WO2016027585A1 - 立軸ポンプ - Google Patents
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- F04D29/05—Shafts or bearings, or assemblies thereof, specially adapted for elastic fluid pumps
- F04D29/056—Bearings
Definitions
- the present invention relates to a vertical shaft pump having a sliding bearing, and more particularly to a vertical shaft pump that performs an operation in the atmosphere and a drainage (water flow) operation such as a prior standby operation pump or a pump that performs a management operation under dry conditions.
- drainage pumps installed in the drainage pump station should have rainwater before reaching the drainage pump station in order to prevent inundation damage due to delays in starting. Pre-standby operation to be started is performed.
- FIG. 1 is a partial schematic diagram of a vertical shaft pump that performs a preliminary standby operation.
- the water tank 100 of the drainage station is provided with an impeller 22 at the end of a shaft arranged in the vertical direction, and the impeller 22 is inhaled with air to operate even if the water level of the water tank 100 is below the minimum operating water level LWL.
- a vertical shaft pump 3 capable of continuing (preceding standby operation) is disposed.
- This vertical shaft pump 3 is provided with a through hole 5 in the side surface portion of the suction bell 27 on the inlet side of the impeller 22, and an air pipe 6 having an opening 6 a in contact with outside air is attached to the through hole 5. Yes.
- the supply amount of the air supplied into the vertical shaft pump 3 through the through hole 5 is changed according to the water level, and the drainage amount of the vertical pump 3 is controlled below the minimum operating water level LWL.
- FIG. 2 is a diagram for explaining the operating state of the preceding standby operation.
- a vertical shaft pump is started in advance according to rainfall information or the like regardless of the suction water level (A: air operation).
- A air operation
- the vertical shaft pump is operated from the idling operation (air operation) to the agitating operation with the impeller (B: air / water agitation operation), and further through the through hole.
- D steady operation
- C air / water mixing operation
- FIG. 3 is a cross-sectional view showing the entire vertical shaft pump 3 that performs the preliminary standby operation shown in FIG. The through hole 5 and the air pipe 6 shown in FIG. 2 are not shown.
- the vertical shaft pump 3 is connected to the discharge elbow 30 that is installed and fixed on the pump installation floor, the casing 29 that is connected to the lower end of the discharge elbow 30, and the lower end of the casing 29.
- a discharge bowl 28 stored inside, and a suction bell 27 connected to the lower end of the discharge bowl 28 for sucking water are provided.
- Rotating shafts 10, 10 ′ connected to each other by a shaft coupling 26 are disposed in the radial center of the casing 29, the discharge bowl 28, and the suction bell 27 of the vertical shaft pump 3.
- the rotary shafts 10 and 10 ' are supported by an upper bearing 62 fixed to the casing 29 via a support member and a lower bearing 63 fixed to the discharge bowl 28 via a support member.
- An impeller 22 for sucking water into the pump is connected to one end side (suction bell 27 side) of the rotary shafts 10 and 10 '.
- the other end side of the rotary shafts 10 and 10 ′ is connected to a driving machine such as an engine or a motor (not shown) that rotates the impeller 22 through the hole provided in the discharge elbow 30 to the outside of the vertical shaft pump 3.
- a shaft seal 34 such as a floating seal, a gland packing, or a mechanical seal is provided between the rotary shafts 10 and 10 'and a hole provided in the discharge elbow 30, and thereby water handled by the vertical pump 3 is supplied to the vertical pump. 3 is prevented from flowing out.
- the drive will be installed on land so that maintenance and inspection can be performed easily.
- the rotation of the driving machine is transmitted to the rotating shafts 10, 10 ', and the impeller 22 can be rotated.
- the water is sucked from the suction bell 27 by the rotation of the impeller 22, passes through the discharge bowl 28 and the casing 29, and is discharged from the discharge elbow 30.
- the vertical shaft pump 3 shown in FIG. 3 is operated in the atmosphere when the pump is started. That is, the bearings 62 and 63 are operated under dry conditions without liquid lubrication.
- the dry condition refers to a condition in which the atmosphere of the bearings 62 and 63 during pump operation is in the air without liquid lubrication, and the dry operation refers to operation under that condition.
- the bearings 62 and 63 are also operated under drainage conditions in which water has passed through the bearings.
- the drainage condition refers to a condition in which the atmosphere of the bearings 62 and 63 during the pump operation is in water mixed with foreign matter (slurry) such as earth and sand. It refers to water-mixing operation, full-volume operation, air lock operation, etc. Since the bearings 62 and 63 are used under such conditions, the bearings 62 and 63 have the following problems.
- Slide bearings are used for the bearings 62 and 63.
- Various materials are used for this slide bearing, but in the case of the vertical shaft pump 3 that performs dry operation, a bearing made of resin or ceramics is used from the viewpoint of dry slidability and reliability during drainage operation. There are many.
- the slide bearing is required to withstand frictional heat generation during the dry operation and to be resistant to abrasion due to the slurry in the water during the drain operation.
- these two characteristics often contradict each other, and bearing materials with high wear resistance generally tend to have a high friction coefficient.
- the rotating machine when a rotating machine such as the vertical shaft pump 3 is operated, the rotating machine may vibrate due to an unbalanced weight of the rotating body itself or an excitation force that is forcedly generated in the rotating body due to a fluid load.
- a cause of vibration of the rotating machine there is a force generated in a direction (circumferential direction of the rotating body) perpendicular to the displacement direction (radial direction of the rotating body) due to the swing of the rotating body.
- This force is called destabilizing force and has the function of canceling the damping action of the rotating body.
- divergent vibration (vibration that gradually increases the swinging) may be caused.
- a sliding bearing for a vertical shaft pump that performs a preliminary standby operation is required to have performances such as wear resistance, heat generation resistance (low friction), and vibration resistance.
- the inventors have a first sliding portion on the outer peripheral surface and a second sliding portion on the inner peripheral surface, and are in water and in the atmosphere.
- the frictional force acting on the rotating member by sliding with the first sliding bearing at the first sliding portion on the outer peripheral surface, and the second at the second sliding portion on the inner peripheral surface. Since the frictional force acting on the rotating member is offset by sliding with the sliding bearing, the frictional force and liquid can be reduced during dry operation and drainage operation including slurry without sacrificing wear resistance.
- the vibration due to the destabilizing force due to the film or the like can be reduced, and the frictional force applied to the bearing sliding surface can be reduced, so that the heat generation amount of the sliding bearing can be reduced.
- the arrangement of the developed bearing is arranged as an upper bearing 62 fixed to the casing 29 via a support member or a lower bearing 63 fixed to the discharge bowl 28 via a support member.
- the maintenance is ensured by arranging the bottom bearing 66 below (suction side) below the impeller 22.
- no investigation has been made on the position at which the vibration and friction can be more optimally reduced.
- pumps have different shapes depending on the required performance, but the degree of vibration and friction is also different, and there is an increasing need to consider where to place the developed bearings. I came.
- the present invention pays attention to the arrangement of the developed bearing, which has been overlooked in the past, and optimally reduces the vibration and friction by arranging the developed bearing regardless of the pump. With the goal.
- the unbalanced force of the rotating body is a radial load calculated by (weight of the rotating body [kg]) ⁇ (deviation of the center of gravity and rotation center [m]) ⁇ (square of rotational angular velocity [rad / s]). expressed.
- the inventors have pointed out that the frictional force of the sliding portion of the bearing, which is a factor of vibration due to friction, is particularly large in a bearing provided in a portion where the unbalance force generated in the impeller or the like is large (hereinafter referred to as a load point).
- (Friction force) (Friction coefficient) x (Radial load) Based on the relationship.
- a vertical shaft pump has an object connected to a rotating shaft for rotation, a first sliding portion on an outer peripheral surface, and the first sliding portion on the inner periphery.
- the relatively heavy object is an impeller.
- a vertical shaft pump includes a rotating shaft, an impeller connected to the rotating shaft and rotating together with the rotating shaft, a first sliding portion rotating together with the rotating shaft, and the first sliding
- a first slide bearing having a first support portion that supports the portion on its inner peripheral surface, a second sliding portion that rotates together with the rotating shaft, and the second sliding portion on its outer peripheral surface.
- a second slide bearing having a second support portion to support, wherein at least one of the first sliding portion and the second sliding portion is provided inside the impeller.
- a bearing that cancels the frictional force is disposed on a rotating body such as an impeller that tends to increase the frictional force of the sliding surface due to an unbalanced force.
- the frictional force applied to can be effectively reduced. Therefore, vibration and friction can be optimally reduced.
- FIG. 4 is a detailed view of a part a shown in FIG. 3. It is a modification of the embodiment described in FIG. It is a longitudinal cross-sectional schematic diagram explaining the principle which cancels the frictional force by a 1st slide bearing and a 2nd slide bearing. It is sectional drawing in the XX 'cross section shown in FIG.
- FIG. 5 is a detailed view of the part a in FIG. 3 and shows a part relating to a state in which the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 are arranged in the vertical direction of the rotating shaft 10 ′.
- the vertical pump according to the present embodiment has a shape similar to that of the vertical pump shown in FIG.
- an inner cylinder 42 is disposed inside the discharge bowl 28 of the vertical shaft pump 3 so as to surround the rotary shaft 10 ′ via a guide vane 41.
- the rotary shaft 10 ′ is supported by a first slide bearing 1 and a second slide bearing 2.
- the first plain bearing 1 is supported by a support member 43 connected to the inner cylinder 42 inside the inner cylinder 42 shown in FIG.
- the first plain bearing 1 includes a first sleeve 31 (first sliding portion) and a first bearing 44 (first support portion).
- the first sleeve 31 is fixed to the outer peripheral side of the rotating shaft 10 '(rotating body) as the sliding portion on the outer peripheral side of the rotating body, and the first sleeve 31 is connected to the rotating shaft 10'. Rotates with rotation.
- the first bearing 44 that slides on the outer periphery of the first sleeve 31 is supported by the first bearing holder 53 via the first back metal 51 and the first cushioning material 52 as a sliding portion on the inner peripheral side on the fixed side. 43 is fixed.
- the second plain bearing 2 has a second sleeve 37 (second support part) and a second bearing 39 (second sliding part).
- the second bearing 39 serves as a sliding portion on the inner peripheral side of the rotating body by the second bearing holder 59 (rotating body) via the second back metal 54 and the second buffer material 55.
- the impeller 22 or a position close to the impeller 22 is fixed to a rotating body (rotating shaft 10 ′, impeller 22, second bearing holder 59, etc.).
- the second bearing 39 is fixed to a rotating body such as the second bearing holder 59 located inside the impeller 22 (inside the impeller 22 through which the rotation shaft 10 ′ passes).
- the second bearing 39 may be fixed to the second bearing holder 59 located inside the impeller 22 as in the illustrated example, or may be directly fixed to the impeller 22 or the rotary shaft 10 ′.
- the second bearing 39 rotates as the impeller 22 and the like rotate.
- the second sleeve 37 is fixed to the outer periphery of the fixed sleeve holder 56 connected to the support member 43 as a sliding portion on the outer peripheral side of the fixed side that slides with the inner periphery of the second bearing 39.
- the fixed sleeve holder 56 includes a connection portion 56 a connected to the support member 43 and a cylindrical sleeve support portion 56 b that supports the second sleeve 37. Since the length of the sleeve support portion 56b in the longitudinal direction can be extended to the position of the center of gravity of the impeller 22, the second slide bearing 2 is disposed at a position closest to the position of the center of gravity of the impeller 22. Can do.
- a first water passage hole 57 and a second water passage hole 58 are provided, respectively, between the first sleeve 31 and the first bearing 44 and the second water passage hole 58. Since water is passed between the sleeve 37 and the second bearing 39, smooth sliding is performed. At the same time, accumulation of sediments can be prevented, and air and water around the sliding part can be switched quickly when switching between atmospheric operation and underwater operation. It comes to reduce.
- FIG. 6 is a modification of the embodiment described in FIG.
- FIG. 6 is a view showing a state in which both the slide bearings 1 and 2 are arranged close to the impeller 22 while the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 are arranged on the same rotation plane of the rotary shaft 10 ′. It is.
- the second bearing / sleeve holder 64 connected to the impeller 22 or the rotating body (rotating shaft 10 ′) at a position close to the impeller 22 as a sliding portion on the outer peripheral side of the rotating body.
- the first sleeve 31 is fixed to the outer peripheral side.
- the first sleeve 31 rotates with the rotation of the rotation shaft 10 '.
- the first sleeve 31 is fixed to a rotating body such as the second bearing / sleeve holder 64 positioned inside the impeller 22.
- the first sleeve 31 may be fixed to the outer peripheral side of the second bearing / sleeve holder 64 located inside the impeller 22 as in the illustrated example, or directly fixed to the impeller 22 or the rotary shaft 10 ′. May be.
- the first bearing 44 is connected to the support member 43 together with the first back metal 51 and the first cushioning material 52 as a sliding portion on the inner peripheral side of the fixed side that slides with the outer periphery of the first sleeve 31. It is fixed to the inner periphery of the cum fixing sleeve holder 65.
- the second bearing 39 is used as the sliding portion on the inner peripheral side of the rotating body together with the second back metal 54 and the second cushioning material 55 by the second bearing / sleeve holder 64.
- 22 is fixed to a rotating body (rotating shaft 10 ′ or the like) at a position close to 22.
- the second bearing 39 rotates as the impeller 22 and the like rotate.
- the second bearing 39 is fixed to a rotating body such as the second bearing / sleeve holder 64 located inside the impeller 22.
- the second bearing 39 may be fixed to the inner peripheral side of the second bearing / sleeve holder 64 located inside the impeller 22 as in the illustrated example, or directly fixed to the impeller 22 or the rotary shaft 10 ′. It may be.
- the second sleeve 37 is fixed to the outer periphery of the first bearing / fixing sleeve holder 65 connected to the support member 43 as a sliding portion on the outer peripheral side of the fixed side that slides with the inner periphery of the second bearing 39.
- the outer peripheral surface of the second bearing / sleeve holder 64 is the first sliding bearing 1
- the inner peripheral surface of the second bearing / sleeve holder 64 is the second sliding bearing 2.
- the first bearing / fixed sleeve holder 65 includes a connecting portion 65a connected to the support member 43, a cylindrical first bearing holder 53 that supports the first bearing 44 on its inner peripheral surface, and a second sleeve on its outer peripheral surface. And a cylindrical fixed sleeve holder 56 for supporting 37. Since it is possible to process the cylindrical member by extending the length in the longitudinal direction to the position of the center of gravity of the impeller 22, the second slide bearing 2 is disposed at a position closest to the position of the center of gravity of the impeller 22. can do.
- a first water passage hole 57 and a second water passage hole 58 are provided, respectively, and water is passed between each sleeve and the bearing. Therefore, smooth sliding is performed. At the same time, accumulation of deposits is prevented, and air and water around the sliding part can be switched quickly when switching between atmospheric operation and underwater operation, so that vibration due to transient conditions of both can be reduced quickly. It has become.
- FIG. 7 is a schematic vertical cross-sectional view for explaining the principle of canceling the frictional force generated by the first and second sliding bearings.
- a first sleeve 31 (first sliding portion) is provided on the outer periphery of the rotating shaft 10 (10 ′) (rotating body).
- the material of the first sleeve 31 is practically made of cemented carbide or stainless steel.
- a hollow cylindrical first bearing 44 (first support portion) is provided on the outer peripheral side of the first sleeve 31. That is, the first sleeve 31 contacts and slides inside the first bearing 44.
- the material of the first bearing 44 is practically made of a resin material, ceramics, sintered metal, or surface-modified metal.
- the outer peripheral surface (first sliding portion 46) of the first sleeve 31 faces the inner peripheral surface (sliding surface) of the first bearing 44 via a very narrow first clearance 47, and the first bearing 44 It is comprised so that it may slide with respect to a sliding surface.
- the outer peripheral portion of the first bearing 44 is fixed to the inner peripheral surface of the substantially cylindrical bearing case 32.
- the material of the bearing case 32 is practically made of metal or resin.
- a hollow cylindrical second bearing 39 (second support portion) is provided on the outer peripheral surface of the bearing case 32.
- the material of the second bearing 39 is practically made of a resin material, ceramics, sintered metal, or surface-modified metal.
- the material of the 1st bearing 44 and the 2nd bearing 39 has a more preferable same kind material from a viewpoint of the clearance change by the linear expansion coefficient of material.
- a substantially cylindrical sleeve case 38 is fixed to the rotating shaft 10 (10 ′) by fixing means 33a such as a fixing pin or a bolt, and the rotating shaft 10 (10 ′) is connected to the sleeve case 38 (rotating body). It is comprised so that it may rotate with the rotating shaft 10 (10 ') by rotating.
- a second sleeve 37 (second sliding portion) is provided on the inner peripheral surface of the sleeve case 38, and the inner peripheral surface (second sliding portion 36) of the second sleeve 37 is the outer peripheral surface of the second bearing 39. It is configured to face the (slip surface) through a very narrow second clearance 48 and slide with respect to the slide surface of the second bearing 39.
- the second sleeve 37 circumscribes and slides outside the second bearing 39.
- the sleeves 31 and 37 are generally installed on the outer periphery of a shaft member or the like, but in the present application, in order to make the configuration of the bearing unit easy to understand, for the sake of convenience, the sleeves 31 and 37 bear the main bearing material.
- First and second sliding bearings are used, and the opposed sliding members are referred to as sleeves.
- the first back metal 51, the first buffer material 52, the second back metal 54, and the second buffer material 55 shown in FIGS. 5 and 6 are not provided. May be provided.
- the first bearing 44 and the second bearing 39 are fixed to a support member 35 or the like connected to a casing such as a pump via a flange portion 32a of the bearing case 32 by a fixing means 33b such as a bolt.
- the first sleeve 31 is held on the outer periphery of the rotating body (rotating shaft 10 (10 ′)), and the non-rotating bearing corresponding to the outer peripheral side of the first sleeve 31 is the first bearing 44.
- a second sleeve 37 is provided on the inner circumference of the rotating body (sleeve case 38), and a non-rotating bearing corresponding to the inner circumference side of the second sleeve 37 is a second bearing 39.
- the first bearing 44 may be held on the outer periphery of the rotating body (rotating shaft 10 (10 ′)), and the first sleeve 31 may be provided on the corresponding non-rotating body. Further, in the first sliding bearing 1, the first sleeve 31 is held on the outer periphery of the rotating body, and the corresponding first bearing 44 is on the non-rotating side, so that the second sliding bearing 2 has the inner periphery of the rotating body. It is possible to hold the second bearing 39 in the state where the corresponding second sleeve 37 is on the non-rotating side and vice versa.
- the sleeve case 38 contains slurry or the like.
- a water supply port 40 through which water passes through the first clearance 47 and the second clearance 48 is provided.
- the water that has flowed into the water supply port 40 passes through the first clearance 47 and the second clearance 48 as flow paths.
- a flow path for allowing water to pass through the first clearance 47 and the second clearance 48 is formed, and the first clearance 47 and the second clearance 48 also function as a flow path. Water can flow promptly through the first clearance 47 and the second clearance 48 without staying, and the functions of the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 can be exhibited quickly.
- first bearing 44 and the second bearing 39 support the first sleeve 31 and the second sleeve 37 under dry conditions at the time of starting, and the first sleeve 31 and the second bearing 39 through a very thin liquid film under drainage conditions.
- Two sleeves 37 are supported.
- the dry condition refers to a condition in which the atmosphere of the first bearing 44 and the second bearing 39 during operation is in the air without liquid lubrication, and the dry operation refers to operation under those conditions.
- the diameter clearance dimension (the first clearance 47)
- the inner diameter of the first bearing 44-the outer diameter of the first sleeve 31) and the diameter clearance dimension of the second clearance 48 (the inner diameter of the second sleeve 37-the outer diameter of the second bearing 39) are respectively equal to the inner diameter of the first bearing 44. It is preferably 1/1000 or more and 1/100 or less and 1/1000 or more and 1/100 or less of the outer diameter of the second bearing 39.
- the first clearance 47 and the second clearance 48 are larger than these ranges, the steady swing of the rotary shaft 10 (10 ') becomes large, and the first bearing 44 and the second bearing are rotated by this swing. The load applied to the bearing 39 is also increased, and stable operation may be difficult. Further, when the dimensions of the first clearance 47 and the second clearance 48 are smaller than these ranges, the first clearance 47 and the second clearance 48 are closed by foreign matter, or the first bearing 44 and the second bearing 48 are closed. 39 may be seized due to friction with foreign matter.
- the diameter clearance dimension of the first clearance 47 and the diameter clearance dimension of the second clearance 48 are preferably the same, but the first bearing 44, the second bearing 39, the first sleeve 31, or the second sleeve 37 is made of resin. If these members have elasticity, such as being formed of, the function of the present invention is exhibited even if there is a difference in dimensions.
- the ratio of the diameter clearance dimension of the second clearance 48 to the diameter clearance dimension of the first clearance 47 is preferably 0.5 or more and 2.0 or less, more preferably 0.7 or more and 1.3. It is as follows.
- first bearing 44, the second bearing 39, the first sleeve 31, or the second sleeve 37 is further fixed via a cushioning material such as rubber (see FIG. 6 etc.)
- the first bearing 44 and the second bearing 39 can be in contact with the first sleeve 31 and the second sleeve 37 at the same time, even if the dimensions are not in the above-mentioned range due to the deformation of the material, and the function of the present invention is exhibited.
- FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line XX ′ shown in FIG. As shown in the figure, the centers of the outer peripheral surface of the first sleeve 31, the inner peripheral surface of the first bearing 44, the outer peripheral surface of the second bearing 39, and the inner peripheral surface of the second sleeve 37 substantially coincide with the central axis O. Is configured to do. In FIG. 8, the dimensions of the first clearance 47 and the second clearance 48 are shown enlarged for convenience.
- FIG. 9 is a diagram illustrating operations of the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 during the dry operation.
- the rotating shaft 10 (10 ′) rotates
- the first sleeve 31 fixed to the rotating shaft 10 (10 ′) and the second sleeve 37 fixed to the sleeve case 38 also rotate.
- a bearing reaction force FAN is generated on the rotary shaft 10 (10 ′).
- This bearing reaction force F AN frictional force F AF is generated in a direction opposite to the rotating direction of the rotary shaft 10 (10 '), opposite the friction force F AF is the rotational direction in the rotation shaft 10 (10') It becomes a destabilizing force that causes a whirling vibration in the direction.
- FIG. 10 is a diagram illustrating operations of the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 during the drainage operation.
- the first clearance 47 and the second clearance 48 are filled with water, and the water forms a liquid film 49 and a liquid film 50, respectively, whereby the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 are Functions as a fluid lubricated bearing unit.
- the circumferential fluid force F AT becomes destabilizing force that generates vibrations during drainage operation.
- the circumferential fluid force F AT is the frictional force F AF generated by the drying operation is a reverse force.
- the inner surface of the bearing has been formed into a multi-arc shape instead of a perfect circle shape.
- the inner surface shape of the bearing approaches a perfect circle shape due to wear, and the vibration suppressing effect may be lost.
- the rotation shaft 10 (10 ') in the liquid film 50 in the second clearance 48, the circumferential pressure non-uniformity occurs due to the rotation of the second sleeve 37, and as a result, the rotation shaft 10 (10 ') has a radial direction. A fluid force F BR and a circumferential fluid force F BT are generated. At this time, the circumferential fluid force F AT and the circumferential fluid force F BT is opposite to each other, the liquid film 49, destabilizing forces due to the liquid film 50 is canceled, the rotary shaft 10 (10 ') is not It can rotate stably without generating vibration due to the stabilizing force.
- the 1st slide bearing 1 and the 2nd slide bearing 2 are the slide bearings which always slide on a sliding surface and support a rotating shaft in any service operation at the time of dry operation and drainage operation.
- the frictional force acting on the contact of the first bearing and the contact of the second bearing cancels out, vibration of the rotating shaft due to the destabilizing force can be suppressed and stable rotation of the rotating shaft can be maintained.
- the first bearing is caused by the swing of the shaft of the rotary shaft 10 (10 ′) during the dry operation. Even if the rotating body (the first sleeve 31 and the second sleeve 37) collides with the 44 and the second bearing 39, the directions of the frictional forces act in opposite directions to cancel each other at the time of the collision. It is possible to suppress the divergence of the swinging of ′) and to prevent vibration due to destabilization. In addition, it is possible to reduce friction caused by this vibration and suppress an increase in bearing temperature.
- first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 shown in FIG. 7 have the first bearing 44 and the second bearing 39, the frictional force of the bearing slide surface during the dry operation is dispersed and the bearing slide is dispersed. Heat generation due to surface friction can be suppressed.
- a bearing material having a higher friction coefficient than that of the conventional structure, that is, a bearing material having higher wear resistance can be used, and stable operation can be performed for a long period of time.
- first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 shown in FIG. 7 hold the first bearing 44 on the inner peripheral surface of the bearing case 32 and hold the second bearing 39 on the outer peripheral surface thereof.
- the structure can be made compact in the axial direction of the vertical pump.
- first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 shown in FIG. 7 can have the same effect as the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 shown in FIG. 7.
- the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 shown in FIG. Further, the first slide bearing 1 and the second slide bearing 2 shown in FIGS. 5 and 6 have a relatively heavy weight of a rotating body such as an impeller that tends to increase the frictional force of the sliding surface due to an unbalanced force. Since the bearing that cancels the frictional force is disposed close to the object, the frictional force applied to the rotating body can be effectively reduced. Therefore, vibration and friction can be optimally reduced.
- the vertical shaft pump provided with the 1st slide bearing 1 and the 2nd slide bearing 2 which concern on this embodiment is a part (the 1st sleeve 31 and the 2nd sleeve 37) located in the water of the rotating shaft 10 (10 ').
- a rolling bearing such as a ball bearing or a roller bearing is not suitable for an underwater bearing of a rotating machine that performs drainage operation, and the effect of this embodiment can be achieved by a sliding bearing.
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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。
(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。
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FANが発生する。この軸受反力FANによって、回転軸10(10´)の回転方向とは逆方向に摩擦力FAFが発生し、この摩擦力FAF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FBNが発生し、この軸受反力FBNによって、摩擦力FAFと逆方向の力である摩擦力FBFが発生する。回転軸10(10´)の系において、摩擦力FAFと摩擦力FBF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FARと周方向流体力FATが発生する。この周方向流体力FAT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FATは上記ドライ運転で発生する摩擦力FAF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FBRと周方向流体力FBTが発生する。このとき、周方向流体力FATと周方向流体力FBT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
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)
- 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。 - 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。
- 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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