JP4634130B2 - スラリーポンプの軸封装置 - Google Patents

Description

本発明は、羽根車とポンプケーシングとからなり、前記羽根車が取り付けられている回転軸を回転駆動すると、吸込口から吸引されるスラリーが吐出口から圧送されるようになっているスラリーポンプの、前記回転軸が前記ポンプケーシングを貫通している部分の軸封装置に関するもので、限定するものではないが、特に泥水シールド工法に使用されるスラリーポンプの軸封装置に適用して好適な軸封装置に関するものである。

渦巻きポンプあるいはスラリーポンプは、文献名を挙げるまでもなく従来周知で、ポンプケーシング、このポンプケーシング内で回転駆動される羽根車、この羽根車が取り付けられている回転軸、この回転軸を回転自在に軸受けしている軸受、前記回転軸がポンプケーシングを貫通する部分に設けられているパッキン箱すなわちスタフィンボックス等から構成されている。したがって、電動機により回転軸を回転駆動すると、羽根車の回転によりスラリーはポンプケーシングの側部から吸引され、その遠心力により速度エネルギが与えられ、そしてポンプケーシングの吐出口に至るまでに圧力エネルギあるいは圧力水頭に変換される。次いでポンプケーシングの半径外方に設けられている吐出口から吐出される。

このように、スラリーを圧送するときは、ポンプケーシング内の圧力は高まるので、回転軸がポンプケーシングを貫通する部分には、スラリーが大気中へ漏洩するのを防止するために軸封装置が設けられている。軸封装置としては、メカニカルシールも知られているが、特許文献１には、グランドパッキンが示されている。すなわち、ポンプケーシングを貫通する回転軸の軸封装置をグランドパッキンから構成し、このグランドパッキンから漏洩する液体すなわち海水があたりに飛散するのを防止すると共に、軸封部の過熱および異常摩耗を防止するようにした軸封装置が示されている。また、特許文献２には、スタフィンボックス内にオイルシールすなわちリップシールが詰められているスラリー輸送用ポンプの軸封装置が示されている。

特開平８−２００２８５号公報 特開２００４−１０８２２８

本発明の先行技術として図３に示されているような軸封装置が知られている。図３は、スラリーポンプの軸封装置の要部のみを模式的に示す断面図であるが、同図において符号４０は回転軸を示し、この回転軸４０の先端部に羽根車がネジ込まれるようになっている。回転軸４０の外周にはシャフトスリーブ４１が装着され、このシャフトスリーブ４１の外周部とパッキン箱４２との間に、図３に示されている例では４個のリップシール４３、４３ｅ、…が設けられている。また、パッキン押え４５側には２個のグランドパッキン４６ａ、４６ｂが設けられている。そして、最左端のリップシール４３ｅと右端のグランドパッキン４６ｂとの間に軸封水リング４７が設けられている。リップシール４３、４３ｅ、…は、シャフトスリーブ４１に動的に摩擦接触する第１のリップ部５０と、パッキン箱４２の内周面に固定的に接触する第２のリップ部５１とから、断面形状が側面的に見て略Ｖ字形を呈するように構成されている。また、軸封水リング４７には、ポンプケーシング内のスラリーの圧力よりも高い軸封水が管路４８から供給されるようになっている。

図３に示されている軸封装置によると、リップシール４３は、断面形状がＶ字形を呈し、内周側の第１のリップ部５０はシャフトスリーブ４１に動的に接触して逆止弁の作用を奏するので、スラリーの漏洩はある程度防止される。また、軸封水リング４７から軸封水が供給されるので、リップシール４３の特に第１のリップ部５０は冷却され、また固形物は洗い流される。このように、従来の軸封装置も数々の利点を有するが、改良すべき点も認められる。例えば、リップシール４３、４３、…は合成樹脂から形成され剛性が小さいので、ポンプケーシングの方から高い圧力が作用すると、第１のリップ部５０は、半径内方へ変形しシャフトスリーブ４１への接触面積が広くなる。面積が広くなると、摩擦熱は高くなり耐久性を損なうことになる。もっとも、軸封水リング４７から軸封水が供給されるので、摩擦熱もある程度抑えられるが、軸封水リング４７がポンプケーシングから遠い箇所に１個だけ設けられているので、広がる恐れのあるポンプケーシング寄りのリップシールには届かない恐れもある。このような理由により、高揚程の小型のスラリーポンプの軸封装置に要求される条件は必ずしを満たすことはできない。さらに具体的には、トンネル掘削における泥水シールド工法には送・排泥スラリーポンプが使用されているが、このようなスラリーポンプはトンネル内という限られたスペースに設置されるので、小型ポンプが望まれている。また、トンネルの深度および長距離掘削が大きくなり高揚程のスラリーポンプが使用され、高圧運転および高速運転が行われるようになっている。ところで、揚程が高くなると、軸封装置への作用圧は高くなり、固形物の侵入量および残量量も多くなる。このような状態で高速回転されると、シールリップの滑り接触速度も大きくなり発熱量も大きくなる。これにより、シールリップの耐久性を損なうことになる。

本発明は、上記したような従来の問題点を解決した、スラリーポンプの軸封装置を提供することを目的とし、具体的には軸封効果は高く、しかも耐久時間の長いスラリーポンプの軸封装置を提供することを目的としている。

本発明は、上記目的を達成するために、複数個のリップシールが適用される。これのリップシールは、ポンプの回転軸の外周面に装着されるシャフトスリーブとスタフィンボックスとの間に設けられる。リップシールは、シャフトスリーブに動的に摩擦接触する第１のリップ部と、スタフィンボックスの内周面に静的に接する第２のリップ部とから、側面的に見て断面形状が略Ｖ字形を呈するように一体的に形成されている。そして、第１のリップ部の外周面は、ポンプケーシングから遠ざかるにしたがい径が大きくなるように、あるいはシャフトスリーブから離間するようなテーパ部を有するように形成されている。このように構成されているリップシールは、例えばニトリルブチルラバーから形成されている。また、本発明は複数個のリップシール間に複数個の軸封水リングすなわちランタンリングも適用される。ランタンリングは、リップシール間に設けられ、そしてリップシールのテーパ部を支えるテーパ状のバックアップ部を有するように、例えば不錆鋼から形成されている。このように構成されているランタンリングには、ポンプケーシング内の圧力よりも高い軸封水が供給される。

かくして、請求項１に記載の発明は、前記目的を達成するために、羽根車とポンプケーシングとからなり、前記羽根車が取り付けられている回転軸を回転駆動すると、吸込口から吸引されるスラリーが吐出口から圧送されるようになっているスラリーポンプの、前記回転軸が前記ポンプケーシングを貫通している部分の軸封装置であって、前記軸封装置は、前記回転軸に装着されているシャフトスリーブの外周面とスタフィンボックスの内周面との間に設けられている複数個のリップシールと複数個のランタンリングとからなり、前記リップシールは、その先端部の内周面が前記シャフトスリーブの外周面に動的に接触する第１のリップ部と、その外周面が前記スタフィンボックスの内周面に静的に接触する第２のリップ部とから、前記第１、２のリップ部には前記ポンプケーシング側に略Ｖ字形に開いた受圧部が形成されるように、また前記第１のリップ部には前記動的に接触する部分から後方に向かって拡径するテーパ部を有するように、一体的に形成され、そして、これらのリップシールは、前記受圧部が前記ポンプケーシング側を向くように順次装着され、これらのリップシールの後方に前記ランタンリングが配置され、前記ポンプケーシングから一番遠い位置に配置され、そしてシール手段を備えたシール押えで押さえられているランタンリングにはグリースあるいは潤滑油が供給され、他のランタンリングには前記ポンプケーシング内の圧力よりも高い軸封水が供給されるようになっている。請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の軸封装置において、ランタンリングの前方には、リップシールの第１のリップ部のテーパ部に対応した形状のバックアップ部が形成されている。

以上のように、本発明によると、スラリーポンプにおいて、回転軸に装着されているシャフトスリーブの外周面とスタフィンボックスの内周面との間に設けられている複数個のリップシールと複数個のランタンリングとからなり、前記リップシールは、その先端部の内周面が前記シャフトスリーブの外周面に動的に接触する第１のリップ部と、その外周面が前記スタフィンボックスの内周面に静的に接触する第２のリップ部とから、前記第１、２のリップ部には前記ポンプケーシング側に略Ｖ字形に開いた受圧部が形成されるように、また前記第１のリップ部には前記動的に接触する部分から後方に向かって拡径するテーパ部を有するように、一体的に形成され、そして、これらのリップシールは、前記受圧部が前記ポンプケーシング側を向くように順次装着され、これらのリップシールの後方に前記ランタンリングが配置され、前記ポンプケーシングから一番遠い位置に配置され、そしてシール手段を備えたシール押えで押さえられているランタンリングにはグリースあるいは潤滑油が供給され、他のランタンリングには前記ポンプケーシング内の圧力よりも高い軸封水が供給されるようになっているので、軸封水はリップシールの第１のリップ部を押し開いて、ポンプケーシングの方へ流れようとする。これにより、スラリーの漏れが効果的に防止される。それと共に、固形物の侵入が阻止され、また侵入した固形物は洗い流され、さらには、リップシールの第１のリップ部も冷却されるという、本発明に特有の効果が得られる。また、ポンプケーシングから一番遠い位置に配置され、そしてシール押えで押さえられているランタンリングにはグリースあるいは潤滑油が別途供給されるが、このときシール押えはシール手段を備えているので、供給されるグリースあるいは潤滑油が大気側へ逃げることが防止される。これにより、リップシールの摩耗が防止される。すなわち、発熱による摩耗が防止され、軸封装置全体の寿命が延びるという効果が得られる。請求項２に記載の発明は、ランタンリングの前方には、リップシールの第１のリップ部のテーパ部に対応した形状のバックアップ部が形成されているので、上記のような効果に加えて、スラリーの圧力によりリップシールが広がることが防止される効果がさらに得られる。

以下、図１、２により本発明の実施の形態を説明する。本実施の形態に係わるスラリーポンプ１は、軸封部以外は従来周知のように構成されているので、詳しい説明は省略するが、羽根車２を備えている。この羽根車２は、ポンプケーシング３を横切るように貫通している回転軸４の先端部にネジ込むことにより取り付けられている。このポンプケーシング３と対向して、吸込カバー６が取り付けられている。回転軸４の後端部は軸受８により回転自在に軸受けされ、電動モータで回転駆動されるようになっている。したがって、回転軸４を回転駆動すると、羽根車２がポンプケーシング３内で回転駆動され、スラリーは吸込カバー６の吸込口７から吸引され、羽根車２の遠心力により運動エネルギが与えられ、そしてポンプケーシング３の吐出口９から吐出あるいは圧送される。

このように、回転する回転軸４は、固定的なポンプケーシング３を貫通しているので両者の間には隙間があり、ポンプケーシング３内で昇圧されたスラリーは、低圧側の大気側へ漏れる。そこで、貫通部には軸封装置１０が設けられている。軸封装置１０は、図１に示されている実施の形態によると、４個のリップシール１１、１１、…と、これらのリップシール１１、１１、…の間に介在されている４個のランタンリング２０、２０ｅ、…と、軸封水供給ユニット３０とから構成されている。さらに詳しく説明すると、回転軸４の外周部には、ポンプケーシング３の後端部と軸受６との間において、シャフトスリーブ５が挿通されている。そして、このシャフトスリーブ５とスタフィンボックス２８との間に、同じ構造の４個のリップシール１１、１１、…が装着されている。図２の（イ）は、軸封装置１０の一部を拡大して示す断面図で、同図において右側がポンプケーシング側であるが、リップシール１１は、同図に示されているように、その断面形状は側面的に見ると略Ｖ字形を呈している。すなわち、リップシール１１は、その外周面の先端部１３がシャフトスリーブ５に動的に摩擦接触している第１のリップ部１２と、スタフィンボックス２８の内周面に静的に接している第２のリップ部１５とから、一体的に形成されている。第１のリップ部１２の内周面の先端部１３は、シャフトスリーブ５に接しているが、ポンプケーシング３から遠ざかるにしたがい、内径が大きくなり離間するテーパ部１４となっている。また、第１、２のリップ部１２、１５は、ポンプケーシング３から遠ざかるにしたがい肉厚になっている。これにより、ポンプケーシング３側に開いたＶ字形の受圧部１６が形成されている。なお、リップシールの後端面１７は回転軸４に対して垂直になっている。

リップシール１１、１１、…の間に介在されるランタンリング２０は、図２の（イ）、（ロ）に拡大して示されているように、全体としてリング状を呈しているが、その外周部には、リング状の凹溝２１が形成されている。そして、この凹溝２１から複数個の透孔２２（２２）が所定の間隔をおいて中心部に向かって開けられている。したがって、凹溝２１に軸封水を供給すると、軸封水は複数個の透孔２２（２２）を通ってシャフトスリーブ５の外表面に均一に供給されることになる。このように構成されているランタンリング２０の中心部よりの、ポンプケーシング３側には、第１のリップ部１２のテーパ部１４に対応した形状のバックアップ部２３が形成されている。バックアップ部２３の傾斜角θは、第１のリップ部１２のテーパ部１４の角度にもよるが、例えば約２５度、先端部のＲは約０.４になっている。

上記のように構成されているリップシール１１、１１、…とランタンリング２０、２０、…は、図１に示されているように、リップシール受２４とシール押え２５との間に交互に装着される。そして、ランタンリング２０、２０、…のそれぞれの凹溝２１には、軸封水供給管Ａ、Ｂ，Ｃが接続される。軸封水供給管Ａ、Ｂ，Ｃは、軸封水供給ユニット３０のそれぞれの供給管に接続されている。軸封水供給ユニット３０は、軸封水タンク３１、このタンク中の軸封水をポンプケーシング３の内圧以上に昇圧するポンプ３２、圧力計３３、それぞれの流量を調整する流量調整弁３４、３４、…、フローメータ３５、３５…、逆止弁３６、３６、…等からなっている。

また、本実施の形態によると、シール押え２５とシャフトスリーブ５との間にはシール手段例えば０リング２５ｅが設けられている。そして、シール押さ２５に隣接したランタンリング２０ｅには、管路２９により別途グリースあるいは潤滑油が供給されるようになっている。

次に、上記実施の形態の作用について説明する。軸封水供給ユニット３０のポンプ３２を起動して、ポンプケーシング３内の圧力よりも高い軸封水を流量調整弁３４、３４、…を介して所定量宛ランタンリング２０、２０、…供給する。回転軸４を例えば電動モータにより回転駆動する。そうすると、従来周知のように、スラリーは、吸込口７から吸い込まれ、そして吐出口９から所定箇所へ圧送される。このように圧送するとき、ポンプケーシング３内の固形物を含んだスラリーは、昇圧されて軸封装置１０から外部へ漏れようとするが、漏れようとする圧力はリップシール１１の受圧部１６に作用し、第１のリップ部１２の先端部１３は、シャフトスリーブと共働して逆止弁の作用を奏する。これにより、漏れが防止される。リップシール１１、１１、…は、複数個設けられているので、確実に防止される。このとき、ランタンリング２０、２０、…には、ポンプケーシング３内の圧力よりも高い圧力の軸封水が供給されるので、軸封水はランタンリング２０の内周面とシャフトスリーブ５の外周面との隙間を通ってリップシール１１の、特にテーパ部１４の方へ流れる。この軸封水は、リップシール１１の第１のリップ部１２を押し開いて、ポンプケーシング３の方へ流れようとする。これにより、スラリーの漏れが防止されると共に、固形物の侵入が阻止され、また侵入した固形物は洗い流される。さらには、リップシール１１の第１のリップ部１２も冷却される。また、シール押え２５側のランタンリング２０ｅには、グリースあるいは潤滑油が供給され、シール押え２５の内側にはシール手段としての０リング２５ｅが設けられているので、供給されるグリースあるいは潤滑油が外部へ漏れてシール効果が損なわれるようなことはない。

また、リップシール２０に作用するスラリーの圧力により、第１のリップ部１２が広がろうとするが、あるいは変形しようとするが、ランタンリング２０、２０、…には、第１のリップ部１２のテーパ部１４に対応した形状のバックアップ部２３が形成されているので、このような変形が防止される。

本発明は、上記実施の形態に限定されないことは明らかである。例えば、リップシールおよびランタンリングの数が上記実施の形態に限定されることなく、増減できることは明らかである。また、複数個のランタンリングに供給する軸封水の圧力を、個々に変化させることもできる。さらには、ポンプケーシング内の圧力と軸封水の圧力とを常時比較して、軸封水の圧力が常に大きくなるように実施することもできる。

実施例：大平洋機工株式会社製のスラリーポンプを使用して、泥水シールド工法によるトンネル掘削において、図３に示されている従来型の軸封装置と、図１、２に示されている本発明型の軸封装置の、耐用時間の比較テストをした。その結果を表１に示す。
なお、耐用時間は、種々の条件で掌握し難いので、表１において「耐用時間」は「掘削距離」で評価した。
表１

表１より、耐用時間すなわち掘削距離は、８倍以上に伸びていることが理解できる。

本発明の実施の形態に係わるスラリーポンプの一部を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係わる要部の拡大図で、その（イ）は１個のリップシールとランタンリングの拡大断面図、その（ロ）はランタンリングの部分拡大断面図である。 従来のスラリーポンプの軸封装置を示す断面図である。

符号の説明

１ スラリーポンプ ２ 羽根車
３ ポンプケーシング ４ 回転軸
５ シャフトスリーブ １０ 軸封装置
１１ リップシール １２ 第１のリップ部
１３ 第１のリップ部の先端部 １４ テーパ部
１６ 受圧部 ２０ ランタンリング
２３ バックアップ部 ２８ スタフィンボックス
３０ 軸封水供給ユニット

Claims (2)

1. 羽根車とポンプケーシングとからなり、前記羽根車が取り付けられている回転軸を回転駆動すると、吸込口から吸引されるスラリーが吐出口から圧送されるようになっているスラリーポンプの、前記回転軸が前記ポンプケーシングを貫通している部分の軸封装置であって、
   前記軸封装置は、前記回転軸に装着されているシャフトスリーブの外周面とスタフィンボックスの内周面との間に設けられている複数個のリップシールと複数個のランタンリングとからなり、
   前記リップシールは、その先端部の内周面が前記シャフトスリーブの外周面に動的に接触する第１のリップ部と、その外周面が前記スタフィンボックスの内周面に静的に接触する第２のリップ部とから、前記第１、２のリップ部には前記ポンプケーシング側に略Ｖ字形に開いた受圧部が形成されるように、また前記第１のリップ部には前記動的に接触する部分から後方に向かって拡径するテーパ部を有するように、一体的に形成され、
   そして、これらのリップシールは、前記受圧部が前記ポンプケーシング側を向くように順次装着され、これらのリップシールの後方に前記ランタンリングが配置され、
   前記ポンプケーシングから一番遠い位置に配置され、そしてシール手段を備えたシール押えで押さえられているランタンリングにはグリースあるいは潤滑油が供給され、他のランタンリングには前記ポンプケーシング内の圧力よりも高い軸封水が供給されるようになっていることを特徴とする、スラリーポンプの軸封装置。
2. 請求項１に記載の軸封装置において、ランタンリングの前方には、リップシールの第１のリップ部のテーパ部に対応した形状のバックアップ部が形成されている、スラリーポンプの軸封装置。

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