JP3735602B2 - 先行待機型立軸ポンプ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸水槽内の水位がケーシング内の羽根車より上方の排水水位より低い状態でも運転を行う、先行待機型立軸ポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、市街地化や道路の舗装化により雨水の地下浸透率が低下している。また、ヒートアイランド現象等による局地的集中豪雨の発生が増加している。これらの原因により、下水道の排水ポンプ場へ短時間に多量の雨水が流入する傾向がある。この短時間かつ多量の雨水流入に対処するために、降雨情報等に基づいて予めポンプを始動しておいて雨水が排水ポンプ場に流入するのと同時に排水を開始し、かつ吸水槽内の水位が変動しても運転状態を維持することができる先行待機型のポンプに対する要求が高まっている。
【０００３】
立軸ポンプで先行待機運転を実現する上で、いわゆるハンチング運転が最も問題となる。このハンチング運転について図８を参照して説明する。図８において、１は立軸ポンプのケーシング、２は回転軸、３は羽根車、４は吐出管である。状態８−１に示すように吸水槽内の水位が羽根車３より上方の排水水位にあるときは通常排水運転であり、立軸ポンプによって吸い上げられた吸水槽内の水が吐出管４から排水される。状態８−２に示すように水位がケーシング１の下端（吸込ベルの下端）付近の排水停止水位まで低下すると、ケーシング１の下端から多量の空気が瞬間的にケーシング１内に入る。その結果、状態８−３に示すように、ケーシング１内の羽根車３より下方の領域に空気だまり５が形成され、上方の領域には水柱６が形成される。この状態８−３はエアロック運転と呼ばれている。しかし、空気だまり５の空気が水柱６内に上昇するのでエアロック運転は直ちに解消され、状態８−４に示すように通常排水運転状態に移行する。状態８−４の通常排水運転で吐出管４に水が吐出されると、状態８−３のエアロック運転に直ちに戻る。結局、状態８−３のエアロック運転と状態８−４の通常排水運転が極めて短時間に繰り返されることになり、これがハンチング運転である。このハンチング運転は、大きな振動を発生し立軸ポンプの運転の安定性及び耐久性に対して悪影響を及ぼす。
【０００４】
従来の先行待機型立軸ポンプでは、ハンチング運転をなくすために種々の試みがなされている。例えば、図９に示すように、特許文献１に記載の先行待機型立軸ポンプは、一端が羽根車３よりも下方でケーシング１内に開口し、他端が大気に開放した吸気管７と、この吸気管７の連通及び遮断を制御する気水切換弁８と、水位計９の検出水位に基づいて気水切換弁８を開閉するコントローラ（図示せず）とを備えている。
【０００５】
運転状態の推移を説明すると、状態９−１に示す排水水位では気水切換弁８は閉弁し、通常排水運転である。状態９−２に示すように水位が予め定められた排水遮断水位に低下すると、気水切換弁８が開弁し、吸気管７から多量の空気が一度にケーシング１内に流入する。その結果、状態９−３に示すように、エアロック運転に移行する。空気だまり５には吸気管７を介して少量の空気が供給されるので、エアロック運転が維持され、ハンチング運転とならない。状態９−４に示すように、水位が予め定められた再排水開始水位まで回復すると気水切換弁８は閉弁し、通常排水運転となる。
【０００６】
また、図１０に示すように、特許文献２に記載の先行待機型立軸ポンプは、一端が羽根車３よりも下方でケーシング１内に開口し、他端が大気に開放した吸気管７を備えている。この吸気管７は図９のものより空気流量が小さく設定されている。
【０００７】
運転状態の推移を説明すると、状態１０−１に示す通常排水運転から水位が低下し、羽根車３の下部に達すると吸気管７からケーシング１内に空気が流入する。その結果、状態１０−２に示すように、空気が混合した水を排水する運転（気水混合排水運転）となる。水位が低下するのに伴って、吸気管７からの空気流入量が増加し、それに伴って排水される水の流量は減少する。状態１０−３に示すように排水停止水位まで水位が低下すると、エアロック運転となる。吸気管７を介して供給される少量の空気によってエアロック運転が維持され、ハンチング運転とならない。状態１０−４に示すように、水位が再排水開始水位まで回復すると、再び気水混合排水運転となる。水位の上昇に伴って吸気管７からの空気の流入量は減少し、状態１０−５に示すように、通常排水運転となる。
【０００８】
【特許文献１】
特許第２５１６４２６号公報（第１図）
【特許文献２】
特許第３１９１１０２号公報（図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図９に示す特許文献１の立軸ポンプの場合、先行待機運転を実現するために、電気的に開閉制御が可能な気水切換弁８、水位計９、及びコントローラが必要であるので、構成が複雑である。また、停電等により気水切換弁８の開閉制御が不能となるおそれがあり、信頼性が十分でない。
【００１０】
また、図１０に示す特許文献２の立軸ポンプの場合、ハンチング運転状態はないが、気水混合排水運転では水位が低い程水に混入する空気量が増加する。空気量が多いほどケーシングに発生する振動が大きくなり、運転の安定性や耐久性に対して好ましくない影響を及ぼす。
【００１１】
そこで、本発明は、簡易な構成であるが、ハンチング運転も気水混合排水運転もない先行待機運転を行うことができ、かつ信頼性の高い先行待機型立軸ポンプを提供することを課題としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は、吸水槽内の水位がケーシング内の羽根車より上方の排水水位より低い状態でも運転を行う先行待機型立軸ポンプにおいて、前記ケーシングは、前記羽根車より下方に位置する下向きに開口した上部吸込ベルと、前記上部吸込ベルの内側に間隔をあけて配設され、その下端側先端部が前記上部吸込ベルの下端側先端部より下方側に位置している、下向きに開口した下部吸込ベルとを備え、前記上部吸込ベルと下部吸込ベルとの間に、前記羽根車より下方の前記ケーシングの内部と前記ケーシングの外部とを連通させる流路が形成されていることを特徴とする、先行待機型立軸ポンプを提供する。
【００１３】
本発明の先行待機型立軸ポンプは、上部吸込ベルと下部吸込ベルとを備え、これらの間にケーシングの内部と外部を連通させる流路が形成されている。吸水槽内の水位が上部吸込ベルの下面よりも低下すると、羽根車からの逆流水が流路を通ってケーシングの内部から外部へ流れる。従って、この水位域では流路を介したケーシング内への空気の流入は生じない。水位が下部吸込ベルの下面まで低下すると、下部吸込ベルから水面付近の空気が多量かつ瞬間的にケーシング内に吸い込まれ、羽根車より下方のケーシング内に空気だまりが形成される。この空気だまりには、流路を介して空気が流入するのでエアロック運転が維持される。水位が上部吸込ベルの下面まで上昇すると、流路が水によって閉鎖されるのでケーシング内への空気の流入が停止し、排水が再開される。換言すれば、エアロック運転時には流路を介してケーシング内に空気が流入するが、エアロック運転への移行前後の水位域では流路は水で閉鎖されるので、ケーシング内への空気の流入はない。従って、本発明の先行待機型立軸ポンプの運転状態は、通常排水運転とエアロック運転の２種類であり、ハンチング運転も気水混合排水運転もない先行待機運転を実現することができる。また、水位計、電気的に開閉される気水切換弁、気水切換弁を開閉制御するためのコントローラ等を設ける必要がないので、構成が簡易であり、かつ停電等に起因する運転不良のおそれがなく高い信頼性を有する。さらに、通常排水運転からエアロック運転に移行するまでの水位域では、羽根車から逆流した水が流路を介してケーシングの外部へ流れるので、流路内に蓄積されたごみ等はケーシング外に流し出され、流路内が洗浄される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示す本発明の実施形態について説明する。
【００１５】
図１に示す本実施形態の先行待機型立軸ポンプ（以下、単に立軸ポンプという）１１は、図示しない流入側管路から排水ポンプ場の吸水槽１０内に流入する雨水等の水を下流側に排水するためのものであり、鉛直方向に延びるケーシング１２を備えている。ケーシング１２は、直管状の揚水管１２ａ、揚水管１２ａの下端に連結されたポンプケーシング１２ｂ、及び揚水管１２ａの上端に連結されて鉛直方向から水平方向に湾曲した吐出エルボ１２ｃを備えている。吐出エルボ１２ｃには吐出管１３が連結されている。前記ポンプケーシング１２内に羽根車１４が配設されている。この羽根車１４が下端に固定されている回転軸１５は鉛直方向に延びてケーシング１２の外部に突出している。ケーシング１２の上端側は概略的に示すモータ、減速機構等からなる回転駆動機構１６に連結されている。図において、１７は回転軸１６を支持する軸受である。
【００１６】
ポンプケーシング１２ｂの下端側、すなわちケーシング１２の最下部には、上部吸込ベル２１と下部吸込ベル２２が設けられている。まず、上部吸込ベル２１は、下向きに開口しており、その上端側がポンプケーシング１２ｂの下端側に連結されている。また、上部吸込ベル２１は上端から下端に向けて拡径しており、下端側先端部２１ａが水平方向に延びている。
【００１７】
上部吸込ベル２１の内側に、上下両端が開口した下部吸込ベル２２が配設されている。下部吸込ベル２２は、その外周面が上部吸込ベル２１の内周面に対して間隔をあけて配置されており、両者はいわば二重構造の吸込ベルを構成している。上部吸込ベル２１と同様に、下部吸込ベル２２は上端から下端に向けて拡径しており、下端側先端部２２ａが水平方向に延びている。この吸込ベル２２の下端側先端部２２ａは、上部吸込ベル２１の下端側先端部２２ａよりも下方側に位置している。従って、上部吸込ベル２１の下端側先端部２１ａの下面２１ｂと、下部吸込ベル２２の下端側先端部２２ａの下面２２ｂとの間には、高低差αがある（図４から図６参照）。
【００１８】
前記のように上部吸込ベル２１に対して下部吸込ベル２２が間隔をあけて配置されているので、上部吸込ベル２１の内周面と下部吸込ベル２２の外周面との間に、断面が円環状の流路２３が形成されている。この流路２３は、上端側開口２３ａが上部吸込ベル２１内に位置し、下端側開口２３ｂが上部吸込ベル２１及び下部吸込ベル２２の下端側先端部２１ａ，２１ｂにより形成されている。従って、流路２３によって、羽根車１２より下方のケーシング１２の内部と、ケーシング１２の外部とが互いに連通している。
【００１９】
本実施形態では、上部吸込ベル２１と下部吸込ベル２２とを連結するリブ２５を設けることにより、上部吸込ベル２１に対して下部吸込ベル２２を固定している。しかし、１個の吸込ベル内に流路を穿設することによって、上部吸込ベルと下部吸込ベルとを形成してもよい。また、既存の立軸ポンプ（例えば図８参照）が備える吸込ベル内に上下両端が開口した別の吸込ベルを取り付け、前者を上部吸込ベル、後者を上部吸込ベルとすることもできる。すなわち、本発明は既存の立軸ポンプの比較的簡易な改造によっても実施することができる。
【００２０】
図２は、立軸ポンプ１１の流量−揚程曲線（Ｈ−Ｑ曲線）の一例を効率η及び動力Ｌと共に示している。図２において、横軸は最適流量Ｑ_ｏｐｔに対する流量Ｑの割合（Ｑ／Ｑ_ｏｐｔ）であり、縦軸は最適揚程Ｈ_ｏｐｔに対する揚程Ｈの割合（Ｈ／Ｈ_ｏｐｔ）である。Ｑ／Ｑ_ｏｐｔが約０．６〜１．２の範囲は定格運転域、Ｑ／Ｑ_ｏｐｔが約１．２以上は過大流領域、Ｑ／Ｑｏｐｔが約０．６以下は部分流領域である。
【００２１】
次に、立軸ポンプ１１の運転状態の推移について説明する。まず、立軸ポンプ１１による揚水が開始されるまでを説明する。降雨情報等に基づいて、例えば上部吸込ベル２１及び下部吸込ベル２２の下端開口よりも低い待機水位ＷＬ１（吸水槽１０内に水がない状態でもよい。）で立軸ポンプ１１が始動されると、ケーシング１２内には水が存在しないので羽根車１４は空気中で回転する（空転運転）。吸水槽１０内の水位が上昇して羽根車１４の下端まで達すると吸水槽１０内の水は羽根車１４の回転により吸い上げられ、吸込ベル１２ｃ、ポンプケーシング１２ｂ、揚水管１２ａ、及び吐出エルボ１２ｃを介して吐出管１３へ排水される。
【００２２】
次に、図３から図７を参照して、揚水開始後に吸水槽１０内の水位がいったん低下し、その後上昇した場合について説明する。図３の状態３−１に示すように吸水槽１０内の水位がケーシング１２内の羽根車１４より上方の排水水位ＷＬ４にあるときには、前述のように羽根車１４の回転によりケーシング１２内に吸い上げられた水は吐出管１３内に吐出される（通常運転）。この排水水位ＷＬ４での通常運転における立軸ポンプ１１の運転状態は、定格運転域Ａ又は過大流領域Ｃ（図２参照）である。定格運転域Ａであれば、図４に示すように、下部吸込ベル２２の下端開口から水が吸い上げられるが、上部吸込ベル２１と下部吸込ベル２２の間の流路２３からの水の流入はない。一方、過大流領域Ｃであれば、図５に示すように、下部吸込ベル２２の下端開口と流路２３の下端開口２３ａの両方からケーシング１２内に水が吸い上げられる。いずれにしても排水水位ＷＬ４での通常運転時には流路２３の下端開口２３ａは水没しているので、流路２３からケーシング１２内への空気の流入はない。排水水位ＷＬ４から水位が低下しても、上部吸込ベル２１の下端側先端部２１ａの下面２１ｂと対応する高さの水位ＷＬ３（後述するように、この水位はエアロック運転後の再排水開始水位である。）に達するまでは、定格運転域Ａ又は過大流量域Ｃでの通常運転が維持される。
【００２３】
状態３−２に示すように、水位ＷＬ３まで水位が低下すると、立軸ポンプの運転状態は部分流領域Ｃ（図２参照）となる。そのため、図６に示すように羽根車からの逆流水が流路２３の上端開口２３ａから下端開口２３ｂを経てケーシング１２の外部に流出する。この流路２３を通る逆流水があるために、流路２３からケーシング１２内へ空気が流入せず、通常運転が維持される。
【００２４】
さらに、通常排水運転からエアロック運転に移行するまでの水位域では、羽根車から逆流して流路２を介してケーシング１２の外部に流れる水により、流路２３内に蓄積されたごみ等はケーシング外が流し出される。すなわち、逆流水によって流路２３が自動的に洗浄される。
【００２５】
水位ＷＬ３から上部吸込ベル２１と下部吸込ベル２２の高低差αに相当する分の水位低下があり、下部吸込ベル２２の下端側先端部２２ａの下面２２ｂに対応する水位（排水停止水位ＷＬ２）に達すると、状態３−３に示すように、水面付近から下部吸込ベル２２の下端開口を介してケーシング１２内の羽根車１４よりも下方の領域に空気が多量かつ瞬間的に吸い込まれる。その結果、状態３−４に示すように、ケーシング１２内の羽根車１４よりも下方の領域に空気だまり２８が形成され、羽根車１４の上方には水柱２９が形成される（エアロック運転）。エアロック運転時には、図７に示すように、流路２３の下端開口２３ｂから吸い込まれた少量の空気が上端開口２３ａより空気だまり２８に流入する。この空気だまり２８への空気供給により、エアロック運転が維持される。
【００２６】
吸水槽１０内の水位が排水停止水位ＷＬ２から上昇し、状態３−５に示すように上部吸込ベル２１の下端側先端部２１ａの下面２１ｂと対応する位置（再排水開始水位ＷＬ３）まで上昇すると、流路２３の下端開口２３ｂが水で閉じられるので流路２３を介した空気の流入が停止し、かつ羽根車１４による揚水が再開して通常排水運転となる。
【００２７】
以上のように、本実施形態の立軸ポンプ１１では上部吸込ベル２１の下端側先端部２１ａの下面２１ｂと対応する水位ＷＬ３まで水位が低下すると、羽根車１４からの逆流水が流路２３を通ってケーシング１２の内部から外部へ流れる。従って、この水位域では流路２３を介したケーシング１２内への空気の流入は生じない。また、下部吸込ベル２２の下端側先端部２２ａの下面２２ｂと対応する排水停止水位ＷＬ２まで水位が低下すると、下部吸込ベル２２から水面付近の空気が多量かつ瞬間的にケーシング１２内に吸い込まれて空気だまり２８が形成され、この空気だまり２８には、流路２３を介して空気が流入するのでエアロック運転が維持される。さらに、水位が上部吸込ベル２１の下端側先端部２１ａの下面２１ｂと対応する再排水開始水位ＷＬ３まで上昇すると、流路２３が水によって閉鎖されるのでケーシング１２内への空気の流入が停止し、排水が再開される。換言すれば、エアロック運転時には流路を介してケーシング内に空気が流入するが、エアロック運転への移行前後の水位域では流路２３は水で閉鎖されるので、ケーシング１２内への空気の流入はない。従って、本実施形態の立軸ポンプ１１の運転状態は、通常排水運転とエアロック運転の２種類であり、ハンチング運転も気水混合排水運転もない先行待機運転を実現することができる。また、水位計、電気的に開閉される気水切換弁、気水切換弁を開閉制御するためのコントローラ等を設ける必要がないので、構成が簡易であり、かつ停電等に起因する運転不良のおそれがなく高い信頼性を有する。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の先行待機型立軸ポンプは、上部吸込ベルと下部吸込ベルとを備え、これらの間にケーシングの内部と外部を連通させる流路が形成されている。エアロック運転時には流路を介してケーシング内に空気が流入するが、エアロック運転への移行前後の水位域では流路が水で閉鎖されるので、ケーシング内への空気の流入はない。従って、運転状態は通常排水運転とエアロック運転の２種類であり、ハンチング運転も気水混合排水運転もない先行待機運転を実現することができる。また、水位計、電気的に開閉される気水切換弁、気水切換弁を開閉制御するためのコントローラ等を設ける必要がないので、構成が簡易であり、かつ停電等に起因する運転不良のおそれがなく高い信頼性を有する。さらに、通常排水運転からエアロック運転に移行するまでの水位域では、羽根車から逆流した水が流路を介してケーシングの外部へ流れるので、流路内に蓄積されたごみ等はケーシング外が流し出され、流路内が洗浄される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプを示す断面図である。
【図２】 本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの流量−揚程曲線を示す図である。
【図３】 本発明の実施形態に係る先行待機型立軸ポンプの運転状態の遷移を示す概略図である。
【図４】 定格運転域での上部及び下部吸込ベル中の水の流れを示す部分断面図である。
【図５】 過大流量域での上部及び下部吸込ベル中の水の流れを示す部分断面図である。
【図６】 部分流量域での上部及び下部吸込ベル中の水の流れを示す部分断面図である。
【図７】 エアロック運転時の上部及び下部吸込ベルにおける空気の流れを示す部分断面図である。
【図８】 従来の立軸ポンプの運転状態の遷移を示す概略図である。
【図９】 従来の先行待機型立軸ポンプの運転状態の遷移を示す概略図である。
【図１０】 従来の先行待機型立軸ポンプの運転状態の遷移を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ 吸水槽
１１ 先行待機型立軸ポンプ
１２ ケーシング
１２ａ 揚水管
１２ｂ ポンプケーシング
１２ｃ 吐出エルボ
１３ 吐出管
１４ 羽根車
１５ 回転軸
１６ 回転駆動機構
１７ 軸受
２１ 上部吸込ベル
２１ａ 下端側先端部
２１ｂ 下面
２２ 下部吸込ベル
２２ａ 下端側先端部
２２ｂ 下面
２３ 流路
２３ａ 上端開口
２３ｂ 下端開口
２５ リブ
２８ 空気だまり
２９ 水柱
ＷＬ１ 待機水位
ＷＬ２ 排水停止水位
ＷＬ３ 再排水開始水位
ＷＬ４ 排水水位

Claims (1)

1. 吸水槽内の水位がケーシング内の羽根車より上方の排水水位より低い状態でも運転を行う先行待機型立軸ポンプにおいて、
   前記ケーシングは、前記羽根車より下方に位置し、下向きに開口した上部吸込ベルと、前記上部吸込ベルの内側に間隔をあけて配設され、その下端側先端部が前記上部吸込ベルの下端側先端部より下方側に位置している、下向きに開口した下部吸込ベルとを備え、
   前記上部吸込ベルと下部吸込ベルとの間に、前記羽根車より下方の前記ケーシングの内部と前記ケーシングの外部とを連通させる流路が形成されていることを特徴とする、先行待機型立軸ポンプ。

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