JP7025961B2

JP7025961B2 - 横軸ポンプ

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Publication number: JP7025961B2
Application number: JP2018047537A
Authority: JP
Inventors: 憲一杉山; 和彦杉山; 浩之金子; 耕司豊田; 雄二中塩; 宗俊藤井
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-03-15
Publication date: 2022-02-25
Anticipated expiration: 2038-03-15
Also published as: JP2019157786A

Description

本発明は、横軸ポンプに関する。

従来から、河川水などの液体を移送するために横軸ポンプが使用されている。横軸ポンプとしては、横軸斜流ポンプ、及び軸流ポンプ等が知られている。

図１は、典型的な横軸斜流ポンプを示す側断面図である。図示のように、横軸斜流ポンプ１０は、湾曲した管路を有する吸込ケーシング１２と、吸込ケーシング１２の下流側にフランジ接続される管状の吐出ケーシング１４が接続されてポンプの作用する液体の流路となっている。吸込ケーシングを軸封部１３により液密に封止されて貫通した水平方向に延在する主軸１１を有し、ケーシング内の主軸１１には、インペラ（羽根車）１７が固定される。さらに主軸１１は、ポンプケーシング外の大気部に設けられた外軸受（転がり軸受）と、ポンプケーシング内に設けられた水中軸受とにより回転可能に支持される。

水中軸受４０は、軸受ケーシング３９により固定され、さらに軸受ケーシング３９は、複数の案内羽根１８を介して吐出ケーシング１４に固定された内部ケーシング（内筒）３１内に、図示しないリブ等によって固定される。
水中軸受は、すべり軸受が採用されるのが一般的である。主軸１１の大気側は、主軸１１を回転させるためのエンジンやモータ等の原動機の軸継手２０に接続される。

吸込ケーシング１２の下方には吸込口が開口している。横軸斜流ポンプを始動する際の吸込側の液面は、主軸１１や羽根車の位置より低い位置にあるので、吐出ケーシング１４の吐出口に接続された図示しない開閉弁を閉止して、吸込ケーシング１２と吐出ケーシング１４内を図示しない真空ポンプで真空引をおこなう。このことにより、吸込側の液面を上昇させ吸込ケーシング１２と吐出ケーシング１４内を水で満たすことができる。通常は、吸込ケーシング１２と吐出ケーシング１４内が満水になってから横軸斜流ポンプの主軸１１を回転させてポンピングを開始するとともに、開閉弁を開ける。

ここで、横軸斜流ポンプの機能は、吸込ケーシング１２と吐出ケーシング１４内が満水になってはじめて発揮されるが、運転中に軸封部分の経年劣化からもたらされるリークなどにより外部からケーシング内に大気が侵入すると、吸込ケーシング１２と吐出ケーシング１４内の真空が破壊され、その結果、ケーシング内の水が吸込口側に戻される所謂「落水」がおこることがある。
また、ポンプ始動時には、満水になる前の真空引状態の段階から主軸を回転させる場合も多い。

ところで、横軸斜流ポンプのケーシング内主軸端部を受ける水中軸受は、一般に、水中軸受自体を半密封化し、ポンプケーシング外から潤滑剤（例えば、グリスなど）を水中軸受けの摺動部に供給する方式によるものか、ポンプに移送される液体に水中軸受の摺動面を浸すことによる自己潤滑方式によるものか、に大別できる。

横軸斜流ポンプは、主として河川水などの液体を移送するが、ポンプが取り扱う水中に含まれるスラリは、日により河川により、その量の多い少ない、砂礫質か粘土質であるか様々である。このようなスラリに対して、前者の外部から潤滑剤を供給する方式の水中軸受では、半密閉化されているので、すべり軸受摺動部にスラリの侵入の心配はなく、まったく問題なく運転可能である。しかし、特許文献１にあるように、外部から潤滑剤を供給
する設備や、潤滑剤の補給が定期的に必要となり、イニシャル、ランニングコストが増加する。また、移送した水を農業用または飲料用等に用いる場合、いかに密封化しているとはいえ、移送する液体に潤滑剤が混入される可能性があり、このことは好ましくない。

これに対して、後者の自己潤滑による水中軸受の場合には、基本的にポンプが取り扱う水自体ですべり軸受摺動部を潤滑するもので、それを採用する意図としては、外部から潤滑剤を供給する方式におけるコストがかからないようにすることであるが、反面、水中に含まれるスラリのすべり軸受摺動部へ及ぼす悪影響の対策が必要となる。
特に横軸ポンプにおいては、すべり軸受と回転軸のクリアランス内を軸方向に流れる水流が存在せず、また、横軸円筒状のすべり軸受の内底部にスラリは溜まりやすく、すべり軸受と回転軸のクリアランス内のスラリは、排出しにくいという特有の問題がある。

このような状況に適合する自己潤滑による水中軸受として、セラミックスを材料として用いたセラミック軸受や、樹脂軸受の可能性が検討されている。各々一長一短あり、セラミックス軸受は、耐摩耗性に優れているが、高温から低温に急速に温度変化することによる、熱衝撃（ヒートショック）により割れを生ずるという欠点が指摘されている。特に、落水時のようなすべり軸受と回転軸のクリアランス内には水がない、所謂空運転となる場合には、水中軸受の摺動面の摩擦で発生する熱により過熱状態となる。この状態で液体が再移送されると、水中軸受が急激に冷却されるため、特にセラミックス製の軸受の場合は、熱衝撃（ヒートショック）により割れを生ずるおそれがある。また、横軸ポンプの構造上、回転軸を軸支する軸受は片荷重となるため、セラミックス軸受の下側だけに荷重が加わり、脆性材料であるセラミックスが割れてしまうおそれがある。
一方、樹脂軸受は、セラミックスに比べ耐摩耗性が劣るが、セラミックスのような熱衝撃は生じない。

各々の材料のもつ欠点の克服について、様々な提案がされている。セラミックスのすべり軸受では、熱衝撃対策として、例えば特許文献２のようにセラミックス軸受自体を常時清水に浸漬する貯水室をもうけているものがある。しかしながら、貯水室の水位の管理や清水の補充といった別の課題があり、それらの対策に講じる設備コストがかかる懸念がある。

一方、樹脂軸受については、例えば特許文献３のように耐摩耗性に関する対策として、円筒軸受の端部に、すべり軸受と回転軸のクリアランス内を軸方向に流れる水流を生じさせるポンプ機能をもたせた機器をとりつけて、スラリがすべり軸受と回転軸のクリアランス内に滞留しないようにするものがある。
内部ケーシング３１内は、インペラ１７の回転によって引き起こされ案内羽根１８を介して吐出口から流れ出る水流とは内部ケーシング３１により隔てられている。このため、内部ケーシング３１内、特に水中軸受４０に積極的に向けられた水流はほとんど生じていないので、このようなポンプ機能をもたせた機器をとりつけたものである。

その他、特許文献４や特許文献５のように、すべり軸受内面に溝を設け、その溝にスラリを捕捉することで、耐摩耗性を確保するといったものが提案されている。

特開Ｈ６－３４６８８７号公報特開２００７－１８２７６９号公報特開２０１７－７８３３９号公報特開２００５－３３７３８１号公報公開実用新案公報Ｓ６２－６９６２１号公報

しかしながら、すべり軸受と回転軸のクリアランスは非常に小さいので、ポンプ機能の及ぶ範囲は限定的であり、すべり軸受の軸方向長さが長い場合の対応は困難であるし、ポンプ機能をもたせた機器をとりつけるのは、部品数、組立工数が増えコスト的にも割高になる。また、溝を設ける対策は、溝に溜まったスラリを更に排出することは困難であり、一定量のスラリが溝に溜まったあとは効果が無くなることや、溝の設けかたによっては、溝を設けたことにより回転軸周辺に適切な液膜を生じさせることが困難となり、軸受としての安定性に欠けるという課題が生じる。

そして、どちらの対策も、横軸ポンプの運転状態ではその機能がある程度スラリの排出機能や、スラリの捕捉機能は発揮されるが、運転停止すると、その機能はなくなってしまう。特許文献３では、そればかりか円筒軸受の端部に備えた、ポンプ機能をもたせた機器が、かえって、すべり軸受と回転軸のクリアランス内の液の流出の抵抗となるので、停止時には、すべり軸受と回転軸のクリアランス内のスラリが排出されずに堆積してしまう。

ところで、横軸ポンプは、ある程度長期のポンプ休止期間をもつ場合が多く、その場合、一旦吸込ケーシング１２と吐出ケーシング１４内を大気状態にする。このとき、すべり軸受と回転軸のクリアランス内に滞留したスラリは、排出が困難で、また必ずしも砂礫質のスラリだけではなく、粘土質のものもあるので下方に沈殿し、乾燥し、固まってしまう。それが、クリアランスを埋めて固まると、ポンプ運転を再開しても回転軸の回転の障害となり、不具合が生じる虞がある。

したがって、横軸ポンプの停止時以後も、すべり軸受と回転軸のクリアランス内のスラリを排出し、そこにスラリを滞留させないことが望まれる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、移送される液体を用いて潤滑される水中軸受を備える横軸ポンプで、水中軸受の摺動部分の液体に含まれる異物を横軸ポンプ運転時に排出してその滞留を抑制することと、さらに横軸ポンプの停止時にも排出してその滞留を抑制することと、安定した軸受機能を備えることとのうち、全てまたは一部を達成する水中軸受を備えた横軸ポンプを提供することを目的とする。

（形態１）形態１によれば、横軸ポンプが提案される。前記横軸ポンプは、水平方向に延びる回転軸と、前記回転軸に固定された羽根車と、前記羽根車が収容されるポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に設けられ、前記回転軸に対してすべり接触するすべり面を有する水中軸受と、を備え、前記水中軸受の前記すべり面には、前記回転軸の軸芯高さ位置よりも下方の領域において外周面と連通する開口が設けられている。
形態１によれば、回転軸の中央よりも下方の領域において外周面と連通する開口が設けられているので、特に、すべり軸受のすべり面と回転軸間に水流を供給するポンプ機能のある機器を取り付けなくても、開口の周囲の、水中軸受の摺動部分の液体に含まれる異物を横軸ポンプ運転時だけでなく停止時にも排出して、その滞留を抑制するとともに、安定した軸受機能を備えることができる。

（形態２）形態２によれば、形態１による横軸ポンプにおいて、前記開口は、前記回転軸の回転方向に沿って長い長孔であり、前記回転軸の軸方向に間隔をあけて前記すべり面に複数設けられている。

（形態３）形態３によれば、形態１又は２による横軸ポンプにおいて、前記水中軸受の前
記すべり面には、前記開口に連続して前記回転軸の回転方向に沿って延びる溝が設けられている。形態３によれば、液体に含まれる異物が水中軸受の端部から内部奥に向かって侵入することを抑制できる。

（形態４）形態４によれば、形態２による横軸ポンプにおいて、前記水中軸受の前記すべり面には、複数の前記開口のうち前記回転軸の軸方向における端に位置する開口に連続して前記回転軸の回転方向に沿って延びる溝が設けられている。形態４によれば、液体に含まれる異物が水中軸受の端部から内部奥に向かって侵入することを抑制できる。

（形態５）形態５によれば、形態３又は４による横軸ポンプにおいて、前記溝は、前記回転軸の回転方向に沿って前記開口の一端から他端にわたって設けられている。

（形態６）形態６によれば、形態１から５の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記すべり面の直径に対する、前記回転軸の軸方向の前記開口が設けられている領域を除いた前記すべり面の長さの割合が、０．４以上１．５以下である。

（形態７）形態７によれば、形態１から６の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記開口は、前記回転軸の回転方向において６０°以上１８０°未満の領域にわたって前記すべり面に設けられている。

（形態８）形態８によれば、形態１から７の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記開口の前記回転軸の軸方向の長さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である。

（形態９）形態９によれば、形態１から８の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記水中軸受は、タルク、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維および不可避不純物を含む材料から形成されている。形態９によれば、成形性に優れた材料から水中軸受を作成することができる。また、水中軸受が割れてしまうことを抑制できる。

（形態１０）形態１０によれば、形態１から８の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記すべり軸受の前記すべり面において、ＰＴＦＥが３０％の面積率を有し、炭素繊維が４％の面積率を有し、芳香族ポリエーテルケトンおよび不可避不純物が残りの面積を占める。形態１０によれば、成形性に優れた材料から水中軸受を作成することができる。また、水中軸受が割れてしまうことを抑制できる。

（形態１１）形態１１によれば、形態１から８の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記すべり軸受の前記すべり面において、ＰＰＳが２３％の面積率を有し、炭素繊維が２％の面積率を有し、ＰＴＦＥおよび不可避不純物が残りの面積を占める。形態１１によれば、成形性に優れた材料から水中軸受を作成することができる。また、水中軸受が割れてしまうことを抑制できる。

（形態１２）形態１２によれば、形態１から１１の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記水中軸受を支持する軸受ケーシングを更に備え、前記軸受ケーシングは、前記水中軸受を球面支持する。形態１２によれば、水中軸受のすべり面にかかる負荷が偏ることを防止できる。

（形態１３）形態１３によれば、形態１から１２の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記水中軸受を支持する軸受ケーシングを更に備え、前記軸受ケーシングは、略円筒形状で内部に前記水中軸受を支持し、前記軸受ケーシング円筒内から円筒外に貫通する開口を備えていることを特徴とする。

（形態１４）形態１４によれば、形態１から１３の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記回転軸は、前記水中軸受けとすべり接触するスリーブを備えており、前記スリーブは、ステンレスから形成されている、もしくは、炭化タングステン又は炭化クロムを主構成物とする物質からなる膜が成膜されたステンレスから形成されている。

（形態１５）形態１５によれば、形態１から１３の何れか１つによる横軸ポンプにおいて、前記回転軸は、前記水中軸受けとすべり接触するスリーブを備えており、前記スリーブは、セラミックス、超硬合金、及びサーメットのいずれかから形成されている。

本実施形態に係る横軸斜流ポンプを示す側断面図である。図１に示した主軸の先端部の拡大側断面図である。図２による実施形態の水中軸受の拡大側断面図である。実施形態の水中軸受を図３中のＡ４_１－Ａ４_１方向から示す断面図である。実施形態の水中軸受を図３中のＡ４_２－Ａ４_２方向から示す断面図である。図２による実施形態の軸受ケーシングの拡大側断面図である。実施形態の軸受ケーシングを図５Ａ中のＡ５_１－Ａ５_１方向から示す断面図である。実施形態の軸受ケーシングを図５Ａ中のＡ５_２－Ａ５_２方向から示す断面図である。軸方向の溝を備えた軸受ケーシングの一例を示す拡大側面図である。図６Ａによる軸受ケーシングを図６Ａ中のＡ６－Ａ６方向から示す断面図である。軸方向の溝と開口とを備えた軸受ケーシングの一例を示す拡大側面図である。図７Ａによる軸受ケーシングを図７Ａ中のＡ７_１－Ａ７_１方向から示す断面図である。図７Ａによる軸受ケーシングを図７Ａ中のＡ７_２－Ａ７_２方向から示す断面図である。変形例１に係る水中軸受の拡大側断面図である。変形例１の水中軸受を図８中のＡ９_１－Ａ９_１方向から示す断面図である。変形例１の水中軸受を図８中のＡ９_２－Ａ９_２方向から示す断面図である。変形例２に係る水中軸受の拡大側断面図である。変形例３に係る横軸ポンプの主軸の先端部の拡大側断面図である。

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。以下で説明する図面において、同一の又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。なお、以下で説明する実施形態では、本発明の横軸ポンプの一例として横軸斜流ポンプが説明されるが、本発明は横軸軸流ポンプにも適用することができる。

図１は、本実施形態に係る横軸斜流ポンプを示す側断面図である。図示のように、横軸斜流ポンプ１０は、湾曲した管路を有する吸込ケーシング１２と、吸込ケーシング１２の下流側にフランジ接続される管状の吐出ケーシング１４とを有する。また、横軸斜流ポンプ１０は、略水平方向に延在する主軸１１（回転軸の一例に相当する）を有する。主軸１１は、吸込ケーシング１２を貫通し、吐出ケーシング１４の内部まで延在する。主軸１１
と吸込ケーシング１２との隙間は、軸封部１３により液密に封止される。

主軸１１の先端側は、吐出ケーシング１４内に配置される水中軸受４０によって回転可能に支持される。水中軸受４０は、軸受ケーシング３９により保持される。軸受ケーシング３９は、複数の案内羽根１８を介して吐出ケーシング１４に固定された内部ケーシング（内筒）３１内に、図示しないリブ等によって固定される。

主軸１１には、インペラ（羽根車）１７がキー１５によって固定される。これにより、主軸１１の回転に伴ってインペラ１７が回転する。インペラ１７と内部ケーシング３１により、水中軸受４０を収容する空間である水中軸受室１９が形成される。内部ケーシング３１内は、インペラ１７の回転によって引き起こされ案内羽根１８を介して吐出口から流れ出る水流とは内部ケーシング３１により隔てられている。このため、内部ケーシング３１内は、ほとんど水流はなく、特に水中軸受４０に積極的に向けられた水流は生じていない。
ただし、河川水等には、さまざまな性質のスラリを含んでおり、その混濁状態の程度は、河川により、日により異なるが、内部ケーシング３１内の水はこのような様々なスラリの混濁した河川水に浸されている。

主軸１１の後端側は、主軸１１を回転させるためのエンジンやモータ等の原動機の軸継手２０に接続される。また、軸継手２０と軸封部１３との間には、吸込ケーシング１２の外部において主軸１１を回転可能に支持する外部軸受２２が設けられる。

図２は、図１に示した主軸１１の先端部の拡大側断面図である。図２に示すように、主軸１１の外周面には、水中軸受４０の内周面（すべり面）に対してすべり接触する円筒状のスリーブ１１ａが固定される。スリーブ１１ａの外周面と、水中軸受４０の内周面との間には、非常に小さい隙間（クリアランス）が設けられる。ただし、主軸１１には、スリーブ１１ａが設けられていなくてもよい。スリーブ１１ａは、主軸１１が水中軸受４０に直接摺動することによる主軸１１の損傷を防止するための付加的な部材である。スリーブ１１ａは、例えばステンレス鋼等の金属から構成される。また、スリーブ１１ａの外周面には、炭化タングステン又は炭化クロムを主構成物とする物質からなる膜が製膜されていてもよい。一例として、ステンレス鋼の外周面に、肉盛溶接、自溶性合金、または、溶射（特に、高速フレーム溶射（ＨＶＯＦ、ＨＶＡＦなど））を用いて成膜を施すことができる。さらに、スリーブ１１ａは、セラミックス、超硬合金、及びサーメットのいずれかで構成されていてもよい。
また、すべり軸受のすべり面と回転軸間に水流を供給するポンプ機能のある機器を取り付けなくてよい。

水中軸受４０は、セラミックス、又は樹脂材料、例えば特開２０１３－１９４７６９号公報に開示されているような、フッ素樹脂、タルク、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維、及び不可避不純物を含む樹脂材料から構成される。また、水中軸受４０のすべり面は、例えば特開２０１５－２１５５１号公報に開示されているような、ＰＴＦＥが３０％の面積率を有し、炭素繊維が４％の面積率を有し、芳香族ポリエーテルケトンおよび不可避不純物が残りの面積を占めるように構成されていてもよい。さらに、水中軸受４０のすべり面は、例えば特開２０１５－２１５５１号公報に開示されているような、ＰＰＳが２３％の面積率を有し、炭素繊維が２％の面積率を有し、ＰＴＦＥおよび不可避不純物が残りの面積を占めるように構成されていてもよい。

図３は、図２による実施形態の水中軸受４０の拡大側断面図である。また、図４Ａは、実施形態の水中軸受４０を図３中のＡ４_-1－Ａ４_-1方向から示す断面図、図４Ｂは、実施形態の水中軸受４０を図３中のＡ４_-2－Ａ４_-2方向から示す断面図である。水中軸受４０
は、全体として円筒状であり、内側に主軸１１及びスリーブ１１ａが挿通されてスリーブ１１ａの外周面とすべり接触するすべり面を備える。図３及び図４に示すように、水中軸受４０のすべり面には、主軸１１の軸芯高さよりも下方の領域において外周面と連通する開口４１が設けられている。つまり、開口４１は、水中軸受４０のすべり面を貫通している。本実施形態では、すべり面に、主軸１１の軸方向（以下、単に「軸方向」ともいう）に沿って複数（図３に示す例では３つ）の開口４１が設けられているが摺動負荷が小さい場合にはすべり軸受の軸方向長さは短いこともあるので、開口４１は一つ以上で良い。

開口４１は、軸方向長さに比べて主軸１１の回転方向（以下、「周方向」ともいう）に沿った周方向長さが長い長孔であって、所謂スリット状の長孔である。開口４１は、すべり軸受４０の軸芯の下側に設けられ、具体的には、開口４１は、周方向においてθｏが６０°以上１８０°未満の領域にわたって設けられることが好ましい。スラリの系外への排出には、重力によるスラリの沈降が大きな寄与をしているので、この範囲より小さいとスラリ排出効果は小さくなり、この範囲より大きいとスラリの排出効果は向上しない。
また、すべり軸受４０の開口は、主軸１１の軸芯高さよりも下方の領域にのみ外周面と連通する開口４１が設けられる方が好ましい。主軸１１の軸芯高さよりも下方の領域以外に開口が備えられると、スラリの排出効果に寄与しないばかりか、外部からスラリをすべり軸受のすべり面と回転軸の間のクリアランスに侵入する原因や、スラリが溜まりやすい箇所となる虞があるからである。

図４Ａに示す例では、すべり軸受４０の軸芯の鉛直下方垂線を中心線として周方向に６０°ずつ中心振分した１２０°の領域にわたって開口４１が設けられている（図４Ａ中、θｏ≒１２０°）。しかし、こうした例に限定されず、すべり軸受４０の軸芯からの中心線をより回転方向に移して開口４１は、下端から主軸１１の回転方向にしてもよいし、又は中心線を反回転方向に移して開口４１が反回転方向にずれて設けられていてもよい。ただし、開口４１は、すべり面の下端を含んで設けられることが好ましい。言い換えると開口の位置は少なくともすべり軸受４０の軸芯の鉛直下方を含むことが好ましい。

図４Ａに示す例では、水中軸受４０の軸芯の鉛直下方垂線を中心線として周方向に６０°ずつ中心振分した端部４１ａが形成されている。しかし、こうした例に限定されず、例えば開口４１の周方向の端部４１ａが鉛直方向または水平方向に沿って形成されてもよい。また、開口４１の周方向の端部４１ａ、又は軸方向の端部は、角が丸められていてもよい。

開口４１は、軸方向の寸法Ｌｏが３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。これは、３ｍｍ未満であると異物が開口４１に詰まることが懸念され、１０ｍｍより長く形成しても異物を排出する効果があまり上昇しないと考えられるためである。

また、図３および図４Ｂに示す例では、開口４１に隣接する水中軸受の軸断面と主断面である。開口４１に隣接する部分は、水中軸受４０の内径Ｄａ、軸方向長さがＬｂの、内面を平滑なすべり面とする平滑すべり軸受である。この部分では、回転軸と摺動するすべり軸受内面には溝も貫通孔も切られていないので、回転軸とすべり面の間の水は、回転軸が回転すると回転軸を水中軸受の軸芯に保持しようとする液膜力が生じる。液膜力は回転軸とすべり面の間隔が狭いほど強くなるので、したがって重力によって下方に軸芯位置がずれる回転軸では、重力に抗して回転軸を持ち上げる液膜力がより強く生じる。このような作用を生ずる平滑すべり軸受の部分を適切に配置することにより、摺動部の摺動状態は安定化する。
開口４１は軸方向の両側を、このような溝も貫通孔も切られていない平滑面のすべり軸受で挟まれている。

水中軸受４０は、すべり面の直径Ｄａに対する、軸方向の開口４１が設けられている領域を除いたすべり面の長さ（図３中、Ｌｂの合計：４・Ｌｂ）の割合（Ｒａ＝４・Ｌｂ／Ｄａ）が、０．４以上１．５以下であることが好ましい。言い換えると、水中軸受４０は、すべり面の直径Ｄａに対する、軸方向の長さＬａから開口４１が設けられている長さ（図３中、Ｌｏの合計）を減じた長さ（Ｌａ－３・Ｌｏ）の割合（Ｒａ＝（Ｌａ－３・Ｌｏ）／Ｄａ）が、０．４以上１．５以下であることが好ましい。これは、割合が０．４未満であるとすべり接触する面に作用する圧力が過多になり、割合が１．５を超えると主軸１１の傾きによる影響が大きくなることに基づく。

以上のように、すべり軸受のすべり面と回転軸間に水流を供給するポンプ機能のある機器を取り付けない、水中軸受の摺動部分の液体に含まれる異物を横軸ポンプ運転時、停止時に排出してその滞留を抑制する、安定した軸受機能を備えるという各目的について、水中軸受のすべり面に、回転軸の中央よりも下方の領域において外周面と連通する開口が設けるという手段を用いることで、開口の周囲の水中軸受の摺動部分の液体に含まれる異物が横軸ポンプ運転時だけでなく停止時にも開口から自然に流下することになり、また、開口周囲の水中軸受の摺動部分の液体による液膜効果により、安定した軸受機能を備えることができる。

すなわち、軸方向に隣接する長孔間の平滑すべり面と回転軸の間には、運転時に回転軸を軸芯に安定化させる液膜が形成され、一方、液膜形成の際に生じる圧力の作用ですべり軸受のすべり面と回転軸間のスラリを含んだ液体が、相対的に圧力の低い長孔に向かう流れを生じさせる。このため、すべり軸受のすべり面と回転軸間のスラリの滞留を抑制できる。

また、停止時には、回転軸の中央よりも下方の領域において外周面と連通する長孔が設けられているので、停止時後の落水などで、すべり軸受のすべり面と回転軸間の液体は、長孔から優先的に水流となって流下する。これにより、すべり軸受のすべり面と回転軸間のスラリが排出される。
また、すべり軸受のすべり面と回転軸間に水流を供給するポンプ機能のある機器を取り付けないので、すべり軸受の軸方向に隣接して空間が設けられ、その空間を通して、すべり軸受のすべり面と回転軸間の液体がすべり軸受の端面から流出して流下しやすくなる。

なお、水中軸受４０における開口４１を設ける場所、及び開口４１の数は、水中軸受４０の強度に基づいて決定されることが好ましい。図３に示す例では、開口４１によって離間されているすべり面の軸方向の長さＬｂが一致するように、開口４１が設けられているが、こうした例に限定されず、開口４１はすべり面の任意の場所に設けられればよい。また、図３に示す例では、３つの開口４１は互いに同一の寸法であるものとしたが、互いに異なる寸法であってもよい。

図２に説明を戻す。水中軸受４０は、軸受ケーシング３９によって支持されている。図５Ａは、図２による実施形態の軸受ケーシングの拡大側断面図である。また、図５Ｂは、実施形態の軸受ケーシングを図５Ａ中のＡ５_１－Ａ５_１方向から示す断面図であり、図５Ｃは、実施形態の軸受ケーシングを図５Ａ中のＡ５_２－Ａ５_２方向から示す断面図である。ここで、軸受ケーシング３９は、略円筒形状で内部に水中軸受４０の円筒外周を支持している。軸受ケーシング３９は、主軸１１の鉛直下方の一番低い位置に軸受ケーシング３９の内面から外面に貫通する少なくとも１か所の開口を備える。その開口は、図５Ａに示すように、水中軸受４０の開口４１に対応する位置に、異物を排出するための開口３９ａが設けられていることが好ましい。これにより、水中軸受４０の内部から開口４１を通じて排出される異物を水中軸受室１９内に案内することができる。なお、この例では、図５Ｂに示すように、軸受ケーシング３９の軸方向における開口３９ａに隣接する部分は、溝
も貫通孔も切られていない。

あるいは、軸受ケーシング３９は、主軸１１の鉛直下方の一番低い位置に、水中軸受４０の外周端部に通じる軸方向の溝が備えられる。図６Ａは、軸方向の溝を備えた軸受ケーシングの一例を示す拡大側面図であり、図６Ｂは、図６Ａによる軸受ケーシングを図６Ａ中のＡ６－Ａ６方向から示す断面図である。図６に示すように、その溝３９ｂは、水中軸受４０の開口４１に対応する位置の下部を連通し、水中軸受４０の外周端部から異物を排出する。これにより、水中軸受４０の内部から開口４１を通じて排出される異物を水中軸受室１９内に案内することができる。なお、この例では、軸受ケーシング３９には、内周面と外周面とを連通する貫通孔は形成されていない。

あるいは軸受ケーシング３９は、主軸１１の鉛直下方の一番低い位置に、軸方向の溝が備えられるとともに、主軸１１の鉛直下方の一番低い位置に軸受ケーシング３９の内面から外面に貫通する少なくとも１か所の開口を備える。図７Ａは、軸方向の溝と開口とを備えた軸受ケーシングの一例を示す拡大側面図である。また、図７Ｂは、図７Ａによる軸受ケーシングを図７Ａ中のＡ７_１－Ａ７_１方向から示す断面図であり、図７Ｃは、図７Ａによる軸受ケーシングを図７Ａ中のＡ７_２－Ａ７_２方向から示す断面図である。図７Ａ及び図７Ｂに示すように、その溝３９ｂは、水中軸受４０の開口４１に対応する位置の下部を連通し、図７Ａ及び図７に示すように、軸受ケーシング３９の貫通する開口３９ａに通ずる。これにより、水中軸受４０の内部から開口４１を通じて排出される異物を水中軸受室１９内に案内することができる。

なお、図２では、軸受ケーシング３９には、水中軸受４０の開口４１に応じた複数の開口３９ａが設けられている。しかし、こうした例に限定されず、軸受ケーシング３９には、複数の開口４１を含む大きな開口が設けられていてもよい。

以上説明した実施形態の横軸斜流ポンプ１０では、水中軸受４０のすべり面の下方の領域に、すべり面と外周面とを連通する開口４１が設けられている。これにより、インペラ１７によって移送される液体に含まれる異物が水中軸受４０内に侵入した場合にも、開口４１を通じて異物を外部に排出できる。したがって、異物が水中軸受４０内に留まることを抑制することができ、移送される液体を用いて潤滑される水中軸受４０において、液体に含まれる異物に対する耐摩耗性を向上させることができる。

また、横軸斜流ポンプ１０は、農業に使用される場合など、休閑のために一定期間使用されない場合がある。こうした場合に水中軸受４０の内部に滞留した異物が乾くと、次回に横軸斜流ポンプ１０を起動するときに主軸１１の回転が阻害されて、図示しない動力源に過大な負荷がかかったり、主軸１１および水中軸受４０の損傷を招いたりするおそれがある。これに対して、本実施形態の横軸斜流ポンプ１０では、水中軸受４０内に侵入した異物が自由落下等によって外部に排出されて内部に異物が留まることが抑制されるため、横軸斜流ポンプ１０の不使用時からの再起動を容易に行うことができる。

さらに、とくに水中軸受４０がフッ素樹脂、芳香族ポリエーテルケトン、炭素繊維、及び不可避不純物を含む樹脂材料から形成されることにより、ヒートショックによる割れが生じることを抑制できる。また、樹脂材料は、セラミックスよりも成形性に優れるため、開口４１が設けられている水中軸受４０を形成するのに優れていると考えられる。ただし、水中軸受４０は、こうした樹脂材料から形成されることに限定されず、任意の樹脂材料により形成されればよい。

（変形例１）
図８は、変形例１に係る水中軸受４０の拡大側断面図である。また、図９Ａは、変形例
１の水中軸受４０を図８中のＡ９_１－Ａ９_１方向から示す断面図であり、図９Ｂは、変形例１の水中軸受４０を図８中のＡ９_２－Ａ９_２方向から示す断面図である。図８及び図９Ａに示すように、変形例１の水中軸受４０は、実施形態の水中軸受４０に対して更に溝４２が設けられている。溝４２は、開口４１の周方向の端部４１ａから連続して、周方向に沿ってすべり面一周にわたって設けられている。言い換えれば、溝４２は、周方向に沿って開口４１の端部４１ａの一端から他端にわたって設けられている。溝４２の深さＤｇは、１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。これは、溝４２の深さＤｐが１ｍｍ未満であると異物を案内する効果が小さく、溝４２の深さＤｐが５ｍｍを越えても異物を案内する効果が上昇しないと考えられることに基づく。なお、図９Ｂに示すように、変形例１の水中軸受４０は、実施形態の水中軸受４０と同様に、開口４１に隣接する部分は、溝も貫通孔も切られていない。

変形例１にかかる水中軸受４０では、周方向において開口４１に連続して溝４２が設けられており、この溝４２によって水中軸受４０内部に侵入する異物を開口４１へ向かって案内することができる。これにより、水中軸受４０の軸方向の中央に向かって異物が侵入することをより好適に抑制することができる。なお、図８及び図９に示す例では、溝４２は、水中軸受４０のすべり面の上端を含めて一周にわたって設けられているが、一部にだけ設けられていてもよい。

（変形例２）
図１０は、変形例２に係る水中軸受４０の拡大側断面図である。上記した変形例１に係る水中軸受４０では、すべての開口４１に対して溝４２が設けられるものとした。しかし、図１０の変形例２に係る水中軸受４０に示すように、一部の開口４１にだけ溝４２が設けられるものとしてもよい。なお、図１０中、Ａ９_１－Ａ９_１方向から示す断面図は図９Ａに示す図と同一となり、Ａ４_１－Ａ４_１方向から示す断面図は図４Ａに示す図と略同一となり、Ａ９_２－Ａ９_２方向から示す断面図は図９Ｂと同一となる。図１０に示す例では、複数の開口４１における軸方向両端の開口４１に溝４２が連続して設けられており、軸方向中央側に位置する開口４１には溝４２が設けられていない。これは、異物が主として軸方向の両端から水中軸受４０の内部に侵入し、軸方向両端に近い領域に異物が比較的多く滞留すると考えられることに基づく。ただし、こうした例に限定されず、例えば、溝４２はインペラ１７に近い開口４１に対して設けられ、残りの開口４１に対しては設けられないものとしてもよい。

（変形例３）
図１１は、変形例３に係る横軸斜流ポンプの主軸の先端部の拡大側断面図である。変形例３に係る横軸斜流ポンプでは、水中軸受４０が、軸受ケーシング３９によって球面支持されている点を除いて、実施形態の横軸斜流ポンプ１０と同一である。図１１に示すように、水中軸受４０が球面支持されることにより、水中軸受４０は主軸１１の傾きに沿って回転することができ、すべり面にかかる負荷が偏ることを防止できる。

（変形例４）
上記した実施形態では、開口４１として周方向に沿って長い長孔が形成されるものとした。しかし、開口４１は、主軸１１の軸芯位置よりも下方の領域においてすべり面と外周面とを連通するものあればよく、たとえば螺旋状の孔が形成されてもよい。また、開口４１は、周方向に長い長孔であることに限定されず、軸方向に長い長孔であってもよいし、正方形の孔または丸孔などであってもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、上記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、本発明にはその均等物が含
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、実施形態および変形例の任意の組み合わせが可能であり、特許請求の範囲および明細書に記載された各構成要素の任意の組み合わせ、または、省略が可能である。

１０…横軸斜流ポンプ
１１…主軸（回転軸）
１１ａ…スリーブ
１７…インペラ（羽根車）
３９…軸受ケーシング
４０…水中軸受
４１…開口
４２…溝

Claims

水平方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された羽根車と、
前記羽根車が収容されるポンプケーシングと、
前記ポンプケーシング内に設けられ、前記回転軸に対してすべり接触するすべり面を有し、前記すべり面と前記回転軸間に水流が供給されない水中軸受と、
を備え、
前記水中軸受は、
前記水中軸受の前記すべり面には、前記回転軸の軸芯位置よりも下方の領域において外周面と連通する複数の開口が設けられ、
前記複数の開口は、前記回転軸の回転方向に沿って長い長孔であり、
軸方向に隣接する前記長孔の間の前記すべり面は平滑すべり面である、
横軸ポンプ。
水平方向に延びる回転軸と、
前記回転軸に固定された羽根車と、
前記羽根車が収容されるポンプケーシングと、
前記ポンプケーシング内に設けられ、前記回転軸に対してすべり接触するすべり面を有し、前記水中軸受のすべり面と前記回転軸間に水流が供給されない水中軸受と、
を備え、
前記水中軸受は、
前記水中軸受の前記すべり面には、前記回転軸の軸芯位置よりも下方の領域において外周面と連通する複数の開口が設けられ、
前記複数の開口は、前記回転軸の回転方向に沿って長い長孔であり、
前記開口の軸方向両端に隣接する前記すべり面は平滑すべり面である、
横軸ポンプ。
前記水中軸受の前記すべり面には、前記開口に連続して前記回転軸の回転方向に沿って延びる溝が設けられている、請求項１又は２に記載のポンプ。
前記水中軸受の前記すべり面には、複数の前記開口のうち前記回転軸の軸方向における端に位置する開口に連続して前記回転軸の回転方向に沿って延びる溝が設けられている、請求項２に記載のポンプ。
前記溝は、前記回転軸の回転方向に沿って前記開口の一端から他端にわたって設けられている、請求項３または４に記載のポンプ。
前記すべり面の直径に対する、前記回転軸の軸方向の前記開口が設けられている領域を除いた前記すべり面の長さの割合が、０．４以上１．５以下である、請求項１から５の何れか１項に記載のポンプ。
前記開口は、前記回転軸の回転方向において６０°以上１８０°未満の領域にわたって前記すべり面に設けられている、請求項１から６の何れか１項に記載の横軸ポンプ。
前記開口の前記回転軸の軸方向の長さは、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である、請求項１から７の何れか１項に記載の横軸ポンプ。
前記水中軸受を支持する軸受ケーシングを更に備え、
前記軸受ケーシングは、前記水中軸受の外周面を支持する支持面を有し、前記支持面には、前記軸方向に延びる溝が形成されている、
請求項１から８の何れか１項に記載の横軸ポンプ。
前記軸受ケーシングの前記支持面に形成された前記溝は、当該支持面の両端まで延びる、請求項９に記載の横軸ポンプ。
前記軸受ケーシングの前記支持面には、外周面と内周面とを連通する開口が形成されていない、請求項９または１０に記載の横軸ポンプ。