JP7013255B2 - ライナーリング、および該ライナーリングを備えたポンプ、並びにライナーリングの交換方法 - Google Patents

Description

本発明はポンプに組み込まれるライナーリングに関し、特にキャビテーションによる壊食防止構造を備えたライナーリングに関するものである。また、本発明は、そのようなライナーリングを備えたポンプに関するものである。

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）は発生しにくく、問題とならないが、少水量域運転時や大水量域運転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、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６に示した少水量域運転および大水量域運転が壊食の原因となる。

図７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７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８（ａ）および図８（ｂ）は、図７の領域Ａにおける拡大図を示す。図８（ａ）に示すように、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１１０はインペラ１０９と一体的に回転するため、摺動ライナ１１９とインペラリング１１５との間の隙間が摺動部となっている。この摺動部は、液体の出口側から入口側への流入を防止するために狭く設定されている。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８（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めっきや、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９（図７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）にライナーリング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 特開２０１３－２２７９７０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９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。

そこで、本発明は、簡易な構成でキャビテーション等に起因するポンプの壊食を防止することができるライナーリングを提供する。また、本発明は、そのようなライナーリングを備えたポンプを提供する。さらに、本発明は、ライナーリングを交換する方法を提供する。

本発明の一態様は、ポンプのインペラの液体入口の周囲に配置されるライナーリングであって、吸込側端面と、吐出側端面と、前記吸込側端面と前記吐出側端面との間に位置する内周ガイド面および外周面とを備え、前記内周ガイド面は、前記インペラの液体入口の外周面に対向する円筒状の表面であり、前記ライナーリングの半径方向における前記内周ガイド面と前記外周面との距離をＬ１、前記吸込側端面と前記吐出側端面との距離をＬ２とすると、Ｌ１のＬ２に対する比率は少なくとも０．５であり、前記ライナーリングは単一の部材から構成されていることを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記外周面には溝が形成されており、前記溝は前記吸込側端面および前記吐出側端面から離れた位置にあることを特徴とする。

本発明の一態様は、回転軸と、前記回転軸に設けられたインペラと、前記インペラを収容するケーシングと、前記インペラの液体入口の周囲に配置されたライナーリングとを備え、前記ライナーリングは、吸込側端面と、吐出側端面と、前記吸込側端面と前記吐出側端面との間に位置する内周ガイド面および外周面とを備え、前記内周ガイド面は、前記インペラの液体入口の外周面に対向する円筒状の表面であり、前記ライナーリングの半径方向における前記内周ガイド面と前記外周面との距離をＬ１、前記吸込側端面と前記吐出側端面との距離をＬ２とすると、Ｌ１のＬ２に対する比率は少なくとも０．５であり、前記ライナーリングは単一の部材から構成されていることを特徴とするポンプである。

本発明の好ましい態様は、前記外周面には溝が形成されており、前記溝は前記吸込側端面および前記吐出側端面から離れた位置にあることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記ケーシングは、前記溝に嵌合する突出部を有することを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記吸込側端面は、前記ケーシングの表面と同一面内にあることを特徴とする。

本発明の一態様は、上ケーシングおよび下ケーシングから使用済みのライナーリングを取り外し、前記上ケーシングおよび前記下ケーシングの端面を切削して、壊食が発生した部分を除去し、上記ライナーリングを、前記上ケーシングの切削された面と前記下ケーシングの切削された面との間に挟んだ状態で、前記上ケーシングと前記下ケーシングとを互いに締結することを特徴とするライナーリングの交換方法である。

本発明に係るライナーリングは、一般的なライナーリングに比べて、半径方向に厚い。したがって、壊食が進行しやすい領域でのポンプの露出面を、ライナーリングの吸込側端面で構成することができる。ライナーリングは耐摩耗性の高い材料から構成されているので、ライナーリング自体が壊食を起こしにくい。結果として、ライナーリングはポンプの壊食を防止することができる。

本実施形態のポンプの全体を示す断面図である。 図１におけるライナーリング、およびケーシングの一部を拡大した図である。 ライナーリングの拡大断面図である。 図７に示す従来のライナーリングの断面を示す図である。 図５（ａ）乃至図５（ｃ）は、ライナーリングを交換する工程を説明する図である。 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。 従来のポンプを示す全体断面図である。 図７に示したポンプの領域Ａの拡大断面図であり、図８（ａ）は新品当時の状態を示し、図８（ｂ）は壊食後の状態を示す。 図７に示したポンプの領域Ｂの拡大断面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のポンプ１の全体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。ただし、本発明は、両吸込渦巻きポンプのみならず、片吸込渦巻きポンプにも適用可能である。ポンプ１は、ケーシング３と、ケーシング３内を延びる回転軸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。インペラ９はケーシング３内に配置されている。ケーシング３は、上ケーシング３Ａと、下ケーシング３Ｂとを備えており、これら両ケーシング３Ａ，３Ｂが図示しない締結具（ねじ、またはボルトおよびナットなど）によって互いに締結されている。

本実施形態のポンプ１は、インペラ９の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、ケーシング３は、吸込側流路１１と吐出側流路１３を隔てる隔壁１５を備えている。

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に連結されており、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は水平に配置されている。一実施形態では、回転軸７は鉛直方向やそれ以外の角度で設置してもよい。回転軸７は、ケーシング３の両側に設けられた軸受（図示せず）に回転可能に支持されている。ポンプ１は、ケーシング３内の液体が漏れることを防ぐ軸封部８を備えている。

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、インペラ９は、２つの液体入口９ａと、１つの液体出口９ｂを具備した両吸込型インペラである。２つの液体入口９ａはインペラ９の両側にあり、反対方向を向いている。ケーシング３内には、インペラ９の２つの液体入口９ａに連通する吸込側流路１１と、インペラ９の液体出口９ｂに連通する吐出側流路１３とが形成されている。吸込側流路１１は隔壁１５の外側に位置し、吐出側流路１３は隔壁１５の内側に位置している。インペラ９の２つの液体入口９ａの周囲には、ライナーリング１９が配置されている。このライナーリング１９はケーシング３に保持されている。

図２は、図１におけるライナーリング１９、およびケーシング３の一部を拡大した図である。ライナーリング１９は、ケーシング３の隔壁１５の端面に取り付けられている。より具体的には、ライナーリング１９は、上ケーシング３Ａと下ケーシング３Ｂとの間に挟まれている。ケーシング３の隔壁１５の端面には突出部１５ａが形成されており、ライナーリング１９の外周面には突出部１５ａが嵌合する溝２０が形成されている。溝２０の底部には穴２１が形成されている。この穴２１は、ケーシング３に固定されたロックねじ（図示せず）が挿入される。ロックねじと穴２１との係合により、インペラ９が回転しているときのライナーリング１９自体の回転を防止することができる。

ライナーリング１９を、ねじ（図示せず）を用いた固定手段によって内ケーシング３Ａ，外ケーシング３Ｂの隔壁１５に固定してもよい。このように構成すれば、ライナーリング１９の取り外しおよび交換が容易であり、点検や修復にかかるコストや手間を低減することが可能となる。

ライナーリング１９は、単一の部材から構成されており、耐摩耗性を有するステンレス鋼、鋳鋼などの金属から構成されている。ただし、ケーシング３の材質より耐摩耗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。インペラ９の液体入口９ａの周囲の領域Ｃは、キャビテーション等が多く発生し、壊食が進行しやすい領域である。本実施形態によれば、領域Ｃのほとんどはライナーリング１９が占めている。ライナーリング１９は耐摩耗性の高い材料から構成されているので、ライナーリング１９自体が壊食を起こしにくい。結果として、ライナーリング１９は領域Ｃでの壊食を防止することができる。

図３は、ライナーリング１９の拡大断面図である。図３では図２に示す穴２１は描かれていない。ライナーリング１９は、吸込側端面１９ａと、吐出側端面１９ｂと、吸込側端面１９ａと吐出側端面１９ｂとの間に位置する内周ガイド面１９ｃおよび外周面１９ｄを有する。内周ガイド面１９ｃは、インペラ９の液体入口９ａの外周面に対向する円筒状の表面である。外周面１９ｄはケーシング３に接触する円筒状の表面であり、外周面１９ｄは内周ガイド面１９ｃの半径方向外側に位置している。上述した溝２０は、外周面１９ｄに形成されている。溝２０は吸込側端面１９ａおよび吐出側端面１９ｂから離れた位置にある。本実施形態では、溝２０は外周面１９ｄの概ね中央に位置している。

ライナーリング１９の半径方向における内周ガイド面１９ｃと外周面１９ｄとの距離をＬ１、ライナーリング１９の軸方向における吸込側端面１９ａと吐出側端面１９ｂとの距離をＬ２とすると、Ｌ１のＬ２に対する比率（Ｌ１／Ｌ２）は、少なくとも０．５である。本実施形態では、距離Ｌ１は、ライナーリング１９の半径方向の厚みに相当し、距離Ｌ２はライナーリング１９の軸方向の長さ（または外周面１９ｄの軸方向の幅）に相当する。一例では、距離Ｌ１は１８ｍｍ、距離Ｌ２は３０ｍｍである。

本実施形態のライナーリング１９は、図７に示す従来のライナーリング１５５に比べて、内周ガイド面１９ｃと外周面１９ｄとの距離Ｌ１がより大きい。図４は、図７に示す従来のライナーリング１５５の断面を示す図である。従来のライナーリング１５５では、距離Ｌ１の距離Ｌ２に対する比率（Ｌ１／Ｌ２）は、０．３程度である。一例では、ライナーリング１５５における距離Ｌ１は８ｍｍであり、距離Ｌ２は２５ｍｍである。許容摩耗量および製造コストなどの観点から、従来のライナーリングの肉厚は薄いため、その分ケーシングの露出面の面積が増える。結果として、ケーシングの表面の壊食が起こりやすい。

これに対して、図３に示す本実施形態に係るライナーリング１９は半径方向に厚いので、図２に示す壊食が進行しやすい領域Ｃ内のポンプの露出面を、ライナーリング１９の吸込側端面１９ａで構成することができる。上述したように、ライナーリング１９は耐摩耗性の高い材料から構成されているので、ライナーリング１９自体が壊食を起こしにくい。結果として、ライナーリング１９は領域Ｃでの壊食を防止することができる。

ライナーリング１９は、その吸込側端面１９ａがケーシング３の表面と同一面となるように設置される。より具体的には、ライナーリング１９の吸込側端面１９ａは、ケーシング３の隔壁１５の外表面１５ｂ（図２参照）と同一面内に位置している。このような構成とすることで、図９に示す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。

上述した本実施形態のライナーリング１９は、上述した従来のライナーリング１５５がすでに組み込まれたポンプに次のようにして取り付けることができる。図５（ａ）に示すように、上ケーシング１０３を下ケーシング１０５から分離し、使用済みのライナーリング１５５を上ケーシング１０３および下ケーシング１０５から取り外す。次に、図５（ｂ）に示すように、ライナーリング１５５が取り外された状態で、上ケーシング１０３および下ケーシング１０５の端面１０３ａ，１０５ａを、フライス、ボーリングなどの公知の切削技術を用いて切削し、壊食が発生した部分１６０を含むケーシング１０３，１０５の部位を除去する。ケーシング１０３，１０５の端面１０３ａ，１０５ａを切削するとき、図２に示す突出部１５ａを形成する。

そして、図５（ｃ）に示すように、本実施形態のライナーリング１９を、上ケーシング１０３の上記切削された面と下ケーシング１０５の上記切削された面との間に挟む。上ケーシング１０３と下ケーシング１０５は図示しないボルトとナットによって互いに締結され、これによりライナーリング１９は上ケーシング１０３と下ケーシング１０５に固定される。

図５（ａ）に示す使用済みのライナーリング１５５は、従来の薄型のライナーリングである。図５（ｃ）に示す本実施形態のライナーリング１９は、図５（ａ）に示すライナーリング１５５よりも厚みがあるので、上ケーシング１０３および下ケーシング１０５の壊食を防止することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ ポンプ
３ ケーシング
３Ａ 上ケーシング
３Ｂ 下ケーシング
７ 回転軸
８ 軸封部
９ インペラ
１１ 吸込側流路
１３ 吐出側流路
１５ 隔壁
１９ ライナーリング
１９ａ 吸込側端面
１９ｂ 吐出側端面
１９ｃ 内周ガイド面
１９ｄ 外周面
２０ 溝
２１ 穴

Claims (7)

1. ポンプのインペラの液体入口の周囲に配置されるライナーリングであって、
   吸込側端面と、
   吐出側端面と、
   前記吸込側端面と前記吐出側端面との間に位置する内周ガイド面および外周面とを備え、
   前記内周ガイド面は、前記インペラの液体入口の外周面に対向する円筒状の表面であり、
   前記ライナーリングの半径方向における前記内周ガイド面と前記外周面との距離をＬ１、前記吸込側端面と前記吐出側端面との距離をＬ２とすると、Ｌ１のＬ２に対する比率は少なくとも０．５であり、
   前記ライナーリングは単一の部材から構成されていることを特徴とするライナーリング。
2. 前記外周面には溝が形成されており、前記溝は前記吸込側端面および前記吐出側端面から離れた位置にあることを特徴とする請求項１に記載のライナーリング。
3. 回転軸と、
   前記回転軸に設けられたインペラと、
   前記インペラを収容するケーシングと、
   前記インペラの液体入口の周囲に配置されたライナーリングとを備え、
   前記ライナーリングは、
   吸込側端面と、
   吐出側端面と、
   前記吸込側端面と前記吐出側端面との間に位置する内周ガイド面および外周面とを備え、
   前記内周ガイド面は、前記インペラの液体入口の外周面に対向する円筒状の表面であり、
   前記ライナーリングの半径方向における前記内周ガイド面と前記外周面との距離をＬ１、前記吸込側端面と前記吐出側端面との距離をＬ２とすると、Ｌ１のＬ２に対する比率は少なくとも０．５であり、
   前記ライナーリングは単一の部材から構成されていることを特徴とするポンプ。
4. 前記外周面には溝が形成されており、前記溝は前記吸込側端面および前記吐出側端面から離れた位置にあることを特徴とする請求項３に記載のポンプ。
5. 前記ケーシングは、前記溝に嵌合する突出部を有することを特徴とする請求項４に記載のポンプ。
6. 前記吸込側端面は、前記ケーシングの表面と同一面内にあることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のポンプ。
7. 上ケーシングおよび下ケーシングから使用済みのライナーリングを取り外し、
   前記上ケーシングおよび前記下ケーシングの端面を切削して、壊食が発生した部分を除去し、
   請求項１または２に記載のライナーリングを、前記上ケーシングの切削された面と前記下ケーシングの切削された面との間に挟んだ状態で、前記上ケーシングと前記下ケーシングとを互いに締結することを特徴とするライナーリングの交換方法。

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