JP4562088B2 - 自吸式ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、自吸運転の際には、吸込ケーシング側の空気を吐出ケーシング側に移送する空気移送効率を高め、自吸運転に必要な時間を短くして速やかに揚水運転に移行できるようにした自吸式ポンプに関するものである。

自吸式両吸込渦巻ポンプの一例が、特開２００４−１８３５６１号公報に示されている。この特開２００４−１８３５６号公報に示される技術は、ポンプケーシングの羽根車室（吐出室）から吐出ケーシング側に吐き出される水の一部を、吐出ケーシングの壁に開口した導入口から内壁に対して略接線方向に流入させて、吐出ケーシング内の水に旋回流を生成させ、この旋回流の遠心分離作用により吐出ケーシング内の気液混合水から水と空気を効果的に分離する。さらに、前記導入口よりも下流側の吐出ケーシングの壁に水の旋回方向で略接線方向に流出口を開口し、この流出口を戻り水量規制部を介して吸込ケーシングに連通する。旋回流により分離された吐出ケーシング内の水が流出口に流入し、さらに戻り水量規制部を経て吸込ケーシング内に戻される。

また、特開２００３−１４８３７３号公報に示される自吸式ポンプは、ポンプ停止時に、ポンプ羽根車が浸るように自吸水がポンプケーシング内に溜まるようにし、しかも吸込ケーシングが吸込口から連続してポンプの回転方向に沿って断面積が徐々に減少するボリュート形状に構成されている。吸込ケーシング内に溜まっている自吸水が羽根車入口に流入する際に、ボリュート形状により旋回流が生成され、ポンプ羽根車の羽根車入口角を大きくすることができる。このポンプ羽根車の羽根車入口角が大きいことにより、ポンプ起動の際に、吸込ケーシング側から吐出ケーシング側への空気排出流量を大きなものとすることができる。
特開２００４−１８３５６１号公報 特開２００３−１４８３７３号公報

上記特開２００４−１８３５６１号公報に示された技術は、吐出ケーシング側に移送された気液混合水から空気と水を効率的に分離し、分離した水を吸込ケーシング側に戻して吸込ケーシング側の自吸水の水量を増すことで、自吸運転に必要な時間を短くでき、揚水運転への移行が迅速にできるようにしたものである。

また、特開２００３−１４８３７３号公報に示された技術は、ポンプ羽根車の羽根車入口角を大きくすることで、吸込ケーシング側の空気を吐出ケーシング側に効率良く移送でき、やはり自吸運転に必要な時間を短くして迅速に揚水運転への移行が可能である。しかし、揚水運転時にあっては、ポンプ羽根車の羽根車入口角が大きすぎて、羽根車入口で水が周方向に回転し、この旋回させるだけのエネルギーが浪費されて、ポンプ効率が低下することが予測される。

本発明者は、自吸運転に必要な時間を短くするには、吸込ケーシング側の空気を吐出ケーシング側に速やかに移送できれば良く、そのための一つの手段として、吸込ケーシング側で自吸水に空気を多量に混入させた空気含有率の高い気液混合水を生成させれば良いことに想到した。そこで、本発明者らは、吸込ケーシングの形状に着目し、試験研究を重ねた結果、空気含有率の高い気液混合水を生成できる吸込ケーシングの形状を完成させた。

ところで、従来の自吸式ポンプにあっては、図１５の一部切り欠き図に示すごとく、吸込ケーシング１０の下側壁面の形状は、ポンプ羽根車１２の外周上端レベルまたは吸込口１４の下端レベルからポンプ羽根車１２の回転軸１６の中心レベルまでの間で、垂直に対して角度θが３５°〜４５°の範囲でポンプ羽根車１２から離れる方向の吸込口１４側に傾斜して構成されていた。なお、特開２００４−１８３５６１号公報に示された自吸式ポンプにあっては、角度θが略４５°の傾斜で構成されている。

かかる従来の吸込ケーシング１０の形状にあっては、ポンプ羽根車１２が回転されると、自吸水が吐出ケーシング１８側に移送されて吸込ケーシング１０内に溜まっている自吸水のレベルが低下し、羽根車入口２０の上部分が空気に露出し、下部分が自吸水に浸った状態となる。すると、ポンプ羽根車１２の回転により撹拌された水が、羽根車入口２０を経て吸込ケーシング１０の下側壁面の内面まで飛沫となって飛ばされる。この飛沫となって飛ばされた水は、吸込ケーシング１０の下側壁面の内面に衝突するが、下側壁面が垂直に対して吸込口１４側に３５〜４５°の傾斜で構成されているために、壁面に衝突してもはね返されにくい。そこで、自吸水に多量の空気が混入され得ないことが観察された。

本発明は、上述のごとき従来技術で観察された知見に基づき、空気が大量に混入され易い吸込ケーシングを形成し、自吸運転に必要な時間を短くして迅速に揚水運転に移行できる自吸式ポンプを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために本発明の自吸式ポンプは、ポンプ停止時に、ポンプ羽根車が浸るように自吸水がポンプケーシング内に溜まる自吸式ポンプにおいて、前記ポンプ羽根車の外周上端レベルから前記ポンプ羽根車の回転軸レベルまでの間の吸込ケーシングの下側壁面を、垂直にまたは垂直から３０°の範囲内で前記ポンプ羽根車から離れる側に傾斜させて、外側に凸なる曲面とし、前記吸込ケーシングの吸込口をその下端が前記ポンプ羽根車の外周上端レベルよりも高い位置となるようにし、吐出室から吐出ケーシング内に内壁に対して略接線方向に水を流出させる旋回流生成部を設け、垂直を軸方向とする円筒状でその上下が閉塞された戻り水量規制部を設け、前記旋回流生成部の流出口よりも上流側に開口した導出口を前記戻り水量規制部の円筒状の上部分の側壁に略接線方向に流入するように開口した戻り水量流入口に連通し、前記戻り水量規制部の円筒状の底面の略中心位置に開口した戻り水量流出口を吸込室に連通して構成されている。

そして、前記吸込ケーシングを、水平面で上吸込ケーシングと下吸込ケーシングとに２分割し、前記上吸込ケーシングと下吸込ケーシングをフランジ接合して構成しても良い。

請求項１記載の自吸式ポンプにあっては、吸込ケーシングの下側壁面が、垂直にまたは垂直から３０°の範囲内でポンプ羽根車から離れる側に傾斜させて構成されているので、羽根車入口から飛沫となって飛ばされた水は、吸込ケーシングの下側壁面の内面に激しく衝突し、多くの空気を巻き込んで自吸水の空気含有率を高いものとする。そして、この空気含有率の高い吸込ケーシング側の自吸水を吐出ケーシングに移送することで、吸込ケーシング側の空気を迅速に吐出ケーシング側に移送できる。この結果、自吸運転に必要な時間を短くでき、速やかに揚水運転に移行することができる。また、吸込ケーシングの下側壁面を外側に凸な曲面としたので、吸込ケーシングの内容積を大きくでき、ポンプ停止時にポンプケーシング内に多量の自吸水を溜めることができる。しかも、吸込ケーシング側に溜まる自吸水の量が多く、吸込ケーシング側の空気を吐出ケーシング側に移送するのに好都合である。さらに、吸込ケーシングの吸込口の下端が、ポンプ羽根車の外周上端レベルよりも高い位置にあるので、ポンプが停止して吸込ケーシング内の水に対してサイホン破壊が生じた際に、吸込ケーシング内にある水の量を多く保持でき、もってポンプ停止時の自吸水の量を多くすることができる。そしてさらに、自吸運転時にあっては、旋回流生成部の作用により気液混合水から分離された水が戻り水量規制部を経て吸込室に戻され、再度自吸水となって自吸運転に必要な時間が短くなる。さらにまた、揚水運転時にあっては、戻り水量規制部により吐出ケーシングから吸込室に戻る戻り水量が大きく規制でき、効率的な揚水運転ができる。

請求項２記載の自吸式ポンプにあっては、吸込ケーシングを水平面で上下に２分割してフランジ接合しているので、羽根車入口等が異物で閉塞された場合などに、吸込ケーシングの上吸込ケーシングを取り外して容易に異物を取り除くことができる。

まず、発明者が完成させた、空気含有率の高い気液混合水を吸込ケーシングで生成して、これを吐出ケーシングに移送できるようにした自吸式ポンプの構造を図１ないし図８を参照して説明する。図１は、発明者が完成させた自吸式ポンプを両吸込渦巻ポンプに適用した構造の外観正面図である。図２は、図１のＸ−Ｘ断面矢視図である。図３は、図２に実線で断面部分を示したＹ−Ｙ断面矢視図である。図４は、図２に破線で断面部分を示したＺ−Ｚ断面矢視図である。図５は、ポンプ羽根車が完全に水没するように自吸水を充填した状態の模式的な断面図である。図６は、自吸運転時の状態を示す模式的な断面図である。図７は、吸込ケーシングの下側壁面の角度により自吸運転に必要な時間の関係を示す特性図である。図８は、揚水運転からポンプが停止してサイホン破壊が生ずる際の状態を示す模式的な断面図である。

図１ないし図４において、空気含有率の高い気溶混合水を吸込ケーシングで生成して、これを吐出ケーシングに移送できるようにした自吸式ポンプが、両吸込渦巻ポンプに適用されている。ポンプケーシングは１つの吸込口１４を有する吸込ケーシング１０が両側に２つの流路として分岐されて、両側の吸込室２２、２２に連通される。そして、これらの吸込室２２、２２が、両側の羽根車入口２０、２０により１つの渦巻状の吐出室２４（羽根車室）に連通され、この吐出室２４が上方に向いた吐出口２６を有する吐出ケーシング１８に連通される。渦巻状の吐出室２４には、渦巻状の略中心に回転軸１６が回転自在に配設され、この回転軸１６にポンプ羽根車１２が固定されている。回転軸１６は、駆動機に駆動連結されていて、適宜に駆動回転されることは勿論である。そして、吸込口１４は、図示しない吸込管を介して吸込水槽の水面下に連通される。また、吐出口２６は、図示しない吐出管を介して吐出水槽に開口されている。かかる構造は、特開２００４−１８３５６１号公報に示された自吸式両吸込ポンプと同様である。

そして、図１ないし図４に示す構造において、図１５に示す従来の構造と相違するところを、以下説明する。まず、吸込ケーシング１０の吸込口１４付近は、略水平に構成され、しかも吸込口１４の下端レベルａが、ポンプ羽根車１２の外周上端レベルｂよりも距離ｈだけ高い位置に設けられる。また、吸込ケーシング１０の下側壁面で、ポンプ羽根車１２の外周上端レベルｂから回転軸１６の中心レベルｃまでの間の壁面Ｇ〜Ｈは、垂直に対してポンプ羽根車１２と離れる方向の吸込口１４側に略３０°の角度θで傾斜しており、しかも傾斜の角度θが徐々に変化して外側に凸の曲面で形成される。

また、渦巻状の吐出室２４と吐出ケーシング１８を連通する旋回流生成部２８が設けられる。この旋回流生成部２８は、吐出室２４に流入口３０を開口し、この流入口３０に流入した水が、吐出ケーシング１８内に水の流れ方向と略直交する平面で内壁に対して略接線方向に流出するように流出口３２が設けられる。

かかる構成からなる構造において、図５に示すごとく、ポンプケーシングには自吸水が吸込口１４の下端レベルａの近くまで溜められて、ポンプ羽根車１２が完全に水没する状態に充填される。この図５に示す状態から、回転軸１６を回転させてポンプを起動すると、ポンプ羽根車１２の回転に伴い自吸水は吐出ケーシング１８側に移送され、吐出室２４および吸込室２２、２２内の自吸水の水面位置が低下し、図６に示すごとく、羽根車入口２０、２０の上部分が空気中に露出し、下部分が自吸水に浸った状態となる。すると、ポンプ羽根車１２の回転で激しく撹拌された自吸水の一部が、羽根車入口２０、２０から吸込室２２、２２内に飛沫となって飛ばされ、吸込ケーシング１０の下側壁面の内面に激しく衝突してはね返り、自吸水の水面に落下する。すると、この落下の際に、多くの空気を気泡として巻き込んで自吸水の空気含有率を高いものとする。そして、この空気含有率の高い自吸水が吐出ケーシング１８側に移送される。

また、吐出室２４の自吸水の一部は、旋回流生成部２８の流入口３０に流入し、吐出ケーシング１８内に流出口３２から内壁面に対して略接線方向に流出して、吐出ケーシング１８内の自吸水に旋回流を生成させる。この旋回流により、吐出ケーシング１８内の気液混合水からなる自吸水は、遠心分離作用により水と空気に分離され、旋回中心に集まる空気は吐出口２６を経て外部に放出され、旋回外周部に集まる比重の大きい水は、圧力の高い吐出室２４からポンプ羽根車１２の回転するのに必要な両側にできる隙間を経て吸込室２２へ戻って再び自吸水となる。

発明者は、吸込ケーシング１０の下側壁面の傾斜の角度θを、０°〜５５°まで種々変えて実験を重ねた結果、図７に示すごとき特性が得られた。試験は、口径２００ｍｍの自吸式両吸込ポンプを用いて、吸い上げ高さを２ｍとし、下側壁面の傾斜の角度θが０°〜５５°の範囲で変えたものをいくつか用意し、ポンプ起動から２ｍの高さまで水を吸い上げるまでに要した時間を測定した。特性図からは、吸込ケーシング１０の下側壁面のＧ〜Ｈの間が垂直の状態で、自吸運転に必要な時間が最も短くて約２分であった。そして、傾斜の角度θが大きくなっても、０°〜３０°の範囲では緩やかに自吸運転に必要な時間が長くなり、約２分〜約２分３０秒と、それほど大きな差異は見られない。しかし、傾斜の角度θが３０°を越えて大きくなると、自吸運転に必要な時間が急激に長くなる。したがって、吸込ケーシング１０の下側壁面の傾斜の角度θを、０°〜３０°に設定すれば、吸込ケーシング１０側の空気が吐出ケーシング２４側に速やかに移送され、自吸運転に必要な時間の短縮に効果的であることが判明した。

ここで、図１ないし図４に示す構造にあっては、吸込ケーシング１０の下側壁面のＧ〜Ｈ間は、傾斜がなだらかに変化して外側に凸なる曲面で形成されているが、下側壁面のＧ〜Ｈ間が、直線で形成されていても良い。しかしながら、下側壁面のＧ〜Ｈ間を外側に凸なる曲面で形成することで、吸込ケーシング１０内の内容積を大きくでき、それだけ自吸水を多量に溜めることができる。また、吸込ケーシング１０の下側壁面をなだらかに変化する外側に凸なる曲面で形成することで、羽根車入口２０、２０への水の流入が円滑なものとなる。なお、羽根車入口２０、２０から吸込ケーシング１０の下側壁面のＧ−Ｈ間までの距離を短くできれば、飛沫が衝突する激しさが大きなものとなり、より空気の巻き込みも多くなることが想定される。しかるに、吸込ケーシング１０は、揚水運転時に所定の流路断面積が必要であり、羽根車入口２０、２０から吸込ケーシング１０の下側壁面のＧ−Ｈ間までの距離を、従来の構造から大きく変更することは現実的でない。

さらに、揚水運転からポンプが停止されると、サイホン効果によりポンプケーシング内の水は、吸込水槽側に逆流する。そして、図８に示すごとく、吐出ケーシング１８および吐出室２４の水面のレベルが低下し、羽根車入口２０、２０の上端レベルｓ以下となると、吸込室２２、２２および吸込ケーシング１０内に空気が流入し、サイホン破壊が生ずる。このサイホン破壊が生ずる瞬間において、吸込ケーシング１０内は水で充満されており、吸込口１４の下端レベルａが高いほど、また吸込口１４付近の水平部分が長いほど、ポンプケーシング側に残る水量が多くなり、図５に示すごとく、自吸水が吸込口１４の下端レベルａに近い水面まで多量に残留する。よって、ポンプを再起動する際に、自吸水を外部から補充する必要がなく、またサイホン効果による逆流を阻止するための逆止弁も必要がない。

次に、図１ないし図４に示す構造を更に改良した、本発明の第１実施例を図９ないし図１３を参照して説明する。図９は、本発明の自吸式ポンプを両吸込渦巻ポンプに適用した第１実施例の正面断面図である。図１０は、第１実施例の側面断面図である。図１１は、戻り水量規制部の縦断面図である。図１２は吐出ケーシングに戻り水量規制部への導出口の開口状態を示す図である。図１３は、戻り水量規制部の流入圧力と戻り水量の関係を示す図である。図９ないし図１２において、図１ないし図４に示すものと同じまたは均等な部材には、同じ符号を付けて重複する説明を省略する。

第１実施例において、図１ないし図４に示す構造と相違するところは、戻り水量規制部４４を設けたことにある。まず、旋回流生成部２８の流出口３２が開口された位置よりも上流側で、吐出ケーシング１８に直交するようにして導出口４０が図１２に示すごとく開口され、この導出口４０が連通管４２を介して戻り水量規制部４４に開口された戻り水量流入口４６に連通される。この戻り水量規制部４４は、垂直を軸方向とする円筒状でその上下が閉塞され、この円筒状の上部分の側壁に、略接線方向に戻り水量流入口４６が開口される。そして、戻り水量規制部４４は、ポンプケーシングの吸込室２２、２２および吐出室２４の上方位置に適宜に配設される。さらに、戻り水量規制部４４の円筒状の底面の略中心位置に戻り水量流出口４８が開口され、この戻り水量流出口４８が分岐連通管５０、５０を介してポンプケーシングの両側の吸込室２２、２２の上部位置に連通される。

かかる構成の第１実施例において、自吸運転時にあっては、ポンプ羽根車１２の回転により吐出ケーシング１８内の気液混合水の水面が徐々に低下するとともに、旋回流生成部２８の作用により吐出ケーシング１８内の気液混合水に旋回流が生じ、その遠心分離作用により旋回外周部に集まる水と旋回中心に集まる空気とに分離される。そして、吐出ケーシング１８内にある気液混合水から分離された水の圧力が高まり、この分離された水が旋回外周部に開口する導出口４０に流入する。なお、導出口４０を旋回流生成部２８よりも上流側に開口させることで、吐出ケーシング１８内の水面が低下しても、確実に導出口４０には気液混合水から分離された水が流入し得る。さらに、導出口４０に流入した水は、連通管４２を通過して戻り水量流入口４６から戻り水量規制部４４内に内壁に沿うようにして流入し、内壁を伝って螺旋状に旋回して流下する。そしてさらに、この旋回して流下した水が、底面でその流れ方向を急激に変えて、戻り水量流出口４８から分岐連通管５０、５０を通過して吸込室２２、２２に戻され、再度自吸水となる。よって、ポンプケーシング内は迅速に自吸水で満たされ、自吸運転に必要な時間が短くなる。しかも、揚水運転時にあっては、戻り水量流出口４８が円筒状の底面の略中心位置にあるので、旋回して流下した水は流れ方向を急激に変化させて戻り水量流出口４８に流れ込み、流れの損失抵抗が大きいとともに、旋回流の中心位置は外周部よりも圧力が低くなるために、戻り水量流出口４８における圧力Ｐ２は、戻り水量流入口４６の圧力Ｐ１に比較してかなり低いものとなる。そこで、戻り水量規制部４４内の水は戻り水量流出口４８から流出しにくくなる。もって、図１３に実線で示したごとく、流入圧力Ｐ１の増加に対して戻り水量が大きく規制されて、吐出側から吸込側への戻り水量を少なくすることができ、効率的な揚水運転が可能である。なお、図１３で破線は、戻り水量規制部４４を経ることなしに、吐出ケーシング１８に開口した導出口４０から連通管４２および分岐連通管５０、５０を介して直接的に吸込室２２、２２に連通した場合の流入圧力Ｐ１に対する戻り水量を示すものである。

さらに、本発明の第２実施例を図１４を参照して説明する。図１４は、本発明の自吸式ポンプの第２実施例の正面図である。

第２実施例にあっては、吸込ケーシング１０が、水平面で上吸込ケーシング１０ａと下吸込ケーシング１０ｂとに２分割され、上吸込ケーシング１０ａと下吸込ケーシング１０ｂとをフランジ接合させたものである。かかる構成では、羽根車入口２０、２０等が異物で閉塞された場合に、上吸込ケーシング１０ａを取り外して、下吸込ケーシング１０ｂのフランジ部の開口から手や治具等を挿入して容易に異物を取り除くことができ、保守管理が容易である。

なお、上記実施例において、流体としての対象を水として説明したが、水以外の流体を対象とすることも可能である。また、上記実施例では本発明の自吸式ポンプを両吸込渦巻ポンプに適用しているが、片吸込渦巻ポンプに適用できることは勿論である。さらに、吸込ケーシング１０の吸込口１４は、上記実施例に示されたものに限られず、上記実施例とはその開口方向が９０°ないし１８０°垂直軸回りに回転して配設されても良く、また必ずしも水平方向に向けて開口されていなくても良い。そして、吐出ケーシング１８の吐出口２６は、上記実施例に示したごとき上方向に向けて開口されたものに限られず、斜め上方や水平方向に向けて開口されたものであっても良い。

発明者が完成させた、空気含有率の高い気液混合水を吸込ケーシングで生成して、これを吐出ケーシングに移送できるようにした自吸式ポンプを両吸込渦巻ポンプに適用した構造の外観正面図である。 図１のＸ−Ｘ断面矢視図である。 図２に実線で断面部分を示したＹ−Ｙ断面矢視図である。 図２に破線で断面部分を示したＺ−Ｚ断面矢視図である。 ポンプ羽根車が完全に水没するように自吸水を充填した状態の模式的な断面図である。 自吸運転時の状態を示す模式的な断面図である。 吸込ケーシングの下側壁面の角度により自吸運転に必要な時間の関係を示す特性図である。 揚水運転からポンプが停止してサイホン破壊が生ずる際の状態を示す模式的な断面図である。 本発明の自吸式ポンプを両吸込渦巻ポンプに適用した第１実施例の正面断面図である。 第１実施例の側面断面図である。 戻り水量規制部の縦断面図である。 吐出ケーシングに戻り水量規制部への導出口の開口状態を示す図である。 戻り水量規制部の流入圧力と戻り水量の関係を示す図である。 本発明の自吸式ポンプの第２実施例の正面図である。 従来の自吸式ポンプの一部切り欠き図である。

１０ 吸込ケーシング
１０ａ 上吸込ケーシング
１０ｂ 下吸込ケーシング
１２ ポンプ羽根車
１４ 吸込口
１６ 回転軸
１８ 吐出ケーシング
２０ 羽根車入口
２２ 吸込室
２４ 吐出室
２６ 吐出口
２８ 旋回流生成部
３０ 流入口
３２ 流出口
４０ 導出口
４２ 連通管
４４ 戻り水量規制部
４６ 戻り水量流入口
４８ 戻り水量流出口
５０ 分岐連通管
Ｐ１ 戻り水量流入口の圧力
Ｐ２ 戻り水量流出口の圧力

Claims (2)

1. ポンプ停止時に、ポンプ羽根車が浸るように自吸水がポンプケーシング内に溜まる自吸式ポンプにおいて、前記ポンプ羽根車の外周上端レベルから前記ポンプ羽根車の回転軸レベルまでの間の吸込ケーシングの下側壁面を、垂直にまたは垂直から３０°の範囲内で前記ポンプ羽根車から離れる側に傾斜させて、外側に凸なる曲面とし、前記吸込ケーシングの吸込口をその下端が前記ポンプ羽根車の外周上端レベルよりも高い位置となるようにし、吐出室から吐出ケーシング内に内壁に対して略接線方向に水を流出させる旋回流生成部を設け、垂直を軸方向とする円筒状でその上下が閉塞された戻り水量規制部を設け、前記旋回流生成部の流出口よりも上流側に開口した導出口を前記戻り水量規制部の円筒状の上部分の側壁に略接線方向に流入するように開口した戻り水量流入口に連通し、前記戻り水量規制部の円筒状の底面の略中心位置に開口した戻り水量流出口を吸込室に連通して構成したことを特徴とする自吸式ポンプ。
2. 請求項１記載の自吸式ポンプにおいて、前記吸込ケーシングを、水平面で上吸込ケーシングと下吸込ケーシングとに２分割し、前記上吸込ケーシングと下吸込ケーシングをフランジ接合して構成したことを特徴とする自吸式ポンプ。