JPS6356437B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は乾式モートルで駆動される水中ポン
プの軸スラスト低減に関する。

ポンプでは羽根車の回転により流体にエネルギ
ーを付与するため、羽根車前後では圧力差が生ず
る。したがつて、羽根車にはこの圧力差によつて
水力的な軸スラストが作用する。たとえば第１図
に示すような水中ポンプについて説明すると、羽
根車１はインペラナツト２により回転軸３に固定
されており、回転軸３は乾式モートル４により回
転を与えられる。回転軸３の羽根車１とモートル
４の間の部分には軸封部５が設けられており、羽
根車１の出口からのもれ流れがモートル４へ侵入
することを防いでいる。軸封部５における圧力が
高くなる場合には、軸封を二重にして軸封５の間
にオイル室６を設けて油で漏水の侵入を防止す
る。モートル４は上記軸封５によつて大気と遮断
されるが、モートル内の圧力は、通常は大気圧程
度である。一方、ケーシング７は羽根車１をおお
うように形成されており、羽根車１の前面側壁１
ａ、背面側壁１ｂの対向面にはウエアリングリン
グ８が取付けられ、細隙部９を構成して羽根車出
口から吸込口１０へ向うもれ流れをシールしてい
る。

上記構成となつているため、羽根車１とケーシ
ング７で囲まれた間隙１１と、吸込口１０とでは
著しい圧力差を生じ、かつ吸込口１０の径は回転
軸３より大きいため、羽根車１を回転させると背
面側壁１ｂ側から前面側壁１ａに向つて軸スラス
トＴが生起する。この軸スラストＴは第２図ｂの
斜線部分の圧力に相当し、羽根車１の前面、背面
側の圧力分布、羽根車１を通る流水の運動量、吸
込口部の吸込圧力等によつて変化する。ここで、
T_Fは羽根車前面側に作用するスラスト、T_Bは羽
根車背面側に作用するスラスト、T_Pは流水の吸
込圧によるスラスト、T_Mは流水の運動量変化に
よるスラストである。

ポンプに過大な軸スラストが作用する場合に
は、軸受部あるいは軸をこのスラストに耐えられ
るように強度的考慮を払う必要が生じ、軸受、軸
が講しく大きくなるため、通常はさらに第２図ａ
に示すように羽根車背面ボス部付近にバランスホ
イール１２を設けて、羽根車背面ボス部付近の圧
力を吸込圧程度まで減少させ、吸込口のスラスト
（T_P＋T_M）と背面ウエアリングリング１３より
小径側のバランス室１４の側壁に作用するスラス
トT_B2を釣合せる。

しかし、水中ポンプのように吸込圧力がその使
用条件により変化する場合には、この吸込圧力変
化に伴うスラストT_Pの変化量が第２図ｂに示す
ごとく非常に大きくなり、羽根車前面側壁１ａ側
から背面側壁１ｂに向う逆スラストが生ずること
がある。例えば土木基礎工事に用いられる水中ポ
ンプ式リバースサーキユレーシヨンドリル装置で
は、第４図に示すごとく地盤掘削するドリルビツ
ト２１の上方に水中ポンプ２２を配置して、掘削
した土砂を地上に排出する。この場合水中ポンプ
は掘削深さに応じてその位置を変化させるが、掘
削深さは100ｍを越えることがであるためポンプ
吸込圧力の変化は10Kg/cm²を越える。一方モート
ル内部の圧力は掘削深さにかかわらず大気圧状態
であるため、軸封部でロータに作用する圧力のバ
ランスがくずれ、この結果式(1)に示すスラストが
生ずる。

T_P＝P_S×π／４D² _SF ……(1) ここで、P_Sは吸込ゲージ圧力、D_SFは軸封部軸
径である。

前述のリバースサーキユレーシヨンドリル装置
に用いられる水中ポンプでは、軸スラストの最大
値が400Kg、その吐出し量に伴う変化が200Kg程度
であるのに対して、吸込圧変化に伴う軸スラスト
の変化量は約800Kgにも及ぶ。

吸込圧に伴う軸スラスト変化は、軸封部での圧
力のアンバランスに起因するため、モートルを乾
式モートルから油封入式モートルに替えて地上か
ら吸込圧に応じて加圧したり、油圧モートルを使
用することにより無くすことは可能であるが、油
封入式モートルの場合油封入のための補助設備を
要したり、油圧モートルの場合掘削深さが深くな
ると作動油の給排油パイプ中での流動損失が増す
ため、著しくモートル効率が低下する欠点があつ
た。

また、ポンプ吐出側圧力を利用して羽根車に作
用するスラスト力をバランスさせる考案が大正14
年実用新案出願公告第17324号公報に記載されて
いる。しかし、この考案のものは軸、羽根車およ
び環型盤を軸方向に移動させて環型盤とケーシン
グ、及び羽根車とケーシングとの軸方向隙間を変
化させ、バランス室９に作用する圧力をコントロ
ールしてスラスト力をバランスさせるものである
ため、吸込圧が変わる毎に回転軸や羽根車が軸方
向に移動し、不安定なポンプとなるばかりでな
く、スラスト軸受も軸方向に移動可能な軸受が要
求され、装置が複雑となる。また、ポンプ吐出し
側から水は通水路１３、室９及び水抜け孔１７
（引用番号は前記公報の図面参照）を通過して羽
根車の吸込側に流れるため、ポンプ吐出し側と羽
根車吸込側とでは差圧が非常に大きくなり、スラ
スト力をバランスさせるための水が大量に流れる
ためポンプ効率も低下するという問題がある。

本発明は、ポンプ吸込圧力の変化に伴う軸スラ
ストの変化を軽減し、かつ装置も簡単で回転軸を
軸方向に移動させる構造とする必要もなく、さら
にポンプ効率もほとんど低下させない水中ポンプ
を得ることを目的とするものである。

本発明の特徴は、乾式モートルで駆動され、背
面側壁を有する羽根車をケーシングに回転自在に
支持させた水中ポンプにおいて、羽根車背面側壁
に軸方向に伸びる円筒状部材を形成し、この円筒
状部材に対し半径方向に細隙部を形成するように
ウエアリングリングをケーシングに設け、該ウエ
アリングリング部と、羽根車と、ケーシングと、
ケーシングと回転軸との間の隙間をシールする軸
封部とによつてバランス室を形成し、このバラン
ス室とポンプ吐出し管とを接続する圧力バランス
管を設け、このバランス管の断面積よりも前記ウ
エアリングリング部の半径方向細隙部面積の方が
大きくなるように構成したことにある。

以下、この発明の実施例を第５図〜第８図を用
いて説明する。

第５図ａはリバースサーキユレーシヨンドリル
装置に用いられる水中ポンプの実施例であり、羽
根車１の前面側壁１ａ、背面側壁１ｂには羽根車
側壁上の静圧調整および土砂侵入防止のためのう
ら羽根１５が設けられており、また羽根車背面側
壁１ｂには軸方向に伸びる円筒状部材が形成さ
れ、この円筒状部材に対し半径方向に細隙部を形
成するようにウエアリングリング１３をケーシン
グ７に設け、もれ流れをシールするようにしてい
る。１４はウエアリングリング１３部と、羽根車
１と、ケーシング７と、ケーシング７と回転軸３
との間の隙間をシールする軸封部５とによつて形
成されたバランス室で、このバランス室１４とポ
ンプ吐出し管とを圧力バランス管１６によつて連
通してい。この発明は上記構成のため、羽根車側
壁に作用する静圧は第５図ｂのごとくなり、バラ
ンス管１６を通るもれ流れはポンプ吐出し管から
羽根車出口側へ向うが、ウエアリングリング１３
の細隙部面積A_Wをバランス管断面積A_Bより広く
とることにより、ウエアリングリング前後の差圧
（すなわちもれ流れを）小さく設定でき、従つて
ある吸込圧状態において軸スラストを任意の小さ
な値に設定できる。

A_W＝π×D_W×ε＞ π／４×D_B ²＝A_B ……(2) ここでD_Wはウエアリングリング直径、εはウ
エアリングリング部半径すきま、D_Bはバランス
管直径である。

なお上記構成のみでは所定の軸スラストが得ら
れない場合には、うら羽根の高さ比ｔ／ｓを変更
するか、あるいは背面ウエアリングリング径を前
面ウエアリングリング径と異なる値とすることに
より、目的を達成できるがこれらはいずれもこの
発明の範ちゆうである。

次にポンプ運転条件変化による特性を述べる。
第６図は本ポンプの羽根車出口静圧比の吐出し量
による変化を示す。通常羽根車出口の流れは、少
吐出し量側では流出角が小さくなり絶対流速が増
すため反動度すなわち羽根車出口静圧の全圧に対
する比は小さくなり、さらにケーシング内部での
流動損失は吐出し量とともに増加するため、全揚
程に対する羽根車出口静圧の比は大吐出量側で
1.0に近く、少吐出し量側では0.7程度まで低下す
る。なお第６図は本ポンプに関して固有の値であ
るが、羽根車出口静圧比の吐出し量による変化の
この傾向はほとんどすべてのポンプに適用でき
る。

従つて、吐出し管静圧と羽根車出口部静圧との
差は第７図に示すごとく大吐出し量側で小さく、
少吐出し量側で大きい。羽根車出口部静圧とウエ
アリング部静圧との間には、この間の流体の旋回
速度に関係づけられる式(3)の関係がある。ウエア
リングリング部静圧は羽根車出口静圧からほぼ一
定値低下し、この結果バランス管前後の差圧は少
吐出し量側で大きくなる。

P_W＝P₀−ρ／２（ω×β）² 〔r₀ ²−r_W ²〕 ……(3) ここでP_Wはウエアリングリング部静圧、P₀は
羽根車出口静圧、ωは羽根車の旋回角速度、βは
流体の羽根車に対する旋回角速度比、ρは水の密
度、r₀は羽根車外径、r_Wはウエアリングリング半
径である。

一方、リバースサーキユレーシヨンドリルでは
掘削深さが深くなるとともにポンプ吐出し管長さ
も長くなるため、泥水吐出しに伴う流動抵抗が増
してポンプの運転点は少吐出し量側へ移る。従つ
てポンプ吸込圧力と、バランス管に作用する差圧
とはともに掘削深さとともに増すが、一般にバラ
ンス室面積は軸封部軸断面積より十分広いため、
バランス管差圧のわずかな変化で吸込圧力による
スラストT_Pとバランス室に作用するスラストT_B2
は釣合う。

第８図ａはこの発明による清水用水中ポンプの
実施例であり、羽根車１の前面側壁１ａ、背面側
壁１ｂにはウエアリングリング８を設けてもれ流
れをシールするとともに、羽根車背面ボス部付近
に対向するケーシング壁７にはポンプ吐出し管と
接続する圧力バランス管１６が設けられている。
通常の水中ポンプではその水深を連続的に変化さ
せて使用することはないが、水深の深い配管状態
と、浅い配管状態とで比較してみると、吐出し抵
抗は配管長さにほぼ比例するため、第５図ａで述
べたと全く同様の作用効果が得られる。なお、羽
根車側壁にうら羽根がない場合には流体の旋回速
度に対するもれ流れの影響が強く現われ、もれ流
れの方向が前面側壁側と前面側壁側とで異なる場
合には流体の旋回角速度比βは両面で著しく異な
るため、第８図ｂに示すごとく羽根車背面側から
前面側へ向う軸スラストが大きくなる。従つて清
水用水中ポンプの場合でも、使用条件に応じて羽
根車背面側にうら羽根を設けることが望ましい。

以上説明したように、この発明によれば羽根車
背面ボス部付近に対向するケーシング壁とポンプ
吐出し管を連接する圧力バランス管を設けたた
め、ポンプ吸込圧力の変化に対応してバランス管
の差圧も変化し、吸込圧による軸スラスト変化を
容易に軽減できる。特に常に吸込圧力が大幅に変
化し、これに対応してポンプ運転点が少吐出し量
側へ移動するリバースサーキユレーシヨンドリル
装置用の水中ポンプに非常に有効である。

また、本発明では、バランス室とポンプ吐出し
管とを圧力バランス管によつて直接接続し、この
バランス管の断面積よりも羽根車背面のウエアリ
ングリング部の半径方向細隙部面積の方が大きく
なるように構成し、ポンプ吐出し管からバランス
管を経てバランス室に流入した水は羽根車背面を
通つて羽根車出口部に流入する構成としているの
で、次の作用、効果も得られる。すなわち、バラ
ンス管断面積とウエアリングリング部細隙部面積
とを設計時に適当な値とすることにより、羽根車
に作用するスラスト力をバランスさせることがで
き、したがつて従来例のように回転軸や羽根車を
軸方向に移動させる構造とする必要がないから装
置を簡単なものにすることができるだけでなく、
軸方向への振動のない安定な水中ポンプが得られ
る。また、バランス室の水を羽根車出口へ流す構
成としているので、ポンプ吐出し側と羽根車出口
との差圧は小さいから、スラスト力をバランスさ
せるための水は少量流れるだけであり、ポンプ効
率も従来のものより向上する。さらに、バランス
管の断面積よりウエアリングリング部細隙部面積
の方が大きいから、スラストバランスのための水
の流量はバランス管の断面積で決まり、したがつ
てバランス水の流量を増すことなくウエアリング
リング部細隙部面積を大きくとれるから、バラン
ス室に作用する圧力を小さくすることも可能であ
り、軸スラストを任意の小さな値に設定すること
ができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の水中ポンプの断面図、第２図ａ
は第１図のポンプ部分の拡大断面図、第２図ｂは
第２図ａのポンプの圧力分布図、第３図は水中ポ
ンプの吸込圧変化に伴うスラスト変化を示す図、
第４図はリバースサーキユレーシヨンドリル装置
図、第５図ａはこの発明によるポンプの断面図、
第５図ｂは第５図ａのポンプの圧力分布図、第６
図は羽根車出口静圧の吐出し量に伴う変化を説明
する図、第７図はリバースサーキユレーシヨンド
リル用水中ポンプの運転点を説明する図、第８図
ａはこの発明による他のポンプの断面図、第８図
ｂは第８図ａに示すポンプの圧力分布図。 １…羽根車、４…乾式モートル、７…ケーシン
グ、８，１３…ウエアリングリング、１５…うら
羽根、１６…バランス管。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 乾式モートルで駆動され、背面側壁を有する
   羽根車をケーシングに回転自在に支持させた水中
   ポンプにおいて、羽根車背面側壁に軸方向に伸び
   る円筒状部材を形成し、この円筒状部材に対し半
   径方向に細隙部を形成するようにウエアリングリ
   ングをケーシングに設け、該ウエアリングリング
   部と、羽根車と、ケーシングと、ケーシングと回
   転軸との間の隙間をシールする軸封部とによつて
   バランス室を形成し、このバランス室とポンプ吐
   出し管とを接続する圧力バランス管を設け、この
   バランス管の断面積よりも前記ウエアリングリン
   グ部の半径方向細隙部面積の方が大きくなるよう
   に構成したことを特徴とする水中ポンプ。