吸入性能。
另外，因為通過將泵葉輪和渦輪機葉輪相向配置，能夠在反方向抵消軸推力的一 部分，所以，能夠使泵的平衡盤軸推力平衡裝置更加小型化，還能夠謀求該裝置的滑動部的 可靠性的提高以及泄漏損失的降低帶來的效率的提高。若海水淡水化設備等大型化，則這 些好的效果尤其大。
在容量比較小的情況下，因為為了高效設計渦輪機而進行多級葉輪設計，所以，葉 輪級數(shù)設計成不會變大(3 5級以下)的程度。實際上，單列(每一臺逆滲透膜加壓供水 泵)造水量5000 IOOOOm3/日以上作為應用設備尺寸是合適的。


圖1是本發(fā)明的具備能量回收裝置的泵的實施例1的構造剖視圖。
圖2同樣是實施例2的構造剖視圖。
圖3是采用了泵的海水淡水化裝置的結(jié)構圖。
圖4是渦輪機導向葉片的角度和泵的擴散器5的角度的說明圖。
具體實施方式
下面，使用附圖，詳細說明本發(fā)明的實施方式。
首先，說明采用這種加壓泵的海水淡水化裝置。圖3中，100是由離心泵構成的加 壓泵，200是配置在上述加壓泵100的下側(cè)，進行動力能量的回收的作為能量回收裝置的法 蘭西斯式渦輪機(水力渦輪機)。1是上述加壓泵100和水力渦輪機200的共通的旋轉(zhuǎn)軸， 300是對因這些泵和渦輪機這兩者的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的軸向的推進力進行維持的軸推力維持裝 置，50是對含有鹽類等雜質(zhì)的原水進行逆滲透處理，將雜質(zhì)除去的高壓逆滲透膜單元。
若通過電動機(未圖示出)的驅(qū)動，加壓泵100運轉(zhuǎn)，則旋轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)，含有鹽類等雜質(zhì)的原水51從泵吸入口 3被吸入，從排出口 8排出，向上述高壓逆滲透膜單元52供給。 在高壓逆滲透膜單元50，對含有鹽類等雜質(zhì)的原水51進行逆滲透壓處理，將除去了鹽類等 雜質(zhì)的透過水52排出。另一方面，因逆滲透壓處理而殘留的高壓的濃縮水53向渦輪機200 的渦輪機入口 31供給，作為該渦輪機的驅(qū)動(旋轉(zhuǎn))能量的一部分被回收。在渦輪機部回 收了能量后的濃縮水M在此后從渦輪機出口 36廢棄到系統(tǒng)外。
根據(jù)圖1的剖視圖，說明本發(fā)明的泵的實施例1。整體的結(jié)構由軸推力維持裝置 300構成，該軸推力維持裝置300將與離心式的加壓泵100和法蘭西斯式渦輪機200共通的 旋轉(zhuǎn)軸1作為立軸，在上側(cè)配置加壓泵100，在下側(cè)配置進行能量回收的法蘭西斯式渦輪機 (水利渦輪機)200，另外，將作用于加壓泵100的泵葉輪的軸向的推力和作用于水力渦輪機 200的渦輪機葉輪的軸向的推力一起維持。雖然1是加壓泵100、渦輪機200以及軸推力維 持裝置300的共通的旋轉(zhuǎn)軸，但是，分別為在加壓泵中用軸Ia表現(xiàn)，在渦輪機中用軸Ib表 現(xiàn)。
加壓泵100在泵殼體13內(nèi)配置兩級的離心葉輪如(泵第一級葉輪)、4b(泵第二 級葉輪)，在該泵葉輪如、4b的各外周出口部配置擴散器fe、5b，分別為在殼體13的下側(cè)設 置與葉輪如連通的泵吸入口 3，在殼體13的上側(cè)設置與葉輪4b連通的排出口 8。在一級 和二級的級間用二字型的靜止流路6連結(jié)，為了對向下一級的流動進行整流，從軸中心向 半徑方向放射狀地配置返回葉片6a。
一般情況下，由于泵是其全揚程大致為500m 800m的高揚程，所以，泵葉輪為多 級(在本實施例中為兩級)。泵驅(qū)動動力從未圖示出的電動機等經(jīng)由軸接頭2施加給泵旋 轉(zhuǎn)軸la。加壓泵100從吸入口 3吸入作為原水的海水51，在兩級的各泵葉輪^、4b升壓， 通過擴散器5a、5b，流體的運動能量被轉(zhuǎn)換為壓力能量。從第一級向第二級是在二字型靜止 流路6流動，由返回葉片6a對向下一級的流動進行整流。從第二級葉輪4b出來的流動經(jīng) 由擴散器恥，匯集在同心狀的空間7，從排出口 8排出。
泵軸Ia由配置在泵吸入部3的下端的軸承9a以及泵軸Ia的上部軸承9b在半徑 方向支撐。該軸承是由自我潤滑性材料(例如，PEEK樹脂(Poly-Ether-Ether-Ketone)材 料等)構成的水中軸承。各軸承能夠通過自我潤滑性材料特性以及由本身液體產(chǎn)生的潤滑 功能，發(fā)揮軸承功能。
另一方面，就推力軸承而言，通過軸推力自動平衡裝置10使在泵旋轉(zhuǎn)時在泵葉輪 4a、4b上產(chǎn)生的向下的大的軸推力平衡，使軸推力不作用于推力軸承11。該軸推力自動平 衡裝置10通過與泵軸Ia在葉輪上產(chǎn)生的軸推力相應地使軸整體自動上下，來使狹縫部IOb 的間隙變化，調(diào)整平衡盤IOa的背面的壓力，使軸推力平衡。因此，推力軸承11只要是用于 在泵停止時支撐泵旋轉(zhuǎn)體的自重的軸承即可。
在本實施例中作為推力軸承11使用滾珠軸承，將滾珠軸承的內(nèi)圈固定在軸1上， 將外圈可在軸向移動地配合，在停止時由軸承下端的箱體側(cè)的靜止側(cè)擋塊Ila經(jīng)滾珠軸承 11支撐泵旋轉(zhuǎn)體自重。另外，有關泵軸Ia的向大氣的貫通部軸封，經(jīng)由軸推力平衡裝置10， 從泵排出壓力被大幅減壓的泄漏流被壓蓋密封等軸封12密封。另外，泄漏流經(jīng)由未圖示出 的配管返回泵吸入口 3。
由上述軸推力平衡裝置10和推力軸承11構成軸推力共通維持裝置300，設置在泵 殼體13內(nèi)的旋轉(zhuǎn)軸1的上方位置。
另一方面，就能量回收用的水力渦輪機200而言，由于因逆滲透壓處理而殘留的 高壓的濃縮水53的水動力的有效落差在泵的全揚程大致相等，流量為從泵供水量減去逆 滲透膜透過水量后的量，即，泵供水量的40 60%程度，與供水量相比為小水量，所以，水 力渦輪機的比速度Ns能夠用算式(1)表示。
[數(shù)1][。_ ^ ⑴4H
這里，
Ns...水力渦輪機比速度、N...水力渦輪機旋轉(zhuǎn)速度(rpm)、Q...水力渦輪機流量 (m3/min)、H...有效落差(m)。
在法蘭西斯式水力渦輪機中，為了設計輕易得到更高效率的水力渦輪機，需要進 行高比速度化，若水力渦輪機的葉輪級數(shù)比泵葉輪級數(shù)少，則與泵葉輪相比為低比速度 (無法成為能量回收)，對高效率化不好，因此，有必要至少將水力渦輪機的葉輪級數(shù)設定 成與泵的葉輪級數(shù)相等或比它多。
因此，渦輪機200在渦輪機殼體39內(nèi)，以與上述泵葉輪^、4b相向的方式(葉輪 彼此相對的方式)在同軸上配置比泵葉輪級數(shù)多的三級的渦輪機葉輪34a(第一級渦輪機 葉輪)、34b (第二級渦輪機葉輪)、34c (第三級渦輪機葉輪)。在各渦輪機葉輪的導入部分， 配置導向葉片33a (第一級導向葉片)、33b (第二級導向葉片)、33c (第三級導向葉片)，進 行向各渦輪機葉輪34流動的流體的整流以及流動方向的調(diào)整。在各級間夾著水路35，設置 返回葉片35a、35b，該葉片防止從各渦輪機葉輪出來的流動的回旋，并發(fā)揮整流的效果。另 外，分別將與渦輪機葉輪3 連通的渦輪機入口 31配置在殼體39的下側(cè)，將與渦輪機葉輪 34c連通的渦輪機出口 36配置在殼體39的上側(cè)。
在將上述渦輪機200向加壓泵100的下方安裝時，以使泵殼體13的泵吸入口 3和 渦輪機殼體39的渦輪機出口 36相鄰的方式安裝。通過這樣安裝，加壓泵100的吸入口 3 和渦輪機200的渦輪機出口 36均為低壓力側(cè)，壓差小，因此，相互的連接部不需要特別的密 封機構。
來自高壓逆滲透膜單元50的逆滲透膜的高壓濃縮水53從渦輪機入口 31流入，首 先，由入口螺旋32以及第一級導向葉片33a進行整流以及流動方向調(diào)整，流入第一級葉輪 34a，有效落差的1/3的能量被轉(zhuǎn)換為機械動力。接著，在返回葉片3 和水路35流動，經(jīng) 第二級導向葉片33b，流入第二級葉輪34b。再有，在返回葉片3 和水路35流動，經(jīng)第三 級的導向葉片33b，流入第三級葉輪34c。最終在由第三級葉輪3 將有效落差的能量轉(zhuǎn)換 后，從渦輪機出口 36排出到渦輪機外部。
這里，從渦輪機200產(chǎn)生的軸推力來看，在各渦輪機葉輪34a、34b、3k上產(chǎn)生向上 的軸向推力，該軸推力大致與有效落差以及葉輪外徑的平方成比例。渦輪機葉輪的外徑D 由(2)算式給出。
[數(shù)2]^lgH (2)
υ-。Ν——π 60
D...渦輪機葉輪外徑、C...渦輪機葉輪周速度系數(shù)(無因次數(shù))、H...每一級的 有效落差(m)、N...渦輪機葉輪旋轉(zhuǎn)速度(rpm)。
另外，軸推力F可由(3)算式計算。
[數(shù)3]
F χ η-D2 pgH (3)
F...軸推力(N)、n...水力渦輪機級數(shù)、P ...海水的密度(kg/m3)、g...重力加 速度(m/s2)、H...水力渦輪機每一級的有效落差。
由于渦輪機葉輪的級數(shù)比加壓泵的葉輪多，所以，渦輪機葉輪每一級的有效落差 比泵每一級的全揚程小，同時，若考慮一般情況下周速度系數(shù)也比泵葉輪小，則渦輪機葉輪 外徑比泵葉輪外徑小。因此，渦輪機200的軸推力如( 算式所示，(nXH)在渦輪機和泵 中大致相等，所以，渦輪機葉輪外徑做出貢獻，比泵的葉輪外徑小。
另外，雖然向下的泵葉輪軸推力被渦輪機葉輪的向上的軸推力部分地抵消，向下 的軸推力變小，但是，該變小的殘留軸推力能夠由泵的軸推力平衡裝置10平衡。
實際上，由于該向下的殘留軸推力比泵葉輪產(chǎn)生的軸推力小，所以，與泵單獨的情 況相比，能夠?qū)⑵胶獗PIOa的外徑設計得小。因此，能夠使平衡盤裝置IOa的小型輕型化成 為可能，能夠針對泵軸1的旋轉(zhuǎn)動力學，進行可靠性高的設計，且還能夠減少從平衡盤的外 周的間隙向大氣側(cè)泄漏的泄漏量，還能夠謀求泵的高效率化。
另一方面，渦輪機軸Ib的軸承由渦輪機軸Ib的下端的軸承37以及泵軸承9a支 撐。這里，若將軸承也與泵的軸承9a、9b同樣做成水中軸承，則軸承供油裝置被省略，使裝 置的緊湊化、維護容易。
若渦輪機軸Ib的下端部的軸封作為自我潤滑水中軸承用端蓋38覆蓋軸端部，則 沒有軸貫通部，不需要密封機構，且也能夠消除泄漏損失，還能夠有助于渦輪機的效率提 高。另外，因為像上述那樣，泵殼體13和渦輪機殼體39所連接的部位的軸封均為低壓部， 所以，壓差小，不需要特別的密封機構。因此，尤其是海水從鹽分濃度高的渦輪機側(cè)向鹽分 濃度低的泵側(cè)漏出，還能夠輕易地避免供水的鹽分濃度上升。
如上所述，渦輪機200的濃縮水53的流量為從泵供水量減去逆滲透膜透過水量后 的量，即，泵供水量的40 60%程度，與供水量相比為小水量。在渦輪機200中，為了即使 是小水量，也能得到更高的效率，而在濃縮水53被各導向葉片引導，流入各渦輪機葉輪時， 調(diào)整各導向葉片的流動方向(角度)。
圖4是相對于渦輪機葉輪34的渦輪機導向葉片33的角度和泵的擴散器5的角 度的關系的說明圖。這里，假想渦輪機葉輪34使用與泵葉輪相同的物品的情況，記載擴散 器5(僅表示一部分)。在本實施例中，在設渦輪機導向葉片33的相對于渦輪機葉輪34的 外周切線的角度為at，設泵的擴散器5的相對于葉輪的外周切線的角度為α ρ時，設定為 at< aPo通過該角度設定，被渦輪機導向葉片33引導的濃縮水即使是小水量，也能夠通 過大致直角地向渦輪機葉輪34引導而有效地進行能量傳遞，能夠?qū)u輪機葉輪保持為比 泵葉輪高的比速度，能夠有效地進行能量回收。
這樣一來，由渦輪機200回收的旋轉(zhuǎn)能量經(jīng)由渦輪機軸Ib驅(qū)動泵軸la，節(jié)約電動 機的驅(qū)動動力。
上面，逆滲透膜供水用加壓泵和濃縮水的能量回收裝置的每一個采用多級離心泵 以及多級法蘭西斯式水力渦輪機，將它們的葉輪相互相向地配置在一個軸上，據(jù)此，能夠?qū)?現(xiàn)謀求了緊湊、高效率、高可靠性、成本降低的具備能量回收裝置的泵。
接著，根據(jù)圖2，說明實施例2。與實施例1相比，實施例2僅旋轉(zhuǎn)軸是橫軸以及軸 推力維持裝置由平衡鼓14和推力軸承15構成這點不同。
由于泵100以及水力渦輪機200的軸為橫軸，所以，從泵的空洞性能的觀點來看， 與安裝在干坑內(nèi)的立軸的情況相比變得嚴格，但是，在維護時不需要拆下電動機，作業(yè)變得 容易。平衡鼓14通過使泵以及水力渦輪機的軸推力作用于鼓14的前后面14a、14b的壓力 的差被支撐，但是，因為與實施例1所示的軸推力平衡裝置相比，沒有自動調(diào)整功能，所以， 不能完全平衡，由推力軸承15維持殘留推力。然后，因為這里也是水力渦輪機葉輪和泵葉 輪的軸推力的一部分被抵消，軸推力變小，所以，能夠?qū)⑵胶夤?4外徑設計得小，能夠降低 泄漏損失的效果相同。
另外，若推力軸承14使用具有自我潤滑性能的材料(例如，PEEK樹脂 (Poly-Ether-Ether-Ketone)材料等)，則不需要供油裝置，能夠謀求軸承裝置的低成本 化。因此，在實施例2中也與實施例1同樣，能夠提供一種緊湊且高效率、高可靠性、低成本 的帶動力回收裝置的泵。另外，雖然在上面的說明中，立軸構造采用了平衡盤裝置，橫軸構 造采用了平衡鼓+推力軸承，但是也可以是相反的組合，本發(fā)明的主干是共用對泵以及水 力渦輪機的軸推力進行維持的軸推力維持裝置，謀求確保裝置的可靠性以及降低成本。
上述的各實施例可利用于作為使用了逆滲透膜的海水淡水化設備等的重要部的 泵，能夠提供具備尤其是適合大容量海水淡水化設備的能量回收裝置的泵。
符號說明
1 軸；Ia 泵軸；Ib 渦輪機軸；2 軸接頭；3 泵吸入口 ；4a 泵第一級葉輪；4b 泵 第二級葉輪；5a 第一級擴散器；5b 第二級擴散器；6 靜止流路；6a 返回葉片；7 集水空 間；8 排出口 ；9a 下部軸承；9b 上部軸承；10 軸推力平衡裝置；IOa 平衡盤；IOb 平衡 盤背面間隙；11、15 推力軸承；Ila 推力軸承擋塊；12 軸封；13 泵吸入殼體；31 渦輪機 入口 ；32 入口螺旋；33a:第一級導向葉片；3 第一級導向葉片；33c 第三級導向葉片； 34a 第一級渦輪機葉輪；34b 第二級渦輪機葉輪；3 第三級渦輪機葉輪；35 靜止流路； 35a 返回葉片；36 導流管；37 渦輪機下部軸承；38 端蓋；39 渦輪機殼體；100 加壓泵； 200 水力渦輪機(渦輪機)；300 軸推力維持裝置。8
權利要求
1.一種具備能量回收裝置的泵，所述具備能量回收裝置的泵在由逆滲透膜對被加壓泵 加壓的原水進行過濾時，從上述逆滲透膜的高壓濃縮排水回收能量，用于上述加壓泵的驅(qū) 動力，其特征在于，上述能量回收裝置使用與上述加壓泵的旋轉(zhuǎn)軸同軸地具有多級的渦輪機葉輪的水力 渦輪機，上述渦輪機葉輪以與上述加壓泵的泵葉輪相向的方式配置。
2.如權利要求1所述的具備能量回收裝置的泵，其特征在于，具備維持上述渦輪機葉 輪的軸推力和泵葉輪的軸推力的軸推力維持裝置。
3.如權利要求1或2所述的具備能量回收裝置的泵，其特征在于，以上述加壓泵的入口 側(cè)(低壓側(cè))和上述水力渦輪機的出口側(cè)(低壓側(cè))相鄰的方式配置上述加壓泵和上述水 力渦輪機。
4.如權利要求1至3中的任一項所述的具備能量回收裝置的泵，其特征在于，上述加壓 泵以及水力渦輪機的旋轉(zhuǎn)軸由徑向水中軸承支撐。
5.如權利要求2所述的具備能量回收裝置的泵，其特征在于，作為上述軸推力維持裝 置，是使用了平衡盤的軸推力平衡裝置。
6.如權利要求1至5中的任一項所述的具備能量回收裝置的泵，其特征在于，將上述加 壓泵以及水力渦輪機旋轉(zhuǎn)軸的端部做成在端蓋無密封的構造。
全文摘要
本發(fā)明在使用了逆滲透膜的大容量海水淡水化設備的帶能量回收裝置的泵中，謀求緊湊化、高效率化、高可靠性化以及成本的降低。本發(fā)明中，一種帶能量回收裝置的泵，所述帶能量回收裝置的泵從使用逆滲透膜的海水淡水化設備中的海水供水高壓泵以及逆滲透膜的高壓濃縮排水回收能量，用于海水供水高壓泵的驅(qū)動力，其特征在于，能量回收使用多級法蘭西斯式水力渦輪機，通過與海水供水高壓泵軸同軸地以與泵的葉輪相向的方式配置水力渦輪機葉輪來降低軸推力，由單一的軸推力維持裝置支撐軸的推力方向，并由多個徑向水中軸承支撐軸的徑向。
文檔編號F04D29/00GK102032194SQ20101028779
公開日2011年4月27日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權日2009年9月29日
發(fā)明者依田裕明, 千葉由昌, 石居憲法 申請人:株式會社日立工業(yè)設備技術