JP4352903B2 - 一軸多段ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、ボイラの給水などに好適なものとして用いられるポンプに関し、特に、吸入した水を加圧するための羽根車が１本の回転軸に多段で配設された構造の一軸多段ポンプに関する。

例えばボイラの給水に用いられる一軸多段ポンプの従来における代表的な構造は図６に示すようになっている（例えば特許文献１や特許文献２）。図に見られるように、一軸多段ポンプは、回転軸１、羽根車２、吸込口側端部用のラジアル軸受３、吐出口側端部用のラジアル軸受４、吐出口側端部用のスラスト軸受５、吸込口側端部用のシール装置６、吐出口側端部用のシール装置７、およびバランス装置８を備えている。また一軸多段ポンプはこれらの回転軸１や羽根車２などを収めるハウジング１０を備えており、このハウジング１０は、吸込口１１が設けられた吸込ケーシング１２、羽根車２を収めるステージ１３、吐出口１４が設けられた吐出ケーシング１５、およびスタフィングボックス又はシールボックス１６よりなっている。

回転軸１は、駆動機Ｄの出力軸にスペーサＳやカップリングＣを介して直結で接続されおり、すべり軸受であるラジアル軸受３とラジアル軸受４にて吸込口側端部と吐出口側端部のそれぞれをラジアル方向に支持され、またスラスト軸受５にて吐出口側端部をスラスト方向に支持された状態で、駆動機Ｄからの回転駆動力を受けて回転する。ラジアル軸受３、４やスラスト軸受５は、一般的には油潤滑の軸受であり、油潤滑軸受の場合には図外の油圧系により潤滑油の供給を受けることになる。羽根車２は、回転軸１に複数段で配設されており、回転軸１の回転に伴って回転し、吸込口１１から吸い込まれる供給水Ｗをその回転により各段で順じ加圧することにより所定圧まで加圧する。そして所定圧まで加圧された高圧水Ｗｈが吐出口から吐出される。

このような羽根車２による水の加圧過程において回転軸１にはその軸方向で吸込口側方向に向く推力（羽根車推力）を生じる。この羽根車推力を打ち消すために設けられているのがバランス装置８である。バランス装置８は、その部分を拡大した図７に示すように、ディスク型（図の例の型）はあるいはドラム型などで形成して回転軸１に固定装着されるバランス部材２１、バランス部材２１の吸込口側面に形成された中間室２２、およびバランス部材２１の吐出口側面に形成されたバランス室２３により構成されている。そして中間室２２はバランス部材２１のボス部２１ｂの外周に沿って形成されている微小な隙間（図示を省略）を介して吐出口１４に連通しており高圧水Ｗｈにより高い圧力を生じている。一方、バランス室２３は吸込口１１にバランス管２４を介して連通するとともに、羽根車推力の大きさに連動して間隙幅が変化する微小な隙間（図示を省略）を介して中間室２２に連通し、中間室２２の圧力よりも低い圧力（これは上記間隙幅の変化に応じて変化する）となっている。そしてこの中間室２２とバランス室２３との動的な圧力差によりバランス部材２１をそのディスク部２１ｄにおいて回転軸１の吐出口側方向へ押す状態となり、これにより羽根車推力に対抗する推力（バランス推力）が回転軸１に加わり、その結果、回転軸１に生じる推力を小さなものとし、あるいは回転軸１に実質的な推力を生じないようにすることができる。なお、このようなバランス装置８により回転軸１に実質的な推力が生じない場合にはスラスト軸受５は必ずしも必要でなく、これを省くようにする場合もある。

シール装置６、７は、メカニカルシールで構成されている。具体的には、回転軸１に固定装着される回転環２５とスタフィングボックス又はシールボックス１６に固定状態で保持される固定環２６との摺接によりシールをなす構造とされている。これらのシール装置６、７は、回転軸１を伝わって水が外へ漏れ出すのを防止する役目があり、同時に、油潤滑のラジアル軸受３、４に水が侵入するのを防止する役目も負っている。

特開２００２−２４２８８１号公報 特開２００１−２４８５８６号公報

上記のような一軸多段ポンプについては以下に述べるような課題がある。その一つは、小型・省スペース化である。一軸多段ポンプは、１本の回転軸に羽根車が多段に設けられていることから、その軸方向にサイズが大きくなる。このため軸方向をできるだけ小型化してポンプ設置における省スペース化を図れるようにすることが求められている。これについて、例えば特許文献１や特許文献２に開示の一軸多段ポンプでは、軸受に水潤滑軸受を用いるようにしている。すなわち水潤滑軸受を用いることで、軸受に対する水のシール用として設けられているシール装置（図６におけるシール装置７）を不要とし、これにより軸方向についての小型化を実現して省スペース化を可能とし、さらに潤滑油供給のための油圧系が不要になることでポンプ周りが簡素化することでも省スペース化を可能としている。また特許文献１や特許文献２に開示の一軸多段ポンプでは、バランス装置とスラスト軸受を一体化させる構造としてバランス装置ないしスラスト軸受の一方を不要とすることでも軸方向についての小型化を実現して省スペース化を可能としている。

特許文献１や特許文献２に開示の技術のように軸受に水潤滑軸受を用いることは、一軸多段ポンプの小型・省スペース化に有効である。しかし、これらの従来技術では、軸受の水潤滑化を軸受用のシール装置の不要化という形で一軸多段ポンプの小型化に活かしているだけであり、未だ不十分なものがある。

また特許文献１で述べられているように、従来では水潤滑軸受として水潤滑カーボン軸受が用いられている。カーボン軸受は、カーボン材を焼結して形成されるものであり、固くて脆いために耐衝撃性に劣るという問題がある。この問題は一軸多段ポンプにおいては特に大きい。すなわち一軸多段ポンプでは１本の回転軸に羽根車が多段で設けられることから回転軸が長く、したがって軸受間のスパンが長くなる。このため回転軸の自重による撓み量が大きくなることや運転状態の変化による回転軸の半径方向の振れ回りで軸受に対して回転軸が片当たりになり易い。そして、起動時などのように軸受の摺動面に潤滑用の水の膜が十分に形成されていない状態で片当たりになると、耐衝撃性に劣るカーボン軸受では欠損する場合があるし、また水潤滑の潤滑材である水の粘性が油潤滑における油のそれに比べ低いために片当たりよる軸受の欠損の可能性も高くなり、信頼性に難があり、取扱いが難しくなる。さらにカーボン軸受には、摺動間隙（軸受の内面と回転軸の外面との間の隙間）に関する問題もある。すなわち潤滑材である水の粘性が低いために、十分な水膜を形成させるためには摺動間隙の精度が重要となるが、カーボン材の膨張係数は回転軸の膨張係数に比べて大きいため、ポンプ起動後の軸受温度の上昇により摺動間隙が拡がり過ぎて十分な水膜を形成できない場合も起こり得る。そのような場合には水膜切れによる固体潤滑となるため、軸受の磨耗を早めることになる。

他の課題はシール装置に関連したメンテナンス性の課題である。シール装置には上記のようにメカニカルシールを用いるのが通常であるが、このメカニカルシールは一軸多段ポンプの各種構成部品のなかで最も消耗の早い部品であり、それだけ保守点検の頻度も高くなる。シール装置の保守点検の場合、摺動面の磨耗状態を検査するなどのためにシール装置の回転環と固定環を取り外す必要がある。これら回転環と固定環がそれぞれ一体の筒形になっている従来のシール装置において回転環と固定環の取外作業をなすには、例えば吸込口側端部用のシール装置の場合、まず駆動機と回転軸との接続に用いられているスペーサやカップリングを取り外して回転軸の端部を開放した状態にし、それから回転環と固定環を回転軸に沿って抜き取って取り外すという作業手順を必要とした。また、シール装置の点検のために、点検が不要である軸受まで分解する必要もあった。このため保守点検に多大な時間を要することになっており、メンテナンス性について改善が求められていた。

本発明は、従来の一軸多段ポンプにおける以上のような事情を背景になされたものであり、より一層の小型・省スペース化を可能とする一軸多段ポンプの提供を第１の目的とし、また水潤滑における軸受に対する信頼性の高い一軸多段ポンプの提供を第２の目的とし、さらにメンテナンス性に優れる一軸多段ポンプの提供を第３の目的としている。

本発明では上記目的のために、吸入した水を加圧するための羽根車が多段に配設された回転軸と、この回転軸を支持するラジアル軸受と、前記回転軸を駆動するための駆動機と、前記回転軸の一端側と前記駆動機とを接続するためのカップリングと、前記カップリング側であって補助ケーシング内に収容された前記ラジアル軸受とともに前記補助ケーシング内に収容され、かつ前記ラジアル軸受と回転軸を伝わって前記水が漏れるのを防止する回転環と固定環からなるシール装置と、を備えている一軸多段ポンプにおいて、前記ラジアル軸受として、摺動要素が樹脂材料で形成され、潤滑に水を用いることができるようにされた水潤滑樹脂軸受を用い、前記シール装置の回転環と固定環は、二つの半円筒部材を組合わせた二つ割構造として、それぞれが径方向に分割できるように構成され、かつ前記カップリングを取り外すことなく前記補助ケーシングの前記カップリング側端部に着脱可能に設けられた後部カバーを外して、前記補助ケーシング内より前記シール装置を取り出すことにより、前記シール装置のメンテナンスを可能としたことを特徴としている。

本発明では上記目的のために、前記水潤滑の軸受は、摺動要素が樹脂材料で形成された水潤滑樹脂軸受が用いられていることを特徴としている。
また前記樹脂材料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であることを特徴としている。

本発明では上記目的のために、前記羽根車の加圧作用に起因して生じる軸方向の推力に対抗するバランス推力を前記回転軸に加えるバランス装置を備え、前記水潤滑樹脂軸受を、前記バランス装置におけるバランス部材の外径側に配置して、このバランス部材を介して前記水潤滑樹脂軸受により回転軸を支承するようにしたことを特徴としている。

本発明では、ラジアル軸受に水潤滑の軸受を用い、この水潤滑ラジアル軸受によりバランス装置のバランス部材を介して回転軸の支持をなすようにしている。このため、上記のような水潤滑軸受がもたらす軸受用シール装置の不要化による軸方向についての小型化などに加えて、ラジアル軸受の一つとバランス装置を一体化させることによる軸方向についての小型化を図れ、さらに一層の小型・省スペース化を実現できる。

本発明では、ラジアル軸受に水潤滑の軸受を用い、この水潤滑ラジアル軸受によりバランス装置のバランス部材を介して回転軸の支持をなすようにしている。このため、上記のような水潤滑軸受がもたらす軸受用シール装置の不要化による軸方向についての小型化などに加えて、ラジアル軸受の一つとバランス装置を一体化させることによる軸方向についての小型化を図れ、さらに一層の小型・省スペース化を実現できる。

また本発明では、軸受に水潤滑樹脂軸受を用いるようにしている。その樹脂軸受は、一軸多段ポンプ用の水潤滑軸受として適した特性を多く有しており、水潤滑における軸受に対する信頼性を大幅に高めることができるようになる。
さらに本発明では、複数に分割された分割円筒部材を組み合わせてなる分割構造でシール装置の回転環と固定環を形成するようにしている。このため、駆動機と回転軸との接続に用いられているスペーサやカップリングを取り外さなくともシール装置の保守点検作業を行えるようになり、シール装置のメンテナンス性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明を実施する際の好ましい形態について説明する。図１に第１の実施形態による一軸多段ポンプの構成を示す。本実施形態における一軸多段ポンプは、上で説明した図６における従来の一軸多段ポンプと共通する部分を有している。それら共通する部分には同一の符号を付し、それについての説明は上での説明を援用することで適宜省略する。

本実施形態の一軸多段ポンプで特徴的な構成は、吸込口側端部用のラジアル軸受３１と吐出口側端部用のラジアル軸受３２に水潤滑軸受を用いていること、吸込口側端部用のラジアル軸受３１を水潤滑軸受としたことに関連して、吸込口側端部用のシール装置３３をラジアル軸受３１とともに共通の吸込口側端部用補助ケーシング３４の内部に納めるようにしていること、およびシール装置３３における回転環３５と回転環３６をそれぞれ分割構造としていることである。

ラジアル軸受３１やラジアル軸受３２における水潤滑軸受には、樹脂材料（合成樹脂材料）で形成した樹脂軸受を用いる。樹脂軸受は、耐衝撃性と摺動特性に優れている。このため、回転軸が長くて大きな撓みや振れ回りを生じ易い一軸多段ポンプにあっても、その大きな撓みや振れ回りによる片当たりで軸受に欠損を生じるようなことがない。また樹脂軸受は、変形追従性に優れていることから一軸多段ポンプにおける長い回転軸の撓みなどにも容易に追従することができ、軸受に対する回転軸の片当たりの発生も少なくすることができる。また樹脂軸受は、その膨張係数が回転軸の膨張係数に比べて小さいためにポンプ起動後の軸受温度の上昇で摺動間隙を狭くする状態になる。したがって粘性の低い水による潤滑の場合でも十分な水膜を形成させ易く、水膜切れによる固体潤滑となるような状態を招く可能性が少なくなり、軸受の寿命を長くすることができる。さらに樹脂軸受は、高い耐熱性を有していて摂氏３００度以上の高温にも耐えることができ、例えばボイラへの給水のように高温の水をポンプアップする場合でも軸受への冷却水の供給を不要とすることができる。

樹脂軸受の樹脂材料には、例えばPA(ポリアミド)、POM(ポリアセタール)、PBT（ポリブチレンテレフタレート）、PET（ポリエチレンテレフタレート）、PPE（ポリフェニルン・エーテル）、PC(ポリカーボネート)、UHMW-PE(超高分子ポリエチレン)、PTFE（ポリ四フッ化エチレン）、PPS（ポリフェニレンサルファイド）、PI（ポリイミド）、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)、PAR（ポリアリレート）、PSF（ポリサルフォン）、PEI（ポリエーテルイミド）、PAI（ポリアミドイミド）、PES（ポリエーテルスルホン）などの各樹脂やメタセシス重合可能なシクロオレフィン類をメタセシス重合触媒の存在下に重合させて得られる樹脂（仮に、メタセシス重合シクロオレフィン系樹脂と呼ぶ）のうち少なくとも一種類を含むものを好ましいものとして用いることができる。より好ましくは、これらの樹脂を炭素繊維で強化した材料を用いる。炭素繊維強化樹脂材料としては、炭素繊維強化PEEK、炭素繊維強化PPS、および炭素繊維強化メタセシス重合シクロオレフィン系樹脂を特に好ましいものとして用いることができる。

ラジアル軸受３１やラジアル軸受３２に水潤滑樹脂軸受を用いるようにしたことにより、まず一つとして、水潤滑であることにより、上述のように軸受への水の侵入を防ぐためのシール装置（図６におけるシール装置７）が不要となることで、軸方向についての小型化が図られ省スペース化が可能となり、また潤滑油供給のための油圧系が不要になることでポンプ周りが簡素化することでも省スペース化が可能となる。それからこのことに加えて、上記のように樹脂軸受が一軸多段ポンプ用の水潤滑軸受として適した特性を多く有していることにより、水潤滑における軸受に対する信頼性を大幅に高めることができるようになる。

補助ケーシング３４は、上記のように、ラジアル軸受３１とシール装置３３を共通に収めるためのものであり、その周辺を部分的に拡大した図２に示すように、ラジアル軸受３１を支持するための支持部３７とシール装置３３における固定環３６の保持に機能する固定環保持部３６ｓを内周面に形成した円筒状に形成されている。また補助ケーシング３４は、その前端にフランジ部３８が形成され、その後端を、回転軸１の貫通をなせるようにした着脱可能な後部カバー３９（図２ではその図示を省略してある）にて覆い、後述のようにしてシール装置３３における回転環３５と固定環３６を取り外す際にそこを開放できるようにされており、そのフランジ部３８を介して図示せぬボルトで吸込ケーシング１２に取り付けられている。

この補助ケーシング３４に収められたラジアル軸受３１には潤滑水を供給する必要があり、またシール装置３３にも摺動面の洗浄などのために水を供給する必要があり、それらのための注水Ｗｆがなされる場合がある。注水Ｗｆが必要な場合には、吸込口１１や吐出口１４から分岐した水や別途設けた注水系から供給される水が用いられる。注水Ｗｆによる水は、シール装置３３の摺動面の洗浄などとラジアル軸受３１の潤滑に働いた後、吸込口１１に流入し、あるいは外部に排出される。ここで、ラジアル軸受３１の潤滑水に吐出口１４からの高圧水を用いるようにする場合には、ラジアル軸受３１を静圧軸受とすることができる。このことはラジアル軸受３２についても同様である。

このように補助ケーシング３４にラジアル軸受３１とシール装置３３を共通に収めるようにしたのは、ラジアル軸受３１を水潤滑軸受としたことから、ラジアル軸受３１への水の侵入を防止する必要がなくなったからである。この結果、従来ではシール装置用として別に設けられていた図６におけるスタフィングボックス又はシールボックス１６を不要とすることができ、それだけ一軸多段ポンプを軸方向について小型化することが可能となる。

シール装置３３における回転環３５は、図３に示すように、対称に形成した二つの半円筒部材３５ｐ、３５ｐを組み合わせる二つ割り構造の円筒形に形成され、固定環３６についても同様に、対称に形成した二つの半円筒部材３６ｐ、３６ｐを組み合わせる二つ割り構造の円筒形に形成されている。このようにシール装置３３の回転環３５と固定環３６を、複数に分割した分割円筒部材の組み合わせによる分割構造（本例では二つ割り構造）としたことにより、シール装置のメンテナンス性が大幅に向上する。シール装置の保守点検では回転環３５と固定環３６を回転軸１に沿って取り外す必要がある。この回転環３５と固定環３６の取外し作業は、本発明における構造であると、駆動機Ｄと回転軸１との接続に用いられているスペーサＳやカップリングＣを取り外さなくとも行うことができる。すなわち図２に示すように、スペーサＳやカップリングＣを介して回転軸１が駆動機に接続したままの状態で、まず補助ケーシング３４の後部カバー３９を外してその後端を開放し、それから回転環３５と固定環３６を補助ケーシング３４から引き出せば、二つ割り構造であることから回転環３５を回転軸１から容易に取り外すことができる。このように、回転軸１が駆動機と接続したままの状態で回転環３５と固定環３６を回転軸１から取り外すことを可能としたことにより、スペーサＳやカップリングＣの取外し作業を必要としていた従来の場合に比べ、大幅にメンテナンス性が向上することになる。

なお、本実施形態では、ラジアル軸受３２についても、これを収めるために回転軸１の吐出口側端部に吐出口側端部用補助ケーシング４１を設け、この補助ケーシング４１を後部カバー４２で覆うことにより回転軸１の吐出口側端部を密閉するようにしている。このように回転軸１の吐出口側端部を密閉状態とすることにより、ラジアル軸受３２が水潤滑軸受であることと関連して、シール装置を不要にすることができ、上記のような軸方向についての小型化を図れる。ただ、何らかの理由から回転軸１の吐出口側端部を開放にする必要のある場合もある。そのような場合には吐出口側端部についてもシール装置を設けることになるが、そのシール装置もシール装置３３と同様の構造とするのが好ましい。

図４に第２の実施形態による一軸多段ポンプの構成を示す。本実施形態における一軸多段ポンプは、基本的には第１の実施形態における一軸多段ポンプと同様である。したがって第１の実施形態における一軸多段ポンプと共通する部分には同一の符号を付し、それについての説明は上での説明を援用することで適宜省略する。

本実施形態の一軸多段ポンプで特徴的な構成は、吐出口側端部用の水潤滑ラジアル軸受４３による回転軸１の支持をバランス装置８のバランス部材２１を介してなすようにしていることである。具体的には、図５に部分的に拡大して示すように、回転軸１に固着されたバランス部材２１のボス部２１ｂをラジアル軸受４３で支持し、これによりラジアル軸受４３による回転軸１の支持をなすようにしている。

このようにしたことによりラジアル軸受４３をバランス装置８に一体化させることができる。この結果、例えば第１の実施形態における一軸多段ポンプとの比較でいえば、ラジアル軸受３２あるいはバランス装置８が占めていたスペースを不要とすることができ、さらに一層、軸方向についての小型化を図れることになる。なお、本実施形態でも回転軸１の吐出口側端部を後部カバー４２にて覆うことにより回転軸１の吐出口側端部を密閉するようにすることで、この端部におけるシール装置の不要化を図っている。

以上説明したように本発明によれば、一軸多段ポンプについて、その軸方向のより一層の小型・省スペース化を実現でき、また水潤滑における軸受に対する信頼性を大幅に高めることができ、さらにシール装置のメンテナンス性を大幅に向上させることができる。このような本発明は、一軸多段ポンプのさらなる高機能化に大きく寄与することができる。

第１の実施形態による一軸多段ポンプの構成を示す図である。 図１の一軸多段ポンプにおけるシール装置の周辺部分を拡大して回転環と固定環の取外しの状態とともに示す図である。 図２中の矢印Ａ−Ａ方向から見た回転環を示す図である。 第２の実施形態による一軸多段ポンプの構成を示す図である。 図４の一軸多段ポンプにおけるバランス装置の周辺部分を拡大して示す図である。 従来の一軸多段ポンプの代表的な構成を示す図である。 図６の一軸多段ポンプにおけるバランス装置の周辺部分を拡大して示す図である。

符号の説明

１ 回転軸
２ 羽根車
８ バランス装置
２１ バランス部材
３１、３２、４３ ラジアル軸受
３５ 回転環
３６ 固定環
３５ｐ 半円筒部材
３６ｐ 半円筒部材

Claims (3)

1. 吸入した水を加圧するための羽根車が多段に配設された回転軸と、この回転軸を支持するラジアル軸受と、前記回転軸を駆動するための駆動機と、前記回転軸の一端側と前記駆動機とを接続するためのカップリングと、前記カップリング側であって補助ケーシング内に収容された前記ラジアル軸受とともに前記補助ケーシング内に収容され、かつ前記ラジアル軸受と回転軸を伝わって前記水が漏れるのを防止する回転環と固定環からなるシール装置と、を備えている一軸多段ポンプにおいて、
   前記ラジアル軸受として、摺動要素が樹脂材料で形成され、潤滑に水を用いることができるようにされた水潤滑樹脂軸受を用い、
   前記シール装置の回転環と固定環は、二つの半円筒部材を組合わせた二つ割構造として、それぞれが径方向に分割できるように構成され、かつ前記カップリングを取り外すことなく前記補助ケーシングの前記カップリング側端部に着脱可能に設けられた後部カバーを外して、前記補助ケーシング内より前記シール装置を取り出すことにより、前記シール装置のメンテナンスを可能としたことを特徴とする一軸多段ポンプ。
2. 請求項１において、前記樹脂材料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であることを特徴とする一軸多段ポンプ。
3. 請求項１において、前記羽根車の加圧作用に起因して生じる軸方向の推力に対抗するバランス推力を前記回転軸に加えるバランス装置を備え、前記水潤滑樹脂軸受を、前記バランス装置におけるバランス部材の外径側に配置して、このバランス部材を介して前記水潤滑樹脂軸受により回転軸を支承するようにしたことを特徴とする一軸多段ポンプ。

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