JP2001082484A - Wear ring and pump therewith - Google Patents
Wear ring and pump therewithInfo
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- F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
- F04D29/00—Details, component parts, or accessories
- F04D29/08—Sealings
- F04D29/16—Sealings between pressure and suction sides
- F04D29/165—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps
- F04D29/167—Sealings between pressure and suction sides especially adapted for liquid pumps of a centrifugal flow wheel
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ポンプ、水車等に
用いられるウェアリングに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wear ring used for a pump, a water turbine and the like.
【０００２】[0002]
【従来の技術】流体を取り扱う一般的なインペラー型ポ
ンプでは、図１に示すように、ケース（２ａ、２ｂ）に
収納されたインペラー（羽根車）１を、モーター（図示
せず）に連結された主軸３により回転させることによ
り、流体がＡ方向から取り込まれ昇圧されてインペラー
周方向に吐き出された後、ケース内で一緒になって出口
（図示せず）から吐出される。ケース内でインペラーが
回転するための軸受け機構として用いられるウェアリン
グは、ケースウェアリング（４ａ、４ｂ）とそれに対向
するインペラーウェアリング（５ａ、５ｂ）が対にな
り、その間に設けられる隙間（クリアランス）が、扱う
流体によって潤滑されることにより滑らかな回転が行わ
れる。このように、クリアランスは必要ではあるが、ク
リアランスが大きすぎると高圧側（出口側）から低圧側
（吸い込み側）に漏れ出す流体の量が多くなるのでポン
プ効率が低下することになる。2. Description of the Related Art In a general impeller type pump for handling a fluid, as shown in FIG. 1, an impeller (impeller) 1 housed in a case (2a, 2b) is connected to a motor (not shown). When the fluid is rotated by the main shaft 3, the fluid is taken in from the direction A, is pressurized, is discharged in the impeller circumferential direction, and is discharged together from an outlet (not shown) in the case. A wear ring used as a bearing mechanism for rotating the impeller in the case is a pair of a case wear ring (4a, 4b) and an impeller wear ring (5a, 5b) opposed thereto, and a gap (clearance) provided therebetween. ) Is lubricated by the fluid to be handled, whereby smooth rotation is performed. As described above, the clearance is necessary, but if the clearance is too large, the amount of fluid leaking from the high pressure side (outlet side) to the low pressure side (suction side) increases, so that the pump efficiency decreases.
【０００３】従来ウェアリングは、金属、セラミック
ス、プラスチックおよびカーボン等によって形成されて
いた。この中でも安価でもあることから金属製のウェア
リングが一般的である。しかし、クリアランスを小さく
すると、特に温度の高い流体を扱う場合の温度勾配や回
転による温度上昇により、インペラーウェアリングがよ
り膨張し、その結果ケースウェアリングを接触し焼き付
きを起こすことがある。そのため、金属製のウェアリン
グを用いたときは、クリアランスを大きく設計しなけれ
ばならなかった。例えば径８０ｍｍの円筒型のウェアリ
ングの場合は０．４ｍｍ程度（径基準）が必要であるた
め、ポンプ効率を向上させるに当たって制限となってい
た。Conventionally, a wear ring has been formed of metal, ceramics, plastic, carbon, or the like. Of these, metal wear rings are generally used because they are inexpensive. However, when the clearance is reduced, the impeller wear ring expands more due to a temperature gradient due to a temperature gradient or rotation when handling a fluid having a high temperature, and as a result, the case wear ring may come into contact and cause seizure. Therefore, when a metal wear ring was used, the clearance had to be designed to be large. For example, in the case of a cylindrical wear ring having a diameter of 80 mm, a diameter of about 0.4 mm (diameter basis) is required, which is a limitation in improving pump efficiency.
【０００４】金属同士の焼き付きを避けるために、ウェ
アリングの一方を金属製とし他方をセラミックス製また
はプラスチック製とすることも報告されている。しか
し、セラミックスは脆性的であり、長期の使用に耐えな
い問題があり、またプラスチック製では、熱膨張や膨潤
により膨張して摺動したときの摺動性に難点がある。It has also been reported that one of the wear rings is made of metal and the other is made of ceramic or plastic in order to avoid seizure between metals. However, ceramics are brittle and have a problem that they cannot withstand long-term use, and plastics have a problem in slidability when sliding due to thermal expansion or swelling.
【０００５】また、特開昭６３−１２９１７５号公報に
は、ピストン型のポンプの摺動面にプラスチックと炭素
繊維を複合した材料を用いることにより、摺動性が改善
されることが記載されている。しかし、インペラー型ポ
ンプ等の場合は、流体により潤滑を行うので通常の条件
では摺動は生じない。カーボンやその複合材料を用いる
と、金属との間での摺動性は向上するかもしれないが、
インペラー型ポンプにおいて、摺動が生じると負荷によ
りポンプ効率が低下するので積極的に摺動させることは
ない。Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-129175 discloses that the sliding property is improved by using a composite material of plastic and carbon fiber for the sliding surface of a piston type pump. I have. However, in the case of an impeller type pump or the like, lubrication is performed by a fluid, so that sliding does not occur under normal conditions. If carbon or its composite material is used, the slidability with metal may be improved,
In the impeller type pump, when sliding occurs, the pump efficiency is reduced by the load, so that the sliding is not positively performed.
【０００６】つまり、インペラー型ポンプのように、摺
動が無く、むしろ熱膨張が問題となるような構造用のウ
ェアリングに、炭素繊維強化プラスチックを用いること
は全く知られていなかった。That is, it has not been known at all that carbon fiber reinforced plastic is used for a wear ring for a structure in which there is no sliding but rather a thermal expansion problem as in an impeller type pump.
【０００７】[0007]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、回転により
温度が上昇した状態や、高い温度の流体を用いる場合に
おいても、ケースウェアリングとインペラーウェアリン
グのクリアランスを小さく一定の範囲に保つことが可能
なウェアリング、およびそれを備えた安定性に優れ効率
のよいポンプを提供することを目的とする。An object of the present invention is to keep the clearance between the case wear ring and the impeller wear ring small and in a certain range even when the temperature is increased by rotation or when a high-temperature fluid is used. An object of the present invention is to provide a possible wear ring and a highly stable and efficient pump having the wear ring.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明は、内筒側と外筒
側とが対になって用いられるウェアリングの内筒側ウェ
アリングまたは外筒側ウェアリングであって、炭素繊維
強化プラスチックで形成され、径方向の熱膨張率が−１
×１０-6〜３０×１０-6／℃であることを特徴とする内
筒側ウェアリングまたは外筒側ウェアリングに関する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to an inner cylinder side or outer cylinder side wear ring of an inner cylinder side and an outer cylinder side used as a pair, wherein the carbon fiber reinforced plastic is provided. And the coefficient of thermal expansion in the radial direction is -1.
The present invention relates to an inner cylinder-side wear ring or an outer cylinder-side wear ring, which has a temperature of × 10 -6 to 30 × 10 -6 / ° C.
【０００９】ここで、径方向の熱膨張率とは、ウェアリ
ングの直径が熱膨張・収縮によって変化した値に関して
求められる数値である。即ち、内筒側ウェアリングの場
合は、図２（ａ）に示すように、ウェアリング外径φが
Δｔ（℃）の変化に対して（φ＋Δφ）に変化したとき
に、Δφ／（φ・Δｔ）により求められる。外筒側ウェ
アリングの場合は、図２（ｂ）に示すようにウェアリン
グ内径φの変化から同様に求められる。Here, the coefficient of thermal expansion in the radial direction is a numerical value obtained with respect to a value in which the diameter of the wear ring changes due to thermal expansion and contraction. That is, in the case of the inner cylinder side wear ring, as shown in FIG. 2A, when the wear ring outer diameter φ changes to (φ + Δφ) with respect to the change of Δt (° C.), Δφ / (φ · Δt). In the case of the outer cylinder side wear ring, the wear ring is similarly obtained from the change in the wear ring inner diameter φ as shown in FIG.
【００１０】本発明の内筒側ウェアリングまたは外筒側
ウェアリングは、インペラーとポンプケーシングとを備
えたポンプ用として用いることが好ましく、その際、本
発明の内筒側ウェアリングはインペラーウェアリングと
して用いられ、外筒側のウェアリングはケースウェアリ
ングとして用いられる。[0010] The inner cylinder side wear ring or the outer cylinder side wear ring of the present invention is preferably used for a pump having an impeller and a pump casing. In this case, the inner cylinder side wear ring of the present invention is used as an impeller wear ring. And the outer cylinder side wear ring is used as a case wear ring.
【００１１】本発明では、ウェアリングが熱膨張しよう
とするとき、炭素繊維がその膨張を押さえ込むために、
ウェアリングの熱膨張を効果的に低減することができ
る。According to the present invention, when the wear ring is about to expand thermally, the carbon fibers suppress the expansion.
Thermal expansion of the wear ring can be effectively reduced.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】本発明の内筒側ウェアリングまた
は外筒側ウェアリングは、対になるウェアリングの内筒
側および外筒側の両方に用いることが性能的には最も好
ましいが、一方側に用いる場合であっても十分に効果を
発揮しうる。特に、熱膨張が問題となる側に、炭素繊維
強化プラスチックで形成した本発明のウェアリングを用
いることが好ましい。例えば、内筒側のウェアリングに
熱が加わりやすかったり、内筒側の基体材料の方が熱膨
張率が大きくて、膨張し易い場合には、内筒側のウェア
リングに本発明を適用することが好ましい。そして、そ
の際には、対になる対向側のウェアリングに、安価で一
般的な金属製ウェアリングを用いることができる。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The inner cylinder side wear ring or outer cylinder side wear ring of the present invention is most preferably used for both the inner cylinder side and the outer cylinder side of a pair of wear rings in terms of performance. Even when used on one side, the effect can be sufficiently exhibited. In particular, it is preferable to use the wear ring of the present invention formed of carbon fiber reinforced plastic on the side where thermal expansion is a problem. For example, when heat is easily applied to the inner cylinder side wear ring, or when the inner cylinder side base material has a higher coefficient of thermal expansion and expands easily, the present invention is applied to the inner cylinder side wear ring. Is preferred. In that case, an inexpensive general metal wear ring can be used as the pair of opposed wear rings.
【００１３】本発明のウェアリングは、サスペンション
シリンダのピストン外周面に使用することもできるが、
流体として淡水、海水、油等を取り扱うインペラー型ポ
ンプ用として用いるのが最も好ましい。The wear ring of the present invention can be used on the outer peripheral surface of a piston of a suspension cylinder.
Most preferably, it is used for an impeller type pump that handles fresh water, seawater, oil and the like as a fluid.
【００１４】図１は、このポンプ構造の１例であり、ウ
ェアリング部に注目すると、吸い込み側インペラーウェ
アリング５ａと吸い込み側ケースウェアリング４ａが対
になり、背面側インペラーウェアリング５ｂと背面側ケ
ースウェアリング４ｂが対になって構成されている。こ
の例のウェアリングはいずれも所定の厚さと長さを持つ
円筒型であり、例えば図２に示すように、インペラー本
体７、ケース本体８に取り付けられている。FIG. 1 shows an example of this pump structure. When focusing on the wear ring portion, the suction side impeller wear ring 5a and the suction side case wear ring 4a are paired, and the rear side impeller wear ring 5b and the rear side are connected. The case wear rings 4b are configured as a pair. Each of the wear rings in this example is a cylindrical type having a predetermined thickness and length, and is attached to, for example, the impeller body 7 and the case body 8 as shown in FIG.
【００１５】本発明のポンプでは、対になるウェアリン
グ、即ち、４ａと５ａ、または４ｂと５ｂの各対におい
て、対の一方側のウェアリングが炭素繊維強化プラスチ
ックで形成されていればよい。しかし、例えば吸い込み
側において、インペラーウェアリング５ａに本発明のウ
ェアリングを適用しケースウェアリング４ａを金属製と
する場合には、背面側においても、熱的な条件が類似で
あることを考慮して、一般にはインペラーウェアリング
５ｂに本発明のウェアリングを適用しケースウェアリン
グ４ｂを金属製とすることが好ましい。In the pump of the present invention, the pair of wear rings, that is, each pair of 4a and 5a or 4b and 5b may be formed of carbon fiber reinforced plastic on one side of the pair. However, for example, when the wear ring of the present invention is applied to the impeller wear ring 5a on the suction side and the case wear ring 4a is made of metal, it is considered that the thermal conditions are similar on the back side. In general, it is preferable that the wear ring of the present invention is applied to the impeller wear ring 5b and the case wear ring 4b is made of metal.
【００１６】ポンプ形状は、図１に例示したものに限ら
れるものではなく、ポンプ能力、流体の種類等に合わせ
て変更することができる。例えば、ウェアリングの径、
厚さ、軸方向長さ等も適宜変更することができる。本発
明の内筒側または外筒側ウェアリングの形状は、円筒型
が一般的であり成形も容易であり好ましいが、円錐型
（コーン型）等ウェアリング形状として知られているそ
の他の形状であってもよい。尚、本明細書において、外
筒側および内筒側の用語は、対となる外側のウェアリン
グと内側のウェアリングを区別するために用いたもので
あって、「円筒型」のウェアリングを一義的に示すもの
ではない。The shape of the pump is not limited to the one illustrated in FIG. 1, but can be changed according to the pump capacity, the type of fluid, and the like. For example, the diameter of the wear ring,
The thickness, the length in the axial direction, and the like can be appropriately changed. The shape of the inner cylinder side or outer cylinder side wear ring of the present invention is preferably a cylindrical type and is easy to mold, and is preferable. However, other shapes known as a wear ring shape such as a conical type (cone type) are preferable. There may be. In the present specification, the terms of the outer cylinder side and the inner cylinder side are used to distinguish the outer wear ring and the inner wear ring that form a pair, and the term “cylindrical” wear ring is used. It is not a clear indication.
【００１７】本発明の炭素繊維強化プラスチックを用い
た内筒側または外筒側ウェアリングを少なくとも一方に
用いたウェアリング（対）では、熱膨張を効果的に押さ
えることが可能であるため、回転軸の中心精度が十分に
保証されている限り、クリアランスを直径の０．５％以
下、さらには０．２％以下に設定しても、ウェアリング
同士が接触することなく焼き付きを防止することができ
る。一般には、回転軸の中心精度の問題もあるので、
０．０２％以上、好ましくは０．０５％以上とすること
が好ましい。In the wear ring (pair) using at least one of the inner cylinder side and outer cylinder side wear rings using the carbon fiber reinforced plastic of the present invention, the thermal expansion can be suppressed effectively, so that the rotation is prevented. As long as the center accuracy of the shaft is sufficiently ensured, even if the clearance is set to 0.5% or less of the diameter, and even 0.2% or less, it is possible to prevent seizure without contact between the wear rings. it can. Generally, there is also the problem of the center accuracy of the rotation axis,
It is preferably at least 0.02%, preferably at least 0.05%.
【００１８】例えば直径が８０ｍｍのウェアリングの場
合には、クリアランス（外筒側の内径と内筒側の外径の
差）を０．０８ｍｍ〜０．１５ｍｍ程度に設定するのが
最も好ましい。For example, in the case of a wear ring having a diameter of 80 mm, the clearance (difference between the inner diameter of the outer cylinder and the outer diameter of the inner cylinder) is most preferably set to about 0.08 mm to 0.15 mm.
【００１９】このようなウェアリングは、具体的には次
のように形成される。Such a wear ring is specifically formed as follows.
【００２０】まず、用いられる炭素繊維強化プラスチッ
クは、炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させて複合化
したものである。First, the carbon fiber reinforced plastic used is a composite obtained by impregnating carbon fibers with a matrix resin.
【００２１】用いられる炭素繊維としては、引張弾性率
が４９〜９５０ＧＰａのものが用いられ、特に２３０〜
６２０ＧＰａのものが好ましい。また、その炭素繊維の
引張強度としては、１１５０〜４６１０ＭＰａのものが
好ましく、特に２４５０〜４４１０ＭＰａのものが好ま
しい。炭素繊維の熱膨張率（繊維方向の線膨張率）とし
ては、−１．５×１０-6〜４×１０-6／℃のものが好ま
しい。このような物性の炭素繊維を用いることにより、
マトリックス樹脂の膨張を抑えこみ炭素繊維強化プラス
チック自体の熱膨張率が小さくなると共に、さらにウェ
アリングが取り付けられる基体（インペラー本体、ケー
ス本体）の膨張・収縮を抑えこむこともできるので、ウ
ェアリングとしての径方向の熱膨張率を所望の値に設定
することができる。As the carbon fibers to be used, those having a tensile modulus of 49 to 950 GPa are used.
620 GPa is preferred. Further, the tensile strength of the carbon fiber is preferably 1150-4610 MPa, and particularly preferably 2450-4410 MPa. The coefficient of thermal expansion of the carbon fiber (the coefficient of linear expansion in the fiber direction) is preferably from -1.5 × 10 −6 to 4 × 10 −6 / ° C. By using such physical properties of carbon fiber,
The expansion of the matrix resin is suppressed, the coefficient of thermal expansion of the carbon fiber reinforced plastic itself is reduced, and the expansion and contraction of the base body (impeller body, case body) to which the wear ring is attached can be further suppressed. Can be set to a desired value in the radial direction.
【００２２】この炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊
維、ＰＡＮ系炭素繊維等を用いることができる。必要に
より併用して炭素繊維強化プラスチックを形成してもよ
い。使用する箇所や、対になる対向側の素材等も勘案し
て、ウェアリングとして所望の膨張率が得られるように
選ぶことが好ましい。As the carbon fibers, pitch-based carbon fibers, PAN-based carbon fibers and the like can be used. If necessary, a carbon fiber reinforced plastic may be formed in combination. It is preferable that the wear ring is selected so as to obtain a desired expansion coefficient in consideration of a place to be used, a material on the opposite side to be paired, and the like.
【００２３】炭素繊維としては、短繊維より連続繊維炭
素繊維を用いることが好ましい。連続炭素繊維がウェア
リング周方向（円筒型であれば円筒の周方向）に一巻き
以上巻かれることにより、炭素繊維の性質を効果的に利
用することができ、また、ウェアリングとしての径方向
の熱膨張率を所望の値に設定することができる。このよ
うに、ウェアリングを構成する炭素繊維強化プラスチッ
ク中の炭素繊維の少なくとも一部は、実質的に周方向に
配列していることが好ましい。また歪によるわれ等を防
止するために、ウェアリング軸方向（回転軸の方向）に
配列している炭素繊維も存在していることが好ましい。As the carbon fiber, it is preferable to use continuous fiber carbon fiber rather than short fiber. By winding one or more turns of the continuous carbon fiber in the circumferential direction of the wear ring (in the case of a cylindrical shape, the circumferential direction of the cylinder), the properties of the carbon fiber can be effectively used, and the radial direction of the wear ring can be improved. Can be set to a desired value. As described above, it is preferable that at least a part of the carbon fibers in the carbon fiber reinforced plastic constituting the wear ring is arranged substantially in the circumferential direction. Further, in order to prevent cracks or the like due to distortion, it is preferable that carbon fibers arranged in the wear ring axis direction (direction of the rotation axis) also exist.
【００２４】炭素繊維は、通常は周方向と軸方向の２方
向に配列していれば十分であり、周方向と軸方向の炭素
繊維の構成比（重量比）は、周方向が１に対して、軸方
向が０〜２である。Usually, it is sufficient that the carbon fibers are arranged in two directions, the circumferential direction and the axial direction. The composition ratio (weight ratio) of the carbon fibers in the circumferential direction and the axial direction is 1 with respect to the circumferential direction. Thus, the axial direction is 0 to 2.
【００２５】ここで、炭素繊維の周方向配列および軸方
向配列はウェアリングの周方向および軸方向に厳密に配
列していなくてもよい。ウェアリング軸方向を０°とし
て、周方向に配列している炭素繊維については、±６０
°〜９０°、好ましくは±８５°〜９０°の間で配列し
ていればよい。また軸方向の炭素繊維については、０°
〜４５°、好ましくは０〜±１５°の間で配列していれ
ばよい。Here, the circumferential arrangement and the axial arrangement of the carbon fibers do not have to be strictly arranged in the circumferential and axial directions of the wear ring. Assuming that the wear ring axis direction is 0 °, the carbon fibers arranged in the circumferential direction are ± 60.
The angle may be in the range of ° to 90 °, preferably ± 85 ° to 90 °. For carbon fibers in the axial direction, 0 °
It is sufficient that they are arranged at angles of up to 45 °, preferably 0 to ± 15 °.
【００２６】炭素繊維強化プラスチック中に占める炭素
繊維の体積含有率は、４５〜７０体積％程度が好まし
く、特に５５〜６５体積％が好ましい。The volume content of carbon fibers in the carbon fiber reinforced plastic is preferably about 45 to 70% by volume, particularly preferably 55 to 65% by volume.
【００２７】炭素繊維と共に炭素繊維強化プラスチック
を構成するマトリックス樹脂としては、耐熱性樹脂が好
ましく、その中でも熱可塑性樹脂としては、ポリエーテ
ルエーテルケトン樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリ
フェニレンオキサイド樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリ
フェニレンサルファイド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、
ポリアミドビスマレイミド樹脂等が挙げられ、また熱硬
化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、シ
アネート樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、
ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル
樹脂等を挙げることができる。この中でも、エポキシ樹
脂、フェノール樹脂、シアネート樹脂、不飽和ポリエス
テル樹脂が好ましい。The matrix resin constituting the carbon fiber reinforced plastic together with the carbon fiber is preferably a heat-resistant resin. Among them, the thermoplastic resin is preferably a polyetheretherketone resin, an aromatic polyester resin, a polyphenylene oxide resin, a polysulfone resin. , Polyphenylene sulfide resin, polyamide-imide resin,
Polyamide bismaleimide resin and the like, and as the thermosetting resin, phenol resin, epoxy resin, cyanate resin, urea resin, diallyl phthalate resin,
Examples thereof include a polyimide resin, a silicone resin, and an unsaturated polyester resin. Among them, an epoxy resin, a phenol resin, a cyanate resin, and an unsaturated polyester resin are preferable.
【００２８】所定形状のウェアリングを形成するのに
は、形状およびマトリックス樹脂の性質に合わせた成形
方法を用いることができる。以下、代表的な形状である
円筒状ウェアリングについて説明する。例えばシートロ
ーリング成形と呼ばれている成形方法によれば、まず公
知の方法により炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸させ
て、シート状の一方向プリプレグまたは織物プリプレグ
を形成し、それをマンドレルに所定の層数だけ積層した
後、熱硬化性樹脂であれば加熱硬化させてからマンドレ
ルからはずすと、炭素繊維強化プラスチックの円筒状成
形体が得られる。その後、所定の長さに切断し、正確に
クリアランスを出すために必要により所定の精度にて研
削・研磨加工して円筒状のウェアリングを得る。To form a wear ring having a predetermined shape, a molding method suitable for the shape and the properties of the matrix resin can be used. Hereinafter, a cylindrical wear ring having a typical shape will be described. For example, according to a molding method called sheet rolling molding, first, a carbon fiber is impregnated with a matrix resin by a known method to form a sheet-shaped unidirectional prepreg or a woven prepreg, and the sheet-shaped unidirectional prepreg is formed into a predetermined layer on a mandrel. After laminating a number of pieces, if the thermosetting resin is cured by heating and then removed from the mandrel, a cylindrical molded article of carbon fiber reinforced plastic is obtained. Then, it is cut to a predetermined length, and is ground and polished with a predetermined accuracy as necessary to accurately obtain a clearance, thereby obtaining a cylindrical wear ring.
【００２９】また、他の積層法として知られているフィ
ラメントワインディング積層法では、炭素繊維にマトリ
ックス樹脂を含浸させたトウプリプレグを配向させつつ
巻き上げて、必要な層数だけ積層することができる。ま
た、トウプリプレグを編み上げて円筒状に成形してもよ
い。あるいは、炭素繊維を編み上げて円筒状にした後に
マトリックス樹脂を含浸させてもよい。In a filament winding laminating method known as another laminating method, a required number of layers can be laminated by winding a tow prepreg in which carbon fiber is impregnated with a matrix resin while orienting it. Further, the tow prepreg may be knitted and formed into a cylindrical shape. Alternatively, the carbon fiber may be braided into a cylindrical shape and then impregnated with a matrix resin.
【００３０】本発明の一形態においては、シートローリ
ング成形により、一方向プリプレグを用いて周方向１〜
１０層と軸方向１〜１０層を交互に積層して形成したも
のが好ましい。その際、各層の厚みは硬化後に０．０５
〜０．３ｍｍ程度になるようなシート状プリプレグが用
いられ、そのときの積層総数は、一層の厚さおよびウェ
アリングの厚さによって適宜変更する。一般的な厚さの
場合、例えば２０〜３００層程度である。また、最外層
（円筒の外側および内側の少なくとも一方）には必要に
より織物プリプレグを１〜１０層程度、特に１〜５層程
度積層することが好ましい。最外層が織物プリプレグか
ら形成されていると、研削・研磨加工の際にケバが出に
くい利点がある。In one embodiment of the present invention, one-way prepreg is used to form a sheet in a circumferential direction by sheet rolling.
A layer formed by alternately laminating 10 layers and 1 to 10 layers in the axial direction is preferable. At that time, the thickness of each layer is 0.05
A sheet-shaped prepreg having a thickness of about 0.3 mm is used, and the total number of layers at that time is appropriately changed depending on the thickness of one layer and the thickness of the wear ring. In the case of a general thickness, for example, it is about 20 to 300 layers. In addition, it is preferable to laminate about 1 to 10 layers, especially about 1 to 5 layers of woven prepreg on the outermost layer (at least one of the outside and the inside of the cylinder) as necessary. When the outermost layer is formed of a woven prepreg, there is an advantage that fluff does not easily appear during grinding and polishing.
【００３１】このように円筒状に加工された炭素繊維強
化プラスチック製のウェアリングは、ウェアリングが取
り付けられるように加工された基体（ケース本体または
インペラー本体）に取り付けられて使用される。The carbon fiber reinforced plastic wear ring thus processed into a cylindrical shape is used by being attached to a base (a case main body or an impeller main body) processed so that the wear ring is mounted.
【００３２】本発明では、このような炭素繊維強化プラ
スチック製のウェアリングをポンプに用いるときは、ケ
ースウェアリングおよびインペラーウェアリングの両方
に用いてもよいが、前述のようにどちらか一方に用いて
もよい。通常の使用では、高温流体を扱うことが多く、
また回転による温度上昇もインペラー側の方が大きいの
で、ケース側かインペラー側かどちらか一方に用いると
きは、一般的にはインペラー側に用いることが好まし
い。In the present invention, when such a wear ring made of carbon fiber reinforced plastic is used for a pump, it may be used for both the case wear ring and the impeller wear ring. You may. In normal use, high temperature fluids are often handled,
In addition, since the temperature rise due to rotation is also larger on the impeller side, when it is used on either the case side or the impeller side, it is generally preferable to use it on the impeller side.
【００３３】そして、片側にのみ本発明のウェアリング
を用いた場合、対になる相手側のウェアリング材料とし
ては、金属、セラミックス、プラスチック、カーボン等
を用いることができる。特に加工性や価格の点から金属
が好ましく、特に、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ４０３等の耐
摩耗性が高く、さびにくいステンレススチールが好まし
い。When the wear ring of the present invention is used only on one side, a metal, ceramics, plastic, carbon, or the like can be used as the paired wear material on the other side. In particular, metal is preferred from the viewpoint of workability and price, and stainless steel, such as SUS304 or SUS403, which has high wear resistance and is resistant to rust is particularly preferred.
【００３４】[0034]
【実施例】次に実施例を用いて本発明をさらに詳細に説
明する。評価に使用したポンプは、揚程５５ｍ、容量１
４ｍ3／ｈ、出力３．７０ｋＷ、回転数２９００ｒｐｍ
の片持遠心ポンプである。形状は図１に示したものとほ
ぼ同じである。図１で示したポンプでは吸い込み側のウ
ェアリング対と背面側のウェアリング対の径と長さが異
なっているが、ここで使用したポンプでは吸い込み側、
背面側とも同じ形状のものである。Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The pump used for evaluation had a head of 55 m and a capacity of 1
4m 3 / h, output 3.70kW, rotation speed 2900rpm
Is a cantilever centrifugal pump. The shape is almost the same as that shown in FIG. In the pump shown in FIG. 1, the diameter and length of the suction side wear ring pair and the back side wear ring pair are different, but in the pump used here, the suction side,
The rear side has the same shape.
【００３５】また、実施例中のポンプの性能測定には、
流体として２０℃程度の水を用いて、ＪＩＳに準じた方
法により吐き出し量とポンプ効率（単純効率＝水動力／
軸動力×１００）の関係、吐き出し量と全圧力の関係、
吐き出し量と軸動力の関係を求めた。In measuring the performance of the pump in the embodiment,
Using water of about 20 ° C. as the fluid, the discharge amount and pump efficiency (simple efficiency = water power /
Shaft power x 100), the relationship between the discharge amount and the total pressure,
The relationship between the discharge amount and the shaft power was determined.
【００３６】［実施例１］日本グラファイトファイバー
（株）製の炭素繊維ＸＮ−６０に耐湿性エポキシ樹脂を
含浸させ、炭素繊維の体積含有率を約５５％とした厚さ
約０．２５ｍｍのプリプレグＡと、東レ（株）製の炭素
繊維クロスＣＯ６３４３に耐湿性エポキシ樹脂を含浸さ
せ、炭素繊維の体積含有率を約５０％とした積層厚さ
（積層後の厚さとして）約０．２５ｍｍのプリプレグＢ
を製造した。これらを用いて、マンドレルに、プリプレ
グＢの０°配向層を５層積層し、プリプレグＡの０°配
向層と９０°配向層とを１層ずつ交互に両者合せて２０
層積層し、さらにプリプレグＢの０°配向層を５層積層
した後、熱硬化させた。その結果、外径１０２ｍｍ、内
径８７ｍｍの円筒成形体を得た。Example 1 A prepreg having a thickness of about 0.25 mm was prepared by impregnating carbon fiber XN-60 manufactured by Nippon Graphite Fiber Co., Ltd. with a moisture-resistant epoxy resin so that the volume content of the carbon fiber was about 55%. A and a carbon fiber cloth CO6343 manufactured by Toray Industries Co., Ltd. impregnated with a moisture-resistant epoxy resin to have a layer thickness of about 0.25 mm (thickness after lamination) with a volume content of carbon fibers of about 50%. Prepreg B
Was manufactured. Using these, five layers of 0 ° alignment layer of prepreg B are laminated on a mandrel, and the 0 ° alignment layer and 90 ° alignment layer of prepreg A are alternately combined one by one to form a 20 layer.
The layers were stacked, and five layers of the 0 ° orientation layer of prepreg B were further stacked, followed by heat curing. As a result, a cylindrical molded body having an outer diameter of 102 mm and an inner diameter of 87 mm was obtained.
【００３７】この炭素繊維強化プラスチック製の円筒を
所定長さに切断し、研削・研磨して、外径１０１．０ｍ
ｍ、内径８８．５ｍｍ、長さ２２．５ｍｍの形状に加工
した。さらに取り付けねじ穴を穿孔して、炭素繊維強化
プラスチック製のウェアリングを得た。これをインペラ
ーの吸い込み側および背面側の両方に取り付けた。この
インペラーウェアリングの径方向の熱膨張率は、約５×
１０-6／℃であった。This carbon fiber reinforced plastic cylinder is cut into a predetermined length, ground and polished, and has an outer diameter of 101.0 m.
m, an inner diameter of 88.5 mm, and a length of 22.5 mm. Further, the mounting screw hole was drilled to obtain a carbon fiber reinforced plastic wear ring. This was attached to both the suction side and the back side of the impeller. The radial expansion coefficient of this impeller wear ring is about 5 ×
It was 10 -6 / ° C.
【００３８】一方、ケースウェアリングとしては、ＳＵ
Ｓ４０３製の内径１０１．１ｍｍのものを吸い込み側お
よび背面側の両方に用いた。即ち、ウェアリングのクリ
アランスは直径で０．１ｍｍである。このポンプの性
能、即ち吐き出し量とポンプ効率の関係、吐き出し量と
全圧力のの関係、吐き出し量と軸動力の関係をそれぞれ
図３、図４、図５に示す。また、このような狭いクリア
ランスにもかかわらず、焼きつきは生じなかった。On the other hand, as case wear, SU
An S403 inner diameter of 101.1 mm was used for both the suction side and the back side. That is, the clearance of the wear ring is 0.1 mm in diameter. The pump performance, that is, the relationship between the discharge amount and the pump efficiency, the relationship between the discharge amount and the total pressure, and the relationship between the discharge amount and the shaft power are shown in FIGS. 3, 4, and 5, respectively. Despite such a narrow clearance, no burn-in occurred.
【００３９】［比較例１］インペラーウェアリングとし
て、外径１００．７ｍｍ、長さ２２．５ｍｍのＳＵＳ４
０３製のものを用いた。一方、ケースウェアリングとし
ては、実施例１と同様にＳＵＳ４０３製の内径１０１．
１ｍｍのものを用いた。即ち、ウェアリングのクリアラ
ンスは直径で０．４ｍｍである。また、ケースウェアリ
ングおよびインペラーウェアリング共、熱膨張率は径方
向で約１９×１０-6／℃であった。このポンプの性能を
図３、図４、図５に示す。また、焼きつきは生じなかっ
た。［比較例２］インペラーウェアリングとして、外径
１０１．０ｍｍ、長さ２２．５ｍｍのＳＵＳ４０３製の
ものを用い、ケースウェアリングとしては、ＳＵＳ４０
３製の内径１０１．１ｍｍのものを用いた。即ち、ウェ
アリングのクリアランスは直径で０．１ｍｍである。し
かし、ポンプ使用中に焼きつきを生じ安定に運転するこ
とができなかった。Comparative Example 1 As an impeller wear ring, SUS4 having an outer diameter of 100.7 mm and a length of 22.5 mm was used.
03 was used. On the other hand, as the case wear ring, the inner diameter 101.
1 mm one was used. That is, the clearance of the wear ring is 0.4 mm in diameter. In addition, both the case wear ring and the impeller wear ring had a coefficient of thermal expansion of about 19 × 10 −6 / ° C. in the radial direction. The performance of this pump is shown in FIGS. No burn-in occurred. [Comparative Example 2] An impeller wear ring made of SUS403 having an outer diameter of 101.0 mm and a length of 22.5 mm was used. As a case wear ring, SUS40 was used.
Three products having an inner diameter of 101.1 mm were used. That is, the clearance of the wear ring is 0.1 mm in diameter. However, seizure occurred during use of the pump, and stable operation was not possible.
【００４０】[0040]
【発明の効果】本発明によれば、回転により温度が上昇
した状態や、高い温度の流体を用いる場合においても、
ケースウェアリングとインペラーウェアリングのクリア
ランスを小さく一定の範囲に保つことが可能なウェアリ
ング、およびそれを備えた安定性に優れ効率のよいポン
プを提供することができる。According to the present invention, even when the temperature is increased by rotation or when a fluid having a high temperature is used,
It is possible to provide a wear ring capable of keeping the clearance between the case wear ring and the impeller wear ring small and within a certain range, and a highly stable and efficient pump having the wear ring.
【図１】インペラー型ポンプの構造の一例を示す断面図
である。FIG. 1 is a sectional view showing an example of the structure of an impeller type pump.
【図２】径方向の熱膨張率を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining a coefficient of thermal expansion in a radial direction.
【図３】実施例および比較例のポンプの吐き出し量とポ
ンプ効率の関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the pumping amount and the pump efficiency of the pumps of the example and the comparative example.
【図４】実施例および比較例のポンプの吐き出し量と全
圧力の関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the discharge amount and the total pressure of the pumps of an example and a comparative example.
【図５】実施例および比較例のポンプの吐き出し量と軸
動力の関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the discharge amount and the shaft power of the pumps of the example and the comparative example.
１ インペラー ２ａ、２ｂ ケース ３ 主軸 ４ａ 吸い込み側ケースウェアリング ４ｂ 背面側ケースウェアリング ５ａ 吸い込み側インペラーウェアリング ５ｂ 背面側インペラーウェアリング ７ インペラー本体 ８ ケース本体 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Impeller 2a, 2b case 3 Main shaft 4a Suction side case wear ring 4b Back side case wear ring 5a Suction side impeller wear ring 5b Back side impeller wear ring 7 Impeller body 8 Case body
Claims (5)
るウェアリングの内筒側ウェアリングまたは外筒側ウェ
アリングであって、 炭素繊維強化プラスチックで形成され、径方向の熱膨張
率が−１×１０-6〜３０×１０-6／℃であることを特徴
とする内筒側ウェアリングまたは外筒側ウェアリング。An inner cylinder side outer ring or an outer cylinder side wear ring of an inner cylinder side and an outer cylinder side used as a pair, wherein the inner cylinder side and the outer cylinder side are formed of carbon fiber reinforced plastic and have a radial heat resistance. An inner cylinder side wear ring or an outer cylinder side wear ring, which has an expansion coefficient of -1 × 10 −6 to 30 × 10 −6 / ° C.
金属製ウェアリングと共に用いられる請求項１記載の内
筒側ウェアリングまたは外筒側ウェアリング。2. A pair of opposite-side wear rings,
2. The inner cylinder side wear ring or the outer cylinder side wear ring according to claim 1, which is used together with a metal wear ring.
弾性率４９ＧＰａ〜９５０ＧＰａの範囲にある連続炭素
繊維を用いたものである請求項１または２記載の内筒側
ウェアリングまたは外筒側ウェアリング。3. The inner cylinder side wear ring or the outer cylinder side wear ring according to claim 1, wherein the carbon fiber reinforced plastic is made of continuous carbon fiber having a tensile modulus in a range of 49 GPa to 950 GPa.
ラーと、ケースウェアリングを有するポンプケーシング
とを備えたポンプに用いられる請求項１〜３のいずれか
に記載の内筒側ウェアリングまたは外筒側ウェアリン
グ。4. The inner cylinder side wear ring or the outer cylinder side wear ring according to claim 1, which is used for a pump having an impeller having an impeller wear ring and a pump casing having a case wear ring. .
は外筒側ウェアリングを備えたポンプ。5. A pump provided with the inner cylinder side wear ring or the outer cylinder side wear ring according to claim 4.
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