特許 7461781 遠心ポンプ用エキスペラおよびこれを備える遠心ポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-27

(45)【発行日】2024-04-04

(54)【発明の名称】遠心ポンプ用エキスペラおよびこれを備える遠心ポンプ

(51)【国際特許分類】

   F04D 29/08 20060101AFI20240328BHJP

   F04D 29/22 20060101ALI20240328BHJP

   F16J 15/54 20060101ALI20240328BHJP

【ＦＩ】

F04D29/08 C

F04D29/22 A

F16J15/54

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020067847

(22)【出願日】2020-04-03

(65)【公開番号】P2021162007

(43)【公開日】2021-10-11

【審査請求日】2023-03-08

(73)【特許権者】

【識別番号】505328085

【氏名又は名称】古河産機システムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103850

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 秀▲てつ▼

(74)【代理人】

【識別番号】100105854

【弁理士】

【氏名又は名称】廣瀬 一

(74)【代理人】

【識別番号】100066980

【弁理士】

【氏名又は名称】森 哲也

(72)【発明者】

【氏名】葛山 達夫

(72)【発明者】

【氏名】種市 準

【審査官】丹治 和幸

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５３－１４６１０６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開２０１４－０２５４１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０４６４８７９４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６、

１７／００－１９／０２、

２１／００－２５／１６、

２９／００－３５／００

Ｆ１６Ｊ １５／４０－１５／４５３、

１５／５４－１５／５６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転軸の軸方向の前面が吸込み側とされるとともに内部に前記回転軸により回転するインペラが収容されたケーシングを有する遠心ポンプに用いられ、前記ケーシングの背面と前記回転軸の軸封部との間の画成空間に配置されるエキスペラであって、
前記回転軸と同軸に設けられた円筒状のボス部と、該ボス部の外周面から径方向に張り出して自身の前面に平滑な面を有する円盤部と、該円盤部の背面に設けられた複数枚の羽根と、を備え、
前記円盤部の前記前面側を向く壁面に、前記回転軸と同軸に設けられて前記画成空間内で前記ケーシングの背面に軸方向で対向するとともに前記前面側に軸方向に向けて突出する一または複数の環状凸部を有し、
前記一または複数の環状凸部のうちの少なくとも一つは、前記円盤部の外周端の位置に形成されるとともに、当該環状凸部の外径面が、前記円盤部の外径面と面一をなす一つの円筒面になっていることを特徴とする遠心ポンプ用エキスペラ。

【請求項2】

前記環状凸部は、前記円盤部の径方向に離隔して複数個所に設けられている請求項１に記載の遠心ポンプ用エキスペラ。

【請求項3】

前面が吸込み側とされたケーシングと、該ケーシング内に設けられたインペラと、該インペラを回転させる回転軸と、該回転軸と同軸に且つ前記ケーシングの背面と前記回転軸の軸封部との間の画成空間に配置されるエキスペラと、を備える遠心ポンプにおいて、
前記エキスペラとして、請求項１または２に記載の遠心ポンプ用エキスペラを備えることを特徴とする遠心ポンプ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、清水、汚泥液、パルプ液、微細な粒子を含むスラリー液、サンド等といった種々の液体（被送流体）を移送する遠心ポンプに係り、特に、ケーシングの背面と回転軸の軸封部との間の画成空間に配置されるエキスペラを有する遠心ポンプに関する。

【背景技術】

【0002】

この種の遠心ポンプは、例えば図６に示すように、前面が吸込み側とされたケーシング１と、ケーシング１内に設けられたインペラ（羽根車）２と、インペラ２を回転させるシャフト３と、を備える。インペラ２は、自身の前面に複数枚の羽根４ａが設けられるとともに、背面に複数枚の裏羽根４ｂが設けられている（例えば特許文献１参照）。
ケーシング１の背面側には軸封装置１０５が設けられている。軸封装置１０５には、ケーシング１背面とシャフト３の軸封部１０５ｓとの間の画成空間１０５ａに、エキスペラ１１０（補助羽根車）が配置されている。エキスペラ１１０は、インペラ２の背面側の位置に同軸に装着されてシャフト３と一体で回転する。

【0003】

同図に示す例では、軸封装置１０５は、エキスペラ１１０の背面側に、シャフト３のスリーブ６の外周部分を囲繞するように形成されたスタフィングボックス５ｂを備えている。スタフィングボックス５ｂの内面には、エラストマー等を材料とする複数のシール１０５ｔを有する軸封部１０５ｓが設けられている。
エキスペラ１１０は、図７に示すように、中心に設けられた円筒状のボス部１１１と、ボス部１１１の外周面から径方向に張り出して自身の前面に平滑な面を有する円盤部１１２と、を有する。円盤部１１２の背面には、複数枚の羽根１１３が設けられている。ここで、本明細書では、インペラおよびエキスペラの各々において、ケーシングの吸込み側を「前面」、駆動側を「背面」と呼ぶ。

【0004】

この種の遠心ポンプは、シャフト３が回転すると、スリーブ６、インペラ２およびエキスペラ１１０が一体で回転する。ポンプ運転中において、ケーシング１の吸込み側では吸込圧力が作用し、インペラ２の外周部では、インペラ２前面の羽根４ｂが回転することによるポンプ圧力が作用する。また、インペラ２の背面に裏羽根４ｂがある場合、その周囲の液体には裏羽根４ｂの回転によって遠心力が加わる。そのため、ポンプ圧力に対する減圧が生じる。

【0005】

一方、軸封装置１０５前方の画成空間１０５ａに配置されたエキスペラ１００は、エキスペラ背面では自身の羽根１１３の回転によって液体に遠心力が加わり、エキスペラ前面の圧力に対する減圧を生じる。エキスペラ１１０によるこの減圧効果によって、ポンプ運転中は、エキスペラ１１０の背面では液体と空気との境界面が形成され、これにより、エキスペラ１１０の後方の、スタフィングボックス１０５ｂ内の軸封部１０５ｓ側への被送流体の移動が防止または抑制される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００９－１１５０８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ここで、エキスペラ１１０の回転に随伴して旋回流が生じるところ、この旋回流は、図８に流れのイメージを示すように、円盤部１１２の壁面に近いほど被送流体の流れが速く、また、円盤部１１２の外周に行くほど遠心力が大きくなって、被送流体の半径方向の速度成分が増加する。なお、同図では、被送流体の流れの速さのイメージを三角形状とその内部に記載の矢印の長さとで示している。

【0008】

そのため、被送流体がスラリー液（固形粒子を含んで泥状になった液体）の場合、軸封装置１０５での軸封性能を向上するために、エキスペラ１１０による減圧効果を向上させるべくエキスペラ１１０の外径を大きくすると、それに伴う遠心力が大きくなって、スラリー液に含まれる粒子や固形物がエキスペラ背面側のスタフィングボックス１０５ｂの軸封部１０５ｓに移動する量も多くなり、スラリー液に含まれる粒子や固形物が軸封部１０５ｓに堆積し易くなるというトレードオフの問題がある。

【0009】

そこで、本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、液体がスラリー液の場合であっても、軸封性能を維持または向上させるとともに、エキスペラの外周部から軸封部側に移動するスラリー量を低減し得る、遠心ポンプ用エキスペラおよびこれを備える遠心ポンプを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る遠心ポンプ用エキスペラは、回転軸の軸方向の前面が吸込み側とされるとともに内部に前記回転軸により回転するインペラが収容されたケーシングを有する遠心ポンプに用いられ、前記ケーシングの背面と前記回転軸の軸封部との間の画成空間に配置されるエキスペラであって、前記回転軸と同軸に設けられた円筒状のボス部と、該ボス部の外周面から径方向に張り出して自身の前面に平滑な面を有する円盤部と、該円盤部の背面に設けられた複数枚の羽根と、を備え、前記円盤部の前記前面側を向く壁面に、前記回転軸と同軸に設けられて前記前面側に突出する一または複数の環状凸部を有することを特徴とする。

【0011】

また、上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る遠心ポンプは、前面が吸込み側とされたケーシングと、該ケーシング内に設けられたインペラと、該インペラを回転させる回転軸と、該回転軸と同軸に且つ前記ケーシングの背面と前記回転軸の軸封部との間の画成空間に配置されるエキスペラと、を備える遠心ポンプにおいて、前記エキスペラとして、本発明の一態様に係る遠心ポンプ用エキスペラを備えることを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係る遠心ポンプによれば、エキスペラの円盤部の前面側を向く壁面に、回転軸と同軸に設けられて前面側に突出する一または複数の環状凸部を有するので、エキスペラの回転に随伴して生じる旋回流を環状凸部によって規制して、エキスペラの半径方向の速度成分に乗ってスラリーがエキスペラの外周部、さらには軸封部側へと移動する動きを防止または抑制できる。
つまり、本発明の一態様に係る遠心ポンプによれば、エキスペラの円盤部の前壁面に設けた環状凸部が、「スラリー返し」として機能する。そのため、「スラリー返し」が旋回流の流れの向きを変えることによって、エキスペラの外周部から後方の軸封部側に移動するスラリー量を低減できる。その効果として、シールを長寿命化できるとともに、軸封装置の接液面の摩耗を抑制できる。

【発明の効果】

【0013】

上述のように、本発明によれば、液体がスラリー液の場合であっても、軸封性能を維持または向上させるとともに、エキスペラの外周部から軸封部側に移動するスラリー量を低減し得る、遠心ポンプ用エキスペラおよびこれを備える遠心ポンプを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一態様に係るエキスペラを備える遠心ポンプの一実施形態を説明する模式的縦断面図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。

【図2】本発明の一態様に係るエキスペラの一実施形態を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は背面図である。

【図3】図１の要部拡大図である。

【図4】図１のＺ－Ｚ断面図である。

【図5】図１の要部拡大図である。

【図6】従来のエキスペラを備える遠心ポンプの一例を説明する模式的縦断面図であり、同図では、軸線に沿った断面を示している。

【図7】従来のエキスペラの一例を説明する図であり、同図（ａ）はその正面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は背面図である。

【図8】従来のエキスペラの周囲での被送流体の流れを説明する図であり、同図（ａ）は従来のエキスペラを正面から見た要部拡大図、（ｂ）は、図６における従来のエキスペラの部分の要部拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の一実施形態について、図面を適宜参照しつつ説明する。なお、図面は模式的なものである。そのため、厚みと平面寸法との関係、比率等は現実のものとは異なることに留意すべきであり、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
また、以下に示す実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記の実施形態に特定するものではない。なお、上述した遠心ポンプと同一または対応する構成には同一の符号を付して説明する。

【0016】

本実施形態の遠心ポンプは、図１に示すように、ケーシング１と、ケーシング１内に設けられたインペラ２と、インペラ２を回転させる回転軸であるシャフト３と、を備える。インペラ２は、自身の前面に複数枚の羽根４ａが設けられるとともに、背面に複数枚の裏羽根４ｂが設けられている。

【0017】

ケーシング１は、シャフト３の軸方向の前面が吸い込み側とされるとともに、ケーシング１の背面側に軸封装置５が設けられている。軸封装置５は、ケーシング１の背面の画成空間５ａにエキスペラ１０が配置されるとともに、更に、このエキスペラ１０の背面側に、シャフト３に装着されたスリーブ６の外周部分を囲繞するように形成されたスタフィングボックス５ｂを有する。
スタフィングボックス５ｂの内面には、エラストマー等を材料とする複数のシール５ｔを有する軸封部５ｓが配設されている。軸封部５ｓは、複数のシール５ｔを有し、各シール５ｔは、内周側に張り出すリップ先端がシャフト３の外周面に摺接している。

【0018】

ここで、本実施形態のエキスペラ１０は、図２に示すように、中心にシャフト３と同軸に設けられた円筒状のボス部１１と、ボス部１１の外周面から径方向に張り出して自身の前面に平滑な面を有する円盤部１２と、を有する。円盤部１２の背面には、複数枚の羽根１３が設けられている。
さらに、本実施形態のエキスペラ１０は、円盤部１２の前壁面に、シャフト３と同軸に設けられて軸方向前側に突出する円環状の環状凸部１４が設けられている。この環状凸部１４は、後述するように、「スラリー返し」として機能する。

【0019】

シャフト３と同軸に設けられていれば、環状凸部１４の径方向での形成位置は特に限定されないが、環状凸部１４の「スラリー返し」として好適な形状として、本実施形態の例では、図３に示すように、環状凸部１４は、円盤部１２の前壁面の外周端の位置に形成されるとともに、環状凸部１４の外径の面は、エキスペラ１０の円盤部１２の外径の面と面一になっている（φｄ１＝φＤ）。
また、環状凸部１４の軸方向高さＨや径方向厚さＷは特に限定されないが、環状凸部１４の「スラリー返し」として好適な形状として、図３において、環状凸部１４の軸方向高さＨが１ｍｍ以上であることが好ましい（Ｈ≧１ｍｍ）。

【0020】

但し、環状凸部１４の軸方向高さＨは、円盤部１２の端面に対して、少しでも突起があればスラリー返し機能を奏するため有効である。
また、環状凸部１４の先端とケーシング１内壁の対向面との間の軸方向隙間Ｃは、インペラクリアランスＬよりも大きいことが好ましい（Ｃ＞Ｌ）。なお、インペラクリアランスＬは、ケーシング１の前側の接液面とインペラ２の主羽根３の前縁部との軸方向隙間である。

【0021】

次に、本実施形態の遠心ポンプの動作および作用効果について説明する。
本実施形態の遠心ポンプは、図１において、シャフト３が回転すると、インペラ２、エキスペラ１０およびスリーブ６が一体で回転する。インペラ２を回転させることにより被送流体を昇圧して、ケーシング１の吸込側１ｉｎから吐出側１ｏｕｔに被送流体を移送可能になっている。
また、エキスペラ１０は、シャフト３の回転によって回転し、インペラ２の背面側圧力を低減して、被送流体がスタフィングボックス５ｂ内の軸封部５ｓを通って外部へ漏れるのを防止する。

【0022】

つまり、インペラ２で被送流体を昇圧して移送するとき、軸封装置５では、軸封装置５の前面側の画成空間５ａに配置されたエキスペラ１０の回転により、その作用で背面圧力が低減され、被送流体が軸封部５ｓを通って外部へ漏れることが防止される。
ここで、エキスペラ１０の回転に随伴して被送流体の旋回流が生じるところ、上述したように、この旋回流は、円盤部１２の壁面に近いほどその流れが速く、また、円盤部１２の外周に行くほど遠心力が大きくなって半径方向の速度成分が増加する。
そのため、液体がスラリー液（固形粒子を含んで泥状になった液体）であると、半径方向の速度成分に乗ってスラリーがエキスペラ１０の外周部を超えて、後方の軸封部５ｓに達するおそれが生じ、スラリー液に含まれる粒子や固形物が軸封部５ｓに堆積し易くなる。

【0023】

これに対し、本実施形態のエキスペラ１０は、円盤部１２の前壁面に、シャフト３と同軸に軸方向前側に突出するように円環状の環状凸部１４が設けられているので、この環状凸部１４が「スラリー返し」として機能する。
すなわち、図５にイメージを示すように、環状凸部１４による「スラリー返し」は、旋回流の流れの向きを変えることによって、円盤部１２の外周部から軸封装置５の軸封部５ｓ側に移動するスラリー量を低減できる。また、「スラリー返し」の効果として、シール５ｔの長寿命化が可能となり、また、軸封装置５の接液面の摩耗を抑制できる。

【0024】

特に、本実施形態によれば、エキスペラ１０の円盤部１２の前壁面に、「スラリー返し」としての機能を奏するように、シャフト３と同軸に軸方向前側に突出する環状凸部１４を設けたので、この環状凸部１４の「スラリー返し」機能により、旋回流の流れの向きを変えることによって、半径方向の速度成分に乗ってスラリーがエキスペラ１０の外周部を超えるスラリー量、さらに、シール側へと移動するスラリー量を低減できる。

【0025】

これにより、軸封装置５の軸封部５ｓのシール機能のより長寿命化が可能であり、また、軸封装置５の各部内壁面の摩耗を抑制できる。このような構成とすれば、スラリーポンプにおいて、スラリー液に含まれる粒子や固形物が、エラストマー製のシール５ｔに堆積するのを防ぐ上で好ましい。
なお、本発明に係る遠心ポンプは、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。

【0026】

例えば、図３に破線で示すように、「スラリー返し」となる環状凸部を、円盤部１２の径方向に離隔して同心円状に複数段設けることができる。つまり、環状凸部１４の数は、少なくとも一つ設ければ「スラリー返し」として機能するが、エキスペラの径方向に離隔して、複数個所に同心円状に形成してもよい。
また、例えば、図３に破線で示す符号１４Ｂのように、端部の環状凸部１４よりも内周寄りの位置に、第二環状凸部１４Ｂを設けることができる。この場合、エキスペラの外径φＤを最大外径とし、「スラリー返し」をエキスペラの外径φＤよりも小径として内側に複数設ける多段構造としてもよい（同図の例では、φＤ＞φｄ１＞φｄ２）。

【0027】

また、例えば、図４に示すように、ケーシング１の背面に、エキスペラ１０による旋回流の周方向に沿った流れ抑制するためのジャマ板１ｊをケーシング１のエキスペラ１０に対向する面に径方向に沿って放射状に形成することは好ましい（同図の例では、放射状に８本のジャマ板１ｊが形成されている。）。
ただし、ケーシング１の背面には、図３に破線であらわす符号Ｌのようなラビリンス形状となるような、凹または凸の形状を周方向に沿って形成することは避けるべきである。一方、「スラリー返し」となる環状凸部１４を除けば、ケーシング１の背面に対向する円盤部１２の面自体は平坦面であることが好ましい。

【0028】

つまり、環状凸部１４による「スラリー返し」の技術的思想はラビリンス機構とは異なり、「スラリー返し」となる環状凸部１４とのケーシング１の対向面は、環状凸部１４の「スラリー返し」機能によって戻されるスラリーの内径方向への動きを阻害しない形状にすることが望ましい。
そのため、ケーシング１の背面には、円環状の突起や円環状溝のような径方向の流体の移動を規制する形状を設けてラビリンス機構とはしない。ラビリンス機構にスラリーが堆積することによる閉塞トラブルが危惧されるからである。

【符号の説明】

【0029】

１ ケーシング
２ インペラ（羽根車）
３ シャフト（回転軸）
４ａ 羽根
４ｂ 裏羽根
５ 軸封装置
５ａ 画成空間
５ｂ スタフィングボックス
５ｓ 軸封部
５ｔ シール
６ スリーブ
１０ エキスペラ
１１ ボス部
１２ 円盤部
１３ 羽根
１４ 環状凸部
１４Ｂ 第二環状凸部
Ｌ インペラクリアランス
Ｗ 環状凸部の径方向厚さ
Ｃ 軸方向隙間
Ｈ 環状凸部の軸方向高さ
Ｂ 円盤部の軸方向厚さ
φｄ１ 第一環状凸部の外径
φｄ２ 第二環状凸部の外径
φＤ エキスペラの外径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】