JPS6020596B2

JPS6020596B2 - 水中ポンプの軸封装置

Info

Publication number: JPS6020596B2
Application number: JP1971282A
Authority: JP
Inventors: 宏久住
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 1982-02-12
Filing date: 1982-02-12
Publication date: 1985-05-22
Also published as: JPS57203899A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、泥水工法における揚泥装置としての水中サク
ションポンプの回転軸部軸封装置に関するものである。

リバースサーキュレーションドリル等の泥水工法におい
て、掘削した±砂を水と共に地上に排出するためのサク
ションポンプを水中に入れたものが実用化されている。
これは掘削ビットの真上に取付けられ、掘削の進歩に伴
って掘削ビットと共に地中深く進行する。ここで問題と
なるのは、深度が増すにつれて掘削孔内の水圧が高くな
り、外圧と水中ポンプの内圧との圧力差が大きくなって
水中ポンプの回転軸シールの性能向上が要求されること
である。通常サクションポンプは陸上に設置されている
が、これを水中に入れる目的としては、ポンプの性能が
吸込揚程に制限されることなく、全揚程を吐出揚程にお
きかえることができる点を利用し、含泥率を高めるねら
いと掘削深度が深くなった場合の揚水を可能にすること
をねらいとしている。従って水中ポンプ式の竪孔掘削機
にとっては非常に高い性能を有する回転軸シールが必要
となる。このため、回転軸シール性能を高めなくても使
用に供し得る方法として、地上からハウジングの内部に
圧力媒体を送り込んで循環させ、その作用圧力を外圧よ
り高くすることが考え出されている。

これに類したものとして、実公昭４８−２１５２１、特
開昭５０−１５５００５、特公昭５２−７６４４、実開
昭４９−９００３、実開昭４９−１０３０７号公報等が
開示されている。しかし、これらの提案は、圧力媒体を
送り込む手段を別途準備せねばならない欠点を有してい
る。この圧力媒体を別途送り込まずに、回馳駆動源とし
て油圧モータを採用することにより、その油圧モータの
ドレーン油を途中から分岐させて回転軸封室に導き、地
上のオイルタンク迄のヘッド圧が麹封室に作用するよう
にして、内、外圧室を外部の泥水の比重差分に限定させ
、特別な圧力負荷手段を排除し、内、外圧調整機構の簡
素化を図ったものとして、特公昭５２一９９２１号公報
が開示されている。

この装置は、掘削機におけるカッタを回転駆動する油圧
モータのドレーン油の圧力を利用したものである。

カッタの回転数は土質によって異なるので、油圧モー夕
のドレーン油量も変化する。このため、常にヘッド圧の
み作用させるようにして、油量が変化しても圧力が一定
となるような配慮がなされたものある。従って、作動油
と泥水の比重差分の圧力差は必ず生じるわけで、深度が
増すにつれてこの圧力差は増加するほか、水中ポンプの
場合には軸封部に吐出へッド圧がさらに負荷されるので
、常に外圧より内圧が低くなる。このため、僅かの洩れ
は避けられないメカニカルシールを使用した場合や使用
中にシールが寿命等により破損した場合には、必ず圧力
の高い側から低い側へ洩れが生ずるので、外部から泥水
等が混入し、ベアリングや油圧モー夕ひいては地上の油
圧機器にトラブルが発生する懸念がある。本発明は、上
記した特公昭５２−９９２１号公報の改良に関するもの
で、軸封部に負荷される水中ポンプの吐出へッド圧の軽
減により、外液と接するシール部のシール圧の低下を図
ると共に、油圧モータのドレーン油がオイルタンクへ導
びかれる過程で発生する管路抵抗などによる圧力を利用
することにより、掘削深度が増加しても藤封部が回転し
ている時には常に内圧が外圧より高くなるようにして、
軸封部から外部へ洩れることはあってもこの逆は生じな
いようにした信頼性の高い水中ポンプの軸封装置を提供
することを目的としたものである。

この目的を達成するために、本発明は、油圧モータによ
って駆動させる水中ポンプの軸シールを上下２段に配設
し、水中ポンプのィンベラに裏羽根を設けると共に、下
部シールへの流略に前記ィンベラと一体のラビリンスシ
ールを形成し、さらに水中ポンプの揚液の一部が該ラビ
リンスシールを経て下部シールに導びかれた後外部に放
出するための貫通孔がハウジングに設けられ、前記上下
シール間に作動油等の液体を封入した空間室を形成する
と共に、その空間室内の内圧と外圧とが常にバランスす
る均圧器を取付け、前記上部シールの上側に設けた彼軸
封部空間に前記油圧モータのドレーン油を流入充満させ
ると共に、ドレーン油をドレーン配管およびドレーン配
管の途中に設けた管路抵抗付加手段を介してオイルタン
クに戻すように構成し、前記油圧モータの駆動時におけ
る被軸封部空間の内圧を前記管路抵抗手段により外圧よ
り高くなるようにしたことを特徴とするものである。

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第３図に従って、
さらに具体的に説明する。

第１図は本発明に係る竪孔掘削機で、竪孔を掘削してい
る途中の状態を示した全体側面図である。１は地上に据
付けたベースで、ベースーの上には掘削トルク供給装置
であるロータリーテーブル２が固定されている。

このロータリテーブル２の中央部にはケリーバ３が挿入
され、掘削トルクをロータリーテーブル２の回転に伴な
つて受給可能な形状で係合している。そして、ケリーバ
３の下端に順次連結されたドリルパイプ４、クロスオー
バザブ５、スタビライザ６、スタビライザ付水中ポンプ
ユニット７、ビット８を駆動するように構成されている
。ケリーバー３の上部にはスィベルジョィント９が連結
され、その上部には油圧ロータリジョィント１０が連結
されて、地上に設置した油圧モータュニツト１１から油
圧ホースを通じて供給される圧油を前記水中ポンプユニ
ット７に導くようになされている。また、スイベルジョ
イント９にはサスペンション９ａが取付けられており、
クレーン１２によってスイベルジヨイント９からビット
８までのドリルストリングを吊り下げている。また、ビ
ット８の下端中央部には吸込口が設けてあり、前記水中
ポンプユニット７の駆動によって掘削した土砂が水と共
に吸い上げられて、各ドリルストリングの内筒を経て、
スィベルジョィント９に取付けられたデリベリホース１
３を経由して沈澱槽１４に放出される。そして、上澄み
液を沈澱槽１４内に設置した水中ポンプ１５で吸い上げ
て掘削孔内に戻す。この作業を繰り返えすことにより竪
孔を掘削していく。次に、第３図を用いて水中ポンプユ
ニット７の駆動システムについて説明する。

地上に設置した油圧ポンプユニット１１のオイルタンク
１６は二槽に分かれており、一糟目のオイルタンク１６
ａからフィルター７を経て電動モー夕１８によって駆動
される油圧ポンプ１９により、作動油が吸い上げられる
。そして、コントロールバルブ２０を図示の中立状態か
ら「油圧モータ正転」側に操作することにより、作動油
は油圧モータ２１を正回転させる配管に導から、第１図
に示すロータリジョィント１０の固定側のボートから、
内部管略を経て中央に位置する回転側の内部管路へ流れ
、スィベルジョィント９の内部管路を経てケリーバ３に
導かれる。ここで、ドリルストリングが回転しても、油
圧ポンプユニット１１からロータリジョイント１川こ至
る油圧ホースが伴廻りしないように、ロータリジョィン
ト１０には固定側の回転止めストッパーｏａが付いてい
る。そして、ケリーバ３からドリルパイプ４「クロスオ
ーバーザブ５、スタビラィザ６の外部配管を経て、水中
ポンプユニット７の油圧モータ２１に導かれる。そして
、油圧モータ２１では仕事をした作動油は、同じ経過を
たどって二糟目のオイルタンク１６ｂに戻る。そして、
フィル夕２９を経て再び一糟目のオイルタンク１６ａに
流入する。この戻り配管の途中には、目づまり検知器及
び目づまり時のバイパス回路の付いたラインフィル夕２
２、油温の高くなって時にだけ作動するようにしたオイ
ルクーラ２３が付いている。油圧ポンプ１９には電動レ
ギュレータ２４により吐出量を変えられるようになって
いる。また、吐出量の圧力設定はリリーフ弁２５によっ
て行われる。油圧モータ２１のドレーン油は、ドレーン
配管２６を通り、途中目づまり検知器及び目づまり時の
バイパス回路の付いたラインフィル夕２７、シーケンス
弁２８を経て三糟目のオイルタンク１６ｃへ流入する。
三糟目のオイルタンク１６ｃをオーバーフローした作動
油は、一糟目のオイルタンク１６ａへ流れ込むようにな
っている。二樽目のオイルタンク１６ｂを三槽目のオイ
ルタンク１６ｃのそれぞれの一櫓目のオイルタンク１６
ａへの流入の仕方が違うのは、各作動油の流入量の違い
による。即ち、三櫓目のオイルタンク１６ｃへのドレー
ン油量は、油圧ポンプ１９の吐出量の２〜５％であるの
に対して、三糟目のオイルタンク１６ｂへの戻り油量は
、油圧ポンプ１９の吐出量の９５〜９８％程度と非常に
大きいため、もし、油の中に泥水等が混入していた場合
、オイルタンク１６ｂ内に沈澱せずに一糟目のオイルタ
ンク１６ａに流れ込む恐れがあり、この点を考慮したこ
とによる。オイルタンク１６ｂ，１６ｃにそれぞれ取付
けられた静電容量式の泥水混入感知器３０，３１は、タ
ンク内に泥水が混入した際、作動油の静電容量と泥水が
混入した際の静電容量の変化を検出して、油圧ポンプ１
９の駆動を停止させるものである。同様に、ラインフィ
ル夕２２，２７が目づまりを起した場合にも電気的に検
出し、警報を鳴らすようになっている。これは、掘削孔
内で泥水によって満たされていることから、掘削孔内部
の配管や水中ポンプの軸封装置が大きく破損して泥水が
混入した場合に、いち早く現象をキャッチして、大事に
至る前に対策を施すことができるようにしたものである
。また、各ドリルパイプには、前記した如く外部配管が
なされているが、各ドリルパイプを接続した際、この外
部配管同士をセルフシールジョイント３２，３３で接続
する。

なお、コントロールバルブ２０を中立状態から「油圧モ
ータ逆転一柳へ操作した場合には、油圧ポンプユニット
１１のコントロールバルブ２０を出たところの配管が、
正転の場合に対して「行き」と「戻り」カミ逆になる。

また、３４はしベルゲージ、３５は泥水混入監視窓を示
している。次に、第２図に基づき水中ポンプユニット７
の構成を具体的に説明する。水中ポンプユニット７は、
ビット８の真上に取付けられており、掘削れた土砂のか
たまりがポンプ内でつまることのないように、ポンプ吸
込口径と吐出口径が同じになっている。

ポンプは遠心ポンプで、ケーシング３６内のインベラ３
７をシャフト３８を介して油圧モータ２１で駆動するも
のである。シャフト３８は油圧モータ２１のシャフトと
チェーンカップリング３９で連結されている。そして、
シャフト３８はハウジング４０‘こ取付けられたベアリ
ング４１とハウジング４２に取付けられたベアリング４
３とでサポートされている。油圧モータ２１とハウジン
グ４０との間にはケース４４が介在され、それぞれ○リ
ング４５，４６によってシールされた形でボルトによっ
て接綾されている。ケース４４には、チェーンカップリ
ング３９を取付けるためのフタ４７が左右に設けられ、
０リングを介してボルトによって取付けられている。油
圧モータ２１のシャフトには、シールが設けられていな
いため、ドレーン油がケース４４内に流れ込むようにな
っている。ハウジング４０上の上部には、複数個の貫通
孔４９が穿設されており、ケース４４内及びハウジング
４０内の彼軸封部空間Ｃに満されたドレーン油が容易に
循環できるようになっている。ハウジング４０の底には
、油抜き用の排出口（図示しない）が設けられている。
ハウジング４０とハウジング４２は○リング５０を挟ん
でボルトによって接続されている。ハウジング４２内に
形成された空間Ａの上部には、ェア抜き用孔５１が穿設
されており、プラグ５２によって塞がれている。ベアリ
ング４３の下部におけるシャフト３８にキー５３で一体
となって回転するスリーブ５４とハウジング４２との間
には、上部回転軸シール５５と下部回転軸シール５６と
が離間して取付けられている。そして、上部回転軸シー
ル５５と下部回転軸シール５６との間の空間は、ハウジ
ング４２の空間Ａに通じている。このハウジング４２に
は、ジャバラ式均圧器５７がカバー５８と共に露出して
取付けられている。カバー５８の内蓬は、均圧器５７が
最も加圧された時の外径と僅かな隙間を有してほぼ等し
く設定されている。従って、均圧器の伸縮に際しては、
カバー５８の内蓬部分がガイドする形になるため、横方
向に取付けることができる。また、均圧器５７のジャバ
ラは、渦巻形状ではなく、それぞれのリングの集合体に
よって形成されており、カバー５８の下面には排出口５
８ａが複数個穿設されている。このため、泥がジャバラ
部に付着しにくく、かつ、その排出が容易であり、ジヤ
バラの伸縮に支障をきたいこくい構造になっている。こ
れは、ハウジング４２の空間Ａに満たされた作動油の熱
による膨脹や、空間Ａの内圧と外圧とがバランスする上
で伸縮をスムーズにする必要があるためである。また、
カバー５８の長さは、ジャバラの伸縮量に対して余裕を
もって設定されている。ハウジング４２の空間Ａの底部
には、排出口が穿設され、プラグ５９によって塞がれて
いる。また、ィンベラ３７には、その裏側の圧力を下げ
るねらいで、薄い裏羽根３７ａ，３７ｂが取付けられて
いる。

インベラ３７は、シャフト３８とキー６０を介して一体
に回転するように挿隊されており、インベラナツト６１
によって抜け止めされている。また、ケーシング３６と
連結されたハウジング４２には、プレート６２が取付け
られており、そのブレ−ト６２とインベラ３７とでラビ
リンスシール６２ａが形成されている。これにより、大
きな流動物がィンベラ３７のボス部とハウジング４２と
の間に形成される空間Ｂに侵入するのを防止することが
できる。また、この空間Ｂに向けられてハウジング４２
に固定羽根４２ａが設けられている。これは、ィンベラ
３７の裏羽根３７ａを通じて流入した土砂が、この空間
Ｂで渦を巻くことによって生じる空間Ｂ内の周囲の摩耗
を防ぐねらいで取付けたものである。しかし、下部回転
軸シール５６を冷却させることも必要なため、外部へ通
じる貫通孔６３を穿設し、これによって裏羽根３７ａか
らの錫液を導くようにしている。つまり、土建用水中ポ
ンプの全楊程は通常約１０〜２０ｍであり、ケーシング
３６の内圧が外圧より１〜２ｋ９／鮒常に高い圧力とな
るため、孫液が孔６３を経て循環するようにしたもので
ある。本発明は、上記のように構成したもので、第２図
に示す空間Ａはジャバラ式均圧器５７によってほぼ等し
い圧力になっており、下部回転軸シール５６及び上部回
転軸シール５５のシールに洩れが発生した場合には、揚
液は空間Ａに流入する。このため、均圧器５７が次第に
むくらみ、最終的にはジャバラの形もくずれてカバー５
８の内壁にピッタリと張り付くことになる。しかし、上
部回転軸シール５５が破損していなければ、被回転軸封
部にトラブルを発生させる恐れはない。そして、１本の
掘削孔を掘り終った段階で地上に引き上げるので、この
時に均圧器５７を点検すれば異常を発見することができ
る。次に、上部回転軸シールのシール圧を考えて見る。
もし、特公昭５２−９９２１号公報で開示されたように
、作動油のヘッド圧で考えるとすれば、シール圧は泥水
の比重１．１と作動油の比重０．８５との比重比で考え
ればよいから、１００仇の深さにおいては２．５ｋ９／
雌のシール圧となる。しかし、作動油のドレーン圧、つ
まり、華母封部空間Ｃの圧力を空間Ａの圧力より高くす
ることが本発明のねらいであることから、１００仇の深
さで、かつ、錫液が空間Ｂから空間Ａに流れ込んだ最悪
の状態を考えるならば、ドレーン圧を２．８〜３．８ｋ
９／地に高くすればよいわけである。ドレ−ン油は、前
記したように油圧ポンプの吐出章の２〜５％オイルタン
クへ戻るのである。従って、水中ポンプのように、作業
中常時ほぼ一定回転で回っているものは、ドレーン油量
もほぼ一定であり、これから容易に配管抵抗が求まるの
で、配管サイズを任意に選定すれば、ドレーン圧も決め
られることから、ドレーン圧の設定は容易である。この
ほか、回路２６に可変絞り等のオリフィスを設ける方法
（図示しない）や、第３図で示したように、途中の回路
２６にシーケンス弁２８を設け、この圧力を２．８〜３
．８ｋ９／鮒に設定することにより、ハウジング４０，
４２内の作動油圧を２．８〜３．８ｋｇ／のにすること
ができる。もちろん、この値は、掘削深さや水中ポンプ
の能力を仮定した場合の値であることは言うまでもない
。また、別の方法としては、掘削深度が深くなるにつれ
、ドリルパイプ４を継ぎ足していかなければならない点
を利用し「この接続毎に配管も継ぎ足すようにして、
この継ぎ足いこ、第３図で示したセルフシールジョイン
ト３３を使用すればよい。

このような方法で、セルフシールジョイント３３を、圧
損を考慮したサイズのものを選定する。つまり、掘削深
さが増すにつれて、油と泥水の比重差による圧力差が増
すので、この増分をセルフシールジョイント３３の圧損
で補うようにすれば、掘削深度が変ってもシール圧をほ
ぼ一定に保つことができる。また、ドレーン油量が少な
くて所望の圧力損失が得られない場合には、油圧モータ
２１からの戻り配管の途中を分岐し、必要な油量をドレ
ーン配管へ流すようにしてもよい。上記したように、油
圧モータ２１のドレーン排出口からオイルタンク１６ｃ
に亘るドレーン配管２６の任意の箇所に、可変絞り等の
オリフィス、シーケンス弁２８、圧損を考慮したセルフ
シールドジョイント３３等の圧力負荷手段を用いれば、
被軸封部空間Ｃ内の圧力を常に外圧より高い圧力に設定
することができる。さらに、下部回転軸シール５６のシ
ール性能も向上させれば、上部回転軸シール５５のトラ
ブル発生率の低減も計れることになり、藤封部装置全体
のシール性能の向上につながることになる。

即ち、空間Ａは、ジャバラ式潟圧器５７が設けられてい
ることもあって、外圧にほぼ等しい圧力を有している。
しかし、前述したように、水中ポンプが運転されている
時は、空間Ｂの圧力は外圧より１〜２ｋ９／泳程度高い
圧力を有しているので、下部回転軸シール５６にかかる
シール圧力は１〜２ｋｇ／地ということになる。従って
、この圧力差を４・さくできれば、下部回転軸シール５
６のシール性能に対する負担も軽減されることになる。
本発明では、ィンベラ３７に裏羽根３７ａ，３７ｂを設
けると共に、プレート６２とインベラ３７とでラビリン
スシール６２ａを形成させることによって、水中ポンプ
を運転した場合に、空間Ｂの圧力を０．７５ｋ９／塊程
度低下させることがわかる。従って、空間Ｂの圧力は０
．３〜１．３ｋ９／係程度となり、下部回転軸シール５
６のシール性能の向上を計ることができる。尚、これら
のシール圧は、回転中について考慮したが、通常シール
は静止中よりも回転や摺動中において苛酷であり、静止
中においてはかなりのシール圧まで持つものであっても
、回転や摺動させた場合には、僅かなシール圧でも持た
ないことがあると考えるのが一般概念である。

従って、特に問題となる回転や摺動時の鞠シールについ
て、本発明を適用することにより、最良の効果を得るこ
とができる。以上述べたように、本発明の水中ポンプの
軸封装置によれば、油圧モータのドレーン油を彼軸封部
に満たし、ここでの圧力が軸シールを介した外圧より掘
削深度が大きくなっても常に高くなるように、ドレーン
配管の途中に圧力負荷手段を設けると共に、前記軸シー
ルを上下２段に配設し、その上下シール間に作動油等の
液体を封入した空間室を形成し、その空間室内の内圧と
外圧とをバランスさせる潟圧器を取付けたので、僅かの
洩れは避けられないメカニカルシールを使用した場合や
使用中にシールが寿命等で破損した場合には、僅かの隙
間が生じるだけであることから、必ず被軸封部に満たさ
れた作動油が外部へ洩れることはあっても、外部から被
軸封部に泥水が入り込むことはないので、ベアリングや
油圧モータ等にトラブルが発生するのを完全に回避する
ことができる。

また、水中ポンプのィンベラに髪羽根を取付けると共に
、下部回転軸シールへ通じる通路にィンべラと一体のラ
ビリンスシールを形成したので、シール圧の低下が計れ
、さらにハウジング４２に貫通孔６３を設けたことによ
り、水中ポンプの錫液が循環し、下部回転軸シールを冷
却させることができるので、下部回転軸シールのシール
機能に対する負荷も軽減され、この結果、鱗封装置全体
の信頼性の向上へつなげることができる。また、外圧と
直接接する０１」ング等に洩れが生じても、直ちにベア
リング等の被軸封体のある油圧ドレーンに満たされた液
室に被害が及ぶのを防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の水中ポンプの鞠封装置を用いた一実施
例である竪孔掘削機の全体側面図、第２図は第１図で示
した水中ポンプユニットの拡大断面図、第３図は水中ポ
ンプユニットの駆動及び本発明の鞠封装置の原理を説明
するために油圧回路図である。７…水中ポンプユニット、８…ビット、２１．．・油圧
モータ、２６…ドレーン配管、２８・・・シーケンス弁
、３３・・・セルフシールジョイント〜３６・・・ケ
ーシング、３７…インベラ、３７ａ，３７ｂ…袋羽根、
３８…シャフト、４０，４２…ハウジング、４４・・・
ケース、４９…貫通孔、５３…スリーブ、５５…上部回
転軸シール、５６・・・下部回車由シール、５７・・・
ジャバラ式均圧器、５８…カバー、６２…プレート、６
２ａ…ラビリンスシール「Ａ・・・ハウジング４２の空
間、Ｂ…インベラ３７とハウジング４２との間に形成さ
れる空間、Ｃ・・・彼軸封部空間。第１図第２図第３図

Claims

【特許請求の範囲】

１油圧モータによつて駆動される水中ポンプの軸シー
ルを、上下２段に配設し、水中ポンプのインペラに裏羽
根を設けると共に、下部シールへの流路に前記インペラ
と一体のラビリンスシールを形成し、さらに水中ポンプ
の揚液の一部が該ラビリンスシールを経て下部シールに
導びかれた後外部へ放出するための貫通孔がハウジング
に設けられ、前記上下シール間に作動油等の液体を封入
した空間室を形成すると共に、その空間室内の内圧と外
圧とが常にバランスする均圧器を取付け、前記上部シー
ルの上側に設けた被軸封部空間に、前記油圧モータのド
レーン油を油入充満させると共に、ドレーン油をドレー
ン配管およびドレーン配管の途中に設けた管路抵抗付加
手段を介してオイルタンクに戻すように構成し、前記油
圧モータの駆動時における被軸封部空間の内圧を前記管
路抵抗手段により外圧より高くなるようにしたことを特
徴とする水中ポンプの軸封装置。