JP6745876B2 - 立軸ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、立軸ポンプに関する。より具体的には、立軸ポンプのポンプケーシング内まで水が満たされていない状態でポンプの回転軸を回転して、管理運転を行う立軸ポンプや、先行待機運転ポンプのようなドライ条件で運転管理を行う立軸ポンプに関する。

近年、都市化の進展により、緑地の減少及び路面のコンクリート化、アスファルト化の拡大が進むことでヒートアイランド現象が発生し、いわゆるゲリラ豪雨と呼ばれる局所的な集中豪雨が都市部で頻発している。局所的な大量の降雨は、コンクリート化、アスファルト化した路面では、地中に吸収されることなくそのまま水路に導かれる。その結果、大量の雨水が、短時間のうちに排水機場に流入する。

頻発するこのような集中豪雨によってもたらされる大量の雨水の速やかな排水に備えるために排水機場に設置する排水ポンプでは、始動遅れによる浸水被害が生じないよう、雨水が排水機場に到達する前に予め始動させておく先行待機運転が行われている。

図１は、先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。排水機場の水槽１００には、鉛直に配置された回転軸１０の先端にインペラ２２を備え、インペラ２２に水と共に空気を吸い込ませることにより、水槽１００の水位が最低運転水位ＬＷＬ以下であっても運転（先行待機運転）を継続することが可能な立軸ポンプ３が配置されている。この立軸ポンプ３には、インペラ２２の入口側の吸い込みベル２７の側面部に貫通孔５が設けられており、この貫通孔５には、外気に接する開口６ａを備えた空気管６が取付けられている。これにより、この立軸ポンプ３では貫通孔５を介して立軸ポンプ３内に供給する空気の供給量を水位に応じて変化させ、最低運転水位ＬＷＬ以下で立軸ポンプ３の排水量がコントロールされる。

図２は、先行待機運転の運転状態を説明する図である。前述したように始動遅れによる浸水被害が生じないよう、例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等により予め立軸ポンプを始動しておく（Ａ：気中運転）。雨水が排水機場に到達すると、低水位の状態から水位が上昇するに従って、インペラの位置まで水位が達し、立軸ポンプは空運転（気中運転）からインペラで水を撹拌する運転（Ｂ：気水撹拌運転）、さらに貫通孔を経て供給される空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に増やす運転（Ｃ：気水混合運転）を経て１００％水の排出を行う全量運転（Ｄ：定常運転）へ移行する。また、高水位から水位が低下するときは、全量運転から貫通孔を経て供給する空気を水と共に吸い込ませつつ水量を徐々に減らす運転（Ｃ：気水混合運転）へ移行する。水位がＬＬＷＬ近くに至ると、水を吸い込まず排水もしない運転（Ｅ：エアロック運転）へ移行する。これら５つの特徴ある運転を総称して先行待機運転という。なお、ポンプ始動は、ケーシング下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬから開始する。尚、気水混合運転時にスラスト方向の上下荷重の変動が激しくなる。

図３は、図１に示した先行待機運転を行う従来の立軸ポンプ３の全体を示す断面図である。なお、図２に示した貫通孔５及び空気管６は図示省略されている。図３に示すように、立軸ポンプ３は、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続されるケーシング２９と、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込むための吸い込みベル２７とを備えている。

立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、上下二本の軸が軸継手２６によって互いに接続されることにより形成された一本の回転軸１０が配置されている。回転軸１０は、支持部材を介してケーシング２９に固定されている上部すべり軸受装置３２と、支持部材を介して吐出ボウル２８に固定されている下部すべり軸受装置３３によって支持されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水を立軸ポンプ３内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。回転軸１０の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させるエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。

回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキンまたはメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。

駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転によって水は吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。

図４は、図３に示したすべり軸受装置３２，３３に用いられるすべり軸受装置の拡大図である。図５は、図４に示すすべり軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。図４に示すように、回転軸１０は、その外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９（図３参照）等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図５に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、内周面１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。

図６は、図３に示した立軸ポンプ３の上部における、モータ等の駆動機との接続状況を示した模式図である。立軸ポンプ３の上部における吐出エルボ３０から、軸シール３４により軸封されて上部に延びた回転軸１０は、端部でカップリング５１により原動機５０の回転軸５６と接続する。原動機５０は、原動機５０を支持する原動機架台５２の上に固定される。原動機架台５２は、架台５３に固定される。回転軸１０にはスラスト力を受ける転がり軸受５５が設けられる。転がり軸受５５は軸受ハウジング５４に収納されている。軸受ハウジング５４は架台５３に固定されている。軸受ハウジング５４内には、転がり軸受５５の潤滑に必要な潤滑油が満たされている。

ところで、近年、ポンプ機場はより深い地下に配置されるようになり、それに応じて先行待機ポンプも長軸化が進んでいる。回転軸を長くすればするほど、回転軸には軸の振れ回りが激しくなる部分が生じる。この軸の振れ回りを抑制するために、回転軸に沿ってすべり軸受を適切な位置により多く配置する必要が生まれてきた。

しかしながら、このことにより、新たな技術的課題が発生する虞がある。図７は、軸の振れ回りが激しくなる部分にすべり軸受装置３２，３３を配置したポンプにおける回転軸１０、スリーブ１１、及びすべり軸受１の状態を示す模式的断面図である。ドライ運転においては、すべり軸受装置３２，３３のすべり軸受１と回転軸１０に取り付けたスリーブ１１とが摺動する際に、接触部（斜線で示される部分）での摩擦力が大きくなり摩耗が促進し、同時に発生する摩擦熱が大きくなる。そのため、すべり軸受１やスリーブ１１の損傷が懸念される。

これに対して、ドライ運転時であっても、すべり軸受の摺動面が水中に存在する状態でポンプを運転することができるように、従来から、回転軸及びすべり軸受を保護管で囲繞して、保護管内に清水を通水させたり、全てのすべり軸受装置を、すべり軸受装置内に水を溜めて摺動面が水中に存在する状態にしたものに置き換えたりすることが提案されている。しかしながら、保護管を用いる場合は、保護管に水を供給する付帯設備が必要になるし、すべり軸受装置のメインテナンスが困難である。また、先行待機ポンプも長軸化が進んでいるので、保護管に水を供給する送水ポンプの大型化や、保護管の耐圧強化のための管壁の厚みの増大などが必要になり、コストが割高になる。また、全てのすべり軸受装置を、すべり軸受装置に水を溜めて摺動面が水中に存在する状態にしたものに置き換える場合は、そもそも、このようなすべり軸受装置の構造が複雑であるのでコストが割高になることや、メインテナンスが困難であるといった問題がある。このうえ、長軸化が進んでいるので、すべり軸受装置の配置数も多くなり、コスト的な負担やメインテナンスの煩雑さが倍増する。また、このようなすべり軸受装置は、サイズが比較的大きくなるので、水流の抵抗となり、ポンプ性能を低下させるという課題がある。

そもそも、回転軸の振れ回り自体を、全体として適切に低減すれば良いのであるが、これまで、立軸ポンプにおける対策は、どちらかといえば軸受負荷の大きい軸受に関する対策等、局部的な対策が多かった。

そこで、発明者等は、回転軸がドライ運転の摺動時に、互いに逆向きの摩擦力による偶力を生じさせて摩擦力を相殺し、回転軸の振れ回りを抑制する仕組みを有するすべり軸受装置を発明した（特許文献１参照）。

このすべり軸受装置は、相殺される力が、回転軸の軸方向に垂直な振れ幅（径方向の振れ幅）の大小に依存する。すなわち、回転軸の振れ回りの大きい場所（腹）にこのすべり軸受装置を配置した場合は、振れ回りを抑制する効果が大きいが、回転軸の振れ回りの小さい場所（節）にこのすべり軸受装置を配置した場合、この効果が得にくくなる。

しかしながら、上下に長く伸びた立軸ポンプの回転軸のどの部分の振れ幅が最大（腹）であるか、最小（節）であるかを予め正確に把握することは難しく、回転軸の軸方向に垂直な振れ幅が小さい節の位置に、このすべり軸受装置を誤って配置してしまう虞があった。このすべり軸受装置を節の位置に配置した場合には、回転軸の振れ回りを抑制することは困難となる。また、一度すべり軸受を立軸ポンプに取り付けた後は、その位置を修正変更できない。また、この発明のすべり軸受装置は、サイズが大きいので、ポンプ性能や流体の流れを阻害しないように配置する必要があり、その配置位置には制限がある。そのため、配置可能な位置によっては、十分な逆向きの偶力を発揮できない場合もあった。

国際公開第２０１５／０１２３５０号公報 特開２０１５−２２２１１７号公報 特開平６−９４０３５号公報 特開２０００−１３０３９０号公報 特開２００１−２８９１９１号公報

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、立軸ポンプのポンプケーシング内まで水面が及んでいない状態で運転するときに、回転軸の長軸化が進むことによってより発生しやすく、また激しくなる回転軸の振れ回りを回転軸全体として適切に低減する立軸ポンプを提供することを目的とする。

本発明の一形態によれば、回転軸と、前記回転軸の少なくとも一部を収容するポンプケーシングと、前記回転軸に取り付けられた羽根車と、を備えた立軸ポンプが提供される。この立軸ポンプは、前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転軸を支持する第１のすべり軸受装置と、前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転軸を支持する第２のすべり軸受装置と、を備え、前記第１のすべり軸受装置は、気中運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用され、前記第２のすべり軸受装置は、摺動面が液体雰囲気にある状態で常時使用される。

本発明の一形態において、前記第２のすべり軸受装置は、前記回転軸を前記ポンプケーシングの上方において支持するように構成される。

本発明の一形態において、前記第２のすべり軸受装置は、前記回転軸のラジアル方向の力を受けるラジアルすべり軸受と、前記回転軸のスラスト方向の力を受けるスラストすべり軸受と、を有する。

本発明の一形態において、前記第２のすべり軸受装置は、真円軸受又は多円弧軸受を有する。

本発明の一形態において、前記第２のすべり軸受装置は、前記摺動面が液体に接触するように前記液体を保持する軸受ハウジングを有する。

本発明の一形態において、前記ポンプケーシングは、前記羽根車の上流側に空気管を備える。

本発明によれば、大気雰囲気で使用されるすべり軸受装置の摺動面で発生する摩擦力に対して、常時水中雰囲気で使用されるすべり軸受装置の摺動面で発生する軸受内液膜効果による上記摩擦力とは逆向きの力を発生させ、これにより減衰効果を利用して、立軸ポンプの回転軸の振れ回りを全体的に抑制することができる。

先行待機運転を行う立軸ポンプの部分概略図である。 先行待機運転の運転状態を説明する図である。 図１に示した先行待機運転を行う従来の立軸ポンプの全体を示す断面図である。 図３に示したすべり軸受装置に用いられるすべり軸受装置の拡大図である。 図４に示すすべり軸受装置に設置されたすべり軸受の斜視図である。 図３に示した立軸ポンプの上部における、モータ等の駆動機との接続状況を示した模式図である。 軸の振れ回りが激しくなる部分にすべり軸受装置を配置したポンプにおける回転軸、スリーブ、及びすべり軸受の状態を示す模式的断面図である。 本実施形態に係る立軸ポンプの縦断面図である。 本実施形態に係る立軸ポンプの回転軸と原動機の回転軸の接続状況を示した模式図である。 本実施形態に係るケーシング外部の原動機架台部分に備えられたすべり軸受装置の縦断面図である。 大気（ドライ）運転時に、摺動面に液体の潤滑のない大気雰囲気で運転されるすべり軸受装置の摺動部分に働く力を模式的に示す断面図である。 軸受ハウジング３内に収容されて、摺動面が潤滑油や水などの液体に浸された液中雰囲気にある状態で使用されるラジアルすべり軸受の摺動部分に働く力を模式的に示す図である。 すべり軸受の径方向に切断した断面形状による典型的な軸受の種類を説明する図である。 すべり軸受の径方向に切断した断面形状による典型的な軸受の種類を説明する図である。 すべり軸受の径方向に切断した断面形状による典型的な軸受の種類を説明する図である。 すべり軸受の径方向に切断した断面形状による典型的な軸受の種類を説明する図である。

以下、本発明に係る立軸ポンプおよび、それに用いるすべり軸受装置の実施形態を図８から図１３を参照して説明する。図８から図１３において、同一または相当する構成要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。本明細書において、「上部」及び「下部」とは、立軸ポンプが移送する液体の下流側（図示において「吐出」側）及び上流側（図示において「吸込」側）をそれぞれ意味するものとして説明する。

図８は、本実施形態に係る立軸ポンプ３の縦断面図である。立軸ポンプ３はポンプケーシング内にポンプの揚水対象の水がない状態で回転軸を運転することがあるポンプである。立軸ポンプにはそのような状態で管理運転を行うものや、先行待機運転において、気中運転を行うものもある。図８では先行待機運転を行う立軸ポンプを例示している。なお、管理運転とは、降水が稀な季節のためポンプの停止状態が継続している時期に、ポンプが正常に運転できるかどうかを点検するための運転であって、ポンプケーシング内がドライな状態で行う運転である。その運転時間は、十数分から数十分になる場合もある。

図８に示すように、立軸ポンプ３は、ポンプ設置床に設置固定される吐出エルボ３０と、この吐出エルボ３０の下端に接続されるケーシング２９と、ケーシング２９の下端に接続されるとともにインペラ２２（羽根車の一例に相当する）を内部に格納する吐出ボウル２８と、吐出ボウル２８の下端に接続されるとともに水を吸い込むための吸い込みベル２７とを備えている。吸い込みベル２７の下端から吐出エルボ３０の吐出端部までをポンプケーシングと呼ぶ。

インペラ２２の入口側の吸い込みベル２７の側面部には貫通孔が設けられており、この貫通孔には、外気に接する開口を備えた空気管６が取り付けられている。これにより、この立軸ポンプ３は、貫通孔を介して立軸ポンプ３内に供給する空気の供給量を水位に応じて変化させ、立軸ポンプ３の排水量がコントロールされる。

立軸ポンプ３のケーシング２９、吐出ボウル２８、及び吸い込みベル２７の径方向略中心部には、回転軸１０が配置されている。回転軸１０の一端側（吸い込みベル２７側）には、水をポンプ内に吸い込むためのインペラ２２が接続されている。

回転軸１０は、軸方向の適当な位置で、支持部材を介してケーシング２９に固定されているすべり軸受装置３２と、吐出ボウル２８の内筒に支持部材を介して固定されているすべり軸受装置３３、及び/又はインペラ２２を貫通した回転軸１０の場合において回転軸１０の下端部で、支持部材を介してケーシング２９に固定されているすべり軸受装置３３によって支持されている。すべり軸受装置３２，３３は、大気運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受装置であってよい。大気運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受装置とは、図４および図５にて示したすべり軸受装置である。

すなわち、図４に示すように、このすべり軸受装置は、回転軸１０の外周に、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属等からなるスリーブ１１を有している。スリーブ１１の外周側には、中空円筒の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるすべり軸受１が設けられている。スリーブ１１の外周面は、すべり軸受１の内周面（すべり面）と非常に狭いクリアランスを介して対面し、すべり軸受１に対して摺動するように構成されている。すべり軸受１は、金属又は樹脂からなる軸受ケース１２によりつば部１２ａを介してポンプのケーシング２９等へ繋がる支持部材１３に固定されている。図５に示すように、すべり軸受１は中空円筒状の形状を有しており、内周面１ａがスリーブ１１の外周面と対面し、外周面１ｂが軸受ケース１２に嵌合される。すべり軸受装置３３とすべり軸受装置３２はともに１か所以上配置され、両者合わせて複数のすべり軸受装置となる。

回転軸１０の上端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔を通って立軸ポンプ３の外部へ延び、インペラ２２を回転させるエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。回転軸１０と吐出エルボ３０に設けられた孔との間には、フローティングシール、グランドパッキンまたはメカニカルシール等の軸シール３４が設けられており、軸シール３４により立軸ポンプ３が扱う水が立軸ポンプ３の外部に流出することを防止する。

駆動機は、保守点検を容易に行うことができるように陸上に設けられる。駆動機の回転は回転軸１０に伝達され、インペラ２２を回転させることができる。インペラ２２の回転によって水が吸込みベル２７から吸い込まれ、吐出ボウル２８、ケーシング２９を通過して吐出エルボ３０から吐出される。

図９は、本実施形態に係る立軸ポンプ３の回転軸１０と原動機５０の回転軸５６の接続状況を示した模式図である。立軸ポンプ３の上部における吐出エルボ３０から、軸シール３４により軸封されて上部に延びた回転軸１０は、端部でカップリング５１により原動機５０の回転軸５６と接続する。原動機５０は、原動機５０を支持する原動機架台５２の上に固定される。回転軸１０のラジアル力を受けるラジアルすべり軸受６１（図１０参照）とスラスト力を受けるスラストすべり軸受６２（図１０参照）を有するすべり軸受装置６０が、軸受ハウジング６３内に収容されて支持され、軸受ハウジング６３を介して架台５３に固定されている。

ところで、立軸ポンプの回転軸１０の上部は、以上で説明した構造により、比較的しっかりと拘束されている。すなわち、回転軸１０のすべり軸受装置６０とそれを支持する軸受ハウジング６３が、それらを支える剛性の大きい架台５３にしっかり固定されている。そのため、回転軸１０の振れはそれらに拘束されている。しかし、回転軸１０のすべり軸受装置６０に支持された部分より下は、インペラ２２までの距離が長いので、そのまま回転させると振れ回りが生じる。振れ回りの程度は高さ方向の位置により異なるが、この振れ回りを抑制するように、すべり軸受装置３２，３３を設けて回転軸１０を支持している。

すべり軸受装置３２の配置については、設計段階において、経験、あるいは便法的な計算により、回転軸１０の太さ、長さ、回転数、インペラの重さや枚数等の条件から、回転軸１０の振れ回りの大きい位置を割り出し、それに基づいて軸方向のどの辺りに、いくつ配置するかをある程度決めている。しかしながら、回転軸１０の振れ回りの大きい位置として予測されたすべり軸受装置３２の配置位置が、実際の振れ回りの大きい位置からずれてしまうことがある。また、このすべり軸受装置３２の配置位置は、立軸ポンプ３を組み立てた後に修正することはできない。

特に、回転軸１０が長くなるほど、回転軸１０に振れ回りの大きい部分が複数の場所に生じやすくなる。それを抑制するために、回転軸１０の軸方向に沿ってすべり軸受装置３２をより多く配置する必要が生じる。しかしながら、これにより、すべり軸受装置３２の配置位置が実際の回転軸１０の振れ回りが大きい位置からずれるケースがますます多くなり、また、ずれの大きさも拡大している。すなわち、複数のすべり軸受装置の一部は、回転軸１０の振れ回りの極端に小さい、いわゆる「節」の位置に配置されてしまうといったことが生じる。

ところで、ドライ運転においては、すべり軸受装置３２，３３におけるすべり軸受１と、回転軸１０に取り付けたスリーブ１１が摺動する際に、接触部での摩擦力が大きくなり、発生する摩擦熱が大きくなる。そのため、すべり軸受１やスリーブ１１の損傷が懸念される。

特に、回転軸１０の振れ回りの大きい所に備えたすべり軸受装置３２，３３ほど軸受荷重が大きいので、摺動する相手方の回転軸１０に取り付けたスリーブ１１の局所的な摩耗や高温化が生じやすくなり、立軸ポンプ３の回転体（回転軸１０及びスリーブ１１）と固定体（すべり軸受１）との干渉による振動や軸受荷重が増加する。

そこで、本実施形態に係る立軸ポンプ３は、ケーシング２９外部の原動機架台５２部分において、回転軸１０のラジアル力を受ける軸受装置としてラジアルすべり軸受６１を備える。また、このラジアルすべり軸受６１の摺動面は、軸受ハウジング６３内に収容して潤滑油や水等の液体に浸漬される。

図１０は、本実施形態に係るケーシング２９外部の原動機架台５２部分に備えられたすべり軸受装置６０の縦断面図である。図１０に示すように、すべり軸受装置６０は、軸受ハウジング６３を有する。軸受ハウジング６３は、回転軸１０の径よりやや大きい径の略円筒壁である内筒６３ａと、内筒６３ａより大きい径の略円筒壁の外筒６３ｂと、内筒６３ａ及び外筒６３ｂの壁面の下部同士を接続する底板６３ｄと、内筒６３ａ及び外筒６３ｂの壁面の上部同士を接続する天板６３ｃとを有する。これにより、軸受ハウジング６３は、潤滑油や水などを受液できる槽を形成している。各部材は分解可能であるが、組み立てられた状態では互いに水密に接合しており、形成される軸受ハウジング６３内に液体を注入しても外部に遺漏することはない。

回転軸１０の外周には、ラジアル方向の摺動荷重をラジアルすべり軸受６１に伝達する摺動面と、上下スラストの摺動荷重を上部スラストすべり軸受６２ａ及び下部スラストすべり軸受６２ｂに伝達する摺動面を有する転動体６５が固定されている。回転軸１０の回転に伴い転動体６５は回転する。転動体６５の少なくとも摺動面は、ステンレス鋼、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなる。

転動体６５は、その外周面の一部に、ラジアル方向の摺動荷重を伝達する摺動面を有し、この摺動面に相対して、中空円筒の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなるラジアルすべり軸受６１が設けられる。このラジアルすべり軸受６１は、転動体６５の円筒外周面と摺動する。転動体６５の摺動面と、ラジアルすべり軸受６１の摺動面とは、非常に狭いクリアランスを介して対面して摺動するように配置される。ラジアルすべり軸受６１は、金属又は樹脂からなる軸受支持部材６６や底板６３ｄにより軸受ハウジング６３に支持固定されている。軸受支持部材６６は、軸受ハウジング６３内に固定されている。また、天板６３ｃと転動体６５及び回転軸１０等の回転体との間は、わずかな隙間が形成されるか、リップシール等の摺動シール部材によりほぼ封止されている。

内筒６３ａの内側には、回転軸１０が延在する。この内筒６３ａを外側から覆うように転動体６５が配置される。また、転動体６５は、その下端から外周方向に延びた円盤状部分６５ａを有する。円盤状部分６５ａには、その上面及び下面の一部に、上部スラストすべり軸受６２ａ及び下部スラストすべり軸受６２ｂと相対する摺動面を有する。

上部スラストすべり軸受６２ａ及び下部スラストすべり軸受６２ｂは、中空円盤状（ドーナツ状）の樹脂材料、セラミックス、焼結金属又は表面改質された金属からなり、転動体６５と摺動する。転動体６５の各々の摺動面と、上部スラストすべり軸受６２ａ及び下部スラストすべり軸受６２ｂの摺動面とは、非常に狭いクリアランスを介して対面して摺動するように配置される。これら上部スラストすべり軸受６２ａ及び下部スラストすべり軸受６２ｂは、金属又は樹脂からなる軸受支持部材６６や底板６３ｄにより軸受ハウジング６３に支持固定されている。立軸ポンプ３が先行待機運転の気水混合運転を行っているときは、スラスト方向の荷重の変動が激しくなる。しかし、本実施形態では、上部スラストすべり軸受６２ａ及び下部スラストすべり軸受６２ｂを設けたので、回転軸１０のスラスト上下方向の荷重変動が生じても、安定して回転運動を継続することができる。

軸受ハウジング６３の内筒６３ａの上端部は、転動体６５と、ラジアルすべり軸受６１、上部スラストすべり軸受６２ａ、及び下部スラストすべり軸受６２ｂとの各摺動面よりも、高い位置まで延びている。内筒６３ａと転動体６５及び回転軸１０との間には、内筒６３ａの上端および側面と転動体６５及び回転軸１０とが干渉しないように、円環状に隙間通路７１が形成されている。

本実施形態のすべり軸受装置６０によれば、軸受ハウジング６３内の空間に水や油等の液体の液面が、内筒６３ａの上端の高さＦＬまで注入して、立軸ポンプ３を運転することが可能となる。尚、ＦＬを越えて液体を注入すると、液体が内筒６３ａの上端を溢流してしまうので、レベル計等により、溢流しないレベルに液面が維持されるように監視することが好ましい。内筒６３ａの上端は、転動体６５、ラジアルすべり軸受６１、上部スラストすべり軸受６２ａ、及び下部スラストすべり軸受６２ｂの各摺動部の上端部より高い位置まで延びているので、これらの摺動部を液中に位置させることができる。

なお、軸受ハウジング６３を分解、組立可能とした場合、軸受ハウジング６３内部の各すべり軸受を交換することができる。また、図１０に示すように、軸受ハウジング６３の上部に液供給用配管６９と供給用バルブ６９ａを設け、下部に液排出用配管６８と排出用バルブ６８ａを設けて、必要なときに液体の注入や排出をし易くしてもよい。これにより、軸受ハウジング６３内を洗浄することができる。

本実施形態に係る立軸ポンプ３においては、軸受ハウジング６３内に潤滑油や水等の液体を所定量注入した状態で、回転軸１０及び転動体６５を回転させると、その回転に伴って液体が回転し、遠心力を得る。しかしながら、軸受ハウジング６３は、外筒６３ｂと天板６３ｃにより外周部分が水密に組み立てられているので、液体の遠心力による外部への飛散を防止することができる。遠心力の圧力により軸受ハウジング６３の壁面で液面が上昇する。しかし、天板６３ｃが回転軸１０側に液体の向きを変える上、天板６３ｃがわずかなクリアランスで回転体と相対しているか、天板６３ｃと回転体との間がほぼ封止されているので、液体が天板６３ｃを乗り越えて外部に飛散することが抑制される。したがって、ラジアルすべり軸受６１、上部スラストすべり軸受６２ａ、及び下部スラストすべり軸受６２ｂの各摺動部は、回転軸１０の回転時には液中に没した状態にある。

ここで、大気（ドライ）運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用されるポンプケーシング内のすべり軸受装置３２，３３と、摺動面が液中雰囲気にある状態で使用されるラジアルすべり軸受６１とでどのような現象が生じているかを説明する。

図１１は、大気（ドライ）運転時に、摺動面に液体の潤滑のない大気雰囲気で運転されるすべり軸受装置の摺動部分に働く力を模式的に示す断面図である。図１１は、回転軸１０の軸方向に垂直な断面を示す。ここで、回転側は、回転軸１０及びそれに嵌合するスリーブ１１である。それに対して、固定側は、すべり軸受１及びそれを支える軸受ケース１２である。なお、図１１においては、スリーブ１１とすべり軸受１の間のクリアランスの寸法は、便宜上拡大されて示されている。

回転軸１０が回転すると、回転軸１０に固定されたスリーブ１１が回転する。大気雰囲気でこのすべり軸受装置が使用される場合、回転軸１０の振れ回りによりスリーブ１１の外周面がすべり軸受１に点Ａにて接触したときに、回転軸１０には軸受反力Ｆ_ＡＮが発生する。この軸受反力Ｆ_ＡＮによって、回転軸１０の回転方向とは逆方向に摩擦力Ｆ_ＡＦが発生し、この摩擦力Ｆ_ＡＦが回転軸１０に回転方向とは逆方向の振れ回り振動を引き起こす不安定化力となる。

ここで注意すべきことは、不安定化力である摩擦力Ｆ_ＡＦの大きさの程度は、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅（即ち、回転軸１０の径方向の振れ幅）の大きさに依存する。すなわち、摩擦力Ｆ_ＡＦの大きさは、この回転軸１０の振れが腹であるか節であるかに比較的敏感である。

図１２は、軸受ハウジング６３内に収容されて、摺動面が潤滑油や水などの液体に浸された液中雰囲気にある状態で使用されるラジアルすべり軸受６１の摺動部分に働く力を模式的に示す図である。図１２は、回転軸１０の軸方向に垂直な断面を示す。このラジアルすべり軸受６１において、回転側は、回転軸１０及びそれに接続される転動体６５である。それに対して、固定側は、ラジアルすべり軸受６１及びそれを支える軸受支持部材６６である。

回転軸１０が回転すると、回転軸１０に固定された転動体６５が回転する。摺動面が潤滑油や水などの液体雰囲気にあるので、転動体６５とラジアルすべり軸受６１の間に液膜が構成される。このとき、液膜には転動体６５の回転による周方向の圧力不均一が生じ、その結果、転動体６５に半径方向流体力Ｆ_ＡＲと周方向流体力Ｆ_ＡＴが発生する。この現象による効果を軸受内液膜効果といい、この周方向流体力Ｆ_ＡＴは、図１１に関連して説明したドライ運転で発生する摩擦力Ｆ_ＡＦとは逆回転方向（逆方向）の力である。

ここで注意すべきことは、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅の大きさへの周方向流体力Ｆ_ＡＴの依存性は、図１１におけるドライ運転時の摩擦力Ｆ_ＡＦに比べて小さいことである。すなわち、周方向流体力Ｆ_ＡＴは、回転軸１０の振れが腹であるか節であるかでなく、むしろ回転数の大きさに影響する。

ところで、軸受内液膜効果は、ラジアルすべり軸受６１の径方向に切断した断面形状にも依存する。図１３Ａから図１３Ｄは、ラジアルすべり軸受６１の径方向に切断した断面形状による典型的な軸受の種類を説明する図である。図１３Ａは真円軸受を示し、図１３Ｂ及び図１３Ｃは多円弧軸受を示し、図１３Ｄはティルティングパッド軸受を示す。また、具体的には、図１３Ｂは、２円弧軸受を示し、図１３Ｃはオフセット軸受を示す。なお、図１３Ａから図１３Ｄにおいて、斜線部は回転軸１０を表している。

図１３Ａに示す真円軸受は、概ね軸方向に沿った溝４１を摺動面に有し、溝４１により水や潤滑油をすべり軸受２の軸方向に速やかに供給する。なお、図１３Ａに示す真円軸受は、溝４１を備えない場合もある。図１３Ａの真円軸受の溝４１が形成されていない部分の摺動面の半径はｒで、中心はＯである。真円軸受はこれら３種類の軸受中で一番軸受内液膜効果が生じやすく、したがってそれによる力も生じやすい。

図１３Ｂに示す２円弧軸受も、図１３Ａの真円軸受と同様に軸方向に沿った溝４１を摺動面に有する。図１３Ｂ及び図１３Ｃに示す多円弧軸受は、基本的に、回転軸１０が摺動するすべり軸受面の半径はｒであるが、このすべり軸受面は、中心が異なる複数の円弧が組み合わさって構成されている。図１３Ｂに示す２円弧軸受と図１３Ｃに示すオフセット軸受は、２つの円弧に対する中心Ｏ_１とＯ_２を有する。２以上の円弧を有する多円弧軸受も構成され得る。多円弧軸受は、これら３種類の中で真円軸受ほどではないが、それでも軸受内液膜効果が生じ得る。

図１３Ｄに示すティルティングパッド軸受は、回転軸１０の周りにピボット４２を支点として傾斜運動ができるようなパッド４３と呼ばれるすべり軸受面を複数有し、回転軸１０の周囲を囲んでいる。ティルティングパッド軸受は、軸受内液膜効果が生じない。

従来は、すべり軸受の摺動面に回転軸１０が液中で摺動することで液膜効果が生じると、立軸ポンプ３の回転軸１０に不安定力がかかるので、液膜効果の生じないようにティルティングパッド軸受を用いることも多かった。しかしながら、本実施形態においては、図１０に示した液中で使用されるラジアルすべり軸受６１を採用して、先行待機運転のドライ運転時に、ドライな摺動面のすべり軸受１によって回転軸１０に生じる摩擦力Ｆ_ＡＦに対向する力を、摺動面が常時液中にあるラジアルすべり軸受６１における液膜効果によって生じさせている。このため、本実施形態では、多円弧軸受、より好ましくは真円軸受が用いられる。

以上、説明した原理から理解できるように、本実施形態の立軸ポンプ３は、ケーシング２９内の複数のすべり軸受装置３２、３３は、大気運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受装置とすることができる。他方、ケーシング２９外部の原動機架台５２部分において、回転軸１０のラジアル方向の力を受けるすべり軸受装置６０を、その摺動面が潤滑油や水などの液体に浸漬されている状態で使用されるすべり軸受装置とすることができる。これにより、立軸ポンプ３の大気運転時において、図１１に示した摩擦力と、図１２に示した周方向流体力が同時に発生する。そのため、回転軸１０を不安定化する力（摩擦力Ｆ_ＡＦ）と周方向流体力Ｆ_ＡＴが、互いに逆向きに相殺するので回転軸１０の振れ回りが抑制される。したがって、ポンプケーシング内の複数のすべり軸受装置３２、３３の最下部のすべり軸受の摺動部が揚水などの水に浸されていない状態の時でも、安定的に問題なく運転可能なポンプを提供することができる。

仮に、相殺する力が、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅の大小に依存する場合、すなわち、特許文献１等に開示された、互いに逆向きの摩擦力による偶力を生じさせて相殺し、回転軸１０の振れ回りを抑制する仕組みのすべり軸受装置などを用いる場合には、軸方向に垂直な振れ幅が最大の部分に相殺力がかかるように、すべり軸受装置を配置するべきである。しかしながら、先に述べたように回転軸１０のどの部分の振れ幅が最大（腹）であるか、最小（節）であるかを予め正確に把握して配置することは難しく、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅がない節の位置に配置する可能性がある。そして、一旦、節の位置にすべり軸受装置を配置した場合には、回転軸の振れ回りを止めることは困難となってしまい、また後から位置を変更できない。

しかし、本実施形態に係る立軸ポンプ３においては、摺動面が液体に浸漬された状態で使用されるすべり軸受装置６０を備えることで、回転軸１０に働く相殺偶力を周方向流体力としている。この相殺力は、摩擦力による相殺力の発生とは異なり、回転軸１０の軸方向に垂直な振れ幅の大小にあまり依存せず、むしろ回転数の大小に依存するので、設置する位置が回転軸の腹か節かに関係なく、回転軸１０のどの場所にこのすべり軸受装置６０を配置してもそれなりの相殺力を生じさせることができる。そして、回転軸１０の高回転数化や、高周速化に応じてその相殺効果は大きい。

したがって、本実施形態によれば、回転軸１０の振れ回りが抑制されるので、回転軸１０の腹部にすべり軸受を配置したとしても、その摺動部における局所的な摩耗や高温化による損傷といった虞はなくなった。

また、本実施形態の立軸ポンプ３は、立軸ポンプのケーシング内に従来から備えられている複数のすべり軸受装置を、摺動部が大気雰囲気にある状態で使用されるすべり軸受装置３２，３３として利用することができるので、従来の立軸ポンプに比べて、ケーシング２９内部の流体の抵抗や損失を増加させることがない。さらに、本実施形態の立軸ポンプ３は、ケーシング２９外部の原動機架台５２部分において、回転軸１０のラジアル力を受けるすべり軸受装置６０を備え、このすべり軸受装置６０は、その摺動面が潤滑油や水などの液体に浸漬された状態で使用される。このため、このすべり軸受装置６０は、従来の保護管を用いる場合に比べ、保護管に水を供給する設備のような付帯設備は不要であるし、メインテナンスもしやすくなる。また、本実施形態に係る立軸ポンプ３は、ドライ運転時に摺動面がドライな状態であるすべり軸受装置３２，３３も併用するので、全てのすべり軸受装置を、内部に水を溜めて摺動面が水中に存在する状態にしたすべり軸受装置に置き換える場合に比べ、コストを抑えられ、メインテナンスもしやすくなり、ポンプ性能に与える影響も低減させることができる。

以上、本発明の実施形態について、主に先行待機運転を行う立軸ポンプを例として説明したが、立軸ポンプ３は、ポンプケーシング内に、ポンプが揚水する対象の水がない状態で回転軸を回転して運転することがあるポンプであって、そのような状態で管理運転を行うポンプも含まれる。上述した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。また、上述した課題の少なくとも一部を解決できる範囲、または、効果の少なくとも一部を奏する範囲において、特許請求の範囲及び明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、又は省略が可能である。

３…立軸ポンプ
６…空気管
１０…回転軸
２２…インペラ
２９…ケーシング
３２…すべり軸受装置
３３…すべり軸受装置
６０…すべり軸受装置
６１…ラジアルすべり軸受
６２…スラストすべり軸受
６２ａ…上部スラストすべり軸受
６２ｂ…下部スラストすべり軸受
６３…軸受ハウジング
６５…転動体

Claims (5)

1. 回転軸と、前記回転軸の少なくとも一部を収容するポンプケーシングと、前記回転軸に取り付けられた羽根車と、を備えた立軸ポンプであって、
   前記ポンプケーシング内に配置され、前記回転軸を支持する第１のすべり軸受装置と、
   前記ポンプケーシング外に配置され、前記回転軸を支持する第２のすべり軸受装置と、を備え、
   前記第１のすべり軸受装置は、気中運転時に摺動面が大気雰囲気にある状態で使用され、
   前記第２のすべり軸受装置は、真円軸受又は多円弧軸受を有し、前記真円軸受又は前記多円弧軸受の摺動面が液中に没した状態で常時使用される、立軸ポンプ。
2. 請求項１に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記第２のすべり軸受装置は、前記回転軸を前記ポンプケーシングの上方において支持するように構成される、立軸ポンプ。
3. 請求項１又は２に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記第２のすべり軸受装置は、前記回転軸のラジアル方向の力を受けるラジアルすべり軸受と、前記回転軸のスラスト方向の力を受けるスラストすべり軸受と、を有する、立軸ポンプ。
4. 請求項１から３に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記第２のすべり軸受装置は、前記摺動面が液体に接触するように前記液体を保持する軸受ハウジングを有する、立軸ポンプ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載された立軸ポンプにおいて、
   前記ポンプケーシングは、前記羽根車の上流側に空気管を備える、立軸ポンプ。