JP2017166380A - 回転機械 - Google Patents

Abstract

【課題】すべり軸受の温度上昇を抑制することができる回転機械を提供する。【解決手段】回転機械は、羽根車２０と、羽根車２０が固定された回転軸２２と、回転軸２２を回転自在に支持するすべり軸受４１と、すべり軸受４１に空気を送るためのファン５２とを備える。ファン５２は、回転軸２２に固定されている。【選択図】図２

Description

本発明は回転軸を支持するすべり軸受を備えた回転機械に関するものである。

近年の先行待機運転ポンプの状況により、背景技術の一例を説明する。近年、都市化の進展により、緑地の減少および路面のコンクリート化、アスファルト化の拡大が進むことでヒートアイランド現象が発生し、いわゆるゲリラ豪雨と呼ばれる局所的な集中豪雨が都市部で頻発している。局所的な大量の降雨は、コンクリート化、アスファルト化した路面では、地中に吸収されることなくそのまま水路に導かれる。その結果、大量の雨水が、短時間のうちに排水機場に流入する。

頻発するこのような集中豪雨によってもたらされる大量の雨水の速やかな排水に備えるために、排水機場に設置する排水ポンプでは、始動遅れによる浸水被害が生じないよう、雨水が排水機場に到達する前に予め始動させておく先行待機運転が行われている。

図５は、先行待機運転を行う立軸ポンプを示す模式図である。排水機場の水槽１００には、縦方向に配置された回転軸１２２の先端に羽根車１２０を備え、羽根車１２０に水と共に空気を吸い込ませることにより、水槽１００の水位が最低運転水位ＬＷＬ以下であっても運転（先行待機運転）を継続することが可能な立軸ポンプが配置されている。回転軸１２２はすべり軸受１３５，１４５によって回転自在に支持されている。吸込ベルマウス１１０の側面部に貫通孔１０５が設けられており、この貫通孔１０５には、外気に接する開口１０６ａを備えた空気管１０６が取付けられている。これにより、この立軸ポンプでは貫通孔１０５を介して立軸ポンプ内に供給する空気の供給量を水位に応じて変化させ、最低運転水位ＬＷＬ以下で立軸ポンプの排水量がコントロールされる。

先行待機運転の運転状態について説明する。例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等により予め立軸ポンプを始動しておく（気中運転）。低水位の状態から水位が上昇するに従って、羽根車１２０の位置まで水位が達し、立軸ポンプは空運転（気中運転）から羽根車１２０で水を撹拌する運転（気水撹拌運転）を行う。さらに立軸ポンプは貫通孔１０５を経て供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（気水混合運転）を経て１００％水の排出を行う全量運転（定常運転）へ移行する。また、高水位から水位が低下するときは、立軸ポンプは全量運転から貫通孔１０５を経て供給する空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（気水混合運転）へ移行する。水位がＬＬＷＬの近くに至ると、立軸ポンプは水を吸い込まず排水もしない運転（エアロック運転）へ移行する。これら５つの特徴ある運転を総称して先行待機運転という。なお、ポンプ始動は、吸込ベルマウス１１０の下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬから開始する。

図５に示す立軸ポンプは、ポンプ起動時には大気中で運転される。すなわち、すべり軸受１３５，１４５は流体の潤滑のないドライ条件で回転軸１２２に固定されたスリーブ１１１（図６参照）にすべり接触する。ここでドライ条件とは、ポンプ運転中のすべり軸受１３５，１４５の雰囲気が、流体の潤滑がない大気中である条件をいい、ドライ運転とはその条件で運転することをいう。また、すべり軸受１３５，１４５はすべり軸受１３５，１４５に通水した排水条件でもスリーブ１１１にすべり接触する。ここで、排水条件とは、ポンプ運転中のすべり軸受１３５，１４５の雰囲気が、土砂等の異物（スラリー）が混入した水中である条件をいい、排水運転とはその条件で運転すること、例えば気水混合運転、全量運転、エアロック運転等をいう。このような条件下ですべり軸受１３５，１４５が使用される。

特開２０１５−２２２１１７号公報

ここで、排水機場で用いられるポンプ等は、水中で運転されるだけでなく、先行待機運転の場合には、大気中での運転と水中での運転が繰り返される。大気中での運転の場合には、すべり軸受のすべり面（回転軸または回転軸の外周に設けられたスリーブと接触するすべり軸受の面）が、ドライ条件で低摩擦であることが求められる。この要求に鑑みて、すべり軸受にセラミックス、樹脂材料が用いられた場合、考慮すべき点がある。

セラミックス、樹脂材料の熱伝導率は小さく、これらの線膨張係数は大きい。ポンプが駆動すると、すべり軸受のすべり面に摩擦熱が発生する。すべり軸受が水中に没しているときは、水によってすべり面が冷却されるのですべり面の温度が低く保たれるが、空気中で運転するドライ運転時では、すべり軸受の熱伝導率が小さいのですべり面の摩擦熱が拡散せず、すべり軸受の温度が上昇する。これに加えて、すべり軸受の線膨張係数が大きいので、すべり軸受の温度の上昇に伴ってすべり軸受が膨張したときに、すべり軸受と回転軸（またはスリーブ）との隙間が小さくなり、摩擦によりすべり面が焼付く虞がある。また、すべり軸受１３５，１４５がスリーブ１１１にすべり接触する際に、接触部で多大な摩擦熱が発生しやすくなり、そこで局所的に高温となる虞がある。図６において、網掛け部分は局所的に高温になる部分である。

このようなスリーブ１１１の局所的な高温化によって、回転軸１２２は局所的に膨張し、結果的に回転軸１２２がわずかに曲がる虞がある。それによりポンプの回転部分と固定部分の干渉による振動や、軸受荷重の増加が起こりやすくなる。すなわち、回転体としてのアンバランス方向に接触し、この接触部が発熱するために軸断面に温度分布が生じ、熱膨張のために回転軸１２２が曲がる。この際、曲がりにより回転体重心がずれるために回転体全体のアンバランスが徐々に大きくなっていく。また、曲がりにより軸受の当たり方が変化し、各軸受の温度勾配が変化する場合もある。

さらに、軸曲がりによる変位が軸受すきまより大きくなると、図６に示すように、逆位相の２点接触状態となり、曲げ変位が拘束される。さらに熱膨張が続くために押付荷重が上昇するが、荷重上昇⇒発熱量増加⇒熱曲がり加速⇒荷重上昇といった悪循環に陥り、加速度的に軸受温度が上昇する。結果として、すべり軸受１３５，１４５が焼付いてしまい、最悪の場合、すべり軸受１３５，１４５が損傷してしまう。

本発明は上述した問題点に鑑みてなされたもので、すべり軸受の温度上昇を抑制することができる回転機械を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための本発明の一態様は、羽根車と、前記羽根車が固定された回転軸と、前記回転軸を回転自在に支持するすべり軸受と、前記すべり軸受に空気を送るためのファンとを備え、前記ファンは、前記回転軸に固定されていることを特徴とする回転機械である。

本発明の好ましい態様は、前記ファンおよび前記すべり軸受は、前記羽根車の回転によって移送される流体の流路内に配置されていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ファンは軸流ファンであることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ファンは、前記流体の流れ方向において、前記すべり軸受の上流側に位置していることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ファンは、前記流体の流れ方向において、前記すべり軸受の下流側に位置していることを特徴とする。

すべり軸受に空気を送るためのファンは回転軸に固定されている。したがって、待機運転時において、ファンが回転軸とともに回転すると、空気はすべり軸受に接触して、すべり軸受で発生した熱（摩擦熱）を奪う。結果として、すべり軸受は冷却され、待機運転時のすべり軸受の温度上昇を抑制することができる。

先行待機運転を行う立軸ポンプを示す模式図である。 上側軸受組立体の一実施形態を示す断面図である。 上側軸受組立体の他の実施形態を示す図である。 立軸ポンプの他の実施形態を示す図である。 先行待機運転を行う立軸ポンプを示す模式図である。 ポンプ運転時における回転軸、スリーブ、およびすべり軸受を示す模式図である。

本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下に説明する実施形態において、回転機械の一例としての立軸ポンプについて説明するが、回転機械は立軸ポンプに限定されない。回転機械の他の例として、横軸ポンプ、コンプレッサ、蒸気タービンなどを挙げることができる。

図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプを示す模式図である。図１に示すように、立軸ポンプは、吸込ベルマウス１０および吐出ボウル１２を有するポンプケーシング１４と、ポンプケーシング１４を水槽１内に吊り下げる揚水管１６と、揚水管１６の上端に接続された吐出エルボ管１８と、ポンプケーシング１４内に収容された羽根車２０と、羽根車２０が固定された回転軸２２とを備えている。

揚水管１６は、水槽１の上部のポンプ据付床２４に形成された挿通孔２６を通して下方に延びている。ポンプ据付床２４にはポンプベース２８が固定されており、揚水管１６の上端はポンプベース２８に接続されている。回転軸２２は吐出エルボ管１８、揚水管１６、およびポンプケーシング１４内を通って鉛直方向に延びている。

吸込ベルマウス１０は下方を向いて開口し、吸込ベルマウス１０の上端は吐出ボウル１２の下端に固定されている。羽根車２０は回転軸２２の下端に固定されており、羽根車２０と回転軸２２とは一体的に回転するようになっている。この羽根車２０の上方（吐出側）には複数のガイドベーン（静翼）３４が配置されている。これらガイドベーン３４は吐出ボウル１２の内面に固定されている。

吸込ベルマウス１０の側面部に貫通孔１５が設けられており、この貫通孔１５には、外気に接する開口１７ａを備えた空気管１７が取付けられている。これにより、この立軸ポンプでは貫通孔１５を介して立軸ポンプ内に供給する空気の供給量を水位に応じて変化させ、最低運転水位ＬＷＬ以下で立軸ポンプの排水量がコントロールされる。

回転軸２２は、吐出エルボ管１８に設けられた孔を通って、水槽１の上方まで延びている。回転軸２２は、水槽１の上方の位置において、駆動機（図示しない）に接続されている。駆動機は保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸２２に伝達され、回転軸２２に固定された羽根車２０が回転する。羽根車２０の回転によって流体（例えば液体）は吸込ベルマウス１０から吸い込まれ、ポンプケーシング１４、揚水管１６、および吐出エルボ管１８を通って外部に吐出される。

先行待機運転の運転状態について説明する。例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等により予め立軸ポンプを始動しておく（気中運転）。低水位の状態から水位が上昇するに従って、羽根車２０の位置まで水位が達し、立軸ポンプは空運転（気中運転）から羽根車２０で水を撹拌する運転（気水撹拌運転）を行う。さらに立軸ポンプは貫通孔１５を経て供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（気水混合運転）を経て１００％水の排出を行う全量運転（定常運転）へ移行する。また、高水位から水位が低下するときは、立軸ポンプは全量運転から貫通孔１５を経て供給する空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（気水混合運転）へ移行する。水位がＬＬＷＬの近くに至ると、立軸ポンプは水を吸い込まず排水もしない運転（エアロック運転）へ移行する。これら５つの特徴ある運転を総称して先行待機運転という。なお、ポンプ始動は、吸込ベルマウス１０の下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬから開始する。

立軸ポンプは、揚水管１６内に設けられた上側軸受組立体４０と、ポンプケーシング１４内に設けられた下側軸受組立体３６とをさらに備えている。回転軸２２は、吐出エルボ管１８の上部に設けられた外軸受４３と、これら軸受組立体３６，４０により回転自在に支持されている。本実施形態において、回転軸２２は２つの軸受組立体３６，４０によって支持されているが、軸受組立体３６，４０の数はこの実施形態に限定されない。軸受組立体の数は回転軸の長さに基づいて決定される。

吐出エルボ管１８に設けられた孔と回転軸２２との間の僅かな隙間には、フローティングシール、グランドパッキン、またはメカニカルシールなどの軸シール３５が設けられている。この軸シール３５は、立軸ポンプが扱う流体である液体が吐出エルボ管１８の外部に流出することを防止している。

上側軸受組立体４０および下側軸受組立体３６は同一の構成を有しているので、以下、上側軸受組立体４０について図面を参照しつつ説明し、下側軸受組立体３６の説明は省略する。

図２は上側軸受組立体４０の一実施形態を示す断面図である。上側軸受組立体４０は、回転軸２２の周囲に配置されたすべり軸受４１と、すべり軸受４１が固定された金属リング４２とを備えている。すべり軸受４１および金属リング４２は回転軸２２の軸方向に沿って延びる円筒形状を有しており、かつ互いに同心状に配置されている。回転軸２２は、すべり軸受４１によって回転自在に支持されている。

すべり軸受４１は耐熱性の高い樹脂材料から構成されている。すべり軸受４１に適用される樹脂材料の例として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）が挙げられる。金属リング４２は、すべり軸受４１よりも高い熱伝導率を有する材料から構成されている。一実施形態では、金属リング４２は、高い耐久性を有し、かつ高い熱伝導率を有するステンレス鋼から構成されている。

上側軸受組立体４０は、回転軸２２の外周面に固定された円筒状のスリーブ１１をさらに備えている。スリーブ１１は回転軸２２と同心状に配置されており、回転軸２２とともに回転する。スリーブ１１は、例えば超硬合金から構成されている。一実施形態では、スリーブ１１は、タングステンカーバイト系の超硬合金から構成されている。すべり軸受４１は、スリーブ１１を囲むように配置されている。すべり軸受４１の内周面４１ａとスリーブ１１の外周面との間には僅かな隙間が形成されている。すべり軸受４１の内周面４１ａは、スリーブ１１の外周面にすべり接触する支持面を構成している。すべり軸受４１の外周面４１ｂは金属リング４２の内周面に接触している。

上側軸受組立体４０は、金属リング４２を保持する軸受ケース４５をさらに備えている。軸受ケース４５は、揚水管１６に固定された支持部材４６に支持されている。軸受ケース４５は、例えば鉄などの材料から構成されてもよい。好ましくは、軸受ケース４５は、金属リング４２と同じ材料、例えば、ステンレス鋼から構成されている。すべり軸受４１が固定された金属リング４２は軸受ケース４５に固定されている。

軸受ケース４５は、円筒部４５ａと、円筒部４５ａから外側に突出するフランジ部４５ｂとを有している。円筒部４５ａは回転軸２２の軸方向に延びている。円筒部４５ａおよびフランジ部４５ｂは一体的に構成されている。金属リング４２の外周面は、円筒部４５ａの内周面に接触している。

立軸ポンプは、すべり軸受４１に空気を送るためのファン５２を備えている。ファン５２は、回転軸２２に固定されており、回転軸２２と一体に回転する。ファン５２は軸流ファンである。ファン５２は複数の羽根５２ａを有しており、これら複数の羽根５２ａは回転軸２２の周方向に沿って等間隔に配置されている。ファン５２は、羽根車２０の回転によって移送される液体の流れ方向において、上側軸受組立体４０の上流側に配置されている。本実施形態では、ファン５２は上側軸受組立体４０の下方に位置している。

上述したように、駆動機（図示しない）により回転軸２２および羽根車２０が回転すると、水槽１内の液体は吸込ベルマウス１０から吸い込まれ、ポンプケーシング１４、揚水管１６、および吐出エルボ管１８を通って外部に吐出される。ファン５２および上側軸受組立体４０（より具体的には、すべり軸受４１）は、羽根車２０の回転によって移送される液体の流路５５（図１および図２参照）内に配置されている。したがって、立軸ポンプ内に吸い込まれた液体は、ファン５２および上側軸受組立体４０（より具体的には、すべり軸受４１）に接触しつつ外部に吐出される。

流路５５は、ポンプケーシング１４、揚水管１６、および吐出エルボ管１８によって形成されている。本実施形態では、上側軸受組立体４０は、揚水管１６によって形成された流路５５内に配置されており、下側軸受組立体３６は、ポンプケーシング１４によって形成された流路５５内に配置されている。

ファン５２の羽根５２ａは、ファン５２が回転したときに、空気がすべり軸受４１に向かって流れる方向に傾斜している。空気の流れ方向は図２の白抜き矢印で示されている。回転するファン５２によって形成される空気の流れの方向は、回転する羽根車２０によって移送される液体の方向と同じである。待機運転時において、ファン５２が回転軸２２とともに回転すると、空気の流れはすべり軸受４１に接触して、すべり軸受４１で発生した熱（摩擦熱）を奪う。したがって、すべり軸受４１は冷却され、すべり軸受４１が液体のないドライ条件でスリーブ１１にすべり接触しても、すべり軸受４１の温度上昇を抑制することができる。

本実施形態によれば、待機運転時でのすべり軸受４１の温度を約１０％低減することができる。したがって、すべり軸受４１自体の耐久性を向上させることができる。つまり、すべり軸受４１の温度上昇を抑制することにより、樹脂材料から構成されたすべり軸受４１の劣化を抑制することができる。図１に示すように、下側軸受組立体３６のすべり軸受の下方にもファン５２が配置されているため、下側軸受組立体３６のすべり軸受でも同様の効果が得られる。

図３は上側軸受組立体４０の他の実施形態を示す図である。下側軸受組立体３６も上側軸受組立体４０と同様の構成を有しているため、その重複する説明を省略する。図３に示すように、上側軸受組立体４０は円筒状の弾性リング４９をさらに備えている。弾性リング４９はゴムなどの弾性材から構成されている。弾性リング４９は、すべり軸受４１および金属リング４２と同心状に配置されている。弾性リング４９は、金属リング４２と軸受ケース４５との間に挟まれている。弾性リング４９は、すべり軸受４１と同じ軸方向の長さを有しており、軸方向においてすべり軸受４１と同じ位置に配置されている。

すべり軸受４１とスリーブ１１との接触により、すべり軸受４１にはラジアル荷重が作用する。弾性リング４９は、このラジアル荷重を金属リング４２から受けたときに弾性変形することができるので、ラジアル荷重に起因するすべり軸受４１および金属リング４２の損傷を防止することができる。さらに、弾性リング４９は、スリーブ１１とすべり軸受４１との接触に起因する振動を吸収することができる。

図４は立軸ポンプの他の実施形態を示す図である。ファン５２は、羽根車２０の回転によって移送される液体の流れ方向において、上側軸受組立体４０の下流側に配置されている。本実施形態では、図４に示すように、ファン５２は上側軸受組立体４０の上方に位置している。

本実施形態でも、ファン５２の羽根５２ａは、ファン５２が回転したときに、空気がすべり軸受４１に向かって流れる方向に傾斜している。空気の流れ方向は図４の白抜き矢印で示されている。回転するファン５２によって形成される空気の流れの方向は、回転する羽根車２０によって移送される液体の方向とは逆である。待機運転時において、ファン５２が回転軸２２とともに回転すると、空気の流れはすべり軸受４１に接触して、すべり軸受４１で発生した熱（摩擦熱）を奪う。したがって、すべり軸受４１は冷却され、すべり軸受４１が液体のないドライ条件でスリーブ１１にすべり接触しても、すべり軸受４１の温度上昇を抑制することができる。

図３に示す実施形態の要素と図４に示す実施形態の要素とを組み合わせてもよい。つまり、軸受組立体は、金属リングと軸受ケースとの間に配置された弾性リングを備えてもよい。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内において、種々の異なる形態で実施されてよいことは勿論である。

１ 水槽
１０ 吸込ベルマウス
１１ スリーブ
１２ 吐出ボウル
１４ ポンプケーシング
１５ 貫通孔
１７ 空気管
１７ａ 開口
１８ 吐出エルボ管
２０ 羽根車
２２ 回転軸
２４ ポンプ据付床
２６ 挿通孔
２８ ポンプベース
３４ ガイドベーン
３５ 軸シール
３６ 下側軸受組立体
４０ 上側軸受組立体
４１ すべり軸受
４１ａ 内周面
４１ｂ 外周面
４２ 金属リング
４３ 外軸受
４５ 軸受ケース
４５ａ 円筒部
４５ｂ フランジ部
４６ 支持部材
４９ 弾性リング
５２ ファン
５２ａ 羽根
５５ 流路
１００ 水槽
１０５ 貫通孔
１０６ 空気管
１１０ 吸込ベルマウス
１１１ スリーブ
１２０ 羽根車
１２２ 回転軸
１３５，１４５ すべり軸受

Claims (5)

1. 羽根車と、
   前記羽根車が固定された回転軸と、
   前記回転軸を回転自在に支持するすべり軸受と、
   前記すべり軸受に空気を送るためのファンとを備え、
   前記ファンは、前記回転軸に固定されていることを特徴とする回転機械。
2. 前記ファンおよび前記すべり軸受は、前記羽根車の回転によって移送される流体の流路内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転機械。
3. 前記ファンは軸流ファンであることを特徴とする請求項１または２に記載の回転機械。
4. 前記ファンは、前記流体の流れ方向において、前記すべり軸受の上流側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の回転機械。
5. 前記ファンは、前記流体の流れ方向において、前記すべり軸受の下流側に位置していることを特徴とする請求項２に記載の回転機械。

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