JP2017133450A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸方向における羽根車の配置の自由度を高めたポンプを提供する。【解決手段】ポンプは、回転軸２１２と、回転軸２１２に固定される羽根車１１３ａ，１１３ｂと、羽根車１１３ａ，１１３ｂを回転軸２１２に固定するためのリング状のスペーサ２１０とを有する。スペーサ２１０は、回転軸２１２の半径方向に、２個の構成部品２１０ａ，２１０ｂに分割可能である。【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプの羽根車を回転軸に固定するための固定部材を有するポンプに関する。

水等の流体の搬送を行なうために、様々なポンプが用いられている。このようなポンプの一つに、高揚程まで水等を揚水可能とするポンプとして、駆動軸を鉛直方向に設け、インペラ（羽根車）が複数（多段に）設けられた立型（縦型）ポンプ装置が知られている。

このような立型ポンプ装置は、例えば、複数の羽根車が収納され、羽根車を駆動する回転軸をその内部に連通させたポンプ部と、このポンプ部の上部または下部に設けられたモータとを備えている。

このような、羽根車を複数有する立型ポンプ装置は、羽根車の数が多くなるにつれて、より水を高揚程まで揚水することが可能となる。しかし、高揚程のポンプとするために羽根車の数を増やすと、回転軸は羽根車を固定させる長さが必要であるため、その長さは長くなる。しかし、回転軸の長さが長くなると、軸部の長さも長くなり、偏心回転等を起こすおそれが高くなる。このような回転軸の偏心回転は、揚水機能等のポンプ機能の低下、振動、騒音、及び、故障等の原因となる。

このため、複数の羽根車を振動対策等のために最適な位置に、すなわち、任意の位置に配置できることが好ましい。従来、複数の羽根車を最適な位置に配置するために、羽根車と羽根車との間の距離を設定することを目的として、シリンダ状の中間スリーブが用いられてきた。中間スリーブの例として、ＪＩＳ Ｂ−０１３１−２００２「ターボポンプ用語」付図４０に示される水中軸受部スリーブ（４５２）がある。従来、付図４０に示されるように、複数の中間スリーブと複数の羽根車が交互に、回転軸の軸方向に積み上げられて配置されている。

羽根車と羽根車との間の距離を設定することは、上記のように中間スリーブが用いられてきたが、端部に配置した羽根車の位置の設定については、いくつかの方法がある。上記の付図４０では、羽根車及び中間スリーブが配置される部分の回転軸の外径を、羽根車及び中間スリーブが配置されない部分の回転軸の外径より、切削により細くする。羽根車及び中間スリーブが配置される部分の回転軸の外径は、羽根車及び中間スリーブの内径に一致させる。すなわち、回転軸の軸方向における回転軸の一方の側は、外径が太く、他方の側は、外径が細い。回転軸の細い部分と太い部分の境界にできる段差部分により、羽根車の軸方向の移動を制限している。細い部分の端部には、羽根車ナット等により、羽根車及び中間スリーブが回転軸から脱落することを防止している。

他の方法としては、回転軸を切削することなく、回転軸の一方の端部から他方の端部まで同一の外径である回転軸を用いる方法がある。この場合、両方の端部に羽根車ナット等を設けて、羽根車及び中間スリーブが回転軸から脱落することを防止している。

ＪＩＳ Ｂ−０１３１−２００２「ターボポンプ用語」付図４０

しかし、ポンプの回転軸が長い場合、例えば、回転軸の長さが、４ｍを超えるような場合、羽根車と羽根車との間の距離が長い時に、長い中間スリーブを用意する必要があった。また、羽根車及び中間スリーブが配置される部分の回転軸の外径を、切削により細くする場合、回転軸の長い部分にわたって、回転軸の外径を切削する必要があった。

すなわち、羽根車の位置を任意に設定する場合、長い中間スリーブが必要である、もしくは回転軸の外径を長い範囲にわたって切削する必要があるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解消すべくなされたもので、その目的は、回転軸方向における羽根車の配置の自由度を高めたポンプを提供することである。

また、他の目的として、回転軸の加工時間、加工コストを低減したポンプを提供することである。

上記課題を解決するために、第１の形態では、回転軸と、前記回転軸に固定される羽根車と、前記羽根車を前記回転軸に固定するためのリング状の固定部材と、を有し、前記固定部材は、前記回転軸の半径方向に、複数個の構成部品に分割可能であるポンプ、という構成を採っている。

このような構成を採ることにより、従来のような長い中間スリーブが不要となる。また、回転軸の外径を長い範囲にわたって切削する必要がなくなる。従来はシリンダ形状の中間スリーブを用いているため回転軸の半径方向に、中間スリーブを分割できず、回転軸の軸方向に回転軸の端部から所定の位置まで、複数の中間スリーブと複数の羽根車を回転軸上を摺動させて、交互に積み上げる必要があった。本実施形態によれば、固定部材は前記回転軸の半径方向に、複数個の構成部品に分割可能であるため、回転軸上を、回転軸の端部から所定の位置まで固定部材を摺動させる必要がなくなる。

回転軸上の任意の位置に、回転軸方向の長さが短い固定部材で羽根車を固定できる。従って、長い中間スリーブは不要となる。固定部材の長さは、回転軸上の取付位置によらず一定の短い長さとすることができる。固定部材は、任意の位置に容易に配置できるため、最適な位置に羽根車を固定することが容易になる。

また、長い範囲にわたって回転軸の外径を切削する必要がなくなる。必要ならば、固定部材を取り付ける部分のみ回転軸の外径を切削することが可能であり、加工時間、加工コストが低減する。

固定部材の分割形状、分割個数は、種々可能である。分割形状に関しては、例えば、固定部材を分割する分割面を回転軸の軸方向と平行に設けてもよく、分割面を回転軸の軸方向とは異なる方向に（斜めに）設けてもよい。分割面は平面もしくは曲面が可能である。分割個数に関しては、２分割、３分割、４分割、また、それ以上の個数の分割が可能である。複数個に分割された固定部材の、周方向に隣接する固定部材の隣接する分割面同士は接触してもよいし（すなわち、隣接する分割面の間に隙間がない）、隣接する分割面の間に隙間があってもよい。

第２の形態では、前記回転軸は、前記回転軸の外周部において凹部を有し、前記固定部材は、前記凹部に配置される、という構成を採っている。凹部の配置、形状、個数は、種々可能である。例えば、凹部は、回転軸の外周部において円周方向の全体に１個の凹部を設けてもよく、円周方向の数カ所に分散させて複数個の凹部を分割個数に応じて設けても
よい。凹部の形状に関しては、回転軸の軸方向の断面が矩形状の溝、半円形の溝等が可能である。

第２の形態を採ることにより、固定部材を回転軸の凹部に確実に固定することができ、結果として羽根車を所定の位置に確実に固定することができる。

第３の形態では、前記固定部材は、前記羽根車の荷重を受ける荷重受け部を有し、前記荷重受け部の、前記回転軸の軸方向における長さは、前記荷重受け部の、前記回転軸の半径方向における厚さの０．５倍以上である、という構成を採っている。第３の形態を採ることにより、羽根車等を強度的に確実に固定することができる。

図１は、立型水中ポンプのポンプ部の全体図である。 図２は、図１のＡ部にある羽根車１１３ａに一実施形態に係るスペーサ２１０を適用したものの断面図である。 図３は、スペーサの別の分割形状を示す説明図である。 図４は、スペーサの荷重受け部を示す説明図である。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るポンプについて、立型水中ポンプを例として説明する。

最初に、図１を参照しながら、立型水中ポンプの従来例の全体概要を説明する。なお、本発明はポンプの羽根車の固定方法に特徴を有するものであり、羽根車の固定方法以外のポンプの構成要素は、従来技術と共通している。また、以下の説明では井戸水用ポンプを使って詳述するが、扱う対象物としては井戸水に限定されるものではなく、あらゆる種類の液体を対象にすることができる。

図１に基づいて、立型水中ポンプについて説明する。この図１は、井戸（図示せず）に立型水中ポンプ１０７が設置されている場合を表現した図であり、ポンプ１０７の断面図である。井戸水内に、立型水中ポンプ１０７が全体的に水没する形態で設置されている。立型水中ポンプ１０７は、下部に水中モータ（モータ部）１０１が取り付けられ、水中モータ１０１の上側にポンプ本体（ポンプ部）１０２が取り付けられている。井戸水を吸い込むための吸込ケーシング１０８は、水中モータ１０１の側に設けられている。そして、吸込ケーシング１０８の反対側に、羽根車１１３ａ，１１３ｂで昇圧した井戸水を給水するための吐出ケーシング１０９が備えられている。

吐出ケーシング１０９には吐出配管（図示せず）が接続され、吐出しケーシング１０９が送出する水が流れる吐出配管が地上まで延びている。吸込ケーシング１０８の下方部は吸込口１１０となっている。一方、吐出ケーシング１０９の上端部は吐出口１１１となっている。これら吸込ケーシング１０８と吐出ケーシング１０９の間には、下方から順に中間ケーシング１１４、上部ケーシング１１６が設けられている。

吸込ケーシング１０８について説明する。吸込ケーシング１０８は、ポンプ本体１０２の下端部に設けられ、水中モータ１０１と接続されている。吸込ケーシング１０８には吸込口１１０が形成され、この吸込口１１０から水を吸い込むようになっている。

中間ケーシング１１４と上部ケーシング１１６の内部には、羽根車１１３ａ，１１３ｂとディフューザ１１７ａ，１１７ｂが配置され、羽根車１１３ａ，１１３ｂは水中モータ１０１の駆動力を伝えるポンプ軸１１２に固定されている。このため、ポンプ軸１１２の
回転と共に羽根車１１３ａ，１１３ｂが回転するようになっている。なお、図１の例は多段ポンプであり、羽根車１１３ａ，１１３ｂとディフューザ１１７ａ，１１７ｂが複数組（２組）設けられている。上側の羽根車１１３ａ，１１３ｂの上端には、羽根車ナット１２２が設けられ、羽根車１１３ａ，１１３ｂをポンプ軸に固定している。ポンプ軸１１２は、上部ケーシング１１６内に設置された軸受１２２により、回転自在に支持されている。

中間ケーシング１１４と上部ケーシング１１６は、羽根車１１３ａ，１１３ｂとディフューザ１１７ａ，１１７ｂを収容し、井戸水を昇圧するためのものである。すなわち、羽根車１１３ａ，１１３ｂがポンプ軸１１２の回転に伴って回転することで、井戸水に半径方向外方に向かう速度エネルギを付与する。この速度エネルギが与えられた井戸水はディフューザ１１７ａ，１１７ｂによって昇圧され、次段の羽根車１１３ａ，１１３ｂに供給されるようになっている。中間ケーシング１１４と上部ケーシング１１６は、これら羽根車１１３ａ，１１３ｂ及びディフューザ１１７ａ，１１７ｂと共に井戸水のための昇圧通路を形成する。中間ケーシング１１４は、羽根車１１３ａ，１１３ｂ毎に一つ設けられているため、段数を増やす場合は、段数に対応した数の中間ケーシング１１４が中心軸線Ｌに沿って並んで連結される。

図１に示す従来例では、複数の羽根車１１３ａ，１１３ｂを、回転軸１１２の軸方向に最適な位置に配置するために中間スリーブ１２４が用いられている。すなわち、下側の羽根車１１３ａの位置は、その下部に配置された中間スリーブ１２４ａの軸方向の長さによって決まる。上側の羽根車１１３ｂの位置は、その下部に配置された中間スリーブ１２４ａ及び中間スリーブ１２４ｂの軸方向の長さによって決まる。羽根車１１３ａ，１１３ｂに作用するスラスト荷重は、中間スリーブ１２４により、回転軸の下端部に伝達され、下端部に設けられた部材１３２がスラスト荷重を受ける。図１の場合、部材１３２は、回転軸１１２をモータ軸１３４に接続するための部材である。

羽根車１１３ａ，１１３ｂの、回転軸１１２の回転方向における固定に関しては、キー１３０により羽根車１１３ａ，１１３ｂは、回転軸１１２に取り付けられており、羽根車１１３ａ，１１３ｂと回転軸１１２は、同時に回転する。すなわち、回転軸１１２の回転力は、キー１３０により羽根車１１３ａ，１１３ｂに伝達される。

なお、ポンプ軸１１２に固定された中間スリーブ１２４ｂと、ディフューザ１１７ａの内周との間には、すべり内面を有する中間ブッシュ１２６が配置されている。中間ブッシュ１２６は、シール機能を有し、そのために中間ブッシュ１２６のすべり内面がラビリンスになっていてもよい。

図２により、本発明の一実施形態に係るポンプの羽根車の固定方法を説明する。図２は、図１のＡ部にある羽根車１１３ａに本発明の一実施形態に係るスペーサ（固定部材）２１０を適用したものの断面図である。図２では、羽根車１１３ａ，１１３ｂを、回転軸２１２の軸方向に固定するために、中間スリーブ１２４を用いずに、リング状のスペーサ２１０，２２２を用いている。中間スリーブ１２４ｂは、羽根車１１３ａ、１１３ｂを固定するために、羽根車１１３ａの上端と羽根車１１３ｂの下端との間の距離に等しい長さを有する必要がある。また、中間スリーブ１２４ａは、羽根車１１３ａを固定するために、羽根車１１３ａの下端と部材１３２の上端との間の距離に等しい長さを有する必要がある。

一方、スペーサ２１０は、羽根車１１３ａの下端と部材１３２の上端との間の距離に等しい長さを有する必要がない。また、スペーサ２２２は、羽根車１１３ａの上端と羽根車１１３ｂの下端との間の距離に等しい長さを有する必要がない。スペーサ２１０，２２２
は、羽根車１１３ａと、羽根車１１３ｂとを独立に任意の位置に配置することができる。スペーサ２１０の軸方向の長さ（後述する大径部２１８の軸方向の長さＬ４）は、個々の羽根車１１３ａ，１１３ｂを、軸方向に固定するために必要な強度を持つことができる長さであればよく、中間スリーブ１２４の長さより通常、短い。大径部２１８の軸方向の長さＬ４の詳細については、図４を参照して後述する。

スペーサ２１０は回転軸２１２の軸方向に、羽根車１１３ａ，１１３ｂを回転軸２１２に固定する。スペーサ２１０は、羽根車１１３ａ，１１３ｂの下部に設けられる下部固定部材である。スペーサ２１０は、回転軸２１２の半径方向に複数個の構成部品に、図２の場合、２個の構成部品２１０ａ，２１０ｂに分割可能である。２個に分割されたスペーサ２１０の、周方向に隣接するスペーサ２１０の隣接する分割面２１４同士は接触している、すなわち、隣接する分割面２１４の間に隙間がない。スペーサ２１０は、分割可能であるため、任意の位置に容易に設置することができる。スペーサ２１０を分割する２つの分割面２１４を、回転軸２１２の軸方向と平行に設けてある。

回転軸２１２は、回転軸２１２の外周部において凹部２１６を有する。スペーサ２１０は、凹部２１６に配置される。凹部の深さＬ３は一例として、回転軸２１２の半径が約４０ｍｍの場合、回転軸２１２の表面から３〜４ｍｍである。

スペーサ２１０は、大径部２１８と小径部２２０とを有する。大径部２１８は、回転軸２１２の軸方向において、羽根車１１３ａ，１１３ｂの外部にあり、小径部２２０は、羽根車１１３ａ，１１３ｂと回転軸２１２との間の凹部２１６にある。スペーサ２１０の軸方向における長さ（大径部２１８の軸方向の長さと、小径部２２０の軸方向の長さとを合わせた長さ）と、凹部２１６の軸方向における長さは、ほぼ同じである。スペーサ２１０は、凹部２１６に嵌ること、及び羽根車１１３ａ，１１３ｂと回転軸２１２との間に小径部２２０があることにより、凹部２１６に固定される。

大径部２１８の内径の大きさと、大径部２１８の外径の大きさとの間の中間の大きさを羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径は有する。この結果、大径部２１８は、羽根車１１３ａ，１１３ｂを軸方向に固定できる。

大径部２１８は、その外径が羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より大きければよい。大径部２１８の内径は、凹部２１６の底の直径Ｌ２とほぼ同じであることが好ましいが、凹部２１６の底の直径Ｌ２より大きければよい。小径部２２０は、その外径が回転軸２１２の外径Ｌ１（すなわち、羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１）とほぼ同じであることが好ましいが、羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１とほぼ同じか、または羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より小さければよい。小径部２２０は、その内径が凹部２１６の底の直径Ｌ２とほぼ同じであることが好ましいが、凹部２１６の底の直径Ｌ２より大きければよい。

スペーサ２１０の固定方法としては、凹部２１６を利用しない（すなわち、回転軸２１２に凹部２１６を設けない）方法も可能である。例えば、スペーサ２１０の大径部２１８を固定軸２１２にネジ・ビス等により固定してもよい。この場合、スペーサ２１０は、大径部２１８のみを有し、小径部２２０を有しない単純なリング形状でよい。スペーサ２１０（すなわち大径部２１８）の外径を回転軸２１２の外径Ｌ１より大きく、かつ羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より大きくする。スペーサ２１０の内径は回転軸２１２の外径Ｌ１とほぼ同じである。

スペーサ２１０の固定方法としては、凹部２１６を利用する方法が、ネジ・ビス等を利用する方法より好ましい。凹部２１６を利用する方法は、羽根車１１３ａ，１１３ｂ等の
荷重（この荷重は、図２において、下向き（重力方向）である。）を、凹部２１６の下方端部２３０で受けるため、強度上の問題が少ないからである。

図２において、回転軸２１２の軸方向に羽根車１１３ａ，１１３ｂを固定するために、固定部材の構成部品として、羽根車１１３ａ，１１３ｂの上端に配置された上部スペーサ（上部固定部材）２２２がある。上部スペーサ２２２は、回転軸２１２の半径方向に、複数個の構成部品に、図２の場合、２個の構成部品２２２ａ，２２２ｂに分割可能である。上部スペーサ２２２を分割する分割面２２４を回転軸２１２の軸方向と平行に設けてある。上部スペーサ２２２は、リング状であり、ネジ２２６で回転軸２１２に固定される。上部スペーサ２２２は、その外径が羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より大きく、その内径が回転軸２１２の直径Ｌ１とほぼ同じである。上部スペーサ２２２は、図２に示すように、凹部を必要としない。従って、２個の構成部品２２２ａ，２２２ｂに分割することなく、すなわち、１個の部品（ワンピース）として構成してもよい。

なお、回転軸２１２に、上部スペーサ２２２用の凹部を設けてもよい。凹部を設けると、より確実に上部スペーサ２２２を回転軸２１２に固定することができ、従って、より確実に羽根車１１３ａ，１１３ｂを固定することができる。

図３に、スペーサ２１０の別の分割形状を示す。図３に示すスペーサ３１０では、スペーサ３１０を２個の構成部品３１０ａ，３１０ｂに分割可能である。スペーサ３１０を分割する２つの分割面２２８を、回転軸２１２の軸方向とは異なる方向に（斜めに）設けている。

図２においては、スペーサ２１０が羽根車１１３ａ，１１３ｂの下部にあり、スペーサ２２２が羽根車１１３ａ，１１３ｂの上部にある。しかし、本発明はこれに限られるものではない。スペーサ２１０を羽根車１１３ａ，１１３ｂの上部に設け、スペーサ２２２を羽根車１１３ａ，１１３ｂの下部に設けても、図２と同様の効果を得ることができる。

次に、図４により、大径部２１８の軸方向の長さＬ４の詳細について説明する。図４は、スペーサ２１０の大径部（荷重受け部）２１８を示す図である。図４（ａ）は、図２の大径部２１８を示し、大径部２１８は、羽根車１１３ａ等の荷重２３２を受ける。大径部２１８の、回転軸２１２の軸方向における長さＬ４は、大径部２１８の、回転軸２１２の半径方向における厚さＴ１の０．５倍以上である。

このように、長さＬ４と厚さＴ１を設定する理由は、以下のとおりである。大径部２１８に掛かる羽根車１１３ａの荷重２３２は、図４に示すように、凹部２１６の下方端部２３０で受けられる。このような荷重伝達になるので、長さＬ４が短いと、大径部２１８の強度が問題となる。図４（ｂ）により、この点を説明する。

図４（ｂ）には、大径部２１８の、回転軸２１２の軸方向における長さＬ４が、大径部２１８の、回転軸２１２の半径方向における厚さＴ１の０．５倍未満である大径部２１８を図示する。図４（ｂ）に示すように、羽根車１１３ａの荷重２３２を受ける大径部２１８の部分は、その長さＬ４が短いため、曲げ強度が小さく、羽根車１１３ａの荷重２３２を受けられない可能性が大きい。そこで、大径部２１８の、回転軸２１２の軸方向における長さＬ４は、大径部２１８の、回転軸２１２の半径方向における厚さＴ１の０．５倍以上であることが好ましい。なお、厚さＴ１は、図４に示すように、羽根車１１３ａと大径部２１８との接触部分の厚みである。

Ｌ４ 長さ
Ｔ１ 厚さ
１１３ａ，１１３ｂ 羽根車
１２４ 中間スリーブ
２１２ 回転軸
２１０ 下部スペーサ
２１４ 分割面
２１６ 凹部
２１８ 大径部
２２０ 小径部
２２２ 上部スペーサ

Claims (3)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定される羽根車と、
   前記羽根車を前記回転軸に固定するためのリング状の固定部材と、を有し、
   前記固定部材は、前記回転軸の半径方向に、複数個の構成部品に分割可能であるポンプ。
2. 前記回転軸は、前記回転軸の外周部において凹部を有し、前記固定部材は、前記凹部に配置される、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記固定部材は、前記羽根車の荷重を受ける荷重受け部を有し、前記荷重受け部の、前記回転軸の軸方向における長さは、前記荷重受け部の、前記回転軸の半径方向における厚さの０．５倍以上である、請求項１または２に記載のポンプ。

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