JP4704066B2

JP4704066B2 - 立軸ポンプ

Info

Publication number: JP4704066B2
Application number: JP2005046552A
Authority: JP
Inventors: 重久手塚; 忠博土屋; 幸男浅見; 忠充野村
Original assignee: 株式会社電業社機械製作所
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006233786A

Description

本発明は、無注水で先行待機運転が可能なようにした立軸ポンプに関するものである。

急な出水に対して迅速に排水ができるようにする目的で、ポンプ機場に先行待機運転が可能な先行待機型立軸ポンプが設置される。従来の先行待機型立軸ポンプの構造の一例を図５を参照して説明する。図５は、従来の先行待機型立軸ポンプの構造の一例の縦断面図である。

図５において、吸込水槽３０のポンプ設置床３１に、立軸ポンプ３２の吐出エルボ３３が設置固定され、この吐出エルボ３３の下端に揚水管３４とポンプケーシング３５および吸込管３６が順次に連結されて垂架され、吸込管３６が水面下に水没される。また、吐出エルボ３３の他端に短管３７と吐出弁３８および吐出管３９が順次に連結される。排水は、吐出管３９から図示しない排水先に排出される。吸込管３６から吐出管３９に至る管路により、ポンプ流路が形成される。そして、吐出エルボ３３の外壁を貫通して揚水管３４およびポンプケーシング３５の軸心位置に配設されるポンプ軸４０に、ポンプケーシング３５内で羽根車４１が配設される。このポンプ軸４０は、ポンプ流路内にて羽根車４１の下流側で軸受４６、４７により回転自在に支承される。これらの軸受４６、４７の摺動部材は、一般的にゴム素材で形成されたゴム軸受が用いられる。さらに、ポンプ流路内のポンプ軸４０および軸受４６、４７を全体的に覆うように、軸保護管４８およびこれに連結された内ケーシング５０が設けられ、この軸保護管４８の上端部内に注水ポンプ４９により潤滑水が供給され、軸保護管４８を経て内ケーシング５０内にも潤滑水が供給され、さらに内ケーシング５０に一端が開口された排水管５１を経て外部に排水される。さらにまた、吸込管３６の管壁に羽根車４１の入口レベルＣより上流側の位置のレベルＢで吸気孔５２が穿設され、この吸気孔５２に吸気管４２の一端が接続され、その他端が吸気弁５３を介して外気に連通される。

かかる構成において、出水時に、ポンプ軸４０に連結された駆動装置（図示せず）が運転されて、立軸ポンプ３２の揚水運転が行われ、吸込水槽３０の水位が高水位から次第に低下し、水位がある程度の水深となるレベルＡに達すると、開かれた吸気弁５３と吸気管４２および吸気孔５２を介して、空気が吸込管３６内に吸い込まれるようになり、通常の揚水運転から気水混合運転に移行する。さらに、水位が吸気孔５２が穿設されたレベルＢまで低下すると、吸込管３６内は空気で満たされて真空破壊がなされ、羽根車４１より上流側の水が完全に落水し、気水混合運転から気中運転に移行する。ここで、吸込管３６内の水が落水しても、羽根車４１の回転による落水規制作用により、羽根車４１より下流側のポンプケーシング３５および揚水管３４内の水は落水せずに保持されたまま運転が継続されてエアロック運転となる。このエアロック運転においても徐々にポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が落水し、ポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が完全に落水すると完全な気中運転となる。吸込水槽３０の水位が再び上昇して、羽根車４１の入口レベルＣまで達すると揚水が再開されて、揚水運転に再び移行する。

ポンプ軸４０が回転駆動されている間は、ポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が完全に落水した気中運転時にあっても、軸保護管４８および内ケーシング５０内に供給される潤滑水で軸受４６、４７が潤滑されており、軸受４６、４７の摩耗等の不具合は生じない。

上述のごとき図５に示す構造の従来の立軸ポンプ３２にあっては、気中運転時の軸受４６、４７の損傷を防止するために、軸受４６、４７に潤滑水を供給する軸保護管４８や内ケーシング５０および注水ポンプ４９等の付帯設備の設置が必要である。しかるに、これらの付帯設備が、急な出水の緊急時に故障状態であると、立軸ポンプ３２の運転が不能となり、極めて重大な問題を発生させかねない。そこで、緊急時に確実に運転ができるように、できるだけ付帯設備等の必要がなく、外部から潤滑水を注水する必要なしに運転が可能な無注水軸受を用いた先行待機型の立軸ポンプの採用が望まれている。図５に示す構造の従来の立軸ポンプ３２で、軸受４６、４７の摺動部材にセラミックス等を用いることで無注水運転が可能である。しかしながら、セラミックス等を摺動部材に採用した無注水軸受を採用すると、エアロック運転時に発生するポンプ軸４０の振動により、軸受４６、４７の摺動部材に過大な負荷が加わって損傷され易いという問題がある。

そこで、エアロック運転時のポンプ軸４０の振動を軽減させて軸受４６、４７の摺動部材に加わる負荷を少なくするために、ポンプ軸４０を羽根車４１の上流側まで延長し、羽根車４１の上流側でもポンプ軸４０を軸受で支承する構造が提案されている。しかるに、かかる構造において、羽根車４１より上流側の軸受は、吸込管３６内の水が完全に落水してから再び水位が軸受の位置に上昇するまでの間は、無注水状態での気中運転が継続される。そのために、無注水での運転時間が長くなる確率が高く、それだけ温度上昇と摩耗による損傷を生じさせ易く、摺動部材としてセラミックス等を用いた軸受であっても十分に満足できるものでなかった。なお、羽根車４１より下流側に配設される軸受４６、４７は、エアロック運転時にはポンプケーシング３５および揚水管３４内に保持された水により潤滑されるために、羽根車４１より上流側に配設される軸受よりも、無注水での運転時間が短く、それだけ摩耗等による損傷は軽減される。

なお、耐摩耗性に優れたアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンを、ポンプ軸の軸受の摺動部材として用いる技術が、特表平０９−５０８４４４号公報（特許文献１）に示されている。
特表平０９−５０８４４４号公報

本発明は、かかる従来技術の事情に鑑みてなされたもので、無注水での気中運転時間が長くても耐摩耗性に優れた軸受と、エアロック運転時の振動による負荷に十分に耐え得る軸受を用いて、先行待機運転に好適な立軸ポンプを提供することを目的とする。

本発明は上述のごとき問題点を解決するためになされたもので、本発明の立軸ポンプは、ポンプ流路内の羽根車の上流側と下流側でポンプ軸を軸受により支承し、アラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで、前記上流側に配設される軸受の摺動部材を形成し、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維の複合材料で、前記下流側に配設される軸受の摺動部材を形成して構成されている。

そして、ポンプ流路内の羽根車の上流側と下流側でポンプ軸を軸受により支承し、アラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで、前記上流側に配設される軸受の摺動部材を形成し、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維の複合材料およびその上流側と下流側に密接または近接して配設したアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンとで、前記下流側に配設される軸受の摺動部材を形成して構成しても良い。

請求項１記載の立軸ポンプにあっては、耐摩耗性に優れたアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで、羽根車より上流側に配設される軸受の摺動部材を形成し、耐荷重性に優れたポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維の複合材料で、羽根車より下流側に配設される軸受の摺動部材を形成したので、無注水での運転時間が長くなる確率が高い上流側の軸受が、温度上昇と摩耗による損傷を受けにくく、またエアロック運転により過大な負荷が加わる虞のある下流側の軸受が、負荷による損傷を受けにくい。もって、無注水での運転が十分に可能である。

そして、請求項２記載の立軸ポンプにあっては、耐摩耗性に優れたアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで、羽根車より上流側に配設される軸受の摺動部材を形成し、耐荷重性に優れたポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維の複合材料およびその上流側と下流側に密接または近接して配設した耐摩耗性に優れたアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンとで、羽根車より下流側に配設される軸受の摺動部材を形成したので、無注水での運転時間が長くなる確率が高い上流側の軸受が、温度上昇と摩耗による損傷を受けにくく、またエアロック運転により過大な負荷が加わる虞のある下流側の軸受が、負荷による損傷を受けにくく、しかも砂やシルトなどの摩耗成分が多く含まれる液体に対しても、上下両側に密接または近接して配設された耐摩耗性に優れた素材で摩耗成分が内部へ侵入するのが阻止されて耐荷重性に優れた素材の摩耗が抑制される。よって、摩耗成分の多く含まれる液体に対する無注水での運転が十分に可能である。

以下、本発明の第１実施例を図１ないし図３を参照して説明する。図１は、本発明の立軸ポンプの構造の第１実施例の縦断面図である。図２は、羽根車より上流側に配設される軸受の縦断面図である。図３は、羽根車より下流側に配設される軸受の縦断面図である。図１において、図５と同じまたは均等な部材には同じ符号を付けて重複する説明を省略する。

図１に示す第１実施例の立軸ポンプ１０において、図５に示す従来例と大きく相違するところは、軸保護管４８と注水ポンプ４９および排水管５１が省かれたことと、ポンプ軸４０が羽根車４１より上流側まで延長されて軸受１で回転自在に支承されたことにある。よって、ポンプ軸４０は、羽根車４１の上流側に配設された軸受１と、羽根車４１より下流側に配設された軸受２、３により回転自在に支承される。そして、図２に示すごとく、羽根車４１の上流側の軸受１の軸受箱４内に配設されてポンプ軸４０の軸スリーブ６に摺接する摺動部材５は、アラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで形成されて４列に嵌装される。しかも、軸受箱４の下部は蓋７で閉塞されていて軸受箱４内に水が溜まるように形成される。なお、第１実施例のごとく、蓋７が設けられることが望ましいが、必ずしも蓋７が設けられなくても良い。また、図３に示すごとく、羽根車４１の下流側の軸受２、３に配設されてポンプ軸４０の軸スリーブ９に摺接する摺動部材８は、熱可塑性樹脂であるポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成される。

かかる構成の立軸ポンプ１０で、出水時に、ポンプ軸４０に連結された駆動装置（図示せず）が運転されて揚水運転が行われ、吸込水槽３０の水位が高水位から次第に低下し、水位がある程度の水深となるレベルＡに達すると、開かれた吸気弁５３と吸気管４２および吸気孔５２を介して、空気が吸込管３６内に吸い込まれるようになり、通常の揚水運転から気水混合運転に移行する。さらに、水位が吸気孔５２が穿設されたレベルＢまで低下すると、吸込管３６内は空気で満たされて真空破壊がなされ、羽根車４１より上流側の水が完全に落水し、気水混合運転から気中運転に移行する。そして、羽根車４１の回転による落水規制作用により、ポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が保持されるエアロック運転となる。さらに、ポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が徐々に落水し、ポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が完全に落水すると完全な気中運転となる。そして、吸込水槽３０の水位が再び上昇して、羽根車４１の入口レベルＣまで達すると揚水が再開されて、揚水運転に再び移行する。

このような先行待機運転において、揚水運転がなされている間は、ポンプ流路内の流水によりいずれの軸受１、２、３も潤滑がなされる。そして、エアロック運転となる間は、軸受１は流水に潤滑されない無注水状態であるが、軸受２、３はポンプケーシング３５および揚水管３４内に保持される流水で潤滑される。そこで、羽根車４１より上流側に配設される軸受１は、下流側に配設される軸受２、３よりも無注水状態での運転時間が長くなる可能性が高い。また、エアロック運転ではポンプ軸４０に発生し易い振動により軸受２、３に過大な荷重負荷が加わる虞が高い。さらに、ポンプケーシング３５および揚水管３４内の水が完全に落水されて完全な気中運転となると、軸受１、２、３のいずれもが流水によって潤滑されない無注水状態となる。

発明者らは、かかる軸受１、２、３の使用状態に適した摺動部材５、８、８としての素材を見出すべく、多くの実験を行った。その結果、まず羽根車４１より上流側に配設されて無注水状態での気中運転時が長くなる確率が高い軸受１の摺動部材５として、摩擦熱による軸受温度の異常上昇および異常摩耗に十分に耐え得る素材としてのアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンを見出した。一例として、メルケル社が市販する商品名「アロヘム２」を用いて実験を行った。実験は、気中運転を１時間行い、その後揚水運転を２０分行い、さらにエアロック運転を８分行い、再度気中運転に移行するパターンで、連続して９時間の実験を行った。その結果、軸受温度の異常上昇や異常な摩耗損傷が見られず、十分な能力を有することが確認された。また、発明者らは、摺動部材５として、同じ素材のアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンであるメルケル社が市販する商品名「アロヘムＳ」を用いても実験を行った。「アロヘム２」と同様に十分な結果が得られた。そこで、羽根車４２より上流側に配設される軸受１の摺動部材５として、アラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンを用いることができるとの結論を得た。また、羽根車４２より下流側に配設されてエアロック運転による過大な荷重負荷が加わる虞が高い軸受２、３の摺動部材８、８として、耐荷重性に優れた素材としての熱可塑性樹脂であるポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料を見出した。一例として、グリーン，ツィードアンドカンパニージャパン株式会社が市販する商品名「ＷＲ−５２５」を用いて実験を行った。実験は、６５ｍｍ径のポンプ軸４０を１５００／ｍｉｎで回転させるとともに軸受に面圧１ＭＰａの負荷を与えて、清水中で連続５０時間の運転実験を行った。その結果、摺動部材８の摺接面に何ら異常が発生せず、エアロック運転の振動に対して十分な能力を有することが確認された。

以上の実験結果に基づき、軸受１の摺動部材５をアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで形成し、軸受２、３の摺動部材８、８は、熱可塑性樹脂であるポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成して、実機を製造し、性能の確認実験を行ったところ、発明者らの予想通り、先行待機運転に好適な無注水の立軸ポンプ１０としての性能が確認できた。

次に、本発明の第２実施例を図４を参照して説明する。図４は、本発明の立軸ポンプにおいて、羽根車より下流側に配設される第２実施例の軸受の縦断面図である。図４において、軸受１２は摺動部材１１がポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料（一例として、商品名「ＷＲ−５２５」）で形成され、この軸受１２の上流側と下流側に密接して軸受１４、１５が配設され、これらの軸受１４、１５の摺動部材１３、１３がアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキン（一例として商品名「アロヘムＳ」）で形成され、軸受１２、１４、１５で一体的に軸受が構成される。かかる複合的な軸受の構造は、砂やシルト等の摩耗成分を多く含む液体に対する無注水運転の適するようにしたものである。

発明者らが、第１実施例における羽根車４１よりも下流側に配設される軸受２、３の摺動部材８、８をポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成したものに対して、摩耗成分として粒径０．２ｍｍ以下の珪砂を清水に投入して固形物濃度２０００ｐｐｍに調整したスラリー液を用いて耐久実験を行ったところ、６５時間の運転で摺動部材８、８は４６５μｍほど摩耗してしまった。発明者らは、かかる摩耗は、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成した摺動部材８、８の摺接面に、摩耗成分が侵入したためと考えた。そこで、発明者らは、図４に示すごとく、摺動部材８、８の摺接面に摩耗成分が侵入しないようにすべく、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成した摺動部材１１を有する軸受１２の上流側と下流側に密接してポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで形成した摺動部材１３、１３を有する軸受１４、１５をそれぞれに配設する構造を案出した。軸受１４、１５の摺動部材１３、１３により、軸受１２の摺動部材１１の摺接面に摩耗成分が侵入するのを阻止させるようにしたものである。かかる複合的な構造の軸受に対して、上記実験と同様に耐久実験を行ったところ、５００時間の運転でも、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成した摺動部材１１は、僅かに２３０μｍの摩耗量に過ぎなかった。

以上のスラリー液による耐久実験の結果に基づき、羽根車４１より下流側に配設される軸受として、摺動部材１１がポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成された軸受１２と、この軸受１２の上流側と下流側に密接して摺動部材１３、１３がアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで形成された軸受１４、１５で一体的に複合的な軸受が構成されることで、砂やシルト等の摩耗成分が多量に含まれる液体に対する無注水運転が可能である。なお、図４に示す構造にあっては、軸受１２の上下両側に密接して軸受１４、１５が配設されているが、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維からなる複合材料で形成された摺動部材１１と、この摺動部材１１の上流側と下流側に密接してまたは近接してアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで形成された摺動部材１３，１３が配設される構造であればよく、また摺動部材１１、１３、１３を配設する軸受箱が一体であっても良い。なお、上下両側にそれぞれに配設した摺動部材１３、１３により、中央の摺動部材１１の摺接面に摩耗成分が侵入するのを阻止するものであり、摺動部材１３、１３の摺接面を経ずに摺動部材１３、１３と摺動部材１１との隙間から直接的に摺動部材１１の摺接面に摩耗成分が侵入しないような構造とすることは勿論である。

本発明の立軸ポンプの構造の第１実施例の縦断面図である。羽根車より上流側に配設される軸受の縦断面図である。羽根車より下流側に配設される軸受の縦断面図である。本発明の立軸ポンプにおいて、羽根車より下流側に配設される第２実施例の軸受の縦断面図である。従来の先行待機型立軸ポンプの構造の一例の縦断面図である。

１、２、３、１２、１４、１５、４６、４７軸受
４軸受箱
５、８、１３摺動部材
６、９軸スリーブ
７蓋
１０、３２立軸ポンプ
３０吸込水槽
３１ポンプ設置床
３３吐出エルボ
３４揚水管
３５ポンプケーシング
３６吸込管
３７短管
３８吐出弁
３９吐出管
４０ポンプ軸
４１羽根車
４２吸気管
４８軸保護管
４９注水ポンプ
５０内ケーシング
５１排水管
５２吸気孔
５３吸気弁

Claims

ポンプ流路内の羽根車の上流側と下流側でポンプ軸を軸受により支承し、アラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで、前記上流側に配設される軸受の摺動部材を形成し、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維の複合材料で、前記下流側に配設される軸受の摺動部材を形成して構成したことを特徴とする立軸ポンプ。
ポンプ流路内の羽根車の上流側と下流側でポンプ軸を軸受により支承し、アラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンで、前記上流側に配設される軸受の摺動部材を形成し、ポリエーテルエーテルケトンと炭素繊維の複合材料およびその上流側と下流側に密接または近接して配設したアラミド繊維とポリテトラフルオロエチレン−グラファイトコンパウンド繊維からなるリング状の角編みパッキンとで、前記下流側に配設される軸受の摺動部材を形成して構成したことを特徴とする立軸ポンプ。