アキシャルスラストとは｜バランスホール・裏羽根と軸受が片側だけ壊れる理由

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ポンプの軸受が片側だけ過熱したり、同じ側の軸受を繰り返し交換したりすると、「アキシャルスラストが大きいのではないか」と疑います。アキシャルスラストとは、羽根車と主軸を軸方向へ押す力です。

ただし、片側の軸受が壊れたという事実だけで、水力的な軸推力過大と決めることはできません。バランスホールや裏羽根の異常だけでなく、軸受の形式・向き・組込みすきま、潤滑、芯出し、振動、熱膨張も同じ症状を起こします。

この記事では、化学プラントの現場オペレーターと設備・保全エンジニア向けに、軸推力の発生原理、バランスホールと裏羽根の違い、軸受過熱時の確認順を図解します。

この記事の結論

1. アキシャルスラストは軸方向に残る力

回転軸に直角な方向の荷重をラジアル荷重、回転軸に沿う方向の荷重をアキシャル荷重と呼びます。遠心ポンプでは羽根車が液へエネルギーを与えると同時に、羽根車の各面へ圧力が作用します。

羽根車の前面と背面へ全く同じ圧力が、全く同じ面積に作用すれば、軸方向の力は相殺されます。しかし片吸込羽根車は吸込口側に開口があり、前後の有効面積と圧力分布が同じではありません。その差し引きがアキシャルスラストです。

考え方を簡略化すると、軸推力は「前後の有効面積に作用する圧力の合力差」です。揚程だけでなく、圧力が作用する面積と背面圧が重要です。

一般的な片吸込遠心ポンプでは、羽根車出口から回り込んだ高圧液が側板側と主板背面側へ作用します。吸込口の開口がある側と、主板・軸がある側では圧力を受ける有効面積が異なるため、差し引きの力が残ります。

一次資料の代表図では、羽根車を吸込口側へ押す向きの軸推力として説明されています。ただし、これをすべてのポンプへそのまま当てはめてはいけません。

高い吸込圧力を持つオーバハング形ポンプでは、軸封部の有効面積へ吸込圧力が作用し、軸継手側へ向かう成分が加わることがあります。多段ポンプや両吸込ポンプでは、羽根車配列やバランス装置も合力へ影響します。

実機のスラスト方向は、外形だけで判断せず、メーカー断面図、スラスト軸受位置、羽根車向き、均圧配管を確認します。

バランスホールは、羽根車の主板に設けた穴です。ただし、穴だけで働く装置ではありません。主板背面側にウェアリングを設けて背面室を区切り、そこへ流れ込んだ液をバランスホールから低圧の羽根車入口へ戻します。

この戻り流れによって主板背面の圧力が下がり、前面側との圧力差が小さくなって、アキシャルスラストが低減します。

確認点は次のとおりです。

一次資料には、バランスホール総断面積を背面ウェアリングすきまの流路面積に対して十分大きくする設計関係が示されています。これはメーカーが圧力分布と内部漏れを含めて決める設計値です。閉塞対策として現場で穴を広げてはいけません。

バランスホールを通る液は吸込側へ戻る内部循環です。穴やすきまを変更すると、軸推力だけでなくポンプ性能、効率、気泡の抜け方にも影響します。

裏羽根は、羽根車の主板背面に設けた小さな羽根です。羽根車と一体で回転し、背面側の液へ遠心作用を与えて中心側の圧力を下げます。その結果、主板背面へ作用する力が変わり、反対向きの力が加わって軸推力が低減します。

バランスホールが「低圧側へ通じる流路」で圧力を下げるのに対し、裏羽根は「背面で液を回転させる」ことで圧力分布を変えます。

裏羽根は、異物を扱うポンプやセミオープン羽根車などで採用されることがあります。一方、寸法や摩耗状態は主板背面だけでなく、スタフィングボックスやメカニカルシール室の圧力にも影響します。

裏羽根を削る、内径を変える、別形状の羽根車へ交換する行為は、軸推力・軸封圧力・性能を同時に変える設備変更です。

軸推力を低減する代表的な方法は、次の5つです。