JP5204801B2 - 両吸込横軸ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、両吸込横軸ポンプに関する。

特許文献１に開示された多段横軸ポンプでは、吐出する圧力水を利用した静圧軸受によって主軸のラジアル荷重を支持している。

両吸込横軸ポンプや、セルフバランス型（主軸の左右で羽根車の個数と向きが対称）の多段横軸ポンプは、羽根車の配置が左右対称性を有するので理論的には主軸にスラスト荷重は作用しない。実際、設計点（通常は最高効率点又はその付近）での運転の場合、両吸込横軸ポンプの主軸に作用するスラスト荷重は極めて小さい。しかし、例えば両吸込横軸ポンプの場合、締切点付近を含む小流量領域では、羽根車の左右の吸込口で吸い込まれる流量が時間的に不均一になるために時間的に変動する差圧が生じ、この差圧によって大きさと向きが時間的に変動するスラスト荷重（動的スラスト荷重）が発生する。セルフバランス型の多段横軸ポンプの場合も同様に、小流量領域では主軸に動的スラスト荷重が作用する。

特許文献１に開示されたものを含め、静圧軸受により主軸のラジアル荷重を支持する構成を有する既存の横軸ポンプは、羽根車の配置が左右対称性を有するにもかかわらず発生する小流量域での動的スラスト荷重の抑制を考慮していない。

特開平１０−８９２８３号公報

本発明は、静圧軸受によりラジアル荷重を支持する構成の両吸込横軸ポンプにおいて、締切点付近を含む小流量領域で主軸に作用する動的スラスト荷重を効果的に抑制することを課題とする。

本発明は、両吸込横軸ポンプであって、主軸に取り付けられた両吸込型の羽根車が収容されたケーシングと、前記ケーシング内の前記主軸の駆動側に配置されて前記主軸のラジアル荷重を支持する駆動側静圧軸受と、前記ケーシング内の前記主軸の反駆動側に配置されて前記主軸のラジアル荷重を支持する反駆動側静圧軸受と、前記羽根車の吐出口から吐出される圧力水を前記駆動側静圧軸受と前記反駆動側静圧軸受に供給する圧力水供給路と、
前記ケーシング内の静水圧による付勢力で前記主軸を前記反駆動側に向けて付勢する付勢手段とを備え、前記圧力水供給路は前記圧力水を前記主軸の前記反駆動側の端面に供給し、前記付勢手段は、前記駆動側静圧軸受と前記羽根車の前記駆動側の吸込口との間の位置で前記主軸に取り付けられ、駆動側の面が前記駆動側静圧軸受を通過後の前記圧力水の静水圧を受圧する一方、反駆動側の面が前記吸込口の静水圧を受圧する受圧ディスクである、両吸込横軸ポンプを提供する。

付勢手段が主軸を反駆動側に向けて付勢するので、実質的に時間的に変動しない反駆動側に向いた静的スラスト荷重が主軸に作用する。この静的スラスト荷重によって締切点を含む小流量域における動的スラスト荷重を効果的に抑制できる。

前記圧力水供給路は前記圧力水を前記主軸の前記反駆動側の端面に供給する。この構成により、ラジアル荷重だけでなくスラスト荷重も静水圧により支持できる。

前記圧力水供給路は前記羽根車の吐出口から前記駆動側静圧軸受に供給される前記圧力水の流量を調整する調整弁を備えることが好ましい。この構成によれば、調整弁により受圧ディスクの駆動側の面に作用する静水圧を調整し、それよって受圧ディスクが主軸を反駆動側に向けて付勢する付勢力を調整できる。

前記圧力水供給路に介設されて前記圧力水から異物を除去する異物除去手段をさらに備えることが好ましい。この構成によれば、羽根車から吐出される圧力水（ポンプ揚液）にスラリー等の異物が混入しても、異物除去手段によって異物が除去された後の圧力水が駆動側及び反駆動側静圧軸受に供給される。その結果、摩耗を防止でき、高い信頼性を持って動的スラスト荷重を抑制できる。異物が除去された圧力水を静圧軸受に供給できるため、静圧軸受の軸受材料としてセラミックに限らず、樹脂、又はゴムを使用できる。

本発明によれば、静圧軸受によりラジアル荷重を支持する構成の両吸込横軸ポンプにおいて、ケーシング内の静水圧による付勢力で主軸を反駆動側に向けて付勢する付勢手段を設けている。この付勢手段で主軸に対して実質的に時間的に変動しない反駆動側に向いた静的スラストを作用させることで、締切点付近を含む小流量領域で主軸に作用する動的スラスト荷重を効果的に抑制できる。

本発明の実施形態に係る両吸込横軸ポンプの断面図。 図１の部分IIの拡大図。 図１の部分IIIの拡大図。 受圧ディスク付近の拡大図。 図１の矢印Ｖから見た拡大図。 実施形態に係る両吸込横軸ポンプにおける圧力水の循環経路を示す模式図。 本発明の参考例に係る両吸込横軸ポンプの断面図。 図７の部分VIIIの拡大図。 図７の部分IXの拡大図。 図７の部分Ｘの拡大図。 参考例に係る両吸込横軸ポンプにおける圧力水の循環経路を示す模式図。

（実施形態）
図１から図６は本発明の実施形態に係る両吸込横軸ポンプ１を示す（以下、単にポンプ１という）。ポンプ１の主軸２は水平方向に延びており、主軸２に取り付けられた両吸込型の羽根車３はケーシング４内に収容されている。主軸２の図において右側は図示しない原動機に連結される駆動側２ａで、図において左側が反駆動側２ｂである。主軸２の駆動側２ａはケーシング４を貫通しているが、反駆動側２ｂの端部はケーシング４に収容されている。ケーシング４には主軸２が貫通する部分に軸封装置５が取り付けられている。具体的には、ケーシング４の外面に固定されたカバー６に軸封装置５が固定されている。また、ケーシング４内には、後に詳述するように主軸２のラジアル荷重を支持する静圧軸受８，９が収容されている。

羽根車３が収容されているケーシング４内には、吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂと吐出側渦巻室１２とが設けられている。羽根車３の後述する吸込口２０Ａ，２０Ｂは吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂに開口し、羽根車３の後述する吐出口２１は吐出側渦巻室１４に開口している。駆動側２ａに連結された原動機により回転駆動される主軸２と共に羽根車３が回転し、ケーシング４に設けられた吸込口（図示せず）から吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂに流入した水（他の液体でもよい）は、吸込口２０Ａ，２０Ｂから羽根車３に吸い込まれ、吐出口２１から吐出側渦巻室１２へ吐出され、ケーシング４に設けられた吐出口（図示せず）から流出する。

羽根車３は、主軸２に取り付けられたボス部１５と、ボス部１５の両側に配置された概ね円形の側板１６Ａ，１６Ｂを備える。ボス部１５と側板１６Ａ，１６Ｂの間には複数の羽根１７が設けられている。各側板１６Ａ，１６Ｂは両端開口の筒状の口金部１８Ａ，１８Ｂを備える。本実施形態では口金部１８Ａ，１８Ｂの幅（図１０の符号ｔ１参照）は同一である。ケーシング４の口金部１８Ａ，１８Ｂの周囲を囲む部分にはウエアリング１９Ａ，１９Ｂが装着されている。口金部１８Ａ，１８Ｂで囲まれた部分は羽根１７の入口に臨んでおり、羽根車３の吸込口２０Ａ，２０Ｂとして機能する。一方、羽根１７の出口が位置する側板１６Ａ，１６Ｂの外周側が羽根車３の吐出口２１として機能する。

ケーシング４には、羽根車３よりも駆動側２ａで主軸２のラジアル荷重を支持する静圧軸受８と、羽根車３よりも反駆動側２ｂで主軸２のラジアル荷重を支持する静圧軸受９が配置されている。

図２に最も明瞭に示すように、駆動側２ａの静圧軸受８は、軸封装置５に隣接する位置でケーシング４に固定された概ね円筒状のホルダ２４を備える。このホルダ２４に軸受体２６が保持されている。軸受体２６は概ね円筒状で例えばセラミックスのように摺動性、耐磨耗性、耐食性等を有する材料からなる。ホルダ２４と軸受体２６の図において左端側に部分的な切り込みを設けることで圧力水室２８が形成されている。この圧力水室２８は、ケーシング４に形成された供給ポート２９Ａに連通している。また、圧力水室２８は軸受体２６の内周面と主軸２の外周面との間の微小な隙間に連通している。さらに、圧力水室２８は後述する受圧ディスク４３とシート部材４１を介して吸込側渦巻室１１Ａと連通している。一方、ホルダ２４の図において右端側には漏れ抑制のためのフローティングリング３２が保持されている。

ケーシング４の静圧軸受８と羽根車３の吸込口２０Ａとの間の位置、より具体的には静圧軸受８に対して羽根車３側に隣接する位置には、シート部材４１が取り付けられている。図２及び図４を参照すると、シート部材４１は全体として両端開口の円筒状であり主軸２が貫通している。また、シート部材４１の図におい左端側には拡径された鍔状部４１ａが設けられている。鍔状部４１ａの端面には円環状の窪み４１ｂが形成されている。シート部材４１と内周面と主軸２との間には隙間４２が形成されている。この隙間４２により前述した圧力水室２８と鍔状部４１ａの端面（窪み４１ｂ）とが互いに連通している。

図２及び図４を参照すると、主軸２にはシート部材４１と対向する位置に受圧ディスク４３が固定されている。本実施形態における受圧ディスク４３は、主軸２に対してキー止めで固定されたベース部材４４と、このベース部材４４のシート部材４１と対向する面に固定されたディスク本体４５とを備える。ディスク本体４５は例えばセラミックスのように摺動性、耐磨耗性、耐食性等を有する材料からなる。ディスク本体４５の外径はシート部材４１の鍔状部４１ａの窪み４１ｂの外径よりも小さく設定しており、ディスク本体４５は厚み方向に部分的に窪み４１ｂ内に進入可能である。

図３に最も明瞭に示すように、反駆動側２ｂの静圧軸受９は主軸２の反駆動側２ｂの端部付近でケーシング４に固定された概ね筒状のホルダ２５と、このホルダ２５で保持されたセラミックス等からなる軸受体２７とを備える。静圧軸受９の反駆動側２ｂの端部から主軸２が僅かに突出してる。そして、主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃと対向するように、ケーシング４にスラストプレート４７が固定されている。具体的は、スラストプレート４７はカバー７に固定されており、カバー７がケーシング４の外面に固定されている。スラストプレート４７は例えばセラミックスのように摺動性、耐磨耗性、耐食性等を有する材料からなる。スラストプレート４７には貫通穴４７ａが形成されている。貫通穴４７ａはケーシング４に形成された供給ポート２９に連通している。

図１及び図６を参照すると、羽根車３の吐出口２１から吐出される圧力水を静圧軸受８，９に供給するための供給管路（圧力供給路）５１が設けられている。本実施形態における供給管路５１は、一端がケーシング４内の吐出側渦巻室１２に接続された主管路５２と、この主管路５２の他端から分岐する駆動側管路５３及び反駆動側管路５４を備える。駆動側管路５３は駆動側２ａの静圧軸受８用の供給ポート２９Ａに接続されている。反駆動側管路５４は反駆動側２ｂの静圧軸受９用の供給ポート２９Ｂに接続されている。

主管路５２には圧力水から異物を除去するためのストレーナ５５が介設されている。ストレーナ５５に代えて例えばサイクロンセパレータのような他の異物除去手段を主管路５２に介設してもよい。ストレーナ５５やサイクロンセパレータで異物が除去された圧力水を静圧軸受に供給できるため、静圧軸受８，９の軸受材料としてセラミックに限らず、樹脂、又はゴムを使用できる。

駆動側管路５３には、吐出側渦巻室１２から静圧軸受８に供給される圧力水の流量を手動調整するための調整弁５６Ａが介設されている。同様に、反駆動側管路５４には、吐出側渦巻室１２から静圧軸受９に供給される圧力水の流量を手動調整するための調整弁５６Ｂが介設されている。

図１及び図６を参照すると、主軸２の駆動側２ａが貫通しているカバー６には戻しポート３０が形成されており、この戻しポート３０はカバー６内の軸封装置５が配置された空間と連通している。戻しポート３０には戻り管路５８の一端が接続されている。戻り管路５８の他端はケーシング４内の吸込側渦巻室１１Ａに接続されている。

原動機により回転駆動される主軸２と共に羽根車３が回転すると、羽根車３の吐出口２１から吐出側渦巻室１２に圧力水が吐出され、この圧力水は主管路５２から駆動側管路５３と供給ポート２９Ａを介して圧力水室２８（図２）に供給される。また、圧力水室２８から静圧軸受８の軸受体２４の内周と主軸２の外周との間の摺動面間へ圧力水が強制的に供給され、それによって主軸２のラジアル荷重が支持される。摺動面間に供給された後に軸封装置５側に流出した圧力水は、戻り管路５８を介して吸込側渦巻室１１Ａに流入し、羽根車３の吸込口２０Ａに戻る。

羽根車３の吐出口２１から吐出側渦巻室１２に吐出された圧力水は、主管路５２から反駆動側管路５４、供給ポート２９、及び貫通穴４７ａを介して主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃとスラストプレート４７の間の空間（図３）に供給される。また、主軸２の端面２ｃとスラストプレート４７の間の空間から静圧軸受９の軸受体２７の内周と主軸２の外周との間の摺動面間へ圧力水が強制的に供給され、主軸２のラジアル荷重が支持される。摺動面間を通過した圧力水は、吸込側渦巻室１１Ｂに流入して羽根車３の吸込口２０Ｂに戻る。

図２、図４、及び図６を参照すると、圧力水室２８に供給された圧力水が、シート部材４１の内周と主軸２の外周の隙間４２、受圧ディスク４３のディスク本体４５とシート部材４１の窪み４１ｂにより構成される空間５９、及びシート部材４１の端面と受圧ディスク４３のベース部材４４の間の隙間６０を通って吸込側渦巻室１１Ａに流入する。従って、受圧ディスク４３の駆動側２ａの面（ディスク本体４５のシート部材４１との対向面）には、羽根車３の吐出圧と対応する圧力水室２８における圧力水の圧力（静圧）Ｐｄと吸込側渦巻室１１Ａ内の圧力（静圧）Ｐｓの間の圧力Ｐ１が作用する（Ｐｄ＞Ｐ１＞Ｐｓ）。一方、受圧ディスク４３の反駆動側２ｂの面（ベース部材４４のディスク本体とは反対側の面）には、吸込側渦巻室１１Ａ内の圧力Ｐｓが作用する。そのため、圧力Ｐ１と圧力Ｐｓの差圧に相当する反駆動側２ｂに向いた付勢力（図において左向きの付勢力）Ｆ１が主軸２に作用する。

締切点付近を含む小流量領域では、羽根車３の図において左右の吸込口２０Ａ，２０Ｂで吸い込まれる流量が時間的に不均一になるために時間的に変動する差圧が生じ、この差圧によって大きさと向きが時間的に変動する動的スラスト荷重が発生する。しかし、前述のように、受圧ディスク４３の図において左右に作用する圧力の差圧による反駆動側２ｂに向いた付勢力Ｆ１が生じ、この付勢力Ｆ１は実質的に時間的に変動しない反駆動側に向いた静的スラスト荷重として主軸２に作用する。この静的スラスト荷重によって締切点を含む小流量域における動的スラスト荷重を効果的に抑制できる。

前述のように反駆動側管路５４の圧力水が主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃとスラストプレート４７の間の空間（図３）に供給される。つまり、主軸２の端面２ｃとスラストプレート４７との間の摺動面間にも圧力水が強制的に供給され、摺動面間に潤滑水膜が形成される。その結果、前述した主軸２に作用する静的スラスト荷重（付勢力Ｆ１）が支持される。具体的には、主軸２の反駆動側２ｂの端面２ｃには反駆動側管路５４からの供給される圧力水の圧力（静圧）Ｐ１’と主軸２の端面２ｃの面積Ａ２の積に相当する駆動側２ａに向いて実質的に時間的に変動しない付勢力（図において右向きの付勢力）Ｆ２が主軸２に作用する。そして、この付勢力Ｆ２によって主軸２に作用する静的スラスト荷重が支持される。

駆動側管路５３の調整弁５６Ａの開度を上げて圧力水の流量を増加させると、受圧ディスク４３の駆動側２ａの面に作用する圧力Ｐ１が増加する。逆に、調整弁５６Ａの開度を下げて圧力水の水量を減少させると、受圧ディスク４３の駆動側２ａの面に作用する圧力Ｐ１が減少する。このように調整弁５６Ａで受圧ディスク４３の駆動側２ａの面に作用する圧力Ｐ１を調整することで、受圧ディスク４３が主軸２を反駆動側２ｂに向けて付勢する付勢力Ｆ１を調整できる。同様に、反駆動側管路５４の調整弁５６Ｂにより主軸２の端面２ｃに作用する圧力Ｐ１’を調整することで、主軸２に対する駆動側２ａに向いた付勢力Ｆ２を調整できる。そして、調整弁５６Ａ，５６Ｂにより付勢力Ｆ１，Ｆ２を調整することでケーシング４に対する主軸２のスラスト方向の位置を調整できる。図５に示すように、駆動側２ａのカバー６には主軸２のスラスト方向に延びるゲージ６１が取り付けられている。このゲージ６１を参照することで主軸２のスラスト方向の位置の変化を把握し易くなり、調整弁５６Ａ，５６Ｂの操作よる主軸２のスラスト方向の位置調整が容易になる。

羽根車３から吐出される圧力水（ポンプ揚液）にスラリー等の異物が混入しても、主管路５２に介設したストレーナ５５で異物が除去された後の圧力水が静圧軸受８，９に供給される。その結果、静圧軸受８，９の軸受体２６，２７、受圧ディスク４３のディスク本体４５、及びスラストプレート４７の摩耗を防止できる。従って、本実施形態のポンプ１、ラジアル荷重やスラスト荷重の支持の信頼性や、受圧ディスク４３の付勢力による動的スラスト荷重の抑制の信頼性が高い。ストレーナ５５で異物が除去された圧力水を静圧軸受に供給できるため、静圧軸受８，９の軸受材料としてセラミックに限らず、樹脂、又はゴムを使用できる。

（参考例）
図７から図１１は本発明の参考例に係るポンプ１を示す。図８及び図１０に最も明瞭に示すように、本参考例のポンプ１は実施形態における受圧ディスク４３（例えば図２参照）は備えていない。小流量領域で主軸に作用する動的スラスト荷重を抑制するための付勢力Ｆ２（静的スラスト荷重）は、羽根車３の口金部１８Ａ，１８Ｂの構造により得られる。具体的には、図１０に示すように、反駆動側２ｂの口金部１８Ｂの外周に一定幅の調整リング６５を取り付けている。従って、反駆動側２ｂの口金部１８Ｂの幅は、口金部１８Ｂ自体の幅ｔ１と調整リング６５の幅Δｔを加えた幅となり、駆動側２ａの口金部１８Ａの幅ｔ１よりも大きくなる。また、反駆動側２ｂのウエアリング１９Ｂの幅は、調整リング６５の幅Δｔに相当する分だけ駆動側２ａのウエアリング１９Ａよりも小さく設定している。

口金部１８Ａ，１８Ｂは図において左右の面で作用する圧力が異なる。具体的には、口金部１８Ａ，１８Ｂの外側の面には吸込側渦巻室１１Ａ，１１Ｂの圧力Ｐｓが作用する一方、内側には圧力Ｐｓと羽根車３の吐出口２１の圧力Ｐｄとの間の圧力Ｐｉが作用する（Ｐｉ＞Ｐｓ）。従って、駆動側２ａの口金部１８Ａには圧力Ｐｉ，Ｐｄの差圧に口金部１８Ａの幅ｔ１を乗じた値に相当する駆動側２ａ向き（図において右向き）の力ｆａが作用し、反駆動側２ｂの口金部１８Ｂには圧力Ｐｉ，Ｐｄの差圧に口金部１８Ｂと調整リング６５の幅ｔ１＋Δｔを乗じた間に相当する反駆動側２ｂ向き（図において左向き）の力ｆｂがする。力ｆｂは力ｆａよりも大きく、両者の差に相当する反駆動側２ｂに向いた付勢力Ｆ１（＝ｆｂ−ｆａ）が主軸２に作用する。この付勢力Ｆ１は実質的に時間的に変動しない反駆動側に向いた静的スラスト荷重として主軸２に作用し、小流量域における動的スラスト荷重を抑制する。

参考例のその他の構成及び作用は実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

１ 両吸込横軸ポンプ
２ 主軸
２ａ 駆動側
２ｂ 反駆動側
２ｃ 端面
３ 羽根車
４ ケーシング
５ 軸封装置
６，７ カバー
８，９ 静圧軸受
１１Ａ，１１Ｂ 吸込側渦巻室
１２ 吐出側渦巻室
１５ ボス部
１６Ａ，１６Ｂ 側板
１７ 羽根
１８Ａ，１８Ｂ 口金部
１９Ａ，１９Ｂ ウエアリング
２０Ａ，２０Ｂ 吸込口
２１ 吐出口
２４，２５ ホルダ
２６，２７ 軸受体
２８ 圧力水室
２９Ａ，２９Ｂ 供給ポート
３０ 戻しポート
３２ フローティングリング
４１ シート部材
４１ａ 鍔状部
４１ｂ 窪み
４２ 隙間
４３ 受圧ディスク
４４ ベース部材
４５ ディスク本体
４７ スラストプレート
４７ａ 貫通穴
５１ 供給管路
５２ 主管路
５３ 駆動側管路
５４ 反駆動側管路
５５ ストレーナ
５６Ａ，５６Ｂ 調整弁
５８ 戻り管路
５９ 空間
６０ 隙間
６１ ゲージ
６５ 調整リング

Claims (3)

1. 両吸込横軸ポンプであって、
   主軸に取り付けられた両吸込型の羽根車が収容されたケーシングと、
   前記ケーシング内の前記主軸の駆動側に配置されて前記主軸のラジアル荷重を支持する駆動側静圧軸受と、
   前記ケーシング内の前記主軸の反駆動側に配置されて前記主軸のラジアル荷重を支持する反駆動側静圧軸受と、
   前記羽根車の吐出口から吐出される圧力水を前記駆動側静圧軸受と前記反駆動側静圧軸受に供給する圧力水供給路と、
   前記ケーシング内の静水圧による付勢力で前記主軸を前記反駆動側に向けて付勢する付勢手段と
   を備え、
   前記圧力水供給路は前記圧力水を前記主軸の前記反駆動側の端面に供給し、
   前記付勢手段は、前記駆動側静圧軸受と前記羽根車の前記駆動側の吸込口との間の位置で前記主軸に取り付けられ、駆動側の面が前記駆動側静圧軸受を通過後の前記圧力水の静水圧を受圧する一方、反駆動側の面が前記吸込口の静水圧を受圧する受圧ディスクである、両吸込横軸ポンプ。
2. 前記圧力水供給路は前記羽根車の吐出口から前記駆動側静圧軸受に供給される前記圧力水の流量を調整する調整弁を備える、請求項１に記載の両吸込横軸ポンプ。
3. 前記圧力水供給路に介設されて前記圧力水から異物を除去する異物除去手段をさらに備える、請求項１又は請求項２に記載の両吸込横軸ポンプ。

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