JP2004308508A

JP2004308508A - Submergible motor pump and method for operating submergible motor pump

Info

Publication number: JP2004308508A
Application number: JP2003101317A
Authority: JP
Inventors: Hideki Jinno; 秀基神野; Shoichi Kume; 章市久米; Toru Takigawa; 徹滝川; Suguru Abe; 英阿部
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2003-04-04
Filing date: 2003-04-04
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2023-04-04
Also published as: JP4322535B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pump suitable for preceding stand-by operation and capable of facilitating operation, maintenance, and management. <P>SOLUTION: This submergible motor pump is provided with a motor 151 arranged in the water, an impeller 120 rotated by the motor 151 to absorb water in a water tank, and a rotation speed controller 162 for changing rotation speed of the impeller 120 in accordance with a water level in the water tank. Since it is provided with the rotation speed controller, the rotation speed of the impeller can be changed in accordance with the water level in the water tank to stabilize pump operation in accordance with the water level. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立軸ポンプに関し、特に先行待機運転に適する立軸ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から図８に示すように、縦方向に配置された軸の先端に羽根車１２を備え、羽根車１２に水と共に空気を吸い込ませることにより、吸込水槽１の最低運転水位ＬＷＬ以下でも運転を継続することを可能にした立軸ポンプ３があった。このポンプ３では、羽根車１２入口側の吸込管１４に貫通孔１５を設け、貫通孔１５に、外気に開口１６ａした空気管１６を取り付け、最高水位ＨＷＬより低い最低運転水位ＬＷＬ以下で、貫通孔１５を経て流入する空気の流入量を水位に応じて変化させて徐々に排水量を低下するようにしていた。貫通孔１５は、水位ＬＷＬからｈ≒ｖ^２／２ｇだけ低い位置ＬＬＷＬに開けられている。ｖはその部分の水の流速、ｇは重力加速度である。
【０００３】
羽根車１２は、鉛直方向に配置された回転軸１１に固着され、回転軸１１は筒状の吐出ケーシング１５中を鉛直方向上方に延在している。吐出ケーシング１５は最高水位ＨＷＬよりも上方で直角に水平方向に曲がっている。延在する回転軸１１は、この曲管部を上方に貫通して、吐出ケーシング１５の外部に設置されたモータ１７の回転軸に連結されている。羽根車１２はモータ１７により回転駆動される。回転軸１１は軸受１８ａ、１８ｂ、１８ｃで回転可能に支持されている。
【０００４】
このようにして、例えば大都市の雨水排水用として、吸込水位に関係なく降雨情報等により予めポンプを始動しておき、低水位から水位が上昇するときは空運転から水量を徐々に増やしながら全量運転へ、また高水位から水位が低下するときは全量運転から水量を徐々に減らしながら空運転へと、スムーズに運転を移行できるようにしていた。このようなポンプは、先行待機運転用のポンプと言われ、ケーシング下端よりも低い水位ＬＬＬＷＬで始動される（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
実開平３−５６８９５号公報（第１図、第２図、第３図、第５図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上のような従来のポンプでは、モータ１７が水槽１の上方に張られた床上に設置されており、長い回転軸１１を必要としていた。特に、水槽１が深いときは、軸受として、羽根車１２近傍の軸受１８ａ、モータ１７の近傍の軸受１８ｃの他に、回転軸１１の安定した回転を確保するため中間軸受１８ｂを設けなければならなかった。したがって水中及び気中での運転に耐える軸受が必要となり、また軸受の潤滑、空気中での冷却等への配慮が必要となる。このように、ポンプの構造が複雑であり、運転や維持管理に手間がかかるという問題があった。
【０００７】
そこで本発明は、先行待機運転に適した、運転や維持管理の容易なポンプを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による水中モータポンプは、例えば図１に示されるように、水中に配置されるモータ１５１と；モータ１５１により回転され、水槽内の水を吸い込む羽根車１２０と；羽根車１２０の回転速度を前記水槽の水位に応じて変化させる回転速度制御装置１６２とを備える。また典型的には、羽根車１２０の上流側に配置され、羽根車１２０に向けて前記水を流す吸込管１３２を備える。
【０００９】
このように構成すると、水中に配置されるモータを備えるので、運転や維持管理の容易なポンプを提供することができ、回転速度制御装置を備えるので、羽根車の回転速度を水槽の水位に応じて変化させることで、ポンプの運転を安定させることができる。
【００１０】
また請求項２に記載のように、請求項１に記載の水中モータポンプでは、前記水槽の水位を検出し、検出信号を回転速度制御装置１６２に伝える水位検出器１６３を備えるようにしてもよい。
【００１１】
このように構成すると、水位検出器を備えるので、回転速度制御装置で回転速度を変化させるにあたって、必要な水位を検出することができる。
【００１２】
また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の水中モータポンプでは、モータ１５１は交流電動機であり、該交流電動機に供給される交流電源の周波数を変換するインバータ１６２を備えるようにしてもよい。
【００１３】
このように構成すると、インバータを備えるので、周波数を変換し、ひいてはモータの回転速度を容易に変化させることができる。
【００１４】
前記目的を達成するために、請求項４に係る発明による水中モータポンプは、例えば図７に示されるように、水中に配置されるモータ１５１と；モータ１５１により回転され、水槽内の水を吸い込む羽根車１２０と；羽根車１２０の上流側に配置され、羽根車１２０に向けて前記水を流す吸込管１３２と；吸込管１３２に形成された空気吸込口１１６ａに一端が接続され、空気吸込口１１６ａよりも高い位置に他端が開口１１６ｂする空気管１１６とを備える。
【００１５】
このように構成すると、吸込管に形成された空気吸込口に一端が接続され、空気吸込口よりも高い位置に他端が開口する空気管を備えるので、水位に応じて空気吸込口から、空気を吸い込むことができ、気水混合運転が可能となる。それにより空気吸込渦の発生を抑制できる。
【００１６】
このとき、空気管の他端の開口位置は、典型的には水槽の最高水位よりも上方である。このように構成すると、空気管から水中の異物を吸い込んでしまうのを防止できる。水中モータポンプは典型的には立軸ポンプである。空気吸込口は複数とするのが好ましい。複数の空気吸込口は吸込管の周方向に等配とするのが好ましい。
【００１７】
また請求項５に記載のように、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の水中モータポンプでは、モータ１５１は、回転子１５２を外部から封止するモータケーシング１５７と；回転子１５２を回転させる回転軸１２１と；モータケーシング１５７の回転軸１２１の貫通部に設けられた軸封装置１５６と；モータケーシング１５７の内部に設置され、モータ１５１の回転子１５２を回転可能に支持する転がり軸受１５４、１５５とを有するようにしてもよい。
【００１８】
このように構成すると、モータは、回転子を外部から封止するモータケーシングと、回転子を回転させる回転軸と、モータケーシングの回転軸の貫通部に設けられた軸封装置を備えるので、モータを乾式に構成することができる。
【００１９】
また請求項６に記載のように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の水中モータポンプでは、モータ１５１と羽根車１２０とは一体となりモータ羽根車組立体１０１を構成し；モータ羽根車組立体１０１を収納する、鉛直方向に配置される円筒状の外部ケーシング１３１を備え；モータ羽根車組立体１０１には外部ケーシング１３１に嵌合する嵌合座１２４ｂが形成され、外部ケーシング１３１には嵌合座１２４ｂを受ける受け座１３６が形成されているようにしてもよい。典型的には、嵌合座と受け座が合体すると、モータ羽根車組立体と外部ケーシングとの芯が合うように構成されている。
【００２０】
このように構成すると、嵌合座と受け座を備えるので、モータ羽根車組立体と外部ケーシングとの組立が容易となる。
【００２１】
また請求項７に記載のように、請求項６に記載の水中モータポンプでは、吸込管１３２は外部ケーシング１３１に取り付けられるようにしてもよい。
【００２２】
前記目的を達成するために、請求項８に係る発明による水中モータポンプの運転方法は、例えば図４に示されるように、水中に配置されるモータにより回転され水槽内の水を吸い込む羽根車を有する水中モータポンプの運転方法であって；前記水槽の水位を検出する工程Ｓ２と；前記検出した水位が、前記ポンプが水を吸い上げなくなる水位であるエアロック水位以下のとき（Ｓ４）最低回転速度（２０％）で運転し（Ｓ７）、前記検出した水位が、前記エアロック水位より高く且つ前記水中モータポンプの最低運転水位以下のとき前記最低回転速度と前記水中モータポンプの１００％回転速度との中間の回転速度で運転し（Ｓ５）、前記検出した水位が、前記最低運転水位よりも高いとき１００％の回転速度で運転する（Ｓ３）。水中モータポンプは、典型的には、前記羽根車の上流側に配置され前記羽根車に向けて前記水を流す吸込管を有する。
【００２３】
また請求項９に記載のように、請求項８に記載の水中モータポンプの運転方法では、前記モータは交流電動機であり、前記エアロック水位を前記モータの電流値と力率に基づいて検知するようにしてもよい（Ｓ６）。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号あるいは類似符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２５】
図１の断面図を参照して、本発明の第１の実施の形態である立軸ポンプを説明する。図１（ａ）に示す水中モータポンプ１００は、先行待機運転用のポンプである。
【００２６】
先行待機運転とは雨水がポンプ吸水槽に流入する前にあらかじめポンプを始動し、水位（Ｌｅｖｅｌ）Ｌの上昇にしたがって排水を始め、水位が低下してもポンプを停止させずに運転することである。排水を始めても、水中モータポンプ１００は、空気吸込渦を発生しないよう、回転速度を調節する。
【００２７】
図１を参照して水中モータポンプ１００の構造を説明する。水中モータポンプ１００は、鉛直方向に配置される円筒状の吐出ケーシング本体１３１を備え、吐出ケーシング本体１３１下端に吸込管としての吸込ベルマウス１３２が取り付けられている。吸込ベルマウス１３２の上端部には円板状の出口フランジ部１３２ａが形成されており、出口フランジ部１３２ａの外周は、円筒状の吐出ケーシング本体１３１の下端に密封的に固定されている。出口フランジ部１３２ａの内側には、吸込ベルマウス１３２の壁に沿って、後述のライナーケーシングと突き合わされる突合部１３２ｂが形成されている。突合部１３２ｂは、出口フランジ部１３２ａの面から僅かに盛り上がっている。
【００２８】
出口フランジ部１３２ａと吐出ケーシング本体１３１の下端との密封的な固定構造を図２の部分断面図を参照して具体的に説明する。
（ａ）の例では、吐出ケーシング本体１３１は鋼製の円筒状のケーシングとして構成されており、その下端には水平方向の鋼製のフランジ１３１ｂが溶接で取り付けられている。フランジ１３１ｂにフランジ１３２ａがボルトで固定される。
（ｂ）の例では、吐出ケーシング本体１３１が鋳鉄製であり、フランジ１３１ｂが吐出ケーシング本体１３１と一体で鋳造されている。そして、フランジ１３１ｂにフランジ１３２ａがボルトで固定される点は（ａ）と同様である。
（ｃ）の例では、吐出ケーシング本体１３１と吸込管１３２とが鋳鉄の一体構造となっている。したがって、前記フランジ１３１ｂとフランジ１３２ａの部分も含めて、全体が一体で構成されている。
【００２９】
吐出ケーシング本体１３１の内部には、吸込ベルマウス１３２の上方に、ライナケーシング１２３とガイドベーンケーシング１２４が配列されている。ライナケーシング１２３とガイドベーンケーシング１２４とは水平方向のフランジで締結されている。吐出ケーシング本体１３１、吸込ベルマウス１３２、ライナケーシング１２３、ガイドベーンケーシング１２４が、広い意味のケーシング１３０を構成している。
【００３０】
図１（ｂ）の部分断面図に示すように、ガイドベーンケーシング１２４の外周には、円環状の嵌合座１２４ｂが形成されている。嵌合座１２４ｂには、逆円錐台形状に形成されたテーパ状の嵌合座面１２４ａが形成されている。
【００３１】
外部ケーシングとしての吐出ケーシング本体１３１の内面には、円環状の受け座１３６が形成されている。受け座１３６には、嵌合座１２４ｂの嵌合座面１２４ａと嵌合するように、テーパ状の受け座面１３６ａが形成されている。
【００３２】
円筒状の吐出ケーシング本体１３１の中心軸線に一致するように、縦方向（鉛直方向）に回転軸１２１が配設され、回転軸１２１の下方先端にオープン型の羽根車１２０が取りつけられている。羽根車１２０の外周（オープン羽根の先端）と僅かな隙間をもってライナケーシング１２３が羽根車１２０を収納している。水中モータポンプ１００は、立軸の斜流ポンプ又は軸流ポンプである。また羽根車１２０の吐出側にはガイドベーン１２２が配設されている。ガイドベーン１２２は、ガイドベーンケーシング１２４と一体に形成されている。
【００３３】
先行待機運転用のポンプとしては、不図示の軸流ポンプが用いられることもある。軸流ポンプは、吐出ヘッドに対して流量が比較的大きい場合に適する。
【００３４】
ガイドベーン１２２の鉛直方向上方には、羽根車１２０を回転させる電動モータ１５１が配置される。本実施の形態では、電動モータ１５１の回転軸は、羽根車１２０の回転軸１２１と共通の軸である。
【００３５】
電動モータ１５１は、乾式モータであり、内部を外部から封止密閉し、水が内部に侵入しないように、モータケーシング１５７で全体が囲われている。モータケーシング１５７の下部には、回転軸１２１の貫通部があり、この貫通部には軸封装置としてのメカニカルシール１５６が設けられている。
【００３６】
メカニカルシール１５６とモータケーシング１５７とで密封された内部には、回転軸１２１に固着された回転子１５２、回転子１５２と僅かな隙間をもってその外周に配置された固定子１５３及び回転軸１２１を回転可能に支持する下部軸受１５４と上部軸受１５５が収納されている。
【００３７】
固定子１５３は、モータケーシング１５７に固定されている。下部、上部の軸受１５４、１５５は、給油を必要としない潤滑剤封入型の軸受とするのが好ましい。本実施の形態では、グリースを封入した転がり軸受を使用している。羽根車１２０は、モータ１５１と共通の回転軸１２１に取り付けられているので、軸受は、２つの転がり軸受１５４、１５５で済む。特に、スラスト荷重（羽根車１２０、回転軸１２１、回転子１５２を含む回転体の重量と羽根車１２０にかかる流体力）も受けられるように、転がり軸受１５４、１５５の少なくとも一方をアンギュラーコンタクト型のボール軸受とするとよい。
【００３８】
モータケーシング１５７の上部からは、モータ駆動用の電源ケーブルが引き出されている。ケーブル引き出し部は水がモータの内部に侵入しないようにシールされている。
【００３９】
吐出ケーシング本体１３１は、前述のように回転軸１２１と中心軸線を同一とする円筒状の缶胴部分からなり、缶胴部分の下端は吸込ベルマウス１３２とその出口フランジ部で蓋がされている。缶胴部分の上端は、吐出ケーシング上蓋１３４で蓋がされている。吐出ケーシング上蓋１３４は円板であり、吐出ケーシング本体１３１の缶胴部分の上端に取り付けられたフランジに締結されることにより、吐出ケーシング本体１３１の缶胴部分を蓋している。
【００４０】
吐出ケーシング本体１３１には、据え付け用の吐出ケーシング据付座１３５が取り付けられており、該据付座で据付台であるコンクリート製の床１７１に据え付けられている。コンクリート製の床は、ポンプ機場基礎でもある。吐出ケーシング本体１３１の、ケーシング据付座１３５と、上蓋で蓋をされた上端のフランジとの間には、水平方向に吐出管が導出され、該吐出管には吐出フランジ１３３が取りつけられており、フランジ１３３により、不図示の吐出配管と接続されている。吐出配管は雨水を河川や海等に導いて排出するための配管である。
【００４１】
羽根車１２０は、後述の最低水位ＬＷＬよりも下方に配置されている。羽根車１２０の本体部分全体、又は少なくともその一部、特にそこまで水位があれば羽根車１２０が水を吸い上げる先端部が最低水位ＬＷＬよりも下方に配置されている。
【００４２】
次にポンプ１００の高さ方向の構造と水位の関係を説明する。水位ＨＷＬは前述のように、水槽の許容水位である。水位Ｌがこれ以上に上昇することはない。その下方に最低水位ＬＷＬがある。これは、ポンプ固有の値であり、水位がこれ以下になると何らかの問題が起こりポンプの運転が継続できなくなる水位である。典型的には、それ以下では吸込管１３２の下端から渦状に空気を吸い込み（図７（ｂ）参照）、振動や騒音が発生し運転が継続できなくなる水位Ｌｃと一致する。これはポンプ固有の値であり、羽根車１２０の回転速度が全速のままであるとき水位が最低水位ＬＷＬ（Ｌｃ）を下回ると運転の継続が困難になる。本実施の形態では、後述のように羽根車１２０の回転速度を調節することにより、低水位での運転を可能にしている。しかし水位ＬＷＬは渦状の空気吸込以外の条件で定まる場合もある。
【００４３】
設計上の最低水位Ｌｄ（ＤｅｓｉｇｎＬｅｖｅｌ）は、水位ＬＷＬと少なくとも等しく、通常はそれよりも高くなるようにする。設計上の最低水位Ｌｄは、吸込管１３２の下端から吸込管の内径に対して所定の係数を乗じて簡易的に求めている。係数は例えば、１．１とする。設計値はある程度の余裕を有しており、実機の回転速度を変えずに水位を低下させて行った場合、設計的に定めた最低水位Ｌｄを多少下回っても運転は可能である。
【００４４】
設計上の最低水位Ｌｄ乃至は最低水位ＬＷＬの下方には、羽根車２０の吸込開始水位ＳＬＷＬがある。この水位は、羽根車１２０の先端部分の水位に相当する。低い水位から水位が上昇して、羽根車１２０が水に接すると、気水攪拌が開始され間もなく水が吐出されるからである。
吸込ベルマウス１３２の先端の水位を水位Ａ２とする。
【００４５】
水中モータポンプ１００には、水位検出器１６３が備えられている。本実施の形態ではディスプレースメント型の水位検出器を用いている。この水位検出器は、最高水位ＨＷＬよりも上方に設置される発信器１６３ａと、発信器１６３ａに接続され発信器１６３ａから鉛直方向に吊り下げられた一様な断面積を有する棒１６３ｂを含んで構成されている。棒は典型的には丸棒である。ディスプレースメント型の水位検出器１６３では、水位によって棒１６３ｂが排除する水の量が変わり、それに応じて発信器１６３ａにかかる荷重が変化する。荷重の変化が棒１６３ｂの先端からの水位に比例するので、荷重を検出することにより水位を知ることができる。
【００４６】
一方電動モータ１５１は交流電動機であり、電動モータ１５１にはインバータ１６２を介して電源１６１から電力が供給される。インバータ１６２は、制御装置１６４の制御信号により電動モータに供給する交流電力の周波数を変換する。
【００４７】
発信器１６３ａが発信する荷重に応じた信号、すなわち水位に応じた信号は、制御装置１６４に送信される。制御装置は受信信号に応じて、インバータ１６２の出力電流の周波数を調節する。即ち、水位に応じて電動モータ１５１の回転速度を調節する。
【００４８】
図３の回転速度・水位線図を参照して、また随時図１を参照して、第１の実施の形態の作用を説明する。先ず水位がＡ２よりも低い状態で水中モータポンプ１００を始動する。例えばこのポンプが据え付けられた機場周辺で、又は該機場に雨水が流入する地域で大雨が降ったとの降雨情報が入った場合等には、ある時間の後に水位が急に上昇することが予測される。そのような場合に、水位がＡ２よりも下の状態で、先行待機運転用の水中モータポンプ１００が始動される。先行待機運転の開始である。このときの電動モータ１５１、ひいては羽根車１２０の回転速度は、定格速度を１００％としたとき、２０％の速度である。
【００４９】
雨水の流入により水槽内の水位Ｌが上昇し、吸込ベルマウス１３２の下端水位Ａ２を越える。このときも、まだ水は吸い上げられない。羽根車１２０は２０％の回転速度で空転している。
【００５０】
水位Ｌがさらに上昇して、水位ＳＬＷＬの手前まで、いわば水位Ａ２と水位ＳＬＷＬとの間の水位ＬＬＷＬまで到達したところで、その水位を検出した水位検出器１６３からの信号により、制御装置１６４がインバータ１６２の出力周波数を上昇させ羽根車１２０の回転速度を仮に５０％とする。これは水が吸い込まれる少し手前で回転速度を上昇させることを意味する。水位ＬＬＷＬの値を予め制御装置１６４に設定しておく。
【００５１】
水位Ｌがさらに上昇し、水位ＳＬＷＬに達したところでポンプ１００は気水攪拌を開始する。そして水を吸い込み始める。このときは、ポンプは１００％の回転速度で運転されていないので、ポンプ１００の吐出量は要項点の全水量吐出量よりも少ない。
【００５２】
さらに水位Ｌが上昇し、水位ＬＷＬ（Ｌｄ）に達すると、制御装置１６４はポンプの回転速度を１００％とする。水量は全水量吐出量となるが、既に説明したように、この水位では水槽の水面から空気が渦状になって吸込ベルマウス１３２下端から吸い込まれることはない。ここに到ると、要項点の全水量を吐出することになり、定常運転に入る。
【００５３】
さらに水位が、水位ＬＷＬと水位ＨＷＬの間の水位まで上昇して、ポンプ１００は定常運転を継続する。その後、ポンプ１００の排水により今度は水位Ｌが低くなってゆくと、水位ＬＷＬで（多少のヒステレシスはあるが）ポンプ１００の回転速度は５０％に落とされる。さらに水位Ｌが低下して、ＬＬＷＬになると（多少のヒステレシスはあるが）回転速度は２０％に落とされる。水位ＬＬＷＬでは、水の吸い込みが終わり、羽根車１２０は空気中で運転される空運転状態になる。即ち、ポンプ１００は全く水を吸い込まないエアロック状態となる。水位ＬＬＷＬは、排水停止水位であり、水位ＳＬＷＬとＡ２との間の適切な水位に機場毎に設定する。
さらに水位Ｌが下がり、Ａ２を越えても羽根車１２０は空気中で運転が継続される。すなわち空運転状態を継続する。言いかえれば、ポンプ１００が全く水を吸い込まないエアロック状態が継続する。
【００５４】
回転速度を２０％から５０％に上昇させ、また５０％から２０％に落とす水位をＬＬＷＬとしたが、水位上昇時と降下時の水位差を単なるヒステレシス程度のものではなく、もっと大きくとってもよい。即ち、水位上昇時にはＳＬＷＬの少し手前（低水位側）とし、水位降下時にはＳＬＷＬよりもかなり低い確実にエアロックに入る水位として、ＳＬＷＬとＡ２との間とするとよい。特に、吸込ベルマウス１３２の長さが比較的短いときには、Ａ２近傍で僅かにＡ２よりも高い水位としてもよい。
【００５５】
水位とポンプの回転速度との関係を整理すると以下の通りである。
水位ＨＷＬとＬＷＬ（Ｌｄ）の間の通常運転では、ポンプの回転速度は１００％とする。
水位ＬＷＬとＬＬＷＬの間では、本実施の形態では５０％としたが、８０〜４０％の間の所定の回転速度で運転される。この回転速度は、ポンプの揚水量は通常運転の場合よりも少ないが、モータ１５１を冷却するに十分な水量を得られるような値とする。
【００５６】
水位ＬＬＷＬより低水位では、本実施の形態では２０％としたが、４０％〜１０％の間の所定の回転速度で運転される。１０％より低速度とすると、電動モータのトルク変動率が大きくなるので、それを避けるため１０％以上とする。好ましくは１５％以上、さらに好ましくは１８％以上、２０％前後とするのがよい。この状態では、ポンプ１００は揚水しないので、電動モータ１５１の負荷は微小であり、且つ回転速度も低いので電動モータ１５１の温度上昇は緩やかである。
【００５７】
エアロック運転の回転速度を４０％よりも高くすると、確実にはエアロック運転に入らない可能性がある。したがって、３０％以下とするのが好ましく、さらに好ましくは２５％以下とするとよい。
【００５８】
エアロック運転が一定の時間以上続く場合には、ポンプ１００を停止する。この停止はタイマーにより行うのがよい。タイマーの設定値は例えば１０分とする。但し、降雨情報により水槽への雨水の流入が増加しないと予測できる場合は、その情報に従って、タイマーの設定にかかわらずもっと短い時間で停止してもよい。
【００５９】
エアロック状態を検出する際の、水位検知器が故障したときのバックアップとして、電動モータ１５１への電流値を用いてもよい。すなわち、エアロック状態では無負荷運転なので電流値は相対的に小であり、それ以外では負荷があるので電流値が相対的に大である。このことを利用して、エアロック状態を検出する際のバックアップとする。
【００６０】
以上の説明では、水位検出器はディスプレースメント型として説明した。この型では、棒１６３ｂの長さを長くすることにより水位検出の範囲を広くとることができるという利点がある。しかし、これに限らず、フロート式、電気接点式、水圧により間接的に水位を検出する圧力検出式の水位検出器であってもよい。また、超音波、レーザー等を利用した距離検知装置であってもよい。
【００６１】
回転速度制御に用いるインバータ１６２は、Ｖ／Ｆ方式、センサレルベクトル制御方式とするとよい。また回転速度制御には、インバータの他、流体継手を用いてもよい。
【００６２】
以上の実施の形態では、回転速度は０％、２０％、５０％、１００％とステップ状に変化させるものとして説明したが、これに限らず水位に応じて無段階に調節してもよい。その場合、０％から下限の回転速度（以上の実施の形態では２０％）まではステップ状に変化させ、水位ＬＬＷＬから水位ＬＷＬ（あるいは多少余裕を持たせて水位ＬＷＬよりも多少高い水位）の間で、下限回転速度（２０％）から１００％回転速度を無段階に変化させるとよい。
【００６３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、減速起動が可能であるので、全速起動と違って起動時の過渡的振動の抑制を図ることができ、始動電流の低減も可能である。
【００６４】
図１の断面図に戻って、吐出ケーシング本体１３１とモータ羽根車組立体１０１との関係を説明する。第１の実施の形態の水中モータポンプでは、ガイドベーン１２２とガイドベーンケーシング１２４とは一体で鋳造されている。ガイドベーンケーシング１２４は、外部ケーシングと内部ケーシングとからなり、その両者の間にガイドベーン１２２が形成されている。また本実施の形態では、ガイドベーンケーシング１２４の内部ケーシングの一部は、モータケーシング１５７の一部を構成している。またはモータケーシング１５７の一部と共通であるといってもよい。
【００６５】
ガイドベーンケーシング１２４の内部ケーシングの上端とモータケーシング１５７とはボルトで締結されている。その結果、電動モータ１５１とガイドベーン１２２とガイドベーンケーシング１２４とは一体構造となっている。さらに前述のように羽根車１２０はモータと共通の回転軸１２１に取り付けられているので、電動モータ１５１と羽根車１２０とは一体に組み立てられ、モータ羽根車組立体１０１を構成している。
【００６６】
図１（ｂ）を参照して説明したように、嵌合座１２４ｂが受け座１３６に嵌合するので、モータ羽根車組立体１０１は外部ケーシングである吐出ケーシング本体１３１に収納され、モータ羽根車組立体１０１は吐出ケーシング本体１３１の中心と芯が合う。また嵌合座１２４ｂの嵌合座面１２４ａが受け座１３６の受け座面１３６ａに嵌合して密着するので、モータ羽根車組立体１０１の自重により安定した姿勢を保つことができる。
【００６７】
羽根車１２０の回転方向の反力には、嵌合座１２４ｂと受け座１３６（嵌合座１２４ｂの嵌合座面１２４ａと受け座１３６の受け座面１３６ａ）の間の摩擦力で抗することができ、モータ羽根車組立体１０１が自転することはない。しかしながら、自転を確実に防止するために、回転防止部を設けるとよい。
【００６８】
図１（ｃ）のＡ−Ａ断面図に示すように、回転防止部として、ガイドベーンケーグ１２４に半径方向に突出した突起である回転防止板１２４ｃを形成する。また、回転防止板１２４ｃに当たるように、吐出ケーシング本体１３１の内側に半径方向に突出した突起であるストッパ１３１ａを形成する。ストッパ１３１ａは、周方向に複数設けるとよい。回転防止板１２４ｃは１箇所でもよい。
【００６９】
逆に、ストッパ１３１ａを１個とし、回転防止板１２４ｃを周方向に複数設けてもよい。このようにすると、ガイドベーンケーシング１２４が鋳物のときは、外周に突起を複数もうけても手間はあまり変わらず、吐出ケーシング本体１３１が鋼管であるとき、ストッパ１３１ａを溶接で取り付ける手間が省ける。したがって製造が容易となる。
【００７０】
モータ羽根車組立体１０１を吐出ケーシング本体１３１に収納するときは、吐出ケーシング上蓋１３４を取り外し、その結果開放される吐出ケーシング本体１３１の開口から鉛直方向下方にモータ羽根車組立体１０１を吊り下げて吐出ケーシング本体１３１に収納する。そのとき吸込ベルマウスの出口フランジ突合せ面１３２ｂと、ライナケーシング１２３の下端とが僅かな隙間をもって対向して合わさる。
【００７１】
いわばモータ羽根車組立体１０１は、内部構造の出し入れが容易なプルアウト構造をもって吐出ケーシング本体１３１に収納されている。したがって、電動モータ１５１や羽根車１２０の点検、これら交換時の分解、組立作業の省力化を図ることができる。分解、組立の際、ポンプ１００全体を吊り上げる必要がなく、内部構造だけを吊り上げればよいので、クレーン容量の低減も可能である。
【００７２】
本実施の形態によれば、電動モータ１５１が通常運転では水中に没する構造であるが、グリス封入型の転がり軸受１５４、１５５を使用しているので、水中部の軸受への給油や給水が不要であり、維持管理が容易である。また電動モータ１５１と羽根車１２０が共通な回転軸１２１を有するので、軸の長さを従来例と比較して短くできる。またハイドロ部品（羽根車１２０、ライナケーシング１２３、ガイドベーン１２２）を一体に組み立てるので、羽根車１２０とライナケーシング１２３との隙間を小さくでき、ポンプ効率の向上を図ることができる。
【００７３】
水槽が深く吐出ケーシング本体１３１が長くなるときは、不図示のステーを吐出ケーシング本体１３１の下部に取り付けて、それを吸込水槽床面１７２に固定するとよい。
【００７４】
図４のフロー図を参照して、本発明の第２の実施の形態である、水中モータポンプの運転方法を説明する。まず、水中モータポンプを起動する（Ｓ１）。ポンプは、回転する羽根車により水槽内の水を吸い込む。また水位検出器のより水槽の水位を検出する。
【００７５】
検出した水位Ｌが、設定値ＨＨ以上かを判断する（Ｓ２）。設定値ＨＨは、図１でＬｄ（ＬＷＬ）に相当する水位である。すなわちその水位で運転しても、ポンプが問題なく運転できる水位である。即ち水位Ｌｃに多少の余裕をもって定めた水位である。
【００７６】
水位Ｌが設定値ＨＨ以上のとき（Ｓ２がＹＥＳ）は、回転速度１００％で運転する（Ｓ３）。水位Ｌが設定値ＨＨより低いとき（Ｓ２がＮＯ）は、さらに水位Ｌが設定値ＬＬ以上かを判断する（Ｓ４）。設定値ＬＬは、図１でＬＬＷＬに相当する水位である。すなわちその水位で回転速度を２０％に落とせば、水を吸い上げなくなる水位、すなわちエアロックする水位である。
【００７７】
水位Ｌが設定値ＬＬ以上のとき（Ｓ４がＹＥＳ）は、回転速度５０％で運転する（Ｓ５）。水位Ｌが設定値ＬＬより低いとき（Ｓ４がＮＯ）は、さらに電動モータに流れる電流が設定値ＬＬＣ以上かを判断する（Ｓ６）。電流の設定値ＬＬＣは、ポンプの軸動力カーブとモータ性能カーブから適切な値として設定する。
【００７８】
電流が設定値ＬＬＣ以上のとき（Ｓ６がＹＥＳ）は、回転速度２０％で運転する（Ｓ７）。このときは、ポンプはエアロックして空転をする。電流が設定値ＬＬＣより低いとき（Ｓ６がＮＯ）は、ポンプを停止する（Ｓ８）。水位が設定値ＬＬよりも低く、且つ電流が設定値ＬＬＣ以上である場合は、２０％の回転速度で運転を継続する。水位が設定値ＬＬよりも低く、且つ電流が設定値ＬＬＣよりも低いときはポンプを停止する。電流による停止はバックアップ用であり、電流によらずにタイマ又は手動による停止をしてもよい。
【００７９】
いずれの回転数で運転しているときも水位Ｌを検出し、水位Ｌの値にしたがって前記のような判断を行い、ポンプをしかるべき回転速度で運転をする。または停止する。
【００８０】
次に図５のフロー図を参照して、本発明の第３の実施の形態である、水中モータポンプの運転方法を説明する。まず、水中モータポンプを起動する（Ｓ１１）。ポンプは、１００％の回転速度で回転する羽根車により水槽内の水を吸い込む（Ｓ１２）。また電流計により、ポンプを駆動する電動モータの電流を検出する。
【００８１】
検出した電流値Ｃが、設定値ＨＨＣ以上かを判断する（Ｓ１３）。電流値Ｃが設定値ＨＨＣ以上のとき（Ｓ１３がＹＥＳ）は、そのまま回転速度１００％の運転を継続し、電流値Ｃの監視を続ける。
【００８２】
電流値Ｃが設定値ＨＨＣより低いとき（Ｓ１３がＮＯ）は、電動モータへの電力の力率ＰＦが設定値ＨＰＦ以上かを判断する（Ｓ１４）。設定値ＨＰＦは、ポンプの軸動力カーブとモータ性能カーブから適切な値として設定する。
【００８３】
力率ＰＦが、設定値ＨＰＦ以上のとき（Ｓ１４がＹＥＳ）は、ポンプの回転速度を５０％とする（Ｓ１５）。その回転速度での運転時間を監視する（Ｓ１６）。その運転時間が所定の時間（タイマーを使うときはその設定値）以下のときは、回転速度５０％の運転を継続し、所定の時間を越えたら起動直後のプロセスに戻り、ポンプの回転速度を１００％とする（Ｓ１２）。
【００８４】
ステップＳ１４で、力率が設定値ＨＰＦよりも小さいとき（Ｓ１４がＮＯ）は、回転速度を２０％とする（Ｓ１７）。このときは力率の監視を継続し（Ｓ１４）、力率ＰＦの値にしたがって、対応する回転速度で運転する（Ｓ１５又はＳ１７）。
【００８５】
次に図６の時間経過図を参照して、本発明の実施の形態の水中モータポンプの運転態様を、時間経過と水位の変化に沿って説明する。（ａ）〜（ｄ）は、時間経過とともに水位が低水位から高水位を経て再び低下するとき、本発明の実施の形態である１台の水中モータポンプがどのような運転をされるかを示す。
【００８６】
図６（ａ）は、水位がポンプの吸込ベルマウスの下端よりも低い場合である。このときポンプを始動する。回転速度は２０％である。水位が吸込ベルマウスの下端と羽根車先端の水位との中間の水位ＬＬＷＬ１に到るまでは、回転速度２０％の運転を継続する。水位ＬＬＷＬ１は、羽根車先端の水位ＳＬＷＬ（図１）よりも、僅かに低い水位に設定するとよい。
【００８７】
図６（ｂ）は、水位がＬＬＷＬ１を越え、ＬＷＬよりも低い場合である。水位がＬＬＷＬ１を越えたところで、回転速度を５０％に上げる。ポンプは中間吐出量の運転になる。
【００８８】
図６（ｃ）に示すように、水位がＬＷＬを越えると、回転速度を１００％に上げる。ここで全水量運転に入る。水位がＬＷＬを越えているので、ポンプは渦状に空気を吸い込むことなく、１００％回転速度の運転を継続できる。
【００８９】
図６（ｄ）に示すように、再び水位が低下してＬＷＬを下回ると回転速度は５０％に下げられる。水位がＬＬＷＬ１よりも低くＡ２よりも高いところに設定された水位ＬＬＷＬ２までは、この運転を継続する。
【００９０】
水位がさらに低下しＬＬＷＬ２を下回ると、（ａ）に示すように回転速度を２０％にして、エアロックを生じさせ気中運転に入る。
【００９１】
図７の模式的断面図を参照して、本発明の第４の実施の形態の水中モータポンプを説明する。ポンプの本体部分の構造は第１の実施の形態と同様である。
【００９２】
図７（ａ）に示す本実施の形態の水中モータポンプ１１０は、回転数制御をせずに全速先行待機運転の可能なポンプである。要項点水量を吐出せずに運転を可能とするため、回転速度を下げるのではなく、水と一緒に空気を吸い込ませる。
【００９３】
図を参照して立軸の水中モータポンプ１１０の構造を説明する。ポンプ１１０では、羽根車１２０の先端よりも下方の吸込ベルマウス１３２の壁で、鉛直方向の円筒状部分に、吸気口１１６ａが形成されている。吸気口１１６ａの鉛直方向の位置は、第１の実施の形態で説明した、水位ＬＬＷＬ、特にＬＬＷＬ２に相当する位置である。吸気口１１６ａは１個であってもよいが、複数例えば４本を、周方向に等配とするとよい。
【００９４】
吸気口１１６ａには、外側に空気管１１６の一端が接続されている。空気管１１６は吸気口１１６ａに１対１で設けてもよいし、複数の吸気口をマニホ−ルドにまとめて、そこに１本を設けてもよい。
【００９５】
吸気口１１６ａの上側の水位をＡ１とする。後述のように空気を吸い込む水位は水位Ａ１を基準にして定まる。
【００９６】
空気管１１６の他端（上端）１１６ｂは、水槽１内の最高水位ＨＷＬよりも上方に開放するのが好ましい。このときは、空気管１１６の他端１１６ｂが水中に没することはない。したがって、他端１１６ｂから水中に浮遊する異物が吸い込まれることが防止できる。さらに他端１１６ｂは、水槽の内部（床１７１（図１参照）よりも下方）に位置するように構成するとよい。このようにすると、水槽内の異臭を維持管理者が居る可能性のある床上に放散させることを防止できる。
【００９７】
吸込開始水位ＳＬＷＬの下方には、吸気口水位Ａ１がある。水位Ｌが低下して、水位ＬＷＬに到ると、水位Ｌよりも負圧分ｈだけ低い空気管１１６中の水位がこの水位Ａ１になり、空気管１１６を通して吸込ベルマウス１３２に空気が吸い込まれ始める。
【００９８】
さらに図７を参照して、水中モータポンプ１１０の作用を説明する。先ず水位がＡ２よりも低い状態でポンプ１１０を始動する。ある時間の後に水位が急に上昇することが予測されるときである。先行待機運転の開始である。
【００９９】
雨水の流入により水槽内の水位Ｌが上昇し、吸込ベルマウス１３２の下端水位Ａ２を越える。水位が水位Ａ１を越えても、まだ水は吸い上げられない。羽根車１２０は空転している。
【０１００】
水位Ｌがさらに上昇して、水位ＳＬＷＬまで到達したところで、羽根車１２０は気水攪拌を開始する。そして水を吸い込み始める。このときは、空気管１１６を通し、吸込ベルマウス１３２内に、水と一緒に空気も吸い込むのでポンプは要項点の全水量吐出の運転ではない。即ち、ポンプ１１０は気水混合運転をしている。さらに水位Ｌが上昇すると徐々に吸込空気量は減少し、代わりに水量が増加する。やがて水位Ｌが水位ＬＷＬまで上昇すると空気の吸込量がゼロになり、（そのときのＱＨカーブ（水量水頭カーブ）上のＨ次第であるが）要項点の全水量を吐出するに至る。即ち、定常運転に入る。
【０１０１】
さらに水位が、水位ＬＷＬと水位ＨＷＬの間の水位まで上昇して、ポンプ１１０は定常運転を継続する。その後、ポンプ１１０の排水により今度は水位Ｌが低くなってゆくと、水位ＬＷＬで（空気管１１６中の水位が吸気口水位Ａ１に到るので）空気管１１６を通して空気を吸い込み始める。即ち、再び気水混合運転が開始される。水位Ｌが低下するにつれて吸込空気量が増えて、代わりに水量が減ってゆく。さらに水位Ｌが下がり、水位Ａ１付近になると水の吸い込みが終わり、羽根車１２０は空気中で運転される空運転状態になる。即ち、ポンプ１１０は全く水を吸い込まないエアロック状態となる。
【０１０２】
エアロック水位は、通常は吸気口１１６ａの高さである水位Ａ１と一致または近傍となるように設計はするが、必ずしも一致するとは限らない。水位がＡ１を通過してさらに下がったところで、または吸込ベル１３２の下端水位Ａ２に至ると水量はゼロになる場合もある。本実施の形態では、エアロック水位は水位Ａ１とほぼ一致するものとし、この水位で水量がゼロになるものとする。
【０１０３】
このようにして、羽根車１２０は空気中での空転状態を続けることになる。降雨が続くときは、そのまま運転を続け、再び水位Ｌが上昇してきて、前記のように水位ＳＬＷＬに到達したところでポンプ１１０は水を吸い込み始める。このようにして、先行待機運転用ポンプ１１０は、水槽の水位にかかわらず、空運転と要項点全水量の運転との間で運転を継続することができる。空運転と要項点全水量運転との間の移り変わりは、ポンプが空気も一緒に吸い込むのでなめらかに行われる。
【０１０４】
前述のように、水位Ｌが十分に低下して吸込ベルマウス１３２の下端の水位Ａ２より低くなっても、ポンプ１１０は先行待機運転を継続する。吐出水量がゼロになってから１０分程度の間は、羽根車１２０よりも上方のケーシング（特に吐出ケーシング本体１３１）中には水が留まっているが、あまり長時間その状態が続くと水の温度が上昇してポンプの損傷につながるので、ケーシング中の水は不図示のドレン孔から抜かれる。その後の先行待機運転では、羽根車１２０は空気中で空転運転がされる。
【０１０５】
前述のように雨水の流入により水槽内の水位Ｌが上昇して、水位がＡ１を越えても、まだ水は吸い上げられないが、水位低下直後で羽根車１２０の上方に水が溜まっている間に再び水位が上昇したときは吸気口の高さである水位Ａ１で水の吸い上げが始まる。
【０１０６】
以上のような先行待機運転ポンプは、機場には水中モータポンプ１１０を複数台設置するとよい。そのような機場の運転において、水位の増加に伴って１台のポンプでは排水量が不足する場合には、次々に他のポンプを起動して複数台の運転に入る。
【０１０７】
全量吐出水量となる設計上の水位Ｌｄと流速との関係を説明する。水位Ｌｄ＝（Ａ１の水位）＋ｈが成り立つ。ここで、ｈ＝ｈｌ＋（ｖ^２／２ｇ）である。簡易計算では、ｈ＝（ｖ^２／２ｇ）×１．１で計算される。
【０１０８】
ここでｖは、（要項点全水量）／（吸込管１３２の吸込部面積）で求められる水の吸込流速である。（ｖ^２／２ｇ）はベルヌーイの定理から計算される水の流れにより生じる負圧である。速度水頭といってもよい。またｈｌは吸込管１３２の下端Ａ２から吸気口１１６ａまでの流れロスである。上記の簡易計算では、ｈｌ＝（ｖ^２／２ｇ）×０．１として、吸込管１３２の下端Ａ２から吸気口１１６ａまでの流れロスを経験的に係数を使って求めている。もちろん、吸込管１３２の下端Ａ２からの損失水頭を厳密に計算又は実測して求めてもよい。
【０１０９】
水位Ｌｄは上記のようにして計算される水位であり、水位Ｌが上昇傾向のときは、ここで吸気口１１６ａからの空気の吸い込みがなくなりポンプは全量吐出となり、水位Ｌが下降傾向のときは、ここで全量吐出が終わり吸気口１１６ａからの空気の吸い込みが始まるという水位である。
【０１１０】
水位Ｌｄは設計上、吸込ベルマウス１３２の下端から渦状に空気を吸い込んでしまうという水位に対して余裕を持たせる。したがって、この水位では吸込ベルマウス１３２の下端から空気を吸い込むことがない。即ち、水位Ｌｄは水位ＬＷＬ、通常は水位Ｌｃと同じか、又はそれよりも高い位置にある。
【０１１１】
水位Ｌｃは上記のように水位Ｌｄを求めるにあたって、チェック項目となる。即ち、設計過程で求めた水位Ｌｄが水位Ｌｃよりも低くなってしまった場合は、水位Ｌｄが水位Ｌｃと同等かそれよりも高くなるように設計を修正する。例えば吸込管１３２を長くして、水位Ｌｃを下げる。水位Ｌｄは、例えば、水位Ａ２から１．１×吸込管内径として計算する。
このようにすれば、Ｌｄが水位Ｌｃよりも低くはならないことが経験上分かっている。
【０１１２】
本実施の形態の水中モータポンプ１１０では、羽根車１２０は水位ＬＷＬ、さらには水位Ｌｃよりも下方に配置されている。
吸込ベルマウス１３２の壁の内周面には、不図示の旋回防止板を設けるとよい。水位Ｌｄは、水位Ａ１＋ｈで計算され、ｈ＝ｈｌ＋（ｖ^２／２ｇ）であるとしたが、実際は吸気口１１６ａの近傍には正圧ｈｐが発生する。これは吸込ベルマウス１３２の内部に発生する旋回流によるものとされている。すなわち、旋回流により生じる遠心力で正圧が発生するものと考えられる。旋回流は、ポンプ吐出量が要項点流量よりも小さい場合に発生する。
【０１１３】
正圧ｈｐを考慮すると、ｈは以下の通りとなる。
ｈ＝ｈｌ＋（ｖ^２／２ｇ）−ｈｐ
【０１１４】
正圧ｈｐが発生する場合は、水位Ｌが水位Ｌｄまで低下しても、空気管１１６から空気を吸い込まない。したがって、期待通りに気水混合運転がなされない。旋回防止板を設ければ、これが旋回流を防止してくれるので、ｈｐがほぼゼロまたは十分に小さくなり、水位ＬがＬｄになったとき空気の吸い込みが可能となる。
【０１１５】
第４の実施の形態のポンプ１１０は、第１の実施の形態と同様に、電動モータ１５１が通常運転では水中に没する構造であるが、グリス封入型の転がり軸受１５４、１５５を使用しているので、水中部の軸受への給油や給水が不要であり、維持管理が容易である。また電動モータ１５１と羽根車１２０が共通な回転軸１２１を有するので、軸の長さを従来例と比較して短くできる。またハイドロ部品を一体に組み立てるので、羽根車１２０とライナケーシング１２３との隙間を小さくでき、ポンプ効率の向上を図ることができる。
【０１１６】
また第１の実施の形態と第２の実施の形態とを合わせて、空気管１１６を備えるポンプをさらに回転速度制御するように構成してもよい。
【０１１７】
なお、図７（ｂ）に示すように、ポンプが空気管１１６を備えず、羽根車の回転速度も調節しない場合、水槽１の水位が最低運転水位ＬＷＬを下回ると、吸込管が水面から渦状に空気を吸い込んでしまい、振動を生じる等、運転が不安定になってしまう。すなわち、最低運転水位ＬＷＬは水面が吸込管１３２の下端よりも高いにもかかわらず、吸込管１３２からポンプが空気を吸い込んでしまう水位である。本発明の実施の形態によれば、水槽の水位が前記最低運転水位を下回っても安定して運転が可能となる。
【０１１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、水中に配置されるモータを備えるので、運転や維持管理の容易なポンプを提供することができ、また、水位が最低運転水位を下回っても、ポンプの運転を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である水中モータポンプの正面断面図である。
【図２】図１の部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の水中モータポンプの運転を示す、回転速度・水位線図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態である水中モータポンプの運転方法を示すフロー図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態である水中モータポンプの運転方法を示すフロー図である。
【図６】本発明の実施の形態の水中モータポンプの運転態様を、時間経過と水位の変化に沿って説明する時間経過図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態である水中モータポンプの模式的正面断面図である。
【図８】従来の先行待機運転用ポンプの正面断面図である。
【符号の説明】
１００水中モータポンプ
１１６空気管
１２０羽根車
１２１回転軸
１２２ガイドベーン
１２３ライナケーシング
１２４ガイドベーンケーシング
１２４ｂ嵌合座
１３０ケーシング
１３１吐出ケーシング本体（外部ケーシング）
１３２吸込管（吸込ベルマウス）
１３６受け座
１５１モータ
１５２回転子
１５３固定子
１５４下部軸受
１５５上部軸受
１５６軸封装置
１５７モータケーシング
１６２インバータ
１６３水位検出器
１６４制御装置
１７１ポンプ機場基礎
１７２水槽床面
ｈ負圧水頭
ＨＷＬ最高水位
Ｌｄ設計水位
ＬＷＬ最低水位
Ｌｃ渦状に空気を吸い込む水位
ＳＷＬ羽根車の吸込開始水位
Ａ１吸気口水位
Ａ２吸込管下端水位[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a vertical shaft pump, and more particularly to a vertical shaft pump suitable for preceding standby operation.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 8, an impeller 12 is provided at the tip of a shaft arranged in the vertical direction, and air is sucked into the impeller 12 together with water, so that the operation can be performed even at the minimum operating water level LWL of the suction water tank 1 or lower. There was a vertical pump 3 that made it possible to continue. In the pump 3, a through hole 15 is provided in the suction pipe 14 on the inlet side of the impeller 12, and an air pipe 16 having an opening 16 a to the outside air is attached to the through hole 15. The amount of inflow of air flowing through the hole 15 is changed according to the water level, so that the amount of drainage is gradually reduced. The through hole 15 is h ≒ v from the water level LWL. ² It is opened at a position LLWL lower by / 2 g. v is the flow velocity of the water in that part, and g is the gravitational acceleration.
[0003]
The impeller 12 is fixed to a rotating shaft 11 arranged in a vertical direction, and the rotating shaft 11 extends vertically upward in a cylindrical discharge casing 15. The discharge casing 15 is bent horizontally at a right angle above the highest water level HWL. The extending rotating shaft 11 penetrates upward through the curved tube portion and is connected to a rotating shaft of a motor 17 installed outside the discharge casing 15. The impeller 12 is driven to rotate by a motor 17. The rotating shaft 11 is rotatably supported by bearings 18a, 18b, 18c.
[0004]
In this way, for example, for rainwater drainage in a large city, the pump is started in advance based on rainfall information and the like regardless of the suction water level, and when the water level rises from the low water level, the water amount is gradually increased from idle operation while the total amount is increased. When the water level dropped from the high water level, the operation was smoothly transitioned from full operation to idle operation while gradually reducing the water flow. Such a pump is referred to as a preparatory standby operation pump, and is started at a water level LLLWL lower than a casing lower end (for example, see Patent Document 1).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Utility Model Laid-Open Publication No. 3-56895 (FIGS. 1, 2, 3, and 5)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional pump as described above, the motor 17 is installed on the floor stretched above the water tank 1 and requires the long rotating shaft 11. In particular, when the water tank 1 is deep, an intermediate bearing 18b must be provided as a bearing in addition to the bearing 18a near the impeller 12 and the bearing 18c near the motor 17 to ensure stable rotation of the rotating shaft 11. Did not. Therefore, a bearing that can withstand operation in water and in the air is required, and consideration must be given to lubrication of the bearing, cooling in the air, and the like. As described above, there is a problem that the structure of the pump is complicated, and it takes time and effort for operation and maintenance.
[0007]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a pump suitable for the preliminary standby operation and easy in operation and maintenance.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a submersible motor pump according to the first aspect of the present invention includes, as shown in FIG. 1, a motor 151 disposed underwater; An impeller 120; and a rotation speed control device 162 that changes the rotation speed of the impeller 120 according to the water level of the water tank. Further, typically, the suction pipe 132 includes a suction pipe 132 that is disposed on the upstream side of the impeller 120 and that allows the water to flow toward the impeller 120.
[0009]
With this configuration, a motor disposed underwater is provided, so that a pump that is easy to operate and maintain can be provided.Since a rotation speed control device is provided, the rotation speed of the impeller can be adjusted according to the water level of the water tank. , The operation of the pump can be stabilized.
[0010]
Further, as described in claim 2, the underwater motor pump according to claim 1 may include a water level detector 163 that detects a water level of the water tank and transmits a detection signal to a rotation speed control device 162. .
[0011]
With this configuration, since the water level detector is provided, a required water level can be detected when the rotation speed is changed by the rotation speed control device.
[0012]
According to a third aspect of the present invention, in the submersible motor pump according to the first or second aspect, the motor 151 is an AC motor, and the inverter 162 that converts the frequency of the AC power supplied to the AC motor is provided. It may be provided.
[0013]
With this configuration, since the inverter is provided, the frequency can be converted, and the rotation speed of the motor can be easily changed.
[0014]
In order to achieve the above object, a submersible motor pump according to the invention according to claim 4 is, for example, as shown in FIG. 7, with a motor 151 arranged in water; rotated by the motor 151 to suck water in a water tank. An impeller 120; an intake pipe 132 disposed upstream of the impeller 120 and flowing the water toward the impeller 120; one end connected to an air intake 116a formed in the intake pipe 132; And an air pipe 116 whose other end is opened 116b at a position higher than 116a.
[0015]
With this configuration, one end is connected to the air suction port formed in the suction pipe, and the air pipe is provided with the other end opened at a position higher than the air suction port.Therefore, air is supplied from the air suction port according to the water level. Can be sucked in, and the air / water mixing operation can be performed. Thereby, generation of the air suction vortex can be suppressed.
[0016]
At this time, the opening position of the other end of the air pipe is typically above the highest water level of the water tank. With such a configuration, it is possible to prevent foreign substances in water from being sucked from the air pipe. The submersible motor pump is typically a vertical pump. Preferably, there are a plurality of air inlets. It is preferable that the plurality of air suction ports are equally arranged in the circumferential direction of the suction pipe.
[0017]
According to a fifth aspect, in the underwater motor pump according to any one of the first to fourth aspects, the motor 151 includes a motor casing 157 that seals the rotor 152 from the outside; A rotating shaft 121 for rotating the motor 152; a shaft sealing device 156 provided in a portion of the motor casing 157 that penetrates the rotating shaft 121; and a rotatable support for the rotor 152 of the motor 151, which is installed inside the motor casing 157. Rolling bearings 154 and 155 may be provided.
[0018]
With this configuration, the motor includes a motor casing that seals the rotor from the outside, a rotation shaft that rotates the rotor, and a shaft sealing device provided in a through portion of the rotation shaft of the motor casing. Can be constructed dry.
[0019]
Further, as described in claim 6, in the underwater motor pump according to any one of claims 1 to 5, the motor 151 and the impeller 120 are integrated to constitute the motor impeller assembly 101; The motor impeller assembly 101 includes a vertically arranged cylindrical outer casing 131 that accommodates the motor impeller assembly 101; the motor impeller assembly 101 includes a fitting seat 124b that fits into the outer casing 131, and the outer casing A receiving seat 136 for receiving the fitting seat 124b may be formed on the 131. Typically, when the fitting seat and the receiving seat are combined, the motor impeller assembly and the outer casing are configured to be aligned.
[0020]
With this configuration, since the fitting seat and the receiving seat are provided, the assembly of the motor impeller assembly and the outer casing becomes easy.
[0021]
Further, in the underwater motor pump according to the sixth aspect, the suction pipe 132 may be attached to the outer casing 131.
[0022]
In order to achieve the above object, an operation method of a submersible motor pump according to the invention according to claim 8 includes, as shown in FIG. 4, an impeller that is rotated by a motor arranged in water and sucks water in a water tank. A step of detecting the water level of the water tank; and a step S2 of detecting the water level of the water tank when the detected water level is equal to or lower than an airlock water level at which the pump stops pumping water (S4). (20%) (S7), and when the detected water level is higher than the airlock water level and equal to or lower than the minimum operation water level of the submersible motor pump, the minimum rotation speed and the 100% rotation speed of the submersible motor pump are determined. (S5), and when the detected water level is higher than the minimum operation water level, the operation is performed at 100% rotation speed (S3). The submersible motor pump typically has a suction pipe disposed upstream of the impeller to flow the water toward the impeller.
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention, in the operating method of the underwater motor pump according to the eighth aspect, the motor is an AC motor, and the airlock water level is detected based on a current value and a power factor of the motor. You may make it (S6).
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In each of the drawings, the same or corresponding members are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description will be omitted.
[0025]
A vertical shaft pump according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view of FIG. The submersible motor pump 100 shown in FIG. 1A is a pump for preceding standby operation.
[0026]
Preliminary standby operation is to start the pump before rainwater flows into the pump suction tank, start draining as the water level (Level) L increases, and operate without stopping the pump even when the water level decreases. is there. The submersible motor pump 100 adjusts the rotation speed so as not to generate an air suction vortex even when draining is started.
[0027]
The structure of the submersible motor pump 100 will be described with reference to FIG. The submersible motor pump 100 includes a cylindrical discharge casing main body 131 arranged in a vertical direction, and a suction bell mouth 132 as a suction pipe is attached to a lower end of the discharge casing main body 131. A disk-shaped outlet flange 132a is formed at the upper end of the suction bell mouth 132, and the outer periphery of the outlet flange 132a is hermetically fixed to the lower end of the cylindrical discharge casing body 131. Inside the outlet flange portion 132a, a butting portion 132b is formed along the wall of the suction bell mouth 132 to be brought into contact with a liner casing described later. The butting portion 132b is slightly raised from the surface of the outlet flange portion 132a.
[0028]
The structure for sealingly fixing the outlet flange 132a and the lower end of the discharge casing main body 131 will be specifically described with reference to the partial sectional view of FIG.
In the example of (a), the discharge casing main body 131 is configured as a steel cylindrical casing, and a horizontal steel flange 131b is attached to a lower end thereof by welding. The flange 132a is fixed to the flange 131b with bolts.
In the example of (b), the discharge casing main body 131 is made of cast iron, and the flange 131b is cast integrally with the discharge casing main body 131. The point that the flange 132a is fixed to the flange 131b with bolts is the same as in FIG.
In the example of (c), the discharge casing main body 131 and the suction pipe 132 have an integral structure of cast iron. Therefore, the entire structure including the flange 131b and the flange 132a is integrally formed.
[0029]
Inside the discharge casing body 131, a liner casing 123 and a guide vane casing 124 are arranged above the suction bell mouth 132. The liner casing 123 and the guide vane casing 124 are fastened by a horizontal flange. The discharge casing main body 131, the suction bell mouth 132, the liner casing 123, and the guide vane casing 124 constitute a casing 130 in a broad sense.
[0030]
As shown in the partial sectional view of FIG. 1B, an annular fitting seat 124 b is formed on the outer periphery of the guide vane casing 124. The fitting seat 124b is formed with a tapered fitting seat surface 124a formed in an inverted truncated cone shape.
[0031]
An annular receiving seat 136 is formed on the inner surface of the discharge casing body 131 as an outer casing. The receiving seat 136 is formed with a tapered receiving seat surface 136a so as to fit with the fitting seat surface 124a of the fitting seat 124b.
[0032]
A rotating shaft 121 is provided in the longitudinal direction (vertical direction) so as to coincide with the central axis of the cylindrical discharge casing body 131, and an open impeller 120 is attached to a lower end of the rotating shaft 121. The liner casing 123 houses the impeller 120 with a slight gap from the outer periphery of the impeller 120 (the tip of the open blade). The submersible motor pump 100 is a vertical mixed flow pump or an axial pump. A guide vane 122 is provided on the discharge side of the impeller 120. The guide vane 122 is formed integrally with the guide vane casing 124.
[0033]
An axial pump (not shown) may be used as the pump for the preliminary standby operation. The axial pump is suitable when the flow rate relative to the discharge head is relatively large.
[0034]
An electric motor 151 for rotating the impeller 120 is disposed vertically above the guide vanes 122. In the present embodiment, the rotation shaft of the electric motor 151 is a common shaft with the rotation shaft 121 of the impeller 120.
[0035]
The electric motor 151 is a dry-type motor, and the inside is hermetically sealed from the outside, and is entirely surrounded by a motor casing 157 so that water does not enter the inside. A lower portion of the motor casing 157 has a through portion for the rotating shaft 121, and a mechanical seal 156 as a shaft sealing device is provided in this through portion.
[0036]
In the interior sealed by the mechanical seal 156 and the motor casing 157, the rotor 152 fixed to the rotation shaft 121, the stator 153 and the rotation shaft 121 disposed on the outer periphery of the rotor 152 with a small gap are rotated. A lower bearing 154 and an upper bearing 155, which are supported as possible, are housed.
[0037]
The stator 153 is fixed to the motor casing 157. The lower and upper bearings 154 and 155 are preferably lubricated bearings that do not require lubrication. In the present embodiment, a rolling bearing containing grease is used. Since the impeller 120 is mounted on the rotating shaft 121 that is common to the motor 151, only two rolling bearings 154 and 155 are required. In particular, at least one of the rolling bearings 154 and 155 is provided with an angular contact type so that a thrust load (the weight of the rotating body including the impeller 120, the rotating shaft 121 and the rotor 152 and the fluid force applied to the impeller 120) is also received. Ball bearing.
[0038]
A power cable for driving the motor is drawn out from the upper part of the motor casing 157. The cable drawer is sealed to prevent water from entering the motor.
[0039]
The discharge casing body 131 is formed of a cylindrical can body having the same central axis as the rotation shaft 121 as described above, and the lower end of the can body is covered with a suction bell mouth 132 and its outlet flange. . The upper end of the can body is covered with a discharge casing upper lid 134. The discharge casing upper cover 134 is a disk, and covers the can body portion of the discharge casing body 131 by being fastened to a flange attached to the upper end of the can body portion of the discharge casing body 131.
[0040]
A discharge casing mounting seat 135 for installation is attached to the discharge casing body 131, and the discharge casing main body 131 is installed on a concrete floor 171 which is an installation base. The concrete floor is also the foundation of the pump station. A discharge pipe extends in a horizontal direction between the casing installation seat 135 of the discharge casing body 131 and the upper end flange covered with the upper lid, and a discharge flange 133 is attached to the discharge pipe. The flange 133 is connected to a discharge pipe (not shown). The discharge pipe is a pipe for guiding rainwater to a river or the sea for discharge.
[0041]
The impeller 120 is disposed below a below-mentioned minimum water level LWL. The entire main body portion of the impeller 120, or at least a part thereof, particularly, a tip portion at which the impeller 120 sucks up water if there is a water level is disposed below the minimum water level LWL.
[0042]
Next, the relationship between the structure in the height direction of the pump 100 and the water level will be described. The water level HWL is the allowable water level of the water tank as described above. The water level L does not rise any more. Below that is the lowest water level LWL. This is a value peculiar to the pump, and is a water level at which the operation of the pump cannot be continued if the water level falls below this level. Typically, below this, the air is sucked in a vortex form from the lower end of the suction pipe 132 (see FIG. 7B), which coincides with the water level Lc at which vibration or noise is generated and operation cannot be continued. This is a value unique to the pump. If the water level falls below the minimum water level LWL (Lc) when the rotation speed of the impeller 120 is kept at the full speed, continuation of operation becomes difficult. In the present embodiment, operation at a low water level is enabled by adjusting the rotation speed of the impeller 120 as described later. However, the water level LWL may be determined under conditions other than the vortex air suction.
[0043]
The design minimum water level Ld (Design Level) is at least equal to and usually higher than the water level LWL. The design minimum water level Ld is simply obtained by multiplying the inner diameter of the suction pipe from the lower end of the suction pipe 132 by a predetermined coefficient. The coefficient is, for example, 1.1. The design value has a certain margin, and when the water level is lowered without changing the rotation speed of the actual machine, the operation can be performed even if the water level is slightly lower than the minimum water level Ld determined in design.
[0044]
Below the design minimum water level Ld or the minimum water level LWL, there is a suction start water level SLWL of the impeller 20. This water level corresponds to the water level at the tip of the impeller 120. This is because when the water level rises from a low water level and the impeller 120 comes into contact with water, steam-water agitation is started and water is discharged soon.
The water level at the tip of the suction bell mouth 132 is defined as a water level A2.
[0045]
The submersible motor pump 100 is provided with a water level detector 163. In this embodiment, a displacement type water level detector is used. The water level detector includes a transmitter 163a installed above the highest water level HWL, and a rod 163b connected to the transmitter 163a and suspended vertically from the transmitter 163a and having a uniform cross-sectional area. It is configured. The bar is typically a round bar. In the displacement type water level detector 163, the amount of water removed by the bar 163b changes depending on the water level, and the load applied to the transmitter 163a changes accordingly. Since the change in load is proportional to the water level from the tip of the bar 163b, the water level can be known by detecting the load.
[0046]
On the other hand, the electric motor 151 is an AC motor, and power is supplied to the electric motor 151 from a power supply 161 via an inverter 162. The inverter 162 converts the frequency of the AC power supplied to the electric motor according to a control signal of the control device 164.
[0047]
A signal corresponding to the load transmitted by the transmitter 163a, that is, a signal corresponding to the water level is transmitted to the control device 164. The control device adjusts the frequency of the output current of inverter 162 according to the received signal. That is, the rotation speed of the electric motor 151 is adjusted according to the water level.
[0048]
The operation of the first embodiment will be described with reference to the rotational speed / water level diagram of FIG. 3 and, as needed, to FIG. First, the submersible motor pump 100 is started in a state where the water level is lower than A2. For example, when rainfall information indicating that heavy rain has fallen around the station where this pump is installed or in an area where rainwater flows into the station, etc., it is predicted that the water level will rise suddenly after a certain time. You. In such a case, in a state where the water level is lower than A2, the submersible motor pump 100 for the preceding standby operation is started. This is the start of the preliminary standby operation. At this time, the rotation speed of the electric motor 151 and thus the impeller 120 is 20% when the rated speed is 100%.
[0049]
The water level L in the water tank rises due to the inflow of rainwater, and exceeds the lower water level A2 of the suction bellmouth 132. Even at this time, water has not yet been sucked up. The impeller 120 idles at a rotation speed of 20%.
[0050]
When the water level L further rises and reaches the water level LLWL between the water level A2 and the water level SLWL up to just before the water level SLWL, the control device 164 uses the signal from the water level detector 163 detecting the water level to cause the control device 164 to operate the inverter. 162 is increased, and the rotation speed of the impeller 120 is temporarily set to 50%. This means that the rotation speed is increased slightly before water is sucked. The value of the water level LLWL is set in the control device 164 in advance.
[0051]
When the water level L further rises and reaches the water level SLWL, the pump 100 starts stirring with air and water. Then start sucking water. At this time, since the pump is not operated at the rotation speed of 100%, the discharge amount of the pump 100 is smaller than the total water discharge amount of the essential point.
[0052]
When the water level L further rises and reaches the water level LWL (Ld), the control device 164 sets the rotation speed of the pump to 100%. Although the water amount is the total water discharge amount, as described above, at this water level, air swirls from the water surface of the water tank and is not sucked from the lower end of the suction bell mouth 132. At this point, the total amount of water at the essential point is discharged, and a steady operation is started.
[0053]
Further, the water level rises to a water level between the water level LWL and the water level HWL, and the pump 100 continues the steady operation. Thereafter, when the water level L is lowered this time by the drainage of the pump 100, the rotation speed of the pump 100 is reduced to 50% at the water level LWL (although there is some hysteresis). When the water level L further decreases and becomes LLWL (with some hysteresis), the rotation speed is reduced to 20%. At the water level LLWL, the suction of water ends, and the impeller 120 enters an idling state in which the impeller 120 is driven in the air. That is, the pump 100 is in an airlock state in which water is not sucked at all. The water level LLWL is a drain stop water level, and is set to an appropriate water level between the water levels SLWL and A2 for each station.
Further, even when the water level L drops and exceeds A2, the impeller 120 continues to operate in the air. That is, the idle operation state is continued. In other words, the airlock state in which the pump 100 does not suck any water continues.
[0054]
The water level at which the rotation speed is increased from 20% to 50% and the water level is decreased from 50% to 20% is LLWL. However, the difference in water level between when the water level rises and when the water level drops is not merely about hysteresis but may be larger. That is, when the water level rises, the water level is set slightly before the SLWL (low water side), and when the water level falls, the water level which is certainly lower than the SLWL and surely enters the airlock may be between SLWL and A2. In particular, when the length of the suction bellmouth 132 is relatively short, the water level near A2 may be slightly higher than A2.
[0055]
The relationship between the water level and the rotation speed of the pump is summarized as follows.
In normal operation between the water levels HWL and LWL (Ld), the rotation speed of the pump is set to 100%.
In the present embodiment, between the water levels LWL and LLWL, the operation is performed at a predetermined rotation speed between 80% and 40%, which is set to 50%. This rotation speed is set to a value such that the pumping amount of the pump is smaller than that in the normal operation, but a sufficient amount of water for cooling the motor 151 is obtained.
[0056]
At a water level lower than the water level LLWL, the operation is performed at a predetermined rotation speed between 40% and 10%, although it is set at 20% in the present embodiment. If the speed is lower than 10%, the torque fluctuation rate of the electric motor becomes large. It is preferably 15% or more, more preferably 18% or more, and about 20%. In this state, since the pump 100 does not pump water, the load on the electric motor 151 is small and the rotation speed is low, so that the temperature of the electric motor 151 rises slowly.
[0057]
If the rotation speed of the airlock operation is higher than 40%, the airlock operation may not be reliably started. Therefore, the content is preferably set to 30% or less, more preferably 25% or less.
[0058]
If the airlock operation continues for a predetermined time or more, the pump 100 is stopped. This stop is preferably performed by a timer. The set value of the timer is, for example, 10 minutes. However, if it can be predicted from the rainfall information that the inflow of rainwater into the water tank does not increase, it may be stopped in a shorter time according to the information, regardless of the setting of the timer.
[0059]
The current value to the electric motor 151 may be used as a backup when the water level detector fails when detecting the airlock state. That is, in the airlock state, the current value is relatively small because of no-load operation, and in other cases, the current value is relatively large because of the presence of a load. This is used as a backup when detecting the airlock state.
[0060]
In the above description, the water level detector was described as a displacement type. This type has the advantage that the range of water level detection can be widened by increasing the length of the bar 163b. However, the present invention is not limited to this, and may be a float type, an electric contact type, or a pressure detection type water level detector that detects a water level indirectly by water pressure. Further, a distance detecting device using an ultrasonic wave, a laser, or the like may be used.
[0061]
The inverter 162 used for the rotation speed control may be a V / F method or a sensor-rel vector control method. For the rotation speed control, a fluid coupling may be used in addition to the inverter.
[0062]
In the above embodiment, the rotation speed is described as being changed stepwise from 0%, 20%, 50%, and 100%. However, the present invention is not limited to this, and the rotation speed may be adjusted steplessly according to the water level. In this case, the rotation speed is changed stepwise from 0% to the lower limit of the rotation speed (20% in the above embodiment), and the water level is changed from the water level LLWL to the water level LWL (or a little higher than the water level LWL with some margin). It is preferable to change the rotation speed from the lower limit rotation speed (20%) to the 100% rotation speed steplessly.
[0063]
As described above, according to the present embodiment, since the deceleration start is possible, unlike the full speed start, it is possible to suppress the transient vibration at the time of the start, and it is also possible to reduce the start current.
[0064]
Returning to the sectional view of FIG. 1, the relationship between the discharge casing body 131 and the motor impeller assembly 101 will be described. In the submersible motor pump according to the first embodiment, the guide vane 122 and the guide vane casing 124 are integrally cast. The guide vane casing 124 includes an outer casing and an inner casing, and the guide vane 122 is formed between the two. In the present embodiment, a part of the inner casing of guide vane casing 124 constitutes a part of motor casing 157. Or, it may be said that it is common to a part of the motor casing 157.
[0065]
The upper end of the inner casing of the guide vane casing 124 and the motor casing 157 are fastened with bolts. As a result, the electric motor 151, the guide vanes 122, and the guide vane casing 124 have an integral structure. Further, as described above, the impeller 120 is attached to the rotating shaft 121 common to the motor, so that the electric motor 151 and the impeller 120 are integrally assembled to form the motor impeller assembly 101.
[0066]
As described with reference to FIG. 1B, since the fitting seat 124b is fitted to the receiving seat 136, the motor impeller assembly 101 is housed in the discharge casing main body 131 which is an outer casing, and the motor impeller is mounted. The assembly 101 is centered on the center of the discharge casing main body 131. Further, since the fitting seat surface 124a of the fitting seat 124b is fitted and closely attached to the receiving seat surface 136a of the receiving seat 136, a stable posture can be maintained by the weight of the motor impeller assembly 101.
[0067]
The frictional force between the fitting seat 124b and the receiving seat 136 (the fitting seat surface 124a of the fitting seat 124b and the receiving seat surface 136a of the receiving seat 136) resists the reaction force in the rotating direction of the impeller 120. And the motor impeller assembly 101 does not rotate. However, in order to reliably prevent rotation, it is preferable to provide a rotation preventing unit.
[0068]
As shown in the AA cross-sectional view of FIG. 1C, a rotation prevention plate 124c, which is a projection protruding in the radial direction, is formed on the guide vane cage 124 as a rotation prevention unit. Further, a stopper 131a, which is a projection protruding in the radial direction, is formed inside the discharge casing main body 131 so as to abut against the rotation preventing plate 124c. A plurality of stoppers 131a may be provided in the circumferential direction. The rotation preventing plate 124c may be provided at one position.
[0069]
Conversely, one stopper 131a may be provided, and a plurality of rotation preventing plates 124c may be provided in the circumferential direction. In this way, when the guide vane casing 124 is a cast product, even if a plurality of projections are provided on the outer periphery, the labor is not significantly changed, and when the discharge casing main body 131 is a steel pipe, the labor for mounting the stopper 131a by welding can be omitted. Therefore, manufacturing becomes easy.
[0070]
When storing the motor impeller assembly 101 in the discharge casing main body 131, the discharge casing upper lid 134 is removed, and the motor impeller assembly 101 is suspended vertically downward from the opening of the discharge casing main body 131 which is opened as a result. It is stored in the discharge casing body 131. At this time, the outlet flange abutting surface 132b of the suction bell mouth and the lower end of the liner casing 123 are opposed to each other with a slight gap therebetween.
[0071]
In other words, the motor impeller assembly 101 is housed in the discharge casing main body 131 with a pull-out structure that allows easy access to the internal structure. Therefore, inspection of the electric motor 151 and the impeller 120, disassembly at the time of replacement thereof, and labor saving of assembling work can be achieved. When disassembling and assembling, it is not necessary to lift the entire pump 100, and only the internal structure needs to be lifted, so that the crane capacity can be reduced.
[0072]
According to the present embodiment, the electric motor 151 has a structure that is immersed in water during normal operation. However, since the grease-enclosed rolling bearings 154 and 155 are used, lubrication and water supply to bearings in the underwater part are not performed. It is unnecessary and maintenance is easy. Further, since the electric motor 151 and the impeller 120 have the common rotary shaft 121, the length of the shaft can be reduced as compared with the conventional example. In addition, since the hydro parts (the impeller 120, the liner casing 123, and the guide vanes 122) are integrally assembled, the gap between the impeller 120 and the liner casing 123 can be reduced, and the pump efficiency can be improved.
[0073]
When the water tank is deep and the discharge casing main body 131 is long, a stay (not shown) may be attached to a lower portion of the discharge casing main body 131 and fixed to the suction water tank floor surface 172.
[0074]
A method for operating a submersible motor pump according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the submersible motor pump is started (S1). The pump sucks water in the water tank by a rotating impeller. The water level of the water tank is detected by the water level detector.
[0075]
It is determined whether the detected water level L is equal to or higher than the set value HH (S2). The set value HH is a water level corresponding to Ld (LWL) in FIG. That is, even when the pump is operated at that water level, the water level is such that the pump can be operated without problems. That is, the water level is determined with some margin for the water level Lc.
[0076]
When the water level L is equal to or higher than the set value HH (YES in S2), the operation is performed at a rotation speed of 100% (S3). When the water level L is lower than the set value HH (S2: NO), it is further determined whether the water level L is equal to or higher than the set value LL (S4). The set value LL is a water level corresponding to LLWL in FIG. That is, if the rotation speed is reduced to 20% at that water level, the water level is such that water is not sucked up, that is, the water level at which air lock is performed.
[0077]
When the water level L is equal to or higher than the set value LL (YES in S4), the operation is performed at a rotation speed of 50% (S5). When the water level L is lower than the set value LL (S4: NO), it is further determined whether the current flowing through the electric motor is equal to or higher than the set value LLC (S6). The current set value LLC is set as an appropriate value from the shaft power curve of the pump and the motor performance curve.
[0078]
When the current is equal to or larger than the set value LLC (YES in S6), the operation is performed at a rotation speed of 20% (S7). At this time, the pump airlocks and idles. When the current is lower than the set value LLC (S6: NO), the pump is stopped (S8). When the water level is lower than the set value LL and the current is equal to or higher than the set value LLC, the operation is continued at a rotation speed of 20%. When the water level is lower than the set value LL and the current is lower than the set value LLC, the pump is stopped. The stop by the current is for backup, and the stop by the timer or the manual may be performed without depending on the current.
[0079]
When operating at any rotational speed, the water level L is detected, the above judgment is made according to the value of the water level L, and the pump is operated at an appropriate rotational speed. Or stop.
[0080]
Next, an operation method of a submersible motor pump according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to a flowchart of FIG. First, the submersible motor pump is started (S11). The pump sucks water in the water tank by an impeller rotating at a rotation speed of 100% (S12). The ammeter detects the current of the electric motor that drives the pump.
[0081]
It is determined whether the detected current value C is equal to or greater than the set value HHC (S13). When the current value C is equal to or higher than the set value HHC (YES in S13), the operation at the rotation speed of 100% is continued, and the monitoring of the current value C is continued.
[0082]
When the current value C is lower than the set value HHC (S13: NO), it is determined whether the power factor PF of the electric power to the electric motor is equal to or more than the set value HPF (S14). The set value HPF is set as an appropriate value from the shaft power curve of the pump and the motor performance curve.
[0083]
When the power factor PF is equal to or higher than the set value HPF (YES in S14), the rotation speed of the pump is set to 50% (S15). The operation time at the rotation speed is monitored (S16). If the operation time is less than a predetermined time (when a timer is used, the set value is used), the operation is continued at a rotation speed of 50%. It is set to 100% (S12).
[0084]
If the power factor is smaller than the set value HPF in step S14 (NO in S14), the rotation speed is set to 20% (S17). At this time, monitoring of the power factor is continued (S14), and operation is performed at a corresponding rotation speed according to the value of the power factor PF (S15 or S17).
[0085]
Next, with reference to a time lapse diagram of FIG. 6, an operation mode of the submersible motor pump according to the embodiment of the present invention will be described along with lapse of time and a change in water level. (A) to (d) show how a single submersible motor pump according to an embodiment of the present invention is operated when the water level falls from a low water level to a high water level again with the passage of time. Show.
[0086]
FIG. 6A shows a case where the water level is lower than the lower end of the suction bell mouth of the pump. At this time, the pump is started. The rotation speed is 20%. Until the water level reaches an intermediate water level LLWL1 between the lower end of the suction bellmouth and the water level at the tip of the impeller, the operation at a rotation speed of 20% is continued. The water level LLWL1 may be set to a slightly lower water level than the water level SLWL at the tip of the impeller (FIG. 1).
[0087]
FIG. 6B shows a case where the water level exceeds LLWL1 and is lower than LWL. When the water level exceeds LLWL1, the rotation speed is increased to 50%. The pump operates at an intermediate discharge rate.
[0088]
As shown in FIG. 6C, when the water level exceeds the LWL, the rotation speed is increased to 100%. Here, the operation for the total water flow is started. Since the water level is above the LWL, the pump can continue to run at 100% rotational speed without vortexing air.
[0089]
As shown in FIG. 6D, when the water level falls again and falls below LWL, the rotation speed is reduced to 50%. This operation is continued up to a water level LLWL2 set at a position where the water level is lower than LLWL1 and higher than A2.
[0090]
When the water level further drops below LLWL2, the rotation speed is set to 20% as shown in FIG.
[0091]
A submersible motor pump according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to the schematic sectional view of FIG. The structure of the main body of the pump is the same as that of the first embodiment.
[0092]
The submersible motor pump 110 of the present embodiment shown in FIG. 7A is a pump capable of performing full-speed advance standby operation without controlling the rotation speed. In order to enable operation without discharging the essential water volume, air is sucked in together with water instead of reducing the rotation speed.
[0093]
The structure of the vertical shaft submersible motor pump 110 will be described with reference to the drawings. In the pump 110, an intake port 116 a is formed in a vertical cylindrical portion of the wall of the suction bell mouth 132 below the tip of the impeller 120. The vertical position of the intake port 116a is a position corresponding to the water level LLWL, particularly LLWL2, described in the first embodiment. The number of intake ports 116a may be one, but a plurality of, for example, four, may be equally arranged in the circumferential direction.
[0094]
One end of an air pipe 116 is connected to the outside of the intake port 116a. The air pipes 116 may be provided one-to-one at the intake ports 116a, or a plurality of intake ports may be combined into a manifold and one may be provided there.
[0095]
The water level above the intake port 116a is A1. As will be described later, the water level for sucking air is determined based on the water level A1.
[0096]
The other end (upper end) 116b of the air pipe 116 is preferably opened above the highest water level HWL in the water tank 1. At this time, the other end 116b of the air pipe 116 does not submerge in water. Therefore, it is possible to prevent the foreign matter floating in the water from being sucked from the other end 116b. Further, the other end 116b may be configured to be located inside the water tank (below the floor 171 (see FIG. 1)). In this way, it is possible to prevent the off-flavor in the aquarium from being diffused on the floor where the maintenance manager may be located.
[0097]
Below the suction start water level SLWL, there is an intake water level A1. When the water level L decreases and reaches the water level LWL, the water level in the air pipe 116 which is lower than the water level L by the negative pressure h becomes the water level A1, and the air is sucked into the suction bell mouth 132 through the air pipe 116. start.
[0098]
Further, the operation of the submersible motor pump 110 will be described with reference to FIG. First, the pump 110 is started in a state where the water level is lower than A2. It is when the water level is expected to rise suddenly after some time. This is the start of the preliminary standby operation.
[0099]
The water level L in the water tank rises due to the inflow of rainwater, and exceeds the lower water level A2 of the suction bellmouth 132. Even if the water level exceeds the water level A1, water is not yet sucked up. The impeller 120 is idle.
[0100]
When the water level L further rises and reaches the water level SLWL, the impeller 120 starts stirring with air and water. Then start sucking water. At this time, the air is sucked together with the water into the suction bell mouth 132 through the air pipe 116, so that the pump is not the operation for discharging the total amount of water as the essential point. That is, the pump 110 is performing a gas-water mixing operation. When the water level L further rises, the intake air amount gradually decreases, and instead, the water amount increases. Eventually, when the water level L rises to the water level LWL, the air suction amount becomes zero, and the entire water amount at the essential point is discharged (depending on H on the QH curve (water volume head curve) at that time). That is, a steady operation is started.
[0101]
Further, the water level rises to a water level between the water level LWL and the water level HWL, and the pump 110 continues the steady operation. Thereafter, when the water level L is lowered by the drainage of the pump 110, the air starts to be sucked through the air pipe 116 at the water level LWL (since the water level in the air pipe 116 reaches the intake water level A1). That is, the gas-water mixing operation is started again. As the water level L decreases, the intake air amount increases, and the water amount decreases instead. Further, when the water level L decreases and approaches the water level A1, the suction of water ends, and the impeller 120 enters an idle operation state in which the impeller 120 is operated in the air. That is, the pump 110 is in an airlock state in which no water is sucked.
[0102]
The airlock water level is designed so as to match or be close to the water level A1, which is usually the height of the intake port 116a, but does not always match. When the water level further decreases after passing through A1, or when the water level reaches the lower end water level A2 of the suction bell 132, the water amount may become zero. In the present embodiment, it is assumed that the airlock water level substantially coincides with the water level A1, and the water amount becomes zero at this water level.
[0103]
In this manner, the impeller 120 continues to idle in the air. When the rainfall continues, the operation is continued as it is, and the water level L rises again. When the water level reaches the water level SLWL as described above, the pump 110 starts sucking water. In this way, regardless of the water level in the water tank, the preceding standby operation pump 110 can continue the operation between the idle operation and the operation of the essential water amount. The transition between idle operation and essential water operation is smooth because the pump also sucks in air.
[0104]
As described above, even when the water level L is sufficiently lowered to be lower than the water level A2 at the lower end of the suction bell mouth 132, the pump 110 continues the preliminary standby operation. For about 10 minutes after the discharge water amount becomes zero, water remains in the casing above the impeller 120 (particularly, the discharge casing main body 131). Since the temperature rises and damages the pump, water in the casing is drained from a drain hole (not shown). In the subsequent preliminary standby operation, the impeller 120 is idled in the air.
[0105]
As described above, even if the water level L in the water tank rises due to the inflow of rainwater and the water level exceeds A1, water is not yet sucked up, but immediately after the water level drops, the water is stored above the impeller 120. When the water level rises again, the water starts to be sucked at the water level A1, which is the height of the intake port.
[0106]
As for the preceding standby operation pump as described above, a plurality of submersible motor pumps 110 may be installed at the station. In such an operation of the plant, if one pump has insufficient drainage due to an increase in water level, the other pumps are started one after another to start operation of a plurality of pumps.
[0107]
The relationship between the design water level Ld, which is the total discharge water amount, and the flow velocity will be described. The water level Ld = (water level of A1) + h holds. Here, h = hl + (v ² / 2g). In the simple calculation, h = (v ² / 2g) x 1.1.
[0108]
Here, v is the water suction flow rate obtained by (the essential point total water amount) / (the suction area of the suction pipe 132). (V ² / 2g) is the negative pressure generated by the water flow calculated from Bernoulli's theorem. It may be called speed head. Hl is a flow loss from the lower end A2 of the suction pipe 132 to the intake port 116a. In the above simple calculation, hl = (v ² /2g)×0.1, the flow loss from the lower end A2 of the suction pipe 132 to the intake port 116a is empirically determined using a coefficient. Of course, the head loss from the lower end A2 of the suction pipe 132 may be calculated or measured strictly.
[0109]
The water level Ld is the water level calculated as described above. When the water level L is rising, the suction of the air from the intake port 116a is stopped and the pump is fully discharged. When the water level L is falling, Here, the water level is such that the full discharge is completed and the suction of air from the intake port 116a starts.
[0110]
By design, the water level Ld has a margin with respect to the water level at which air is sucked in a spiral form from the lower end of the suction bell mouth 132. Therefore, at this water level, no air is sucked from the lower end of the suction bell mouth 132. That is, the water level Ld is equal to or higher than the water level LWL, usually the water level Lc.
[0111]
The water level Lc is a check item in obtaining the water level Ld as described above. That is, when the water level Ld obtained in the design process becomes lower than the water level Lc, the design is modified so that the water level Ld becomes equal to or higher than the water level Lc. For example, the suction pipe 132 is lengthened to lower the water level Lc. The water level Ld is calculated as, for example, 1.1 × the inner diameter of the suction pipe from the water level A2.
Experience has shown that Ld does not become lower than the water level Lc.
[0112]
In submersible motor pump 110 of the present embodiment, impeller 120 is disposed below water level LWL, and further below water level Lc.
A not-shown turning prevention plate may be provided on the inner peripheral surface of the wall of the suction bell mouth 132. The water level Ld is calculated from the water level A1 + h, and h = hl + (v ² / 2g), but a positive pressure hp is actually generated near the intake port 116a. This is due to the swirling flow generated inside the suction bell mouth 132. That is, it is considered that the positive pressure is generated by the centrifugal force generated by the swirling flow. The swirling flow occurs when the pump discharge amount is smaller than the essential point flow rate.
[0113]
In consideration of the positive pressure hp, h is as follows.
h = hl + (v ² / 2g) -hp
[0114]
When the positive pressure hp is generated, air is not sucked from the air pipe 116 even when the water level L decreases to the water level Ld. Therefore, the gas-water mixing operation is not performed as expected. If a swirl prevention plate is provided, this prevents swirl flow, so that hp becomes substantially zero or sufficiently small, and air can be sucked in when the water level L becomes Ld.
[0115]
The pump 110 according to the fourth embodiment has a structure in which the electric motor 151 is immersed in water during normal operation, similarly to the first embodiment, but uses the grease-enclosed rolling bearings 154 and 155. Since there is no need for oil supply or water supply to the bearings in the underwater part, maintenance is easy. Further, since the electric motor 151 and the impeller 120 have the common rotary shaft 121, the length of the shaft can be reduced as compared with the conventional example. In addition, since the hydro parts are integrally assembled, the gap between the impeller 120 and the liner casing 123 can be reduced, and the pump efficiency can be improved.
[0116]
In addition, the first embodiment and the second embodiment may be combined so as to further control the rotation speed of the pump including the air pipe 116.
[0117]
As shown in FIG. 7B, when the pump does not include the air pipe 116 and does not adjust the rotation speed of the impeller, when the water level of the water tank 1 falls below the minimum operating water level LWL, the suction pipe is swirled from the water surface. The operation becomes unstable, for example, when air is sucked into the device and vibration occurs. That is, the minimum operating water level LWL is a water level at which the pump sucks air from the suction pipe 132 even though the water level is higher than the lower end of the suction pipe 132. According to the embodiment of the present invention, stable operation can be performed even when the water level in the water tank is lower than the minimum operation water level.
[0118]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the motor provided in the water is provided, it is possible to provide a pump that is easy to operate and maintain, and even if the water level falls below the minimum operating water level, Can be stabilized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view of a submersible motor pump according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a partial sectional view of FIG.
FIG. 3 is a rotation speed / water level diagram showing the operation of the submersible motor pump according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart showing an operation method of a submersible motor pump according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a method of operating a submersible motor pump according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a time lapse diagram illustrating an operation mode of the submersible motor pump according to the embodiment of the present invention along with the lapse of time and a change in water level.
FIG. 7 is a schematic front sectional view of a submersible motor pump according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a front sectional view of a conventional preparatory standby operation pump.
[Explanation of symbols]
100 Submersible motor pump
116 air tube
120 impeller
121 Rotation axis
122 Guide Vane
123 liner casing
124 Guide vane casing
124b mating seat
130 Casing
131 Discharge casing body (outer casing)
132 Suction pipe (suction bell mouth)
136 seat
151 motor
152 rotor
153 stator
154 Lower bearing
155 Upper bearing
156 Shaft sealing device
157 Motor casing
162 inverter
163 Water level detector
164 control unit
171 Pump Station Basic
172 Aquarium floor
h Negative pressure head
HWL high water level
Ld design water level
LWL minimum water level
Lc Water level that draws air in a vortex
SWL Impeller suction start water level
A1 intake water level
A2 Suction pipe bottom water level

Claims

A motor arranged underwater;
An impeller that is rotated by the motor and sucks water in a water tank;
A rotation speed control device that changes a rotation speed of the impeller according to a water level of the water tank;
Submersible motor pump.

The submersible motor pump according to claim 1, further comprising a water level detector that detects a water level of the water tank and transmits a detection signal to the rotation speed control device.

The submersible motor pump according to claim 1, wherein the motor is an AC motor, and includes an inverter that converts a frequency of an AC power supplied to the AC motor.

A motor arranged underwater;
An impeller that is rotated by the motor and sucks water in a water tank;
A suction pipe arranged upstream of the impeller and for flowing the water toward the impeller;
An air pipe having one end connected to an air suction port formed in the suction pipe and having the other end opened at a position higher than the air suction port;
Submersible motor pump.

A motor casing for sealing the rotor from outside;
A rotation axis for rotating the rotor;
A shaft sealing device provided at a penetrating portion of the rotating shaft of the motor casing;
A rolling bearing installed inside the motor casing and rotatably supporting a rotor of the motor;
The submersible motor pump according to any one of claims 1 to 4.

The motor and the impeller are integrated to form a motor impeller assembly;
A vertically disposed cylindrical outer casing for housing the motor impeller assembly;
A fitting seat that fits into the outer casing is formed in the motor impeller assembly, and a receiving seat that receives the fitting seat is formed in the outer casing;
The submersible motor pump according to any one of claims 1 to 5.

The submersible motor pump according to claim 6, wherein the suction pipe is attached to the outer casing.

A method of operating a submersible motor pump having an impeller that is rotated by a motor disposed in water and sucks water in a water tank;
Detecting a water level in the aquarium;
When the detected water level is equal to or lower than the airlock water level at which the pump stops pumping water, the pump is operated at the minimum rotation speed, and the detected water level is higher than the airlock water level and the minimum operation water level of the submersible motor pump. Operating at an intermediate rotation speed between the minimum rotation speed and the 100% rotation speed of the submersible motor pump at the following times, and operating at 100% rotation speed when the detected water level is higher than the minimum operation water level;
How to operate a submersible motor pump.

The method according to claim 8, wherein the motor is an AC motor, and the airlock water level is detected based on a current value and a power factor of the motor.