JP3345616B2 - 省スペース排水機場 - Google Patents

省スペース排水機場

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JP3345616B2
JP3345616B2 JP23357093A JP23357093A JP3345616B2 JP 3345616 B2 JP3345616 B2 JP 3345616B2 JP 23357093 A JP23357093 A JP 23357093A JP 23357093 A JP23357093 A JP 23357093A JP 3345616 B2 JP3345616 B2 JP 3345616B2
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誠二 三浦
定司 田中
秀樹 秋庭
節雄 矢沢
重信 長沢
雅之 山田
豊 嶋田
稔 岩崎
滋義 小野
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株式会社 日立インダストリイズ
株式会社 ティーテック
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、排水機場に係り、特に
大容量の大形排水ポンプを備えた治水用の排水機場に関
する。
【0002】
【従来の技術】豪雨や高潮時の降雨により引き起こされ
る河川から溢水等を防いで、流域の浸水被害を防止する
ため、河川等の流下水の一部をポンプにより吸い揚げ
て、流下能力に余裕のある他の河川又は海等に排水する
排水機場が設けられる。
【0003】近年の都市化に伴い、降雨による流下水量
の増加が急激になり、かつ大量化する傾向があり、これ
にあわせて大容量の排水ポンプを複数台設ける等、排水
機場も大規模化されている(例えば、エハラ時報第10
9号(1979年)第18頁〜第23頁参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】都市部においては用地
難等の理由により、大規模な排水機場を建設するための
用地を取得することが容易ではない。したがって、排水
機場の面積を小さくすることが最も重要な課題の1つに
なっている。しかし、従来の排水機場は面積を小さくす
ること、すなわち省スペースの点について十分に配慮さ
れていないという難点があった。
【0005】本発明の目的は、排水機場の面積を小さく
した省スペース排水機場を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】排水機場の所要面積を小
さくすべく検討した結果、全体の配置は従来と同様、基
本的に立軸型の排水ポンプを複数台並べて配置し、これ
らの排水ポンプの配列方向に延在させてかつそれらの排
水ポンプ列を挟んで吸込水槽と吐出水槽を配置し、各水
槽と排水ポンプとを直線的に吸込流路と吐出流路を介し
て接続する構成とする。このような配置の場合、吸込水
槽と吐出水槽を結ぶ方向(以下、水流方向という。)の
寸法は、主として吸込水槽の所要面積、水路内の整流を
確保するのに必要な吸込流路と吐出流路の長さ、及び排
水ポンプの駆動装置を構成する原動機、減速機、その他
の補機及び保守用のスペースによって定まること、一方
それに直交する方向の寸法は主として吸込流路の水路幅
により定まってくることが判明した。そこで、排水機場
の所要面積を小さくするには、吸込水槽を小形化すると
ともに、吸込流路の幅を小さくすることが効果的であ
る。
【0007】吸込水槽の所要面積や吸込流路の幅を小さ
くするにはそれらの深さを大きくすること、又は水流の
流速を上げることが考えられるが、流路等を深くするの
は掘削深さが増し建設コストが増大するので好ましくな
い。一方、流速を上げると吸込流路の吸込口及び排水ポ
ンプの吸込口にて渦流が発生しやすくなり、空気の吸込
みによる排水ポンプの振動、騒音、効率低下等の問題の
他、各部における損失が増大し、総合的な排水ポンプ効
率が低下してしまうという問題を生ずる。
【0008】そこで、本発明は、高流速化により生ずる
渦流の発生を防止又は低減する手段を種々講じ、可能な
限り高流速化することにより省スペース排水機場を実現
したのである。
【0009】すなわち、本発明の省スペース排水機場
は、排水が流入される吸込水槽と、この吸込水槽に連通
させて設けられた矩形断面の開水路型の複数の分岐水路
と、この分岐水路にそれぞれ接続された矩形断面の閉水
路型の吸込流路と、この吸込流路内の上部に開口された
吸込ベルマウスを有する縦軸型の排水ポンプと、この排
水ポンプの吐出口に接続された吐出管路とを含んでなる
排水機場において、次の手段を適宜組み合わせて適用し
たことを特徴とする。
【0010】(1)分岐水路と吸込流路との接続部(呑
み口部)の改良 吸込流路と分岐水路の接続部における両者の流路幅を略
等しくし、吸込流路よりも上部の分岐水路の幅を上流側
から接続部に向けて徐々に絞り、かつ接続部における吸
込流路よりも上部に位置する分岐水路の水路端壁を上流
側に傾斜させて形成する。
【0011】(2)吸込流路とポンプ吸込口との接続部
(ポンプ吸込部、その1)の改良 吸込ベルマウスに対向する底壁にその吸込ベルマウスと
同軸に山形の吸込コーンを設けた傘型の吸込流路を適用
し、吸込ベルマウスに対向する底壁を流路の上流側から
その吸込流路の後壁に向けて徐々に上昇させて形成す
る。
【0012】この場合において、吸込流路の上壁と底壁
との距離をHとしたとき、吸込ベルマウスの高さBを
0.3H≦B≦0.6Hとし、吸込ベルマウスの軸心と底
壁との交点より上流側から徐々に底壁を上昇させて吸込
流路の最奥部の後壁における上昇高さをhとしたとき、
0.3H≦h≦0.5Hとなるように形成することが好ま
しい。
【0013】(3)吸込流路とポンプ吸込口との接続部
(ポンプ吸込部、その2)の改良 吸込ベルマウスの軸心を通る面で切った吸込流路の断面
積を、吸込ベルマウスの軸心位置から後壁側に向かうに
連れて一定の変化率で減少させて形成する。
【0014】(4)二重ボリュート型のうず巻ポンプの
ボリュート部の改良 吸込流路などの高流速化により水流に直交する方向の寸
法を小さくできても、立軸うず巻ポンプの場合は平面外
径が大きいので、省スペースがポンプにより制限されて
しまうことがある。そこで、各ボリュートの出口部にお
ける矩形断面の縦/横の比を1.3以上としてボリュー
トの外径を小さくする。さらに、二重ボリュート相互の
隔壁を鋼板で形成して外径を小さくする。二重ボリュー
トの外殻は鋼板を型枠としてコンクリートを打ち込んで
形成する。
【0015】(5)ボール型のポンプ(斜流ポンプ、軸
流ポンプ)の吐出流路の改良 吐出流路が90度のエルボ形であって、入口が円形のも
のにおいて、吐出流路の入口の中央点を通り、この中央
点における流路の方向に直角な平面を入口側基準面、吐
出流路の出口の中央点を通り、この中央点における流路
の方向に直角な平面を出口側基準面、入口側基準面と出
口側基準面との交線を基準線、基準線を通り、吐出流路
を切断する平面を吐出管切断面、入口側基準面と吐出管
切断面とのなす角度をθとそれぞれ定義した場合、吐出
管切断面における吐出流路の内部面積が、角度θが大き
くなるにつれて、増加した後、一旦は減少して、再び増
加し、内部面積に極大値を有するものとする。
【0016】この場合において、角度θが20〜50度
において、内部面積が極大値を有することが好ましい。
また、極大値のときの内部面積が、吐出流路の入口にお
ける内部面積を基準としたときの1.3倍以上であるこ
とが好ましい。
【0017】上記の改良手段を適用することにより、本
発明の省スペース排水機場は、排水機場への流入水を吸
込水槽に受入れ、この吸込水槽から閉水路型の吸込流路
を介して排水ポンプに導き、この排水ポンプにより揚水
して機場外へ排出する排水機場において、吸込水槽から
吸込流路に至る開水路型の分岐水路の有効水路幅を、排
水ポンプの設計吐出量の1m3/秒あたり0.2m以下
にしたことを特徴とする。
【0018】
【作用】上記の解決手段を用いることにより、本発明に
よれば次の作用により、本発明の目的が達成できる。手
段(1)に示したように、吸込流路の呑み口部よりも上
部の分岐水路の幅を上流側から接続部に向けて徐々に絞
り、その部分の分岐水路の水路端壁を上流側に傾斜させ
て形成することにより、開水路の分岐水路から流入水が
円滑に呑み口部に流入し、空気を巻き込むような渦流の
発生を防ぐことができるから、吸込流速を高くできる。
これにより、分岐水路と吸込流路の幅を大幅に低減で
き、省スペースに寄与する。
【0019】手段(2)に示したように、吸込ベルマウ
スに対向する位置の吸込流路の底壁を流路の上流側から
その吸込流路の後壁に向けて徐々に上昇させて形成した
ことから、吸込流路の後壁部に生ずる水流のよどみを低
減でき、よどみによる土砂の堆積を防止できるととも
に、吸込部の損失を小さくでき、その分省スペースに寄
与する。
【0020】手段(3)に示したように、吸込ベルマウ
スの軸心を通る面で切った吸込流路の断面積を、吸込ベ
ルマウスの軸心位置から後壁側に向かうに連れて一定の
変化率で減少させて形成したものによれば、ポンプ吸込
部の各位置における流速の変化(差)が殆どなくなり、
不安定な旋回流の発生を防ぐことができ、これによりポ
ンプ効率を低下させる水中渦の発生がなくなるから、ポ
ンプ効率が向上して省スペースにつながる。
【0021】手段(4)に示したように、各ボリュート
の矩形断面の縦/横の比を1.3以上とし、さらに二重
ボリュート相互の隔壁を鋼板で形成することにより、ボ
リュート部の外径を小さくできるから、直接的に省スペ
ースに寄与できる。
【0022】手段(5)によれば、吐出流路の内周側と
外周側の各Cpの差ΔCpが小さくなり、外周側から内
周側へ向かう二次流れの発生が抑止されるので、二次流
れによる損失が減少する。これによりポンプの総合効率
が向上するので、省スペース化に寄与する。
【0023】
【実施例】以下、本発明を図示実施例に基づいて説明す
る。図1は本発明の一実施例の排水機場の平面配置図を
示し、図2に一部の断面を示す。本実施例の排水機場は
立軸うず巻型の排水ポンプを適用した例であり、設計吐
出量が50m3/秒の3台の排水ポンプP(P1〜P3
を中心に、設計吐出量が25m3/秒の排水ポンプP
(P11とP12)を両側に並べて配置している。吸込水槽
1には図示していない水路を介して河川あるいは都市排
水路から流入水が導入されるようになっている。各排水
ポンプPに対応させて吸込水槽1の一辺部が仕切壁2に
よって区画され、さらに強度上の観点から適宜設けられ
る中仕切壁3により区画されてなる分岐水路4が、各排
水ポンプPに対してそれぞれ2つ形成されている。各分
岐水路4には接続部5において各排水ポンプPに連通す
る吸込流路6の一端が接続されている。
【0024】各吸込流路6の他端の上部に各排水ポンプ
Pの吸込ベルマウス7が開口されている。吸込ベルマウ
ス7に対向する吸込流路6の底壁には、後述するよう
に、傘型の吸込コーン8が設けられ、かつ底壁は上流側
からその吸込流路の後壁9に向けて徐々に上昇させて形
成されている。これらの吸込流路6の端部と、吸込ベル
マウス7と、吸込コーン8とによりポンプ吸込部18を
形成している。
【0025】排水ポンプPは内側ボリュート10と外側
ボリュート11を有する二重ボリュートうず巻型が適用
されている。各ボリュート10,11の出口は吐出水槽
12に連通されている。なお、吸込水槽1と分岐水路4
との間に除塵機13が設けられ、排水ポンプPと吐出水
槽12との間に吐出弁14が設けられている。また、図
1において、符号15は原動機、符号16は減速機、符
号17はポンプ建家をそれぞれ示す。
【0026】ここで、上記実施例の各部の特徴点につい
て説明する。
【0027】(1)分岐水路と吸込流路との接続部(呑
み口部) 図3に分岐水路4と吸込流路6との接続部5の詳細を示
す。同図(a)は平面図、同図(b)は分岐水路4の断
面図、同図(c)は断面図である。図示のように、吸込
流路6との接続部における分岐水路4の幅は、吸込流路
6の幅に略等しく形成されている。吸込流路6よりも上
部における分岐水路4の両側壁の一部21は、同水路の
幅を上流側から接続部5に向けて徐々に絞るように内側
に傾斜させて形成されている。図示例では1.5D(D
は吸込ベルマウスの先端の口径)の水路幅を80%に絞
って1.2Dにしている。絞りは緩やかな曲線が好まし
いが、コンクリートの施工上の容易性から見て、図示の
ように直線的な1段または2段の絞りでも良い。また、
実開昭58−30784号公報で提案されているよう
に、接続部5における吸込流路6よりも上部に位置する
水路の端壁20を上流側に約30度傾斜させて形成す
る。一般に、吸込流速を高流速化すると、図中に点線で
示した渦流A,Bが発生し、その渦流により空気が吸い
込まれて排水ポンプPの運転に振動、騒音等の害を及ぼ
すとともに、効率を低下させる問題がある。これに対
し、本実施例によれば、呑み口部の水流を滑らかにして
渦流の発生を防止又は抑制できるから、有害な空気の吸
い込みを防止して、吸込流速を例えば1.2m/秒以上
にできる。これにより、深さを変えることなく、分岐水
路4の有効水路幅を従来の2.5Dに対して1.5Dに
狭めることができる。
【0028】(2)吸込流路とポンプ吸込口との接続部
(ポンプ吸込部その1) 図4に本実施例のポンプ吸込部の平面図を示し、図5に
図4のX−Xにおける断面図を示す。図示のように、吸
込ベルマウス7に対向する吸込流路6の底壁にその吸込
ベルマウスと同軸の山形の吸込コーン8が形成されてい
る。特に、吸込ベルマウス7に対向する底壁29を流路
の上流側からその吸込流路6の後壁9に向けて徐々に上
昇させて形成している。
【0029】このように構成した理由を説明する。吸込
流路6に流入される水は矢印で示す水流方向30のよう
に吸込コーン8に沿って流れ、吸込ベルマウス7と吸込
管28を通り、さらに図示していない前置案内羽根を通
って排水ポンプに吸い込まれる。図4,5において、3
1は吸込ベルマウス7と上壁32との境界、33は側
壁、9aは最奥部後壁である。従来、吸込流路6の流れ
は流路断面積が徐々に減少するので増速流れであるか
ら、水力損失が小さいとみなされ、水力性能、すなわ
ち、流路形状についてはあまり考慮されてきていない。
しかし、従来形の吸込流路では底壁29を流路の上流側
から真っ直に後壁9に向けて延設していたことから、図
4に点線の矢印34で示すように、後壁9の手前の角部
で流れの停滞が生じ、よどみ領域となって水流に乗って
運び込まれた土砂が堆積しやすいという欠点があった。
この点は、吸込流路の流れの可視化実験を繰り返した結
果により判明した。さらに、よどみの原因は吸込コーン
8の後方と後壁9との間に余分な空間が存在することに
あることを突き止めた。
【0030】そこで、本実施例では、吸込ベルマウス7
の軸心35と底壁29との交点36よりも上流側の底壁
上昇開始位置37から、徐々に底壁29を上昇させて、
吸込コーン8の後方と後壁9との間の余分な空間を除去
し、後壁手前の角部のよどみの程度を低下させ、すなわ
ち、流速の低下を抑え、土砂の堆積を防止した。さら
に、実験的に最適化を進め、底壁29の上昇開始位置を
吸込ベルマウスの軸心35と底壁との交点36より上流
側としたこと、及び底壁29の上昇高さを0.3H≦h
≦0.5H(h:最奥部後壁での上昇高さ,H:流路高
さ)とした。
【0031】この条件について検討する。吸込流路6は
ポンプ羽根車の上流側にあり、ポンプ羽根車への流入流
れの導入部でもある。ポンプ羽根車の性能面からポンプ
羽根車への流入流れは円周方向及び半径方向で一様な速
度分布を持つことが要求されている。吸込ベルマウス7
はその導入部にあり、ポンプ羽根車への流入流れを整流
する役目をしている。吸込ベルマウス7の高さBが0.
3Hより低いときは吸込流路の上流側ばかりから流れが
一気に入り込んで、後壁側から回り込んで入り込む量が
少なくなり、その結果、ポンプ羽根車への流入流れが円
周方向で不均一となり、ポンプ性能を低下させる。次
に、Bが0.6Hより高いときは流れは、あたかも高い
山を乗り越えて流れなければならなくなるので、整流の
役割を持つ吸込ベルマウス7が逆に障害物となってしま
う。そこで流れは大きなエネルギを失ってしまう。これ
はエネルギ損失発生と同じであり、ポンプ運転にとって
は好ましくない。よって、性能の面からは吸込ベルマウ
スの高さはBは0.3H≦B≦0.6Hが好適である。発
明者らはこの構成を実験的に確認し、さらに流れの全体
が停滞することなく、スムーズに流入流出するとよどみ
が発生しないことを念頭に置き、土砂堆積防止の検討を
進めた。底壁29の上昇高さhを0.3H≦h≦0.5H
とした理由は下記による。hが0.3Hより小さいとき
には、吸込コーン8の後方と後壁9との間の余分な空間
の除去割合が小さく、流れの一部が停滞し、よどみの発
生防止にそれほど良好な効果をもたらさなかった。ま
た、hが0.5Hより大きいときには吸込ベルマウス7
の先端と接近しすぎて、流れの出入口が狭まり、後壁及
び後壁寄りの上壁と吸込ベルマウスで囲まれる領域への
流れの出入りがスムーズでなくなり、よどみ発生の確率
が高くなり、そこで、底壁の上昇高さhは0.3H≦h
≦0.5Hとなる。また、hの範囲は0.3H≦B≦0.
6Hの範囲で良好な結果を示した。また、土砂は一般
に、凸部には堆積しにくく、凹部や水平部に堆積しやす
い。本発明では底壁の傾斜開始位置(水平部の終端)を
流速の速い上流側にもってきているので、一層、土砂堆
積の可能性を減少させている。
【0032】このように、吸込コーン8の後方と後壁9
との間の余分な空間を除去し、流れのよどみをなくすこ
とにより、吸込流路6の水力性能を損なうことなく、土
砂が堆積しにくいものにできる。また、本実施例の場合
には、従来構造より底壁29を上昇させているので、掘
削深さが浅く、土木費を低減できる効果もある。さら
に、よどみ領域は局所的渦流領域とも解釈できるので、
その発生を抑えたことは水力エネルギ損失を防止したこ
とに繋がり、吸込流路での損失を低減したことになり、
ポンプ駆動エネルギを節減できる。
【0033】(3)吸込流路とポンプ吸込口との接続部
(ポンプ吸込部その2) 図6,7,8を参照して、閉水路型の吸込流路6とポン
プ吸込口との接続部、すなわちポンプ吸込部におけるも
う1つの改善策の実施例を説明する。本実施例は大型排
水機場などに計画される閉水路型の吸込流路6のポンプ
吸込部の形状に関するもので、ポンプ運転時に発生する
有害な渦の発生防止に関する。
【0034】従来の閉水路型の吸込流路6におけるポン
プ吸込部の形状は、ポンプの中心から下流側の各断面で
の流速が均一でなく、ポンプに有害な水中渦が発生し、
振動や騒音、キャビテーションの原因となることが判っ
た。そこで、本実施例では、ポンプ吸込部のポンプ中心
位置から下流側の吸込流路6の各断面を、流速変化がほ
とんどないか、又は下流側に向かって増速する形状にす
ることにより、羽根車入口部での不安定な旋回流を防い
で、水中渦の発生を防止するようにしたのである。
【0035】図6は、本実施例の閉水路型の吸込流路6
におけるポンプ吸込部の平面図であり、図7は吸込水路
6の中心線位置における断面図である。なお、それらの
図中一点鎖線で示した部分は従来の形状を比較のために
示したものである。図8は本実施例と従来例とのポンプ
吸込部の各部の流速と流路断面積との比較を示した線図
である。測定位置は図6に〜で示したように、ポン
プ吸込部を平面的にポンプ中心Oを通り吸込流路6に直
交する位置から後壁9に向けて10°間隔で区分し、各
位置における断面積と流速を計測して示したものであ
る。
【0036】図6に一点鎖線で示した後壁9’及び吸込
ベルマウス7’の従来の形状では、ポンプ運転時に、
の付近から水中渦38が発生し、ポンプの振動や騒音
の原因となる。断面積の変化は図8のS2に示すように
、の付近から大きくなっており、これに対応するよ
うに、の付近の流速V2も上流側の位置〜より
も遅くなっている。
【0037】これに対し、本発明の実施例のように、後
壁9を吸込ベルマウス7側に近付けるとともに、各位置
〜に対応させて断面積S1を一定の変化率で減少さ
せた形状にすることにより、流速V1の変化がほとんど
なくなり、不安定な旋回流も生じなくなる。その結果、
ポンプに有害な水中渦の発生もなくなる。
【0038】また、流速変化が増速するような形にして
も上記同様の効果が得られる。また。図6における後壁
9は土木工事の容易性を考慮して、平面を組合せて各位
置〜に対応させて断面積S1を一定の変化率で減少
させた例を示したが、理想的には図9に示すように曲面
で形成するのが好ましい。
【0039】勿論、ポンプ吸込部その1とその2を組み
合わせることにより、一層渦流を抑制できる。
【0040】(4)二重ボリュート型のうず巻ポンプの
改良 図2に示したように、大型の排水ポンプの場合、うず巻
ポンプのボリュート部はコンクリートにより機場の構造
物と一体化して形成される。例えば、設計吐出量50m
3/秒クラスの立軸ポンプのボリュート部の外径寸法は
およそ14m程度になり、二重ボリュートの内側流路と
外側流路を隔てる隔壁の厚みは、水力的荷重に耐えられ
るように形成すると、コンクリートの場合およそ1.5
m程度となる。そのため、ボリュート部の外径が大きく
なり省スペースのブレーキになる場合がある。また、隔
壁の厚みにより隔壁部におけるボリュート部の流路の面
積変化が著しいため、圧力損失が増大してポンプ効率低
下をもたらすものとなる。
【0041】本発明の一実施例の二重ボリュートを図1
0,11を参照して説明する。図10はコンクリートに
埋設された二重うず巻ケーシングの平面断面図、図11
は図10のa−a矢視断面を示し、二重うず巻ケーシン
グの出口流路の断面図である。図に示すように、ポンプ
の軸心Oを中心に水が流れるうず巻状の2つの流路を有
しており、2つの流路は図示しない羽根車の外側の一点
からうず巻状に延びる隔壁41により仕切られている。
2つの流路のうち外回りの流路は、羽根車の外周から隔
壁41の外側に沿う長い流路となり、内回りの流路は、
隔壁41の内側に沿う短い流路となり、各流路の出口部
分は直線状に形成されている。各流路断面は矩形であ
る。
【0042】二重うず巻ケーシングの出口部分は、図1
1に示すように、鋼製の厚い隔壁を中心にして、隔壁4
1の上端から左右両側に張出した上部隔壁支え板42
と、隔壁41の下端から左右両側に張出した下部隔壁支
え板43と、上部隔壁支え板42の左端に接合された上
壁44a、下部隔壁支え板43の左端に接続された下壁
44b、及び上壁44aと下壁44bをつなぐ外側壁4
4cからなるコの字形の外側流路壁44と、上部隔壁支
え板42の右端に接合された上壁45a、下部隔壁支え
板43の右端に接続された下壁45b、及び上壁45a
と下壁45bをつなぐ内側壁45cからなるコの字形の
内側流路壁45と、から構成されている。外側流路壁4
4および内側流路壁45は隔壁41に比較してかなり薄
い板厚の鋼板で構成されている。また、下部隔壁支え板
43の下面には多数の鉄筋46が突出して接合されてお
り、これら鉄筋46は建家の1次コンクリート48中の
鉄筋47に接合されて、隔壁41が受ける水力的荷重を
1次コンクリート48に伝えることになる。
【0043】上記のように、本実施例の二重うず巻ケー
シングは、隔壁41をコンクリートに比べて強度が優れ
る鋼板で形成しているため、従来のコンクリート隔壁に
比べて十分に薄くすることができ、その分二重うず巻ケ
ーシングの外径を小さくすることができる。また、隔壁
41の先端部1a(図10)で水の流速変化が従来のコ
ンクリート隔壁より少なくなるので、二重うず巻ケーシ
ングの内部における圧力損失を少なくすることができ
る。また、コンクリート隔壁の場合は2次コンクリート
9の中に鉄筋を組込む作業が必要であったが、本実施例
によれば鉄筋が不要となる。
【0044】なお、上記実施例の隔壁41は1枚の厚い
鋼板で形成した場合を示したが、これに代えて薄い鋼板
を積層して用いることができる。
【0045】図12,13に他の実施例を示す。本実施
例が図10,11に示した実施例と異なる点は、上部隔
壁支え板42と下部隔壁支え板43を省略し、隔壁41
の両端部を各流路より上下に延在させて、上端と下端を
それぞれ二重うず巻ケーシングを取り巻く2次コンクリ
ート49の鉄筋46に接合し、さらに鉄筋46を建家の
1次コンクリート48中の鉄筋47には接合したことに
ある。したがって、本実施例によれば、前記実施例と同
一の効果が得られるほか、部品点数の減少および部品間
の接合部を少なくできるので、ポンプ設置作業を簡略化
できる効果がある。
【0046】図14に図10実施例の二重うず巻ケーシ
ングの変形例を示す。本実施例は、前記実施例の隔壁4
1を、水流の方向に分割された複数個の分割ピースを接
合して構成したものである。鋼板製の隔壁41を複数枚
および複数個にすることにより、ポンプの大きさや仕様
の変化による隔壁41の大きさや厚さが変化しても対応
が可能であり、鋼材の取扱いや製缶作業が容易に行うこ
とができる。図15に、図14に示した隔壁41の分割
ピースの継手部形状を示す。図示のように、一方の継手
部は分割ピースの一端部を板厚方向に半円凸形状に成形
し、他方の継手部は分割ピースの他端部を板厚方向に半
円凹形状に成形して、半円凸形状の端部と半円凹形状の
端部を嵌合するよう継手部を構成したものである。な
お、継手部形状は半円形に限らず、クサビ形など嵌合す
る形状であれば良い。分割された隔壁1の一方が半円凸
形状で、他方が半円凹形状にすることにより、組立時、
半円形状部分がガイドの役割をし、容易に隔壁の位置決
めや接合が可能となる。したがって、ポンプ組立作業の
単純にし、作業時間を短縮できる。
【0047】また、図16に示すように、大型の二重う
ず巻ケーシングを複数に分割して形成することができ
る。図示例は図10実施例の隔壁41を2層とし、これ
に合わせて上下の隔壁支え板42,43を分割して、各
流路別にしたものである。また、うず巻ケーシングの流
れ方向に分割することも可能である。このような要領
で、二重うず巻ケーシングを分割した分割構造にするこ
とによって、製作工場から立軸ポンプの設置場所への道
路状況に応じて輸送ができ、また設置現場での据付けを
容易にすることができる。
【0048】上述したように、本発明の二重うず巻ケー
シングによれば、内外の流路を仕切る隔壁を鋼材で構成
したので、隔壁の厚さを従来のコンクリート製の隔壁に
比べ、ポンプの使用条件で異なるが、1/10程度にするこ
とができ、二重うず巻ケーシングを備えた立軸ポンプの
平面外径を小型化でき、設置場所の省スペース化が図れ
る。また、二重うず巻ケーシング中の2つの流路の分岐
点近傍で、鋼製の隔壁の方がコンクリート製の隔壁に比
べ、厚さが薄い分だけ、流路面積の変化が少なくなり、
水の流速変化も少なくなり、ポンプ揚程の損失が減少
し、ポンプ運転時の省エネルギーの効果もある。
【0049】また、図17に示すように、ボリュートケ
ーシングの流路断面積を図10のものと同一に保持しつ
つ、矩形流路の断面の縦横寸法比a/bを1.3以上に
することが好ましい。これにより、ポンプの性能低下を
きたすことなく、ケーシングの平面外径を小さくできる
から、省スペース化に寄与できる。また、図示のよう
に、鋼板の流路壁44,45のコーナー部に丸みを付け
ることが好ましい。これにより、ポンプを小型化し、高
揚程化した場合のボリュートにかかる応力を総和でき
る。
【0050】(5)ボール型ポンプの場合の吐出管路の
改良 図18に、ボール型の排水ポンプを用いた一実施例の排
水機場の断面図を示す。本実施例は軸流型の排水ポンプ
の例である。本実施例においては、排水ポンプPに至る
までの吸込水槽1,暖気水路4、吸込流路6、吸込ベル
マウス7周りのポンプ吸込部の構造については、図2実
施例と同一の構成を適用できる。本実施例が図2実施例
と異なる点は、うず巻型ポンプとボール型ポンプの相違
に基づくもので、90度のエルボ型吐出管路50が適用
されている。
【0051】このようなエルボ型の吐出管路50を備え
た排水ポンプPに入り込む流水は、前置案内羽根、ポン
プ羽根車及び案内羽根を通り、この間にエネルギーを得
て、図19に示すように、吐出管入口52からエルボ形
吐出管路50に入り、次いで、吐出管出口53から流出
して吐出拡管57に入り、吐出拡管出口59から吐出水
槽に運ばれる。吐出管出口53と吐出拡管入口58は直
結されており、エルボ形吐出管路50内では吐出流路5
6が、吐出拡管57内では下流側吐出流路60が、それ
ぞれ形成される。また、吐出流路56は、エルボ形吐出
管路50内で方向が90度変換される。また、吐出管路
50は内周側55と外周側54とを有している。
【0052】一般に、ポンプの吸込流路や吐出流路の高
さや幅は、土木工事の面から制限を受け、この制限内で
設定されていおり、従来は図20に点線で示すように、
吐出管入口52から吐出管出口53に至る吐出管路50
の両側面部は、滑らかな曲線で構成されている。吐出管
路50は、流路が吐出管入口52と吐出管出口53との
間において急拡大するが、従来の吐出管路50の設計で
は、損失が増加しないことを重点に設計が行われてい
る。ところが、流路の向きの変換による損失について
は、評価手段が乏しく、不明な点が多かった。
【0053】そこで、上記問題の解決の手掛かりを得る
ために、3次元の有限要素法を用い、従来の吐出管路5
0の吐出流路56について、ポテンシャル解析を行っ
た。この結果を図21に示す。図21には、従来の吐出
管路50の性能を示している。なお、図21の横軸のθ
は、次の内容を有している。すなわち、吐出管入口52
の中央点を通り、中央点における流路の方向に直角な平
面を入口側基準面、吐出管出口53の中央点を通り、こ
の中央点における流路の方向に直角な平面を出口側基準
面、入口側基準面と出口側基準面との交線を基準線、基
準線を通り、吐出管路50を切断する平面を吐出管切断
面とそれぞれ定義し、入口側基準面と吐出管切断面との
なす角度をθと設定した。また、図21の縦軸のCp
は、吐出管路50の内周側55又は外周側54の各壁面
の圧力係数である。Cpは、吐出管路50内のCpを求
める位置の静圧Pを、吐出管入口52における平均静圧
Poと平均流速Voとを用いて無次元化したものであ
り、 Cp=2(P−Po)/(ρVo2) で表される式により求められる。ここに、ρは流体の密
度である。Cpは静圧と同じ内容の意味を有しており、
Cpが小さくなれば流速が大きくなる。
【0054】図21に示すように、従来では、内周側5
5のCpが極端に小さく、外周側54と内周側55の各
Cpの差ΔCpが大きい。このように、ΔCpが大きい
場合、バランスのとれた流路が形成されず、圧力の大き
い外周側4から圧力の小さい内周側55へ向かう二次流
れが多く発生した。この二次流れは本来不要なものであ
り、二次流れが発生した場合、内周側55の流路の阻
害、又は内周側55の流路に剥離が生じるなどにより損
失が増加し、これがポンプ全体の損失にも影響した。こ
のように、従来の吐出流路56ではΔCpが大きく、二
次流れが発生し、大きな損失が生じるという問題が判っ
た。
【0055】そこで、エルボ型の吐出管路50における
二次流れの発生を大幅に抑止し、効率を大きく向上させ
る実施例を図19〜図24を参照して以下に説明する。
図19は一実施例の吐出管路50の側面図、図20は図
19の吐出管路50を下から見た平面図、図22は図1
9の吐出管路50の各部の内部面積の説明図、図23は
一実施例の性能の説明図、図24は他の実施例の模式側
面図であり、61はポンプ主軸中心線、62は入口中央
点の流路方向、63は入口側基準面、64は出口中央点
の流路方向、65は出口側基準面、66は基準線、67
は吐出管切断面である。
【0056】図19において、入口中央点の流路方向6
2はポンプ主軸中心線61上にあり、入口側基準面63
は入口中央点の流路方向62に直角な面である。また、
出口中央点の流路方向64は入口中央点の流路方向62
と直交しており、出口側基準面15は出口中央点の流路
方向64に直角な面である。基準線66は入口側基準面
63と出口側基準面65との交線であり、吐出管切断面
67は基準線66を通る吐出管路50の切断平面であ
る。吐出管切断面67における吐出管路50の内部面積
(吐出流路56の断面積)は、角度θが増加するにつれ
て増加した後、いったんは減少し、再び増加する。
【0057】上記の内部面積を、上記のように増加−減
少−増加のように変化させる手段は、図20に示すよう
に、吐出管路50内の両側面部の幅を拡げて行ってい
る。図22は横軸に角度θを、縦軸に吐出管切断面67
における吐出管路50の内部面積Sと、吐出管入口52
の内部面積との比を、それぞれ採っている。また、Dは
吐出管入口52の内径である。すなわち、吐出管入口5
2から吐出管出口53までの角度θとの関係で示される
内部面積Sの変化曲線が極大値をもち、上記の極大値が
角度θの20〜50度の範囲内にあるようにしてある。
【0058】更に、極大値のときの内部面積Sが、吐出
管入口52の内部面積を基準としたときの1.3倍以上
となるようにしてある。
【0059】図23に本実施例の内、外周側各壁面の圧
力係数Cpの分布を示す。上記各壁面の圧力係数Cpの
差ΔCpは、従来例の場合と比べて小さくなっており、
二次流れによる損失を最低限に抑えることができる。
【0060】上記の効果が特に大きいのは、角度θが2
0〜50度の範囲内において、内部面積の変化曲線に極
大値がある場合であり、また、極大値のときの内部面積
Sが、吐出管入口52の内部面積を基準としたときの
1.3倍以上の場合である。
【0061】一般に、吐出管路50の外周側54と内周
側55とも、流路方向を含む面上における曲率半径が大
きいほど損失が小さくなるが、この場合は吐出管路50
の全体の高さが増加し、土木費の過剰な出費を招くこと
になる。
【0062】しかし、本実施例によれば、曲率半径を大
きくせずに、特別な部品を付加することなく、二次流れ
による損失を大幅に低減でき、ポンプの全体効率の向上
に大きく寄与する優れた効果をもつ吐出管路50を構成
でき、土木費を低減できる。
【0063】図24は他の実施例の場合であり、この実
施例のエルボ形吐出管50の側面図である。平板を曲げ
加工した後、つなぎ合わせて吐出管路50を構成したも
のであり、吐出管路50の内部は、図22に説明したも
のと同じである。この実施例の場合は加工費が節減でき
る効果がある。
【0064】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
吸込水槽から吐出水槽に至る各部の流路におけるうず流
の発生を低減又は抑制することができ、これにより吸込
流路の流速を大幅に高くできること、及び排水ポンプの
総合効率を向上させることができることから、排水機場
の所要面積を大きく低減できるという効果がある。
【0065】例えば、設計吐出量が50m3/秒の排水
ポンプの場合、吸込流路の有効幅を従来15mであった
ものを、9.5m(63%)に低減できた。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の省スペース排水機場の全体
配置を示す平面図である。
【図2】図1の省スペース排水機場の特徴部全体を示す
立面断面図である。
【図3】吸込流路の呑み口部の詳細を示す図であり、
(a)は平面図、(b)は立面断面図、(c)は分岐水
路の流路断面図である。
【図4】吸込流路のポンプ吸込部の平面図である。
【図5】図4の吸込流路のポンプ吸込部のX−X矢視に
おける断面図である。
【図6】吸込流路のポンプ吸込部の他の実施例の平面図
である。
【図7】図6の吸込流路のポンプ吸込部の断面図であ
る。
【図8】図6のポンプ吸込部の各部における流路断面積
と流速を従来例と対比して示した線図である。
【図9】吸込流路のポンプ吸込部の変形例を示す図であ
る。
【図10】二重うず巻ケーシングの一実施例の一平面に
おける断面図である。
【図11】図10のa−a断面図である。
【図12】二重うず巻ケーシングの他の実施例の一平面
における断面図である。
【図13】図12のb−b断面図である。
【図14】図10の二重うず巻ケーシングの変形例の一
平面における断面図である。
【図15】図14の隔壁分割ピースの継手形状を示す図
である。
【図16】図10の実施例の隔壁を2枚の鋼板を積層し
て構成し、更に2つに分割した変形例の流路出口部の斜
視図である。
【図17】二重ボリュートの縦横比を説明する図であ
る。
【図18】本発明をボール型の排水ポンプに適用してな
る省スペース排水機場の特徴部全体を示す立面断面図で
ある。
【図19】図18の実施例のポンプ吐出管路の側面図で
ある。
【図20】図19のポンプ吐出管路を下から見た平面図
である。
【図21】従来例のポンプ吐出管路の性能の説明図であ
る。
【図22】図19のポンプ吐出管路の各部内部面積の説
明図である。
【図23】図19のポンプ吐出管路の性能の説明図であ
る。
【図24】ポンプ吐出管路の他の実施例の模式側面図で
ある。
【符号の説明】
1 吸込水槽 2 仕切壁 中仕切壁4 分岐水路 5 接続部(呑み口部) 6 吸込流路 7 吸込ベルマウス 8 吸込コーン 9 後壁 10 内側ボリュート 11 外側ボリュート 12 吐出流路 13 除塵機 21 後壁の絞り 29 底壁 41 隔壁 50 エルボ型吐出管路
フロントページの続き (72)発明者 田中 定司 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 秋庭 秀樹 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 矢沢 節雄 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 長沢 重信 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 山田 雅之 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 嶋田 豊 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所 土浦工場内 (72)発明者 岩崎 稔 東京都千代田区神田駿河台四丁目3番地 日立テクノエンジニアリング株式会社 内 (72)発明者 小野 滋義 茨城県土浦市神立町603番地 日立土浦 エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 平4−41993(JP,A) 特開 昭57−8399(JP,A) 実開 昭58−30784(JP,U) 実開 昭58−104389(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) E03F 5/22 F04D 15/00

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 排水が流入される吸込水槽と、該吸込水
    槽に連通させて設けられた矩形断面の開水路型の複数の
    分岐水路と、該分岐水路にそれぞれ接続された矩形断面
    の閉水路型の吸込流路と、該吸込流路内の上部に開口さ
    れた吸込ベルマウスを有する縦軸型の排水ポンプと、該
    排水ポンプの吐出口に接続された吐出流路とを含んでな
    る排水機場において、 前記分岐水路は、前記吸込流路との接続部における幅を
    前記吸込流路の幅に略等しく、前記吸込流路よりも上に
    位置する部分の水路幅を上流側から前記接続部に向けて
    徐々に絞り、かつ前記接続部における前記吸込流路より
    も上に位置する部分の水路端壁を上流側に傾斜させて形
    成され、 前記吸込流路は、前記吸込ベルマウスに対向する底壁に
    該吸込ベルマウスと同軸の山形の吸込コーンが設けら
    れ、かつ前記吸込ベルマウスに対向する底壁を流路の上
    流側から該吸込流路の後壁に向けて徐々に上昇させて形
    成されたことを特徴とする省スペース排水機場。
  2. 【請求項2】 請求項1において、 前記吸込流路は、前記吸込ベルマウスの軸心を通る面で
    切った流路の断面積が、前記吸込ベルマウスの軸心位置
    から前記後壁側に向かうに連れて一定の変化率で減少さ
    せて形成されたことを特徴とする省スペース排水機場。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2において、 前記吸込流路の上壁と底壁との距離をHとしたとき、前
    記吸込ベルマウスの高さBを0.3H≦B≦0.6Hと
    し、前記吸込ベルマウスの軸心と前記底壁との交点より
    上流側から徐々に前記底壁を上昇させて前記吸込流路の
    最奥部の後壁における上昇高さをhとしたとき、0.3
    H≦h≦0.5Hとなるように形成したことを特徴とす
    る省スペース排水機場。
  4. 【請求項4】 請求項1,2又は3のいずれかにおい
    て、 前記排水ポンプは、二重ボリュート型のうず巻ポンプで
    あり、各ボリュートの出口部における矩形断面の縦/横
    の比を1.3以上とし、二重ボリュート相互の隔壁及び
    外殻を鋼板で形成し、該外殻を型枠としてコンクリート
    で補強したボリュート部を有することを特徴とする排水
    機場。
  5. 【請求項5】 請求項1,2又は3のいずれかにおい
    て、 前記排水ポンプがボール型のポンプで、前記吐出流路が
    90度エルボ型で入口が円形で該吐出流路の入口の中央
    点を通り、該中央点における流路の方向に直角な平面を
    入口側基準面、前記吐出流路の出口の中央点を通り、該
    中央点における流路の方向に直角な平面を出口側基準
    面、前記入口側基準面と前記出口側基準面との交線を基
    準線、該基準線を通り、前記吐出流路を切断する平面を
    吐出管切断面、前記入口側基準面と前記吐出管切断面と
    のなす角度をθとそれぞれ定義した場合、前記吐出管切
    断面における前記吐出流路の内部面積が、前記角度θが
    大きくなるにつれて、増加した後、一旦は減少して、再
    び増加し、前記内部面積に極大値を有することを特徴と
    する省スペース機場。
  6. 【請求項6】 請求項5において、 前記角度θが20〜50度において、前記内部面積が極
    大値を有することを特徴とする省スペース機場。
  7. 【請求項7】 請求項6において、 前記極大値のときの前記内部面積が、前記吐出流路の入
    口における前記内部面積を基準としたときの1.3倍以
    上であることを特徴とする省スペース機場。
  8. 【請求項8】 排水が流入される吸込水槽と、該吸込水
    槽に連通させて設けられた矩形断面の開水路型の複数の
    分岐水路と、該分岐水路にそれぞれ接続された矩形断面
    の閉水路型の吸込流路と、該吸込流路内の上部に開口さ
    れた吸込ベルマウスを有する縦軸型の排水ポンプと、該
    排水ポンプの吐出口に接続された吐出流路とを含んでな
    る排水機場において、 前記分岐水路は、前記吸込流路との接続部における幅を
    前記吸込流路の幅に略等しく、前記吸込流路よりも上に
    位置する部分の水路幅を上流側から前記接続部に向けて
    徐々に絞り、かつ前記接続部における前記吸込流路より
    も上に位置する部分の水路端壁を上流側に傾斜させて
    成されたことを特徴とする省スペース排水機場。
  9. 【請求項9】 排水が流入される吸込水槽と、該吸込水
    槽に連通させて設けられた矩形断面の開水路型の複数の
    分岐水路と、該分岐水路にそれぞれ接続された矩形断面
    の閉水路型の吸込流路と、該吸込流路内の上部に開口さ
    れた吸込ベルマウスを有する縦軸型の排水ポンプと、該
    排水ポンプの吐出口に接続された吐出流路とを含んでな
    る排水機場において、 前記吸込流路は、前記吸込ベルマウスに対向する底壁に
    該吸込ベルマウスと同軸の山形の吸込コーンが設けら
    れ、かつ前記吸込ベルマウスに対向する底壁を流路の上
    流側から該吸込流路の後壁に向けて徐々に上昇させると
    ともに、前記山形の吸込コーンの軸心位置から最奥部後
    壁にいたる側壁と後壁の位置を、流速の変化がほとんど
    なくなるか又は流速が増加するように前記吸込コーン側
    に近付けて形成してなることを特徴とする省スペース排
    水機場。
  10. 【請求項10】 排水が流入される吸込水槽と、該吸込
    水槽に連通させて設けられた矩形断面の開水路型の複数
    の分岐水路と、該分岐水路にそれぞれ接続された矩形断
    面の閉水路型の吸込流路と、該吸込流路内の上部に開口
    された吸込ベルマウスを有する縦軸型の排水ポンプと、
    該排水ポンプの吐出口に接続された吐出流路とを含んで
    なる排水機場において、 前記排水ポンプは、二重ボリュート型のうず巻ポンプで
    あり、各ボリュートの出口部における矩形断面の縦/横
    の比を1.3以上とし、二重ボリュート相互の隔壁及び
    外殻を鋼板で形成し、該外殻を型枠としてコンクリート
    で補強したボリュート部を有し、 前記分岐水路は、前記吸込流路との接続部における幅を
    前記吸込流路の幅に略等しく、前記吸込流路よりも上に
    位置する部分の水路幅を上流側から前記接続部に向けて
    徐々に絞り、かつ前記接続部における前記吸込流路より
    も上に位置する部分の水路端壁を上流側に傾斜させて形
    成され、 前記吸込流路は、前記吸込ベルマウスに対向する底壁に
    該吸込ベルマウスと同軸の山形の吸込コーンが設けら
    れ、かつ前記吸込ベルマウスに対向する底壁を流路の上
    流側から該吸込流路の後壁に向けて徐々に上昇させて形
    成され、かつ前記吸込流路の呑み口部における有効水路
    幅を、前記排水ポンプの設計吐出量1m/秒あたり
    0.2m以下にしたことを特徴とする省スペース排水機
    場。
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