JP2006250071A - 揚水ポンプとその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低水位時における空気の吸い込みに起因するポンプの振動を低減させ、円滑な先行待機運転を継続的に行うことができる揚水ポンプとその運転方法を提供する。
【解決手段】 この揚水ポンプは、吸込口２６ａを下向きに開口させたポンプケーシング１６と、このポンプケーシング１６内において縦軸線の周りに回転する羽根車２０と、羽根車２０の上流側において前記ポンプケーシング１６に設けられた吸気口３６と、一端を吸気口３６に連通させた吸気管３８とを備えている。この吸気管３８の他端は少なくとも２つの分岐管４０ａ，４０ｂに分岐している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、降雨時の下水への過度の集水を抑制するために貯水ピットに設けられている揚水ポンプとその運転方法に関する。

ポンプ機場は、大雨時の下水道の溢水を防ぐために、所定の下水の集合箇所に設けられている。すなわち、下水の流入口と流出口とを備えた貯水ピットに排水用の立形ポンプを配備しておき、貯水ピットの貯水レベルが所定の高さを超えた時にポンプを作動させて河川等へ排水を行うようにしている。

このようなポンプ機場において、従来、先行待機運転という運転方法が採用されている。これは、降雨が有って、下水道に多量の雨水の流入が予想される場合、流入が始まる前にポンプを始動（空運転）しておき、雨水、汚水等の急激な流入に対して遅滞なく排水を行なうものである。ポンプの作動により、一旦貯水レベルが低下しても、同様にポンプを空運転して、次の流入に備えておく。

図４は、この種の運転を行う揚水ポンプの一例を示す図であり、貯水ピット１０に、鉛直方向に上から配列されたＬ字状の揚水管ケーシング（ケーシング本体）２２、ライナケーシング２４、吸込管２６を一体にしたポンプケーシング１６が設けられて構成されている。ポンプケーシング１６内には縦方向の回転軸１８により駆動される羽根車２０が設置され、図示しないモータにより羽根車２０を回転駆動することでポンプケーシング１６の吸込側から液体を吸い込んで吐出側から吐き出すようになっている。揚水管ケーシング２２の下流側には河川等につながる排水管２８が接続されている。

この揚水ポンプでは、吸込管２６の羽根車２０より下側の位置に、最低水位ＬＷＬからｈ≒ｖ^２／２ｇだけ低い位置ＬＬＷＬに貫通した吸気口３６を設けている。ここで、最低水位ＬＷＬは、吸気口３６および吸気管３８が無い場合に、揚水ポンプの運転により水位が下降する時に、ポンプケーシングの外側の水面から渦巻状に空気を吸い込み始める水位であり、吸込管の口径などの構造や排水能力によって決まるポンプに固有の値である。また、ｖは定格運転時におけるその部分の水の流速であり、ｇは重力加速度である。この吸気口３６には吸気管３８が取り付けられ、吸気管３８は上方で大気中に開口している。なお、図中、ＨＷＬは貯水ピット１０の最高水位、ＳＬＷＬは羽根車の下端の水位である。

この揚水ポンプでは、羽根車２０よりも水面が低い状態で待機運転をすると、羽根車２０は空中で回転し、揚水は行われない空運転となる。貯水ピット１０内に雨水、汚水が流入してＳＬＷＬまで水位が上昇すると、吸気管３８の開口から空気を吸い込みながら水も汲み上げる気水混合運転が行われる。さらに、水位が最低水位ＬＷＬに上昇すると、水位によるヘッドで吸気管３８からの空気の吸い込みはなくなり、通常の排水運転が行われる。

一方、排水が進み、貯水ピット１０の水位が低下して最低水位ＬＷＬになると、吸気管３８の開口から空気が自動的に吸い込まれて気水混合運転が始まる。したがって、ポンプがケーシングの外部から吸込渦を吸い込んで、ケーシングが振動するような事態が防止される。水位がＬＬＷＬまで低下すると、吸気管が通気状態となってポンプケーシング１６内の水が真空破壊し、排水は停止する。羽根車上方の揚水は、羽根車の回転作用により徐々に落下し、いずれ羽根車の周囲の空間が空気で満たされて空運転に戻る。このような水位変動に伴う排水運転と空運転を繰り返すことにより、先行待機運転が継続的に行われる。

特開２００２−２６６７８６号公報

しかしながら、図４に示すような従来の技術においては、水位が最低水位ＬＷＬ以下になって気水混合運転になると、羽根車の近傍には比重の大きく異なる水と空気が混合して流入することになるため負荷がアンバランスになり、ポンプ自身の振動が増加する傾向が見られる。特に、水位が低下し、空気管取付位置であるＬＬＷＬ付近まで下がると高振動が発生する。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、低水位時における空気の吸い込みに起因するポンプの振動を低減させ、円滑な先行待機運転を継続的に行うことができる揚水ポンプとその運転方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の揚水ポンプは、吸込口を下向きに開口させたポンプケーシングと、該ポンプケーシング内において縦軸線の周りに回転する羽根車と、前記羽根車の上流側において前記ポンプケーシングに設けられた吸気口と、一端を前記吸気口に連通させた吸気管とを備えた揚水ポンプにおいて、前記吸気管の他端は少なくとも２つに分岐していることを特徴とする。これにより、水位変動に応じて、吸気管の全体としての通気抵抗を調整することができる。

請求項２に記載の揚水ポンプは、請求項１に記載の発明において、前記少なくとも２つに分岐されている吸気管において、一方の分岐管には、開閉を操作する開閉弁が設けられていることを特徴とする。開閉弁の開閉操作により、吸気管の全体としての通気抵抗の切換および調節が容易に行える。

請求項３に記載の揚水ポンプは、請求項２に記載の発明において、他方の分岐管には流路を狭めるオリフィスが設けられていることを特徴とする。これにより、内径の異なるオリフィスを交換することにより、流路の通気抵抗の調整が容易に行える。

請求項４に記載の集合ポンプ装置は、請求項１ないし請求項３に記載の揚水ポンプを、複数台、同一貯水ピットに配置し、複数台のポンプのうち少なくとも１台以上の羽根車の高さ方向の位置が異なるように配置したことを特徴とする。これにより、揚水ポンプの揚水動作に時間差が生じ、貯水ピット内の急激な水位変動が抑制される。

請求項５に記載の揚水ポンプの運転方法は、貯水ピット内に垂下して吸込口を下向きに開口させたポンプケーシングと、該ポンプケーシング内において縦軸線の周りに回転する羽根車と、前記羽根車の上流側において前記ポンプケーシングに設けられた吸気口と、一端を前記吸気口に連通させ、他端を少なくとも２つに分岐させた吸気管とを備えた揚水ポンプの運転方法において、前記吸気管の通気抵抗を少なくとも２段階に切り換え、第１の通気抵抗においては、前記羽根車の回転により揚水作用を続けることができる最低水位にまで前記貯水ピット内の水位が低下した場合でも、吸込渦を形成しない程度に吸込空気量を供給し、第２の通気抵抗においては、前記羽根車の下端より下の所定の水位に低下した時に前記揚水ポンプ内の水の真空破壊が起きる程度の吸込空気量を供給することを特徴とする。

請求項１ないし請求項４に記載の揚水ポンプまたはその運転方法によれば、貯水ピット内の水位が水の押し込みヘッドと前記羽根車の回転により揚水作用を続けることができる最低水位にまで低下した場合でも前記揚水ポンプの振動を防止しつつ外部で吸込渦を形成しない程度の吸込空気量を供給することができるので、水位がそのような最低水位近傍で推移する場合でも、揚水ポンプを安定した状態で継続的に運転することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態の揚水ポンプを示す断面図である。この揚水ポンプは、貯水ピット１０を覆う床板１２上に設置されたベース１４に取り付けられており、貯水ピット１０内に垂下するポンプケーシング１６と、その内部に配置された垂直な回転軸１８を有する羽根車２０と、回転軸１８に減速機を介して連結されてこれを回転駆動するモータ（図示略）とを備えている。

ポンプケーシング１６は、鉛直方向に上から配列されたＬ字状の揚水管ケーシング（ケーシング本体）２２、ライナケーシング２４、および吸込管２６が、互いにフランジを介して結合されて構成されている。吸込管２６はその下端の吸込口２６ａに向けてラッパ状に拡径している。揚水管ケーシング２２の下流側には河川等につながる排水管２８が接続されている。回転軸１８は、２つのラジアル軸受３０，３２と、図示しないスラスト軸受により支持され、揚水管ケーシング２２を挿通する部分においてシール部材３４によりシールされている。

吸込管２６には、図４に示す従来の技術と同様に、羽根車２０の先端よりも下側の位置であって、最低水位ＬＷＬからｈ≒ｖ^２／２ｇだけ低い位置ＬＬＷＬにおいて貫通する吸気口３６が設けられ、該吸気口３６には吸気管３８が接続されている。吸気口３６は、図示例では１つであるが、周方向に等間隔となるように複数設けてもよい。その場合は吸込管２６の該当個所に環状の空気室を設けるとよく、また、図２に示すように、吸気口３６ａを空気室３９の内面に周方向に延びるスリット状に形成してもよい。なお、水位ＨＷＬ、ＬＷＬ、ＳＬＷＬ、ＬＬＷＬは、図４に示す従来の場合と同じである。

吸気管３８は吸気口３６から水平方向に延び、上方に向けて屈曲している。これらの上端は、この実施の形態では、いずれも最高水位ＨＷＬを超えて延び、常時大気中に開口している。したがって、先端が水に浸漬することがなく、浮遊するスカム等が吸気管３８に流入することもない。なお、この実施の形態では、吸気管３８は床板の上に延びているが、下側に開口させてもよい。

吸気管３８の上端部は、２つの分岐管４０ａ，４０ｂに分岐している。第１の分岐管４０ａには、管路を狭めるオリフィス４２が設けられ、第２の分岐管４０ｂには、図示しないアクチュエータにより開閉駆動される開閉弁４４が設けられている。なお、吸気管３８の分岐は、上端でなくてもよい。また、分岐管４０ａ，４０ｂは、一つの管にまとめてあってもよく、例えば、ヘッダー管でまとめてもよい。この開閉弁４４には、貯水ピット１０内に設けた水位センサ４６の出力信号が入力されるようになっており、貯水ピット１０内の水位に応じて開閉制御されるようになっている。この実施の形態では、水位が吸気口３６の水位ＬＬＷＬより上にあれば閉となり、下にあれば開となるように設定されている。

オリフィス４２の径は、貯水ピット１０の水位が最低運転水位ＬＷＬ以下になっても、ポンプケーシング１６の外部から吸込管２６の開口を介して空気を吸い込むことを防止できる程度の吸気量として、そのとき吸気管３８を通る吸気量を確保できる最小限の大きさに設定されている。したがって、オリフィス４２の通気抵抗は図４に示す従来の吸気管３８に比較してかなり大きい。吸気管３８、第１および第２の分岐管４０ａ，４０ｂは、充分小さい通気抵抗を有している。また、この例ではオリフィスを示したが、前記目的を達成するため、吸気量を絞る機能を備える機器であればよい。例えば、絞りバルブ等の流量調整器であってもよい。

以下、この実施の形態の揚水ポンプの運転制御について説明する。
運転開始時の貯水ピット１０内の水位は例えば吸込管２６の下端より下にあり、揚水ポンプは停止しており、第２の分岐管４０ｂの開閉弁４４は開いている。降雨が有って貯水ピット１０内の水位が上昇すると予測されると揚水ポンプは先行待機運転に入る。

待機運転開始に際しては、第２の分岐管４０ｂの開閉弁４４は開状態である。水位が吸込管２６の下端位置まで上昇しても、吸気管３８から充分な流量の空気が流入するので、揚水が行われることはない。さらに水位が上昇して吸気口３６の水位ＬＬＷＬに達すると、水位センサ４６からの信号によって第２の分岐管４０ｂの開閉弁４４が閉となり、吸気は第１の分岐管４０ａのオリフィス４２を通過するもののみとなる。なお、第２の分岐管４０ｂの開閉弁４４は、完全に閉ではなく開度の絞りを調整してもよいので、吸気は、第１の分岐管４０ａのオリフィス４２を通過するもののみに限られない。

水位がさらに上昇して羽根車２０の下端ＳＬＷＬに到達すると、吸気菅３８の吸気口３６側が負圧になって、吸気菅３８から空気が吸気口３６よりポンプ内に流入するので、気水混合運転状態となる。ここにおいて、空気はオリフィス４２により絞られた経路を通過して流入するので、空気の混合比率は従来の場合に比べて小さい。したがって、羽根車２０への負荷のアンバランスも小さく、大きな振動の発生が抑制される。
さらに水位が上昇して最低水位ＬＷＬに達すると、水位によるヘッドで吸気口３６部の内側の圧力も上昇し、空気の吸い込みはなくなり、通常の運転状態となる。

次に、貯水ピット１０への入水量が揚水量を下回るようになって水位が低下する場合には、上記と逆の工程をたどる。すなわち、水位が最低水位ＬＷＬになると吸気口３６の内側部分が負圧になり、吸気管３８からの空気が流入し、気水混合運転状態となる。ここでも、空気はオリフィス４２により絞られた経路を通過して流入するので、空気の混合比率は従来の場合に比べて小さい。したがって、羽根車２０への負荷のアンバランスも小さく、大きな振動の発生が抑制される。また、所定量の空気が流入し、吸気口３６の内側部分の負圧が緩和されるので、ポンプケーシング１６の外部から渦流れを伴う空気の吸い込みが起きることはなく、それに伴うポンプの振動の発生も防止される。

さらに水位が下がり、羽根車２０の下端ＳＬＷＬに到達すると、羽根車２０は吸気口３６から空気を吸引するが、充分な吸気量ではないので、ポンプケーシング１６内の負圧が維持されている。

さらに水位が下がり、吸気口３６の水位ＬＬＷＬに達すると、水位センサ４６からの信号によって第２の分岐管４０ｂの開閉弁４４が開となり、吸気量が増加してポンプケーシング１６内の水が真空破壊し、ポンプ内の水位は外と同じになる。この揚水ポンプでは、このように内外の水位差が小さい段階で真空破壊するので、水位がさらに低下してから真空破壊する場合に比べて、大きな振動や衝撃音の発生が防止される。

真空破壊した状態で、揚水ポンプは吸気口３６から空気を吸い込みながら空運転（待機運転）をする状態になる。さらに、水位が上昇すれば、上記工程を繰り返して運転動作を行う。さらに水位が下降して待機運転が停止されれば、揚水ポンプも停止する。

このように、この実施の形態の揚水ポンプでは、吸気管３８に２つの流路、すなわち、分岐管４０ａ，４０ｂを並列して設け、これらの流路を組み合わせて用いることにより、全体としての吸気管３８の通気抵抗を段階的に切り換えることができる。したがって、気水混合運転状態では大きい通気抵抗で吸気することによって、過度の空気の流入を抑え、空気の比率を所定値以下に保って、羽根車２０等に掛かる負荷のアンバランスを抑制し、それに起因する揚水ポンプの振動発生を抑制することができる。また、水位の変化に応じて通気抵抗を小さくするように段階的に切り換えることにより、適切な水位において水流の連続性を真空破壊させて、その際の振動や衝撃音の発生を抑制または防止することができる。

なお、開閉弁４４の開閉の切換の水位は、羽根車２０の下方ＬＬＷＬより下であって吸込管２６の下端より上方の適宜の位置に設定することができる。また、この実施の形態では一方の分岐管に通気抵抗を設けたが、分岐管のそれぞれに通気抵抗を設けてもよい。また、分岐菅は、２つに分岐させる例を示したが、２つ以上に分岐させてもよく、その場合に、各分岐菅のそれぞれに備えたオリフィス等と開閉弁について、水位に応じて制御して空気の流入量を調整することも好ましい。

図３は、この発明の他の実施の形態を示すもので、貯水ピット１０に上述した揚水ポンプが複数（この例では３台）設置された集合ポンプ装置である。通常、ポンプ機場の貯水ピット１０にはこのように複数の揚水ポンプが配置され、入水量に合わせて必要な台数を稼動させるように、あるいは、予備として用いるようにしている。

３台の揚水ポンプＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３は、揚水管ケーシング２２ａ，２２ｂ，２２ｃの長さが異なるようになっており、したがって、貯水ピット１０に設置した状態において羽根車２０の位置がそれぞれ異なっている。この点以外は、各揚水ポンプＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３は基本的に同じ構造であり、それぞれのポンプのＬＷＬ，ＳＬＷＬ，ＬＬＷＬの各水位は互いに異なっている。これらの揚水ポンプＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３の開閉弁４４の開閉位置は、それぞれの吸気口３６の位置である。

この集合ポンプ装置では、各揚水ポンプによる揚水の発停が時間差を付けてなされる。例えば、増水時には、最初に一番低い位置の揚水ポンプが揚水を開始し、順次他の揚水ポンプが揚水を行うので、入水量よりも多い過大な揚水を行って貯水ピット１０内の水位を変動させるような事態が防止され、また、電源設備に対する負担も軽減できる。

なお、この実施の形態では、揚水管ケーシング２２ａ，２２ｂ，２２ｃの長さを異なるようにして羽根車の高さ方向の位置を変えたが、同一構造の揚水ポンプを取付位置を変えることによって高さ方向の位置を変えるようにしてもよい。また、この実施の形態では、各揚水ポンプの吸込口２６ａの開口高さ位置は、本実施例の図では異なっているが、同じ高さ位置にしてもよい。

この発明の第１の実施の形態の揚水ポンプの構成を示す断面図である。 この発明の第２の実施の形態の揚水ポンプの構成を示す断面図である。 この発明の揚水ポンプを集合ポンプ装置に応用した実施の形態の構成を示す断面図である。 従来の揚水ポンプの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 貯水ピット
１６ ポンプケーシング
１８ 回転軸
２０ 羽根車
２６ 吸込管
２６ａ 吸込口
３６，３６ａ 吸気口
３８ 吸気管
４０ａ，４０ｂ 分岐管
４２ オリフィス
４４ 開閉弁
４６ 水位センサ

Claims (5)

1. 吸込口を下向きに開口させたポンプケーシングと、
   該ポンプケーシング内において縦軸線の周りに回転する羽根車と、
   前記羽根車の上流側において前記ポンプケーシングに設けられた吸気口と、
   一端を前記吸気口に連通させた吸気管とを備えた揚水ポンプにおいて、
   前記吸気管の他端は少なくとも２つに分岐していることを特徴とする揚水ポンプ。
2. 前記少なくとも２つに分岐されている吸気管において、一方の分岐管には、開閉を操作する開閉弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の揚水ポンプ。
3. 他方の分岐管には流路を狭めるオリフィスが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の揚水ポンプ。
4. 請求項１ないし請求項３に記載の揚水ポンプを、複数台、同一貯水ピットに配置し、複数台のポンプのうち少なくとも１台以上の羽根車の高さ方向の位置が異なるように配置したことを特徴とする集合ポンプ装置。
5. 貯水ピット内に垂下して吸込口を下向きに開口させたポンプケーシングと、
   該ポンプケーシング内において縦軸線の周りに回転する羽根車と、
   前記羽根車の上流側において前記ポンプケーシングに設けられた吸気口と、
   一端を前記吸気口に連通させ、他端を少なくとも２つに分岐させた吸気管とを備えた揚水ポンプの運転方法において、
   前記吸気管の通気抵抗を少なくとも２段階に切り換え、
   第１の通気抵抗においては、前記羽根車の回転により揚水作用を続けることができる最低水位にまで前記貯水ピット内の水位が低下した場合でも、吸込渦を形成しない程度に吸込空気量を供給し、
   第２の通気抵抗においては、前記羽根車の下端より下の所定の水位に低下した時に前記揚水ポンプ内の水の真空破壊が起きる程度の吸込空気量を供給することを特徴とする揚水ポンプの運転方法。
   

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