JP2002332984A - 横軸ポンプ及びその駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】横軸形の排水ポンプをリプレースする際に、ガ
スタービン駆動を可能にする。 【解決手段】横軸ポンプは、出力軸が水平方向に配置さ
れた一軸式のガスタービン１と、このガスタービンの出
力軸にギヤカップリング１３Ａを介して結合される入力
軸１４を備えた減速機２とを有している。入力軸には歯
車１５が取付けられ、歯車と補機駆動軸１６Ｂの歯車１
７Ｂが噛み合っている。補機駆動軸は流体継手１８の入
力軸となっており、流体継手の出力軸は他の中間軸２０
Ｃとなっている。この中間軸からの出力は、複数の中間
軸を経て最終的に排水ポンプが接続される減速機の出力
軸２３に伝達される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、横軸ポンプ及びそ
の駆動装置に係り、特に排水機場等に用いるのに好適な
横軸ポンプ及びその駆動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の横軸ポンプの例が、特開平９−４
２１８９号公報や特開平１１−９３８８２号公報に記載
されている。特開平１１−９３８８２号公報では、ポン
プを駆動する電動機に必要な起動トルクを低減するため
に、ポンプケーシングよりも上流側の吸込みエルボの上
部に開口部を、この開口部に満水検出手段をそれぞれ設
け、真空遮断弁を介して真空吸引可能にしている。吸込
みエルボ内の水位が開口部まで達していないと、真空吸
引して開口部まで水位を上昇させている。

【０００３】また、特開平９−４２１８９号公報には、
内水位と外水位との水位差が小さくなっても排水が開始
されるまでの時間を短縮するために、排水路における横
軸ポンプの吐出管の出口水位を、嵩上げして吐出管内に
水を充満させて待機運転できるようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】排水ポンプ設備に用い
られる横軸ポンプの駆動機には、電動機、ディーゼルエ
ンジンやガスタービン等の原動機が用いられている。原
動機の出力回転速度は、ポンプの回転速度より高速であ
るから原動機とポンプとの間に減速機が必要となる。原
動機の中では、冷却水が不要で潤滑油の消費も少ない等
の利点からガスタービンが普及し始めている。しかしな
がら、ガスタービンは他の原動機に比べて高速で回転す
るので、高減速比の減速機が必要となる。高減速比の減
速機は大型になり易い。そのため、ガスタービンから横
軸ポンプまでの軸方向長さが長くなり、排水ポンプ機場
の土木構造物の建造費用が増大するという不具合を生じ
ている。

【０００５】また、排水ポンプには、商用電源が停電し
ても運転可能であることが求められているので、常にポ
ンプの運転に必要な電力を確保なければならない。その
ため、原動機及び減速機の他に自己給電可能なように補
機類が備えられており、これら補機類はポンプ機場の省
スペース化を困難にしている。

【０００６】さらに、上記各公報に記載のものは、ポン
プを駆動する電動機の起動トルクの低減やポンプ起動時
の吸込み特性の向上は可能になるものの、ポンプ機場の
建設コストの低減や、今後ますます需要が多くなるポン
プのリプレース等については、何ら考慮されていない。

【０００７】本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなさ
れたものであり、その目的は、横軸ポンプ及びその駆動
装置をコンパクト化して横軸ポンプ装置が備えられたポ
ンプ機場や建屋の設置面積を縮小可能にすることにあ
る。本発明の他の目的は、従来電動機等で駆動されてい
た横軸ポンプをリプレースする際に、機場や建屋を変更
すること無くガスタービン駆動の横軸ポンプに置きかえ
ることにある。本発明のさらに他の目的は、横軸ポンプ
及びその駆動装置を商用の外部電源を用いずに自己給電
で起動可能にすることにある。そして、本発明はこれら
の目的の少なくともいずれかを達成することを目的とす
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明特徴は、出力軸が水平方向に配置された一軸式
のガスタービンと、このガスタービンの出力を減速する
減速機と、この減速機に接続された排水ポンプとを備
え、減速機は、ガスタービンの出力軸に結合される入力
軸と、この入力軸に取付けられた歯車と噛み合う歯車が
設けられた複数の補機駆動軸と、この複数の補機駆動軸
の中の少なくとも１本の補機駆動軸から伝達された動力
を前記排水ポンプに伝達する複数の中間軸と、この中間
軸の少なくとも１本の中間軸に設けられた歯車と噛み合
う歯車を有する出力軸とを有し、補機駆動軸に補機を接
続可能にしたことにある。

【０００９】そしてこの特徴において、排水ポンプに動
力を伝達する補機駆動軸には流体継手の一端が接続さ
れ、中間軸のなかの１本にこの流体継手の他端が接続さ
れることが望ましい。

【００１０】上記目的を達成するための本発明の他の特
徴は、出力軸が水平方向に配置された一軸式のガスター
ビンと、このガスタービンと一体化された減速機と、こ
の減速機に接続された横軸の排水ポンプとを備えた横軸
ポンプにおいて、前記減速機はガスタービンから動力が
供給される高速回転側と、ポンプに動力を伝達する低速
回転側との間に流体継手を有し、流体継手は、流体を介
して動力を伝達するので高速回転側と低速回転側のミス
アライメントを吸収可能であるものである。

【００１１】そして望ましくは、減速機は下部に潤滑油
を溜める潤滑油溜りを有し、この潤滑油溜りからガスタ
ービンに潤滑油を供給し減速機に戻す油ポンプと、減速
機に戻された潤滑油を冷却するオイルクーラと、このオ
イルクーラに冷却風を送風する冷却ファンとを設け、こ
の冷却ファンを潤滑油溜りに溜められた潤滑油で駆動す
ることにより、商用電源を不要とするものである。

【００１２】上記目的を達成するための本発明のさらに
他の特徴は、一端側がガスタービンの出力軸に接続さ
れ、他端側が横軸形の排水ポンプの入力軸に接続され、
複数段の平歯車減速段を有する横軸ポンプの駆動装置に
おいて、複数の減速段の中でガスタービンの出力軸から
動力を伝達される高速回転側と、排水ポンプに動力を伝
達する低速回転側との間に流体継手を配置し、この流体
継手は高速回転側から低速回転側への熱の伝達を防止可
能にしたことにある。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明の一実施例を、図面を
用いて説明する。図１は、本発明に係る横軸ポンプを備
えたポンプ機場の一実施例の断面図である。図２は、図
１に示したポンプ機場の平面図、図３は、図１に示した
横軸ポンプを駆動するガスタービンと減速機が一体化さ
れた横軸ポンプ駆動装置の平面図、図４はその正面図で
ある。

【００１４】横軸ポンプ本体３を備える排水設備では、
図１に示すように建屋７内にガスタービン１と減速機２
を一体とした横軸ポンプ駆動装置１０が配置されてい
る。横軸ポンプ駆動装置１０は、建屋７に固定された横
軸ポンプ３とカップリング１１を介して結合されてい
る。図２において、紙面裏側に設けられた給水槽８に流
入した雨水等は、吐出配管６を介して紙面右側に設けら
れた吐出水槽９へ排出される。

【００１５】図３に横軸ポンプ駆動装置１０の詳細を示
す。ガスタービン１の出力軸１３は減速機２の入力軸１
４とギヤカップリング１３Ａにより結合されている。そ
の結果、ガスタービン１と減速機２とは一体化されてい
る。ガスタービン１で発生した動力は、複数の補機駆動
軸１６A〜１６F、中間軸２０A〜２０Ｃ及び流体継手１
８等を介して出力軸２３に伝達される。

【００１６】減速機２の入力軸１４には、円筒歯車１５
が取り付けられており、２本の補機駆動軸１６Ａ，１６
Ｂに取り付けられた円筒歯車１７Ａ，１７Ｂに噛合って
１段目の歯車列を構成している。同様に、２本の補機駆
動軸１６Ｃ，１６Ｄに取り付けられている円筒歯車１７
Ｅ，１７Ｆは、２本の補機駆動軸１６Ａ，１６Ｂに取り
付けられた円筒歯車１７Ｃ，１７Ｄにそれぞれ噛合い２
段目の歯車列を構成している。

【００１７】さらに２本の補機駆動軸１６Ｅ，１６Ｆに
取り付けられた円筒歯車１７Ｉ，１７Ｊは、２本の補機
駆動軸１６Ｃ，１６Ｄに取り付けられた円筒歯車１７
Ｇ，１７Ｈと噛合い３段目の歯車列を構成している。各
補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆの回転速度を、これらの補機
駆動軸１６Ａ〜１６Ｆに接続される補機の使用回転速度
に合わせる。そのため、円筒歯車１７Ａ〜１７Ｊの歯数
は、適宜の歯数となっており、必ずしも同じではない。

【００１８】２段目の歯車列を構成する歯車１７Ｄが取
付けられた補機駆動軸１６Ｂの一端には、流体継手１８
の入力側が接続されている。流体継手１８の出力軸２０
Ｄには円筒歯車１９が取り付けられており、中間軸２０
Ａに取り付けられた円筒歯車２１Ａと噛合っている。こ
の円筒歯車２１Ａは、中間軸２０Ｂに取り付けた円筒歯
車２１Ｂと噛合っている。中間軸２０Ｂにさらに取り付
けられた円筒歯車２２Ａは、出力軸２３に取り付けられ
た円筒歯車２２Ｂと噛合っている。中間軸２０Ａは、出
力軸２３の回転方向を変えるために設けられている。中
間軸２０Ｃに取付けた円筒歯車１９と中間軸２０Ｂに取
付けた円筒歯車２１Ｂとを直接噛み合わせるか、中間軸
２０Ａと円筒歯車２１Ａを省けば、出力軸２３の回転方
向を逆方向にすることができる。

【００１９】入力軸１４や補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆ、
中間軸２０Ａ〜２０Ｃ、出力軸２３は、図示しない転が
り軸受けまたはすべり軸受けで両端部を支持されてい
る。各軸、各歯車及び各軸受は、ケース２４に収納され
ている。発電機のようなケース２４の外部に保持する補
機２５は、複数の補機駆動軸１７Ａ〜１７Ｊのいずれか
の一端にベルト等を介して接続されている。図示しない
油ポンプやガバナー等のケース２４外部に保持する補機
は、補機駆動軸１６Ａ〜１６Ｆをケース２４外まで延ば
して、その先端部に接続する。したがって、補機類は、
ガスタービン１の動力によって駆動され、駆動源は不要
となっている。

【００２０】図４に、減速機とガスタービンとを一体化
した駆動装置１０の正面図を示す。ガスタービン１と減
速機２が、上述した方法で一体化されている。一体化し
た駆動装置１０は、パッケージ３８内に収容されてい
る。ガスタービン１を潤滑する潤滑油は、減速機２の下
部に形成された油溜めから配管３６Ｄを経てガスタービ
ン１に送られ、ガスタービン１を潤滑して温度が上昇す
る。温度が上昇した潤滑油は、配管３６Ｃを経て減速機
２の下部に形成された潤滑油溜めに戻される。

【００２１】減速機２の油溜り部に溜まった潤滑油の一
部は、配管３６Ａの途中に設けた油ポンプ３９によりオ
イルクーラ３２に送られる。オイルクーラ３２は、パッ
ケージ３８内であってガスタービン１の出力軸とは反対
端側の上方に置かれている。このオイルクーラ３２内を
流通する潤滑油を、油圧モータで駆動されパッケージ３
８の天井部に設けられた換気冷却ファン３１に吸込まれ
る周囲空気が冷却する。オイルクーラ３２で冷却された
潤滑油は、配管３６ｂを経て減速機２に戻される。油圧
モータへは配管３６Ｅから油が送られる。

【００２２】換気冷却ファン３１は、オイルクーラ３２
内の潤滑油を冷却するためだけに用いられるのではな
く、減速機２及びガスタービン１をも冷却するのにも用
いられる。パッケージ３８内に設けられた隔壁３７によ
って仕切られたダクト部には、燃焼用の外部空気３５が
取り入れられ、ガスタービン１内部に導かれて燃焼排気
３３となって、排気煙突から外部に排気される。

【００２３】一方、減速機１及びガスタービン２を冷却
する外部空気３４は、ダクト部とは異なる部分から吸込
まれ、初めに減速機２の周囲を冷却した後、ガスタービ
ン１の周囲を冷却し、その後オイルクーラ３２で潤滑油
を冷却して、換気冷却ファン３１の開口部からパッケー
ジ３８外に放出される。このように本実施例では、換気
冷却ファン３１がパッケージ３８内の換気を行なうとと
もに、クーラの冷却もできる配置にしている。なお、ク
ーラを換気用のダクトの入口側に配置してもかまわな
い。

【００２４】本実施例によれば、ガスタービンと減速機
を一体化して潤滑油系統をまとめ、オイルクーラを冷却
するファンと換気用ファンとを兼用したので、オイルク
ーラの個数とファンの個数を減らすことが可能になり、
装置全体をコンパクトにすることができる。

【００２５】次に、このように構成した本実施例の動作
について説明する。図示しないバッテリによりガスター
ビン１が起動される。ガスタービン１が回転起動する
と、ガスタービン１２の回転動力はギヤカップリング１
３Ａを介して減速機の入力軸１４に伝達される。入力軸
１４に伝達された動力は、１〜３段目の円筒歯車列に伝
達されるとともに、各減速段において円筒歯車が取付け
られた補機駆動軸及び中間軸の回転速度は減速される。
減速して低回転速度となった出力軸２３の動力は、カッ
プリング１１を介して横軸ポンプ本体３の駆動軸に伝達
される。横軸ポンプが駆動されると、給水槽８に溜まっ
た雨水等が吐出配管６を経て吐出水槽９に排出される。

【００２６】ところで、従来の減速機ではガスタービン
１から横軸ポンプ本体に動力を伝達する減速機を以下の
構造としていた。つまり、減速機を高速回転軸部と低速
回転軸部とに分け、これら２つの部分をクラッチ等で結
合していた。これは、ガスタービンの出力軸から横軸ポ
ンプ本体の入力軸までに含まれるすべての回転軸を精度
良く心出しして組み立てることが困難であったこと、お
よびガスタービンからクラッチの入力側までに当たる高
速回転軸系と、クラッチの出力軸から横軸ポンプ本体の
入力軸までの低速回転軸系とにおける熱変形の違いに起
因する熱変形誤差を吸収する必要があったこと等によ
る。本実施例においては、ガスタービン側の高速回転側
と出力軸側の低速回転側の間に流体継手を設けたので、
流体継手が軸芯のずれを吸収できる。その結果、高速回
転の歯車列から低速回転の歯車列までを同一の減速機ケ
ーシング内に収容することが可能となり、減速機の軸方
向長さを飛躍的に短縮できた。これにより、従来電動機
で運転されていた横軸ポンプをリプレースする際に、ガ
スタービン駆動の横軸ポンプで置きかえることが可能に
なった。また、流体継手を用いているので、横軸ポンプ
の回転速度制御を容易に行うことができ、ポンプの流量
を可変にできる。

【００２７】本実施例においては、一軸形のガスタービ
ン１をギヤカップリング１３Ａで減速機と結合して一体
化し、さらに、流体継手を用いているので、ガスタービ
ン１２を減速機ケース２４が支持することが可能にな
り、ガスタービンから減速機の出力軸までの距離を短く
できる。この結果、従来電動機駆動の横軸ポンプをリプ
レースする際、軸方向長さが長くてガスタービンに置き
かえるには建屋の改造とを必要としていたが、建屋を改
変すること無く横軸ポンプにガスタービンを使用でき
る。

【００２８】また、複数の補機駆動軸を設け、それらを
各補機に応じた回転速度で運転可能なように円筒歯車を
選択しているので、補機駆動軸からガスタービンや減速
機に必要な補機を駆動できる。さらに、複数の補機駆動
軸の中の少なくとも一つの軸端に油圧モータを設け、こ
の油圧モータが発生した動力または所定の補機駆動軸の
端部に発電機を設け、この発電機の発生した動力を油圧
ポンプや換気冷却ファンの動力に使用できるので、商用
電源を使えない環境下でも横軸ポンプを運転できる。さ
らにまた、複数の中間軸の中の少なくとも１本の軸端を
延長して電動機を接続することにより、工場内での試験
等のガスタービンを使用できない環境でも、横軸ポンプ
本体の性能把握の試験を容易に行える。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ガ
スタービンと減速機を一体型にしたので設置スペースを
小さくでき、電動機駆動等のポンプのリプレースの際に
も、土木構造物や建屋を変更すること無く横軸ポンプを
提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る横軸ポンプを備えるポンプ機場の
一実施例の縦断面図である。

【図２】図１に示したポンプ機場の平面図である。

【図３】図１に示したポンプ機場に用いられるガスター
ビン一体型減速機の平面図である。

【図４】図１に示したポンプ機場に用いられるガスター
ビン一体型減速機の正面図である。

【符号の説明】

１…ガスタービン、２…減速機、３…横軸ポンプ本体、
４…カップリング、５…カップリング、６…吐出配管、
７…建屋、８…給水槽、９…吐出水槽１０…横軸ポンプ
駆動装置、１１…カップリング、１３…出力軸、１４…
入力軸、１５…円筒歯車、１６Ａ〜１６Ｆ…補機駆動
軸、１７Ａ〜１７Ｊ…円筒歯車、１８…流体継手、１９
…円筒歯車、２０Ａ〜２０Ｃ…中間軸、２１Ａ、２１Ｂ
…円筒歯車、２２Ａ、２３Ｂ…円筒歯車、２３…出力
軸、２４…ケース、２５…発電機等の補機、３１…換気
冷却ファン、３２…オイルクーラ、３３…燃焼排気、３
４…換気冷却用吸気、３５…燃焼用吸気、３６Ａ〜３６
Ｅ…潤滑油配管、３７…隔壁、３８…パッケージ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 水越 篤 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 片桐 章 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 吉鶴 睦男 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 片山 正典 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 戸井田 滋 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 大谷 健二 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社日 立製作所産業機械システム事業部内 (72)発明者 丸 三郎 東京都千代田区神田駿河台四丁目６番地 株式会社日立製作所社会システム事業部内 (72)発明者 大塚 幸市 福岡県福岡市早良区百道浜二丁目１番１号 株式会社日立製作所九州支社内 (72)発明者 鹿毛 英樹 福岡県久留米市高野町１丁目２番１号 国 土交通省九州地方整備局筑後川工事事務所 内 (72)発明者 南嶋 哲郎 福岡県久留米市高野町１丁目２番１号 国 土交通省九州地方整備局筑後川工事事務所 内 (72)発明者 原田 毅 福岡県久留米市高野町１丁目２番１号 国 土交通省九州地方整備局筑後川工事事務所 内 (72)発明者 最所 敏明 福岡県久留米市高野町１丁目２番１号 国 土交通省九州地方整備局筑後川工事事務所 内 (72)発明者 大塚 正二 東京都港区赤坂二丁目22番15号 社団法人 河川ポンプ施設技術協会内 Ｆターム(参考） 3J009 DA15 DA17 EA03 EA21 EA35 EA44 FA10

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】出力軸が水平方向に配置された一軸式のガ
   スタービンと、このガスタービンの出力を減速する減速
   機と、この減速機に接続された排水ポンプとを備え、前
   記減速機は、ガスタービンの出力軸に結合される入力軸
   と、この入力軸に取付けられた歯車と噛み合う歯車が設
   けられた複数の補機駆動軸と、この複数の補機駆動軸の
   中の少なくとも１本の補機駆動軸から伝達された動力を
   前記排水ポンプに伝達する複数の中間軸と、この中間軸
   の少なくとも１本の中間軸に設けられた歯車と噛み合う
   歯車を有する出力軸とを有し、前記補機駆動軸に補機を
   接続可能にしたことを特徴とする横軸ポンプ。
2. 【請求項２】前記排水ポンプに動力を伝達する補機駆動
   軸に流体継手の一端を接続し、前記中間軸のなかの１本
   にこの流体継手の他端を接続したことを特徴とする請求
   項１に記載の横軸ポンプ。
3. 【請求項３】出力軸が水平方向に配置された一軸式のガ
   スタービンと、このガスタービンと一体化された減速機
   と、この減速機に接続された横軸の排水ポンプとを備え
   た横軸ポンプにおいて、前記減速機はガスタービンから
   動力が供給される高速回転側と、ポンプに動力を伝達す
   る低速回転側との間に流体継手を有し、前記流体継手
   は、高速回転側と低速回転側のミスアライメントを吸収
   可能であることを特徴とする横軸ポンプ。
4. 【請求項４】前記減速機は下部に潤滑油を溜める潤滑油
   溜りを有し、この潤滑油溜りから前記ガスタービンに潤
   滑油を供給し減速機に戻す油ポンプと、減速機に戻され
   た潤滑油を冷却するオイルクーラと、このオイルクーラ
   に冷却風を送風する冷却ファンとを設け、この冷却ファ
   ンを前記潤滑油溜りに溜められた潤滑油で駆動すること
   により、商用電源を不要としたことを特徴とする請求項
   １または３に記載の横軸ポンプ。
5. 【請求項５】一端側がガスタービンの出力軸に接続さ
   れ、他端側が横軸形の排水ポンプの入力軸に接続され、
   複数段の平歯車減速段を有する横軸ポンプの駆動装置に
   おいて、前記複数の減速段の中でガスタービンの出力軸
   から動力を伝達される高速回転側と、排水ポンプに動力
   を伝達する低速回転側との間に流体継手を配置し、この
   流体継手は高速回転側から低速回転側への熱の伝達を防
   止可能に設けられていることを特徴とする横軸ポンプの
   駆動装置。