JP2002213384A - 先行待機運転対応立軸ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 先行待機運転時であっても軸受の摩耗や発熱
による損傷を生じることのない先行待機運転対応立軸ポ
ンプを提供すること。 【解決手段】 ポンプケーシング１０，１３，１５，２
０内に設置した羽根車２１を回転駆動するシャフト１１
のポンプケーシング１０，１３，１５，２０内部の軸受
として、水中ラジアル軸受４３と磁気軸受５０とを設置
する。ポンプのドライ運転時は磁気軸受５０を主軸受と
して使用し、揚水運転時は水中ラジアル軸受４３を主軸
受として使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、先行待機運転対応
立軸ポンプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】都市では建築物が密集しており、路面舗
装も普及しているので、大雨の際には雨水が地面に浸透
することなく排水ポンプ機場に一挙に流入してくる。一
方エンジンで駆動する排水ポンプ機場の排水ポンプはそ
の始動開始から始動完了までに時間を要するので、排水
ポンプ機場の吸込水位が上昇してから排水ポンプを始動
していたのでは排水が間に合わない。このため排水ポン
プ機場では降水と同時にポンプを大気中で空のまま始動
してその後流入してくる水を待つ先行待機運転を行うよ
うに対処している。従ってポンプは始動してから排水ポ
ンプ機場の吸水槽内に水が流入してきて実際の排水を始
めるまでは大気中でドライ運転することとなる。

【０００３】図５はこの種の従来の先行待機運転ポンプ
を示す概略断面図である。同図に示すようにこの先行待
機運転ポンプは、吊下げケーシング８０の下部に吐出ケ
ーシング８１と羽根車８７を収納した羽根車ケーシング
８２と吸込ベルマウス８４とを取り付け、一方吊下げケ
ーシング８０の上部に湾曲する吐出ケーシング８５を取
り付け、これらポンプケーシングの内部に設置したシャ
フト８６を吐出ケーシング８５の上部から突出して図示
しない駆動手段に連結して構成されている。

【０００４】ここで吐出ケーシング８１内にはガイドベ
ーン８８が固定され、ガイドベーン８８の中央にはケー
シング８９が取り付けられ、ケーシング８９内にはシャ
フト８６の軸受（下部軸受）９１が取り付けられてい
る。この軸受は水潤滑によるラジアル軸受である。

【０００５】一方シャフト８６の吐出ケーシング８５か
ら外部に突出する部分には、内部の揚水が漏れ出ないよ
うにするための軸封水部９５が設けられており、更にそ
の上部にはシャフト８６の軸受（上部軸受）９７が設け
られている。この軸受は油潤滑によるラジアル・スラス
ト軸受である。

【０００６】しかしながら先行待機運転（ドライ運転）
時は、水潤滑による軸受（下部軸受）９１を潤滑・冷却
する水がないため、摩耗や発熱による損傷を起こすこと
があった。但し上部軸受９７はポンプケーシングの外部
にて油中に設置されているので、損傷の問題はない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の点に鑑
みてなされたものでありその目的は、先行待機運転時で
あっても軸受の摩耗や発熱による損傷を生じることのな
い先行待機運転対応立軸ポンプを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め本発明は、ポンプケーシング内に設置した羽根車を回
転駆動するシャフトの軸受をポンプケーシングの上部と
ポンプケーシングの内部に設けた先行待機運転対応立軸
ポンプにおいて、前記ポンプケーシング内部の軸受は、
磁気軸受からなるラジアル軸受であることを特徴とす
る。

【０００９】また本発明は、ポンプケーシング内に設置
した羽根車を回転駆動するシャフトの軸受をポンプケー
シングの上部とポンプケーシングの内部に設けた先行待
機運転対応立軸ポンプにおいて、前記ポンプケーシング
内部の軸受は、水中ラジアル軸受と磁気軸受とであるこ
とを特徴とする。

【００１０】また本発明は、前記先行待機運転対応立軸
ポンプに、ポンプケーシング内部の水の有無を検出する
測定手段と、前記測定手段がポンプケーシング内部に水
があることを検出した際に前記磁気軸受の運転を停止す
る制御手段とを設けていることを特徴とする。

【００１１】また本発明は、前記磁気軸受の軸受隙間
を、水中ラジアル軸受の軸受隙間よりも大きくしたこと
を特徴とする。

【００１２】また本発明は、前記磁気軸受の軸受隙間よ
りも小さい軸受隙間を有するタッチダウン軸受を設けた
ことを特徴とする。

【００１３】また本発明は、前記磁気軸受の軸受隙間よ
りも小さい軸受隙間であり、且つ前記水中ラジアル軸受
が摩耗した際の使用限界軸受隙間よりも大きい軸受隙間
であるタッチダウン軸受を設けたことを特徴とする。

【００１４】また本発明は、前記磁気軸受の制御に用い
るために前記シャフトとの変位を検出する磁気軸受制御
変位計の出力を入力してポンプの状態を検出する制御手
段を設けたことを特徴とする。

【００１５】また本発明は、前記磁気軸受として、非制
御式反発型永久磁石式磁気軸受を用いたことを特徴とす
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
を用いてなる先行待機運転対応立軸ポンプの要部概略断
面図である。同図に示すようにこのポンプは、吊下げ管
１０の下に吐出ケーシング１３と羽根車２１を収納した
羽根車ケーシング２０と吸込ベルマウス２５とを取り付
け、一方吊下げ管１０の上に湾曲する吐出ケーシング１
５を取り付け、これらポンプケーシングの内部に立てて
設置したシャフト１１の上部を、吐出ケーシング１５の
湾曲した上部側面から突出させ、上部のスラスト・ラジ
アル軸受２７によって軸支した上で、図示しない減速機
を介して図示しないディーゼル機関やガスタービン等か
らなる駆動手段に連結して構成されている。吐出ケーシ
ング１５上部から外部にシャフト１１が突出する部分に
は、揚水が外部に漏れ出ないように軸封水部３５が設け
られている。また３７はシャフト１１を中間部分で軸支
する中間軸受（水潤滑による水中軸受）である。中間軸
受３７は必要に応じて一又は複数箇所に設けられる。ス
ラスト・ラジアル軸受２７は、吐出ケーシング１５の外
部に設置されているので、油潤滑が行なえる。

【００１７】ここで羽根車２１の上部には、水の流れを
スムーズにする形状に形成されたケーシング４０がシャ
フト１１を覆うように設置されており、ケーシング４０
内にはシャフト１１をラジアル方向に軸支する水中軸受
４３が取り付けられている。ケーシング４０自体はガイ
ドベーン４５によって吐出ケーシング１３の中央に固定
されている。そして本発明においては、ケーシング４０
の上部に、磁気軸受５０を設置している。

【００１８】ここで図２は水中ラジアル軸受４３と磁気
軸受５０の部分を拡大して示す要部拡大断面図である。
同図に示すように水中ラジアル軸受４３は筒状であって
シャフト１１を覆うことでシャフト１１を回動自在に軸
支するように構成されている。この水中ラジアル軸受４
３はこの実施形態ではカーボン繊維を内蔵した状態でＰ
ＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）材を円筒状に成
形して構成されているが、他の材質（例えば他の合成樹
脂材やセラミックス等）・構造で構成しても良い。

【００１９】一方磁気軸受５０はシャフト１１側に固定
されるロータコア５５と、磁気軸受５０を覆うケーシン
グ５１側に固定されるステータコア５７とを具備して構
成されるラジアル軸受である。この磁気軸受５０はキャ
ン構造であり、ロータコア５５とステータコア５７の対
向する面にはそれぞれロータキャン５６とステータキャ
ン５８とが取り付けられており、これによってロータと
ステータの内部が密閉構造にされている。ステータコア
５７からは磁気軸受ケーブル５９が吊下げ管１０の外部
に引き出されている。またステータコア５７の下部には
シャフト１１との隙間寸法を測定する水中変位計（磁気
軸受制御変位計）６１がシャフト１１の軸に垂直な面の
Ｘ−Ｙ軸方向に設置されている。この水中変位計６１の
出力はケーブル６３によって図１に示すように制御手段
１００に入力され、磁気軸受５０によるシャフト１１の
軸受制御に利用される。なおケーシング５１はステー５
３によって吊下げ管１０に固定されている。またケーシ
ング５１はその上下のシャフト１１を貫通する部分の隙
間５１１，５１３を小さくして異物がケーシング５１内
に侵入するのを防止している。

【００２０】そして磁気軸受５０の保護のため、磁気軸
受５０の軸受隙間（ロータキャン５６とステータキャン
５８の隙間）寸法を水中ラジアル軸受４３の軸受隙間
（シャフト１１と水中ラジアル軸受４３の隙間）寸法よ
りも大きくしている。

【００２１】一方図１に示す制御手段１００は磁気軸受
５０の駆動・制御を行い、図示しない測定手段（例えば
水位センサや圧力センサなど）によってポンプケーシン
グ内部の水位や吐出圧力を測定してポンプケーシング内
部に水があることを検出した場合は磁気軸受５０の駆動
を停止するように制御する。

【００２２】以上のように構成された先行待機運転対応
立軸ポンプの図示しない駆動手段を駆動することでシャ
フト１１を回転駆動すれば、羽根車２１が回転駆動を始
める。そして先行待機運転の場合、ポンプが始動してか
ら排水ポンプ機場の吸水槽内に水が流入してきて実際の
排水を始めるまでは大気中でドライ運転することとなる
が、その場合は制御手段１００によって磁気軸受５０を
駆動・制御する。つまりこの実施形態においては、下部
軸受（ポンプケーシング内の軸受）として磁気軸受５０
と水中ラジアル軸受４３とを設置しているが、ドライ運
転の際は磁気軸受５０を主ラジアル軸受とし、水中ラジ
アル軸受４３を補助ラジアル軸受として使用する。磁気
軸受５０は非接触軸受であるため、ドライ運転でも摩擦
による発熱や摩耗はない。一方水中ラジアル軸受４３
は、ドライ運転の際にこれを潤滑・冷却する水がなくて
も、磁気軸受５０がシャフト１１を確実に軸支している
ので、摩耗や発熱を生じず、その損傷を確実に防止でき
る。

【００２３】ところでスラスト・ラジアル軸受２７はポ
ンプ駆動時のスラスト荷重を支える。このため、磁気軸
受５０が支えるのはポンプラジアル流体力のみであり、
大きなスラスト力となるロータ（シャフト１１や羽根車
２１を含む）自重を支持する必要がないため、磁気軸受
５０のユニットは小さくできる。磁気軸受５０は軸受支
持力密度が他の軸受に比し小さく、ポンプに用いた場
合、従来の軸受に比し寸法が大きくなり、ポンプ自体の
大きさも肥大化する恐れがあるが、上述のように磁気軸
受５０は小型に構成できるので問題ない。

【００２４】そして羽根車２１によって吸水槽内の水が
吸込ベルマウス２５から吸い込まれてポンプケーシング
内に水が流入してきて図１に示す吐出ケーシング１５に
向けて揚水され、実際の排水が始まったことを図示しな
い測定手段（例えば水位センサや圧力センサなど）が検
出した場合は、制御手段１００によって磁気軸受５０の
駆動が停止され、以後は水中ラジアル軸受４３を主ラジ
アル軸受として使用する。この場合はポンプケーシング
内に水があるので、その水によって水中ラジアル軸受４
３を潤滑・冷却でき、摩耗や発熱による損傷の問題は生
じない。磁気軸受５０の駆動を停止しても、磁気軸受５
０の軸受隙間を水中ラジアル軸受４３の軸受隙間よりも
大きくしているので、磁気軸受５０に損傷が生じること
もない。

【００２５】以上のようにドライ運転のときが磁気軸受
５０の必要性の高いときであるが、ドライ運転では水が
ないため軸受荷重が小さい。一方他の状態では水がポン
プケーシング内にあり流体力が大きくなって軸受荷重も
増加するがそのときは水潤滑による水中ラジアル軸受４
３の使用が可能である。このためドライ運転時のみ磁気
軸受５０を主軸受とし、他の状態では水中ラジアル軸受
４３を主軸受とすることにより磁気軸受５０をさらに小
型化できる。

【００２６】ところで磁気軸受５０には制御式の吸引型
と、非制御式の反発型があり、ラジアル軸受を反発型と
した場合、シャフト１１が軸方向に逃げようとするが、
本ポンプでは上部のスラスト・ラジアル軸受２７により
シャフト１１の軸方向の動きを拘束できるため、その問
題がなくなって非制御式反発型を使用することができ
る。また非制御式では電磁石によるコントロールが不要
となるため、これを永久磁石に代替することができ（非
制御式反発型永久磁石式磁気軸受）、取り扱いがわずら
わしい磁気軸受ケーブル５９をなくすこともできる。

【００２７】一方制御手段１００は磁気軸受５０の駆動
・制御の他に、以下の制御も行なう。即ち制御式の磁気
軸受５０ではシャフト１１を適正な状態に制御するため
水中変位計６１によってシャフト１１の偏心量を測定し
ているが、この偏心量によりポンプの状態診断も行なっ
ている。即ち具体的に言えば、水中変位計（磁気軸受制
御変位計）６１を常にモニタリングし、ポンプの状態、
例えばポンプ内に水があるとき（ドライ運転以外のと
き）のシャフト１１の偏心量を測定して水中ラジアル軸
受４３の摩耗の程度を測定してポンプ運転の可否やメン
テナンスの要否の診断材料としたり、突然偏心量が大き
くなった場合は何れかの部分の故障の可能性があると判
断して警報を発したりポンプの運転を停止したりするの
である。

【００２８】図３は本発明の他の実施形態にかかる先行
待機運転対応立軸ポンプの水中ラジアル軸受４３と磁気
軸受５０の部分を拡大して示す要部拡大断面図である。
この実施形態において前記実施形態と同一部分には同一
符号を付してその詳細な説明は省略する。即ちこの実施
形態において前記実施形態と相違する点は、磁気軸受５
０の上部にタッチダウン軸受６０を取りつけた点のみで
ある。このタッチダウン軸受６０は、セラミックスやス
テンレス等の耐食性材料製玉軸受によって構成されてお
り、シャフト１１との軸受隙間を、磁気軸受５０の軸受
隙間と水中ラジアル軸受４３の軸受隙間との関係におい
て、 磁気軸受５０の軸受隙間＞タッチダウン軸受６０の軸受
隙間＞水中ラジアル軸受４３の使用限界軸受隙間 としている。

【００２９】ここでタッチダウン軸受６０の軸受隙間
を、磁気軸受５０の軸受隙間よりも小さくしたのは、磁
気軸受５０の保護のためである。また水中ラジアル軸受
４３の使用限界軸受隙間とは、水中ラジアル軸受４３が
摩耗によって軸受隙間が増大したときの使用限界の軸受
隙間をいう。つまり磁気軸受５０の保護のため水中ラジ
アル軸受４３を設けているが、さらに念のためタッチダ
ウン軸受６０を設けたものである。つまり水中ラジアル
軸受４３部分における軸ブレは少なくても、水中ラジア
ル軸受４３部分から離れた磁気軸受５０部分の軸ブレは
大きい場合があり、念のためタッチダウン軸受６０を設
けることで磁気軸受５０の保護を図っているのである。
なおこの実施形態ではタッチダウン軸受６０として玉軸
受を用いたが、筒状のセラミックスや、筒状のＰＥＥＫ
等の樹脂材からなる軸受などによって構成しても良い。

【００３０】図４は本発明のさらに他の実施形態にかか
る先行待機運転対応立軸ポンプの水中ラジアル軸受４３
と磁気軸受５０の部分を拡大して示す要部拡大断面図で
ある。この実施形態において前記図２，図３に示す実施
形態と同一部分には同一符号を付してその詳細な説明は
省略する。即ちこの実施形態において前記各実施形態と
相違する点は、磁気軸受５０をケーシング４０内の水中
ラジアル軸受４３の真上の位置に設置した点である。こ
のように構成すればさらにポンプのコンパクト化が図れ
る。

【００３１】以上本発明の実施形態を説明したが、本発
明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求
の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範
囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書
及び図面に記載がない何れの形状や構造や材質であって
も、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技
術的思想の範囲内である。

【００３２】例えば上記実施形態においては磁気軸受５
０としてキャンド型の磁気軸受を用いたが、キャンド型
ではない磁気軸受を用いる場合は磁気軸受用のコイルと
して樹脂巻耐水絶縁電線を使用するのが好適である。

【００３３】また上記各実施形態においてはポンプケー
シング内部に設置する軸受として磁気軸受と水中ラジア
ル軸受とを用いたが、水中ラジアル軸受を省略して磁気
軸受のみとしても良い。

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように本発明によれ
ば以下のような優れた効果を有する。 ポンプケーシング内部の軸受として磁気軸受からなる
ラジアル軸受を用いたので、先行待機運転時であっても
軸受の摩耗や発熱による損傷を生じることはない。

【００３５】ポンプケーシング内部の軸受として水中
ラジアル軸受と磁気軸受とを用いたので、ドライ運転時
と実際の揚水運転時の両者の運転に好適となり、特に磁
気軸受として小型のものを使用でき、ポンプ全体の小型
化が図れる。

【００３６】磁気軸受の軸受隙間を水中ラジアル軸受
の軸受隙間よりも大きくしたので、磁気軸受の保護が図
れる。さらに磁気軸受の軸受隙間よりも小さい軸受隙間
を有するタッチダウン軸受を設ければ、さらに磁気軸受
の保護が図れる。

【００３７】磁気軸受の制御に用いるためにシャフト
の変位を検出する変位計を用いてポンプの状態を検出す
ることができるようになる。

【００３８】磁気軸受として非制御式反発型永久磁石
式磁気軸受を用いた場合は、電磁石によるコントロール
が不要となり、また取り扱いがわずらわしい磁気軸受ケ
ーブルをなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を用いてなる先行待機運転
対応立軸ポンプの要部概略断面図である。

【図２】水中ラジアル軸受４３と磁気軸受５０の部分を
拡大して示す要部拡大断面図である。

【図３】本発明の他の実施形態にかかる先行待機運転対
応立軸ポンプの水中ラジアル軸受４３と磁気軸受５０の
部分を拡大して示す要部拡大断面図である。

【図４】本発明のさらに他の実施形態にかかる先行待機
運転対応立軸ポンプの水中ラジアル軸受４３と磁気軸受
５０の部分を拡大して示す要部拡大断面図である。

【図５】従来の先行待機運転ポンプを示す概略断面図で
ある。

【符号の説明】

１０ 吊下げ管（ポンプケーシング） １１ シャフト １３ 吐出ケーシング（ポンプケーシング） １５ 吐出ケーシング（ポンプケーシング） ２０ 羽根車ケーシング（ポンプケーシング） ２１ 羽根車 ２５ 吸込ベルマウス ２７ スラスト・ラジアル軸受 ３５ 軸封水部 ４０ ケーシング ４３ 水中ラジアル軸受 ４５ ガイドベーン ５０ 磁気軸受 ５１ ケーシング ５３ ステー ５５ ロータコア ５６ ロータキャン ５７ ステータコア ５８ ステータキャン ５９ 磁気軸受ケーブル ６０ タッチダウン軸受 ６１ 水中変位計（磁気軸受制御変位計） １００ 制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安藤 嘉彦 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 (72)発明者 森 敏 神奈川県藤沢市本藤沢４丁目２番１号 株 式会社荏原総合研究所内 Ｆターム(参考） 3H020 AA01 AA07 BA11 BA21 CA00 CA07 DA00 3H022 AA01 BA06 CA11 CA12 CA16 CA17 CA20 DA09 3H045 AA06 AA09 AA12 AA23 AA31 AA39 BA31 BA41 CA00 CA14 DA00

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ポンプケーシング内に設置した羽根車を
   回転駆動するシャフトの軸受をポンプケーシングの上部
   とポンプケーシングの内部に設けた先行待機運転対応立
   軸ポンプにおいて、 前記ポンプケーシング内部の軸受は、磁気軸受からなる
   ラジアル軸受であることを特徴とする先行待機運転対応
   立軸ポンプ。
2. 【請求項２】 ポンプケーシング内に設置した羽根車を
   回転駆動するシャフトの軸受をポンプケーシングの上部
   とポンプケーシングの内部に設けた先行待機運転対応立
   軸ポンプにおいて、 前記ポンプケーシング内部の軸受は、水中ラジアル軸受
   と磁気軸受とであることを特徴とする先行待機運転対応
   立軸ポンプ。
3. 【請求項３】 前記先行待機運転対応立軸ポンプには、 ポンプケーシング内部の水の有無を検出する測定手段
   と、 前記測定手段がポンプケーシング内部に水があることを
   検出した際に前記磁気軸受の運転を停止する制御手段と
   を設けていることを特徴とする請求項２記載の先行待機
   運転対応立軸ポンプ。
4. 【請求項４】 前記磁気軸受の軸受隙間よりも小さい軸
   受隙間を有するタッチダウン軸受を設けたことを特徴と
   する請求項１又は２記載の先行待機運転対応立軸ポン
   プ。
5. 【請求項５】 前記磁気軸受の制御に用いるために前記
   シャフトとの変位を検出する磁気軸受制御変位計の出力
   を入力してポンプの状態を検出する制御手段を設けたこ
   とを特徴とする請求項１又は２記載の先行待機運転対応
   立軸ポンプ。