JP6473483B2 - 壊食防止構造およびこれを用いたポンプ - Google Patents

Description

本願発明は、壊食防止構造およびこれを用いたポンプに係り、特に、ポンプ内に生じるキャビテーションやジェット噴流による壊食を防止できる壊食防止構造およびこれを用いたポンプに関する。

ポンプ、特に、ポンプ全揚程が著しく高いポンプの場合、通常のポンプの連続運転範囲では、キャビテーションやジェット噴流（以下、「キャビテーション等」という）は発生せず問題とならないが、ポンプの起動および停止時にポンプ流路内にキャビテーション等が発生する場合がある。これは、ポンプの起動・停止時の少水量域での運転によるもので、羽根車に一旦入った水の一部が旋回を伴って高流速で逆流し、その逆流はジェット噴流となり羽根車入口部のケーシングまで到達する。このジェット噴流とキャビテーションとの複合的要因により、ポンプ羽根車入口付近の吸込ケーシングに壊食が発生すると考えられる。すなわち、図９に示した「ポンプの始動時（締切運転）」における少水量域運転が壊食の原因となる。

図１２は、一般的な両吸込渦巻きポンプ１０１の例を示す断面図である。この図１２に示す渦巻きポンプ１０１は、上ケーシング１０３と、下ケーシング１０５と、これら両ケーシング１０３，１０５の中間に設置される回転軸１０７と、当該回転軸１０７に設けられるインペラ１０９とを備えている。そして両ケーシング１０３，１０５内には、インペラ１０９の前後に吸込側流路１１１と吐出側流路１１３とが形成されている。

図１３は、図１２の領域Ａにおける拡大図を示す。この拡大図において、下ケーシング１０５の隔壁１１５の端部には摺動ライナ１１９が設けられ、一方インペラ１０９の端部にはインペラリング１１０が設けられている。そして、摺動ライナ１１９は隔壁１１５に固定されており、インペラリングはインペラと一体的に回転するため、摺動ライナとインペラリングとの間の隙間が摺動部となっている。この摺動部は、液体の逆流を防止するために狭く設定されているが、上述したポンプの起動・停止時に液体の逆流が発生する場所である。液体の逆流によるジェット噴流が発生すると、この摺動部付近の吸込側流路で急激な圧力低下が起こり、キャビテーション等が発生する。キャビテーション等が発生すると、最悪の場合、図１３（Ｂ）に示すように、摺動ライナ１１９と隔壁１１５の一部が損傷を受ける。

上記のような渦巻きポンプ１０１のキャビテーション等による壊食防止対策としては、キャビテーション等が発生しやすい場所への塗装や、ポンプケーシング自体の交換等の手法が実用的に用いられてきた。

また、図１４（図１２における領域Ｂの拡大図）は、キャビテーション等による壊食対策を施した従来のポンプを示す図である。この図に示すように、ケーシング１５６の端部（図では下端）にライナリング１５５を装着すると共に、吸入側流路１６１内のケーシング端部近傍に、リング状の入口部材１５７が装着されている（特許文献１参照）。

実開昭６１−１９６９７号公報

しかしながら、前者の従来手法は、対症療法的な対策であって、塗装には経年劣化があることから定期的な塗装が必要となるため、ランニングコストの観点から、必ずしも得策とは言うことはできない。一方、ポンプケーシング交換は、壊食防止の効果は最も高いが、コスト面では顕著に高くなるため、この手法も長期的なランニングコストの観点から有利とは言い難い。

また、後者の手法に関しては、入口部材の付加によりここを流れる液体の流れ特性を変化させてしまうことが考えられる。すなわち、図１４の入口部材１５７は、ケーシングの表面等に装着されるものであり、図から明らかなように、ケーシングの表面と入口部材１５７（図における上端部）との間に段差がある。当該入口部材１５７が装着される領域はキャビテーション等が発生しやすい部位であるので、液体の流れ特性を変化させる可能性のある部材を装着することは、更にキャビテーション等の発生を増大させてしまうことが考えられる。

本願発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、ポンプ内で壊食が進行しても迅速に初期状態に戻すことができる壊食防止構造を提供することを目的とし、その目的達成のために、ケーシングと、このケーシングによって回転自在に支持されている回転軸と、この回転軸に装着されたインペラと、前記ケーシング内部に形成される液体流路とを備えるポンプに用いられる壊食防止構造であって、前記ケーシングの一部分であって前記インペラと摺動する部位の近傍に、少なくとも２つの部材からなるライナを設け、前記ライナは、ケーシングに接合されるケーシングライナと、このケーシングライナに接合されて前記インペラと摺動する摺動ライナとからなり、前記ケーシングの表面とケーシングライナあるいは摺動ライナとの間に段差が形成されないようにした、という構成を採っている。

以上のように、ライナを特殊な二重構造としたことで、本願発明は以下のように作用する。すなわち、ケーシングライナはキャビテーション等が発生しやすい部位に設置されるものであり、仮に壊食が発生した場合でも、容易に交換して初期形状に復元することが可能である。それと同時に、摺動ライナをケーシングライナとは別個に設けていることから、ケーシングライナの材料とは異なり摺動特性に優れた材料を選択することが可能となる。これは、ライナを特殊な二重構造としたことにより得られる効果である。また、ケーシングの表面とケーシングライナ又は摺動ライナとの間には、段差が形成されないため、液体の流れ特性を新品時の滑らかな状態に戻すことができる。

また、他の手段として、使用後のポンプへの壊食防止構造の施工方法であって、前記ポンプは、ケーシングと、このケーシングによって回転自在に支持されている回転軸と、この回転軸に装着されたインペラと、前記ケーシング内部に形成される液体流路とを備えるものであり、前記ケーシングの一部分であって前記インペラと摺動する部位の近傍を切削加工し、前記ケーシングを初期形状に復元するための、少なくとも２つの部材からなるライナであり、ケーシングに接合されるケーシングライナと、このケーシングライナに接合されて前記インペラと摺動する摺動ライナからなるライナを前記切削加工された部位に固定する、という構成を採っている。

上記構成を採ることで、既設のポンプ機場（以下「機場」という）の場合であっても、予めケーシングライナと摺動ライナを製作しておき、機場においてはケーシングの切削加工をするだけで、初期形状への復元が可能となる。このことは、ケーシング全体を交換する場合と比べて、作業量およびそれに伴うコストを著しく軽減でき、ポンプの耐用年数を飛躍的に延ばすことを可能にする。特に、運搬が困難或いは不可能な大型のポンプについて、大きなメリットを有する施工方法である。

既設の機場においては、現地交換が可能な着脱式のケーシングライナをケーシングに装着することにより、ポンプの壊食を効果的に防止すると共に、壊食が進行した場合でも一部の構成部品の交換によって初期の形状に容易に復元することが可能である。
また、新設の機場の場合であっても、予めケーシングライナ（図８参照）を装備することで、壊食が発生した場合でも、迅速に修理することが可能となる。

本願発明の一実施形態に係る壊食防止構造を具備するポンプの全体断面図である。 図１の領域Ａにおける拡大断面図である。 図１に開示した実施形態において、ケーシングにケーシングライナが装着された状態を示す写真であり、図３（Ａ）は隔壁の方向に沿って見た状態であり、図３（Ｂ）は隔壁の側方から見た図である。 図３の関連写真であり、隔壁における壊食が発生した部位を示す写真である。 本発明の一実施形態に係る壊食防止構造の施工方法を説明する概念図であり、図５（Ａ）は壊食が進行したケーシングを示し、図５（Ｂ）は壊食部分を切削加工により切除した状態を示し、図５（Ｃ）は切削加工した部位にケーシングライナを装着した状態を示し、図５（Ｄ）は、ケーシングライナの内側に摺動ライナを配置した状態を示す図である。 ケーシングライナの変形例を示す図であり、図６（Ａ）は４分割の例である。 ケーシングの一部表面に壊食対策のＦＲＰライニングを被覆した図を示し、図７（Ａ）はＦＲＰライニングの一部がケーシングとケーシングライナの間に挟まれている状態の断面図であり、図７（Ｂ）はＦＲＰライニングの断面構造を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る壊食防止構造を示す断面図である。 各運転範囲とキャビテーションとの関係を説明する概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る壊食防止構造であって、形状を改良したケーシングライナと摺動ライナを示す断面図である。 図１０に開示したケーシングライナを２分割した例を示す断面図である。 従来のポンプを示す全体断面図である。 図１２に開示したポンプの領域Ａの拡大断面図であり、図１３（Ａ）は新品当時の状態を示し、図１３（Ｂ）は壊食後の状態を示す。 図１２に開示したポンプの領域Ｂの拡大断面図である。

次に、図面を参照しながら、本願発明の一実施形態について説明する。

[全体概要]
図１は、本実施形態のポンプ１の全体概要を示す断面図である。このポンプ１は、両吸込渦巻きポンプと呼ばれる形式のものである。ポンプ１は、上ケーシング３と、下ケーシング５と、これら両ケーシング３，５の間に設置される回転軸７と、当該回転軸７に設けられるインペラ９とを備えている。そして両ケーシング３，５内には、インペラ９の前後に吸込側流路１１と吐出側流路１３とが形成されている。

[ケーシング]
本実施形態のケーシングは、吐出側流路１３を中心として両側から液体を吸い込む形式の両吸込渦巻きポンプである。このため、吸込側流路１１と吐出側流路１３を隔てる隔壁
１５が設けられている。本実施形態が着目するのは、このケーシング３，５の隔壁１５の端部であって、インペラ９と摺動する部位の近傍である。その摺動する部位を、図１においては、領域Ａとして示している。領域Ａを重要視するのは、この領域でキャビテーション等が多く発生し、壊食が進行しやすいからである。

[回転軸]
ポンプ１の回転軸７には、図示しない電動モータなどの原動機が係合されており、この原動機の駆動力によりインペラ９を回転させるようになっている。本実施形態のポンプ１では、回転軸７が水平方向に設けられているため、インペラ９は回転軸７の垂直方向に回転することとなる。ただし、本実施形態における水平方向の回転軸は一例であって、垂直方向やそれ以外の角度方向に設置してもよい。回転軸７は、軸封部７ａを介して上ケーシング３と下ケーシング５の間に挟まれている。この軸受７ａは、基本的にポンプ内部の吸込側流路１１と外部環境との境界となっているため、内部の液体が漏れないようにシール構造（図示略）が設けられている。

[インペラ]
インペラ９は、吸込側流路１１に面している吸込側縁部９ａと、吐出側流路１３に面している吐出側縁部９ｂを具備している。本実施形態のポンプ１は両吸込渦巻きポンプであるので、吸込側縁部９ａが図における左右にそれぞれ１つ（合計２つ）あり、吐出側縁部９ｂは１つ存在する。また、インペラ９の端部であって後述するライナリング１９に接触する部位には、インペラリング１０が装着されている。なお、本願発明は、両吸込渦巻きポンプにしか適用できないものではなく、片吸込渦巻きポンプのような構造にも適用可能である。

[ケーシングライナと摺動ライナ]
図２は、図１における領域Ａを拡大した図である。この図に示すように、本実施形態に係るポンプでは、インペラ９とインペラライナ１０については従来のものとほぼ同様ではあるが、ケーシング側の構造が異なっている。すなわち、摺動ライナ１９と各ケーシング３，５の隔壁１５の端部との間にケーシングライナ１７を設けている点が特徴である。具体的な装着例は、図３及び４の写真に示されている。これらの図では、下ケーシング５におけるインペラ９と摺動する部位の近傍に、半円形状のケーシングライナ１７が設置されている。因みに、図４から明らかであるが、下ケーシング５の隔壁１５が多孔質状になっている。これは、摺動ライナ１９の直近部であって、壊食が進行した跡であり、長期間にわたって使用された後の下ケーシング５である。

吸込側流路１１の摺動ライナ１９の直近部は、キャビテーション等に起因するエネルギにより塗装剥離等が懸念される。このため、本実施形態のケーシングライナ１７及び摺動ライナ１９は、無塗装状態で使用できる材質として、耐壊食性能を有するステンレス鋼鋳鋼（１８Ｃｒ８Ｎｉが好ましい）とした。ただし、少なくとも上及び下ケーシング３，５の材質であるねずみ鋳鉄（ＦＣ２５０）より耐壊食性の高い材料であれば、ステンレス鋼鋳鋼でなくともよい。なお、本実施形態のケーシングライナ１７は、ネジ２１を用いた固定手段によって各ケーシング３，５の隔壁１５に固定されている。このため、取り外し及び交換が可能である。このように、簡単に取り外しおよび交換ができれば、点検や修復にかかるコストや手間を著しく低減することが可能となる。

ケーシングライナ１７とケーシング３，５の隔壁１５との密着性を保つために、ケーシングライナ１７とケーシング３，５の隔壁１５とは凹凸加工により、接合面積を大きくする構造とすることが好ましい。本実施形態では、図２に示すように、ケーシングライナ１７の外周面に凸形状が形成されており、一方、ケーシングの隔壁１５の厚さ方向の略中央部に凹形状が形成されている。また、ケーシングライナ１７と摺動ライナ１９との接合面
についても、上記と同様に凹凸加工することが好ましい。本実施形態では、摺動ライナ１９の外周面の左端と右側中間領域に凸形状が形成され、ケーシングライナ１７の内周面がこれらの凸形状に合致するように形成されている。

更に、本実施形態では、ケーシングライナ１７の強度が低下しないように、上記凸形状を工夫している。すなわち、図２に示すように、隔壁１５とケーシングライナ１７との間の凹凸形状と、ケーシングライナ１７と摺動ライナ１９との間の凹凸形状を、隔壁１５の幅方向に沿って位置をずらして設けることが良い。ただし、これは本願発明に必須な要件ではなく、ケーシングライナ１７や摺動ライナ１９に長期間にわたる十分な強度が確保されるものであれば、凹凸の位置は注意する必要はない。また、ケーシングライナ１７や摺動ライナ１９の固定は、特にネジに限定されるものではなく、圧入や焼嵌めなどの手法を用いてもよい。

[施工方法]
次に、本実施形態に係る壊食防止構造の施工方法について説明する。図５は、施工方法を説明する概略図である。図５（Ａ）は、長期間にわたって使用されたポンプの下ケーシング５の一部を示す図であり、特にインペラと摺動する部位の近傍を示している（図３に相当）。インペラとの摺動部近傍は、キャビテーション等に起因する壊食によって、所定範囲（点線で示した部分）において、表面に損傷が生じている。そこで、切削加工により、下ケーシング５の隔壁１５の摺動部近傍を半円状に切削する（図５（Ｂ））。

次に、下ケーシング５の摺動部近傍のうち、インペラと対向する半円状の面にネジ穴（図示略）を形成する。その上で、半円形状に加工されたケーシングライナ１７をネジ（図示略）によって切削加工後の面に固定する（図５（Ｃ））。そして、最終的には、摺動ライナ１９がケーシングライナ１７の更に内側に設置される（図５（Ｄ））。なお、隔壁１５の切削加工は、強度保持の観点から最小限の範囲にとどめておくことが望ましい。

以上のように、本実施形態に係る壊食防止構造では、ケーシングライナは工場などで製作するものの、施工の大部分は既設機場において行えるため、移動が困難あるいは不可能な大型のポンプについても適用することが可能である。また、図２に示すように、本願発明の壊食防止構造では、初期形状から形を変えずに、隔壁１５と摺動ライナ１９との間にケーシングライナ１７を設置している。ここでいう初期形状とは、隔壁１５と摺動ライナ１９とによって形成される、新品時のケーシングの外形である。このため、壊食防止構造の施工後であっても、液体の流れ特性に影響を与えることはない。

また、上記実施形態では、ケーシングライナは半円形状のものを説明した。しかしながら、本願発明はこれに限定されるものではない。例えば、図６（Ａ）に示すように、ケーシングライナ１７を１／４部分円形状の４つの部材から形成してもよい。

図７は、図２に示されたケーシング３，５の隔壁１５の表面に、ＦＲＰライニング２３を形成した構造を示す図である。図７（Ａ）に示すように、ＦＲＰライニング２３は、隔壁１５の表面のうち吸込側流路１１側の表面に被覆されている。ＦＲＰライニング２３の具体的な構成は図７（Ｂ）に示されており、隔壁１５の表面に下地処理（Ｓａ２_1/2のサ
ンドブラスト処理）を施した後に、下地処理層２２上へ下から順に＃６Ｒプライマー、ガラスフレーク、第１ガラスマット、第２ガラスマット、サーフェスマット、トップコート＃６Ｒの６層を被覆したものである。また、図７（Ａ）に示すように、ＦＲＰライニング２３の少なくとも一部を、隔壁１５とケーシングリング１７の間に挟み込むように構成することで、ＦＲＰライニング２３の剥離を防止することが可能となる。加えて、ＦＲＰライニング２３の各層は異なる色の材料から構成されていることが望ましい。なぜなら、壊食が進行した場合に、各層の厚さと色の対応関係が分かっていれば、ポンプを分解したと
きに目視でＦＲＰライニング２３の劣化度合いを確認することが可能だからである。

隔壁１５の表面に形成された上述のＦＲＰライニングは、隔壁１５のうち、吸込側流路１１側の表面に被覆されているが、新設の機場で予め壊食箇所（部位）が想定できる場合においては、ＦＲＰライニングではなく、図８に示すように、第２のケーシングライナ６７をネジ６８で取り付ける構造としてもよい。第２のケーシングライナ６７の取り付け構造は、ネジ止めや焼嵌め、圧入など、第１の実施形態と同様の手法を用いることが可能である。この第２のケーシングライナ６７は、図８に示すように、損傷の程度に応じて現地で交換可能なように、二重構造としてもよい。因みに、本実施形態に係る第２のケーシングライナ６７は、二重構造のケーシングライナが上下に２組に分割されており、結果として、４つのケーシングライナ部材６７ａ、６７ｂ、６７ｃ、６７ｄから構成されている。このため、壊食の進行に応じて、特定のケーシングライナだけを交換することも可能である。また、当該部位は、上述の第２のケーシングライナ６７の他、摺動ライナ１９とケーシングライナ１７を組み合わせて構成されている。このため、何れかの部材で壊食が進行した場合にも、その部材だけを交換することも可能である。

また、第２のケーシングライナ６７は、初期の表面と同一面となるように、ケーシング内に埋め込むように設置することが望ましい。こうすることで、従来技術で見られた段差による影響を無くし、流路内の流れ特性を変化させることがない。

図１０は、図７（Ａ）に示すケーシングに改良を加えた構造を示す断面図である。隔壁１５とＦＲＰライニング２３の構造は図７（Ａ）のものと同じであるが、ケーシングライナ１７Ａの断面形状が異なっている。すなわち、ケーシングライナ１７Ａは吸込側流路１１の側に張り出し、その張り出した部分が垂直下方に向かって延びている。これにより、ケーシングライナ１７Ａの断面形状は、全体として水平部分と垂直部分からなるＬ字型形状となっている。但し、水平部分と垂直部分は一体的に構成されており、別部材から構成されているものではない。

ケーシングライナ１７Ａは、水平部分に形成された貫通穴にボルト２０が通され、このボルト２０によって隔壁１５に固定されるようになっている。このため、図１０に示すように、ケーシングライナ１７Ａが、ＦＲＰライニング２３が施された隔壁１５の角の部分を覆うようにされている。このように構成することにより、摺動ライナ１９Ａに沿って逆流してきたジェット噴流による隔壁１５の角のＦＲＰライニング２３への直撃を防ぎ、当該部位の損傷を未然に防ぐことができる。なお、本実施形態に係るケーシングライナ１７Ａは、垂直部分の下端部の厚さが除々に薄くなるように形成され、ケーシングライナ１７Ａの外表面がＦＲＰライニング２３の外表面と滑らかに接続されるようになっている。

図１０に示された摺動ライナ１９Ａも、その断面形状が図７に示された摺動ライナ１９のそれとは異なっている。すなわち、摺動ライナ１９Ａの一部が、ケーシングライナ１７Ａと同様に吸込側流路１１の側に張り出すと共に、その張り出した部分が垂直上方に延びている。そして、この垂直上方に延びた部分は更にインペラ９に覆い被さるように湾曲している。このため、摺動ライナ１９Ａとインペラ９との摺動部から吹き出すジェット噴流は、摺動ライナ１９Ａの湾曲部に沿って曲げられ、吸込側流路１１に向かう速度成分が弱められる。この結果、隔壁１５の角部の壊食を更に抑制することが可能となる。なお、ケーシングライナ１７Ａと摺動ライナ１９Ａとの接合面には所定の凹凸形状が形成され、接合強度を向上させている。

図１１は、図１０に示すケーシングライナ１７Ａを更に改良したケーシングライナ１８Ａを示した断面図である。このケーシングライナ１８Ａは、水平部分１８Ａ１と垂直部分１８Ａ２からなる二分割構造が特徴である。このように二分割構造にするのは、壊食の程
度に応じてそれぞれの部分を個別に現地で交換することを可能にするためである。特に、垂直部分１８Ａ２は摺動ライナ１９Ａを取り外さずに交換することが可能であるので、現地での作業効率が向上する。それぞれ水平部分１８Ａ１と垂直部分１８Ａ２とは、別個のボルト２０ａと２０ｂによって固定される。但し、固定構造はボルトに限定されるものではない。

本願発明は、液体を扱うポンプの壊食対策に利用することができる。

１ ポンプ
３ 上ケーシング
５ 下ケーシング
７ 回転軸
９ インペラ
１１ 吸込側流路
１３ 吐出側流路
１５ ケーシングの隔壁
１７ ケーシングライナ
１９ 摺動ライナ
２１ ネジ
２３ ＦＲＰライニング
６７ 第２のケーシングライナ

Claims (8)

1. 使用後のポンプへの壊食防止構造の施工方法であって、
   前記ポンプは、第１のケーシング部と第２のケーシング部からなるケーシングと、前記第１のケーシング部と前記第２のケーシング部との間で回転自在に支持されている回転軸と、この回転軸に装着されたインペラと、を備え、前記第１のケーシング部及び前記第２のケーシング部が、それぞれ、前記ケーシング内部に吸込側流路と吐出側流路を隔てる隔壁を備える、両吸込渦巻きポンプであり、
   前記隔壁の一部分であって前記インペラと摺動する部位の近傍を切削加工する工程と、
   前記切削加工する工程の後、少なくとも前記吸込側流路の側における前記隔壁の表面に、複数層からなるＦＲＰライニングを形成する工程と、
   前記ＦＲＰライニングの一部を前記隔壁とケーシングライナとの間に挟み込むように、前記隔壁の切削加工後の面に前記ケーシングライナを取り外し可能に固定する工程と、
   前記ケーシングライナの内側に、前記インペラと摺動する摺動ライナを設置する工程と、
   を有する、壊食防止構造の施工方法。
2. 請求項１に記載の施工方法であって、前記切削加工する工程は、前記隔壁の前記インペラと摺動する部位の近傍を半円状に切削することを含む、施工方法。
3. 請求項１に記載の施工方法であって、前記ケーシングライナは複数の部材から形成される、施工方法。
4. 請求項３に記載の施工方法であって、前記ケーシングライナは半円形状を有する、施工方法。
5. 請求項１に記載の施工方法であって、前記ケーシングライナは、前記回転軸に沿う方向に延びる第１の部分と、前記第１の部分から、前記第１の部分に対して垂直方向に延びる
   第２の部分と、を含む断面形状を有する、施工方法。
6. 請求項５に記載の施工方法であって、前記第２の部分は、前記第２の部分の先端部の厚さが徐々に小さくなるように形成される、施工方法。
7. 請求項１に記載の施工方法であって、前記ＦＲＰライニングを形成する工程は、前記ＦＲＰライニングの端面を前記隔壁の表面に対して斜めに形成することを含む、施工方法。
8. 請求項１に記載の施工方法であって、前記ＦＲＰライニングを形成する工程は、前記ＦＲＰライニングの少なくとも２つの層を異なる色の材料で形成することを含む、施工方法。