JP2017125449A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸方向における羽根車の配置の自由度を高めたポンプを提供する。【解決手段】ポンプは、回転軸２１２と、回転軸２１２に固定される羽根車１１３ａ，１１３ｂと、羽根車１１３ａ，１１３ｂを回転軸２１２に固定するためのスペーサ２１０とを有する。スペーサ２１０は、回転軸２１２の半径方向に、２個の構成部品２１０ａ，２１０ｂに分割可能である。ポンプは、さらに、スペーサ２１０のシール部２８０の外周に設けられる中間ブッシュを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、ポンプの羽根車を回転軸に固定するための固定部材を有するポンプに関する。

水等の流体の搬送を行なうために、様々なポンプが用いられている。このようなポンプの一つに、高揚程まで水等を揚水可能とするポンプとして、駆動軸を鉛直方向に設け、インペラ（羽根車）が複数（多段に）設けられた立型（縦型）ポンプ装置が知られている。

このような立型ポンプ装置は、例えば、複数の羽根車が収納され、羽根車を駆動する回転軸をその内部に連通させたポンプ部と、このポンプ部の上部または下部に設けられたモータとを備えている。

このような、羽根車を複数有する立型ポンプ装置は、羽根車の数が多くなるにつれて、より水を高揚程まで揚水することが可能となる。しかし、高揚程のポンプとするために羽根車の数を増やすと、回転軸は羽根車を固定させる長さが必要であるため、その長さは長くなる。しかし、回転軸の長さが長くなると、軸部の長さも長くなり、偏心回転等を起こすおそれが高くなる。このような回転軸の偏心回転は、揚水機能等のポンプ機能の低下、振動、騒音、及び、故障等の原因となる。

このため、複数の羽根車を振動対策等のために最適な位置に、すなわち、任意の位置に配置できることが好ましい。従来、複数の羽根車を最適な位置に配置するために、羽根車と羽根車との間の距離を設定することを目的として、シリンダ状の中間スリーブが用いられてきた。中間スリーブの例として、ＪＩＳ Ｂ−０１３１−２００２「ターボポンプ用語」付図４０に示される水中軸受部スリーブ（４５２）がある。従来、付図４０に示されるように、複数の中間スリーブと複数の羽根車が交互に、回転軸の軸方向に積み上げられて配置されている。

羽根車と羽根車との間の距離を設定することは、上記のように中間スリーブが用いられてきたが、端部に配置した羽根車の位置の設定については、いくつかの方法がある。上記の付図４０では、羽根車及び中間スリーブが配置される部分の回転軸の外径を、羽根車及び中間スリーブが配置されない部分の回転軸の外径より、切削により細くする。羽根車及び中間スリーブが配置される部分の回転軸の外径は、羽根車及び中間スリーブの内径に一致させる。すなわち、回転軸の軸方向における回転軸の一方の側は、外径が太く、他方の側は、外径が細い。回転軸の細い部分と太い部分の境界にできる段差部分により、羽根車の軸方向の移動を制限している。細い部分の端部には、羽根車ナット等により、羽根車及び中間スリーブが回転軸から脱落することを防止している。

他の方法としては、回転軸を切削することなく、回転軸の一方の端部から他方の端部まで同一の外径である回転軸を用いる方法がある。この場合、両方の端部に羽根車ナット等を設けて、羽根車及び中間スリーブが回転軸から脱落することを防止している。

ところで、多段ポンプにおいては、各段のポンプの高圧側と低圧側を仕切る、すなわち遮蔽することを目的とする中間ブッシュが設けられている。中間ブッシュは、各段の羽根車の吸込み圧と各段の羽根車の吐出圧の差圧による逆流漏れを防止している。中間ブッシュは、ポンプの固定部材と回転部材との間の軸受の機能を兼ねており、すべり内面を有し、シール機能を有する。中間ブッシュは、中間スリーブの周囲、すなわち外周に配置され
る。

ＪＩＳ Ｂ−０１３１−２００２「ターボポンプ用語」付図４０

しかし、ポンプの回転軸が長い場合、例えば、回転軸の長さが、４ｍを超えるような場合、羽根車と羽根車との間の距離が長い時に、長い中間スリーブを用意する必要があった。また、羽根車及び中間スリーブが配置される部分の回転軸の外径を、切削により細くする場合、回転軸の長い部分にわたって、回転軸の外径を切削する必要があった。

すなわち、羽根車の位置を任意に設定する場合、長い中間スリーブが必要である、もしくは回転軸の外径を長い範囲にわたって切削する必要があるという問題があった。このため、羽根車及び中間ブッシュを任意の位置に配置することが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題点を解消すべくなされたもので、その目的は、回転軸方向における羽根車及び中間ブッシュの配置の自由度を高めたポンプを提供することである。
また、他の目的として、回転軸の加工時間、加工コストを低減したポンプを提供することである。

上記課題を解決するために、第１の形態では、回転軸と、前記回転軸に固定される羽根車と、前記羽根車を前記回転軸に固定するための固定部材と、前記固定部材の外周に設けられる中間ブッシュと、を有し、前記固定部材は、前記回転軸の半径方向に、複数個の構成部品に分割可能であるポンプ、という構成を採っている。

このような構成を採ることにより、従来のような長い中間スリーブが不要となる。また、回転軸の外径を長い範囲にわたって切削する必要がなくなる。従来はシリンダ形状の中間スリーブを用いているため回転軸の半径方向に、中間スリーブを分割できず、回転軸の軸方向に回転軸の端部から所定の位置まで、複数の中間スリーブと複数の羽根車を回転軸上を摺動させて、交互に積み上げる必要があった。本実施形態によれば、固定部材は前記回転軸の半径方向に、複数個の構成部品に分割可能であるため、回転軸上を、回転軸の端部から所定の位置まで固定部材を摺動させる必要がなくなる。

回転軸上の任意の位置に、回転軸方向の長さが短い固定部材で羽根車を固定できる。従って、長い中間スリーブは不要となる。固定部材の長さは、回転軸上の取付位置によらず一定の短い長さとすることができる。固定部材は、任意の位置に容易に配置できるため、最適な位置に羽根車を固定することが容易になる。

また、長い範囲にわたって回転軸の外径を切削する必要がなくなる。必要ならば、固定部材を取り付ける部分のみ回転軸の外径を切削することが可能であり、加工時間、加工コストが低減する。

固定部材の分割形状、分割個数は、種々可能である。分割形状に関しては、例えば、固定部材を分割する分割面を回転軸の軸方向と平行に設けてもよく、分割面を回転軸の軸方向とは異なる方向に（斜めに）設けてもよい。分割面は平面もしくは曲面が可能である。分割個数に関しては、２分割、３分割、４分割、また、それ以上の個数の分割が可能であ
る。複数個に分割された固定部材の、周方向に隣接する固定部材の隣接する分割面同士は接触してもよいし（すなわち、隣接する分割面の間に隙間がない）、隣接する分割面の間に隙間があってもよい。

さらに、本実施形態では、前記固定部材の外周に設けられる中間ブッシュを有する。中間ブッシュは回転軸に設けず、ポンプの回転しない非回転部材に設けられる。一方、回転軸に取り付けられる固定部材は回転する。そのため、中間ブッシュと、中間ブッシュに対面する固定部材の部分との間には、シール機能と、すべり機能とが必要である。従って、中間ブッシュの、固定部材に対面する内周部（内面）と、固定部材の、中間ブッシュに対面する外周部（外面）は、すべり内面である。中間ブッシュの内周部と、固定部材の外周部との間には、若干の隙間、もしくはラビリンスシールを設けてもよい。

本形態によれば、固定部材を任意の位置に容易に設置でき、固定部材の外周に中間ブッシュを設けるため、羽根車及び中間ブッシュを任意の位置に容易に設置できるという効果がある。

第２の形態では、前記固定部材の、前記中間ブッシュに対面する外周部、及び前記中間ブッシュの、前記固定部材に対面する内周部のうちの少なくとも一方にシール用の溝が設けられている、という構成を採っている。

第３の形態では、前記回転軸は、前記回転軸の外周部において凹部を有し、前記固定部材は、前記凹部に配置される、という構成を採っている。凹部の配置、形状、個数は、種々可能である。例えば、凹部は、回転軸の外周部において円周方向の全体に１個の凹部を設けてもよく、円周方向の数カ所に分散させて複数個の凹部を分割個数に応じて設けてもよい。凹部の形状に関しては、回転軸の軸方向の断面が矩形状の溝、半円形の溝等が可能である。

第３の形態を採ることにより、固定部材を回転軸の凹部に確実に固定することができ、結果として羽根車を所定の位置に確実に固定することができる。

図１は、立型水中ポンプのポンプ部の全体図である。 図２は、図１のＡ部にある羽根車１１３ａに一実施形態に係るスペーサ２１０を適用したものの断面図である。 図３は、スペーサの別の分割形状を示す説明図である。

以下に、添付図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るポンプについて、立型水中ポンプを例として説明する。
最初に、図１を参照しながら、立型水中ポンプの従来例の全体概要を説明する。なお、本発明はポンプの羽根車の固定方法に特徴を有するものであり、羽根車の固定方法以外のポンプの構成要素は、従来技術と共通している。また、以下の説明では井戸水用ポンプを使って詳述するが、扱う対象物としては井戸水に限定されるものではなく、あらゆる種類の液体を対象にすることができる。

図１に基づいて、立型水中ポンプについて説明する。この図１は、井戸（図示せず）に立型水中ポンプ１０７が設置されている場合を表現した図であり、ポンプ１０７の断面図である。井戸水内に、立型水中ポンプ１０７が全体的に水没する形態で設置されている。立型水中ポンプ１０７は、下部に水中モータ（モータ部）１０１が取り付けられ、水中モータ１０１の上側にポンプ本体（ポンプ部）１０２が取り付けられている。井戸水を吸い
込むための吸込ケーシング１０８は、水中モータ１０１の側に設けられている。そして、吸込ケーシング１０８の反対側に、羽根車１１３ａ，１１３ｂで昇圧した井戸水を給水するための吐出ケーシング１０９が備えられている。

吐出ケーシング１０９には吐出配管（図示せず）が接続され、吐出しケーシング１０９が送出する水が流れる吐出配管が地上まで延びている。吸込ケーシング１０８の下方部は吸込口１１０となっている。一方、吐出ケーシング１０９の上端部は吐出口１１１となっている。これら吸込ケーシング１０８と吐出ケーシング１０９の間には、下方から順に中間ケーシング１１４、上部ケーシング１１６が設けられている。

吸込ケーシング１０８について説明する。吸込ケーシング１０８は、ポンプ本体１０２の下端部に設けられ、水中モータ１０１と接続されている。吸込ケーシング１０８には吸込口１１０が形成され、この吸込口１１０から水を吸い込むようになっている。

中間ケーシング１１４と上部ケーシング１１６の内部には、羽根車１１３ａ，１１３ｂとディフューザ１１７ａ，１１７ｂが配置され、羽根車１１３ａ，１１３ｂは水中モータ１０１の駆動力を伝えるポンプ軸１１２に固定されている。このため、ポンプ軸１１２の回転と共に羽根車１１３ａ，１１３ｂが回転するようになっている。なお、図１の例は多段ポンプであり、羽根車１１３ａ，１１３ｂとディフューザ１１７ａ，１１７ｂが複数組（２組）設けられている。上側の羽根車１１３ａ，１１３ｂの上端には、羽根車ナット１２２が設けられ、羽根車１１３ａ，１１３ｂをポンプ軸に固定している。ポンプ軸１１２は、上部ケーシング１１６内に設置された軸受１２２により、回転自在に支持されている。

中間ケーシング１１４と上部ケーシング１１６は、羽根車１１３ａ，１１３ｂとディフューザ１１７ａ，１１７ｂを収容し、井戸水を昇圧するためのものである。すなわち、羽根車１１３ａ，１１３ｂがポンプ軸１１２の回転に伴って回転することで、井戸水に半径方向外方に向かう速度エネルギを付与する。この速度エネルギが与えられた井戸水はディフューザ１１７ａ，１１７ｂによって昇圧され、次段の羽根車１１３ａ，１１３ｂに供給されるようになっている。中間ケーシング１１４と上部ケーシング１１６は、これら羽根車１１３ａ，１１３ｂ及びディフューザ１１７ａ，１１７ｂと共に井戸水のための昇圧通路を形成する。中間ケーシング１１４は、羽根車１１３ａ，１１３ｂ毎に一つ設けられているため、段数を増やす場合は、段数に対応した数の中間ケーシング１１４が中心軸線Ｌに沿って並んで連結される。

図１に示す従来例では、複数の羽根車１１３ａ，１１３ｂを、回転軸１１２の軸方向に最適な位置に配置するために中間スリーブ１２４が用いられている。すなわち、下側の羽根車１１３ａの位置は、その下部に配置された中間スリーブ１２４ａの軸方向の長さによって決まる。上側の羽根車１１３ｂの位置は、その下部に配置された中間スリーブ１２４ａ及び中間スリーブ１２４ｂの軸方向の長さによって決まる。羽根車１１３ａ，１１３ｂに作用するスラスト荷重は、中間スリーブ１２４により、回転軸の下端部に伝達され、下端部に設けられた部材１３２がスラスト荷重を受ける。図１の場合、部材１３２は、回転軸１１２をモータ軸１３４に接続するための部材である。

羽根車１１３ａ，１１３ｂの、回転軸１１２の回転方向における固定に関しては、キー１３０により羽根車１１３ａ，１１３ｂは、回転軸１１２に取り付けられており、羽根車１１３ａ，１１３ｂと回転軸１１２は、同時に回転する。すなわち、回転軸１１２の回転力は、キー１３０により羽根車１１３ａ，１１３ｂに伝達される。

なお、ポンプ軸１１２に固定された中間スリーブ１２４ｂと、ディフューザ１１７ａの
内周との間には、すべり内面を有する中間ブッシュ１２６が配置されている。中間ブッシュ１２６は、シール機能を有し、そのために中間ブッシュ１２６のすべり内面がラビリンスになっていてもよい。

図２により、本発明の一実施形態に係るポンプの羽根車の固定方法を説明する。図２は、図１のＡ部にある羽根車１１３ａに本発明の一実施形態に係るスペーサ（固定部材）２１０を適用したものの断面図である。図２では、羽根車１１３ａ，１１３ｂを、回転軸２１２の軸方向に固定するために、中間スリーブ１２４を用いずに、リング状のスペーサ２１０を用いている。中間スリーブ１２４ｂは、羽根車１１３ａ、１１３ｂを固定するために、羽根車１１３ａの上端と羽根車１１３ｂの下端との間の距離に等しい長さを有する必要がある。

一方、スペーサ２１０は、羽根車１１３ａの上端と羽根車１１３ｂの下端との間の距離に等しい長さを有する必要がない。スペーサ２１０は、羽根車１１３ａと、羽根車１１３ｂとを独立に任意の位置に配置することができる。スペーサ２１０の、羽根車１１３の外部にある軸方向の長さは、後述する大径部２１８の軸方向の長さと、シール部２８０の長さの合計である。シール部２８０の長さは、中間ブッシュ１２６の長さにより決まる。大径部２１８の軸方向の長さは、個々の羽根車１１３を、軸方向に固定するために必要な強度を持つことができる長さであればよく、図２に示す中間スリーブ１２４の長さより通常、短い。

スペーサ２１０は回転軸２１２の軸方向に、羽根車１１３ａ，１１３ｂを回転軸２１２に固定する。スペーサ２１０は、羽根車１１３ａ，１１３ｂの上部に設けられる上部固定部材である。スペーサ２１０は、回転軸２１２の半径方向に複数個の構成部品に、図２の場合、２個の構成部品２１０ａ，２１０ｂに分割可能である。２個に分割されたスペーサ２１０の、周方向に隣接するスペーサ２１０の隣接する分割面２１４同士は接触している、すなわち、隣接する分割面２１４の間に隙間がない。スペーサ２１０は、分割可能であるため、任意の位置に容易に設置することができる。スペーサ２１０を分割する２つの分割面２１４を、回転軸２１２の軸方向と平行に設けてある。

回転軸２１２は、回転軸２１２の外周部において凹部２１６を有する。スペーサ２１０は、凹部２１６に配置される。凹部の深さＬ３は一例として、回転軸２１２の半径が約４０ｍｍの場合、回転軸２１２の表面から３〜４ｍｍである。

スペーサ２１０は、大径部２１８と小径部２２０とシール部２８０を有する。大径部２１８は、回転軸２１２の軸方向において、羽根車１１３ａ，１１３ｂの外部にあり、小径部２２０は、羽根車１１３ａ，１１３ｂと回転軸２１２との間の凹部２１６にある。スペーサ２１０の軸方向における全体の長さ（大径部２１８の軸方向の長さと、小径部２２０の軸方向の長さとシール部２８０を合わせた長さ）と、凹部２１６の軸方向における長さは、ほぼ同じである。スペーサ２１０は、凹部２１６に嵌ること、及び羽根車１１３ａ，１１３ｂと回転軸２１２との間に小径部２２０があることにより、凹部２１６に固定される。

大径部２１８の内径の大きさと、大径部２１８の外径の大きさとの間の中間の大きさを羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径は有する。この結果、大径部２１８は、羽根車１１３ａ，１１３ｂを軸方向に固定できる。

大径部２１８は、その外径が羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より大きければよい。大径部２１８の内径は、凹部２１６の底の直径Ｌ２とほぼ同じであることが好ましいが、凹部２１６の底の直径Ｌ２より大きければよい。小径部２２０は、その外径が回転軸２
１２の外径Ｌ１（すなわち、羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１）とほぼ同じであることが好ましいが、羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１とほぼ同じか、または羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より小さければよい。小径部２２０は、その内径が凹部２１６の底の直径Ｌ２とほぼ同じであることが好ましいが、凹部２１６の底の直径Ｌ２より大きければよい。

シール部２８０は、中間ブッシュ１２６に対面する位置に設けられる。中間ブッシュ１２６は、シール部２８０の外周に設けられる。シール部２８０の、中間ブッシュ１２６に対面する外周部２８０ａ、及び中間ブッシュ１２６の、シール部２８０に対面する内周部１２６ａのうちの少なくとも一方にシール用の溝を設けることができる。図２では、シール部２８０の、中間ブッシュ１２６に対面する外周部２８０ａに、シール用の溝２８０ｂが複数設けられている。

中間ブッシュ１２６は、多段ポンプにおいて、高圧側と低圧側を仕切る、すなわち遮蔽することを目的とする。羽根車１１３ａの背面（羽根車１１３ａの吸込み圧）と羽根車１１３ｂの吸込み口（羽根車１１３ａの吐出圧）の差圧による逆流漏れを防止している。

中間ブッシュ１２６は回転軸２１２に設けず、ポンプの回転しない非回転部材（本実施形態ではディフューザ１１７ａ）に設けられる。一方、回転軸２１２に取り付けられるシール部２８０は回転する。そのため、中間ブッシュ１２６と、中間ブッシュ１２６に対面するシール部２８０との間には、シール機能と、すべり機能とが必要である。中間ブッシュ１２６のシール部２８０に対面する内周部１２６ａと、シール部２８０の中間ブッシュ１２６に対面する外周部２８０ａは、すべり内面である。中間ブッシュの内周部１２６ａと、シール部２８０の外周部２８０ａとの間には、若干の隙間２８２、もしくはラビリンスシールを設ける。

隙間２８２の大きさＬ５は、外周部２８０ａの直径Ｌ４の５％以下である。好ましくは、大きさＬ５は、直径Ｌ４の５／１０００から２０／１０００である。
本形態によれば、スペーサ２１０を任意の位置に容易に設置でき、スペーサ２１０の外周に中間ブッシュ１２６を設けるため、中間ブッシュ１２６を任意の位置に容易に設置できるという効果がある。

スペーサ２１０の固定方法としては、凹部２１６を利用しない（すなわち、回転軸２１２に凹部２１６を設けない）方法も可能である。例えば、スペーサ２１０の大径部２１８を固定軸２１２にネジにより固定してもよい。この場合、スペーサ２１０は、大径部２１８とシール部２８０のみを有し、小径部２２０を有しない単純なリング形状でよい。大径部２１８の外径を回転軸２１２の外径Ｌ１より大きく、かつ羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より大きくする。スペーサ２１０の内径は回転軸２１２の外径Ｌ１とほぼ同じである。

図２において、回転軸２１２の軸方向に羽根車１１３ａ，１１３ｂを固定するために、固定部材の構成部品として、羽根車１１３ａ，１１３ｂの下端に配置された下部スペーサ（下部固定部材）２２２がある。下部スペーサ２２２は、回転軸２１２の半径方向に、複数個の構成部品に、図２の場合、２個の構成部品２２２ａ，２２２ｂに分割可能である。下部スペーサ２２２を分割する分割面２２４を回転軸２１２の軸方向と平行に設けてある。下部スペーサ２２２は、リング状であり、ねじ２２６で回転軸２１２に固定される。下部スペーサ２２２は、その外径が羽根車１１３ａ，１１３ｂの内径Ｌ１より大きく、その内径が回転軸２１２の直径Ｌ１とほぼ同じである。なお、回転軸２１２に、下部スペーサ２２２用の凹部を設けてもよい。凹部を設けると、より確実に下部スペーサ２２２を回転軸２１２に固定することができ、従って、より確実に羽根車１１３ａ，１１３ｂを固定す
ることができる。

図３に、スペーサ２１０の別の分割形状を示す。図３に示すスペーサ３１０では、スペーサ３１０を２個の構成部品３１０ａ，３１０ｂに分割可能である。スペーサ３１０を分割する２つの分割面２２８を、回転軸２１２の軸方向とは異なる方向に（斜めに）設けている。

図２においては、スペーサ２１０が羽根車１１３ａ，１１３ｂの上部にあり、スペーサ３１０が羽根車１１３ａ，１１３ｂの下部にある。しかし、本発明はこれに限られるものではない。スペーサ２１０を羽根車１１３ａ，１１３ｂの下部に設け、スペーサ３１０を羽根車１１３ａ，１１３ｂの上部に設けても、図２と同様の効果を得ることができる。

１１３ａ，１１３ｂ 羽根車
１２４ 中間スリーブ
１２６ 中間ブッシュ
２１２ 回転軸
２１０ スペーサ
２１４ 分割面
２１６ 凹部
２２２ 下部スペーサ
２８０ シール部

Claims (3)

1. 回転軸と、
   前記回転軸に固定される羽根車と、
   前記羽根車を前記回転軸に固定するための固定部材と、
   前記固定部材の外周に設けられる中間ブッシュと、を有し、
   前記固定部材は、前記回転軸の半径方向に、複数個の構成部品に分割可能であるポンプ。
2. 前記固定部材の、前記中間ブッシュに対面する外周部、及び前記中間ブッシュの、前記固定部材に対面する内周部のうちの少なくとも一方にシール用の溝が設けられている、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記回転軸は、前記回転軸の外周部において凹部を有し、前記固定部材は、前記凹部に配置される、請求項１または２に記載のポンプ。

Images