JP2022154443A - 渦防止装置及びポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸込配管の渦防止対策を施しつつポンプ設備の省スペース化を図る。【解決手段】 ポンプ装置は、吸込流入部から吐出水槽へ水を移送する複数のポンプユニットと、ポンプユニットに取り付けられる渦防止装置から構成される。ポンプユニットは、吸込流入部内に一部が配置される吸込管と、吸込管に接続されるポンプ部と、ポンプ部を駆動する駆動源を備える。隣接する２つのポンプユニットは、対応する２つの吸込管が所定の角度をなすように配置される。渦防止装置は、吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、複数のポンプユニットの吸込口から略水平方向に延びる水平渦防止板と、吸込管の吸込口の下方に設けられるスプリッタを備えており、吸込流入部における空気吸込渦と水中渦の形成を防止する。【選択図】図１

Description

本発明は、雨水等の排水をくみ上げるポンプ装置に使用される渦防止装置、及びこの渦防止装置を備えたポンプ装置に関する。

排水機場の排水能力を超える降雨が発生した場合、河川の氾濫や住宅の浸水被害が発生するおそれがある。近年では、気候変動に伴って降雨量が増大する傾向にあることから、氾濫等のリスクが高まっている。このため、既存の排水機場における排水能力の増強の必要性が高まっている。

排水能力を増強するにあたり、大型の排水ポンプを設置することが考えられる。しかし、使用条件や設置場所の制約を考慮しつつ排水ポンプを大型化する必要があることから、多大な製作コスト及び長期の製作期間が必要となる。また、排水ポンプを大型化しただけでは、ポンプの整備時や故障時には排水能力が著しく低下するため、氾濫等のリスク分散の観点からも問題がある。

これに対し、既存の排水機場に多数の排水ポンプを設置して、リスク分散をしつつ排水能力を増強することが考えられる（例えば、特許文献１参照）。多数の排水ポンプを設置する場合、屋外の吸込流入部より吸水するか、あるいは既存ポンプ室内の直下に配置される吸込水槽から吸水することが考えられる。後者の場合、既存の吸込水槽（土木建造物）に開口を形成する必要があり、建造物の強度が低下する原因となる。前者の場合、既存の排水機場に多数の排水ポンプを設置するにあたり、屋外の吸込流入部より吸水することとなるが、既存の排水機場では設置スペースが限られているのが現状である。

また、多数の排水ポンプの設置に伴い吸込配管を数多く設置する場合、隣接する吸込配管の間隔が十分に確保できないため、他の吸込配管から発生するカルマン溝が発達し、空気吸込渦が発生するおそれがある。また、既存の排水機場と水の流入条件が異なることで、吸込流入部での水の流れに偏りが生じたり、吸込配管での水の接近流速が早くなる場合がり、それにより水中渦や空気吸込渦が発生するおそれがある。よって、吸込配管を複数設置する場合、限られたスペースで渦対策を施す必要がある。

特開２０１２－１２７３６０号公報

本発明は上記に鑑みなされたものであり、吸込配管の渦防止対策を施しつつ設備の省スペース化を図ることが可能な渦防止装置及びポンプ装置を提供することを目的とする。

上記に鑑み、本発明の一態様は、吸込流入部から吐出水槽へ水を移送する複数のポンプユニットと、前記ポンプユニットに取り付けられる渦防止装置から構成されるポンプ装置であって、前記ポンプユニットは、前記吸込流入部内に一部が配置される吸込管と、前記吸込管に接続されるポンプ部と、前記ポンプ部を駆動する駆動源を備え、 隣接する２つの前記ポンプユニットは、対応する２つの前記吸込管が所定の角度をなすように配置されており、前記渦防止装置は、前記吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、前記複数のポンプユニットの前記吸込口から略水平方向に延びる空気渦防止板を備える。また、渦防止装置は、吸込口から略鉛直に延びる水中渦防止板を備える。これにより、吸込流入部における空気吸込渦と水中渦の形成を防止する。

本発明の一態様は、吸込流入部内に一部が配置される吸込管と、前記吸込管に接続されるポンプ部と、前記ポンプ部を駆動する駆動源を備えた複数のポンプユニットに取り付けられる渦防止装置であって、前記吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、前記複数のポンプユニットの前記吸込口から略水平方向に延びる空気渦防止板を備える。また、渦防止装置は、吸込口から略鉛直に延びる水中渦防止板を備える。これにより、吸込流入部における空気吸込渦と水中渦の形成を防止する。

本発明によれば、吸込配管の渦防止対策を施しつつ、ポンプ設備の省スペース化を図ることができる。

実施形態に係るポンプ装置の概略構成を示す平面図である。 図１のポンプ装置の側面図である。 図１のポンプ装置を構成するポンプユニットの拡大図である。 渦防止装置を上から見たときの外観斜視図である。 渦防止装置を下から見たときの外観斜視図である。 渦防止装置を下から見たときの平面図である。 １台目のポンプユニットの始動手順の一例を示すフローチャートである。 ２台目のポンプユニットの始動手順の一例を示すフローチャートである。 ポンプユニットの停止手順の一例を示すフローチャートである。 渦防止装置の別の例を示す平面図である。 別の実施形態に係るポンプ装置の概略構成を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態におけるポンプ装置１０の概略構成を示したものであり、図２は、ポンプ装置１０の側面図である。本実施形態におけるポンプ装置１０は、例えば排水機場に設置され、河川等から吸込流入部に流れ込んできた雨水を吐出水槽に排水するための排水システムを構成する。

ポンプ装置１０は、３つのポンプユニット１０Ａ～１０Ｃと、これらポンプユニット１０Ａ～１０Ｃに共通して接続される真空ポンプ１２を備えている。ポンプユニット１０Ａ～１０Ｃの各々は、その吸込管が建屋壁１４に形成された開口（図示せず）を貫通しており、建屋壁１４と一体に形成された土木構造床１６の上に配置される。土木構造床１６の内部は、既存の吸込水槽又は地盤１８である。

本明細書において、ポンプユニット１０Ａ～１０Ｃの構成は共通しているため、特に明記しない限り、以下ではポンプユニット１０Ａについて説明する。なお、符号の末尾がａ～ｃである構成は、それぞれ、ポンプユニット１０Ａ～１０Ｃが有する構成であることを意味する。

図３において、ポンプユニット１０Ａは横軸ポンプであり、吸込管２０ａ、ポンプ部２２ａ、吐出管２４ａと、吐出弁２６ａを有する。吸込管２０ａは、一端側（吸込流入部の側）の開口がベルマウスとなっており、他端側（吐出側）の開口がポンプ部２２ａに接続される。ポンプ部２２ａは、一端側（吸込側）の開口が吸込管２０ａと接続され、他端側（吐出側）の開口が吐出管２４ａに接続される。吐出管２４ａは、一端側（吸込側）の開口がポンプ部２２ａと接続され、他端側（吐出側）の開口が吐出水槽（図示せず）に向けられている。吐出弁２６ａは、吐出管２４ａに設けられる。

ポンプユニット１０Ａは、原動機３０ａと、入力軸及び出力軸を有する減速機３２ａとを有する。原動機３０ａは減速機３２ａの入力軸に接続されており、減速機３２ａの出力軸は、ポンプ部２２ａ内の主軸（図示せず）に接続されている。減速機３２は、入力軸の回転数と出力軸の回転数との比が所定値になるよう、減速比があらかじめ定められている。原動機３０ａが回転すると、減速機３２ａを介して回転力がポンプ部２２ａ内の主軸に伝達され、主軸に接続されたインペラ（図示せず）が回転する。これにより、水が吸込管２０ａからポンプ部２２ａを経由して吐出管２４ａに導かれる。

ポンプユニット１０Ａは、さらに、吸気弁３６ａ、真空破壊弁３８ａと満水検知器４０ａとを有する（図３では、簡略化のためこれら部材をまとめて図示している）。ポンプ部２２ａは、吸気弁３６ａを介して真空ポンプ１２に接続されている。吸気弁３６ａが開いた状態で真空ポンプ１２が駆動することで、ポンプ部２２ａの内部が真空引きされる。真空破壊弁３８ａは、吸込管２０ａ、ポンプ部２２ａ又は吐出管２４ａに設けられ、真空破壊弁３８ａが開くことで吸込管２０ａから吐出管２４ａまでの内部空間の真空状態が破壊され、大気圧となる。

満水検知器４０ａは、吸込管２０ａから吐出弁２６ａまでの空間（ポンプユニット１０Ａの内部の空間）が満水となったことを検知する。満水検知器４０ａにより満水が検知されると、原動機３０ａによりポンプ部２２ａ内のインペラが回転し、さらに吐出弁２６ａが開かれる。これにより水が吸込流入部から汲み上げられ、吐出水槽に移送される。

中央のポンプユニット１０Ａの吸込管２０ａが延びる方向と、隣接するポンプユニット１０Ｂ、１０Ｃの吸込管２０ｂ、２０ｃが延びる方向とがなす角度θ（図１参照）は、９０度未満であることが好ましく、より好ましくは４５度以下である。隣接する吸込管を斜めに配置することにより、必要な据付幅（吐出管と直交する方向に必要となる幅）を減らすことができ、ポンプ装置の処理能力を向上させつつ省スペース化を図ることができる。

吸込管２０ａの下端（吸込口４２ａ）には、本実施形態に係る渦防止装置５０が取り付けられている。図４及び図５に示すように、渦防止装置５０は、吸込口４２ａから略水平方向に延びる空気渦防止板５２を有している。空気渦防止板５２は、全体として扇形の形状を有しており、円弧状の外側縁部を有しており、吸込管２０ａのみならず、隣接する他の２つの吸込管２０ｂ、２０ｃの吸込口４２ｂ、４２ｃにも跨がるように取り付けられている。空気渦防止板５２は、図示しないボルトなどの締結具または溶接によって吸込管２０ａ～２０ｃに固定される。

空気吸い込み渦は、自由表面を形成する水の流れが吸込管２０ａによって分流されるときに生じるカルマン渦が発達することで、発生する。カルマン渦は、吸込管２０ａの下流側に発生し、水の流れ（図１の矢印参照）によって下流側に流される。図１及び図２に示すとおり、吸込流入部には建屋壁１４しかなく、吸込管へ流れる吸込流入部の流れ方向は、建屋壁１４からの方向を除き不特定であり、建屋壁１４からの方向を除き吸込管へ向かって流れることになる。このため、空気渦防止板５２は、水の流れに関して吸込管２０ａ～２０ｃの下流側に取り付けられる。下流側である限り、空気渦防止板５２の吸込管２０ａ～２０ｃへの接合箇所は特に限定されず、図４に示すように吸込管２０ａの下端側の外周面に固定しても良いし、吸込口４２ａ～４２ｃの下側に固定しても良い。

図４において、空気渦防止板５２は、吸込口４２ａ～４２ｃの少なくとも一部を囲む形状を有しているが、空気渦防止板５２が吸込口４２ａ～４２ｃの全周を囲むように配置されていても良いが、好ましくは吸込口４２ａ～４２ｃの半周以下である。

一般に、吸込流入部を流れる水の自由表面が穏やかなほど、渦は発生しやすくなる。水の自由表面状態は、次式で定義されるフルード数により評価することができる。
フルード数（Ｆｒ）＝ｖ／（ｇｈ）^1/2 ・・・（１）
ここで、ｖは水の流速、ｇは重力加速度、ｈは水深を表す。フルード数が１に近づくほど水面が波立ち、フルード数が０に近づくほど穏やかな水面となる。また、式（１）から分かるように、水位が高くなるほどフルード数は０に近づく（渦は発生しやすくなる）。

図２に示すように、空気渦防止板５２は、水平方向に突出していることから、低水位時における見かけ上の水深ｈ’が実際の水深ｈより浅くなる（ｈ’＜ｈ）。このため、吸込流入部を流れる水の自由表面が乱され、フルード数が大きくなる。また、カルマン渦が発生した場合でも、水平方向に突出した渦防止板に遮られるため、カルマン渦から空気吸い込み渦への成長を防止することができる。

このように、空気渦防止板５２を設けることで、吸込流入部が低水位のときに発生しうる空気吸い込み渦を効果的に防止することができる。また、空気渦防止板５２は吸込口４２ａに流入する水の流れを妨げないため、ポンプ装置の性能が損なわれることもない。

また、図５に示すように、本実施形態に係る渦防止装置５０は、空気渦防止板５２の外側縁部から垂直方向に突出したウイング部５４をさらに備えている。渦防止装置５０の空気渦防止板５２とウイング部５４は、一体に形成されている。

吸込流入部の水位が高い場合、水の自由表面は比較的穏やかとなり、実揚程が低くなることから、ポンプによって移送される水の流量が大きくなる。よって、水位がある程度高くなると、渦が発生しやすくなる場合がある。本実施形態では、垂直方向に突出したウイング部５４の付近によどみ部が発生し、これが渦の進路にある水の流れを乱すため、渦が吸込口４２ａに到達するのを妨げる。よって、ウイング部５４を設けることにより、高水位時における空気吸い込み渦の形成を効果的に防止することができる。

また、本実施形態に係る渦防止装置は、各吸込管２０ａ～２０ｃの吸込口４２ａ～４２ｃ下端に取り付けられたベルスプリッタ（水中渦防止板）５６ａ～５６ｃを備えている。図６に示すように、ベルスプリッタ５６ａは、互いに略１２０度の角度をなすように対称に配置された３つのプレート部を一体化した構造を有しており、ポンプ付近に生じうる旋回流を阻止することで、渦の発生を防止するものである。なお、図示を省略したが、他のベルスプリッタ５６ｂ、５６ｃも、図６のベルスプリッタ５６ａと同じ形状を有している。

これら空気渦防止板及びベルスプリッタを備えた渦防止装置を設けることにより、ポンプ装置１０の吸込口４２ａ～４２ｃの付近で生じうる渦（空気吸込渦及び水中渦）の形成を効果的に防止することができる。なお、ベルスプリッタを省略した渦防止装置を用いても良く、この場合であっても空気吸込渦の形成を効果的に防止することができる。

図７は、上記構成に係るポンプ装置におけるポンプユニットの始動手順の一例を示すフローチャートである。なお、複数あるポンプユニット１０Ａ～１０Ｃを始動させる順番については、固定でもよいし、順繰りに変更してもよい。以下では、ポンプユニット１０Ａを１台目の運転号機であるとして、説明を行う。また、以下の説明において、ポンプユニット１０Ａ～１０Ｃの始動及び停止制御は、ポンプ装置に接続された制御装置（不図示）により自動で行うように構成しても良く、あるいは、オペレータが制御盤（不図示）を手動で操作することでポンプユニット１０Ａ～１０Ｃの始動及び停止を行うようにしても良い。

まず、初期条件として、１台目の運転号機となるポンプユニット１０Ａの吐出弁２６ａは閉状態とされる。また、吸気弁３６ａは閉状態とされ、真空破壊弁３８ａは開状態とされる（ステップＳ１０）。これにより、吸込管２０ａから吐出弁２６ａに至る空間は大気開放状態となる。

また、初期条件として、他のポンプユニット１０Ｂ、１０Ｃの吐出弁２６ｂ、２６ｃはいずれも閉状態とされる。また、１台目のポンプユニット１０Ａと同様に、他のポンプユニット１０Ｂ、１０Ｃの吸気弁３６ｂ、３６ｃは閉状態とされ、真空破壊弁３８ｂ、３８ｃは開状態とされる。

吸込流入部に設けられた図示しない水位計により、吸込流入部の水位が吸込管２０ａの吸込口４２ａの高さ以上、かつ、１台目運転水位以上となったことが検知されると（ステップＳ１１で「Ｙ」）、吸気弁３６ａが開状態と、真空破壊弁３８ａは閉状態とされ、真空ポンプ１２が稼働される（ステップＳ１２）。これにより、吸込管２０ａから吐出弁２６ａまでの空間が真空引きされる。

吸込管２０ａから吐出弁２６ａまでの空間が満水になったことが満水検知器４０ａによって検知されると（ステップＳ１３で「Ｙ」）、吸気弁３６ａが閉状態とされるとともに、真空ポンプ１２が停止される（ステップＳ１４）。

そして、原動機３０ａが稼働されてポンプ部２２ａのインペラが回転し（ステップＳ１５）、ポンプユニット１０Ａの吐出弁２６ａが開状態とされる（ステップＳ１６）。以上の動作により、１台目のポンプユニット１０Ａにより、吸込流入部内の水が汲み上げられ、吐出水槽に向けて排水される。

図８は、ポンプ装置の２台目の運転号機に係るポンプユニットの始動手順の一例を示すフローチャートである。以下では、ポンプユニット１０Ｂが２台目の運転号機であるとして、説明を行う。

初期状態として、２台目の運転号機となるポンプユニット１０Ｂの吐出弁２６ｂは閉状態とされる。また、吸気弁３６ｂは閉状態とされ、真空破壊弁３８ｂは開状態とされる（ステップＳ２０）。これにより、吸込管２０ｂから吐出弁２６ｂに至る空間は大気開放状態となる。なお、１台目の運転号機に係るポンプユニット１０Ａの吐出弁２６ａは開状態とされる。また、３台目のポンプユニット１０Ｃについては、吐出弁２６ｃは閉状態とされる。

その後、吸込流入部の水位が、吸込管２０ｂの吸込口４２ｂの高さ以上、かつ２台目運転水位となったことが検知されると（ステップＳ２１で「Ｙ」）、吸気弁３６ｂが開状態、真空破壊弁３８ａは閉状態とされるとともに、真空ポンプ１２が稼働される（ステップＳ２２）。これにより、吸込管２０ｂから吐出弁２６ｂまでの空間が真空引きされる。吸込管２０ｂから吐出弁２６ｂまでの空間が満水になったことが満水検知器４０ｂによって検知されると（ステップＳ２３で「Ｙ」）、吸気弁２６ｂが閉状態とされるとともに、真空ポンプ１２が停止される（ステップＳ２４）。そして、原動機３０ｂが稼働されてポンプ部２２ｂのインペラが回転し（ステップＳ２５）、ポンプユニット１０Ｂの吐出弁２６ｂが開状態とされる（ステップＳ２６）。以上の動作により、２台目のポンプユニット１０Ｂにより、吸込流入部内の水が汲み上げられ、吐出水槽に向けて排水される。

３台目の運転号機に係るポンプユニットの始動手順は図８と同様であるので、説明を省略する。

図９は、１台目の運転号機に係るポンプユニットの停止手順の一例を示すフローチャートである。なお、複数あるポンプユニット１０Ａ～１０Ｃが駆動している場合に、これらを停止させる順番については、固定でもよいし、順繰りに変更してもよい。以下では、ポンプユニット１０Ａを最初に停止させるものとして、説明を行う。

ポンプユニットが駆動中に吸込流入部の水位が所定値より低下したことが検知されると（ステップＳ３０で「Ｙ」）、開状態となっているポンプユニット１０Ａの吐出弁２６ａが閉状態とされる（ステップＳ３１）。そして、吸込水槽の水位に応じて原動機３０ａが停止される（ステップＳ３２）。これにより、ポンプユニット１０Ａは吸込流入部から吐出水槽への排水を停止する。２台目以降のポンプユニットの停止手順も同様であるので、説明を省略する。

上記の実施形態では、３つのポンプユニットから構成されるポンプ装置を例にして説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、２つ又は４つ以上のポンプユニットを設けた場合に対しても、等しく適用することができる。４つ以上のポンプユニットを用いる場合、単一のガードマウスを用いても良く、複数のガードマウスから渦防止装置を構成してもよい。あるいは、上述した３つのポンプユニットから構成されるポンプ装置を複数台設置しても良い。例えば、ポンプユニットを９台設ける場合、３つのポンプ装置を排水機場に並べて設置するようにしても良い。

上記の実施形態では、空気渦防止板５２の外側縁部の形状を円弧状としているが、本発明はこれに限られることはなく、空気渦防止板５２が長方形、五角形等の多角形になるように、外周縁部を複数の直線で構成してもよい。

上記の実施形態では、複数の吸込管２０ａ～２０ｃと結合する一体型の空気渦防止板５２を用いた場合を例にして説明しているが、本発明はこれに限定されることはなく、図１０に示すように、吸込管２０ａ～２０ｃの各々に対応した渦防止板ユニット５８ａ～５８ｃをそれぞれ設け、これら渦防止板ユニット５８ａ～５８ｃをボルト及びナットによる締結具６０で結合させるように構成しても良い。これにより、一体化された場合と比べ渦防止板のサイズが小さくなり、排水機場まで運搬する作業を効率化することができる。

上記の実施形態では、ポンプユニットの吸込管と吐出管が平行になるように構成しているが、本発明はこれに限定されず、例えば図１１に示すように、隣接するポンプユニットの吸込管のなす角度θを維持しつつ、吐出管が略平行になるように配置指定も良い。これにより、ポンプ装置全体の省スペース化を図ることができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１０ ポンプ装置
１０Ａ～１０Ｃ ポンプユニット
２０ａ～２０ｃ 吸込管
２２ａ～２２ｃ ポンプ部
２６ａ～２６ｃ 吐出弁
３０ａ～３０ｃ 原動機
５０ 渦防止装置
５２ 水中渦防止板
５４ ウイング部
５６ａ～５６ｃ ベルスプリッタ
５８ａ～５８ｃ 渦防止板ユニット

Claims (6)

1. 吸込流入部から吐出水槽へ水を移送する複数のポンプユニットと、前記ポンプユニットに取り付けられる渦防止装置から構成されるポンプ装置であって、
   前記ポンプユニットは、前記吸込流入部内に一部が配置される吸込管と、前記吸込管に接続されるポンプ部と、前記ポンプ部を駆動する駆動源を備え、
   隣接する２つの前記ポンプユニットは、対応する２つの前記吸込管が所定の角度をなすように配置されており、
   前記渦防止装置は、前記吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、前記複数のポンプユニットの前記吸込口から略水平方向に延びる空気渦防止板を備えており、前記吸込流入部における空気吸込渦の形成を防止することを特徴とする、ポンプ装置。
2. 前記渦防止装置は、前記空気渦防止板の外側縁部から上方に延びるウイング部を備えることを特徴とする、請求項１記載のポンプ装置。
3. 前記渦防止装置は、前記吸込管の前記吸込口の下方に設けられる水中渦防止板をさらに備えることを特徴とする、請求項１又は２記載のポンプ装置。
4. 前記渦防止板は、前記吸込管の各々に対応して設けられる複数の渦防止板ユニットと、前記複数の渦防止ユニットを締結する締結具とを備えたことを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項記載のポンプ装置。
5. 前記渦防止板は、前記吸込流入部での水の流れ方向に関して前記吸込管の下流側に配置されることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１項記載のポンプ装置。
6. 吸込流入部内に一部が配置される吸込管と、前記吸込管に接続されるポンプ部と、前記ポンプ部を駆動する駆動源を備えた複数のポンプユニットに取り付けられる渦防止装置であって、
   前記吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、前記複数のポンプユニットの前記吸込口から略水平方向に延びる空気渦防止板を備え、前記吸込流入部における空気吸込渦の形成を防止することを特徴とする、渦防止装置。

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