垂直ポンプの構成部品とは、地上レベルの駆動装置からコラムを伝って水没したボウルアセンブリに至るまで積み重ねられた機械的および水力的な構成要素のことであり、吐出ヘッド、スラストベアリング、ラインシャフト、ガイドベアリング、インペラ、ディフューザー、吸込ベル、ストレーナーなどが含まれます。 垂直タービンや吊り下げ式垂直ポンプでは、これらの部品は水平エンドサクション型ユニットのように並列に配置されていません。それらは単一の垂直シャフトに沿って積み重ねられているため、ある高さで問題が発生すると、その影響が積み重ねられた構造の上下へと波及することになります。.
ポンプを上から下へと順に確認していくのが、各部の役割や、どこが故障しやすいかを理解する最も手っ取り早い方法です。.
このガイドでは、水とトルクが実際に流れる順序に従ってスタックを順を追って説明します。つまり、モーターからはトルクが下向きに、ベルからは水が上向きに流れます。.
要点
- 便器本体ではなく、吐水口が 軸方向のスラスト荷重 回転要素全体の。.
- カラムの長さとラインシャフトのスパンによって、その数が決まります ガイドベアリング 必要なのは、ポンプの馬力ではなく――。.
- について ボウルアセンブリ 油圧作業を行うのはこの段だけであり、それより上のすべての段は流量とトルクを伝達する役割を担っている。.
- の浸水 吸引ベル 利用可能なNPSHおよび渦の挙動を制御する――ポンプ特性曲線だけでは、不適切な吸込条件を是正することはできない。.
- 故障は深度ごとに集中して発生する。上部ではシールやカップリングの問題、柱の中部ではベアリングの摩耗、下部では摩耗やキャビテーションが見られる。.
縦型ポンプを上から下まで読み解く
垂直タービンポンプ（VTP）または吊り下げ式垂直ポンプは、本質的に、底部から多段遠心ポンプが吊り下げられた垂直駆動系である。 KSB社は、この垂直ポンプを「軸が垂直に延び、水力部が液面下に沈められている構造」と説明しており、これにより自吸機能の必要性がなくなり、NPSHが重要な配管区間を短縮できる（KSB 縦型ポンプ用語集).
試運転の際に機械整備士がするように、機械を観察してみましょう。モーターフランジから始め、吐出ヘッドへと下へ進み、カラムのセクション数とベアリングスパイダーを数え、最後にボウルアセンブリと吸込ベルにたどり着きます。 すべての部品は、トルクを下方に伝達するか、流れを上方に誘導するか、あるいは軸を半径方向および軸方向の荷重から支えるかのいずれかの役割を果たしています。部品をこれら3つの役割のいずれかに分類できれば、その部品が装置全体において果たす役割を理解できたことになります。.
ドライバー、吐出ヘッド、およびスラスト軸受
駆動装置は、ほとんどの場合、吐出ヘッドの上部に取り付けられた垂直中空軸（VHS）または垂直実心軸（VSS）モーターです。 VHSモーターでは、ヘッドシャフトがローターを貫通して上方に通り、上部の調整ナットによって固定されます。現場作業員はこのナットを操作して、はるか下方のポンプケーシング内部におけるインペラの回転クリアランスを調整します。一方、VSSモーターでは、ポンプのヘッドシャフトとの間にリジッドカップリングまたはスペーサーカップリングが使用され、吐出ヘッド内またはモーター本体に別途スラストベアリングが必要です。.
吐出ヘッドは、3つの役割を同時に果たしています。垂直方向の流れを90度回転させて吐出フランジへと導き、カラムと回転要素全体の重量を支え、さらにシャフトが加圧エンベロープから突出する部分に、スタッフィングボックスまたはメカニカルシールを収容しています。 このヘッドは、基礎にグラウトで固定されたソールプレートまたはベースプレート上に設置されており、このソールプレートが軸方向の推力とポンプの重量を土木構造物に伝達する役割を果たしています。.
スラスト軸受の位置
VHSモーターの構造では、スラストベアリングはモーター上部の内部に配置されており、ラインシャフト、インペラ、および油圧による下向きの推力による全重量が、ヘッドシャフトを介してこのベアリングに負荷としてかかっている。これが、VHSモーターが以下のように指定される理由である。 推力容量（ポンド） 馬力に加えて。.
ボウルアセンブリの計算上のダウンスラストと推力定格を照合せずにモーターを指定することは、改修プロジェクトにおいて最もよくある調達上のミスの一つです。馬力を同等のものに取り替えるだけでは、設置深度が深くなったり、インペラのトリムが異なったりした場合に、推力軸受のサイズが不十分となるモーターを選んでしまう恐れがあります。.
ヘッド部のシール
シャフトは、スタッフィングボックス内の圧縮パッキン、あるいはカートリッジ式メカニカルシールのいずれかを介して、吐出ヘッドから外へ出ます。パッキンは研磨性のある水にも耐え、現場での調整も容易ですが、設計上、常に多少の漏れが生じます。メカニカルシールはドライシャフトで動作し、清潔ですが、洗浄水またはシールサポートシステムが必要であり、下から伝わるカラムの振動には非常に敏感です。.
コラムパイプ、ラインシャフト、およびガイドベアリング
吐出ヘッドとボウルアセンブリの間には、コラムが配置されています。これは、ラインシャフトを包み込み、ポンプで送られた流体を上方に搬送する、フランジ付きまたはねじ切り加工されたパイプセクションを積み重ねたものです。 カラムの各セクションは、通常5～10フィートの長さとなっており、設置や引き上げの際に1台のリグで取り扱えるようになっています。内部のラインシャフトは、ねじ込み式シャフトカップリングで接合された互いに適合するセクションに分かれており、各カラムの接合部または一定間隔ごとにガイドベアリングが設置されています。.
ガイドベアリングは、ラインシャフトを中央に位置合わせするとともに、シャフトの振れやわずかな位置ずれによるラジアル荷重を吸収します。これには主に2つの種類があります： 製品潤滑式 軸受（ゴム、青銅、または熱可塑性樹脂製で、移送される流体によって潤滑されるもの）および 油またはグリース潤滑式 密閉されたチューブ内のベアリング。ポンプで移送する流体が汚れていたり、砂が含まれていたり、潤滑性が低かったりする場合は、密閉型ラインシャフトが標準仕様となります。これは、研磨性のある水がゴム製のスパイダーに接触すると、1シーズンも経たないうちに粉々になってしまうためです。.
カラムコンポーネント | スタック内の関数 | 代表的な着用方法 | 「During」を置き換える |
|---|---|---|---|
柱のパイプ部 | 排出流を上方に導き、ボウルアセンブリの重量を支える | 内部侵食、フランジの腐食 | 大規模な見直し／引き出し |
ラインシャフト部 | ヘッドシャフトからボウルシャフトへトルクを伝達する | 曲げ、ベアリングの軸受面の摩耗 | ポンプの引張力 |
シャフトカップリング | ラインシャフトの各セクションを接合し、トルクを伝達する | ねじのかじり、疲労亀裂 | 引き出しのたびに、または点検の際 |
ガイドベアリング（スパイダー） | ラインシャフトを一箇所に集約し、ラジアル荷重を吸収する | 摩耗、膨潤（ゴム） | ベアリングブラケットの点検において |
ベアリングリテーナー／スパイダー | コラム内でベアリングを同心円状に保持する | 腐食、溶接割れ | ベアリングを交換する際 |
軸受の間隔は、馬力ではなく、軸の細長比と運転速度によって決定されます。 たとえ両者とも100 HPであっても、1,800 RPMで水深200フィートの場所に設置されたポンプは、1,200 RPMで水深80フィートの場所に設置されたポンプよりもはるかに多くのガイドベアリングを必要とします。これは、軸の臨界回転数と振動振幅が、支持されていないスパンに依存するためです。.
ボウルアセンブリ、インペラ、およびディフューザー
ボウルアセンブリは、この機械の「水力的な心臓部」です。これは、鋳造されたボウルを積み重ねたもので、各ボウルには1つのインペラと1つのディフューザーが収められており、これらがボルトで固定されて、液面下に沈められた多段遠心ポンプを形成しています。 Goulds Water Technology社は、この積み重ね式ボウル構造を基盤として垂直タービン製品ラインを構築しており、必要な総動水頭に合わせてボウル数が選定されています（Goulds社製垂直タービンポンプ).
各段の仕組みは同じです。インペラ（密閉型、半開放型、または開放型）が流体を半径方向に加速させ、その周囲にあるディフューザーの流路がその速度を圧力に変換し、流れを軸方向に戻して、上部の次のインペラへと送り込みます。ボウルを積み重ねることで揚程を増やし、インペラとボウルを拡大することで流量を増やします。.
この形状では、ヘッドと流量が分離されているため、VTPは深井戸や凝縮器冷却用途で主流となっています。.
インペラの調整
ボウル内のインペラの軸方向の位置は、ポンプの上部にあるモーター調整ナットを使用して設定します。設定が高すぎると、インペラのスカート部分がボウルのシールリングに接触し、効率が低下します。設定が低すぎると、インペラがボウルに擦れ、起動後数分でベーンに傷がついてしまいます。.
調整の仕様は組立図に記載されています。引き出し後に目測で調整しないでください。.
密閉型と半開放型
密閉型インペラは、フロントシュラウドがシールリングとの動作クリアランスを維持するため、効率を長期間維持できます。半開放型インペラは安価で、固形物への耐性が高いですが、摩耗に伴いベーン先端とボウル壁の間の隙間が広がるため、性能の低下が早くなります。 インペラの種類の選択は、用途に応じて「耐用年数」と「汚れに対する耐性」を天秤にかける判断となります。.
サクションベル、ストレーナー、および吸込条件
ボウルアセンブリの下部には、サクションベルが吊り下げられています。これは、流体を第1段インペラのアイへと滑らかに加速させる、ふくらんだ形状の鋳造部品です。その下には通常、大きな異物がボウル内に侵入するのを防ぐためのバスケットストレーナーまたはコーンストレーナーが設置されています。これら一連の部品が、吸込水力系を構成しています。.
KSBの垂直軸水中ポンプシリーズは、ベル部とストレーナーの形状が、単一の吊り下げ式底部アセンブリに統合されている様子を示しています（KSB SSP 縦型水中ポンプ).
ベルが設計どおりに機能するかどうかは、次の3つの吸気条件によって決まります：
- 水没 ベルの上部。これにより、利用可能なNPSHが確保され、表面の渦流が抑制される。.
- 床からのクリアランス ベルの下部にあり、これにより床面渦の発生や浮遊固形物の再吸入を防ぐ。.
- サイドウォールのクリアランス, 、これはベルマウスへのクロスフローおよび非対称な流入速度を制御するものである。.
試験台上で定格曲線を示すボウルアセンブリであっても、これらのクリアランス要件を満たさないウェットウェル内では、キャビテーションや振動が発生し、シャフトが破損することになります。油圧協会（Hydraulic Institute）の吸込口設計基準が存在するのは、まさにサクションベルが受動的な部品であるためです。つまり、サクションベルへの水流が不足したり、渦が発生したりするようなサンプの状態を、サクションベル自体では修正できないからです。.
水深によってどの部品が故障するのか
縦型ポンプの故障は標高ごとに集中して発生するため、適切な点検計画では、部品の種類ではなく水深を基準として整理を行う。.
標高 | リスクのある部品 | 主な故障モード | 甲板上で現れた最初の症状 |
|---|---|---|---|
モーター／吐出ヘッドにて | スラスト軸受、メカニカルシール、パッキン、ヘッドシャフト | 推力過負荷、シール面の摩耗、パッキンからの漏れ | 発熱、漏れ、軸方向の遊び |
上段 | ラインシャフト用カップリング、上部ガイドベアリング | カップリングの疲労、位置ずれによる軸受の摩耗 | ヘッド部分の振動 |
コラムの中段 | ラインシャフト部、中間ガイドベアリング | 軸の振れ、軸受の摩耗、疲労 | 振動、電流の変動 |
ボウルアセンブリ | インペラ、ディフューザー、ボウルシールリング、ボウルシャフト | 摩耗、キャビテーションによるピッチング、クリアランスの喪失 | ヘッドおよび流量の低下、効率の低下 |
吸引ベル／ストレーナー | ベル鋳造、ストレーナーメッシュ、最下部ベアリング | 砂による摩耗、異物による閉塞、渦による損傷 | キャビテーション騒音、モーターの電流 |
コラム中央部のベアリングの摩耗は、ボウル部分のみに焦点を当てた「ポンプのオーバーホール」において、最も見過ごされがちな故障原因です。ボウル部分が完璧な状態でポンプを再稼働させたとしても、コラム中央部の3つのラインシャフトベアリングが、摩耗限界の2倍まで摩耗した状態で再利用されていたため、数ヶ月以内にポンプが破損してしまうことがあります。.
点検計画の部品チェックリスト
ポンプを引き上げた後は、部品が井戸から取り出されたのと同じ順序（上から下へ）で点検を行ってください：
- 吐出ヘッド：ソールプレートのグラウト、吐出ノズル周辺のヘッド鋳物のひび割れ、およびスタッフィングボックスまたはシールチャンバーの内径を確認してください。.
- ドライバーカップリングおよびヘッドシャフト：ねじ山、振れ、および調整ナットの座面を点検する。.
- スラスト軸受（モーターまたはポンプ）：軸方向のクリアランスを測定し、軌道部の損傷がないか音を聞いて確認する。.
- 柱の各部：フランジ面の点検、接合部の内部侵食、および飛沫帯における外部被覆の剥離。.
- ラインシャフト部：Vブロック上で真直度を測定し、各ベアリングの下にある軸受面を点検する。.
- シャフトカップリング：ねじ部に損傷があるものや、明らかな首絞りが見られるものはすべて交換してください。.
- ガイドベアリング：内径をシャフトジャーナルの外径と照合してください。個別に交換せず、セットで交換してください。.
- ボウルアセンブリ：少なくとも最初と最後のステージを開け、インペラとボウルのクリアランスを測定し、ディフューザーベーンの摩耗を点検する。.
- ボウルシャフトおよびボウルベアリング：真直度とベアリングの嵌合状態を確認する。.
- 吸込ベルおよびストレーナー：砂による侵食、ストレーナーパネルの欠落、および最下部のサンドカラーまたはスリーブベアリングの有無を確認する。.
分解する前に、部品番号とシリアル番号が刻印されたボウルの位置を記録しておいてください。一度使用されたボウルは、シールリングの摩耗パターンが、それとともに稼働したインペラに特有のものとなるため、ステージ間で必ずしも互換性があるとは限りません。.
よくある質問
起動時に、垂直タービンポンプを数秒間、無給水状態で運転しても大丈夫ですか？
いいえ。製品潤滑式のガイドベアリングおよびボウルベアリングは、冷却と潤滑を移送する流体に依存しています。たとえ短時間のドライスタートであっても、ゴム製ベアリングにはグレイジングが生じたり、青銅製ベアリングにはスコーリングが生じたりする恐れがあります。また、密閉型ラインシャフトユニットでは、モーターに通電する前に給油装置から油が流れている必要があります。.
自分のポンプがオープンラインシャフト構造か、エンクローズドラインシャフト構造か、どうすれば判別できますか？
吐出ヘッドの上部をご覧ください。密閉型ラインシャフトユニットには、小さな給油器またはグリースラインがあり、そこからカラム内部を下るチューブに潤滑油が供給されます。ラインシャフトはこのチューブ内で回転し、ポンプで送られる流体とは隔離されています。 開放型ラインシャフトユニットにはそのようなチューブがなく、シャフトは吐出流の中で回転し、水そのものによって潤滑されます。.
摩耗したメカニカルシールを交換するには、ポンプを取り外し直す必要がありますか？
通常、吐出ヘッドのシールがカートリッジ式であれば、その必要はありません。ヘッドシャフトを固定し、カップリングを外せば、カラムを分解することなくカートリッジを交換できます。また、旧式のパッキング式スタッフィングボックスであれば、その場でパッキングをやり直すことも可能です。.
しかし、カラムの振動によって引き起こされたシール不良は、根本的なラインシャフトやベアリングの問題が解決されない限り、すぐに再発してしまいます。.
同じボウルアセンブリを、深井戸用VTPではなく吊り下げ式垂直ポンプで使用した場合、どのような点が異なるのでしょうか？
油圧スタックも同様ですが、カラムはより短く、吸込ベルは吸込バレルや缶に置き換えられる場合があり、また、この装置では地下水ではなく、凝縮水やプロセス流体を扱うことがよくあります。材料は耐食性の高いものへと移行し、静水頭成分が小さいため、スラスト荷重の分布も変化します。.
1つのボウルアセンブリ内で、異なるインペラトリムを混在させることは許容されますか？
メーカーの特性曲線およびボウルアセンブリの図面において、段階的なトリミングが明示的に推奨されている場合に限ります。各段階間でトリムを無作為に混合すると、段階ごとのヘッド数の分布が歪み、中間段階で再循環が発生する可能性があり、また、ほとんどの性能保証が無効となります。.
結論
垂直タービン、あるいは吊り下げ式垂直ポンプは、垂直に積み重ねられた構造として理解するのが最も適切です。すなわち、地盤面にある駆動部と吐出ヘッド、ガイドベアリングを介して下方にトルクを伝達するコラムとラインシャフト、液面下で水力作業を行うボウルアセンブリ、そしてストレーナーを備えた吸込ベルが流体を第1インペラに引き込むという構成です。 各高さは、それぞれ固有の故障モード、点検項目、および予備部品リストを有している。.
垂直ポンプの部品については、井戸内に設置されているのと同じ上から下への順序で仕様を定め、点検し、在庫を確保しておけば、定期的な引き上げの合間にも機械の稼働を維持するのがはるかに容易になります。.