JP3955839B2 - 立軸ポンプの機械要素の保護装置 - Google Patents

Description

本発明は、水中軸受、メカニカルシール等の一対の摺動面を有する立軸ポンプの機械要素を、砂、塵、ゴミ等の異物から保護するための保護装置に関する。

水中軸受やメカニカルシールのような立軸ポンプが備える機械要素に砂、塵、ゴミ等の異物が侵入すると、破損や磨耗の急激な進行の原因となる。そのため、この種の機械要素を保護するための種々の装置が提案されている。

例えば、特許文献１に記載の軸受装置は、ポンプ主軸に固定され、かつ水中軸受を取り囲む円筒状容器である貯水槽を備え、ポンプ主軸の回転により発生する遠心力により貯水槽内の揚液を循環させることで、水中軸受に対して異物を含まない清浄な水を供給すると共に、気中運転時にも水中軸受がドライ状態とならないようにしている。

しかし、特許文献１に記載のものでは、いったん貯水槽内に侵入した異物は容易に排出されないので、運転時間の増大に伴って貯水槽内に異物が堆積する。この貯水漕内に堆積した異物は最終的には水中軸受の摺動面に侵入し、前述の破損や急激な磨耗の進行をもたらす。従って、この装置では水中軸受を確実に保護することができない。

本発明は、水中軸受、メカニカルシール等の立軸ポンプの機械要素が備える摺動面への異物の侵入を確実に防止できる保護装置を提供することを課題としている。

本発明は、一方がポンプケーシング内で鉛直方向に延びるポンプ主軸と共に回転し、他方が固定されている一対の摺動面を有する、立軸ポンプの機械要素の保護装置であって、前記ポンプケーシング内に配置され、前記ポンプ主軸の周囲を間隔をあけて取り囲む周壁と、前記ポンプ主軸に対して固定された底壁とを備え、前記周壁の上端が開口した有底筒状であり、前記周壁の最上端が前記機械要素の下端よりも下方に位置する、前記ポンプ主軸と共に回転するカバーと、前記ポンプ主軸と前記カバーの周壁及び底壁により仕切られた空間である貯液室に配置された固定ベーンとを備え、前記固定ベーンは、前記ポンプ主軸が延びる方向と直交する方向から見て、前記ポンプ主軸が延びる方向に対して前記ポンプ主軸の回転方向に向けて傾斜している、立軸ポンプの機械要素の保護装置を提供する。

通常の揚水運転中は、ポンプ主軸と共に機械要素の下側近傍に配置されたカバーが回転する。カバーが回転することで、カバー内の貯液室内の揚液と共に、揚液に含まれる異物がカバーと同方向に回転する。異物はカバーと同方向に回転しつつ貯液室内の固定ベーンによりカバーの開口に案内され、貯液室からポンプケーシング内に排出される。従って、機械要素の下側近傍に存在する異物が排除され、機械要素の摺動面に異物が進入しない。

立軸ポンプが気中運転状態にあり、ポンプケーシング内には揚液が存在しない状態であっても、カバー内の貯液室に揚液が残る。前述のように貯液室内の異物はカバーの開口から排出されるので、この貯液室に貯まった揚液は異物を含まない清浄な揚液である。気中運転状態から通常の揚水運転状態への移行時にポンプケーシング内に揚液が急激に流入しても、機械要素にはまず貯液室内に貯まっていた清浄な揚液が供給されるので、機械要素の摺動面に異物が侵入しない。

前記機械要素は、例えば自己潤滑性の水中軸受や、無注水型のメカニカルシールである。

固定ベーンにより貯液室内の異物をカバーの開口に向けて確実に案内するには、前記固定ベーンが、前記ポンプ主軸が延びる方向と直交する方向から見て、前記ポンプ主軸が延びる方向に対して前記ポンプ主軸の回転方向に向けて傾斜していることが好ましい。

また、前記固定ベーンは、前記ポンプ主軸が延びる方向と直交する断面での断面形状が円弧状であることが好ましい。

外周縁が前記周壁の上端に固定され、内周縁が間隔をあけて前記ポンプ主軸を取り囲むリング状の蓋体をさらに備えてもよい。この蓋体を設けると、カバー内部とケーシング内を連通させる流路は蓋体の内周縁とポンプ主軸の間に形成される狭い隙間となるので、揚液中の異物がカバーの内部に侵入するのを防止することができる。

本発明に係る立軸ポンプの機械要素の保護装置は、通常の揚水運転中に機械要素の下側近傍に存在する異物を排除し、機械要素の摺動面間に異物が侵入するのを防止することができる。また、立軸ポンプが気中運転から通常の揚水運転に移行する際の、機械要素の摺動面間への異物の進入を防止することができる。

次に、添付図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は本発明の実施形態に係る保護装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃを備える先行待機型の立軸ポンプ２を示す。この立軸ポンプ２は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽３内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、鉛直方向に延びるポンプケーシング４を備えている。ポンプケーシング４は直管状の揚水管５，６、揚水管６の下端に連結された吐出ボウル７、吐出ボウル７の下端に連結された吸込ベル８、及び揚水管５の上端に連結された鉛直方向から水平方向に湾曲する吐出エルボ９を備えている。吐出エルボ９には吐出管１０が連結されている。ポンプケーシング４内には鉛直方向に延びるポンプ主軸１２が回転自在に支持されている。ポンプ主軸１２は２個の中間カップリング１３で連結された３本の軸１４からなる。吐出ボウル７の部分のポンプ主軸１２にはインペラ１５が固定されている。

揚水管５，６の連結部分、吐出ボウル７、及び吸込ベル８にそれぞれポンプ主軸１２を回転自在に支持するための水中軸受１６，１７，１８が配置されている。これらの水中軸受１６〜１８はいわゆるドライ軸受であり、立軸ポンプ２の通常の揚水運転時にはポンプケーシング４内の揚液により自液潤滑されるが、立軸ポンプ２が気中運転状態（ポンプケーシング４内に揚液が存在せずインペラが大気中で空転している状態）であっても軸受として機能する自己潤滑性のすべり軸受である。これらの水中軸受１６〜１８のうち、水中軸受１６，１７に対して保護装置１Ａ、１Ｂが設けられている。

ポンプ主軸１２は吐出エルボ９の部分でポンプケーシング４の外部に突出し、図示しないポンプ駆動用のモータに機械的に連結されている。この駆動用モータによりポンプ主軸１２は矢印Ｒで示す方向に回転駆動される。吐出エルボ９の外部にはポンプ主軸１２のスラスト軸受１９が配設されている。吐出エルボ９のポンプ主軸１２が突出する部位にはポンプケーシング４内の液密性を確保するために無注水型のメカニカルシール２０が取り付けられている。このメカニカルシール２０にも保護装置１Ｃが設けられている。

次に、揚水管５，６の連結部分に配置された水中軸受１６と、その保護装置１Ａの構造を説明する。

図１から図４を参照すると、水中軸受１６は軸受ケーシング２２内に固定され、この軸受ケーシング２２が揚水管５，６に対して固定されたフランジ２３に取り付けられている。軸受ケーシング２２は両端開口の筒状であり、その内部には水中軸受１６が固定されている。また、軸受ケーシング２２は、上端側に水中軸受１６の上側端面を位置決めする内向きフランジ部２２ａを備えると共に、下端側に外向きフランジ部２２ｂを備えている。フランジ２３は、その内部に軸受ケーシング２２を収容する両端開口の筒状部２３ａ、揚水管５の下端と揚水管６の上端の間に挟み込まれ、ポンプケーシング４の一部を構成する管部２３ｂ、及び筒状部２３ａと管部２３ｂを連結するアーム部２３ｃを備えている。

ポンプ主軸１２の外周にはスリーブ２４が固定されている。このスリーブ２４の外周面２４ａがポンプ主軸１２と共に回転する一方の摺動面を構成し、水中軸受１６の軸受面１６ａが固定された他方の摺動面を構成している。

水中軸受１６の上方には揚液に含まれる塵やゴミを破砕するためのスリンガ２５が設けられている。このスリンガ２５はポンプ主軸１２に固定され、刃部２６ａを備える回転部材２６と、フランジ２３の筒状部２３ａの上端に取り付けられ、同様に刃部２７ａを備える固定部材２７とからなる。刃部２６ａ，２７ａはポンプ主軸１２の回転方向Ｒに相対運動するので、これらの間の通過する塵やゴミが破砕される。スリンガ２５の固定部材２７と対応する部分のポンプ主軸１２にもスリーブ２８が取り付けられている。

保護装置１Ａは、水中軸受１６の下側近傍に配置され、ポンプ主軸１２と共に回転するカバー２９を備えている。このカバー２９はポンプ主軸１２の周囲を間隔をあけて取り囲む円筒状の周壁２９ａと、ポンプ主軸１２に対して固定され、外周が周壁２９ａの下端に連結された底壁２９ｂとを備えている。周壁２９ａの上端は開口しており、カバー２９は全体として有底円筒状である。なお、図２において３０はＯリングである。

ポンプ主軸１２の外周とカバー２９の周壁２９ａ及び底壁２９ｂにより、上端が開口２９ｃである厚肉円筒状の空間（貯液室３２）が形成されている。図２に最も明瞭に表れているように、カバー２９の周壁２９ａの最上端は水中軸受１６の下端よりも下方に位置している。従って、気中運転時には、水中軸受１６は貯液室３２内の揚液に没することなく、大気中に位置する。

貯液室３２内には、ポンプ主軸１２と、ポンプ主軸１２と共に回転するカバー２９と、静止ないしは固定された複数の固定ベーン３３とが配置されている。図２から図４を参照すると、固定ベーン３３は両端開口の円筒状である支持筒３４に固定されている。この支持筒３４は上端付近に外向きに延びるリング状の天板３４ａを備え、この天板３４ａが軸受ケーシング２２の外向きフランジ部２２ｂに固定されている。また、支持筒３４の上端は水中軸受１６の下端に当接しており、水中軸受１６の鉛直方向の位置を位置決めしている。固定ベーン３３は、基端側が支持筒３４に固定されると共に、上端が天板３４ａの下面に固定されている。支持筒３４をポンプ主軸１２が貫通しており、この部分のポンプ主軸１２にはねじ付きスリーブ３５が装着されている。ポンプ主軸１２（ねじ付きスリーブ３５）は、支持筒３４内で回転自在である。

図５に概略的に示すように、ポンプ主軸１２の延びる方向（鉛直方向）と直交する方向（水平方向）から見ると、固定ベーン３３はポンプ主軸１２及びカバー２９の回転方向Ｒに向かって傾斜しており、固定ベーン３３の上面３３ａはポンプ主軸１２の延びる方向に対して角度θをなしている。また、図３及び図４に示すように、ポンプ主軸１２の延びる方向と直交する断面での固定ベーン３３の断面形状は、ポンプ主軸１２及びカバー２９の回転方向Ｒ側が凹状の円弧状である。

カバー２９の開口２９ｃには蓋体３６が取り付けられている。この蓋体３６はリング状であり、外周縁３６ａ側がカバー２９の周壁２９ａの上端に固定されている。一方、蓋体３６の内周縁３６ｂは微小な間隔をあけてポンプ主軸１２を取り囲んでいる。詳細には、蓋体３６の内周縁３６ｂは軸受ケーシング２２の外向きフランジ部２２ｂ及び支持筒３４の天板３４ａの外周縁と微小な隙間３７をあけて対向している。この隙間３７を介してカバー２９内の貯液室３２とポンプケーシング４内が連通している。

次に、保護装置１Ａの動作と機能を説明する。立軸ポンプ２の通常の揚水運転中には、貯液室３２を含むポンプケーシング４内全体が揚液で満たされている。図３及び図４に示すように、ポンプ主軸１２と共に水中軸受１６の下側近傍に配置されたカバー２９が回転する（矢印Ｒ）。カバー２９が回転することで、貯液室３２内の揚液が遠心力によりカバー２９と同方向に回転するので、揚液に含まれる砂、塵、ゴミ等の異物３８がカバー２９と同方向に回転する。図３から図５において矢印Ｓで示すように、異物３８はカバー２９と同方向に回転しつつ固定ベーン３３により貯液室３２の外側かつ上方に向けて案内され、最終的には隙間３７を介して貯液室３２からポンプケーシング４に排出される。従って、通常の揚水運転時には、水中軸受１６の下側近傍に存在する異物３８が排除され、水中軸受１６が備える一対の摺動面（スリーブ２４の外周面２４ａと水中軸受１６の軸受面１６ａ）への異物３８の侵入を防止することができる。そのため、異物３８の侵入に起因する水中軸受１６の破損や急激な磨耗の進行が生じず、水中軸受１６の使用寿命が延びる。特に、図５に示すように固定ベーン３３を傾斜させ、かつ図３及び図４に示すように固定ベーン３３の断面形状を円弧状としているので、異物３８は主として固定ベーン３３の上面３３ａによって円滑かつ確実に隙間３７に向けて案内される。

また、蓋体３６を設けることで、カバー２９内の貯液室３２とポンプケーシング４内とを微小な隙間３７により連通させているので、揚液中に含まれる異物が貯液室３２内に侵入するのを未然に防止することができる。従って、水中軸受１６の摺動面への異物３８の侵入をより確実に防止することができる。

吸水槽３内の水位低下により立軸ポンプ２が気中運転に移行した場合、ポンプケーシング４内には揚液は存在しないが、カバー２９内の貯液室３２には揚液が残っている。前述のように揚水運転中に貯液室３２内の異物３８は隙間３７を介してポンプケーシング４内に排出されるので、この貯液室３２に貯まった揚液は異物３８を含まない清浄な揚液である。気中運転状態から通常の揚水運転状態への移行時にポンプケーシング４内に揚液が急激に流入しても、水中軸受１６にはまず貯液室３２内に貯まっていた清浄な揚液が供給されるので、摺動面間に異物３８が侵入しない。

図１及び図６に示す吐出ボウル７に設けられた水中軸受１７の下側近傍の保護装置１Ｂの構造及び機能は、前述の保護装置１Ａ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。

図１及び図７を参照すると、概略的に示すメカニカルシール２０はポンプ主軸１２と一体に共に回転する回転面と、この回転面が摺動する固定面とを備え、これらの回転面と固定面とはポンプ主軸１２に対して直交する方向に延びる面である。また、回転面と固定面とはばねにより互いに押し付けられている。このメカニカルシール２０の下側近傍でポンプケーシング４の内部に、保護装置１Ｃが設けられている。この保護装置１Ｃも、前述の水中軸受１６の保護装置１Ａも同様の構造を有している。立軸ポンプ２の通常運転時には、ポンプ主軸１２と共にカバー２９が回転するので貯液室３２内の異物３８が回転しつつ固定ベーン３３により隙間３７に向けて案内され、貯液室３２から排出される。従って、メカニカルシール２０への異物３８の侵入を防止することができる。また、気中運転時には異物３８の存在しない清浄な貯液が貯液室３２に残っている。そのため、揚水運転の再開時にポンプケーシング４内に揚液が急激に流入しても、メカニカルシール２０にはまず貯液室３２内の清浄な揚液が供給され、メカニカルシール２０への異物の侵入を防止することができる。

自己潤滑性のある水中軸受や無注水型のメカニカルシールに適用する場合を例に本発明を説明したが、一方が回転軸と共に回転し、他方が固定された一対の摺動面を備えるものであれば、立軸ポンプの他の種類の機械要素を異物から保護するために本発明の保護装置を使用することができる。

本発明の実施形態に係る保護装置を備える立軸ポンプを示す縦断面図。 図１の部分拡大図。 図２のIII−III線での断面図。 図２のIV−IV線での断面図。 固定ベーンのポンプ主軸に対する傾斜を説明するための概略図。 図１の部分拡大図。 図１の部分拡大図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 保護装置
２ 立軸ポンプ
３ 吸水槽
４ ポンプケーシング
５，６ 揚水管
７ 吐出ボウル
８ 吸込ベル
９ 吐出エルボ
１０ 吐出管
１２ ポンプ主軸
１３ 中間カップリング
１４ 軸
１５ インペラ
１６，１７，１８ 水中軸受
１６ａ 軸受面
１９ スラスト軸受
２０ メカニカルシール
２２ 軸受ケーシング
２２ａ 内向きフランジ部
２２ｂ 外向きフランジ部
２３ フランジ
２３ａ 筒状部
２３ｂ 管部
２３ｃ アーム部
２４，２８ スリーブ
２４ａ 外周面
２５ スリンガ
２６ 回転部材
２６ａ 刃部
２７ 固定部材
２７ａ 刃部
２９ カバー
２９ａ 周壁
２９ｂ 底壁
２９ｃ 開口
３０ Ｏリング
３２ 貯液室
３３ 固定ベーン
３３ａ 上面
３４ 支持筒
３４ａ 天板
３５ ねじ付きスリーブ
３６ 蓋体
３６ａ 外周縁
３６ｂ 内周縁
３７ 隙間
３８ 異物

Claims (5)

1. 一方がポンプケーシング内で鉛直方向に延びるポンプ主軸と共に回転し、他方が固定されている一対の摺動面を有する、立軸ポンプの機械要素の保護装置であって、
   前記ポンプケーシング内に配置され、前記ポンプ主軸の周囲を間隔をあけて取り囲む周壁と、前記ポンプ主軸に対して固定された底壁とを備え、前記周壁の上端が開口した有底筒状であり、前記周壁の最上端が前記機械要素の下端よりも下方に位置する、前記ポンプ主軸と共に回転するカバーと、
   前記ポンプ主軸と前記カバーの周壁及び底壁により仕切られた空間である貯液室に配置された固定ベーンと
   を備え、
   前記固定ベーンは、前記ポンプ主軸が延びる方向と直交する方向から見て、前記ポンプ主軸が延びる方向に対して前記ポンプ主軸の回転方向に向けて傾斜している、立軸ポンプの機械要素の保護装置。
2. 前記機械要素は水中軸受である、請求項１に記載の保護装置。
3. 前記機械要素はメカニカルシールである、請求項１に記載の保護装置。
4. 前記固定ベーンは、前記ポンプ主軸が延びる方向と直交する断面での断面形状が円弧状である、請求項１に記載の保護装置。
5. 外周縁が前記周壁の上端に固定され、内周縁が間隔をあけて前記ポンプ主軸を取り囲むリング状の蓋体をさらに備える、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の保護装置。

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