JP3881364B2 - 排水用横軸ポンプ設備 - Google Patents

Description

本発明は排水用横軸ポンプ設備に関するものである。

従来、排水用横軸ポンプ設備の中には図３に示すように、吸込水槽１０の側壁にポンプ流路２０を接続するとともに、ポンプ流路２０内に横軸ポンプＰを設置し、ポンプＰを回転駆動することで吸込水槽１０内の水をポンプ流路２０に吸い込んで所定の場所に排水するように構成されているものがあった。

しかしながら上記従来の排水用横軸ポンプ設備には以下のような問題点があった。
（１）図４に示すようにポンプ流路２０内が満水の場合でも吸込水深Ｈｓが排水によって低下して所定水深Ｈｓ＜ＮＰＳＨ _Req （ＮＰＳＨ _Req はキャビテーションが生じない最小吸込水位）になると、横軸ポンプＰの羽根車Ｐ１の上部ａにおいてキャビテーションが発生し、キャビテーションエロージョン（真空のキャビティーが発生拡大した後に瞬間的に猛スピードで潰れることによって生じる局部的な衝撃波により壊食が発生する現象）が生じてしまう。また横軸ポンプＰの振動、音も大きくなってしまう。

（２）図５に示すようにポンプ流路２０内が満水となる水位でない場合は、横軸ポンプＰを起動してもポンプ流路２０内から空気が抜けず、排水機能が生じない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたものでありその目的は、水深が低下してもキャビテーションが発生しにくい排水用横軸ポンプ設備を提供することにある。

また本発明の他の目的は、たとえポンプ流路が満水となる水位でなくても、排水を行うことができる排水用横軸ポンプ設備を提供することにある。

上記問題点を解決するため本発明は、吸込水槽にポンプ流路を接続し、前記ポンプ流路内に横軸ポンプを設置することで吸込水槽内の水をポンプ流路に吸い込んで所定の場所に排水する排水用横軸ポンプ設備において、前記横軸ポンプの羽根車の上流側のポンプ流路上部に下側に突出する凸部を設けると共に、この凸部の部分に開口してキャビテーション防止用の気体を導入する連通管を設置したことを特徴とする。これによって横軸ポンプに連通管から気泡が供給できるので、キャビテーションが発生しにくくなり、その弊害が防止される。また凸部の下流側に空気が入らなくなるので、ポンプ流路が満水でなくても送水を行うことが可能になる。

ここで前記連通管の他端は吸込水槽内に開口しており、且つこの開口はポンプにおいてキャビテーションの発生が始まる吸込水槽の水面位置、或いはポンプ流路内を流れる流体によって連通管内に空気が吸い込まれる最も高い位置の内の何れか低いほうの位置に設けられていることが好ましい。

（１）横軸ポンプの上流側のポンプ流路上部に開口してキャビテーション防止用の気体を導入する連通管を設置したので、水深が低下してもキャビテーションが発生しにくくなる。

（２）横軸ポンプの上流側のポンプ流路上部に凸部を設けたので、たとえポンプ流路が満水でなくても、送水を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１は水深が低下してもキャビテーションが発生しにくい排水用横軸ポンプ設備の参考例を示す概略側断面図である。同図に示すようにこの排水用横軸ポンプ設備は、吸込水槽１０にポンプ流路２０を接続し、ポンプ流路２０内に横軸ポンプＰを設置することで吸込水槽１０内の水をポンプ流路２０に吸い込んで吐出流路２５から所定の場所に排水するように構成されている。そしてこの参考例においては、横軸ポンプＰの上流側に、ポンプ流路２０上部（天井面）と吸込水槽１０の側壁間を連通する連通管４０を設置している。

そして吸込水槽１０の側壁側の開口Ａは、横軸ポンプＰにおいてキャビテーションの発生が始まる際の吸込水槽１０の水面位置に設けられている。

吸込水槽１０内の水の水位Ｈｓがキャビテーションが生じない最低吸込水位ＮＰＳＨ_Req以上の場合は、横軸ポンプＰを運転してもキャビテーションは生じない。一方吸込水槽１０内の水の水位Ｈｓが低下して最低吸込水位ＮＰＳＨ_Req以下になった場合は、横軸ポンプＰの運転によってキャビテーションが発生しようとするが、このとき同時に連通管４０の開口Ａが大気中に露出するので、連通管４０を通して開口Ｂからポンプ流路２０内に空気が導入される。

圧縮性流体（膨張性流体）である空気泡を混入することにより、羽根車Ｐ１における真空のキャビティーの発生という現象が空気泡の膨張という現象に変わり、従って真空のキャビティーの潰れ現象が空気泡の圧縮という現象に移り、この結果、キャビティーの潰れによる衝撃波が減少し、エロージョン（壊食）、振動、音などが減少する。

吸込水槽１０内の水の水位Ｈｓが上昇して開口Ａを塞げば、空気の流入がなくなると同時にキャビテーションも発生せず、通常の排水動作に戻る。

以上のように開口Ａの位置をキャビテーションの発生が始まる際の吸込水槽１０の水面位置に設ければよいのであるが、この位置に開口Ａを設けると必ずしも連通管４０が空気を吸えない場合がある。そこでこの開口Ａは、横軸ポンプＰにおいてキャビテーションの発生が始まる吸込水槽１０の水面位置、或いはポンプ流路２０内を流れる流体によって連通管４０内に空気が吸い込まれる最も高い位置の内の何れか低いほうの位置に設けるようにする。

以下具体的に開口Ａの位置を決定する方法を説明する。即ち開口Ａ，Ｂにおける圧力Ｐ_A，Ｐ_Bは、
Ｐ_A：大気圧
Ｐ_B：大気圧＋ρｇΔＨ_w−ρｖ²／２
但し、ρ：ポンプ流体密度、ｇ：重力加速度、ｖ：ポンプ流路２０内の流速、ΔＨ_w：ポンプ流路２０の天井面から水面までの高さ
である。

故に、Ｐ_A＞Ｐ_B、即ち上記式より、ΔＨ_w＜ｖ²／２ｇ のとき、空気が連通管４０を通ってポンプ流路２０に吸い込まれる。なお横軸ポンプＰの中心からポンプ流路２０の天井面までの距離Ｈｒと、前記流速ｖは機場によって決まっている。

そして開口Ａからは、キャビテーションが発生する吸込水深Ｈｓ＝ＮＰＳＨ_Req以下の水位でのみ空気を流入させたいので、ポンプ流路２０の天井面から開口Ａまでの距離ΔＨは、ΔＨ＝ＮＰＳＨ_Req−Ｈｒとすれば良い。

しかしながらこのように吸込水深ＨｓをＮＰＳＨ_Reqの位置に設定すると、前述のようにその位置が高い場合は連通管４０が空気を吸い込まない場合がある。即ち前述のようにポンプ流路２０内の流速ｖは決まっており、連通管４０が空気を吸い込む条件は、ΔＨｗ＜ｖ²／２ｇのときなので、ＮＰＳＨ_Req＜Ｈｒ＋ｖ²／２ｇの場合は、開口ＡをＨｓ＝ＮＰＳＨ_Reqの位置、即ちΔＨ＝ＮＰＳＨ_Req−Ｈｒの位置に設定すれば連通管４０に空気が吸い込まれるが、ＮＰＳＨ_Req≧Ｈｒ＋ｖ²／２ｇの場合は、開口ＡをＨｓ＝ＮＰＳＨ_Reqの位置、即ちΔＨ＝ＮＰＳＨ_Req−Ｈｒの位置に設定しても連通管４０は空気を吸い込まない。このためこの場合は、開口Ａを空気の吸い込みが始まるΔＨ＝ｖ²／２ｇ（この位置はＨｓ＝ＮＰＳＨ_Reqの位置よりも低い位置である）の位置に設定する。

つまりＮＰＳＨ_Req＜Ｈｒ＋ｖ²／２ｇの場合は、開口ＡをＨｓ＝ＮＰＳＨ_Reqの位置に設定することで、キャビテーションの発生と同時に空気を吸い込むようにする。

一方ＮＰＳＨ_Req≧Ｈｒ＋ｖ²／２ｇの場合は、キャビテーションが発生し始めた段階では開口Ａはまだ水面下にあり、さらに水面が下降して開口Ａが水面上に出たときに空気の吸い込みが始まり、すでに発生していたキャビテーションがさらに激しくなるのを防止する。

なお連通管４０は、図２に示す本発明の実施形態のように横軸ポンプＰの上流側のポンプ流路２０上部（天井面）にその全幅にわたって下側に突出する凸部４５に設ける。このように構成した場合、連通管４０は水平に設置しても良い。

本実施形態のように凸部４５を設けた場合は、少なくとも吸込水槽１０内の水面が凸部４５の下端辺よりも低くならない以上、ポンプ流路２０内の水が満水とならない水位でも羽根車Ｐ１の回転によってポンプ流路２０内の空気が水と共に吐出流路２５の方へ送られて凸部４５の下流側のポンプ流路２０内の空気が全て抜けて満水となり、ポンプ本来の送水能力が得られ、以後排水が効果的に行われる。なお前記凸部４５はポンプ流路３０の入り口部分ではなく、内部に設けても良い。

以上本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載がない何れの形状・構造であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。

キャビテーションが発生しにくい排水用横軸ポンプ設備の参考例を示す概略側断面図である。 キャビテーションが発生しにくい排水用横軸ポンプ設備の一実施形態を示す概略側断面図である。 従来の排水用横軸ポンプ設備の一例を示す概略側断面図である。 従来の排水用横軸ポンプ設備の問題点を説明する概略側断面図である。 従来の排水用横軸ポンプ設備の問題点を説明する概略側断面図である。

符号の説明

１０ 吸込水槽
２０ ポンプ流路
Ｐ 横軸ポンプ
Ｐ１ 羽根車
２５ 吐出流路
４０ 連通管
Ａ，Ｂ 開口
４５ 凸部

Claims (2)

1. 吸込水槽にポンプ流路を接続し、前記ポンプ流路内に横軸ポンプを設置することで吸込水槽内の水をポンプ流路に吸い込んで所定の場所に排水する排水用横軸ポンプ設備において、
   前記横軸ポンプの羽根車の上流側のポンプ流路上部に下側に突出する凸部を設けると共に、この凸部の部分に開口してキャビテーション防止用の気体を導入する連通管を設置したことを特徴とする排水用横軸ポンプ設備。
2. 前記連通管の他端は吸込水槽内に開口しており、且つこの開口はポンプにおいてキャビテーションの発生が始まる吸込水槽の水面位置、或いはポンプ流路内を流れる流体によって連通管内に空気が吸い込まれる最も高い位置の内の何れか低いほうの位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の排水用横軸ポンプ設備。

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