JP2011226310A - 横軸ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】羽根車の配置が左右対称性を有し、主軸のラジアル荷重を支持する静圧軸受を備える横軸ポンプ（両吸込横軸ポンプやセルフバランス型の多段横軸ポンプ）において、締切点付近を含む小流量領域で主軸に作用する動的スラスト荷重に起因する主軸のスラスト方向の振動を抑制する。
【解決手段】両吸込横軸ポンプ１の主軸２のラジアル荷重は、駆動側２ａの油潤滑軸受１０１と反駆動側２ｂの静圧軸受９により支持される。油潤滑軸受１０１の軸受体１０６の内周面１０６ａに形成された収容溝１０７には、主軸２と共に回転するスラスト板１０８が収容されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、羽根車の配置が左右対称性を有する横軸ポンプに関する。

特許文献１に開示された多段横軸ポンプは、主軸のラジアル加重を支持する軸受として、吐出する圧力水を利用する静圧軸受を備える。

両吸込横軸ポンプや、セルフバランス型（主軸の左右で羽根車の個数と向きが対称）の多段横軸ポンプは、羽根車の配置が左右対称性を有するので理論的には主軸にスラスト荷重は作用しない。実際、設計点（通常は最高効率点又はその付近）での運転の場合、両吸込横軸ポンプの主軸に作用するスラスト荷重は極めて小さい。しかし、例えば両吸込横軸ポンプの場合、締切点付近を含む小流量領域では、羽根車の左右の吸込口で吸い込まれる流量が時間的に不均一になるために時間的に変動する差圧が生じ、この差圧によって時間的に変動するスラスト荷重（動的スラスト荷重）が発生する。セルフバランス型の多段横軸ポンプの場合も同様に、小流量領域では主軸に動的スラスト荷重が作用する。動的スラスト荷重が作用することで、小流量領域では主軸がスラスト方向に振動する。

特許文献１に開示されたものを含め、ラジアル加重を支持するための静圧軸受を備える既存の横軸ポンプは、羽根車の配置が左右対称性を有するにもかかわらず発生する小流量域での動的スラスト荷重とそれに起因する主軸のスラスト方向の振動の抑制について、考慮していない。特に、特許文献１は各段の羽根車の吸込口が同一方向を向いた多段横軸ポンプのみを開示しており、そもそもセルフバランス型の多段横軸ポンプについて言及していない。

特開平１０−８９２８３号公報

本発明は、羽根車の配置が左右対称性を有し、主軸のラジアル荷重を支持する静圧軸受を備える横軸ポンプ（両吸込横軸ポンプやセルフバランス型の多段横軸ポンプ）において、締切点付近を含む小流量領域で主軸に作用する動的スラスト荷重に起因する主軸のスラスト方向の振動を抑制することを課題とする。

羽根車の配置が左右対称性を有する横軸ポンプであって、主軸に取り付けられた羽根車が収容されたケーシングと、前記ケーシング内の前記主軸の反駆動側に配置されて前記主軸のラジアル荷重を支持する静圧軸受と、前記羽根車の吐出口から吐出される圧力水を前記静圧軸受に供給する圧力水供給路と、前記ケーシング外に突出する前記主軸の駆動側に配置され、前記主軸のラジアル荷重を支持し、内周面に形成された環状の収容溝に前記主軸と共に回転するスラスト板が収容されている油潤滑軸受とを備える、横軸ポンプを提供する。

主軸と共に回転するスラスト板が油潤滑軸受の軸受体の内周面に形成された収容溝の溝壁に当接することで、主軸のスラスト方向の変位が規制される。そのため、締切点を含む小流量域における動的スラスト荷重に起因する主軸のスラスト方向の振動を抑制できる。

前記収容溝は前記油潤滑軸受を内周面から外周面まで貫通する貫通部を有し、下部が潤滑油溜に浸かっているオイルリングの上部が前記貫通部に配置されている。この構成により、スラスト板の収容溝をオイルリングによる潤滑油の供給のための構造としても利用できる。

本発明は、例えば両吸込横軸ポンプに適用できる。

この場合、前記ケーシング内の静水圧による付勢力で前記主軸を前記反駆動側に向けて付勢する付勢手段をさらに備えることが好ましい。付勢手段が主軸を反駆動側に向けて付勢するので、実質的に時間的に変動しない反駆動側に向いた静的スラスト荷重が主軸に作用する。この静的スラスト荷重によって小流量域における動的スラスト荷重を抑制できる。

具体的には、前記付勢手段は、前記羽根車の前記反駆動側の口金部の外周に取り付けられ、前記反駆動側の口金部の幅を前記駆動側の口金部の幅よりも大きくする調整リングである。

本発明は、セルフバランス型の多段横軸ポンプにも適用できる。

本発明によれば、羽根車の配置が左右対称性を有し、主軸のラジアル荷重を支持する静圧軸受を備える横軸ポンプ（両吸込横軸ポンプやセルフバランス型の多段横軸ポンプ）において、油潤滑軸受の内周面に形成された環状の収容溝に主軸と共に回転するスラスト板を収容する構成を採用しているので、締切点を含む小流量域における動的スラスト荷重に起因する主軸のスラスト方向の振動を抑制できる。

本発明の第１実施形態に係る両吸込横軸ポンプの断面図。 図１の部分IIの拡大図。 図１の部分IIIの拡大図。 図１の部分IVの拡大図。 第１実施形態に係る両吸込横軸ポンプにおける圧力水の循環経路を示す模式図。 本発明の第２実施形態に係る多段横軸ポンプの断面図。

（第１実施形態）
図１から図５は本発明の実施形態に係る両吸込横軸ポンプ１を示す（以下、単にポンプ１という）。

ポンプ１の主軸２は水平方向に延びており、主軸２に取り付けられた両吸込型の羽根車３はケーシング４内に収容されている。主軸２の図において右側は図示しない原動機に連結される駆動側２ａで、図において左側が反駆動側２ｂである。主軸２の駆動側２ａはケーシング４を貫通しているが、反駆動側２ｂの端部はケーシング４に収容されている。ケーシング４には主軸２が貫通する部分に軸封装置５が取り付けられている。具体的には、ケーシング４の外面に固定されたカバー６に軸封装置５が固定されている。また、後に詳述するように、主軸２のラジアル荷重を支持するために、ケーシング４内（反駆動側２ｂ）に静圧軸受９が収容され、ケーシング４外（駆動側２ａ）に油潤滑軸受１０１が配置されている。

羽根車３が収容されているケーシング４内には、吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂと吐出側渦巻室１２とが設けられている。羽根車３の後述する吸込口２０Ａ，２０Ｂは吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂに開口し、羽根車３の後述する吐出口２１は吐出側渦巻室１２に開口している。駆動側２ａに連結された原動機により回転駆動される主軸２と共に羽根車３が回転し、ケーシング４に設けられた吸込口（図示せず）から吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂに流入した水（他の液体でもよい）は、吸込口２０Ａ，２０Ｂから羽根車３に吸い込まれ、吐出口２１から吐出側渦巻室１２へ吐出され、ケーシング４に設けられた吐出口（図示せず）から流出する。

羽根車３は、主軸２に取り付けられたボス部１５と、ボス部１５の両側に配置された概ね円形の側板１６Ａ，１６Ｂを備える。ボス部１５と側板１６Ａ，１６Ｂの間には複数の羽根１７が設けられている。各側板１６Ａ，１６Ｂは両端開口の筒状の口金部１８Ａ，１８Ｂを備える。ケーシング４の口金部１８Ａ，１８Ｂの周囲を囲む部分にはウエアリング１９Ａ，１９Ｂが装着されている。口金部１８Ａ，１８Ｂで囲まれた部分は羽根１７の入口に臨んでおり、羽根車３の吸込口２０Ａ，２０Ｂとして機能する。一方、羽根１７の出口が位置する側板１６Ａ，１６Ｂの外周側が羽根車３の吐出口２１として機能する。

図２に最も明瞭に示すように、静圧軸受９は主軸２の反駆動側２ｂの端部付近でケーシング４に固定された概ね筒状のホルダ２５と、このホルダ２５で保持された軸受体２７とを備える。軸受体２７は例えばセラミックスのように摺動性、耐磨耗性、耐食性等を有する材料からなる。静圧軸受９の反駆動側２ｂの端部から主軸２が僅かに突出してる。そして、主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃと対向するように、ケーシング４にはセラミックス等からなるスラストプレート４７が固定されている。具体的は、スラストプレート４７はカバー７に固定されており、カバー７がケーシング４の外面に固定されている。。スラストプレート４７には貫通穴４７ａが形成されている。貫通穴４７ａはケーシング４に形成された供給ポート２９に連通している。

図１及び図５を参照すると、羽根車３の吐出口２１から吐出される圧力水を静圧軸受９に供給するための供給管路（圧力供給路）５１が設けられている。本実施形態における供給管路５１は、一端がケーシング４内の吐出側渦巻室１２に接続され、他端が静圧軸受９用の供給ポート２９に接続されている。供給管路５１には圧力水から異物を除去するためのストレーナ５５が介設されている。ストレーナ５５に代えて例えばサイクロンセパレータのような他の異物除去手段を主管路５２に介設してもよい。また、供給管路５１のストレーナ５５よりも静圧軸受９側には、吐出側渦巻室１２から静圧軸受９に供給される圧力水の流量を手動調整するための調整弁５６が介設されている。

図３に最も明瞭に示すように、羽根車３の反駆動側２ｂの口金部１８Ｂの外周に一定幅の調整リング６５を取り付けている。そのため、反駆動側２ｂの口金部１８Ｂの幅は、口金部１８Ｂ自体の幅ｔ１と調整リング６５の幅Δｔを加えた幅となり、駆動側２ａの口金部１８Ａの幅ｔ１よりも大きくなる。また、反駆動側２ｂのウエアリング１９Ｂの幅は、調整リング６５の幅Δｔに相当する分だけ駆動側２ａのウエアリング１９Ａよりも小さく設定している。

図１及び図４を参照して油潤滑軸受１０１を説明する。油潤滑軸受１０１は主軸２の駆動側２ａのうち軸封装置５を介してケーシング４より突出する部分で主軸２のラジアル加重を支持する。油潤滑軸受１０１の軸受ケーシング１０２は、ポンプ１のケーシング４にボルト止めで固定されている。軸受ケーシング１０２の主軸２が貫通している両側部（駆動側２ａと反駆動側２ｂ）には、オイルシール機構付のカバー１０３Ａ，１０３Ｂがそれぞれ装着されている。軸受ケーシング１０２の内部下側は潤滑油溜１０４を構成し、その上方を主軸２が通過している。この潤滑油溜１０４には図示しない周知の給油機構により常にある程度の量の潤滑油が蓄液されている。軸受ケーシング４の内部上側には概ね両端開口筒状のホルダ１０５が保持されている。このホルダ１０５内に、同様に概ね両端開口筒状の軸受体１０６が収容されている。軸受体１０６は例えばホワイトメタルからなる。

軸受体１０６の内周面１０６ａには主軸２を取り囲む環状を呈する収容溝１０７が形成されている。収容溝１０７の底壁１０７ａは概ね平坦であり、底壁１０７ａの両端から軸受体１０６の内周面１０６ａに向けて一対の側壁１０７ｂ，１０７ｃが立ち上がっている。主軸２には概ね円形鍔状のスラスト板１０８が設けられ、このスラスト板１０８が収容溝１０７内に収容されている。スラスト板１０８の形状及び寸法は通常時は収容溝の底壁１０７ａや側壁１０７ｂ，１０７ｃに接触しないように設定されている。本実施形態におけるスラスト板１０８は切削加工により主軸２の外周に一体成形されている。ただし、主軸２とは別体のスラスト板１０８をキー止め等で固定する構造を採用してもよい。

収容溝１０７は、上側部分（主軸２が延びる方向から見て概ね上側１／２の部分）に、軸受体１０６の内周面１０６ａから外周面１０６ｂまで貫通する貫通部１０９を有している。また、ホルダ１０５にも、主軸２の延びる方向から見ると概ね半円状の抜き部１１０が収容溝１０７の貫通部１０９と連通するように形成されている。スラスト板１０８の外側には主軸２よりも十分に大径の狭幅のリングであるオイルリング１１２が装着されている。オイルリング１１２は、鋼材製であってもよいし、シリコンゴム等の柔軟性及び耐油性を有する材料からなるものでもよい。オイルリング１１２は下部が潤滑油溜１０４に浸かる一方、上部が収容溝１０７の貫通部１０９に配置されている。

原動機により回転駆動される主軸２と共に羽根車３が回転すると、羽根車３の吐出口２１から吐出側渦巻室１２に圧力水が吐出され、供給管路５１と供給ポート２９を介して主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃとスラストプレート４７の間の空間（図２）に供給される。また、主軸２の端面２ｃとスラストプレート４７の間の空間から静圧軸受９の軸受体２７の内周と主軸２の外周との間の摺動面間へ圧力水が強制的に供給され、主軸２のラジアル荷重が支持される。摺動面間を通過した圧力水は、吸込側渦巻室１１Ｂに流入して羽根車３の吸込口２０Ｂに戻る。

主軸２の回転に伴ってオイルリング１１２が回転する。前述のようにオイルリング１１２の下部は潤滑油溜１０４に浸かっているので、回転するオイルリング１１２によって油潤滑軸受１０１の軸受体１０６の内周面１０６ａと主軸２の外周との間の潤滑油溜１０４からの潤滑油が摺動面に供給され、潤滑作用を行う。

締切点付近を含む小流量領域では、羽根車３の図において左右の吸込口２０Ａ，２０Ｂで吸い込まれる流量が時間的に不均一になるために時間的に変動する差圧が生じ、この差圧によって大きさと向きが時間的に変動する動的スラスト荷重が発生する。しかし、主軸２に設けられたスラスト板１０８が油潤滑軸受１０８の軸受体１０６の内周面１０６ａに形成された収容溝１０７の側壁１０７ｂ，１０７ｃに当接することで、主軸２のスラスト方向の変位が規制される。そのため、締切点を含む小流量域における動的スラスト荷重に起因する主軸のスラスト方向の振動を抑制できる。

口金部１８Ａ，１８Ｂは図において左右の面で作用する圧力が異なる。具体的には、口金部１８Ａ，１８Ｂの外側の面には吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂの圧力Ｐｓが作用する一方、内側には圧力Ｐｓと羽根車３の吐出口２１の圧力Ｐｄとの間の圧力Ｐｉが作用する（Ｐｉ＞Ｐｓ）。従って、駆動側２ａの口金部１８Ａには圧力Ｐｉ，Ｐｄの差圧に口金部１８Ａの幅ｔ１を乗じた値に相当する駆動側２ａ向き（図において右向き）の力ｆａが作用し、反駆動側２ｂの口金部１８Ｂには圧力Ｐｉ，Ｐｄの差圧に口金部１８Ｂと調整リング６５の幅ｔ１＋Δｔを乗じた間に相当する反駆動側２ｂ向き（図において左向き）の力ｆｂがする。力ｆｂは力ｆａよりも大きく、両者の差に相当する反駆動側２ｂに向いた付勢力Ｆ１（＝ｆｂ−ｆａ）が主軸２に作用する。この付勢力Ｆは実質的に時間的に変動しない反駆動側に向いた静的スラスト荷重として主軸２に作用し、小流量域における動的スラスト荷重を抑制する。

前述のように供給管路の圧力水が主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃとスラストプレート４７の間の空間（図２）に供給される。つまり、主軸２の端面２ｃとスラストプレート４７との間の摺動面間にも圧力水が強制的に供給され、摺動面間に潤滑水膜が形成される。その結果、前述した主軸２に作用する静的スラスト荷重（付勢力Ｆ）が支持される。具体的には、主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃには、反駆動側管路５４からの供給される圧力水の圧力と主軸２の端面２ｃの面積の積に相当する駆動側２ａに向いて実質的に時間的に変動しない付勢力（図において右向きの付勢力）が作用する。そして、この付勢力によって主軸２に作用する静的スラスト荷重が支持される。また、この付勢力は調整弁５６の開度で圧力水の流量を調整することで調整できる。

羽根車３から吐出される圧力水（ポンプ揚液）にスラリー等の異物が混入しても、供給管路５１に介設したストレーナ５５で異物が除去された後の圧力水が静圧軸受９に供給される。その結果、静圧軸受９の軸受体２７の摩耗を防止できる。ストレーナ５５で異物が除去された圧力水を静圧軸受に供給できるため、静圧軸受９の軸受材料としてセラミックに限らず、樹脂、又はゴムを使用できる。

（第２実施形態）
図６は本発明の第２実施形態に係るセルフバランス型の多段横軸ポンプ２０１（以下、単にポンプ２０１という）を示す。

ポンプ２０１は、第１段目に片吸込型の２個の羽根車２０２Ａ，２０２Ｂを備え、第２段目に第１実施形態と同様の両吸込型の羽根車３を備える。羽根車２０２Ａ，２０２Ｂは羽根車３を挟んで主軸２上に対称に配置されている。また、羽根車２０２Ａの吸込口が図において右向きであるが羽根車２０２Ｂの吸込口が図において左向きである点を除いて、羽根車２０２Ａ，２０２Ｂは同一構成である。ケーシング２０４には主軸２の駆動側２ａが貫通する部分に軸封装置２０５が取り付けられている。主軸２のラジアル荷重を支持するために、ケーシング４内（反駆動側２ｂ）に静圧軸受９が収容され、ケーシング４外（駆動側２ａ）には第１実施形態と同一の油潤滑軸受１０１が配置されている。

ケーシング２０４には静圧軸受９に連通するように供給ポート２０６が設けられている。この供給ポート２０６は羽根車３の吸込口側（羽根車２０２Ｂの吐出口側）と供給管路５１によって接続されている。また、主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃとカバー７の間の空間を軸封装置２０５側と接続する管路２０７が設けられている。主軸２と共に羽根車２０２Ａ，２０２Ｂ，３が回転すると、羽根車２０２Ａの吐出から吐出される圧力水が、供給管路２０６を介して供給ポート２０６に供給され、静圧軸受９の軸受体の内周と主軸２の外周との間の摺動面間に強制的に供給され、主軸２のラジアル荷重が支持される。摺動面間を通過した圧力水は、管路２０７を通って軸封装置２０５へ流れる。

主軸２に設けられたスラスト板１０８が油潤滑軸受１０１の軸受体１０６の収容溝１０７に当接することで、主軸２のスラスト方向の変位が規制される。そのため、締切点を含む小流量域における動的スラスト荷重に起因する主軸のスラスト方向の振動を抑制できる。第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

１ 両吸込横軸ポンプ
２ 主軸
２ａ 駆動側
２ｂ 反駆動側
２ｃ 端面
３ 羽根車
４ ケーシング
５ 軸封装置
６，７ カバー
９ 静圧軸受
１１Ａ，１１Ｂ 吸込側渦巻室
１２ 吐出側渦巻室
１５ ボス部
１６Ａ，１６Ｂ 側板
１７ 羽根
１８Ａ，１８Ｂ 口金部
１９Ａ，１９Ｂ ウエアリング
２０Ａ，２０Ｂ 吸込口
２１ 吐出口
２５ ホルダ
２７ 軸受体
２９ 供給ポート
４７ スラストプレート
４７ａ 貫通穴
５１ 供給管路
５５ ストレーナ
５６ 調整弁
６５ 調整リング
１０１ 油潤滑軸受
１０２ 軸受ケーシング
１０３Ａ，１０３Ｂ カバー
１０４ 潤滑油溜
１０５ ホルダ
１０６ 軸受体
１０６ａ 内周面
１０６ｂ 外周面
１０７ 収容溝
１０７ａ 底壁
１０７ｂ，１０７ｃ 側壁
１０８ スラスト板
１０９ 貫通部
１１０ 抜き部
１１２ オイルリング
２０１ 多段横軸ポンプ
２０２Ａ，２０２Ｂ 羽根車
２０４ ケーシング
２０５ 軸封装置
２０６ 供給ポート
２０７ 管路

Claims (6)

1. 羽根車の配置が左右対称性を有する横軸ポンプであって、
   主軸に取り付けられた羽根車が収容されたケーシングと、
   前記ケーシング内の前記主軸の反駆動側に配置されて前記主軸のラジアル荷重を支持する静圧軸受と、
   前記羽根車の吐出口から吐出される圧力水を前記静圧軸受に供給する圧力水供給路と、
   前記ケーシング外に突出する前記主軸の駆動側に配置され、前記主軸のラジアル荷重を支持し、内周面に形成された環状の収容溝に前記主軸と共に回転するスラスト板が収容されている油潤滑軸受と
   を備える、横軸ポンプ。
2. 前記収容溝は前記油潤滑軸受を内周面から外周面まで貫通する貫通部を有し、下部が潤滑油溜に浸かっているオイルリングの上部が前記貫通部に配置されている、請求項１に記載の横軸ポンプ。
3. 両吸込横軸ポンプである、請求項１又は請求項２に記載の横軸ポンプ。
4. 前記ケーシング内の静水圧による付勢力で前記主軸を前記反駆動側に向けて付勢する付勢手段をさらに備える、請求項３に記載の横軸ポンプ。
5. 前記付勢手段は、前記羽根車の前記反駆動側の口金部の外周に取り付けられ、前記反駆動側の口金部の幅を前記駆動側の口金部の幅よりも大きくする調整リングである、請求項４に記載の両吸込横軸ポンプ。
6. セルフバランス型の多段横軸ポンプである、請求項１又は請求項２に記載の横軸ポンプ。

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