JP2005069048A - 立軸ポンプ及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 水位が低下しても大きな振動の生じない、特に先行待機運転に適する立軸ポンプ及びそのような立軸ポンプの運転方法を提供する。
【解決手段】
先行待機運転用立軸ポンプにおいて、縦方向に配置される回転軸２１により回転し、水槽１内の水を吸い込む羽根車２０と； 羽根車２０の上流側に配置され、羽根車２０に向けて前記水を流す流路３６を形成するケーシング部を有する吸込管３１であって、流路３６と水槽１側とを直接的に連通する連通口５１が前記ケーシング部に形成された吸込管３１とを備える立軸ポンプ１０。
【選択図】 図１

Description

本発明は、立軸ポンプ及びその運転方法に関し、特に先行待機運転に適する立軸ポンプ及びその運転方法に関するものである。

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２を備え、羽根車２の入口側の吸込管４に貫通孔５を設け、貫通孔５に、外気に開口６ａした空気管６を取付けた立軸ポンプ３があった。この立軸ポンプでは、羽根車２は、水を吸い込むと共に、空気管６を通して貫通穴５から空気を吸い込むことにより、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ていた。すなわち、空気管６は水面より上方で外気に開口６ａしており、最高水位ＨＷＬより低い最低運転水位ＬＷＬ以下で、貫通孔５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。

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、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）。

実開平３−５６８９５号公報（第１図、第２図、第３図、第５図）

以上のような従来のポンプでは、空気の流入量が少ない間は問題がないが、水槽の水位が低下して空気流入量がある閾値を超えると、羽根車の入り口に空気溜まりが生じて振動が増大することがあるという問題があった。

そこで本発明は、水位が低下しても大きな振動の生じない、先行待機運転に適する立軸ポンプ及びそのような立軸ポンプの運転方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による立軸ポンプ１０は、例えば図１に示されるように、先行待機運転用立軸ポンプにおいて；縦方向に配置される回転軸２１により回転し、水槽１内の水を吸い込む羽根車２０と； 羽根車２０の上流側に配置され、羽根車２０に向けて前記水を流す流路３６を形成するケーシング部を有する吸込管３１であって、流路３６と水槽１側とを直接的に連通する連通口５１が前記ケーシング部に形成された吸込管３１とを備える。

また請求項２に記載のように、請求項１に記載の立軸ポンプでは、前記連通口は、流路３６の流れ方向に形成された長孔（例えば図３参照）、又は流路３６の流れ方向に配列された複数の孔（例えば図１参照）とするとよい。
ここで、流れ方向に形成された長孔というとき、長孔は流れ方向成分があればよい。

また請求項３に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプでは、吸込管３１は、前記ケーシング部の外側に配置された外ケーシング７１を有する（例えば図１参照）。この場合、ケーシング部と外ケーシングとでいわゆる二重ベルマウスを構成する。

また請求項４に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプでは、前記立軸ポンプの外側に発生する空気吸込渦を低減させるドーナツ状の円盤７６（例えば図４参照）であって、前記ケーシング部の外側に浮かべる円盤を備えるようにしてもよい。

また請求項５に記載のように、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプでは、前記立軸ポンプの外側に発生する空気吸込渦及び水中渦を防止するためのスプリッター７８ａ（例えば図５参照）を備えるようにしてもよい。

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項に記載の立軸ポンプでは、羽根車２０は羽根外周側の先端がライナ６１で囲まれたオープン型であり、ライナ６１には前記羽根外周側の先端を囲む部分から上流側にかけて、水の流れ方向に向けられた複数の溝６２が前記羽根の外周に沿って形成されているようにしてもよい（例えば図６参照）。

前記目的を達成するために、請求項７に係る発明による立軸ポンプの運転方法は、例えば図１に示すように、水槽１の水位Ｌが吸込管３１の下端Ａ２よりも低いときに、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の立軸ポンプ１０を始動する工程と；水位Ｌが羽根車２０の位置ＳＬＷＬに達して立軸ポンプ１０が水を吸い上げ始めた後に、水位Ｌが低下して吸込管３１の下端Ａ２よりも低いところまで達しても立軸ポンプ１０の運転を継続する工程とを備える。

水位Ｌが上昇して羽根車２０の位置ＳＬＷＬに達した後さらに、典型的には、それ以下では吸込管３１の下端Ａ２から渦状に空気を吸い込む水位ＬＷＬよりも上昇する。「それ以下では前記吸込管の下端から渦状に空気を吸い込む水位」は、いわゆる最低水位ＬＷＬである。この運転方法は、いわゆる先行待機運転である。

このように構成すると、流路と水槽側とを直接的に連通する連通口が前記ケーシング部に形成された吸込管を備えるので、水槽の水位が連通口の位置まで低下してきたときに、水槽側から流路側に空気を吸い込み得る状態になる。

また、連通口が長孔であるときは、連続的に空気を吸い込むことができるので、吸い込みがスムーズである。

また、吸込管が、前記ケーシング部の外側に配置された外ケーシングを有する（例えば図１参照）ときは、ある程度水位が低下するところまでは、外ケーシングが例えば空気吸込渦の発生を抑制する。

また、ドーナツ状の円盤を備えるときは、ある程度水位が低下するところまでは、ドーナツ状の円盤が例えば空気吸込渦の発生を抑制する。

また、スプリッターを備えるときは、立軸ポンプの外側に発生する水中渦を防止することができ、低水位まで安定した運転が可能となる。

また例えば図６に示すように、水の流れ方向に向けられた複数の溝が前記羽根の外周に沿って形成されているときは、広い範囲の揚程において安定した運転が可能なポンプを提供することが可能となる。

また、例えば図１に示すように、水槽１の水位Ｌが吸込管３１の下端Ａ２よりも低いときに、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の立軸ポンプ１０を始動する工程と、水位Ｌが羽根車２０の位置ＳＬＷＬに達して立軸ポンプ１０が水を吸い上げ始めた後に、水位Ｌが低下して吸込管３１の下端Ａ２よりも低いところまで達しても立軸ポンプ１０の運転を継続する工程とを備える立軸ポンプの運転方法では、いわゆる先行待機運転が可能となる。

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。

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。図示の立軸ポンプ１０は、先行待機運転用のポンプである。

先行待機運転、特に全速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全速で運転することである。排水を始めても、立軸ポンプ１０は直ちに要項点の水量を吐出するわけではない。要項点水量を吐出せずに運転を可能とするため、水と一緒に空気を吸い込ませる。

図を参照して立軸ポンプ１０の構造を説明する。立軸ポンプ１０は、鉛直方向に上から配列された揚水管ケーシング（ケーシング本体）３３、下部ケーシングを備える。下部ケーシングは、上側のインペラケーシング３２と下側の吸込管（吸込ベル）３１を含んで構成されている。それぞれは水平方向のフランジで締結されている。これらが広い意味のケーシングを構成している。本実施の形態では、インペラケーシング３２と吸込管３１とは一体に構成されているが、分割して、これらの間にフランジを設けて締結してもよい。

該ケーシングの中心に縦方向（鉛直方向）に回転軸２１が配設され、回転軸２１の下方先端にオープン型の羽根車２０が取りつけられている。羽根車２０の外周（オープン羽根の先端）と僅かな隙間をもってインペラケーシング３２が羽根車２０を収納している。立軸ポンプ１０は斜流ポンプである。斜流ポンプは吐出ヘッドが比較的大きい場合に用いられる。また羽根車２０の吐出側、ケーシング本体３３の内側にはガイドベーン３５が配設されている。
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。

ケーシング本体３３は、回転軸２１と平行に垂直方向の缶胴部分と、上方で水平方向に曲がった曲管部とそれに連なる水平管部分とを含んで構成され、曲管部分を、回転軸２１が貫通している。該貫通部には軸受２２ｃと不図示のシールが配設されている。回転軸は、羽根車２０近傍に配設された軸受２２ａと前記軸受２２ｃ、さらに両軸受の中間に配設された軸受２２ｂで３点支持されている。また、不図示のスラスト軸受が回転軸２１にかかる鉛直方向の荷重（即ち羽根車２０、回転軸２１を含む回転体の重量と羽根車２０にかかる流体力）を支持している。

ケーシング本体３３には、据え付け用のフランジが取り付けられており、該フランジで据え付け台であるコンクリート製の床２に据え付けられている。ケーシング本体３３の前記水平管部分にはフランジが取りつけられており、該フランジにより、吐出配管３４と接続されている。吐出配管３４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。

吸込管３１は、水槽内の水を羽根車２０に向けて流す流路３６を形成するケーシング部を有する。ケーシング部は、スカート状に広がる裾の部分と該裾の部分の上方に立ち上がる円筒状の部分とからなる。

ケーシング部、特に前記円筒状の部分には、流路３６と水槽側とを連通する連通口としての、孔５１が複数形成されている。孔５１は、流路３６と水槽側とを直接的に連通している。直接的に連通するとは、従来技術の水面上に開口した空気管６のようなものを介さずに連通することをいう。すなわち、孔５１は、ケーシング部に形成された、ケーシング部を貫通する開口である。空気管のようなものを介さないので、水槽の水位が孔５１の形成された高さ（複数の孔のうち最上部にある図示の水位Ａ１）まで低下してはじめて流路３６が水面上の空間と連通し、空気が流路３６に吸い込まれ得る状態となる。

本実施の形態では、吸込管３１の流路３６の水流れ方向に（本実施の形態では鉛直方向に）、複数（図示では４個）の孔５１が配列され、その孔の列がケーシング部の全周に複数、例えば４列から８列（図示では２列が見えている）だけ、等しい間隔で配置（等配）されている。孔の配列はこの例に限らず、流れ方向に配列されていればよいのであって、鉛直方向ではなく鉛直方向に対して斜めであってもよい。また流れ方向と吸込管の周方向とで、千鳥配列であってもよい。ここで、流れ方向に配列とは、流れ方向成分を有して配列を含む概念である。

また吸込管３１は、ケーシング部の外側に外ケーシング７１が配置されている。外ケーシング７１は、上底と下底が開口した円錐台形状をしており、吸込管３１の円筒状部分を囲んでいる。外ケーシング７１は、ステー７２で円筒状及びスカート状のケーシング部と連結され、支持されている。すなわち、ケーシング部と外ケーシング７１とで二重ベルマウスを構成している。ステー７２は、ほぼ縦方向に向いた板状の部材であり、複数（４枚〜１２枚）典型的には８枚程度が配置されている。

吸込管３１はケーシング部の外周に、ある程度の隙間をあけて外ケーシング７１が配置されているので、ケーシング部と外ケーシング７１との間に副流路が形成されている。副流路の水の流れ方向に配置された形のステー７２は、ポンプ１０回りの水槽内の水の旋回防止にも役立つ。

羽根車２０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２０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２０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。

次にポンプ１０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１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３１の下端から渦状に空気を吸い込み、振動や騒音が発生し運転が継続できなくなる水位と一致する。これはポンプ固有の値であり、本実施の形態で言えば外ケーシング７１がない場合に、最低水位ＬＷＬを下回ると運転の継続が困難になる。本実施の形態では、後で説明するように、外ケーシング７１により、ある程度低水位での運転を可能にしている。

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２０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２０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。

吸込開始水位ＳＬＷＬの下方には、複数の孔５１のうち最上位の孔の高さに相当する水位Ａ１がある。水位Ａ１の下方には、吸込管３１の先端の水位Ａ２がある。

さらに図１を参照して、立軸ポンプ１０の作用を説明する。先ず水位がＡ２よりも低い状態で立軸ポンプ１０を始動する。例えば川の上流で大雨が降ったとの降雨情報が入った場合等、ある時間の後に水槽の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、先行待機運転用の立軸ポンプ１０が始動される。先行待機運転の開始である。

雨水の流入により水槽内の水位Ｌが上昇し、吸込ベルの下端水位Ａ２を越える。やがて、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２０は空転している。

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２０は水を吸い込み始める。このときは、水槽の水面側から吸込管３１の吸込口へ向かう流れが生じるが、この流れは、外ケーシング７１の存在により主流と副流路を流れる副流に分流される。このようにして、空気吸込渦の原因となる局部的な下向きの強い流れの発生を防止する。したがって、外ケーシング７１がなければ発生し得る空気吸込渦が生じない。

さらに水位Ｌが上昇し、水位ＬＷＬを通り過ぎて、水位ＬＷＬと水位ＨＷＬの間の水位まで上昇して、ポンプ１０は定常運転を継続する。その後、ポンプ１０の排水により今度は水位Ｌが低くなってゆくと、水位ＬＷＬでは、外ケーシング７１がなければ、空気吸込渦が発生し得るはずであるが、前述のように外ケーシング７１の作用により、それが抑制される。

ここで、外ケーシング７１は空気吸込渦の発生を抑制するが完全ではなく、水位が低下して行くにつれて空気吸込渦が発生するおそれがでてくる。外ケーシング７１が設けられた場合の空気吸込渦の発生水位は、設計的にあるいは実験的に把握することができる。最上位の孔５１は、そのような空気吸込渦の発生水位よりも高い水位に相当する位置Ａ１に形成する。

さらに水槽の水位Ｌが下がり、水位Ａ１になると流路３６がケーシング部の外側の大気と連通する。流路３６は、後述のように速度水頭と吸込管３１の流れロス分だけ負圧になっているので、流路３６には空気が吸い込まれる。また水位Ｌがさらに下がると、位置Ａ１と水位Ｌとの差の水頭分も負圧に加わる。
ただし厳密には、吸込管３１の下端から孔５１の位置までの流れ損失水頭が負圧に加わり、さらに吸込管３１内の旋回流による正圧の影響分だけ空気の吸い込みは遅れ得る。

流路３６に空気を吸い込み始めると、気水混合運転が開始されることになる。空気を吸い込むので、また水位Ｌが低下するにつれて吸い込む空気量が増えるので、水量は孔５１がない場合と比較して抑えられる。したがって空気吸込渦が発生しない。ある程度まで水位Ｌが低下すると、水位Ｌが水位Ａ２に達する前に、あるいは少なくとも水位Ａ２に達すると、エアロック状態になって水が全く吸い込まれなくなる。

このようにして、羽根車２０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１０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１０は、水槽１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。

従来のポンプと違って空気管を備えず、連通口５１が流路３６と水槽側とを直接的に連通するように形成されており、高い水位から水位が低下して来たとき、空気吸込渦の発生を先ず外ケーシング７１で抑えるので、空気の吸込開始時期を遅らせることができる。したがって、羽根車２０の入り口に生じる空気溜まりが、生じたとしても短期間だけであり、空気溜まりによるポンプの振動が大きな問題とならない。

以上のような先行待機運転ポンプは、機場には通常複数台設置されている。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。

ここで図２の部分断面図を参照して、各水位と吸込管３１の下端から渦状に空気を吸い込んでしまう水位である最低水位ＬＷＬとの関係を明かにする。本図では、吸気口が吸込孔５１である場合を示す。

ポンプ設計の際は、低水位から水位が上がってきたときに排水を開始する位置、即ち羽根車先端位置ＳＬＷＬを定める。
また空気吸込渦が微少で運転に影響を及ぼさない水位Ａ１を定める。第１の実施の形態では、外ケーシング７１（図１参照）があるので、水位Ａ１は最低水位ＬＷＬよりもかなり低い位置にある。本実施の形態では吸込管の下端Ａ２と羽根車先端位置ＳＬＷＬとの間に位置する。位置Ａ１に孔５１のうち最上位のものを形成する。

最低水位ＬＷＬは、外ケーシング７１（図１参照）がない場合に、水位がこれ以下になると空気吸込渦が発生する水位である。

本実施の形態の立軸ポンプ１０では、羽根車２０は水位ＬＷＬよりも下方に配置されている。

さらに図２を参照して、立軸ポンプ１０の作用を説明する。高い水位から水位Ｌが低下し、最低水位ＬＷＬを、さらに水位ＳＬＷＬを通過して、水位Ａ１に到るとケーシング部の外部から空気を流路３６を流れる水に吸い込み始める。空気の吸い込みは、流路３６を流れる水の速度水頭（ｖ^２／２ｇ）による。ここでｖは、（要項点全水量）／（吸込管３１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。

水位Ｌがさらに下がると、その水位Ｌと位置Ａ１との高さの差分に相当する水頭が負圧として加わり、空気の吸込量は増える。

但し実際は、孔５１の近傍には正圧ｈｐが発生する。これは吸込管３１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。正圧ｈｐを考慮すると、空気の吸込力として作用する負圧は、（ｖ^２／２ｇ−ｈｐ）となる。

正圧ｈｐが発生する場合は、水位Ｌが水位Ａ１まで低下しても、孔５１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ず、下手をすると吸込管３１の下端から渦状に空気を吸い込み、振動等を起こしてしまうことがある。これを防止するために、不図示の旋回防止板を設けてもよい。旋回防止板は、水の流れ方向に沿って形成される。設ける位置は、孔５１特に最上位の孔５１の近傍とする。

図３を参照して、本発明の第２の実施の形態を説明する。本図は、吸込管３１周辺のみを抽出して示す部分断面図である。（ａ）は第２の実施の形態、（ｂ）はその変形例である。

本実施の形態では、第１の実施の形態のポンプで縦方向に配置されていた複数の孔５１の代わりに、縦方向の長孔としてのスリット５１ａが形成されている。スリット５１ａは、孔５１の間のケーシングを除くことによって縦方向に配置された孔を連ねた形である。スリット５１ａは、流路３６の水の流れ方向（要項点流量が流れているとしたときの流れ方向）である縦方向（鉛直方向）に形成されている。

スリット５１ａの上端が位置Ａ１に相当する。作用は第１の実施の形態と同様である。ただし第１の実施の形態と違って、開口が縦方向に連続しているので、空気の吸い込みも連続的に行なわれ、空気の吸込量がスムーズに変化するという利点がある。一方第１の実施の形態では、複数の孔の間にケーシング部の肉が残っているので、ケーシング部の強度が高く維持できるという利点がある。

図３（ｂ）の部分断面図を参照して第２の実施の形態の変形例を説明する。この実施の形態では、スリットが縦方向の中間部分で、上部スリット５１ｂと下部スリット５１ｃに分割されている。上部スリット５１ｂと下部スリット５１ｃとは周方向にずらして配置されている。上部スリット５１ｂの下端の高さと下部スリット５１ｃの上端の高さはほぼ一致している。したがって、分割されていても、空気の吸込量は連続スリット５１ａの場合と変わらない。しかも上部スリット５１ｂと下部スリット５１ｃとの間には、ケーシング部の肉が残るので、ケーシングの強度を維持しやすいとの利点がある。

以上１本のスリット５１ａを上下２つ（５１ｂ、５１ｃ）に分割した場合を説明したが、これに限らず３分割以上としてもよい。

図４の部分断面図を参照して、第３の実施の形態と第１の実施の形態の変形例を説明する。
（ａ）は第３の実施の形態を示す部分断面図である。この実施の形態の立軸ポンプは、ケーシング部の外側に浮かべるドーナツ状の円盤７６を備えている。この円盤７６は、ポンプの外側に発生する空気吸込渦を低減させるものである。また吸込管３１の円筒状のケーシング部には縦方向にスリット５１ａが形成されている。複数のスリット５１ａが、ケーシング部の周方向に等配されている。

円盤７６は水よりも比重の小さい材料、例えば木材、発泡合成樹脂等で製作してもよいし、強度の高い鋼材、強度が高く且つ腐食しにくいステンレス鋼等の金属材で形成し、浮き袋や発泡合成樹脂のような浮揚部材を付着させて製作してもよい。

このように構成すると、水位が低下してスリット５１ａの上端である水位Ａ１に達するまでは、円盤７６により空気吸込渦の発生が抑えられ、水位Ａ１に達すると空気が流路３６に吸い込まれるので、吸込水量が抑えられることにより空気吸込渦の発生が防止される。結局、高水位から水位Ａ２以下の水位まで安定した先行待機運転が可能となる。

なお本実施の形態では、ケーシング部に形成された連通口としてスリット５１ａが形成された場合を説明したが、その代わりに第１の実施の形態と同様な複数の孔５１であってもよいし、上部スリット５１ｂと下部スリット５１ｃ、あるいはそれ以上の数に分離した分割スリットとしてもよい。

（ｂ）は第１の実施の形態の変形例である。本実施の形態のポンプでは、外ケーシング７１ａが略水平に形成されている。外ケーシング７１ａは、縦方向にかつケーシングの半径方向に配設されたステー７２ａで吸込管のケーシング部と連結され、支持されている。

本実施の形態では、外ケーシング７１ａが略水平に形成されているので、（ａ）で説明した円盤７６と同様に、空気吸込渦の原因となる水面付近から吸込管３１の下端の吸込口へ向かう流れを遮断する効果が高い。またステー７２ａが水面から吸込管３１の外面にそって流れる水の流れを円周方向に分散する効果を有する。ステー７２ａの枚数は、多くするとよい。例えば８枚以上とすると、渦防止効果が高い。

図５の模式的平面図（ａ）（ｃ）、正面図（ｂ）（ｄ）を参照して第４の実施の形態を説明する。（ａ）（ｂ）は第４の実施の形態、（ｃ）（ｄ）はその変形例を示す図である。
この実施の形態の立軸ポンプ１０ａは、（ａ）の平面図に示すように、立軸ポンプに張り出したスプリッターとしてのフィン７８ａを備える。フィン７８ａは、立軸ポンプのケーシングの外側に鉛直方向にかつポンプを平面図上で見て、対称に配置されている。また水槽１において、立軸ポンプ１０ａに吸い込まれる水の流れを対称に分けるように配置されている。

本実施の形態によれば、フィン７８ａが水槽内の流れの偏り、特にポンプ周辺の流れの偏りをなくし、渦や旋回流の発生を抑える。ここで渦には、くぼみ渦、空気吸込渦、同心渦等がある。

くぼみ渦とは、水面にくぼみができる程度で空気を吸い込むまでには至っていない渦である。
空気吸込渦とは、既に説明したように、くぼみが成長し先端がポンプ吸込口まで達した渦である。断続的で空気吸込量が少ないものは性能への影響もないが、連続的に吸い込むようになると性能低下や振動・騒音の原因となる。
同心渦とは、水位がポンプ吸込口まで下がると吸込管中心と渦が同心となり、多量の空気を吸い込む。ポンプの性能は著しく低下し、揚水不能となる。

旋回流とは、吸込水槽の偏流、渦、羽根車の回転により発生し、羽根車への均等な流入を乱し、ポンプの吐出量・揚程・軸動力に直接影響する。ポンプと同一回転方向では、揚程、軸動力ともに減少し、逆方向では増加する。本実施の形態では立軸ポンプであるので、羽根車と不平衡な力が生じ振動の原因となり得る。

（ｃ）（ｄ）の模式図を参照して、第４の実施の形態の変形例を説明する。この実施の形態の立軸ポンプ１０ｂは、（ｃ）の平面図に示すように、立軸ポンプ本体とは別に、水槽に形成されたスプリッターとしての渦流防止壁７８ｂを備える。渦流防止壁７８ｂは、立軸ポンプのケーシングを囲む水槽壁に鉛直方向にかつポンプを平面図上で見て、対称に配置されている。この渦流防止壁７８ｂは水槽１において、立軸ポンプ１０ｂに吸い込まれる水の流れを対称に分けるように配置されている。ここでは渦流防止壁７８ｂはポンプ本体とは別体であり水槽に形成されているが、ポンプ本体と渦流防止壁７８ｂとをあわせて実施の形態の立軸ポンプ１０ｂと呼ぶ。

本実施の形態の立軸ポンプ１０ｂによれば、ポンプ１０ａと同様に、渦流防止壁７８ｂが水槽内の流れの偏り、特にポンプ周辺の流れの偏りをなくし、渦や旋回流の発生を抑える。

図６の部分断面図を参照して、本発明の実施の形態に用いるケーシングトリートメントの例を説明する。（ａ）は部分正面断面図、（ｂ）はケーシングライナ部分の拡大図である。（ｂ）では、羽根車２０は想像線で描いてある。（ｃ）は（ｂ）の変形例の図である。

本実施の形態では、インペラケーシング３２の内側にケーシングライナ６１が嵌挿されている。羽根車２０の外周先端は、僅かな間隙をもってケーシングライナ６１の内面に対向している。すなわちケーシングライナ６１は、僅かな間隙をもって羽根車２０を囲んでいる。本実施の形態の羽根車２０はオープン型であり、羽根外周側の先端がライナで囲まれている。

ケーシングライナ６１の内面には羽根外周側の先端を囲む部分から上流側にかけて、水の流れ方向に向けられた複数の溝６２が羽根車２０の外周に沿って形成されている。溝６２はいわゆるケーシングトリートメントを形成している。「水の流れ方向に向けられた」とは、流体圧力の勾配方向といってもよく、「水の流れ方向」成分があればよい。具体的には、水の流れ方向が縦方向のとき、（ｂ）に示すように周方向成分のある斜め方向であってもよいし、（ｃ）に示すように周方向成分の無い縦（鉛直）方向であってもよい。

溝の幅はケーシングライナ６１の内面の直径の５〜１０％、深さはケーシングライナ６１の内面の直径の０．５〜２％とするのが好ましい。

溝６２の幅は長さ方向の全長に渡って均等の場合を図示しているが、これに限らず、流れ方向にそって幅を徐々に大きく、又は小さくしてもよい。例えば図中下方から上方に向かって徐々に幅を広くしてもよいし、幅を狭くしてもよい。また複数の溝６２同士の間隔は、周方向に等間隔な場合で図示したが、これに限らず不等間隔としてもよい。

図７のＱ−Ｈカーブを参照してケーシングトリートメントを施した場合の作用を説明する。Ｑはポンプの吐出量、Ｈは揚程の水頭を示す。Ｘはケーシングトリートメントを施さない場合の斜流ポンプの典型的な特性を表すカーブ、Ｙは施した場合のカーブである。

一般に斜流ポンプは運転が容易であり、先行待機運転用の立軸ポンプとして利用されることが多い。一般に斜流ポンプでは、流量Ｑが増加するにつれて揚程Ｈは低下する。そのようないわゆる垂下特性の領域では安定した運転が可能である。ところが、カーブＸには流量が増加すると揚程も増加する領域がある。図中Ｓで示す領域である。このような右上がり特性の領域Ｓではポンプにサージングと称する不安定現象が生じる。

ケーシングトリートメントを施したポンプの特性を表すカーブＹには、右上がり特性がない。しかも効率カーブ（不図示）では、ケーシングトリートメントを施さない場合と比較して効率の低下もほとんど見られない。

先行待機運転では、水槽の水位が低いところから最高水位まで幅広く変化し得るので、一般に揚程Ｈの変化も大きい。したがって揚程Ｈ、水量Ｑについて、安定した運転が可能な範囲が広ければ広いほど好ましい。ケーシングトリートメントを施すと、オープン羽根を有する斜流ポンプに先行待機運転ポンプとして必要な特性を与えることができる。

流路と水槽側とを直接的に連通する連通口が前記ケーシング部に形成された吸込管を備えるので、水槽の水位が連通口の位置まで低下してきたときに、水槽側から流路側に空気を吸い込み得る状態になり、吸込管の下端への空気吸込渦の発生を抑えたいわゆる先行待機運転用の立軸ポンプを提供することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態である立軸ポンプの正面断面図である。 各水位と吸込管の下端から渦状に空気を吸い込んでしまう水位との関係を説明する部分断面図である。 本発明の第２の実施の形態とその変形例である立軸ポンプの部分正面断面図である。 本発明の第３の実施の形態と第１の実施の形態の変形例である立軸ポンプの模式的平面図及び正面図である。 本発明の第４の実施の形態とその変形例である立軸ポンプの正面断面図である。 本発明の実施の形態である立軸ポンプに用いるケーシングトリートメントを説明する部分正面断面図と部分拡大図である。 ケーシングトリートメントを施した立軸ポンプと、それを施さないポンプとを比較して、特性を説明するＱ−Ｈカーブ（性能曲線）図である。 従来の立軸ポンプの正面断面図である。

符号の説明

１０ 立軸ポンプ
２０ 羽根車
２１ 回転軸
３０ ケーシング
３１ 吸込管
３２ インペラケーシング
３６ 流路
５１ 孔
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ スリット
６１ ケーシングライナ
６２ 溝
７１、７１ａ 外ケーシング
７２、７２ａ ステー
７６ 円盤
７８ａ フィン
７８ｂ 渦流防止壁
ＨＷＬ 最高水位
ＬＷＬ 最低水位
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

Claims (7)

1. 先行待機運転用立軸ポンプにおいて；
   縦方向に配置される回転軸により回転し、水槽内の水を吸い込む羽根車と；
   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流路を形成するケーシング部を有する吸込管であって、前記流路と前記水槽側とを直接的に連通する連通口が前記ケーシング部に形成された吸込管とを備える；
   立軸ポンプ。
2. 前記連通口は、前記流路の流れ方向に形成された長孔、又は前記流路の流れ方向に配列された複数の孔である、請求項１に記載の立軸ポンプ。
3. 前記吸込管は、前記ケーシング部の外側に配置された外ケーシングを有する、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
4. 前記立軸ポンプの外側に発生する空気吸込渦を低減させるドーナツ状の円盤であって、前記ケーシング部の外側に浮かべる円盤を備える、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
5. 前記立軸ポンプの外側に発生する空気吸込渦及び水中渦を防止するためのスプリッターを備える、請求項１又は請求項２に記載の立軸ポンプ。
6. 前記羽根車は羽根外周側の先端がライナで囲まれたオープン型であり、該ライナには前記羽根外周側の先端を囲む部分から上流側にかけて、水の流れ方向に向けられた複数の溝が前記羽根の外周に沿って形成されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の立軸ポンプ。
7. 前記水槽の水位が前記吸込管の下端よりも低いときに、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の立軸ポンプを始動する工程と；
   前記水位が前記羽根車の位置に達して前記立軸ポンプが水を吸い上げ始めた後に、前記水位が低下して前記吸込管の下端よりも低いところまで達しても前記立軸ポンプの運転を継続する工程とを備える；
   立軸ポンプの運転方法。

Images