立軸ポンプ
【課題】立軸ポンプの主軸に作用するスラスト力を効果的に低減し、かつ揚水に異物が含まれる場合にもスラスト力の低減効果を適切に維持する。
【解決手段】立軸ポンプ１は、揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容され、かつ少なくともスラスト軸受であるボール軸受３６に潤滑液を供給するように構成された循環閉水路２１を備える。循環閉水路内には潤滑液を循環させるための循環用ポンプ２６が配置されている。循環用ポンプ２６が備える循環用インペラ６１の側板６４は、口金部６６と外周縁との間に位置で上向きに突出し、かつ潤滑液ケーシング５１の上部開口５２ａに内嵌されたリング部７１を備える。リング部７１とボス部６２の直径差と循環用ポンプ自体の揚程に応じた上向きのスラスト力Ｆａが主軸１１に作用する。
【解決手段】立軸ポンプ１は、揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容され、かつ少なくともスラスト軸受であるボール軸受３６に潤滑液を供給するように構成された循環閉水路２１を備える。循環閉水路内には潤滑液を循環させるための循環用ポンプ２６が配置されている。循環用ポンプ２６が備える循環用インペラ６１の側板６４は、口金部６６と外周縁との間に位置で上向きに突出し、かつ潤滑液ケーシング５１の上部開口５２ａに内嵌されたリング部７１を備える。リング部７１とボス部６２の直径差と循環用ポンプ自体の揚程に応じた上向きのスラスト力Ｆａが主軸１１に作用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立軸ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、揚水ケーシング内で主軸を囲む保護管がその一部を構成し、揚水ケーシング内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容された循環閉水路を備える立軸ポンプが開示されている。循環閉水路内の潤滑液は、その内部に配置された循環用ポンプによって循環し、主軸を支持するラジアル軸受やスラスト軸受に供給される。この立軸ポンプは、気中運転時であってもラジアル軸受やスラスト軸受に潤滑液が供給されて潤滑及び冷却がなされるので、外部からの注水が不要で長時間の気中運転が可能である等の種々の利点を有する。
【０００３】
しかし、非特許文献１に開示されたものを含め、従来の立軸ポンプには主軸を支持するスラスト軸受に過大なスラスト荷重が作用するという問題がある。過大なスラスト荷重が作用するために、スラスト軸受として低抵抗で軸動力の低減（動力損失の低減）に寄与する転がり軸受（ボール軸受やローラ軸受）ではなく、すべり軸受を使用せざるを得ず、あるいはスラスト軸受として転がり軸受を採用しても十分な耐用期間を確保できない。
【０００４】
ポンプの主軸の作用するスラスト力を低減する手法として、インペラにバランスホールや背羽根を設けてインペラに発生する推力を低減することが広く知られている。しかし、これらの手法は揚水中に含まれる揚水に含まれる砂、ゴミ、夾雑物等の異物に起因する摩耗等により推力低減効果やポンプ効率が経時的に著しく低下するので、清水用の低揚程のポンプ等に適用対象が限定される。
【０００５】
【非特許文献１】兼森祐治、外１名、「内部循環式無注水ポンプ（Ａ市下水道局Ｂポンプ場雨水ポンプ）」、とりしまレビューNo.１７、株式会社酉島製作所、平成１６年、p.４１〜４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、立軸ポンプの主軸に作用するスラスト力を効果的に低減し、かつ揚水に砂、ゴミ、夾雑物等の異物が含まれる場合にもスラスト力の低減効果を適切に維持可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、鉛直方向に延び、揚水ケーシング内に位置する下端側に主インペラが固定され、揚水ケーシングを貫通して延びる上端側がスラスト軸受で支持された主軸と、前記揚水ケーシング内で前記主軸を囲む保護管を少なくとも含み、前記揚水ケーシング内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容され、かつ少なくとも前記スラスト軸受に前記潤滑液を供給するように構成された循環閉水路と、前記循環閉水路内の前記潤滑液を循環させるための循環用ポンプとを備える立軸ポンプであって、前記循環用ポンプは、循環閉水路内に配置され、かつ前記主軸が貫通する潤滑液ケーシングと、前記潤滑液ケーシング内に配置され、前記主軸に固定されたボス部と、このボス部から前記主軸の径方向外向きに拡がる主板と、この主板に基端が連結された複数の羽根と、前記主板の上方に位置して前記複数の羽根の先端を連結すると共に、前記ボス部を取り囲む鉛直方向上向きの吸込口を形成する口金部が設けられた側板とを備え、前記主板及び前記側板の外周縁で挟まれた領域が吐出口を構成する循環用インペラとを備え、前記循環用インペラの前記側板は、前記口金部と前記外周縁との間に位置で上向きに突出し、かつ前記潤滑液ケーシングの上部開口に内嵌されたリング部を備え、前記リング部と前記ボス部の直径差と前記循環用ポンプ自体の揚程に応じた上向きのスラスト力が前記主軸に作用することを特徴とする立軸ポンプを提供する。
【０００８】
立軸ポンプの揚水時（通常運転時）には、主インペラには鉛直方向下向きの力の推力が作用し、この推力は主軸に対する鉛直方向下向きのスラスト力となる。つまり、揚水時には主インペラから主軸に対して鉛直方向下向きのスラスト力が作用する。循環用インペラの側板の口金部と外周縁の間の位置に上向きに突出するリング部を設け、このリング部をケーシングの上部開口に内嵌したことにより、潤滑液を揚水する際の循環用インペラにはリング部とボス部の直径差と循環用ポンプ自体の揚程に応じた鉛直方向上向きの推力が作用する。この推力は主軸に対する鉛直方向上向きのスラスト力となる。つまり、リング部を設けた循環用インペラから主軸に対し鉛直方向上向きのスラスト力が作用する。主インペラから主軸に作用する鉛直方向下向きのスラスト力は、循環用インペラから主軸に作用する鉛直方向上向きのスラスト力で相殺される。この相殺の結果、主軸に対して作用するスラスト力が低減され、主軸のスラスト軸受に作用するスラスト荷重が低減される。このスラスト荷重の低減により、スラスト軸受として、すべり軸受ではなく、ボール軸受、ローラ軸受等の転がり軸受を採用し、かつ十分な耐用期間を確保することが可能となる。
【０００９】
循環用ポンプ（循環用インペラ及びケーシング）は、揚水ケーシング内の揚液に対して密封された循環閉水路内に配置されている。従って、揚水に含まれる砂、ゴミ、夾雑物等の異物によって循環用インペラに摩耗、破損等の不具合が発生せず、循環用インペラから主軸に対して作用する鉛直方向上向きのスラスト力に変動が生じない。つまり、揚水に異物が含まれる場合でも、循環用インペラによる主軸に作用するスラスト力の低減機能は適切に維持される。
【００１０】
具体的には、前記循環用インペラから前記主軸に作用する上向きのスラスト力は、以下の式で表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
循環用ポンプは、例えば、前記主軸の前記揚水ケーシングの外側の位置と、前記主軸の前記主インペラと隣接する位置のうちいずれか一方に配置される。また、循環用ポンプは、これらの位置の両方に配置してもよい。
【００１３】
前記循環閉水路における前記潤滑液の流量を調整する流量調整弁を設けても良い。
【００１４】
この流量調整弁を設けることにより、循環用ポンプから主軸に作用するスラスト力を調整できる。具体的には、流量調整弁によって循環閉水路中の潤滑液の流量を増加させる程、循環用インペラから主軸に作用するスラスト力は減少する。逆に、流量調整弁によって循環閉水路中の潤滑液の流量を減少させる程、循環用インペラから主軸に作用するスラスト力が増加する。
【発明の効果】
【００１５】
循環閉水路内に配置した循環用インペラの側板の口金部と外周縁の間の位置に上向きに突出するリング部を設けたことにより、循環用インペラから主軸に対して鉛直方向上向きのスラスト力を作用させ、それによって主インペラから主軸に対して鉛直方向下向きに作用するスラスト力を相殺することで、主軸に作用するスラスト力（スラスト軸受に作用するスラスト荷重）を低減できる。その結果、スラスト軸受として、すべり軸受ではなく、ボール軸受、ローラ軸受等の転がり軸受を採用し、かつ十分な耐用期間を確保することが可能となる。また、循環用インペラは揚水ケーシング内の揚液に対して密封された循環閉水路内に配置されているので、揚水に異物が含まれる場合でも、循環用インペラによる主軸に作用するスラスト力の低減機能は適切に維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
図１に示す第１実施形態の立軸ポンプ１は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽２内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、吸水槽２内に配置された鉛直方向に延びる揚水ケーシング３を備える。揚水ケーシング３は、直管状の揚水管４、揚水管４の下端に連結された吐出ボール５、吐出ボール５の下端に連結された吸込ベルマウス６、及び揚水管４の上端に連結されて鉛直方向から水平方向に湾曲した吐出エルボ７を備える。吐出エルボ７には下流側の管路（図示せず）が接続されている。
【００１７】
鉛直方向に延びる主軸１１は大部分が揚水ケーシング３内に位置しているが、上端側が吐出エルボ７を貫通して上方に延びている。吐出ボール５内に位置する主軸１１の下端には主インペラ１２が固定されている。また、吐出ボール５にはガイドベーン１３を介して下部軸受ケーシング１４が固定されている。下部軸受ケーシング１４には貫通孔１４ａが形成されている。この貫通孔１４ａに主軸１１のうち主インペラ１２上部の部分が貫通している。下部軸受ケーシング１４の貫通孔１４ａの孔壁には主軸１１のラジアル軸受である２個のゴム軸受１５が収容されている。一方、吐出エルボ７の上方に位置する主軸１１の上端には、原動機及び伝動機構（本実施形態では図示せず）が機械的に連結されている。
【００１８】
主軸１１が回転駆動されて主インペラ１２が回転すると、吸水槽２内の水が吸込ベルマウス６から吸い込まれ、吐出ボール５、及び揚水管４を経て吐出エルボ７から下流側に吐出される。図３に、この立軸ポンプ１における揚水の流量Ｑの変化に対する揚程Ｈ、効率η、及び軸動力Ｌの変化を模式的に示す。揚水時（通常運転時）には、主インペラ１２には鉛直方向下向きの力の推力が作用し、この推力は主軸１１に対する鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄとなる。つまり、揚水時には主インペラ１２から主軸に対して鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄが作用する。
【００１９】
立軸ポンプ１は揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容された循環閉水路２１を備える。以下、この循環閉水路２１を構成する種々の要素を説明する。
【００２０】
まず、揚水ケーシング３内には間隔をあけて主軸１１を囲む保護管２２が設けられている。この保護管２２の下端は下部軸受ケーシング１４の上端に液密状態で嵌合されている。下部軸受ケーシング１４の下端には主軸１１を軸封するメカニカルシール２３が取り付けられており、このメカニカルシール２３により下部軸受ケーシング１４のうちゴム軸受１５を収容した部分が揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されている。下部軸受ケーシング１４の下側のゴム軸受１５の部分から吐出エルボ７の外周面まで延びる連通部２４が設けられている。
【００２１】
一方、保護管２２の上端は主軸１１を遊挿する貫通孔２５ａが形成された貫通部２５（吐出エルボ５の上部に一体的に形成されている。）に液密状態で取り付けられている。貫通部２５の下端側は吐出エルボ７の内部に位置しており、この下端側に保護管２２の上端が液密状態で取り付けられている。貫通部２５は吐出エルボ７の外側上面からさらに上向きに突出しており、上端側に受け部２５ｂが形成されている。この受け部２５ｂに循環用ポンプ２６が配置されている。循環用ポンプ２６については後に詳述する。
【００２２】
筒状の囲い部２７が吐出エルボ７と一体的に設けられており、この囲い部２７内に貫通部２５の吐出エルボ７の外側上面から吐出している部分及び循環用ポンプ２６が収容されている。囲い部２７は、下端が吐出エルボ７の外側上面で閉鎖され、上端が別体の蓋体２８により閉鎖されている。蓋体２８の中央には貫通孔２８ａが形成されており、この貫通孔２８ａを通って主軸１１がさらに鉛直方向上向きに延びている。貫通孔２８ａには主軸１１を軸封するメカニカルシール２９が取り付けられている。このメカニカルシール２９によって囲い部２７の内部空間が密封されている。蓋体２８上には台座３０が取り付けられている。この台座３０上に潤滑液タンク３１が取り付けられている。潤滑液タンク３１は中央に大面積の開口３１ａを有する中空厚肉円環状であり、リング状の底部３１ｂ及び蓋部３１ｃと、これら底部３１ａ及び蓋部３１ｃの間の内側周壁部３１ｄ及び外側周壁部３１ｅを備える。潤滑液タンク３１とメカニカルシール２９は配管３２により接続されている。また、潤滑液タンク３１には潤滑液の液面レベルが十分であることを検出する満水検知器３３が装着されている。この満水検知器３３により潤滑液タンク３１内（循環閉水路２１内）の潤滑液の不足を速やかに検出できる。さらに、潤滑液タンク３１内には調圧ベローズ３４が収容されている。調圧ベローズ３４については後に詳述する。
【００２３】
主軸１１が通過して上方に延びる潤滑液タンク３１の開口３１ａには、概ね筒状である液冷ブラケット３５を介して主軸１１のスラスト軸受であるボール軸受３６が固定されている。液冷ブラケット３５の外周には環状の溝３５ａが形成されており、この溝３５ａは潤滑液タンク３１の内側周壁部３１ｄに形成された環状スリットを介して潤滑液タンク３１の内部と連通している。
【００２４】
前述した連通部２４の一端と潤滑液タンク３１との間は循環管路４０により互いに接続されている。循環管路４０の潤滑液タンク３１付近に空気抜き弁４１が設けられている。また、循環管路４０には流量調整弁４２が設けられている。流量調整弁４２については後に詳述する。
【００２５】
循環閉水路２１内の潤滑液は、囲い部２７の内部空間に配置された循環用ポンプ２６によって、図１において時計方向の流れで循環する。具体的には、循環用ポンプ２６で吐出された潤滑液は、貫通部２５に形成された貫通孔２５ａの孔壁と主軸１１との間の隙間を通って図において下向きに流れ、保護管２２内に流入する。さらに、潤滑液は保護管２２内を図において下向きに流れ、下部軸受ケーシング１４の貫通孔１４ａの孔壁と主軸１１の隙間を通過し、さらに連通部２４を介して循環管路４０に流入する。潤滑液は循環管路４０を上昇して潤滑液タンク３１に達する。潤滑液タンク３１から配管３２を介して潤滑液が降下しメカニカルシール２３を介して囲い部２７の内部空間に達して循環用ポンプ２６に戻る。
【００２６】
循環閉水路２１内で循環する潤滑液は揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されている。ゴム軸受１５と主軸１１の間には潤滑が供給されてゴム軸受１５が潤滑及び冷却される。前述のように、液冷ブラケット３５の溝３５ａが潤滑液タンク３１と連通しているので、液冷ブラケット３５を介してボール軸受３６が潤滑液によって冷却される。さらに、メカニカルシール２３，２９も循環閉水路２１内に位置しているので、潤滑液によって潤滑及び冷却される。立軸ポンプ１が揚水状態（通常運転状態）の場合のみでなく、気中運転状態の場合であっても循環閉水路２１内を潤滑液が循環し、それによってゴム軸受１５、ボール軸受３６、メカニカルシール２３，２９が潤滑及び冷却される。
【００２７】
次に、循環用ポンプ２６の構造及び機能を詳細に説明する。
【００２８】
図２を併せて参照すると、循環用ポンプ２６は囲い部２７に内部空間に配置された潤滑液ケーシング（潤滑液ケーシング）５１を備える。潤滑液ケーシング５１は、上側ケーシング５２と下側ケーシング５３により構成されている。下側ケーシング５３の下面は貫通部２５上端の受け部２５ｂに液密状態で固定されている。上側ケーシング５２には、後述するボス部６２と同軸の円形であって比較的面積の広い上部開口５２ａが形成されており、主軸１１はこの上部開口５２ａを貫通している。また、この上部開口５２ａを介して後述する側板６４の上面が囲い部２７の内部空間に露出している。下側ケーシング５３には円形で比較的面積の狭い下部開口５３ａが形成されている。この下部開口５３ａは貫通部２５の貫通孔２５ａと連通しており、循環用ポンプ２６からの潤滑液の出口として機能する。
【００２９】
潤滑液ケーシング５１内には主として遠心力によって潤滑液にエネルギを付与する片吸込型の循環用インペラ６１が収容されている。詳細には、循環用インペラ６１は主軸１１にキー止めで固定された概ね円筒状のボス部６２を備える。ボス部６２から主軸１１の径方向外向きに拡がる概ね円板状であって無開口の主板６３がボス部６２と同軸に設けられている。また、主板６３に対して間隔を開けて上方に概ね円板状で直径（外径）が主板６３と同一の側板６４がボス部６２と同軸に配置されている。主板６３と側板６４の間には複数の羽根６５が設けられている。複数の羽根６５の基端（下端）は主板６３に連結されている。一方、複数の羽根の先端（上端）は側板６４に連結されている。側板６４には主軸１１及びボス部６２を取り囲んで上方に突出する円筒状である口金部６６が設けられている。この口金部６６の上端開口の内周壁とボス部６２の間の円環状の隙間（ボス部６２と同軸である。）が循環用インペラ６１の吸込口６７を構成している。一方、循環用インペラ６１の吐出口６８は、主板６３及び側板６４の外周縁で挟まれた領域によって構成されている。
【００３０】
潤滑液ケーシング５１内（上側ケーシング５２の内部側）には、循環用インペラ６１の吐出口６８を取り囲むガイドベーン型の案内装置６９が取り付けられている。吐出口６８から吐出された潤滑液は案内装置６９を通過して前述の潤滑液ケーシング５１の下部開口５３ａ（出口）へ向かう。
【００３１】
側板６４の上面には、鉛直方向上向きに突出するリング部７１が形成されている。リング部７１は高さ及び厚さが一定の短円筒状であり、ボス部６２と同軸に配置されている。リング部７１の外側周壁は潤滑液ケーシング５１の上側ケーシング５２に形成された上部開口５２ａの周壁に対して僅かな隙間を隔てて対向している。つまり、リング部７１は上部開口５２ａに内嵌されている。リング部７１の外側周壁と上部開口５２ａの周壁の隙間は、循環用インペラ６１が回転に上部開口５２ａの周壁と接触しないことが保証されることを条件に、可能な限り狭く設定されている。隙間をこのように設定することにより、吸込口６７側（側板６４の上面側）の潤滑液の吐出口６８側への回り込みを防止している。
【００３２】
リング部７１は口金部６６と側板６４の外周縁との間の位置に配置されている。つまり、リング部７１の直径（外径）Ｄｒは、ボス部６２の直径（外径）Ｄｂよりも大きく、かつ側板６４の直径（外径）Ｄｐよりも小さく設定している。
【００３３】
主軸１１が回転駆動すると循環用ポンプ２６の循環用インペラ６１が回転し、吸込口６７から吸い込まれた潤滑液が吐出口６８から吐出され、それによって前述のように循環閉水路２１内を潤滑液が循環する。図４に循環用ポンプ２６における潤滑液の流量ｑの変化に対する揚程ｈ及び軸動力ｌの変化を模式的に示す。
【００３４】
循環用インペラ６１の吸込口６７は鉛直方向上向きであるので、潤滑液の循環時には、循環用インペラ６１には鉛直方向上向きの推力が作用し、この推力は主軸１１に対する鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕとなる。つまり、潤滑液の循環時には、循環用インペラ６１から主軸１１に対して鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｕが作用する。
【００３５】
前述のように通常運転時には、主インペラ１２から主軸１１に鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄが作用する。しかし、このスラスト力Ｆｄは循環用インペラ６１から主軸１１に作用する鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕで相殺される。通常運転時に主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａは以下の式（１）で表される。
【００３６】
【数２】
【００３７】
このように主インペラ１２からの鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄを循環用インペラ６１からの鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕで相殺することで低減されたスラスト力Ｆａが、スラスト軸受であるボール軸受３６にスラスト荷重として作用する。そのため、スラスト軸受としてすべり軸受よりも低抵抗で軸動力を低減（動力損失を低減）できるボール軸受３６を採用することができ、かつボール軸受３６について十分な耐用期間を確保できる。
【００３８】
循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕの大きさは、リング部７１の直径Ｄｒとボス部６２の直径Ｄｂの差と循環用ポンプ自体の揚程ｈに対応する圧力Ｐｈ（揚程ｈの単位を水頭から圧力に換算したもの）により決まる。つまり、スラスト力Ｆｕの大きさは以下の式（２）で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
仮に循環用インペラ６１の側板６４にリング部７１を設けずに口金部６６を潤滑液ケーシング５１の上部開口５２ａに内嵌する構成としても、潤滑液の循環時には循環用インペラ６１から主軸１１に鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕが作用する。しかし、この場合には、式（２）の右辺第２項（Ｄｒ２−Ｄｂ２）の値がリング部７１を設けた場合として大幅に小さくなるので、スラスト力Ｆｕの大きさは非常に小さくなり、主インペラ１２から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕを効果的に低減できない。言い換えれば、本実施形態の立軸ポンプ１では、リング部７１を設けることによって、循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕの値を大きく設定し、それによって主インペラ１２から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｄを効果的に低減し、主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａ（スラスト軸受であるボール軸受３６にスラスト荷重）を効果的に低減している。
【００４１】
循環用ポンプ２６は、揚水ケーシング３内の揚液に対して密封された循環閉水路２１内に配置されている。従って、揚水に含まれる砂、ゴミ、夾雑物等の異物によって循環用インペラ６１に摩耗、破損等の不具合が発生せず、循環用インペラ６１から主軸１１に対して作用する鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕに変動が生じない。つまり、揚水に異物が含まれる場合でも、循環用インペラ６１による主軸１１に作用するスラスト力Ｆａの低減機能は適切に維持される。
【００４２】
循環管路４０に設けられた流量調整弁４２により循環閉水路２１内の潤滑液の流量を調整でき、流量を調整することによって循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕを調節できる。以下、この点に関して説明する。
【００４３】
図４を参照すると、循環用ポンプ２６の流量ｑ（循環閉水路２１内の潤滑液の流量）が、流量ｑ１，ｑ２，ｑ３と増加するのに伴って循環用ポンプ２６の揚程ｈは低下する。つまり、循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の増加に伴って循環用ポンプ２６の揚程ｈに対応する圧力Ｐｈが低下する。従って、式（２）を参照すれば明らかなように、循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の増加に伴って循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕが減少し、逆に循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の減少に伴って循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕが増加する。
【００４４】
式（１）に示すように主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａは、主インペラ１２から作用するスラスト力Ｆｄを循環用インペラ６１からの作用するスラスト力Ｆｕで減じたものであるので、循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の増加に伴って実際に主軸１１に作用するスラスト力Ｆａが増加し、逆に循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の減少に伴って実際に主軸１１に作用するスラスト力Ｆａが減収する。例えば、図５に示すように、循環用ポンプ２６の流量ｑが、流量ｑ１，ｑ２，ｑ３と増加するのに伴って主軸１１に作用するスラスト力Ｆａが増加する。
【００４５】
流量調整弁４２を使用して以下の制御が可能である。まず、立軸ポンプ１の起動時には流量調整弁４２の開度を大きくして循環用ポンプ２６の流量（循環閉水路２１の潤滑液の流量）ｑを大きく設定する（例えば流量ｑ３）。これによって、循環用インペラ６１の回転を円滑に開始させることができる。次に、起動が完了して運転状態が安定した時点で流量調整弁４２の開度を減少して循環用ポンプ２６の流量ｑを順次に減少させる（例えば、流量ｑ３から流量ｑ２、流量ｑ１に減少させる。）。これによって、実際に主軸１１に作用するスラスト力Ｆａを順次減少させることができる。つまり、起動時（先行待機運転の場合には気中運転となるので主インペラ１２からのスラスト力Ｆｄは作用しない。）には、循環用インペラ６１の回転の円滑性を重視し、起動完了後は主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａの低減を重視する制御が可能である。
【００４６】
潤滑液タンク３１内にはベローズ３４が収容されている。ベローズ３４は一端が開口して他端が閉鎖した弾性的に伸縮可能な筒状体であり、閉鎖端が潤滑液タンク３１の底部３１ｂに液密状態で固定されている。ベローズ３４の内部は配管７２によって吐出エルボ７内と連通している。ベローズ３４の外部には潤滑液タンク３１内の潤滑液の液圧が作用し、内部には吐出エルボ７内の揚水の液圧（静圧）が作用する。つまり、ベローズ３４には潤滑液の液圧と揚水の静圧の差圧が作用する。ベローズ３４はこの差圧に応じて弾性的に伸縮するので、循環閉水路２１内の潤滑液の液圧と揚水の液圧（静圧）が釣り合った状態で維持される。その結果、循環閉水路２１内の潤滑液が揚水ケーシング３内の漏洩するのを防止できる。
【００４７】
（第２実施形態）
図６及び図７に示す本発明の第２実施形態の立軸ポンプ１’は、２個の循環用ポンプ２６Ａ，２６Ｂを備える。一方の循環用ポンプ２６Ａは第１実施形態と同様に循環閉水路２１のうち揚水ケーシング３の外側（吐出エルボ７の上方）に配置されている。他方の循環用ポンプ２６Ｂは、循環閉水路２１のうち主インペラ１２に隣接する位置に配置されている。具体的には、下部軸受ケーシング２４の上端に蓋体７３で密閉された収容室７４が形成され、この収容室７４内に循環用ポンプ２６Ｂが収容されている。蓋体７４には開口部７４ａが形成されており、この開口部７４ａに保護管２２の下端が液密状態で連結されている。循環用ポンプ２６Ｂは潤滑液ケーシング５１（図２参照）は備えておらず、リング部７１は案内装置６９の中央開口部６９ａに内嵌されている。
【００４８】
第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
（第３実施形態）
図８に示す本発明の第３実施形態の立軸ポンプ１’’は、第２実施形態と同様の構成で循環閉水路２１のうち主インペラ１２に隣接する位置に配置された循環用ポンプ２６Ｂを備えるが、循環閉水路２１のうち揚水ケーシング３の外側には循環用ポンプを備えていない。また、スラスト軸受としてすべり軸受１３６を採用している。さらに、第３実施形態の立軸ポンプ１’’は減速機内蔵型であり、第１及び第２実施形態の立軸ポンプ１，１’とは主として以下の点で異なる。
【００５０】
減速機８１のケーシング８２は、揚水ケーシング３内に配置された第１部分８２ａ、揚水ケーシング３外に配置された第２部分８２ｂ、及び揚水ケーシング３を貫通して第１部分８２ａと第２部分８２ｂを連通させる第３部分８２ｃを備える。第１部分８２ａに上側のメカニカルシール２３が配置されている。メカニカルシール２３より上方に位置する主軸１１の上端側に傘歯車８３が固定されている。水平方向の伝動軸８４の一端に固定された傘歯車８５が主軸１１側の傘歯車８３と噛み合っている。伝動軸８４の他端に固定された平歯車８６が出力軸８７の一端に固定された平歯車８８と噛み合っており、ケーシング８２の第２部分８２ｂを貫通して外部に突出する出力軸８７の他端に原動機の回転軸（図示せず）が機械的に連結されている。
【００５１】
主軸１１のラジアル軸受として機能する２個のゴム軸受１５のうちの一方は揚水管４中に中間軸受ケーシング８９により保持されている。
【００５２】
２本の保護管２２Ａ，２２Ｂが設けられている。上側の保護管２２Ａは、上端が減速機８１のケーシング８２の第１部分８２ａの下端に液密状態で嵌合され、下端が中間軸受ケーシング８９の上端に液密状態で嵌合されている。下側の保護管２２Ｂは、上端が中間軸受ケーシング８９の下端に液密状態で嵌合され、下端が蓋体７３に液密状態で嵌合されている。
【００５３】
循環管路４０は減速機８１のケーシング８２の第１部分８２ａと下部軸受ケーシング１４を接続している。
【００５４】
循環用インペラ６１からのスラスト荷重Ｆｕで主インペラ１２からのスラスト荷重Ｆｄを相殺することによって主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａを低減できるので、減速機８１を構成する要素小型化できる。その結果、減速機８１全体として小型化を図ることができる。
【００５５】
第３実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【図２】図１の部分拡大図。
【図３】第１実施形態の立軸ポンプにおける流量に対する揚程、効率、及び軸動力の変化を模式的に示す線図。
【図４】循環用ポンプにおける流量に対する揚程及び軸動力の変化を模式的に示す線図。
【図５】循環用ポンプの種々の流量に対する主軸に作用するスラスト力を模式的に示す線図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【図７】図６の部分拡大図。
【図８】本発明の第３実施形態に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【符号の説明】
【００５７】
１，１’，１’’ 立軸ポンプ
２ 吸水槽
３ 揚水ケーシング
４ 揚水管
５ 吐出ボール
６ 吸込ベルマウス
７ 吐出エルボ
１１ 主軸
１２ 主インペラ
１３ ガイドベーン
１４ 下部軸受ケーシング
１４ａ 貫通孔
１５ ゴム軸受
２１ 循環閉水路
２２，２２Ａ，２２Ｂ 保護管
２３ メカニカルシール
２４ 連通部
２５ 貫通部
２５ａ 貫通孔
２５ｂ 受け部
２６ 循環用ポンプ
２７ 囲い部
２８ 蓋体
２８ａ 貫通孔
２９ メカニカルシール
３０ 台座
３１ 潤滑液タンク
３１ａ 開口
３１ｂ 底部
３１ｃ 蓋部
３１ｄ 内側周壁部
３１ｅ 外側周壁部
３２ 配管
３３ 満水検知器
３４ 調圧ベローズ
３５ 液冷ブラケット
３５ａ 溝
３６ ボール軸受
４０ 循環管路
４１ 空気抜き弁
４２ 流量調整弁
５１ 潤滑液ケーシング
５２ 上側ケーシング
５２ａ 上部開口
５３ 下側ケーシング
５３ａ 下部開口
６１ 循環用インペラ
６２ ボス部
６３ 主板
６４ 側板
６５ 羽根
６６ 口金部
６７ 吸込口
６８ 吐出口
６９ 案内装置
７１ リング部
７２ 配管
７３ 蓋体
７４ 収容室
７４ａ 開口
８１ 減速機
８２ ケーシング
８２ａ 第１部分
８２ｂ 第２部分
８２ｃ 第３部分
８３，８５ 傘歯車
８４ 伝動軸
８６，８８ 平歯車
８７ 出力軸
８９ 中間軸受ケーシング
１３６ すべり軸受
【技術分野】
【０００１】
本発明は、立軸ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、揚水ケーシング内で主軸を囲む保護管がその一部を構成し、揚水ケーシング内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容された循環閉水路を備える立軸ポンプが開示されている。循環閉水路内の潤滑液は、その内部に配置された循環用ポンプによって循環し、主軸を支持するラジアル軸受やスラスト軸受に供給される。この立軸ポンプは、気中運転時であってもラジアル軸受やスラスト軸受に潤滑液が供給されて潤滑及び冷却がなされるので、外部からの注水が不要で長時間の気中運転が可能である等の種々の利点を有する。
【０００３】
しかし、非特許文献１に開示されたものを含め、従来の立軸ポンプには主軸を支持するスラスト軸受に過大なスラスト荷重が作用するという問題がある。過大なスラスト荷重が作用するために、スラスト軸受として低抵抗で軸動力の低減（動力損失の低減）に寄与する転がり軸受（ボール軸受やローラ軸受）ではなく、すべり軸受を使用せざるを得ず、あるいはスラスト軸受として転がり軸受を採用しても十分な耐用期間を確保できない。
【０００４】
ポンプの主軸の作用するスラスト力を低減する手法として、インペラにバランスホールや背羽根を設けてインペラに発生する推力を低減することが広く知られている。しかし、これらの手法は揚水中に含まれる揚水に含まれる砂、ゴミ、夾雑物等の異物に起因する摩耗等により推力低減効果やポンプ効率が経時的に著しく低下するので、清水用の低揚程のポンプ等に適用対象が限定される。
【０００５】
【非特許文献１】兼森祐治、外１名、「内部循環式無注水ポンプ（Ａ市下水道局Ｂポンプ場雨水ポンプ）」、とりしまレビューNo.１７、株式会社酉島製作所、平成１６年、p.４１〜４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、立軸ポンプの主軸に作用するスラスト力を効果的に低減し、かつ揚水に砂、ゴミ、夾雑物等の異物が含まれる場合にもスラスト力の低減効果を適切に維持可能とすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、鉛直方向に延び、揚水ケーシング内に位置する下端側に主インペラが固定され、揚水ケーシングを貫通して延びる上端側がスラスト軸受で支持された主軸と、前記揚水ケーシング内で前記主軸を囲む保護管を少なくとも含み、前記揚水ケーシング内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容され、かつ少なくとも前記スラスト軸受に前記潤滑液を供給するように構成された循環閉水路と、前記循環閉水路内の前記潤滑液を循環させるための循環用ポンプとを備える立軸ポンプであって、前記循環用ポンプは、循環閉水路内に配置され、かつ前記主軸が貫通する潤滑液ケーシングと、前記潤滑液ケーシング内に配置され、前記主軸に固定されたボス部と、このボス部から前記主軸の径方向外向きに拡がる主板と、この主板に基端が連結された複数の羽根と、前記主板の上方に位置して前記複数の羽根の先端を連結すると共に、前記ボス部を取り囲む鉛直方向上向きの吸込口を形成する口金部が設けられた側板とを備え、前記主板及び前記側板の外周縁で挟まれた領域が吐出口を構成する循環用インペラとを備え、前記循環用インペラの前記側板は、前記口金部と前記外周縁との間に位置で上向きに突出し、かつ前記潤滑液ケーシングの上部開口に内嵌されたリング部を備え、前記リング部と前記ボス部の直径差と前記循環用ポンプ自体の揚程に応じた上向きのスラスト力が前記主軸に作用することを特徴とする立軸ポンプを提供する。
【０００８】
立軸ポンプの揚水時（通常運転時）には、主インペラには鉛直方向下向きの力の推力が作用し、この推力は主軸に対する鉛直方向下向きのスラスト力となる。つまり、揚水時には主インペラから主軸に対して鉛直方向下向きのスラスト力が作用する。循環用インペラの側板の口金部と外周縁の間の位置に上向きに突出するリング部を設け、このリング部をケーシングの上部開口に内嵌したことにより、潤滑液を揚水する際の循環用インペラにはリング部とボス部の直径差と循環用ポンプ自体の揚程に応じた鉛直方向上向きの推力が作用する。この推力は主軸に対する鉛直方向上向きのスラスト力となる。つまり、リング部を設けた循環用インペラから主軸に対し鉛直方向上向きのスラスト力が作用する。主インペラから主軸に作用する鉛直方向下向きのスラスト力は、循環用インペラから主軸に作用する鉛直方向上向きのスラスト力で相殺される。この相殺の結果、主軸に対して作用するスラスト力が低減され、主軸のスラスト軸受に作用するスラスト荷重が低減される。このスラスト荷重の低減により、スラスト軸受として、すべり軸受ではなく、ボール軸受、ローラ軸受等の転がり軸受を採用し、かつ十分な耐用期間を確保することが可能となる。
【０００９】
循環用ポンプ（循環用インペラ及びケーシング）は、揚水ケーシング内の揚液に対して密封された循環閉水路内に配置されている。従って、揚水に含まれる砂、ゴミ、夾雑物等の異物によって循環用インペラに摩耗、破損等の不具合が発生せず、循環用インペラから主軸に対して作用する鉛直方向上向きのスラスト力に変動が生じない。つまり、揚水に異物が含まれる場合でも、循環用インペラによる主軸に作用するスラスト力の低減機能は適切に維持される。
【００１０】
具体的には、前記循環用インペラから前記主軸に作用する上向きのスラスト力は、以下の式で表される。
【００１１】
【数１】
【００１２】
循環用ポンプは、例えば、前記主軸の前記揚水ケーシングの外側の位置と、前記主軸の前記主インペラと隣接する位置のうちいずれか一方に配置される。また、循環用ポンプは、これらの位置の両方に配置してもよい。
【００１３】
前記循環閉水路における前記潤滑液の流量を調整する流量調整弁を設けても良い。
【００１４】
この流量調整弁を設けることにより、循環用ポンプから主軸に作用するスラスト力を調整できる。具体的には、流量調整弁によって循環閉水路中の潤滑液の流量を増加させる程、循環用インペラから主軸に作用するスラスト力は減少する。逆に、流量調整弁によって循環閉水路中の潤滑液の流量を減少させる程、循環用インペラから主軸に作用するスラスト力が増加する。
【発明の効果】
【００１５】
循環閉水路内に配置した循環用インペラの側板の口金部と外周縁の間の位置に上向きに突出するリング部を設けたことにより、循環用インペラから主軸に対して鉛直方向上向きのスラスト力を作用させ、それによって主インペラから主軸に対して鉛直方向下向きに作用するスラスト力を相殺することで、主軸に作用するスラスト力（スラスト軸受に作用するスラスト荷重）を低減できる。その結果、スラスト軸受として、すべり軸受ではなく、ボール軸受、ローラ軸受等の転がり軸受を採用し、かつ十分な耐用期間を確保することが可能となる。また、循環用インペラは揚水ケーシング内の揚液に対して密封された循環閉水路内に配置されているので、揚水に異物が含まれる場合でも、循環用インペラによる主軸に作用するスラスト力の低減機能は適切に維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１実施形態）
図１に示す第１実施形態の立軸ポンプ１は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽２内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、吸水槽２内に配置された鉛直方向に延びる揚水ケーシング３を備える。揚水ケーシング３は、直管状の揚水管４、揚水管４の下端に連結された吐出ボール５、吐出ボール５の下端に連結された吸込ベルマウス６、及び揚水管４の上端に連結されて鉛直方向から水平方向に湾曲した吐出エルボ７を備える。吐出エルボ７には下流側の管路（図示せず）が接続されている。
【００１７】
鉛直方向に延びる主軸１１は大部分が揚水ケーシング３内に位置しているが、上端側が吐出エルボ７を貫通して上方に延びている。吐出ボール５内に位置する主軸１１の下端には主インペラ１２が固定されている。また、吐出ボール５にはガイドベーン１３を介して下部軸受ケーシング１４が固定されている。下部軸受ケーシング１４には貫通孔１４ａが形成されている。この貫通孔１４ａに主軸１１のうち主インペラ１２上部の部分が貫通している。下部軸受ケーシング１４の貫通孔１４ａの孔壁には主軸１１のラジアル軸受である２個のゴム軸受１５が収容されている。一方、吐出エルボ７の上方に位置する主軸１１の上端には、原動機及び伝動機構（本実施形態では図示せず）が機械的に連結されている。
【００１８】
主軸１１が回転駆動されて主インペラ１２が回転すると、吸水槽２内の水が吸込ベルマウス６から吸い込まれ、吐出ボール５、及び揚水管４を経て吐出エルボ７から下流側に吐出される。図３に、この立軸ポンプ１における揚水の流量Ｑの変化に対する揚程Ｈ、効率η、及び軸動力Ｌの変化を模式的に示す。揚水時（通常運転時）には、主インペラ１２には鉛直方向下向きの力の推力が作用し、この推力は主軸１１に対する鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄとなる。つまり、揚水時には主インペラ１２から主軸に対して鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄが作用する。
【００１９】
立軸ポンプ１は揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容された循環閉水路２１を備える。以下、この循環閉水路２１を構成する種々の要素を説明する。
【００２０】
まず、揚水ケーシング３内には間隔をあけて主軸１１を囲む保護管２２が設けられている。この保護管２２の下端は下部軸受ケーシング１４の上端に液密状態で嵌合されている。下部軸受ケーシング１４の下端には主軸１１を軸封するメカニカルシール２３が取り付けられており、このメカニカルシール２３により下部軸受ケーシング１４のうちゴム軸受１５を収容した部分が揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されている。下部軸受ケーシング１４の下側のゴム軸受１５の部分から吐出エルボ７の外周面まで延びる連通部２４が設けられている。
【００２１】
一方、保護管２２の上端は主軸１１を遊挿する貫通孔２５ａが形成された貫通部２５（吐出エルボ５の上部に一体的に形成されている。）に液密状態で取り付けられている。貫通部２５の下端側は吐出エルボ７の内部に位置しており、この下端側に保護管２２の上端が液密状態で取り付けられている。貫通部２５は吐出エルボ７の外側上面からさらに上向きに突出しており、上端側に受け部２５ｂが形成されている。この受け部２５ｂに循環用ポンプ２６が配置されている。循環用ポンプ２６については後に詳述する。
【００２２】
筒状の囲い部２７が吐出エルボ７と一体的に設けられており、この囲い部２７内に貫通部２５の吐出エルボ７の外側上面から吐出している部分及び循環用ポンプ２６が収容されている。囲い部２７は、下端が吐出エルボ７の外側上面で閉鎖され、上端が別体の蓋体２８により閉鎖されている。蓋体２８の中央には貫通孔２８ａが形成されており、この貫通孔２８ａを通って主軸１１がさらに鉛直方向上向きに延びている。貫通孔２８ａには主軸１１を軸封するメカニカルシール２９が取り付けられている。このメカニカルシール２９によって囲い部２７の内部空間が密封されている。蓋体２８上には台座３０が取り付けられている。この台座３０上に潤滑液タンク３１が取り付けられている。潤滑液タンク３１は中央に大面積の開口３１ａを有する中空厚肉円環状であり、リング状の底部３１ｂ及び蓋部３１ｃと、これら底部３１ａ及び蓋部３１ｃの間の内側周壁部３１ｄ及び外側周壁部３１ｅを備える。潤滑液タンク３１とメカニカルシール２９は配管３２により接続されている。また、潤滑液タンク３１には潤滑液の液面レベルが十分であることを検出する満水検知器３３が装着されている。この満水検知器３３により潤滑液タンク３１内（循環閉水路２１内）の潤滑液の不足を速やかに検出できる。さらに、潤滑液タンク３１内には調圧ベローズ３４が収容されている。調圧ベローズ３４については後に詳述する。
【００２３】
主軸１１が通過して上方に延びる潤滑液タンク３１の開口３１ａには、概ね筒状である液冷ブラケット３５を介して主軸１１のスラスト軸受であるボール軸受３６が固定されている。液冷ブラケット３５の外周には環状の溝３５ａが形成されており、この溝３５ａは潤滑液タンク３１の内側周壁部３１ｄに形成された環状スリットを介して潤滑液タンク３１の内部と連通している。
【００２４】
前述した連通部２４の一端と潤滑液タンク３１との間は循環管路４０により互いに接続されている。循環管路４０の潤滑液タンク３１付近に空気抜き弁４１が設けられている。また、循環管路４０には流量調整弁４２が設けられている。流量調整弁４２については後に詳述する。
【００２５】
循環閉水路２１内の潤滑液は、囲い部２７の内部空間に配置された循環用ポンプ２６によって、図１において時計方向の流れで循環する。具体的には、循環用ポンプ２６で吐出された潤滑液は、貫通部２５に形成された貫通孔２５ａの孔壁と主軸１１との間の隙間を通って図において下向きに流れ、保護管２２内に流入する。さらに、潤滑液は保護管２２内を図において下向きに流れ、下部軸受ケーシング１４の貫通孔１４ａの孔壁と主軸１１の隙間を通過し、さらに連通部２４を介して循環管路４０に流入する。潤滑液は循環管路４０を上昇して潤滑液タンク３１に達する。潤滑液タンク３１から配管３２を介して潤滑液が降下しメカニカルシール２３を介して囲い部２７の内部空間に達して循環用ポンプ２６に戻る。
【００２６】
循環閉水路２１内で循環する潤滑液は揚水ケーシング３内の揚水に対して密封されている。ゴム軸受１５と主軸１１の間には潤滑が供給されてゴム軸受１５が潤滑及び冷却される。前述のように、液冷ブラケット３５の溝３５ａが潤滑液タンク３１と連通しているので、液冷ブラケット３５を介してボール軸受３６が潤滑液によって冷却される。さらに、メカニカルシール２３，２９も循環閉水路２１内に位置しているので、潤滑液によって潤滑及び冷却される。立軸ポンプ１が揚水状態（通常運転状態）の場合のみでなく、気中運転状態の場合であっても循環閉水路２１内を潤滑液が循環し、それによってゴム軸受１５、ボール軸受３６、メカニカルシール２３，２９が潤滑及び冷却される。
【００２７】
次に、循環用ポンプ２６の構造及び機能を詳細に説明する。
【００２８】
図２を併せて参照すると、循環用ポンプ２６は囲い部２７に内部空間に配置された潤滑液ケーシング（潤滑液ケーシング）５１を備える。潤滑液ケーシング５１は、上側ケーシング５２と下側ケーシング５３により構成されている。下側ケーシング５３の下面は貫通部２５上端の受け部２５ｂに液密状態で固定されている。上側ケーシング５２には、後述するボス部６２と同軸の円形であって比較的面積の広い上部開口５２ａが形成されており、主軸１１はこの上部開口５２ａを貫通している。また、この上部開口５２ａを介して後述する側板６４の上面が囲い部２７の内部空間に露出している。下側ケーシング５３には円形で比較的面積の狭い下部開口５３ａが形成されている。この下部開口５３ａは貫通部２５の貫通孔２５ａと連通しており、循環用ポンプ２６からの潤滑液の出口として機能する。
【００２９】
潤滑液ケーシング５１内には主として遠心力によって潤滑液にエネルギを付与する片吸込型の循環用インペラ６１が収容されている。詳細には、循環用インペラ６１は主軸１１にキー止めで固定された概ね円筒状のボス部６２を備える。ボス部６２から主軸１１の径方向外向きに拡がる概ね円板状であって無開口の主板６３がボス部６２と同軸に設けられている。また、主板６３に対して間隔を開けて上方に概ね円板状で直径（外径）が主板６３と同一の側板６４がボス部６２と同軸に配置されている。主板６３と側板６４の間には複数の羽根６５が設けられている。複数の羽根６５の基端（下端）は主板６３に連結されている。一方、複数の羽根の先端（上端）は側板６４に連結されている。側板６４には主軸１１及びボス部６２を取り囲んで上方に突出する円筒状である口金部６６が設けられている。この口金部６６の上端開口の内周壁とボス部６２の間の円環状の隙間（ボス部６２と同軸である。）が循環用インペラ６１の吸込口６７を構成している。一方、循環用インペラ６１の吐出口６８は、主板６３及び側板６４の外周縁で挟まれた領域によって構成されている。
【００３０】
潤滑液ケーシング５１内（上側ケーシング５２の内部側）には、循環用インペラ６１の吐出口６８を取り囲むガイドベーン型の案内装置６９が取り付けられている。吐出口６８から吐出された潤滑液は案内装置６９を通過して前述の潤滑液ケーシング５１の下部開口５３ａ（出口）へ向かう。
【００３１】
側板６４の上面には、鉛直方向上向きに突出するリング部７１が形成されている。リング部７１は高さ及び厚さが一定の短円筒状であり、ボス部６２と同軸に配置されている。リング部７１の外側周壁は潤滑液ケーシング５１の上側ケーシング５２に形成された上部開口５２ａの周壁に対して僅かな隙間を隔てて対向している。つまり、リング部７１は上部開口５２ａに内嵌されている。リング部７１の外側周壁と上部開口５２ａの周壁の隙間は、循環用インペラ６１が回転に上部開口５２ａの周壁と接触しないことが保証されることを条件に、可能な限り狭く設定されている。隙間をこのように設定することにより、吸込口６７側（側板６４の上面側）の潤滑液の吐出口６８側への回り込みを防止している。
【００３２】
リング部７１は口金部６６と側板６４の外周縁との間の位置に配置されている。つまり、リング部７１の直径（外径）Ｄｒは、ボス部６２の直径（外径）Ｄｂよりも大きく、かつ側板６４の直径（外径）Ｄｐよりも小さく設定している。
【００３３】
主軸１１が回転駆動すると循環用ポンプ２６の循環用インペラ６１が回転し、吸込口６７から吸い込まれた潤滑液が吐出口６８から吐出され、それによって前述のように循環閉水路２１内を潤滑液が循環する。図４に循環用ポンプ２６における潤滑液の流量ｑの変化に対する揚程ｈ及び軸動力ｌの変化を模式的に示す。
【００３４】
循環用インペラ６１の吸込口６７は鉛直方向上向きであるので、潤滑液の循環時には、循環用インペラ６１には鉛直方向上向きの推力が作用し、この推力は主軸１１に対する鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕとなる。つまり、潤滑液の循環時には、循環用インペラ６１から主軸１１に対して鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｕが作用する。
【００３５】
前述のように通常運転時には、主インペラ１２から主軸１１に鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄが作用する。しかし、このスラスト力Ｆｄは循環用インペラ６１から主軸１１に作用する鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕで相殺される。通常運転時に主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａは以下の式（１）で表される。
【００３６】
【数２】
【００３７】
このように主インペラ１２からの鉛直方向下向きのスラスト力Ｆｄを循環用インペラ６１からの鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕで相殺することで低減されたスラスト力Ｆａが、スラスト軸受であるボール軸受３６にスラスト荷重として作用する。そのため、スラスト軸受としてすべり軸受よりも低抵抗で軸動力を低減（動力損失を低減）できるボール軸受３６を採用することができ、かつボール軸受３６について十分な耐用期間を確保できる。
【００３８】
循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕの大きさは、リング部７１の直径Ｄｒとボス部６２の直径Ｄｂの差と循環用ポンプ自体の揚程ｈに対応する圧力Ｐｈ（揚程ｈの単位を水頭から圧力に換算したもの）により決まる。つまり、スラスト力Ｆｕの大きさは以下の式（２）で表される。
【００３９】
【数３】
【００４０】
仮に循環用インペラ６１の側板６４にリング部７１を設けずに口金部６６を潤滑液ケーシング５１の上部開口５２ａに内嵌する構成としても、潤滑液の循環時には循環用インペラ６１から主軸１１に鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕが作用する。しかし、この場合には、式（２）の右辺第２項（Ｄｒ２−Ｄｂ２）の値がリング部７１を設けた場合として大幅に小さくなるので、スラスト力Ｆｕの大きさは非常に小さくなり、主インペラ１２から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕを効果的に低減できない。言い換えれば、本実施形態の立軸ポンプ１では、リング部７１を設けることによって、循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕの値を大きく設定し、それによって主インペラ１２から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｄを効果的に低減し、主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａ（スラスト軸受であるボール軸受３６にスラスト荷重）を効果的に低減している。
【００４１】
循環用ポンプ２６は、揚水ケーシング３内の揚液に対して密封された循環閉水路２１内に配置されている。従って、揚水に含まれる砂、ゴミ、夾雑物等の異物によって循環用インペラ６１に摩耗、破損等の不具合が発生せず、循環用インペラ６１から主軸１１に対して作用する鉛直方向上向きのスラスト力Ｆｕに変動が生じない。つまり、揚水に異物が含まれる場合でも、循環用インペラ６１による主軸１１に作用するスラスト力Ｆａの低減機能は適切に維持される。
【００４２】
循環管路４０に設けられた流量調整弁４２により循環閉水路２１内の潤滑液の流量を調整でき、流量を調整することによって循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕを調節できる。以下、この点に関して説明する。
【００４３】
図４を参照すると、循環用ポンプ２６の流量ｑ（循環閉水路２１内の潤滑液の流量）が、流量ｑ１，ｑ２，ｑ３と増加するのに伴って循環用ポンプ２６の揚程ｈは低下する。つまり、循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の増加に伴って循環用ポンプ２６の揚程ｈに対応する圧力Ｐｈが低下する。従って、式（２）を参照すれば明らかなように、循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の増加に伴って循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕが減少し、逆に循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の減少に伴って循環用インペラ６１から主軸１１に作用するスラスト力Ｆｕが増加する。
【００４４】
式（１）に示すように主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａは、主インペラ１２から作用するスラスト力Ｆｄを循環用インペラ６１からの作用するスラスト力Ｆｕで減じたものであるので、循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の増加に伴って実際に主軸１１に作用するスラスト力Ｆａが増加し、逆に循環用ポンプ２６の流量ｑの流量の減少に伴って実際に主軸１１に作用するスラスト力Ｆａが減収する。例えば、図５に示すように、循環用ポンプ２６の流量ｑが、流量ｑ１，ｑ２，ｑ３と増加するのに伴って主軸１１に作用するスラスト力Ｆａが増加する。
【００４５】
流量調整弁４２を使用して以下の制御が可能である。まず、立軸ポンプ１の起動時には流量調整弁４２の開度を大きくして循環用ポンプ２６の流量（循環閉水路２１の潤滑液の流量）ｑを大きく設定する（例えば流量ｑ３）。これによって、循環用インペラ６１の回転を円滑に開始させることができる。次に、起動が完了して運転状態が安定した時点で流量調整弁４２の開度を減少して循環用ポンプ２６の流量ｑを順次に減少させる（例えば、流量ｑ３から流量ｑ２、流量ｑ１に減少させる。）。これによって、実際に主軸１１に作用するスラスト力Ｆａを順次減少させることができる。つまり、起動時（先行待機運転の場合には気中運転となるので主インペラ１２からのスラスト力Ｆｄは作用しない。）には、循環用インペラ６１の回転の円滑性を重視し、起動完了後は主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａの低減を重視する制御が可能である。
【００４６】
潤滑液タンク３１内にはベローズ３４が収容されている。ベローズ３４は一端が開口して他端が閉鎖した弾性的に伸縮可能な筒状体であり、閉鎖端が潤滑液タンク３１の底部３１ｂに液密状態で固定されている。ベローズ３４の内部は配管７２によって吐出エルボ７内と連通している。ベローズ３４の外部には潤滑液タンク３１内の潤滑液の液圧が作用し、内部には吐出エルボ７内の揚水の液圧（静圧）が作用する。つまり、ベローズ３４には潤滑液の液圧と揚水の静圧の差圧が作用する。ベローズ３４はこの差圧に応じて弾性的に伸縮するので、循環閉水路２１内の潤滑液の液圧と揚水の液圧（静圧）が釣り合った状態で維持される。その結果、循環閉水路２１内の潤滑液が揚水ケーシング３内の漏洩するのを防止できる。
【００４７】
（第２実施形態）
図６及び図７に示す本発明の第２実施形態の立軸ポンプ１’は、２個の循環用ポンプ２６Ａ，２６Ｂを備える。一方の循環用ポンプ２６Ａは第１実施形態と同様に循環閉水路２１のうち揚水ケーシング３の外側（吐出エルボ７の上方）に配置されている。他方の循環用ポンプ２６Ｂは、循環閉水路２１のうち主インペラ１２に隣接する位置に配置されている。具体的には、下部軸受ケーシング２４の上端に蓋体７３で密閉された収容室７４が形成され、この収容室７４内に循環用ポンプ２６Ｂが収容されている。蓋体７４には開口部７４ａが形成されており、この開口部７４ａに保護管２２の下端が液密状態で連結されている。循環用ポンプ２６Ｂは潤滑液ケーシング５１（図２参照）は備えておらず、リング部７１は案内装置６９の中央開口部６９ａに内嵌されている。
【００４８】
第２実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
（第３実施形態）
図８に示す本発明の第３実施形態の立軸ポンプ１’’は、第２実施形態と同様の構成で循環閉水路２１のうち主インペラ１２に隣接する位置に配置された循環用ポンプ２６Ｂを備えるが、循環閉水路２１のうち揚水ケーシング３の外側には循環用ポンプを備えていない。また、スラスト軸受としてすべり軸受１３６を採用している。さらに、第３実施形態の立軸ポンプ１’’は減速機内蔵型であり、第１及び第２実施形態の立軸ポンプ１，１’とは主として以下の点で異なる。
【００５０】
減速機８１のケーシング８２は、揚水ケーシング３内に配置された第１部分８２ａ、揚水ケーシング３外に配置された第２部分８２ｂ、及び揚水ケーシング３を貫通して第１部分８２ａと第２部分８２ｂを連通させる第３部分８２ｃを備える。第１部分８２ａに上側のメカニカルシール２３が配置されている。メカニカルシール２３より上方に位置する主軸１１の上端側に傘歯車８３が固定されている。水平方向の伝動軸８４の一端に固定された傘歯車８５が主軸１１側の傘歯車８３と噛み合っている。伝動軸８４の他端に固定された平歯車８６が出力軸８７の一端に固定された平歯車８８と噛み合っており、ケーシング８２の第２部分８２ｂを貫通して外部に突出する出力軸８７の他端に原動機の回転軸（図示せず）が機械的に連結されている。
【００５１】
主軸１１のラジアル軸受として機能する２個のゴム軸受１５のうちの一方は揚水管４中に中間軸受ケーシング８９により保持されている。
【００５２】
２本の保護管２２Ａ，２２Ｂが設けられている。上側の保護管２２Ａは、上端が減速機８１のケーシング８２の第１部分８２ａの下端に液密状態で嵌合され、下端が中間軸受ケーシング８９の上端に液密状態で嵌合されている。下側の保護管２２Ｂは、上端が中間軸受ケーシング８９の下端に液密状態で嵌合され、下端が蓋体７３に液密状態で嵌合されている。
【００５３】
循環管路４０は減速機８１のケーシング８２の第１部分８２ａと下部軸受ケーシング１４を接続している。
【００５４】
循環用インペラ６１からのスラスト荷重Ｆｕで主インペラ１２からのスラスト荷重Ｆｄを相殺することによって主軸１１に実際に作用するスラスト力Ｆａを低減できるので、減速機８１を構成する要素小型化できる。その結果、減速機８１全体として小型化を図ることができる。
【００５５】
第３実施形態のその他の構成及び作用は第１実施形態と同様であるので、同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【図２】図１の部分拡大図。
【図３】第１実施形態の立軸ポンプにおける流量に対する揚程、効率、及び軸動力の変化を模式的に示す線図。
【図４】循環用ポンプにおける流量に対する揚程及び軸動力の変化を模式的に示す線図。
【図５】循環用ポンプの種々の流量に対する主軸に作用するスラスト力を模式的に示す線図。
【図６】本発明の第２実施形態に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【図７】図６の部分拡大図。
【図８】本発明の第３実施形態に係る立軸ポンプを示す縦断面図。
【符号の説明】
【００５７】
１，１’，１’’ 立軸ポンプ
２ 吸水槽
３ 揚水ケーシング
４ 揚水管
５ 吐出ボール
６ 吸込ベルマウス
７ 吐出エルボ
１１ 主軸
１２ 主インペラ
１３ ガイドベーン
１４ 下部軸受ケーシング
１４ａ 貫通孔
１５ ゴム軸受
２１ 循環閉水路
２２，２２Ａ，２２Ｂ 保護管
２３ メカニカルシール
２４ 連通部
２５ 貫通部
２５ａ 貫通孔
２５ｂ 受け部
２６ 循環用ポンプ
２７ 囲い部
２８ 蓋体
２８ａ 貫通孔
２９ メカニカルシール
３０ 台座
３１ 潤滑液タンク
３１ａ 開口
３１ｂ 底部
３１ｃ 蓋部
３１ｄ 内側周壁部
３１ｅ 外側周壁部
３２ 配管
３３ 満水検知器
３４ 調圧ベローズ
３５ 液冷ブラケット
３５ａ 溝
３６ ボール軸受
４０ 循環管路
４１ 空気抜き弁
４２ 流量調整弁
５１ 潤滑液ケーシング
５２ 上側ケーシング
５２ａ 上部開口
５３ 下側ケーシング
５３ａ 下部開口
６１ 循環用インペラ
６２ ボス部
６３ 主板
６４ 側板
６５ 羽根
６６ 口金部
６７ 吸込口
６８ 吐出口
６９ 案内装置
７１ リング部
７２ 配管
７３ 蓋体
７４ 収容室
７４ａ 開口
８１ 減速機
８２ ケーシング
８２ａ 第１部分
８２ｂ 第２部分
８２ｃ 第３部分
８３，８５ 傘歯車
８４ 伝動軸
８６，８８ 平歯車
８７ 出力軸
８９ 中間軸受ケーシング
１３６ すべり軸受
【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に延び、揚水ケーシング内に位置する下端側に主インペラが固定され、揚水ケーシングを貫通して延びる上端側がスラスト軸受で支持された主軸と、
前記揚水ケーシング内で前記主軸を囲む保護管を少なくとも含み、前記揚水ケーシング内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容され、かつ少なくとも前記スラスト軸受に前記潤滑液を供給するように構成された循環閉水路と、
前記循環閉水路内の前記潤滑液を循環させるための循環用ポンプと
を備える立軸ポンプであって、
前記循環用ポンプは、
循環閉水路内に配置され、かつ前記主軸が貫通する潤滑液ケーシングと、
前記潤滑液ケーシング内に配置され、前記主軸に固定されたボス部と、このボス部から前記主軸の径方向外向きに拡がる主板と、この主板に基端が連結された複数の羽根と、前記主板の上方に位置して前記複数の羽根の先端を連結すると共に、前記ボス部を取り囲む鉛直方向上向きの吸込口を形成する口金部が設けられた側板とを備え、前記主板及び前記側板の外周縁で挟まれた領域が吐出口を構成する循環用インペラと、
を備え、
前記循環用インペラの前記側板は、前記口金部と前記外周縁との間に位置で上向きに突出し、かつ前記潤滑液ケーシングの上部開口に内嵌されたリング部を備え、前記リング部と前記ボス部の直径差と前記循環用ポンプ自体の揚程に応じた上向きのスラスト力が前記主軸に作用することを特徴とする、立軸ポンプ。
【請求項２】
前記循環用インペラから前記主軸に作用する上向きのスラスト力は、以下の式で表されることを特徴とする、請求項１に記載の立軸ポンプ。
【数１】
【請求項３】
前記主軸の前記揚水ケーシングの外側の位置に前記循環用ポンプが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
【請求項４】
前記主軸の前記主インペラと隣接する位置に前記循環用ポンプが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ
【請求項５】
前記主軸の前記揚水ケーシングの外側の位置及び前記主軸の前記主インペラと隣接する位置の両方に前記循環用ポンプが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
【請求項６】
前記循環閉水路における前記潤滑液の流量を調整する流量調整弁をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の立軸ポンプ。
【請求項１】
鉛直方向に延び、揚水ケーシング内に位置する下端側に主インペラが固定され、揚水ケーシングを貫通して延びる上端側がスラスト軸受で支持された主軸と、
前記揚水ケーシング内で前記主軸を囲む保護管を少なくとも含み、前記揚水ケーシング内の揚水に対して密封されるように潤滑液が収容され、かつ少なくとも前記スラスト軸受に前記潤滑液を供給するように構成された循環閉水路と、
前記循環閉水路内の前記潤滑液を循環させるための循環用ポンプと
を備える立軸ポンプであって、
前記循環用ポンプは、
循環閉水路内に配置され、かつ前記主軸が貫通する潤滑液ケーシングと、
前記潤滑液ケーシング内に配置され、前記主軸に固定されたボス部と、このボス部から前記主軸の径方向外向きに拡がる主板と、この主板に基端が連結された複数の羽根と、前記主板の上方に位置して前記複数の羽根の先端を連結すると共に、前記ボス部を取り囲む鉛直方向上向きの吸込口を形成する口金部が設けられた側板とを備え、前記主板及び前記側板の外周縁で挟まれた領域が吐出口を構成する循環用インペラと、
を備え、
前記循環用インペラの前記側板は、前記口金部と前記外周縁との間に位置で上向きに突出し、かつ前記潤滑液ケーシングの上部開口に内嵌されたリング部を備え、前記リング部と前記ボス部の直径差と前記循環用ポンプ自体の揚程に応じた上向きのスラスト力が前記主軸に作用することを特徴とする、立軸ポンプ。
【請求項２】
前記循環用インペラから前記主軸に作用する上向きのスラスト力は、以下の式で表されることを特徴とする、請求項１に記載の立軸ポンプ。
【数１】
【請求項３】
前記主軸の前記揚水ケーシングの外側の位置に前記循環用ポンプが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
【請求項４】
前記主軸の前記主インペラと隣接する位置に前記循環用ポンプが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ
【請求項５】
前記主軸の前記揚水ケーシングの外側の位置及び前記主軸の前記主インペラと隣接する位置の両方に前記循環用ポンプが配置されていることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
【請求項６】
前記循環閉水路における前記潤滑液の流量を調整する流量調整弁をさらに備えることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の立軸ポンプ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２４９１９（Ｐ２０１０−２４９１９Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８６１１４（Ｐ２００８−１８６１１４）
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００１５２１７０）株式会社酉島製作所 (89)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００１５２１７０）株式会社酉島製作所 (89)
【Ｆターム（参考）】
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