JP4839974B2 - 樹脂製水中ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、樹脂製水中ポンプに係り、特に排水ポンプ車に搭載するのに好適な樹脂製水中ポンプに関する。

排水ポンプ車に用いる従来の水中ポンプの例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載の水中ポンプでは、ポンプケーシング内の流体損失を小さくし、かつ水中モータを有効に冷却するために、ポンプケーシングのほぼ全周にわたり、吸込み口が外周部に形成されている。さらにポンプケーシングの内部には、羽根車が配置されている。この羽根車は、電動機の軸の突端部に取り付けられている。ポンプ吸込み口は、軸を含む断面において流入する流体の流線の中心と電動機側の軸とのなす角を７５度以下にしている。

樹脂製ポンプの例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載のポンプでは樹脂製セミオープン羽根車を備え、所望の出力を得る形状を容易に確認できるように、羽根オープン側に主板と平行な部分を形成している。

特開２００１−１１５９８５号公報 特開平７−２４３３９８号公報

排水ポンプ車を大別すると、クレーンなどの機械的手段で水中ポンプを水中に投入するものと、人手を頼りに水中へ投入するものとがある。中小河川では、後者を使用することが多く、氾濫する河川に人手だけを用いて容易に水中ポンプを投入できることが望まれている。上記特許文献１に記載の従来の水中ポンプでは、ポンプ効率を改善して軽量化を図っているが、ポンプ効率の改善による軽量化には限界があり、水中ポンプを大容量化するためには、新たな手法による軽量化が必要となっている。

ポンプを軽量化する方法として、ポンプ部品に樹脂を使用することが提案されている。上記特許文献２では、遠心羽根車およびポンプケーシングを合成樹脂で製作している。しかしながら、この公報に記載のポンプは、据え置き型のものであるから、排水用の水中ポンプに要求される、ポンプが可搬性を有することおよび水中に投下することについては何等考慮されていない。また、樹脂製にすればポンプを大型化することが可能になるが、その場合、樹脂部分に吸込まれた水に含まれる砂等により樹脂部分がサンドエロージョンされることについては、考慮されていない。

本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、水中ポンプの重量を低減して、可搬性を向上させることにある。本発明の他の目的は、水中ポンプの排水量を大容量化することにある。

上記目的を達成する本発明の特徴は、モータの回転軸を一方側に延在させ、この回転軸の延在した部分に羽根車を取り付け、前記モータおよび羽根車をケーシング内に収容した樹脂製水中ポンプにおいて、前記ケーシングの外周部に水の吸込み口を形成するとともに、このケーシングは吸込み口と前記羽根車間に、内筒と外筒により吸込み流路を形成する吸込ケーシングと、モータケーシングと、吐出ケーシングとを有し、この吐出ケーシングに周方向に間隔をおいて複数の静翼を取り付け、前記吸込ケーシングと吐出ケーシングと静翼とを樹脂製とし、前記吸込ケーシングの前記内筒と前記外筒との間に周方向に間隔をおいて複数のリブを設け、このリブの反吸込み側端部は、前記羽根車のチップ側に対向する壁面を形成する吸込ケーシングの前記外筒の最小径部よりも大きな径部から前記内筒まで延びており、前記リブの反吸込み側端部が形成する線と、吸込ケーシングにより形成される吸込み流路の平均流線または吸込ケーシングの吸込み口部の平均傾きとがなす角度の中で、前記内筒に対向する側でありかつ前記回転軸側の角度（α）が、鈍角となるよう形成したものである。

この特徴において、吸込ケーシングの外筒内壁面であって、羽根車の吸込み側端部より吸込側に、周方向に間隔をおいて複数の溝を形成するのがよく、吸込ケーシングの外筒内壁面であって、羽根車の吸込み側端部より吸込側に、周方向に間隔をおいて複数の突起を形成するのがよい。また、溝または突起を軸方向に延在させてもよく、モータケーシングおよび吸込ケーシング，吐出ケーシングを順次軸方向に連接して円筒状のケーシングとするのがよい。

本発明によれば、水中ポンプの主要部を樹脂製としたので重量が低減し、水中ポンプの可搬性が向上する。また本発明によれば、ポンプ羽根車前縁部の旋回逆流によるサンドエロージョンを低減したので、高比速度羽根車の使用が可能になり、排水量を大容量化できる。

近年頻発する局地的な大雨による河川の氾濫に迅速に対応するため、機動性に優れた排水ポンプの有意性が認識されている。これに伴い、排水ポンプ車が普及し、水中ポンプの総排水量が大容量化している。また、排水ポンプ車による排水では、ポンプ車に水中ポンプを含む排水に必要な設備一式を搭載して、河川の氾濫による洪水が発生した排水現場まで出動する。その洪水現場で、水中ポンプを水中に投入して水を汲み上げ、排水している。

この様子を、図５を用いて説明する。排水ポンプ車７は、水中ポンプ６と排水作業に最低限必要な機材とを搭載している。すなわち、排水ポンプ車７には、このポンプ車７で発生した動力を取出すための動力取り出し装置（ＰＴＯ）１，このＰＴＯ１が取出した動力を用いて電力を発生する発電機２，発電機２から供給された電力で排水する水中ポンプ６，水中ポンプ６を駆動するときに水中ポンプ６の回転速度を制御するインバータ盤４，インバータ盤４と発電機の間に配置した操作盤３，排水ポンプ６から吐出される水を排水河川まで導く排水ホース５とが搭載される。

洪水現場では、排水ポンプ車７を水際まで走行させる。そして、排水ポンプ車７の動力をＰＴＯ１を介して取出し、ＰＴＯ１から得られた動力で排水ポンプ車７に積載した発電機２を駆動させる。このとき、発電機２から供給された電力を、インバータ盤４を介して水中ポンプ６に供給する。水中ポンプ６とインバータ盤４間を、電線ケーブル８で接続する。それとともに水中ポンプ６に排水ホース５を接続する。水中ポンプを水中に投下したら、排水ホース５を介して氾濫水が河川側に排水される。

ところで、氾濫する河川から水中ポンプ６を用いて排水するときには、排水先の河川と氾濫する河川との水位差から決定されるシステムヘッドカーブ上で、水中ポンプ６を運転する。しかしながら、水中ポンプ６の吐出揚程が河川護岸堤防を乗り越えてサイホンを形成するまでは、護岸堤防と氾濫する河川との水位差から決定される上記システムヘッドカーブとは異なるシステムヘッドカーブ上で運転される。

つまり、水中ポンプ６の運転初期に出現する、護岸堤防と氾濫する河川の水位差から決定される運転では、水中ポンプ６を低流量域で運転するから、これまでは比較的サイホンを形成しやすい小容量で高揚程の低比速度ポンプを用いていた。水中ポンプに大容量で低揚程の高比速度ポンプを用いると、運転初期のサイホン形成時における低流量運転が不安定領域と重なり、羽根車の前縁から旋回逆流が発生する恐れがあった。

この旋回逆流は、低流量域ほど高流速であり、締切点付近での極めて低流量運転では、羽根車の目玉部の周速程度の高速な流れになる。したがって、低流量域では、吸込ケーシング内で河川水の土砂によるサンドエロージョンが発生して、樹脂製の部位、特に応力集中が生じやすい吸込ケーシング内のリブ先端付根部が侵食される恐れがある。この不具合は、以下に示す本発明に係る水中ポンプにより解決される。

本発明に係る水中ポンプのいくつかの実施例を、図面に基づいて説明する。図１に、樹脂製水中ポンプの一実施例の縦断面図を示す。本実施例に示す水中ポンプ５０は、外周吸込みで軸方向吐出し型のポンプであり、モータ１８のロータ１８ｂを構成する回転軸１５の延在部に、羽根車１７が取り付けられている。

図１において、モータ１８の回転軸１５は右側に大きく延在しており、この回転軸１５の中間部および左端側を、軸受１６ａ，１６ｂが回転支持する。ロータ１８ｂとともにモータ１８を形成するステータ１８ａは、円筒状のモータケーシング１３内に保持されている。モータケーシングの左端側面は、軸受１６ｂを保持する軸受保持部が形成されたエンドカバー１４で覆われている。エンドカバー１４には、モータ１８に電力を供給する端子やポンプの各種測定信号を伝送する端子が形成されている。

モータケーシング１３の右側側面には、軸受１６ａを保持する軸受保持部が形成されたベアリングハウジング１２が取り付けられている。ベアリングハウジング１２の右側面には、ベアリングハウジング１２およびモータケーシング１３と外径がほぼ同じに形成された吸込ケーシング１１が取り付けられている。

吸込ケーシング１１は図で左側に位置する内筒１１ｂと、図で右側に位置する外筒11ａとを有し、内筒１１ｂと外筒１１ａ間を周方向に間隔をおいて複数配置されたリブ２０で接続している。吸込ケーシング１１の外周のほぼ全域にわたって、外周吸込みを可能にするため、開口部（吸込み口）２４が形成されている。吸込み口２４の外周部は、ごみ等がポンプ内部に侵入するのを防止するために、ストレーナ２２で覆われている。

内筒１１ｂの軸心部は、軸方向に延びた円筒状であり、回転軸１５に隙間を有して嵌合する。内筒１１ｂのベアリングハウジング１２への取り付け部と軸心部間は、吸込み流路を形成するようにラッパ状になっている。回転軸１５の内筒１１ｂの背面側に位置する部分には、メカニカルシール１９が取り付けられており、モータ１８側に水等が侵入するのを防止する。外筒１１ａは、縦断面形状がＵ字型に形成されており、左側の部分が内筒
１１ｂとともに吸込み流路を形成し、右側の部分が詳細を後述する羽根車１７の流路の壁面を形成する。さらに右端部はフランジ状に形成されており、ほぼ円筒に形成された吐出ケーシング１０の外筒１０ａのフランジ部と係合する。

モータ１８の回転軸１５は、吸込ケーシング１１の内筒１１ｂからさらに左方に延在しており、この延在部に斜流羽根車１７を嵌合させ、回転軸１５の端部に形成したボルトにナットを係合して固定している。斜流羽根車１７はオープンタイプの羽根車で、上述したように吸込ケーシング１１の外筒１１ａが流路壁面を形成する。

斜流羽根車１７のボス部に隣り合って、吐出ケーシング１０の内筒１０ｂが配置されている。吐出ケーシング１０の内筒１０ｂは、円筒部とドーム部とを有しており、円筒部の外周には複数枚の静翼２１が、周方向に間隔をおいて配置されている。静翼２１の外径側は、吐出ケーシング１０の外筒１０ａ内面に固定されている。吐出ケーシング１０の外筒１０ａのフランジ部には、排水ホースを取り付けるためのホース取付け具２３ａが取り付けられており、吐出し口２５を形成する。ホース取付け具２３ａにはホース金具２３ｂを介して排水ホース２３ｃが取り付けられる。

このように構成した本実施例に示す水中ポンプ６ では、羽根車１７が回転すると、吸込み口２４からストレーナ２２を通って、矢印２６に示すように斜めに水が水中ポンプ６の内部に吸込まれる。そして、羽根車１７で昇圧されて矢印２７で示すように右側に移動し、静翼２１および吐出ケーシング１０を経て排水ホース２３へ流入する。

ここで、本実施例で示した水中ポンプ６はいわゆる樹脂製水中ポンプであり、吐出ケーシング１０および吸込ケーシング１１，静翼２１を樹脂で製作している。これにより、水中ポンプ６の重量を低減し、水中ポンプ６を河川に投入する際の作業性を向上させている。さらに、羽根車１７は、排水量が大容量である比速度１０００以上の高比速度の羽根車であり、河川から排水する際に必要な排水ポンプ台数を少なくしている。これにより、排水準備時間が短縮され、迅速な排水作業が可能になる。

上述したように、排水運転時には排水先河川と中小河川との水位差で決まるシステムヘッドカーブ上で水中ポンプ６を運転するが、水中ポンプ６の吐出し揚程が河川護岸堤防を乗り越えてサイホンを形成するまでには、護岸堤防との水位差で決まるシステムヘッドカーブ上で運転する。この場合、全揚程を高める必要があり、水中ポンプ６を低流量域で運転させることになる。

使用点付近で水中ポンプ６を運転するときは、排水は流路の子午面形状に沿って吸込み口２４から羽根車１７内を通って吐出し口２５側へ流出する。これに対して、低流量域で水中ポンプ６を運転すると、羽根車１７の前縁から旋回逆流が発生する。吸込ケーシング１１部の外筒部１１ａに取付けたリブ２０の流路方向長さが長いと、この旋回逆流がリブ２０の先端付根部に衝突し、排水中に含まれる土砂をリブ２０の付根部に衝突させるので、サンドエロージョンが発生する恐れがある。

そこで本実施例の水中ポンプ６では、リブ２０の流路方向長さを従来よりも短くしている。具体的には、リブ２０と吸込ケーシング１１の外筒１１ａの内壁面との接続位置であって最も羽根車１７から近い位置である付根位置内径Ｄｂを、外筒１１ａの内周壁面の最小径Ｄｅ以上としている。さらに、リブ２０の反吸込み口側先端部と吸込ケーシング１１の子午面断面における吸込み流れの平均流線とのなす角αを、９０度以上としている。なお、平均流線の代わりに、子午面断面における吸込み口２４付近の流路の平均傾きを用いることもできる。

図４に、図１に示した水中ポンプ６の吸込み部および羽根車部を縦断面図で示す。仕様点では破線Ａで示した流れは、低流量域運転では２点鎖線Ｂで示したように変化し、羽根車１７の前縁から逆流が生じている。しかし、吸込ケーシング１１の外筒部１１ａに取付けたリブ２０が旋回逆流とほぼ平行になっているので、旋回逆流の衝突角度が従来よりも小さくなっている。この結果、吸込ケーシング１１の外筒部１１ａに取付けたリブ２０の先端付根部に発生するサンドエロージョンを防止できる。

本発明に係る水中ポンプ６の他の実施例を、図２に羽根車１７部を中心に縦断面図で示す。本実施例の樹脂製水中ポンプ６は、上記実施例の水中ポンプ６と異なり、吸込ケーシング１１の外筒１１ａの内壁面であって羽根車１７入口付近に、周方向に間隔をおいて複数の溝２８が形成されている。溝２８は、羽根車１７の上流側である吸込み側の部分に、軸方向に延びて形成されている。

低流量域運転時に、羽根車１７の前縁から生ずる逆流の旋回速度を抑制するとともに逆流速度を低減し、衝突角度を小さくすることができる。したがって、排水中に含まれる土砂が吸込ケーシング１１の外筒部１１ａに取付けたリブ２０の付根部をサンドエロージョンするのを抑制でき、さらにサンドエロージョンに対する耐久性が増す。なお、この図２に示した実施例の溝２８の代わりに、図３に示すように複数の突起２９を形成してもよい。この場合にも、突起２９は軸方向に羽根車１７付近まで延在している。本例によれば、図２に示した実施例と同様に、さらにサンドエロージョンに対する耐久性が増す。

本発明に係る水中ポンプの一実施例の縦断面図である。 本発明に係る水中ポンプの他の実施例の要部縦断面図である。 本発明に係る水中ポンプの変形例の要部縦断面図である。 ポンプの流れを説明する図である。 排水ポンプ車の使用状態を説明する図である。

符号の説明

１…ＰＴＯ、２…発電機、３…操作盤、４…インバータ盤、５，２３…排水ホース、６…水中ポンプ（排水ポンプ）、７…排水ポンプ車、８…電線ケーブル、９…燃料運搬車、１０…吐出ケーシング、１０ａ…吐出ケーシングの外筒、１０ｂ…吐出ケーシングの内筒、１１…吸込ケーシング、１１ａ…吸込ケーシングの外筒、１１ｂ…吸込ケーシングの内筒、１２…ベアリングハウジング、１３…モータケーシング、１４…エンドカバー、１５…回転軸、１６ａ，１６ｂ…軸受、１７…羽根車、１８…モータ、１８ａ…ステータ、
１８ｂ…ロータ、１９…メカニカルシール、２０…リブ、２１…静翼、２２…ストレーナ、２４…吸込み口、２５…吐出し口、２６，２７…水の流れ、２８…溝、２９…突起、Ａ…仕様点での流れ、Ｂ…低流領運転域での流れ。

Claims (5)

1. モータの回転軸を一方側に延在させ、この回転軸の延在した部分に羽根車を取り付け、前記モータおよび羽根車をケーシング内に収容した樹脂製水中ポンプにおいて、前記ケーシングの外周部に水の吸込み口を形成するとともに、このケーシングは吸込み口と前記羽根車間に、内筒と外筒により吸込み流路を形成する吸込ケーシングと、モータケーシングと、吐出ケーシングとを有し、この吐出ケーシングに周方向に間隔をおいて複数の静翼を取り付け、前記吸込ケーシングと吐出ケーシングと静翼とを樹脂製とし、前記吸込ケーシングの前記内筒と前記外筒との間に周方向に間隔をおいて複数のリブを設け、このリブの反吸込み側端部は、前記羽根車のチップ側に対向する壁面を形成する吸込ケーシングの前記外筒の最小径部よりも大きな径部から前記内筒まで延びており、前記リブの反吸込み側端部が形成する線と、吸込ケーシングにより形成される吸込み流路の平均流線または吸込ケーシングの吸込み口部の平均傾きとがなす角度の中で、前記内筒に対向する側でありかつ前記回転軸側の角度（α）が、鈍角となるように形成したことを特徴とする樹脂製水中ポンプ。
2. 前記吸込ケーシングの外筒内壁面であって、前記羽根車の吸込み側端部より吸込側に、周方向に間隔をおいて複数の溝を形成したことを特徴とする請求項１ に記載の樹脂製水中ポンプ。
3. 前記吸込ケーシングの外筒内壁面であって、前記羽根車の吸込み側端部より吸込側に、周方向に間隔をおいて複数の突起を形成したことを特徴とする請求項１ に記載の樹脂製水中ポンプ。
4. 前記溝または突起を軸方向に延在させたことを特徴とする請求項２ または３ に記載の樹脂製水中ポンプ。
5. 前記モータケーシングおよび吸込ケーシング， 吐出ケーシングを順次軸方向に連接して円筒状のケーシングとしたことを特徴とする請求項１ に記載の樹脂製水中ポンプ。

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