JP4868886B2 - ポンプ装置及びポンプゲート装置 - Google Patents

Description

本発明は、水路境界部に設置される開閉自在な止水ゲート扉体に取り付けられる軸流ポンプや、貯水池の排水等に使用されるコラム形の軸流ポンプや斜流ポンプ等に関し、詳しくは、羽根ボスに取付けられ、翼の吸込み側前縁が後退翼となるように形成される羽根車を備えたポンプ装置及びポンプゲート装置に関する。

従来、この種のポンプ装置に利用される羽根車の翼前縁は、羽根車内の流れを均一化し、高いポンプ性能を実現するために、回転中心軸からの径が大きい位置ほど流れの前流側に位置する前進翼形状が採用されていた。

しかし、水に含まれる異物、特に布状異物や繊維等の長尺状の異物が翼前縁に絡み付くと、異物を外周方向に向かって移動させようとする羽根車の回転に伴う遠心力に対して翼前縁がその移動を阻害するため、翼に絡み付く布状異物や長尺状の異物の集積により羽根車内が閉塞するという問題があったため、特許文献１には、回転中心軸からの径が大きい位置ほど流れの後流側に位置する後退翼形状を採用する技術が提案されていた。

特開２００３−１２９９９６号公報

しかし、上述した従来の後退翼形状を採用するポンプ装置の羽根車であっても、布状異物や長尺状の異物の絡み付きを確実に解消できるものではなく、現実には異物の絡み付きによるメンテナンスを余儀なくされていた。

本発明者は、上述の問題点に鑑み、鋭意試行錯誤を行なうことにより、布状異物や長尺異物の絡み付き現象が殆ど発生しない後退翼の条件を見出すに到った。

本発明の目的は、布状異物や長尺異物の絡み付き現象が殆ど発生することの無いポンプ装置及びポンプゲート装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明によるポンプ装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、羽根ボスに取付けられ、翼の吸込み側前縁が後退翼となるように形成される羽根車を備えたポンプ装置であって、前記羽根ボスと前記翼基端側の接合部に形成されるボスラインの入口点Ａから出口点Ｂまでの翼面に沿った最短距離Ｌと、前記入口点Ａからチップラインへ径方向に遠ざかる順番となる前記前縁の任意の点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｎ−１，Ａｎに対して、各点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｎ−１，Ａｎから前記出口点Ｂまでの前記翼面に沿った最短距離Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎ−１，Ｌｎが、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎとなる関係を満たすように前記前縁が形成されている羽根車を備えた点にある。

上述の構成によると、前記ポンプ装置の効率を損なうことなく稼動させることができ、前記ポンプ装置内に流入した布状異物や長尺異物が翼の吸込み側前縁に絡み付いた場合であっても、前記羽根車による水の流動方向への流れの作用と回転による遠心力の作用で前記前縁に沿ってチップライン側に円滑に移動して前記羽根車とケーシングの隙間から流出するため、前記羽根車に巻き付いた布状異物や長尺異物を除去するための前記ポンプ装置の稼動の停止というような事態を招く虞を大きく低減させ、前記ポンプ装置の稼働率を向上させることができるようになる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記羽根車は主軸の回転軸心から前記前縁基端側及び前記前縁他端側を結ぶ径方向に沿ったラインのなす角度が９０度以下に設定されている点にある。

第一の特徴構成で示した最短距離の関係がＬ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎとなるように構成すれば、それだけ布状異物や長尺異物の絡み付きの発生が少なくなるのであるが、それにより主軸の回転軸心から前縁基端側及び前縁他端側を結ぶラインのなす角度が大きくなり、翼根に大きなねじりモーメントが発生することとなり、破損し易くなるという問題が生じるという問題がある。そのため、前記角度を９０度以下とすることにより、所定の強度を確保しながら布状異物や長尺異物の絡み付きを効果的に排除することができるようになるのである。尚、下限は０度より大であることはいうまでもない。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二特徴構成に加えて、前記羽根車は主軸の回転軸心から前記前縁基端側及び前記前縁他端側を結ぶ径方向に沿ったラインのなす角度が６０度以下に設定されている点にある。

第一の特徴構成で示した最短距離の関係がＬ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎとなるように構成すれば、それだけ布状異物や長尺異物の絡み付きの発生が少なくなるのであるが、それにより主軸の回転軸心から前縁基端側及び前縁他端側を結ぶラインのなす角度が大きくなり、翼根に大きなねじりモーメントが発生することとなり、破損し易くなるという問題が生じるばかりか、ポンプ効率が下がるという問題がある。そのため、前記角度を６０度以下とすることにより、所定の強度及び所定のポンプ効率を確保しながら布状異物や長尺異物の絡み付きを効果的に排除することができるようになるのである。さらには５０度以下に設定することが好ましい。尚、下限は０度より大であることはいうまでもない。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述した第一から第三の何れかの特徴構成に加え、前記チップラインに対向するケーシングまたはケーシングライナの内周面に、前記羽根車の上流側から下流側に異物を通過させる溝を設けてある点にある。

前記ケーシングまたはケーシングライナに溝を設けることにより、前記羽根車の翼に絡み付いた布状異物や長尺異物が羽根車とケーシングの隙間から流出できずに噛み込んだ時であっても、前記羽根車の回転に伴なって異物が前記溝に導かれ、その溝を通過して下流側に排出されるようになる。よって、羽根車とケーシングとの隙間に異物が噛み込むことによる運転の停止という事態を招くことなくポンプ装置を安定稼働させることができるようになる。

本発明によるポンプゲート装置の第一の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成を備えたポンプ装置を開閉自在な止水ゲート扉体に取付けた点にある。

上述の構成によると、羽根車とケーシングとの隙間に異物が噛み込むことによる運転の停止という事態を招くことなくポンプゲート装置を安定稼働させることができるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、布状異物や長尺異物の絡み付き現象が殆ど発生することのないポンプ装置及びポンプゲート装置を提供することができるようになった。

以下に本発明によるポンプゲートの実施の形態を説明する。図３に示すように、第一水路１（例えば支流河川）と第二水路２（例えば本流河川）の合流地点である境界部にポンプゲート３が設置されている。図１から図３に示すように、前記ポンプゲート３は、境界部に立設された水門柱４（４ｂ）と水路の底部に横設された床部材４ｃと昇降機構７を支承するコンクリート製床盤４（４ａ）に、鋼板製の止水ゲート扉体６が昇降機構７により開閉操作自在に支持されている。

前記昇降機構７は、継手７ｂを介して前記止水ゲート扉体６に固定された一対のラック棒７ａと、前記水門柱４（４ａ）の上部に配置されたギヤボックス７ｃ内のピニオンギヤを正転または逆転駆動する電動モータ７ｆと、手動操作ハンドル７ｄと、一方のギヤボックス７ｃ側に駆動連結された前記電動モータ７ｆにより他方のギヤボックス７ｃ側を連動して駆動する駆動連結機構７ｅ等を備えて構成され、電動モータ７ｆまたは手動操作ハンドル７ｄによりピニオンギヤを回動させてラック棒７ａに支持された前記止水ゲート扉体６を昇降作動可能に構成されている。

前記止水ゲート扉体６の中央部には、両水路１、２間を連通させる左右一対の貫通孔が形成され、夫々の貫通孔には、前記止水ゲート扉体６が下降した止水姿勢において前記第一水路１から前記第二水路２に排水するポンプ装置１１が設置されている。

前記ポンプ装置１１は、図４に示すように、軸心が水平姿勢となるように設置され、内部空間が吐出流路となる断面が円形の筒状のポンプケーシング２０と、前記ポンプケーシング２０に軸心が一致するように収容され、周方向に離間配置された複数枚の案内羽根１９を介して支持されたモータ本体部１６と、前記モータ本体部１６から突出した主軸１７の先端部に装着された羽根車１８とを備えて構成してある。

前記ポンプケーシング２０の一端側には吸込みカバー２２がフランジ接続され、他端側には前記吐出流路を閉塞可能なフラップ弁機構１２がフランジ接続されている。

前記吸込みカバー２２は、断面円形の筒状体でなり、低水位まで安定して吸込み可能なように、ラッパ管状に拡径形成された先端開口部２２ａが前記ポンプケーシング２０の軸心に対して斜め下方姿勢となるように湾曲形成されている。前記吸込みカバー２２の内周部のうち、前記羽根車１８との対向面には、前記吸込みカバー２２より硬質金属でなるリング状のケーシングライナ２１が設けられている。

前記フラップ弁機構１２は、一端側が前記ポンプケーシング２０とフランジ接続される筒状部１２ａの他端側に水平軸心１２Ｐ周りに揺動可能に軸支された弁体１２ｂを備えて構成され、前記ポンプ装置１１の作動時には前記吸込みカバー２２から吸込まれた水の吐出し圧力により開放姿勢に揺動し、前記ポンプ装置１１の停止時には自重により閉塞姿勢に揺動して逆流を防止する。前記筒状部１２ａ端部には前記弁体１２ｂが開放姿勢にあるのか閉塞姿勢にあるのかを検出するべく、前記弁体１２ｂの内側下部に設けられた突起１２ｄにより接点が作動するスイッチ１２ｃが設けられている。

前記モータ本体部１６は、前記羽根車１８側にメカニカルシール２６を具備したオイル室１６ａを備えると共に、ケーシング吐出口２０ａ方向に浸水溜まり室１６ｂ、第一モータ室１６ｃ、第二モータ室１６ｄを順次備え、前記第一モータ室１６ｃと前記第二モータ室１６ｄの間に電動モータＭが配置されている。

そして、前記オイル室１６ａ及び前記浸水溜まり室１６ｂの下端部には、外部に連通する下向きのオイル抜流路２８ａ及び水抜流路２８ｂがそれぞれ形成されると共に、オイル抜流路２８ａ及び水抜流路２８ｂの下端部にオイルドレンプラグ３０、点検プラグとしての浸入水ドレンプラグ３１がそれぞれ着脱自在に装着されている。

また、前記ポンプケーシング２０には、前記電動モータＭへの給電線ＰＬや前記スイッチ１２ｃの信号線等を保護するケーブル保護ゴム３２が支持され、前記ケーブル保護ゴム３２を経由した給電線ＰＬ等が前記案内羽根１９の一部に形成されたケーブル導入管３３を介して前記第一モータ室１６ｃに導かれている。

前記羽根車１８は、主軸１７に回転自在に取り付けられた羽根ボス１８ａと、前記羽根ボス１８ａにボルト締着された４枚の翼１８ｂでなり、図５（ａ）から（ｄ）に示すように、翼１８ｂの吸込み側前縁１８ｃが後退翼となるように形成されている。

前記羽根ボス１８ａと前記翼基端側の接合部に形成されるボスライン１８ｄの入口点Ａから出口点Ｂまでの翼１８ｂ面に沿った最短距離Ｌと、前記入口点Ａからチップライン１８ｅへ径方向に遠ざかる順番となる前記前縁１８ｃの任意の点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａ９，Ａ１０に対して、各点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａ９，Ａ１０から前記出口点Ｂまでの前記翼１８ｂ面に沿った最短距離Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌ９，Ｌ１０が、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２＝・・・＝Ｌ９＝Ｌ１０となる関係を満たし、さらに、前記主軸１７の回転軸心Ｐから前記前縁基端側Ａ及び前記前縁他端側Ａ１０を結ぶ径方向に沿ったラインのなす角度θが４５度となるよう構成されている。Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２＝・・・＝Ｌ９＝Ｌ１０となるよう構成することで、前記θの値が比較的小さくなり、ポンプ効率も比較的高い値を維持することができる。ここに、チップラインとは前記翼１８ｂのうちケーシング（吸込みカバー２２）またはケーシングライナ２１に対向する縁部をいう。

つまり、前記ポンプ装置１１内に流入した布状異物や長尺異物が前記翼１８ｂの吸込み側前縁１８ｃに絡み付いた場合であっても、前記羽根車１８による水の流動方向への流れの作用と回転による遠心力の作用で前記前縁１８ｃに沿ってチップライン１８ｅ側に円滑に移動して前記羽根車１８と前記ケーシングライナ２１の隙間から流出するように構成されている。

ここで、前記入口点Ａからチップライン１８ｅへ径方向に遠ざかる順番となる前記前縁１８ｃの任意の点として、Ａ１からＡ１０までの１０点について、Ｌ＝Ｌ１＝Ｌ２＝・・・＝Ｌ９＝Ｌ１０の関係が満たされる場合を説明したが、前記入口点Ａからチップライン１８ｅへ径方向に遠ざかる順番となる前記前縁１８ｃの任意の点として、Ａ１からＡｎまでのｎ点（ｎは整数）について、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎの関係が満たされるように構成されていればよく、各点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｎ−１，Ａｎから前記出口点Ｂまでの前記翼面に沿った最短距離Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎ−１，Ｌｎの値は上述の関係を満たす限りに置いて特に制限されるものではなく、設計される羽根車１８の回転半径に応じて適宜設定することが可能である。

但し、前記主軸１７の回転軸心から前記前縁１８ｃの基端側及び前記前縁１８ｃの他端側を結ぶ径方向に沿ったラインのなす角度θは９０度以下とすることが好ましく、それより大きくすると翼根に大きなねじりモーメントが発生することとなり、破損し易くなるという問題が生じ、また、ポンプ効率が下がるという問題がある。そのため、前記角度を９０度以下とすることにより、所定の強度及び所定のポンプ効率を確保しながら布状異物や長尺異物の絡み付きを効果的に排除することができるようになるのである。尚、強度上の観点を主とすれば、９０度以下が好ましいく、効率をも考慮すると６０度以下、さらには５０度以下に設定することが好ましい。尚、下限は０度より大であることはいうまでもない。

さらに、図４に示すように、前記ケーシングライナ２１と前記チップラインとは数ｍｍの間隙が設けられ、異物の通過を許容しながらもポンプ効率の低下を招くことの無いように構成されているが、さらに前記ケーシングライナ２１の内周面に、前記羽根車１８の上流側から下流側に至り、主軸１７に平行な方向に幅２０ｍｍ、深さ３．５ｍｍの溝２１ａが、前記ケーシングライナ２１の内周円を等分割するように３箇所設けられている。

これにより、前記吸込みカバー２２から吸込まれる水に含まれる布状異物や長尺の異物が前記羽根車１８に絡んだ場合に、前記前縁１８ｃに沿って径方向に移動した異物が前記間隙に挟まったときであっても、前記ケーシングライナ２１に設けられた溝２１ａを通り、前記羽根車１８を通過するように構成されている。

上述の構成の後退翼の羽根車を備えた呼び口径３００ｍｍのポンプ装置（ケーシングライナ２１に溝あり）、上述の構成の後退翼の羽根車を備えた呼び口径３００ｍｍのポンプ装置（ケーシングライナ２１に溝なし）及び後退翼形状を備えない通常の前進翼形状の羽根車を備えた呼び口径３００ｍｍのポンプ装置（ケーシングライナ２１に溝なし）を用いて、ポンプ装置の運転中に異物としてビニール：２５０×３５０ｍｍ／３ｇ，カーテンテープ５０×１０００ｍｍ／１４ｇ，トラロープ：Φ１２×１０００ｍｍ／４５ｇまたはハンドタオル：３４０×３４０ｍｍ／３４ｇを投入した場合の羽根車の通過率を表１に示す。

表１より、ケーシングライナに溝を設け、後退翼の羽根車を備えたポンプ装置はほぼ布状異物や長尺異物を通過させることが実証された。また、ケーシングライナに溝を設けていない場合においても、後退翼の羽根車を備えたポンプ装置は前進翼形状の羽根車を備えたポンプ装置より長尺異物の通過率が上昇することが実証された。

上述のポンプ装置１１において、前記主軸１７の回転軸心Ｐから前記前縁基端側Ａ及び前記前縁他端側Ａ１０を結ぶ径方向に沿ったラインからなる角度（後退角）が４５度となるよう構成されている図５及び図６（ａ）に示す後退翼と、前記主軸１７の回転軸心Ｐから前記前縁基端側Ａ及び前記前縁他端側Ａ１０を結ぶ径方向に沿ったラインからなる角度（後退角）が４０度となるよう構成されている図６（ｂ）に示す後退翼を用いて、ハンドタオル：３４０×３４０ｍｍ／３４ｇを投入した後に、インバータでポンプ装置を駆動し、徐徐に回転数を上げた場合の羽根車通過率を表２に示す。

前記主軸１７の回転軸心Ｐから前記前縁基端側Ａ及び前記前縁他端側Ａ１０を結ぶ径方向に沿ったラインからなる角度（後退角）を４０度とした後退翼は、ボスライン１８ｄの入口点Ａから出口点Ｂまでの翼１８ｂ面に沿った最短距離Ｌと、前記前縁１８ｃの任意の点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａ９，Ａ１０に対して、各点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａ９，Ａ１０から前記出口点Ｂまでの前記翼１８ｂ面に沿った最短距離Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌ９，Ｌ１０が、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌ９≧Ｌ１０となる関係を満たしていない。前記主軸１７の回転軸心Ｐから前記前縁基端側Ａ及び前記前縁他端側Ａ１０を結ぶ径方向に沿ったラインからなる角度（後退角）を４５度とした後退翼は上述のＬ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌ９≧Ｌ１０となる関係を満たしており、表２から明らかなように、異物をより通過させることが実証された。

以下に別実施形態を説明する。上述の実施形態ではケーシングライナ２１の内周面に溝２１ａを設ける構成を説明したが、ケーシングライナ２１を設けないケーシング２０の場合、前記溝２１ａはケーシング２０の内周面に、前記羽根車１８の回転により発生する流動方向に沿って形成されるものであってもよい。さらに、溝の形状および個数等は特に限定されるものでなく、所期の効果を奏する範囲において適宜設計されるものである。

上述の実施形態では、ケーシングライナ２１の内周面に溝２１ａを設ける構成を説明したが、溝は必須のものではなく、本発明によれば、必ずしも溝２１ａを設けなくとも一定の効果が得られる。

上述した実施形態では、本発明をチップラインがポンプの回転軸心と平行な軸流ポンプに適用した場合を説明したが、本発明によるポンプ装置の羽根車は、チップラインがポンプの回転軸心と角度を持った斜流ポンプに適用することも可能である。

上述した実施形態では、羽根車は４枚の翼で構成されるものを説明したが、翼の枚数は特に限定されるものではなく、所期の効果を奏する範囲において、適宜設計されるものである。

上述した実施形態では、本発明によるポンプ装置の羽根車をポンプゲートの横軸ポンプ装置に適用したものを説明したが、コラム形のポンプ装置のように貯水池から揚水する縦軸のポンプ装置に適用することも可能である。さらに、本発明による羽根車は軸流羽根車に限定されるものではなく、斜流羽根車であってもよい。

上述した実施形態で説明した各部の具体的構造、材質、寸法等は、特に限定されるものではなく、本発明による作用効果を奏する範囲において適宜設計されるものである。

本発明によるポンプゲートの正面図 本発明によるポンプゲートの正面図 （ａ）本発明によるポンプゲートの上面図、（ｂ）本発明によるポンプゲートの要部平断面図 本発明によるポンプ装置断面図 （ａ）本発明によるポンプ装置における羽根車の斜視図、（ｂ）本発明によるポンプ装置における羽根車の翼の要部斜視図、（ｃ）本発明によるポンプ装置における羽根車の翼の平面図、（ｄ）本発明によるポンプ装置における羽根車の翼の子午面形状説明図 （ａ）は本発明による後退翼の説明図、（ｂ）は本発明による後退翼の特徴を備えていない後退翼の説明図

符号の説明

１：第一水路
２：第二水路
３：ポンプゲート
４：ゲート
４ａ：水門柱
４ｂ：床部材
４コンクリート製床盤
６：止水ゲート扉体
７：昇降機構
７ａ：ラック棒
７ｂ： 電動モータ
７ｃ：ギヤボックス
７ｄ：手動操作ハンドル
７ｅ：駆動連結機構
１１：ポンプ装置
１２：フラップ弁
１５：吸込管
１６：モータ本体部
１６ａ：オイル室
１６ｂ：浸水留まり室
１６ｃ：モータ室１
１６ｄ：モータ室２
１７：主軸
１８：羽根車
１８ａ：羽根ボス
１８ｂ：翼
１８ｃ：前縁
１８ｄ：ボスライン
１８ｅ：チップライン
１９：案内羽根
２０：ケーシング
２０ａ：ケーシング吐出口
２１：ケーシングライナ
２１ａ：溝
２２：吸込みカバー
２２ａ：吸込みカバー吸込口
２２ｂ：吸込みカバー吐出口
２６：メカニカルシール
２８ａ：オイル抜流路
２８ｂ：水抜流路
３０：オイルドレンプラグ
３１：浸水ドレンプラグ
３２：ケーブル保護ゴム
３３：ケーブル導入管

Claims (5)

1. 羽根ボスに取付けられ、翼の吸込み側前縁が後退翼となるように形成される羽根車を備えたポンプ装置であって、
   前記羽根ボスと前記翼基端側の接合部に形成されるボスラインの入口点Ａから出口点Ｂまでの翼面に沿った最短距離Ｌと、前記入口点Ａからチップラインへ径方向に遠ざかる順番となる前記前縁の任意の点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｎ−１，Ａｎに対して、各点Ａ１，Ａ２，・・・，Ａｎ−１，Ａｎから前記出口点Ｂまでの前記翼面に沿った最短距離Ｌ１，Ｌ２，・・・，Ｌｎ−１，Ｌｎが、Ｌ≧Ｌ１≧Ｌ２≧・・・≧Ｌｎ−１≧Ｌｎとなる関係を満たすように前記前縁が形成されている羽根車を備えたポンプ装置。
2. 前記羽根車は主軸の回転軸心から前記前縁基端側及び前記前縁他端側を結ぶ径方向に沿ったラインのなす角度が９０度以下に設定されている請求項１記載のポンプ装置。
3. 前記羽根車は主軸の回転軸心から前記前縁基端側及び前記前縁他端側を結ぶ径方向に沿ったラインのなす角度が６０度以下に設定されている請求項２記載のポンプ装置。
4. 前記チップラインに対向するケーシングまたはケーシングライナの内周面に、前記羽根車の上流側から下流側に異物を通過させる溝を設けてある請求項１から請求項３の何れかに記載のポンプ装置。
5. 請求項１から請求項４の何れかに記載のポンプ装置を開閉自在な止水ゲート扉体に取付けたことを特徴とするポンプゲート装置。