JPWO2016027585A1 - 立軸ポンプ - Google Patents

Abstract

立軸ポンプにおいて振動や摩擦を低減する。立軸ポンプであって、回転軸に接続して回転する物体と、外周面に第１の摺動部を有し該第１の摺動部を内周面で支持する第１のすべり軸受と、内周面に第２の摺動部を有し該第２の摺動部を外周面で支持する第２のすべり軸受とを備え、前記回転軸に接続して回転する物体の中で比較的重量の大きい物体に、前記第１の摺動部または第２の摺動部の少なくとも一方を接続する。

Description

本発明は、すべり軸受を有する立軸ポンプに関し、特に、先行待機運転ポンプやドライ条件で管理運転を行うポンプなどの、大気中運転と排水（通水）運転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、縦方向に配置された軸の先端にインペラ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。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）。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。

図３は、図１に示した先行待機運転を行う立軸ポンプ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、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、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、軸継手２６によって互いに接続された回転軸１０、１０´が配置されている。回転軸１０、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軸受６２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軸受６３によって支持されている。回転軸１０、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、１０´の他端側は、吐出エルボ３０に設けられた孔から立軸ポンプ３の外部へ通じ、インペラ２２を回転させる図示しないエンジンやモータ等の駆動機へ接続される。

回転軸１０、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、これにより立軸ポンプ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、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３に示した立軸ポンプ３は、ポンプ起動時には大気中で運転される。すなわち、軸受６２、６３は液体の潤滑のないドライ条件で運転される。ここでドライ条件とは、ポンプ運転中の軸受６２、６３の雰囲気が、液体の潤滑がない大気中である条件をいい、ドライ運転とはその条件で運転することをいう。また、軸受６２、６３は軸受に通水した排水条件でも運転される。ここで、排水条件とは、ポンプ運転中の軸受６２、６３の雰囲気が、土砂等の異物（スラリー）が混入した水中である条件をいい、排水運転とはその条件で運転すること、例えば気水混合運転、全量運転等、エアロック運転等をいう。このような条件で軸受６２、６３が使用されるので、軸受６２、６３には次のような課題があった。

軸受６２、６３には、すべり軸受が用いられる。このすべり軸受には様々な材料が使用されるが、ドライ運転を行う立軸ポンプ３の場合には、ドライ摺動性及び排水運転時の信頼性の観点から樹脂又はセラミックス製の軸受が用いられることが多い。この場合、すべり軸受には、ドライ運転時の摩擦発熱に耐えることとともに、排水運転時の水中のスラリーによる摩耗に強いことが要求される。しかしながら、この二つの特性は相反することが多く、一般に耐摩耗性の高い軸受材料は摩擦係数が高い傾向がある。このため排水運転時の耐摩耗性を優先して軸受材料を選定すると、ドライ条件での摩擦発熱が大きくなり、ドライ条件での摩擦発熱を抑えるために摩擦係数の低い軸受材料を選定すると、排水運転時のスラリーによる軸受材料の摩耗量が増加する。

また、すべり軸受やすべり軸受と共に用いる緩衝材に、樹脂やゴム等の高分子材料を用いる場合は、材料ごとに決定される使用可能温度の上限があるので、摩擦による発熱限度は、これらの材料の性質により決定される。

以上で説明した特性を有するすべり軸受において、すべり軸受の維持管理性を向上させるために、すべり軸受の耐摩耗性を向上させると、軸受すべり面の摩擦係数が大きくなり、この軸受すべり面の摩擦が原因となって、以下で説明する振動が発生する可能性がある。

一般に、立軸ポンプ３のような回転機械を運転すると、回転体自体が有する重量の不釣合いや流体荷重によって回転体に強制的に生じる加振力によって回転機械が振動することがある。しかしながら、この他に回転機械の振動の原因として、回転体の振れ回りによる変位方向（回転体の径方向）と直交する方向（回転体の周方向）に発生する力がある。この力は不安定化力と呼ばれ、回転体の減衰作用を打ち消す働きがある。結果、不安定化力によって回転体全体の減衰作用が負になると、発散的な振動（徐々に振れ回りが大きくなるような振動）を引き起こす場合がある。

ここで、立軸ポンプ３の起動時などの気中運転では水中運転と比べて軸受部に潤滑流体がないので、軸受すべり面は摩擦係数が大きい。この摩擦力が上記不安定化力となるので、摩擦係数が高い軸受材料を用いた場合には不安定化力が大きくなり、回転軸１０、１０´に回転方向と逆向きに振れ回る発散的な振動を引き起こすこととなる。

また、ドライ運転時にこのような発散的な振動が発生した場合、振動により軸受面圧が増大し、軸受すべり面で発生する摩擦力が極めて大きくなる。そのため、急激な軸受温度上昇による熱膨張や焼付きによって、軸受が機能不全に陥る可能性がある。

一方で立軸ポンプ３の排水運転時には、すべり軸受のすべり面に液膜が形成される。この液膜によって不安定化力が発生し、これによって大きな振動が発生する場合がある。この現象は、油で潤滑させるすべり軸受においては、オイルホイップ又はオイルホワールと呼ばれる現象と同様のメカニズムで発生する。この現象が発生すると、回転軸１０、１０´は激しく振動し、正常な運転が不可能となる。

これらの振動を防止するには、不安定化力の低減、又は減衰の付加による回転軸１０、１０´の安定性向上を図る必要があるが、ドライ運転時における不安定化力の原因である摩擦係数を大きく下げることは上述したように困難であり、また立軸ポンプ３の構造上、回転軸１０、１０´に十分な減衰作用を与えることが難しい。

このように、先行待機運転を行う立軸ポンプ用のすべり軸受では、耐摩耗性、耐発熱性（低摩擦性）、耐振動性といった性能が要求される。そしてこれらの要求を高いレベルで同時に満たす軸受として、発明者らは、外周面に第１の摺動部を有し且つ内周面に第２の摺動部を有し、水中及び大気中で回転可能な回転部材と、前記第１の摺動部を内周面で支持する第１のすべり軸受と、前記第２の摺動部を外周面で支持する第２のすべり軸受とを有する軸受を研究開発し、立軸ポンプに用いることを提案している。

前記開発した軸受によれば、外周面の第１の摺動部で第１のすべり軸受との摺動により回転部材に働く摩擦力と、内周面の第２の摺動部で第２のすべり軸受との摺動によって回転部材に働く摩擦力が互いに相殺し合うようになるので、耐摩耗性を犠牲にすることなく、ドライ運転時やスラリーを含む排水運転時等においても摩擦力や液膜などによる不安定化力による振動を低減することができ、また、軸受すべり面に加わる摩擦力を低減することができるので、すべり軸受の発熱量を低減できるようになる。

ところで、前記開発した軸受の配置は、支持部材を介してケーシング２９に固定されている上部軸受６２や、支持部材を介して吐出ボウル２８に固定されている下部軸受６３として配置されたり、図４に示すようにインペラ２２より下方（吸い込み側）のボトム軸受６６として配置されたりしてメインテナンス性を確保することが、本発明者らにより、これまで考えられてきている。しかしながら、どのような位置に配置することが、振動や摩擦をより最適に低減することができるのかについては検討がされていなかった。

また、ポンプは、要求された性能に応じて形状が異なるが、振動や摩擦の程度も異なっており、どのような位置に前記開発した軸受を配置するのが良いかの検討の必要性が高まってきた。

本発明は、従来見過ごしていた、前記開発した軸受の配置に着目し、どのようなポンプであっても、前記開発した軸受の最適な配置をすることにより、振動や摩擦を最適に低減することを目的とする。

回転体の不釣り合い力は、（回転体の重量［ｋｇ］）×（重心と回転中心のずれ［ｍ］）×（回転角速度［ｒａｄ／ｓ］の２乗）により算出される半径方向荷重として表される。発明者らは、摩擦による振動の要因である軸受摺動部の摩擦力は、インペラなどに生じる不釣り合い力が大きい部位（以下、荷重点と表記）に設けられる軸受で特に大きくなるという点を
（摩擦力）＝（摩擦係数）×（半径方向荷重）
の関係に基づいて捉えた。そのように捉えると、半径方向荷重はインペラなどの重量物近傍で大きくなるので、重量物近傍の摩擦力が最も大きくなる。立軸ポンプ３においては、駆動機とインペラが長い回転軸１０、１０´で接続されているので、回転体全体の半径方向荷重のほとんどがインペラ部分に集中して発生する。従って、摩擦力が一番大きくなる部分に摩擦力を相殺する軸受を配置することが一番効果的であると結論した。発明者らは、以上の様に鋭意検討した結果次のような手段を見出した。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に関する立軸ポンプは、回転軸に接続して回転する物体と、外周面に第１の摺動部を有し該第１の摺動部を内周面で支持する第１のすべり軸受と、内周面に第２の摺動部を有し該第２の摺動部を外周面で支持する第２のすべり軸受とを備え、前記回転軸に接続して回転する物体の中で比較的重量の大きい物体に、前記第１の摺動部及び第２の摺動部の少なくとも一方を近接して配置する。

本発明の別の形態に係る立軸ポンプによれば、前記比較的重量の大きい物体がインペラである。

本発明の別の形態に係る立軸ポンプは、回転軸と、前記回転軸に接続され、回転軸と共に回転するインペラと、回転軸とともに回転する第１の摺動部と、該第１の摺動部をその内周面で支持する第１の支持部と、を有する第１のすべり軸受と、回転軸とともに回転する第２の摺動部と、該第２の摺動部をその外周面で支持する第２の支持部と、を有する第２のすべり軸受とを備え、前記第１の摺動部及び第２の摺動部の少なくとも一方が、前記インペラの内部に設けられる。

本発明によれば、どのようなポンプであっても、不釣り合い力によって摺動面の摩擦力が大きくなりやすいインペラなどの回転体重量物に摩擦力を相殺する軸受を配置するので、回転体にかかる摩擦力を効果的に減ずることができる。したがって、振動や摩擦を最適に低減することができる。

先行待機運転を行う立軸ポンプの部分外略図である。 先行待機運転の運転状態を説明する図である。 先行待機運転を行う立軸ポンプの全体を示す断面図である。 先行待機運転を行う立軸ポンプの従来の軸受の配置図である。 図３に示す部分ａの詳細図である。 図５で説明した実施例の変形例である。 第１のすべり軸受と第２のすべり軸受とによる摩擦力を相殺する原理を説明する縦断面模式図である。 図７に示すＸＸ´断面における断面図である。 ドライ運転時における第１のすべり軸受及び第２のすべり軸受の動作を示す図である。 排水運転時における第１のすべり軸受及び第２のすべり軸受の動作を示す図である。

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から図１０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。

図５は、図３の部分ａの詳細図であり、回転軸１０´の上下方向に第１のすべり軸受１と第２のすべり軸受２が配置された状態に関する部分を示す図である。なお、本実施形態に係る立軸ポンプは、図３に示した立軸ポンプと類似の形状を有しているので、全体の説明は省略する。

図３に示したように、立軸ポンプ３における吐出ボウル２８の内部には、ガイドベーン４１を介して内筒４２が回転軸１０´を囲んで配置される。図５に示すように、回転軸１０´は、第１のすべり軸受１と、第２のすべり軸受２とにより支持されている。第１のすべり軸受１は、図３に示された内筒４２の内部で内筒４２に接続する支持部材４３により支持される。

図５に示すように、第１のすべり軸受１は、第１スリーブ３１（第１の摺動部）と、第１軸受４４（第１の支持部）とを有する。第１のすべり軸受１では、回転体の外周側の摺動部として、回転軸１０´（回転体）の外周側に第１スリーブ３１が固定され、第１スリーブ３１は、回転軸１０´の回転に伴い回転する。第１スリーブ３１の外周と摺動する第１軸受４４が、固定側の内周側の摺動部として、第１バックメタル５１及び第１緩衝材５２を介して第１軸受ホルダ５３により支持部材４３に固定される。

第２のすべり軸受２は、第２スリーブ３７（第２の支持部）と、第２軸受３９（第２の摺動部）とを有する。第２のすべり軸受２では、回転体の内周側の摺動部として、第２軸受３９が、第２バックメタル５４及び第２緩衝材５５を介して第２軸受ホルダ５９（回転体）によりインペラ２２あるいはインペラ２２に近接する位置で回転体（回転軸１０´、インペラ２２、第２軸受ホルダ５９等）に固定される。言い換えれば、第２軸受３９は、インペラ２２の内部（回転軸１０´が通過するインペラ２２の内部）に位置する第２軸受ホルダ５９等の回転体に固定される。第２軸受３９は、図示の例のようにインペラ２２の内部に位置する第２軸受ホルダ５９に固定されていてもよいし、インペラ２２又は回転軸１０´に直接固定されていてもよい。第２軸受３９は、インペラ２２等の回転に伴い回転する。第２軸受３９の内周と摺動する固定側の外周側の摺動部として、第２スリーブ３７が支持部材４３と接続する固定スリーブホルダ５６の外周に固定される。

固定スリーブホルダ５６は、支持部材４３に接続する接続部分５６ａと、第２スリーブ３７を支持する円筒状のスリーブ支持部５６ｂとからなる。スリーブ支持部５６ｂの長手方向の長さをインペラ２２の重心位置にまで伸ばして加工することは可能であるので、第２のすべり軸受２は、インペラ２２の重心位置に最も近い位置に配置することができる。

固定スリーブホルダ５６及びインペラ２２の第２軸受ホルダ５９近傍には、各々第１通水孔５７、第２通水孔５８が設けられ、第１スリーブ３１と第１軸受４４との間及び第２スリーブ３７と第２軸受３９との間の通水がなされるので、円滑な摺動が行われる。それとともに、堆積物の蓄積を防止することができ、また大気運転や水中運転の切替において、摺動部周辺の大気と水の切替を速やかに行えるので、両者の過渡的状況による振動が速やかに低減するようになっている。

図６は、図５で説明した実施例の変形例である。図６は、回転軸１０´の同一回転平面に第１のすべり軸受１と第２のすべり軸受２が配置されながら、両すべり軸受１，２をインペラ２２に近接して配置した状態を示す図である。

第１のすべり軸受１では、回転体の外周側の摺動部として、インペラ２２あるいはインペラ２２に近接する位置における回転体（回転軸１０´等）に接続される第２軸受兼スリーブホルダ６４の外周側に第１スリーブ３１が固定される。第１スリーブ３１は、回転軸１０´の回転に伴い回転する。言い換えれば、第１スリーブ３１は、インペラ２２の内部に位置する第２軸受兼スリーブホルダ６４等の回転体に固定される。第１スリーブ３１は、図示の例のようにインペラ２２の内部に位置する第２軸受兼スリーブホルダ６４の外周側に固定されていてもよいし、インペラ２２又は回転軸１０´に直接固定されていてもよい。

第１スリーブ３１の外周と摺動する固定側の内周側の摺動部として、第１軸受４４が、第１バックメタル５１や第１緩衝材５２とともに、支持部材４３と接続する第１軸受兼固定スリーブホルダ６５の内周に固定される。

第２のすべり軸受２では、回転体の内周側の摺動部として、第２軸受３９が、第２バックメタル５４や第２緩衝材５５とともに第２軸受兼スリーブホルダ６４によりインペラ２２あるいはインペラ２２に近接する位置における回転体（回転軸１０´等）に固定される。第２軸受３９は、インペラ２２等の回転に伴い回転する。言い換えれば、第２軸受３９は、インペラ２２の内部に位置する第２軸受兼スリーブホルダ６４等の回転体に固定される。第２軸受３９は、図示の例のようにインペラ２２の内部に位置する第２軸受兼スリーブホルダ６４の内周側に固定されていてもよいし、インペラ２２又は回転軸１０´に直接固定されていてもよい。

第２軸受３９の内周と摺動する固定側の外周側の摺動部として、第２スリーブ３７が支持部材４３と接続する第１軸受兼固定スリーブホルダ６５の外周に固定される。

このように、第２軸受兼スリーブホルダ６４の外周面が、第１のすべり軸受１として、第２軸受兼スリーブホルダ６４の内周面が、第２のすべり軸受２として、各々摺動部を形成する。

第１軸受兼固定スリーブホルダ６５は、支持部材４３に接続する接続部分６５ａと、その内周面で第１軸受４４を支持する円筒状の第１軸受ホルダ５３と、その外周面で第２スリーブ３７を支持する円筒状の固定スリーブホルダ５６とからなる。これらの円筒状の部材の長手方向の長さをインペラ２２の重心位置にまで伸ばして加工することは可能であるので、第２のすべり軸受２は、インペラ２２の重心位置に最も近い位置に配置することができる。

第１軸受兼固定スリーブホルダ６５並びに第２軸受兼スリーブホルダ６４の近傍には、各々第１通水孔５７、第２通水孔５８が設けられ、各スリーブ、軸受間の通水がなされるので、円滑な摺動が行われる。それとともに、堆積物の蓄積を防止や、大気運転や水中運転の切替において、摺動部周辺の大気と水の切替を速やかに行えるので、両者の過渡的状況による振動が速やかに低減するようになっている。

次に、第１のすべり軸受と第２のすべり軸受について説明する。図７は、第１のすべり軸受と第２のすべり軸受とによる摩擦力を相殺する原理を説明する縦断面模式図である。図示の例では、回転軸１０（１０´）（回転体）の外周に第１スリーブ３１（第１の摺動部）が設けられる。第１スリーブ３１の材料は実用的には超硬合金やステンレス鋼等からなる。第１スリーブ３１の外周側には、中空円筒の第１軸受４４（第１の支持部）が設けられている。すなわち、第１軸受４４の内側に第１スリーブ３１が接触し摺動する。第１軸受４４の材料は実用的には樹脂材料、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。第１スリーブ３１の外周面（第１の摺動部４６）は、第１軸受４４の内周面（すべり面）と非常に狭い第１のクリアランス４７を介して対面し、第１軸受４４のすべり面に対して摺動するように構成されている。第１軸受４４の外周部は、略円筒状の軸受ケース３２の内周面に固定されている。軸受ケース３２の材料は実用的には金属又は樹脂からなる。

また、軸受ケース３２の外周面には、中空円筒の第２軸受３９（第２の支持部）が設けられている。第２軸受３９の材料は、実用的には樹脂材料、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。尚、第１軸受４４と第２軸受３９の材料は、材料の線膨張係数によるクリアランス変化の観点から、同種材料がより好ましい。

回転軸１０（１０´）には、固定ピン又はボルト等の固定手段３３ａによって略円筒状のスリーブケース３８が固定されており、スリーブケース３８（回転体）は、回転軸１０（１０´）が回転することで回転軸１０（１０´）とともに回転するように構成されている。スリーブケース３８の内周面には第２スリーブ３７（第２の摺動部）が設けられ、第２スリーブ３７の内周面（第２の摺動部３６）は第２軸受３９の外周面（すべり面）と非常に狭い第２のクリアランス４８を介して対面し、第２軸受３９のすべり面に対して摺動するように構成されている。すなわち、第２軸受３９の外側で第２スリーブ３７が外接し摺動する。尚、スリーブ３１，３７は、一般的に軸材等の外周に設置されるものであるが、本願においては、軸受ユニットの構成を分かりやすくするため、便宜上、主となる軸受材を担うものを第１、第２のすべり軸受とし、相対する被摺動部材をスリーブと称するものとする。また、図７に示される例では、図５及び図６に示される第１バックメタル５１、第１緩衝材５２、第２バックメタル５４、及び第２緩衝材５５が設けられていないが、これらが設けられていてもよい。

第１軸受４４及び第２軸受３９は、軸受ケース３２のつば部３２ａを介してポンプなどのケーシングとつながる支持部材３５等に、ボルト等の固定手段３３ｂにより固定されている。尚、以上の例では、回転体（回転軸１０（１０´））の外周に第１スリーブ３１が保持され、第１スリーブ３１の外周側に対応する非回転の軸受を第１軸受４４としている。一方、回転体（スリーブケース３８）の内周に第２スリーブ３７を有し、第２スリーブ３７の内周側に対応する非回転の軸受を第２軸受３９としている。しかし、回転体（回転軸１０（１０´））の外周に第１軸受４４を保持し、対応する非回転体に第１スリーブ３１を備える場合もあり得る。また、第１のすべり軸受１において回転体の外周に第１スリーブ３１を保持し、それに対応する第１軸受４４が非回転側にある状態で、第２のすべり軸受２において回転体の内周に第２軸受３９を保持し、それに対応する第２スリーブ３７が非回転側にある状態、およびその逆もあり得る。即ち、第１軸受４４と第１スリーブ３１との位置関係及び第２軸受３９と第２スリーブ３７との位置関係がどのような関係であったとしても、第１のすべり軸受１と第２のすべり軸受２とによる摩擦力を相殺する基本的な原理は変わらない。

この第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２が、例えば立軸ポンプなどの排水ポンプで用いられ、水中の環境で使用される場合を考慮して、スリーブケース３８には、スラリー等を含む水を第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８に通水する給水口４０が設けられている。給水口４０に流入した水は、流路としての第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８を通過する。このように、第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８へ水を通過させる流路が形成され、第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８も流路として機能するので、排水運転時に空気が滞留することなく速やかに第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８に水が流れ、第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２の機能を速やかに発揮することができる。

また、第１軸受４４及び第２軸受３９は、始動時はドライ条件下で第１スリーブ３１及び第２スリーブ３７を支持し、排水条件においては極めて薄い液膜を介して第１スリーブ３１及び第２スリーブ３７を支持する。ここで、ドライ条件とは、運転中の第１軸受４４及び第２軸受３９の雰囲気が、液体の潤滑がない大気中である条件をいい、ドライ運転とはその条件で運転することをいう。

回転軸１０（１０´）の定常的な振れ回りを抑制し、また振れ回りによって第１軸受４４及び第２軸受３９に加わる荷重を抑制するために、第１のクリアランス４７の直径隙間寸法（第１軸受４４の内径−第１スリーブ３１の外径）及び第２のクリアランス４８の直径隙間寸法（第２スリーブ３７の内径−第２軸受３９の外径）は、それぞれ第１軸受４４の内径の１／１０００以上１／１００以下、第２軸受３９の外径の１／１０００以上１／１００以下であることが好ましい。第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８の寸法がこれらの範囲より大きい場合は、回転軸１０（１０´）の定常的な振れ回りが大きくなり、この振れ回りによって第１軸受４４及び第２軸受３９に加わる荷重も大きくなり、安定的な運転が困難になる場合がある。また、第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８の寸法がこれらの範囲より小さい場合は、第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８が異物により閉塞したり、第１軸受４４及び第２軸受３９が異物との摩擦により焼きついたりする場合がある。

第１のクリアランス４７の直径隙間寸法と第２のクリアランス４８の直径隙間寸法は同一であることが好ましいが、第１軸受４４、第２軸受３９、第１スリーブ３１、又は第２スリーブ３７が樹脂で形成されている等、これらの部材が弾性を有していれば、その寸法に差があっても本発明の機能を発揮する。この場合は、第１のクリアランス４７の直径隙間寸法に対する第２のクリアランス４８の直径隙間寸法の比率は、好ましくは０．５以上２．０以下であり、より好ましくは０．７以上１．３以下である。ただし、後述するように、第１軸受４４、第２軸受３９、第１スリーブ３１、又は第２スリーブ３７を、さらにゴムなどの緩衝材を介して固定する場合は（図６等参照）、緩衝材の変形によって上記寸法の範囲でなくとも第１軸受４４と第２軸受３９が同時に夫々第１スリーブ３１及び第２スリーブ３７と接触可能であり、本発明の機能を発揮する。

図８は、図７に示すＸＸ´断面における断面図である。図示のように、第１スリーブ３１の外周面、第１軸受４４の内周面、第２軸受３９の外周面、及び第２スリーブ３７の内周面のそれぞれの中心が中心軸Ｏと略一致するように構成されている。なお、図８においては、第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８の寸法は、便宜上拡大されて示されている。

図９は、ドライ運転時における第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２の動作を示す図である。回転軸１０（１０´）が回転すると、回転軸１０（１０´）に固定された第１スリーブ３１、及びスリーブケース３８に固定された第２スリーブ３７も回転する。ドライ条件においては、第１スリーブ３１の外周面が第１軸受４４に点Ａにて接触したときに、回転軸１０（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（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（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。

一方で、第２スリーブ３７が第２軸受３９に点Ｂにて接触することで、軸受反力Ｆ_ＢＮが発生し、この軸受反力Ｆ_ＢＮによって、摩擦力Ｆ_ＡＦと逆方向の力である摩擦力Ｆ_ＢＦが発生する。回転軸１０（１０´）の系において、摩擦力Ｆ_ＡＦと摩擦力Ｆ_ＢＦは相殺されるので、回転軸１０（１０´）は安定して回転することができる。また、回転軸１０（１０´）に係る荷重（軸受反力）が点Ａと点Ｂに分散されることで、すべり軸受に加わる摩擦力も分散される。その結果摩擦による発熱が低減され、ドライ運転時における軸受の温度上昇が抑制される。

図１０は、排水運転時における第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２の動作を示す図である。第１のクリアランス４７及び第２のクリアランス４８は水で満たされており、この水は夫々液膜４９、液膜５０を構成し、これにより第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２は流体潤滑軸受ユニットとして機能する。このとき液膜４９には、回転軸１０（１０´）の回転による周方向の圧力不均一が生じ、その結果、回転軸１０（１０´）に半径方向流体力Ｆ_ＡＲと周方向流体力Ｆ_ＡＴが発生する。この周方向流体力Ｆ_ＡＴは排水運転時に振動を発生させる不安定化力となる。なお、この周方向流体力Ｆ_ＡＴは上記ドライ運転で発生する摩擦力Ｆ_ＡＦとは逆方向の力である。

従来は、立型の回転軸においてこの液膜による不安定振動を防止するために、軸受の内面形状を真円形状ではなく多円弧形状に形成することが行われていた。しかしながら、スラリーを多く含有する水中において、樹脂からなる軸受を用いた場合、摩耗によって軸受の内面形状が真円形状に近づき、振動抑制効果を失うことがあった。

ここで、本軸受ユニットによれば、第２のクリアランス４８における液膜５０において、第２スリーブ３７の回転による周方向の圧力不均一が生じ、その結果、回転軸１０（１０´）に半径方向流体力Ｆ_ＢＲと周方向流体力Ｆ_ＢＴが発生する。このとき、周方向流体力Ｆ_ＡＴと周方向流体力Ｆ_ＢＴとは互いに逆方向であるので、液膜４９、液膜５０による不安定化力は相殺され、回転軸１０（１０´）は不安定化力による振動を発生することなく安定して回転することができる。

以上、第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２は、ドライ運転時、及び排水運転時のいずれの常用運転においても、摺動面で常時摺動して回転軸を支えるすべり軸受でありながら、第１軸受の接点と、第２軸受の接点に働く摩擦力が相殺するので、不安定化力による回転軸の振動を抑制し、回転軸の安定した回転を維持することができる。

以上で説明したように、図７に示した第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２によれば、ドライ運転時において回転軸１０（１０´）の軸の振れ回りにより、第１軸受４４及び第２軸受３９に回転体（第１スリーブ３１及び第２スリーブ３７）が衝突しても、その衝突時に摩擦力の向きが互いに逆向きに作用して相殺するので、回転軸１０（１０´）の振れ回りの発散を抑制し、不安定化による振動を防止することができる。加えて、この振動に起因する摩擦を低減して、軸受温度の上昇を抑制することができる。

図７に示した第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２は、第１軸受４４と第２軸受３９を有するので、ドライ運転時における軸受すべり面の摩擦力を分散して、軸受すべり面の摩擦による発熱を抑制することができる。これにより、従来構造よりも摩擦係数の高い軸受材料、即ち耐摩耗性の高い軸受材料を使用することができ、長期間にわたって安定した運転をすることができる。

また、図７に示した第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２は、軸受ケース３２の内周面に第１軸受４４を保持し、その外周面に第２軸受３９を保持するので、立軸ポンプの軸方向にコンパクトな構造とすることができる。

図５及び図６に示した第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２は、図７に示した第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２と同様の効果を有し得る。さらに、図５及び図６に示した第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２は、不釣り合い力によって摺動面の摩擦力が大きくなりやすいインペラなどの比較的重量の大きい回転体重量物に近接して、摩擦力を相殺する軸受を配置するので、回転体にかかる摩擦力を効果的に減ずることができる。したがって、振動や摩擦を最適に低減することができる。

ところで、本実施形態に係る第１のすべり軸受１及び第２のすべり軸受２を備えた立軸ポンプは、回転軸１０（１０´）の水中に位置する部分（第１スリーブ３１及び第２スリーブ３７）の支持は第１軸受４４及び第２軸受３９等の軸受のみで行われる。即ち、排水運転を行う回転機械の水中軸受には、玉軸受やコロ軸受のような転がり軸受は適しておらず、すべり軸受によって本実施形態の効果を奏することができる。

以上で説明した本願発明に係るすべり軸受において、スリーブ、及び各すべり軸受の摺動面の反対側には、必ずしも緩衝材を設けなくてもよい。以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことはいうまでもない。

３…立軸ポンプ
１０，１０´…回転軸
２２…インペラ
３１…第１スリーブ
３２…軸受ケース
３７…第２スリーブ
３９…第２軸受
４４…第１軸受
５３…第１軸受ホルダ
５６…固定スリーブホルダ
５９…第２軸受ホルダ

Claims (3)

1. 立軸ポンプであって、
   回転軸に接続して回転する物体と、
   外周面に第１の摺動部を有し該第１の摺動部を内周面で支持する第１のすべり軸受と、内周面に第２の摺動部を有し該第２の摺動部を外周面で支持する第２のすべり軸受とを備え、前記回転軸に接続して回転する物体の中で比較的重量の大きい物体に、前記第１の摺動部及び第２の摺動部の少なくとも一方を近接して配置することを特徴とする立軸ポンプ。
2. 前記比較的重量の大きい物体がインペラであることを特徴とする請求項１記載の立軸ポンプ。
3. 回転軸と、
   前記回転軸に接続され、回転軸と共に回転するインペラと、
   回転軸とともに回転する第１の摺動部と、該第１の摺動部をその内周面で支持する第１の支持部と、を有する第１のすべり軸受と、
   回転軸とともに回転する第２の摺動部と、該第２の摺動部をその外周面で支持する第２の支持部と、を有する第２のすべり軸受とを備え、
   前記第１の摺動部及び第２の摺動部の少なくとも一方が、前記インペラの内部に設けられることを特徴とする立軸ポンプ。

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