JP4089209B2 - 両吸込み渦巻きポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、両吸込み渦巻きポンプに係り、揚水を軸受やシール部の潤滑剤として利用する両吸込み渦巻きポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の両吸込み渦巻きポンプとしては、羽根を固定したポンプ主軸と、羽根の外周を囲んで通水路を形成するポンプケーシングと、羽根を固定した部分の両側でポンプ主軸を支持する軸受とを備えており、この軸受を油潤滑のホワイトメタルやグリース潤滑の転がり軸受からなるラジアル軸受及びこれに並設したスラスト軸受で形成すると共にポンプケーシングから外方に離れた位置で保持ように構成したものがある。これに関連するものとしては、例えば特開平９−１３７７９５号公報に記載されたものがある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、軸受を油潤滑のホワイトメタルやグリース潤滑の転がり軸受からなるラジアル軸受を用いているために、軸受に使用されている潤滑油やグリース交換を定期的に行う必要があり、メンテナンスフリー化が困難であり、潤滑油やグリースが漏洩しやすいという課題を有していた。
【０００４】
また、上記従来技術では、軸受をポンプケーシングから離れた位置で保持するように構成しているために、両軸受間のラジアル支持スパンが長くなり、高速回転時の振動を抑えることが難しく、小型高速化が困難であった。
【０００５】
本発明の目的は、メンテナンスフリーでしかも長期間安定して運転できると共に、ラジアル軸受の損傷を防止ができる信頼性の高い両吸込み渦巻きポンプを得ることにある。本発明の他の目的は、メンテナンスフリーで高速回転時の振動を低減してポンプの小型高速化及び効率向上を図ることが可能な両吸込み渦巻きポンプを得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の両吸込み渦巻きポンプは、羽根を固定したポンプ主軸と、前記羽根の外周を囲んで通水路を形成するポンプケーシングと、前記羽根を固定した部分の両側で前記ポンプ主軸を支持する軸受と、を備えた両吸込み渦巻きポンプにおいて、両側に設ける前記軸受を滑り軸受からなるラジアル軸受とすると共に、前記羽根の側面と前記ポンプケーシングの固定部間に前記羽根の側面と対向する面にシール部及びスラスト軸受を設け、このスラスト軸受は前記羽根の側面にポンプの吐出圧力を与えて、前記羽根の側面と前記シール部との隙間が前記羽根の側面と前記スラスト軸受との隙間よりも小さく、前記全ての軸受の潤滑剤としてポンプの揚水を使用するように構成したものである。このとき、ラジアル軸受の摺動部を熱可塑性樹脂で形成するとよい。軸受やシール部を配置したポ両吸込み渦巻きンプであるため、軸受が揚水により直接潤滑できメンテナンスが不要となる。潤滑剤に揚水を利用しているためグリース、潤滑油が不要となり汚染が防止できる。また、軸受のスパンを最小化できる配置にしているため、ポンプ主軸の支持剛性が高くとれ高速化に対応できる。更に、両吸込み渦巻きポンプの小型化に対して有効である。一方、熱可塑性樹脂は揚水潤滑下で高荷重領域まで安定した摺動特性を示すことが実験により確認しているので十分な負荷容量が得られる。このため、軸受部に熱可塑性樹脂を収容しているポンプでは安定したポンプ性能が維持でき、長期間高信頼性が確保される。また、熱可塑性樹脂は高荷重領域において、局部的に水膜破断が発生しても軸受の摺動面が軟化し容易に流動が起こり平滑化し、容易になじんだ状態になる。熱可塑性樹脂は局部接触部で容易に流動するためポンプ主軸側が損傷を受けない。以上のように、本発明のような軸受とシール部の配置で軸受やシール部が揚水により直接潤滑し、軸受部やシール部に熱可塑性樹脂を収容しているポンプであると長期間安定したポンプ性能が維持でき、長期間安定して運転できる両吸込み渦巻きポンプを提供することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施例について図を用いて説明する。第２実施例以降の実施例においては第１実施例と共通する構成の重複する説明を省略する。なお、各実施例の図における同一符号は同一物又は相当物を示す。
【０００８】
まず、本発明の第１実施例を図１から図４を用いて説明する。図１は本発明の第１実施例を示す両吸込み渦巻きポンプの縦断面図、図２は図１の両吸込み渦巻きポンプのシールとスラスト軸受部の正面図、図３は図２のシールとスラスト軸受部のａａ断面図、図４は図２のシールとスラスト軸受部の圧力分布図である。
【０００９】
両吸込み渦巻きポンプは、上水送水用等のポンプとして用いられるものであり、ポンプ主軸１、羽根２、ポンプケーシング３、ラジアル軸受４ａ、スラスト軸受４ｂ、４ｃ、シール部５ｂ、５ｃ、ケーシングカバー６、シール７等よりなっている。
【００１０】
ステンレス鋼で形成されたポンプ主軸１は、軸受を介してポンプケーシング３に水平に支持され、一端部がポンプケーシング３外方に突出されている。この一端部には、駆動機構に連結されるカップリング部８が取り付けられている。羽根２は、ポンプ主軸１の中央部の外周に固定されてポンプ主軸１と共に回転し、両側から水を吸い込んで外周方向に吐出するように構成されている。ポンプケーシング３は、この羽根２の外周を囲み、羽根２の側面近傍にスラスト軸受及びシール部の支持部３ｂを、通水路に面する両側面部にラジアル軸受支持部３ａとを設けている。ポンプ主軸１を支持するラジアル軸受４ａ、スラスト軸受４ｂとシール部５ｂが羽根２の両側に配置されている。
【００１１】
筒状の滑り軸受で構成される二つのラジアル軸受４ａは、ポンプケーシング３の両側面部に設けられた軸受支持部３ａに密着して固定され、ポンプ主軸１の羽根２の両側に位置する部分を回転摺動可能に支持している。このラジアル軸受４ａの通水路側（内側）に位置するポンプケーシング部分はポンプ主軸１との間に隙間を有しており、ラジアル軸受４ａの内側がポンプケーシング３内の通水路に連通するように構成されている。これにより、ラジアル軸受４ａにはポンプケーシング３内の通水路における揚水が供給される。また、ラジアル軸受４ａには軸方向に貫通している溝（図示せず）が水平位置に複数箇所設けられている。これにより通水路から揚水が複数の溝に導かれ、ラジアル軸受４ａの摺動面を確実に潤滑する。
【００１２】
ここでは、熱可塑性樹脂材１０をリング状に加工し、ラジアル軸受４ａを製作してポンプケーシング３に圧入固定し直接取り付けているが、摺動面にのみ樹脂層を形成して裏金等に取り付けて製作してもよい。摺動面にのみ熱可塑性樹脂材を用いて樹脂層を形成する場合、具体的には３層構造（裏金−中間層−樹脂）となり、裏金（材質：ＳＵＳ３１６等の耐食性材料）に中間層の焼結フィルタ（材質：ＳＵＳ３１６等の耐食性材料）がニッケルロウ等で接合され、接合された焼結フィルタの表面に熱可塑性樹脂材が圧入されてアンカ効果を利用して取り付けられている。
【００１３】
そして、熱可塑性樹脂材はカーボン繊維を混合または混合していないポリエーテルエーテルケトン樹脂（以下、ＰＥＥＫ系樹脂という）またはポリフェニレンサルファイド樹脂（以下ＰＰＳ系樹脂という）が用いられている。
【００１４】
図２に羽根２の側面近傍３ｂに形成したスラスト軸受４ｂ及びシール部５ｂの正面図を示す。図中Ａ点位置はスラスト軸受４ｂの外径を示し、羽根外径と同一寸法となっている。図中Ｂ点はシール部５ｂの内径を示す。羽根側面と対向する面に段差を加工してスラスト軸受４ｂ及びシール部５ｂとを構成している。図示のように段差加工部は周方向に４個所ある。４個所とも同じ段差加工である。段差加工した図中Ｃ点よりＡ点までの範囲をスラスト軸受４ｂに、図中Ｃ点よりＢ点までの範囲をシール部５ｂに利用している。
【００１５】
図３は図２のａａ断面図を示す。スラスト軸受４ｂはＣ点からＡ点までの範囲が加工除去した部分である。シール部５ｂは段差加工をしていないため、羽根側面とで形成される隙間を小さくできるのでシール部として利用できる。
【００１６】
図４にスラスト軸受４ｂ及びシール部５ｂを形成する部分のＡ，Ｂ，Ｃ点での圧力分布を示す。Ａ点の圧力はポンプ吐出圧力に相当し、Ｂ点の圧力はポンプ吸込み圧力に相当する。Ｃ点からＡ点までの範囲はポンプ吐出圧力となり、一定値となる。Ｃ点からＢ点までの範囲ではポンプ吐出圧力からポンプ吸込み圧力に直線的に降下する。従来例ではＡ点からＢ点の範囲でポンプ吐出圧力からポンプ吸込み圧力に直線的に降下する。
【００１７】
スラスト軸受４ｂは段差部のＣ点からＡ点までの範囲で構成しているのでこの範囲はポンプ吐出圧力と同等となり、従来に比較し羽根を押さえ付ける力を大きくすることができる。その結果、静圧軸受の作用が発揮され、スラスト軸受として利用できる。 また、羽根を押さえ付ける力は従来例より斜線部で示す領域分が増大し、軸方向振動を押さえることが可能となる。
【００１８】
シール部を構成するＣ点よりＢ点までの範囲では圧力損失により、ポンプ吐出圧力からポンプ吸込み圧力に直線的に降下する。シール部からの漏洩量は羽根側面とで構成される隙間の３乗に比例するので、隙間を小さく設定することで適正値に設定できる。
【００１９】
ここでは、スラスト軸受４ｂ及びシール部５ｂを熱可塑性樹脂材で形成し、ボルト等（図示せず）により直接スラスト軸受及びシール部の支持部３ｂに直接固定しているが、摺動面にのみ樹脂層を形成した裏金付きスラスト軸受及びシール部を製作し、裏金を介してボルト（図示せず）等により、スラスト軸受及びシール部の支持部３ｂに固定してもよい。摺動面にのみ熱可塑性樹脂材を用いて樹脂層を形成する場合、ラジアル軸受と同様に、具体的には３層構造（裏金−中間層−樹脂）となり、裏金（材質：ＳＵＳ３１６等の耐食性材料）に中間層の焼結フィルタ（材質：ＳＵＳ３１６等の耐食性材料）がニッケルロウ等で接合され、接合された焼結フィルタの表面に熱可塑性樹脂材が圧入されてアンカ効果を利用して取り付けられている。
【００２０】
本実施例の両吸込み渦巻きポンプにおいては、ラジアル軸受４ａ、スラスト軸受４ｂ、とシール部５ｂが潤滑剤としてポンプの揚水を使用しているので、従来使用していた潤滑油やグリースが不要となり、メンテナンスフリーを実現できると共に、潤滑油やグリースの漏洩に伴う周囲の汚染をなくすことができ、環境に優しいポンプとすることができる。
【００２１】
また、ポンプ主軸１の両側を支持するラジアル軸受４ａをポンプケーシング３の通水路部分で保持するようにし、かつ、スラスト軸受を羽根側面近傍に配置しているので、従来のポンプケーシングから離れた位置で軸受支持するものに比較して、両ラジアル軸受４ａ間のスパンを小さくすることができ、これにより軸受支持剛性を高くすることができる。
【００２２】
その結果、ポンプの高速回転時の振動を低減することができ、ポンプの小型高速化及びポンプの効率向上が図れる。さらには、両ラジアル軸受４ａ及びスラスト軸受４ｂの摺動部を熱可塑性樹脂材で形成しているので、揚水を使用した水潤滑下で従来の熱硬化性樹脂（例えばフェノール樹脂）のような膨潤による形状変化がほとんど生じることがなく、高荷重領域まで安定した低い摩擦係数が得られ、初期の軸受摺動面形状が長期間にわたって維持できる。これにより、長期間運転に対する信頼性が格段に向上する。また、両ラジアル軸受４ａ及びスラスト軸受４ｂの摺動部を形成する熱可塑性樹脂材は、高荷重領域において、ポンプ主軸１への片当たり等により局部的に水膜破断が発生しても、その摺動面が軟化して容易に流動が起こり、平滑化が進んでポンプ主軸１及び羽根２の側面になじんだ状態で安定化する。このように、熱可塑性樹脂材が局部接触した際に容易に流動するため、主軸側及び羽根側面の損傷を防止することができる。従って、安定したポンプ性能が維持でき、長期間にわたって高信頼性が確保される。
【００２３】
軸受摺動部に熱可塑性樹脂材を用いた効果を確認するため、各種材料に関してリング状回転側資料とリング状固定側資料との組み合わせによる摺動要素試験を行い、限界面圧、及び摺動面の損傷を調べた。運転条件としては、固定側資料に水潤滑のための放射溝を６本形成しこれに水を流して摺動面を水潤滑しながら、周速度５ｍ／ｓで一定、摩擦係数が急上昇し始める面圧（限界面圧）で３０分程度、回転側資料を回転する。
【００２４】
この摺動要素試験の結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】

表１で明らかなように、水潤滑においてＰＥＥＫ系樹脂とＰＰＳ系樹脂を用い、二層ステンレス鋼や超硬合金皮膜との組み合わせにより、５ＭＰａ以上の極めて高い限界面圧が得られ、試験後摺動面の観察結果で回転側損傷及び固定側損傷の何れも無いことが認められた。特に、超硬合金被膜とＰＥＥＫ系樹脂との組み合わせにおいては、試験片Ｎｏ．１で明らかなように７ＭＰａという極めて高い限界面圧（試験片Ｎｏ．２の二層ステンレス鋼とＰＥＥＫ系樹脂との組み合わせによる限界面圧５ＭＰａに比較してさらに４０％も高い限界面圧）が得られた。なお、二層ステンレス鋼はビッカース硬度が６００以上のもので、超硬合金被膜は耐食性を有するニッケルバインダー系の超硬合金を用いた。
【００２６】
また、熱可塑性樹脂材を形成するＰＥＥＫ系樹脂またはＰＰＳ系樹脂にカーボン繊維を混合させることにより、熱可塑性樹脂材の機械的強度が向上すると共に、このカーボン繊維部が水溜めになり格段に優れた潤滑効果が発揮されることが分かった。
【００２７】
図５に本発明の第２の実施例を示す。図６は図５のｂｂ断面図を示す。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。
【００２８】
本実施例は、前記スラスト軸受４ｂを摺動面にテーパ部４ｂ２を形成したテーパランド軸受としている点にて、第１実施例と相違するものである。溝部４ｂ１と連通し、周方向にテーパ部４ｂ２を加工している。シール部５ｂ１がランド部を兼ねている。テーパ部の角度、テーパ部の数、幅等はスラスト荷重の大きさによって決まるもので特に限定するものではない。本発明によれば、テーパランド軸受としているのでスラスト負荷容量を大きくすることができる。
【００２９】
図７に第３の実施例を示す。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。
【００３０】
本実施例は、羽根２の側面２ａ及びこれと対向する前記スラスト軸受４ｂとシール部５ｂを構成する摺動面とをテーパ面４ｂ３、５ｂ２としている点にて、第１実施例と相違するものである。本発明によれば、ポンプケーシング３の組み立て初期において、羽根２の側面外周と対向する前記スラスト軸受４ｂとシール部５ｂが広い状態で設定できるので干渉することが防止でき組み立て作業性が良くなる。
【００３１】
図８に第４の実施例を示す。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。
【００３２】
本実施例は、羽根２の側面の対向する位置に設けた前記スラスト軸受４ｂ４、４ｂ５とシール部５ｂ３、５ｂ４を非対称形状としている点にて、第１実施例と相違するものである。本発明によれば、スラスト軸受４ｂ５の負荷容量がスラスト軸受４ｂ４よりも大きくなるので、羽根２が一方向（スラスト軸受４ｂ５からスラスト軸受４ｂ４方向）に予圧が与えられたことになり、より軸方向の振動が低減できる。
【００３３】
ここでは、図中右方向に予圧を与える構成としているが、図中左方向に予圧が与えられる構成としても良く、予圧方向を特に限定するものではない。
【００３４】
図９に第５の実施例を示す。図１０は図９のＣＣ断面図を示す。本実施例において、上述した第２実施例と異なる点は以下の通りである。
【００３５】
本実施例は、前記スラスト軸受４ｂを摺動面にテーパ部４ｂ６を形成したテーパランド軸受が内周側Ｂ１に設けている点にて、第２実施例と相違するものである。溝部４ｂ７と連通し、周方向にテーパ部４ｂ６を加工している。シール部５ｂ５がランド部を兼ねている。本発明によれば、テーパランド軸受部分で羽根２の回転に伴い動圧が発生するので、この位置にスラスト軸受を設けても十分な負荷容量を得ることができる。
【００３６】
図１１に第６の実施例を示す。本実施例において、上述した第１実施例と異なる点は以下の通りである。
【００３７】
本実施例は、一側の前記軸受を滑り軸受からなるラジアル軸受４ａで形成すると共に、他側の前記軸受を滑り軸受からなるラジアル軸受４ａ及びこれに並設したスラスト軸受９で形成し、更に、羽根２の片側面と固定部間にシール部５ｂ６のみを設け、もう一方側面と固定部間にシール部５ｂ７及びスラスト軸受４ｂを設けている点にて、第１実施例と相違するものである。
【００３８】
本発明によれば、スラスト軸受４ｂの負荷容量がスラスト軸受９よりも大きくなるので、羽根２が一方向（スラスト軸受４ｂからスラスト軸受９方向）に予圧が与えられたことになり、軸方向の振動低減に有効である。また、両吸込み渦巻きポンプの場合、羽根２の形状が左右対称となっているので、軸方向のスラスト荷重は小さく、軸端に配置した小さいスラスト軸受９でも十分な負荷容量を有する。軸端に設けたスラスト軸受９は直径が羽根２部分に設けた場合よりも攪拌損失が低減できるのでポンプ効率向上に有効である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、メンテナンスフリーでしかも長期間安定して運転できると共に、ラジアル軸受の片当たりによる損傷を防止ができる信頼性の高い両吸込み渦巻きポンプを得ることができる。
【００４０】
また、本発明によれば、メンテナンスフリーで高速回転時の振動を低減してポンプの小型高速化及び効率向上を図ることが可能な両吸込み渦巻きポンプを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す両吸込み渦巻きポンプの縦断面図である。
【図２】図１の両吸込み渦巻きポンプのスラスト軸受、シール部の正面図である。
【図３】図２のスラスト軸受、シール部のａａ断面図である。
【図４】本発明のスラスト軸受、シール部の圧力分布の説明図ある。
【図５】本発明の第２実施例を示す両吸込み渦巻きポンプのスラスト軸受、シール部の正面図である。
【図６】図５のスラスト軸受、シール部のｂｂ断面図である。
【図７】本発明の第３実施例を示す両吸込み渦巻きポンプの縦断面図である。
【図８】本発明の第３実施例を示す両吸込み渦巻きポンプのスラスト軸受、シール部の縦断面図である。
【図９】本発明の第４実施例を示す両吸込み渦巻きポンプのスラスト軸受、シール部の正面図である。
【図１０】図９のスラスト軸受、シール部のＣＣ断面図である。
【図１１】本発明の第５実施例を示す両吸込み渦巻きポンプの縦断面図である。
【符号の説明】
１…ポンプ主軸、２…羽根、３…ポンプケーシング、３ａ、３ｂ…軸受支持部、４ａ…ラジアル軸受、４ｂ…スラスト軸受、５ｂ…シール部、４ｂ１、４ｂ３、４ｂ４…溝、４ｂ２、４ｂ５…テーパ部、６…ケーシングカバー、７…シール、８…カップリング部、９…軸端のスラスト軸受、１０、１０ａ…熱可塑性樹脂材。

Claims (6)

1. 羽根を固定したポンプ主軸と、前記羽根の外周を囲んで通水路を形成するポンプケーシングと、前記羽根を固定した部分の両側で前記ポンプ主軸を支持する軸受と、を備えた両吸込み渦巻きポンプにおいて、
   両側に設ける前記軸受を滑り軸受からなるラジアル軸受とすると共に、前記羽根の側面と前記ポンプケーシングの固定部間に前記羽根の側面と対向する面にシール部及びスラスト軸受を設け、このスラスト軸受は前記羽根の側面にポンプの吐出圧力を与えて、前記羽根の側面と前記シール部との隙間が前記羽根の側面と前記スラスト軸受との隙間よりも小さく、前記全ての軸受の潤滑剤としてポンプの揚水を使用することを特徴とする両吸込み渦巻きポンプ。
2. 請求項１に記載の両吸込み渦巻きポンプにおいて、前記両ラジアル軸受の摺動部を熱可塑性樹脂で形成したことを特徴とする両吸込み渦巻きポンプ。
3. 請求項２に記載の両吸込み渦巻きポンプにおいて、前記スラスト軸受の摺動部を熱可塑性樹脂で形成したことを特徴とする両吸込み渦巻きポンプ。
4. 請求項３に記載の両吸込み渦巻きポンプにおいて、前記シール部の摺動部を熱可塑性樹脂で形成し、前記シール部の潤滑剤としてポンプの揚水を使用することを特徴とする両吸込み渦巻きポンプ。
5. 請求項２、３または４のいずれかに記載の両吸込み渦巻きポンプにおいて、前記軸受の摺動部とシール部をポリエーテルエーテルケトン樹脂又はポリフェニレンサルファイド樹脂で形成したことを特徴とする両吸込み渦巻きポンプ。
6. 羽根を固定したポンプ主軸と、前記羽根の外周を囲んで通水路を形成するポンプケーシングと、前記羽根を固定した部分の両側で前記ポンプ主軸を支持する軸受と、を備えた両吸込み渦巻きポンプにおいて、
   一側の前記軸受を滑り軸受からなるラジアル軸受とすると共に、他側の前記軸受を滑り軸受からなるラジアル軸受及びこれに並設したスラスト軸受とし、更に、前記羽根の片側面と前記ポンプケーシングの固定部間にシール部のみを設け、前記羽根のもう一方の側面と前記ポンプケーシングの固定部間にシール部及びスラスト軸受を設け、
   前記両ラジアル軸受及び前記スラスト軸受更に前記シール部の摺動部を熱可塑性樹脂とすると共に、これら全ての軸受とシール部の潤滑剤としてポンプの揚水を使用することを特徴とする両吸込み渦巻きポンプ。

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