JP7228381B2 - 軸封装置およびこれを備えるポンプ - Google Patents
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Description
ここで、ポンプ等の流体機器は、被送流体として、非溶解性の固形粒子を液体中に含むスラリを移送する場合、固形粒子との衝突によって接液部の内面に摩耗が進行する。
そのため、この種のスラリを移送する用途では、軸封装置の摺動するシール摺動部には、硬度の高いセラミックス(例えばSiC)や超硬合金材料等が摺動材として用いられる。流体機器の稼動時には、シール摺動部の摺動面同士の間に薄い液膜が形成され、これにより、シール摺動部の温度上昇を抑制してメカニカルシール機構として成立する。
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、シール機能を長寿命化し得る軸封装置およびこれを備えるポンプを提供することを課題とする。
そのため、第一の粒子排除機構に替えて第二の粒子排除機構を設ければ、これにより、メカニカルシール機構のシール機能の長寿命化を図ることができる。また、第一の粒子排除機構と共に第二の粒子排除機構を設ければ、第一の粒子排除機構の作用効果に第二の粒子排除機構による作用効果が加わるので、回転環と静止環とのシール摺動部に到達する固形粒子の量を抑制する上でより好適である。
そのため、第一および第二の粒子排除機構に替えて第三の粒子排除機構を設ければ、これにより、メカニカルシール機構のシール機能の長寿命化を図ることができる。また、第一若しくは第二の粒子排除機構と共に第三の粒子排除機構を設ければ、第一若しくは第二の粒子排除機構の作用効果に加え、第三の粒子排除機構による作用効果が協働するので、回転環と静止環とのシール摺動部に到達する固形粒子の量を抑制する上でより好適である。さらに、第一、第二および第三の粒子排除機構を全て設ければ、回転環と静止環とのシール摺動部に到達する固形粒子の量を抑制する上でより一層好適である。
本発明の一態様に係るポンプによれば、本発明のいずれか一の態様に係る軸封装置を軸封部に備えるので、メカニカルシール機構のシール機能を長寿命化できる。よって、ポンプをより長期に亘って安定して稼動できる。
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。
第一実施形態は、流体機器として、スラリポンプやサンドポンプ等のポンプに、本発明に係る軸封装置を適用した例である。この種のポンプは、微粒懸濁物や、土砂、砂、小石等の固形物粒子を含むスラリを被送流体として輸送するものである。
図1に示すように、第一実施形態のポンプ100は、ケーシング1と、ケーシング1内に突設するシャフト3の先端に支持されたインペラ2と、を備える。インペラ2の背面には、複数の裏羽根7が設けられている。複数の裏羽根7は、インペラ2の背面側に浸入したスラリを、裏羽根7による遠心力の作用で軸封部5とは反対の側に戻すことにより、軸封部5へのスラリの浸入を防止または抑制するようになっている。
本実施形態のゴムライナ1dは、ライナ先端1sが、インペラ2のボス部1jに対向して張り出しており、ライナ先端1sとボス部1jとの間に僅かな対向隙間Sが設けられている。
シャフト3は、基端側がケーシング1の後方を貫通しており、不図示の軸支装置によってシャフト(回転軸)3の基端側が、軸封部5よりも後方の位置で不図示の軸支部により回転自在に支持されている。シャフト3の基端部には、モータの出力軸が駆動力を伝達可能に接続される。
第一実施形態の軸封装置10は、ケーシング1の背面にスタフィングボックス50が固定される。スタフィングボックス50の内部には、メカニカルシール機構が収容されている。本実施形態に係るポンプ100は、メカニカルシール機構が、回転環20と静止環30とのシール摺動部12に到達する固形粒子の量を低減させる複数段階の粒子排除機構を備える。
ボディ部54の前端面は、ケーシング背面側のゴムライナ1dの背面と圧接され、ボディ部54とゴムライナ1dの背面との間がシールされている。本実施形態の例では、ボディ部54の前端面には、ゴムライナ1dの背面との圧接部分に、シール用の円環状凸部54tが形成されている。
例えば、シール用の円環状凸部をゴムライナ1dの背面に形成してもよい。また、この例では、金属製のボディ部54とゴム製のゴムライナ1dとの間のシール手段としての例を示したが、これに限らず、例えばゴムライナとゴムライナ同士の合わせ面に、このようなシール用の円環状凸部を適用してもよい。
なお、本実施形態では、ゴムライナ1dを有する例を示したが、これに限らず、例えばゴムライナ1dに替えて、金属ライナを有する構成としてもよい。金属ライナを有する構成の場合、Oリングを挿入することが好ましい。また、ライナ構造に限定されず、一体型ケーシングのポンプに対しても本発明を適用し得る。
回転環20は、基部24の前側が、回転環支持ピン22を介して保持器40に連結される。静止環30は、基部34の後側が静止環支持ピン32を介してスタフィングボックス50のボディ部54に連結される。静止環30は、静止環30側に装着されたサポートシール60により弾性的に支持されている。
保持器40の中心部には、円筒状のボス部47が設けられ、ボス部47の内周面がシャフト3の外周面に直接外嵌している。また、ボス部47の後端面がシャフトスリーブ4の前端面に当接している。そして、ワッシャ6に続いて、保持器40がシャフトスリーブ4との間に設けられ、インペラ2を軸方向前方からシャフト3先端に締めこむことにより、保持器40の軸方向の位置が固定される。
保持器40は、円筒状段部49の内周面が、基部24の外周面に嵌め合わされるとともに、保持器40の前端面49rが、腕部23の前面25に当接する状態で装着される。
腕部23の後方を向く面の先端が後方に張り出した摺動面21になっている。回転環20は、基部24が円筒状段部49に嵌合した状態で、回転環支持ピン22を介して保持器40に連結される。
スタフィングボックス50を構成するボディ部54には、ボディ部54の内面の軸方向略中央に、サポートシール60を装着するための円環状の装着溝54aが形成されている。サポートシール60は、装着溝54aに嵌め込まれる基部63と、基部63から斜め前方に張り出す腕部62と、腕部62の先端から後方に向けて軸線に沿って円環状に延びる保持リップ部61と、を有する。
腕部33の前方を向く面の先端が、前方に張り出した摺動面31になっている。静止環30は、その基部34が、保持リップ部61に嵌合した状態で静止環支持ピン32を介してボディ部54に連結されてボディ部54に保持される。
そして、静止環30と回転環20とは、対向配置された相互の径方向に沿った摺動面31,21同士が、互いに摺動されるシール摺動部12を形成する。シール摺動部12は、ポンプ100の内部(軸封部5の軸方向前方の接液部側)から外部(軸封部5の軸方向後方の大気側)または外部から内部へのスラリの漏れを防止するように構成される。これにより、回転環20と静止環30は、スタフィングボックス50に供給される加圧流体が接液部側から大気側に漏洩しないようにシール摺動部12で保持可能になっている。
これにより、回転環20と静止環30との摺動面21,31同士が互いに所定の押圧力で摺接されるメカニカルシール機構のシール摺動部12を形成し、ポンプ100の内部から外部および外部から内部への流体の漏れを防止可能になっている。
なお、二次流体供給部の構成もこれに限定されず、例えば二次流体供給部52の回転対称位置に二次流体の排出口を設け、二次流体供給部52からクエンチング液として例えば水を注水し、回転対称位置にある排出口から排水するクエンチングを行うことができる。
すなわち、本実施形態の軸封装置10は、第一の粒子排除機構として、回転環20を保持する保持器40の前縁外周部に円環状の突起部46を有する。突起部46が保持器40の前縁外周部に形成されることにより、保持器40の前面の径方向内側には円環状の凹部45が形成される。
さらにまた、本実施形態の軸封装置10は、第三の粒子排除機構として、保持器40の外周面には、保持器40の後縁部から前縁部に向けて拡径する勾配面44が形成される一方、当該軸封装置10のメカニカルシール構造を収容するスタフィングボックス50の内周面には、径方向で対向する保持器40の勾配面44に対して所定のクリアランスを設けた勾配面51が形成されている。
第一実施形態のポンプ100は、ポンプ100の運転時には、不図示のモータの駆動によりシャフト3が回転駆動される。これにより、ケーシング1内でインペラ2が回転すると、被送流体であるスラリを昇圧してケーシング1の吸込口1aから吐出口1bに向けてスラリを輸送できる。
そして、第一実施形態のポンプ100は、軸封部5に、上述したメカニカルシール構造を有する軸封装置10を備えるので、ケーシング1内でインペラ2によって昇圧されたスラリがシャフト3の周囲から外部に漏れるのを防止できる。
さらに、本実施形態の軸封装置10によれば、保持器40の外周面に、第二の粒子排除機構として、単列または複列のラビリンス溝41,42,43を設けているので、ラビリンス溝41,42,43内で生じた渦流によって、スラリ中の固形粒子を捕捉(トラップ)できる。そのため、シール摺動部12に到達する固形粒子の量を抑制する上で好適であり、軸封装置10の長寿命化を図る上で優れている。
そのため、第二の粒子排除機構である、複列のラビリンス溝41,42,43でトラップされた固形粒子が旋回運動を行う際に、第三の粒子排除機構の勾配に沿った遠心力のベクトル方向成分により、保持器40の前縁方向へと固形粒子を戻す効果を奏する。
これにより、第二の粒子排除機構と第三の粒子排除機構との協働作用によって、シール摺動部12に到達する固形粒子の量を抑制する相乗効果が生まれる。そのため、軸封装置10の長寿命化を図る上で極めて優れている。
なお、本発明に係る軸封装置およびこれを備えるポンプは、上記第一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。
例えば、上記第一実施形態では、スラリ中の固形粒子を軸封部5とは反対のケーシング1側に戻す粒子排除機構として、第一、第二および第三の粒子排除機構の全てを備える例を示したが、これに限定されず、第一、第二および第三の粒子排除機構のうちのいずれか一つまたは二つを備える粒子排除機構としてもよい。
また、例えば上記第一実施形態では、スタフィングボックス50が、円筒状のベース部53と、液接部を内面に有するボディ部54と、ボディ部の後端面に装着されるシールカバー57と、を有する例を示したが、これに限定されず、更に、スタフィングボックス50を複数の部品に分割した構造としてもよい。
例えば、図3に示すように、第二実施形態のスタフィングボックス50は、円筒状のベース部53と、液接部を内面に有するボディ部54と、ボディ部54の後端面に装着されるシールカバー57と、を有する。さらに、第二実施形態のボディ部54は、液接部を内面に有する第一ボディ55と、第一ボディの後部に接続されて液接部を有しない第二ボディ56と、を有して構成されている。
第一ボディ55は、接液する面に沿って各種ゴム材料やコーティング被膜によるゴムライニングとして形成された液接部55aと、液接部55aの接液する面とは反対側に装着されたブロック状の基部55bとを有する。第一ボディ55と第二ボディ56とは、連結ボルト59によって相互に連結され、これにより、第一実施形態のボディ部54と同様の形態とされている。なお、第二実施形態の他の構成については、上記第一実施形態同様なので、同一符号を付すとともにその説明は省略する。
そして、このような構成であっても、上記第一実施形態同様に、複数段階の粒子排除機構を備えているので、これらの相互作用および相乗効果により、シール摺動部12でのスラリ濃度を低下させ、シール摺動部12での摺動面21,31の摩耗速度を緩和することができるため、シール機能を長寿命化できる。
2 インペラ
3 シャフト(回転軸)
4 シャフトスリーブ
5 軸封部
6 ワッシャ
7 裏羽根
10 軸封装置
12 シール摺動部
20 回転環
21 摺動面
22 回転環支持ピン
30 静止環
31 摺動面
32 静止環支持ピン
40 保持器
41 第一ラビリンス溝
42 第二ラビリンス溝
43 第三ラビリンス溝
44 勾配面
45 凹部
46 突起部
50 スタフィングボックス
51 勾配面
52 二次流体供給部
53 ベース部
54 ボディ部
55 第一ボディ
56 第二ボディ
57 シールカバー
58 固定ボルト
59 連結ボルト
60 サポートシール
70 オイルシール
91、92 Oリング
100 ポンプ(流体機器)
Claims (4)
- ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に支持されるインペラと、前記ケーシングの背面からケーシング内に突設されて前記インペラを回転自在に支持する回転軸と、を備えるポンプに用いられ、前記ケーシングの背面側に設けられて前記回転軸の軸封部に装備される軸封装置であって、
前記回転軸の軸方向を前後とするとき、
前記ケーシングの背面に自身前面が固定されるスタフィングボックスと、該スタフィングボックスに収容されるメカニカルシール機構と、被送流体中の固形粒子を前記軸封部とは反対の前記ケーシング側に戻す粒子排除機構と、を備え、
前記メカニカルシール機構は、前記スタフィングボックスの収容空間での前記軸方向後側の位置に前記回転軸と同軸に他の部材に固定される静止環と、前記スタフィングボックスの収容空間での前記軸方向前側の位置に前記静止環に対向配置されて前記回転軸とともに回転する回転環と、該回転環よりも前記スタフィングボックスの収容空間での前記軸方向前側の位置に設けられて前記回転軸と一体で回転するとともに前記回転環を保持する保持器と、を有し、
前記静止環と前記回転環とは、対向配置された相互の径方向に沿った面同士が互いに摺動されるシール摺動部を形成して前記ケーシングの内部から外部への被送流体の漏れを防止するように構成され、
前記粒子排除機構は、前記保持器が、接液部である自身の前縁外周部に、前記スタフィングボックスの収容空間での前記軸方向前側に向けて張り出す円環状の突起部を有する構成である第一の粒子排除機構を備えることを特徴とする軸封装置。 - 前記粒子排除機構は、前記保持器の外周面に円環溝状に形成された単列または複列のラビリンス溝を有する構成である第二の粒子排除機構を更に備える請求項1に記載の軸封装置。
- 前記粒子排除機構は、前記保持器の外周面に、前記保持器の後縁部から前縁部に向けて拡径する円錐台状の勾配面を形成するとともに、前記スタフィングボックスの内周面に、前記スタフィングボックスの後縁部から前縁部に向けて拡径する円錐台状の勾配面を、径方向で対向する前記保持器の外周面に対して所定のクリアランスを隔てて形成してなる構成である第三の粒子排除機構を更に備える請求項2に記載の軸封装置。
- ケーシングと、該ケーシング内に回転自在に支持されるインペラと、前記ケーシングの背面からケーシング内に突設されて前記インペラを回転自在に支持する回転軸と、前記ケーシングの背面側に設けられて前記回転軸の軸封部に装備された、請求項1~3のいずれか一項に記載の軸封装置と、を備えることを特徴とするポンプ。
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