JP5007434B2 - ポンプ設備 - Google Patents

Description

本発明は、地下に設置されるポンプ場等、比較的、実揚程の高いポンプ場に設置するのに好適なポンプ設備に関するものである。

地下に設置されるポンプ場など、比較的、実揚程の高いポンプ場においては、機械的強度や経済性の観点から逆止弁や吐出弁を省略する場合がある。この場合、ポンプ吐出部に吐出水を止水する弁は無くなるため、ポンプ停止時にポンプ吐出管内水を逆流させながら停止することが必要となる。

図１は従来のこの種のポンプ停止時にポンプ吐出配管内水を逆流させながら停止するポンプ設備の全体の概略構成を示す図の一例である。本ポンプ設備１００は、大深度地下に設置された雨水等の水を集水する吸込水槽１０１の水を地上等に設置された吐出水槽１０５に排水するためのポンプ設備である。本ポンプ設備１００は、吸込水槽１０１、吸込配管１０２、ポンプ１０３、吐出配管１０４、吐出水槽１０５、変速機１０６、駆動機１０７、制御装置１０８等を備えている。

制御装置１０８の制御により駆動機１０７を起動することにより、その駆動力は変速機１０６からポンプ軸１０９に伝達され、該ポンプ軸１０９に取付けられた羽根車１１０を回転する。該羽根車１１０の回転により、吸込水槽１０１内の水は、吸込配管１０２、吐出配管１０４を通って吐出水槽１０５内に吐出される。吐出された水は越流堰１１１を越流して吐出先に流出する。

１１２は吐出配管１０４内の圧力（又は水位）を検出する圧力（又は水位）検出器であり、その圧力（又は水位）検出出力は制御装置に伝送されるようになっている。制御装置１０８は駆動機１０７や変速機１０６を介してポンプ１０３を制御して吸込水槽１０１内の水を上記のように吐出水槽１０５に揚水すると共に、揚水を停止してポンプ１０３を停止するときは、羽根車１１０の回転数を制御して、吐出配管１０４を通って逆流する水流量を制御しながら、吐出配管１０４内の全水量が落水した状態でポンプ１０３を停止している。
ＷＯ２００５／０４０６１６Ａ１

上記構成のポンプ設備において、下記の課題がある。
（１）駆動機１０７にディーゼルエンジンやガスタービンを使用する場合、ポンプ１０３が逆流により、駆動機１０７の逆回転を起こすと、重大な損傷を引き起こすため駆動機１０７の逆回転を起こさないように、正回転で吐出配管１０４内を逆流させる制御をおこなうか、逆転防止クラッチ（ワンウェイクラッチ等）を用いて対応しているが、複雑な制御を伴うことや、逆転防止クラッチの適用容量に上限があり、大容量のポンプには採用できない。

（２）上記事由により、正回転で逆流をさせてポンプ１０３を停止させる場合、吐出側の水位が高い場合（吐出配管１０４の水位が高い状態にある場合）に、逆流水（水量及び水頭）がポンプ１０３の羽根車１１０に与えるトルクが大きくなり、ポンプ１０３に過大な振動が生じる。

（３）駆動機１０７にポンプ１０３を逆転が許容できる電動機などで駆動する場合は、ポンプの水車特性により、無負荷の逆流による逆回転がポンプ１０３の定格運転時の回転数より大きくなる（１．２〜１．５倍程度）場合があり、電動機の回転子がその回転数で周速等に対する強度を満足する必要があり、特殊仕様での設計が必要であった。

（４）ポンプ１０３の起動時に従来吐出弁の開閉動作で、流量を徐々に上げて定格の排水運転点で制御していたが、吐出弁を省略する場合、略瞬時に定格運転点（水量）に到達するため、その過渡現象による吐出水槽１０５等の吐出し先への影響を配慮する必要がある。例えば、ポンプ始動時の過渡的な噴出流が吐出水槽１０５の天端に当り、土木躯体に影響を及ぼす。又は天端に開口部が設けられている場合は、この開口部からポンプ場外に水が噴出する可能性があり、地上設備の損傷や点検員等の安全性に配慮する必要がある。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記課題を解決し、安全で信頼性が高く、且つ安価で経済性に優れたポンプ設備を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本願発明は、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吐出配管の前記吐出水槽内の立上部を略垂直に配置し、該立上部上端との間に下式で示される距離ｈを設けて吐出水の突流を防御する突流水防御板を設けたことを特徴とする。
ｈ＞ｖ ^２ ／（２×ｇ）
ここで、ｖは前記ポンプの定格水量Ｑにおける前記立上部内の流速、ｇは重力加速度を示す。

また、本願発明は、上記ポンプ設備において、前記吐出配管の前記吐出水槽内の吐出口近傍に該吐出口を通って逆流する水量を制限する仕切板を設け、該仕切板を水に浮上する浮上構造体とし、その下端を前記吐出水槽の底面にヒンジ機構で回動自在に支持すると共に、水位の上下に応じ上下に揺動し、且つ前記ポンプ停止時その上端が水面より上にあることを特徴とする。

また、本願発明は、上記ポンプ設備において、前記ポンプは駆動機により直接又は減速機を介して駆動されるようになっており、前記ポンプ停止時に前記逆流で該ポンプが逆転する場合、前記駆動機又は減速機に前記ポンプの逆転トルクを消費するポンプ逆転トルク消費装置を設け、前記ポンプ逆転トルク消費装置と前記駆動機の連結部、又は前記ポンプ逆転トルク消費装置と前記減速機の連結部にポンプ逆転時にのみ前記ポンプ逆転トルク消費装置にトルクを伝えるワンウェイクラッチ機構を設けたことを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吐出配管の前記吐出水槽内立上部を略垂直に配置すると共に、該立上部上端吐出口近傍に該吐出口を通って逆流する水量を制限する仕切部を設け、該仕切部上端レベルを前記吐出水槽の最高水位以上としたことを特徴とする。

また、吸込水槽、吸込配管、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記吸込配管を通して前記ポンプで吸込み、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に吐出し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吸込配管に設けたメンテナンス用弁を使用して前記ポンプ停止時における逆流水頭が高い状態で逆流水量を制御して前記ポンプに生じる異常又は過大振動を軽減させることを特徴とする。

また、吸込水槽、吸込配管、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記吸込配管を通して前記ポンプで吸込み、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に吐出し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吸込配管に設けたメンテナンス用弁に緊急遮断機構を設け、前記ポンプ吐出側水位が計画水位以上となる異常時又は前記ポンプ重故障トリップ時に該緊急遮断機構により水の逆流を遮断することを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吐出配管下流部又は下流端に前記ポンプ停止の逆流時の水流に対して、水頭損失を与え、逆流水量を減少させる逆流水量抑制機構を設けたことを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吐出配管の水位が前記ポンプの異常又は過大振動に影響を及ぼさない位置と及ぼす位置の境界近傍に、前記ポンプ停止の逆流時の水流に対して、水頭損失を与え、逆流水量を減少させる逆流水量抑制機構を設けたことを特徴とする。

また、上記ポンプ設備において、前記吐出配管の前記逆流水量抑制機構より前記ポンプ側の吐出配管において、前記ポンプの停止時に空気を流入させる空気流入管を設けたことを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記吐出配管の前記吐出水槽内立上部を略垂直に配置し、前記ポンプの吐出流量を制御する吐出流量制御手段を設け、該ポンプ起動時に発生する突流水を防止することを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記ポンプは駆動機により直接又は減速機を介して駆動されるようになっており、潤滑油を貯留する潤滑油補助タンクを設け、前記駆動機が逆転する場合、前記駆動機の軸受及び減速機の軸受等の潤滑油給油箇所に前記潤滑油補助タンクから潤滑油を供給する潤滑油供給手段を設けたことを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記ポンプは駆動機により直接又は減速機を介して駆動されるようになっており、前記駆動機が逆転する原因となる機器の故障を検出する故障検知器を設け、該故障検知器が故障を検知した場合、前記駆動機の軸受及び減速機の軸受等の潤滑油給油箇所に強制的に潤滑油を供給する潤滑油供給手段を設けたことを特徴とする。

また、吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、前記ポンプ逆転の場合に、該ポンプを駆動する駆動機の逆転を防止するための逆転防止用クラッチを前記ポンプの主軸よりも回転数の高い軸部に設けたことを特徴とする。

本願発明によれば、吐出配管の吐出水槽内の立上部を略垂直に配置し、該立上部上端との間に距離ｈ（ｈ＞ｖ ^２ ／（２×ｇ） ここで、ｖは前記ポンプの定格水量Ｑにおける前記立上部内の流速、ｇは重力加速度を示す。）を設けて吐出水の突流を防御する突流水防御板を設けたので、ポンプの始動時の過渡的な噴出流が吐出水槽の天端又は天端に設けられた開口部からポンプ設備外に影響を及ぼさないようにすることができ、定格運転時の吐出水流の邪魔にならず、ポンプの全揚程を上げることなく、過渡現象による影響を防止することができる。

また、本願発明によれば、吐出配管の吐出水槽内の吐出口近傍に該吐出口を通って逆流する水量を制限する仕切板を設け、該仕切板を水に浮上する浮上構造体とし、その下端を吐出水槽の底面にヒンジ機構で回動自在に支持すると共に、水位の上下に応じ上下に揺動し、且つポンプ停止時その上端が水面より上にあるので、水頭の高い位置の水量が少なくなり、吐出配管内の水位を短時間でポンプに過大振動が生じない水位にすることが可能となる。吐出水槽の水位が計画最高水位以上の水位となる異常状態が発生した場合でも吐出水槽の水が逆流するのを防止できる。よって簡単でかつ安価な構成で健全な停止を可能にすると共に、ポンプの停止時間を短くすることができ、短時間でポンプの再始動による排水（揚水）動作に備えることが可能となり、ポンプ停止後の吸込水槽への急な水の流入への排水対応が可能となり、信頼性の高いポンプ設備を提供できる。また、吐出水糟の水位に応答して仕切上端位置が変化するため、ポンプに必要な実揚程も低くなり、効率の良い（消費エネルギーの少ない）ポンプ運転が可能となる。

また、本願発明によれば、ポンプ逆転トルク消費装置と駆動機の連結部、又はポンプ逆転トルク消費装置と減速機の連結部にポンプ逆転時にのみポンプ逆転トルク消費装置にトルクを伝えるワンウェイクラッチ機構を設けたので、ポンプの逆転時のみポンプ逆転トルク消費装置を駆動することになり、ポンプの揚水運転時に動力損失が発生せず効率の良い定常運転が可能となる。

以下、本願発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図２は本発明（請求項１の発明）に係るポンプ設備の概略構成を示す図である。本ポンプ設備１０は、地下に設置された吸込水槽１１、地上等に設置された吐出水槽１２、吸込配管１３、ポンプ１４、吐出配管１５を備え、吸込水槽１１の水を吸込配管１３を通してポンプ１４で吸込み、吐出配管１５を通して吐出水槽１２に吐出す（揚水）るようになっている。１６はエンジン又はガスタービン又は電動機からなる駆動機であり、該駆動機１６の回転力は減速機１７を介してポンプ１４に伝達するようになっている。なお、駆動機１６の回転数がポンプと一致する立軸の場合は、減速機１７は省略できる。

上記ポンプ設備１０において、ポンプ１４が停止した場合、吐出配管１５及び吸込配管１３を通して水が吸込水槽１１に逆流するのを許しており、ポンプ１４の回転数を制御しながら、吐出配管１５内の水位を徐々に低下させている。ところが、吐出水槽１２には図３に示すように、越流堰１２−１が設けられており、ポンプ１４が停止した場合、越流堰１２−１と吐出水槽１２の側壁で囲まれた部分の大容量の水が吐出配管１５及び吸込配管１３を通して吸込水槽１１に逆流する。これによりポンプ停止時には長時間にわたり、過大な振動をポンプ１４に生じることになる。

そこでここでは、図２に示すように、吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８を略垂直に配置すると共に、該立上部１８の上端吐出口１８ａのレベルを吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ２以上とした。これによりポンプ停止時逆流する水量は立上部１８を含む吐出配管１５内の水のみとなり、ポンプ１４の振動原因となる水頭の高い位置の水量が少なくなる。これにより、短時間にポンプ１４に過大（異常）な振動が生じない水位にすることが可能となり、安全に且つ短時間でポンプを停止することが可能となる。よって安全で信頼性の高いポンプ設備を構築できる。

ここで吸込水槽１１内の水位をＷＬ１とし、該水位ＷＬ１から立上部１８の上端吐出口１８ａまでの落差をＨ１とすると、吐出配管１５の水位が逆流により低下し、水位ＷＬ１からの落差がＨ２になるとポンプ１４の過大な振動は著しく低下する。なお、図２において、２０は吸込水槽１１の底面、２１は吸込水槽１１の側壁、２２は駆動機１６及び減速機１７等の設置床面、２４は側壁である。また、図３おいて図２と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示す。また、本実施形態例における他の図面においても同様とする。また、Ｈ２は概略Ｈ２≒０．７Ｈ１程度であるが、使用するポンプの特性により、適宜設定を変更するものとする。

上記のように、水頭の高い位置の水量を少なくすることにより、吐出配管１５内の水位を短時間にポンプに過大振動が生じない水位とすることができると共に、ポンプ１４の停止までの時間を短くすることが可能となり、吸込水槽１１内に急な流入水があった場合でも、迅速なポンプ１４の再始動により排水対応が可能となる。よって排水ポンプ設備としての信頼性を向上させ、浸水被害を未然に防ぐことが可能となる。

水頭の高い位置の水量を少なくする方法としては、図４（請求項２発明）に示すように、立上部１８を含む落差Ｈ２（Ｈ２≒０．７Ｈ１）より上方（下流側：吐出水槽側）の吐出配管１５の径を落差Ｈ２の下方（上流側：ポンプ側）の径より小さくしてもよい。この場合も立上部１８の上端吐出口１８ａのレベルを吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ２以上とする。これにより上記と同様、水頭の高い位置の水量が少なくなり、短時間でポンプに過大振動が生じない水位することができると共に、ポンプ１４の停止までの時間を短くすることが可能となり、吸込水槽１１内に急な流入水があった場合でも、迅速なポンプ１４の再始動により排水対応が可能となる。よって排水ポンプ設備としての信頼性を向上させ、浸水被害を未然に防ぐことが可能となる。

水頭の高い位置の水量を少なくする方法（請求項３の発明）としては、図５に示すように、吐出水槽１２を吐出配管１５の上部吐出口１５ａを挟むように２枚の仕切板２５で仕切り、吐出配管１５を通って逆流する水を該２枚の仕切板２５、２５の間の水に限定するようにしてもよい。この場合仕切板２５の上部２５ａのレベルを、吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ以上とする。また、図６に示すように、１枚の仕切板２５を吐出配管１５の上部吐出口１５ａに近づけて配置し、該仕切板２５と吐出水槽１２の壁面１２ａ、１２ｂ、１２ｃで上部吐出口１５ａを囲んでもよい。また、図７に示すように、円筒状の仕切２６で上部吐出口１５ａを囲んでもよい。この場合は、仕切２６の上端レベルは最高水位ＨＷＬ２以上とする。また、図８に示すように、断面コ字型の仕切２７と吐出水槽１２の壁面１２ａで上部吐出口１５ａを囲んでもよい。この場合仕切板２７の上端のレベルを、吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ２以上とする。

また、図２及び図４に示す構成のポンプ設備では、吸込配管１３に通常メンテナンス用弁２８を設けている。このメンテナンス用弁２８を使用してポンプ１４停止時、水頭が高い状態の逆流水量を制御して、逆流水量をポンプに過大振動を生じさせない水量にし、逆流によるポンプ１４に与える流体力を抑制し、ポンプ１４に生じる振動を軽減させることができる（請求項４の発明）。これによると格別な費用をかけることなく、健全なポンプ１４の停止動作が可能となる。

図９は本発明（請求項５の発明）に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。本ポンプ設備１０が図２に示すポンプ設備と異なる点は、吐出配管１５の放流部２９が吐出配管１５の立上部１８を囲む筒状又は矩形状になっている点である。放流部２９はその比重が水より小さく水に浮上する浮上構造体となっている。そして吐出水槽１２の水位ＷＬ２の上下に応じ上下動し、且つポンプ１４の停止時その吐出口２９ａが水面より上に位置するようになっている。これにより水頭が高い状態での逆流水量を低減させ、ポンプ１４に生じる振動を軽減させることができる。また、放流部２９を浮上構造体とすることにより、吐出水槽１２の計画最高水位（ＨＷＬ２）以上の吐出水位となる異常状態が発生した場合でも、該吐出水槽１２内の水が吐出配管１５を通して、吸込側に逆流することを防止できるから、信頼性の高いポンプ設備１０を構築することができる。

図２に示すように、吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８を略垂直に配置すると共に、該立上部１８の上端吐出口１８ａのレベルを吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ２以上とした場合は、吐出水槽１２の水位の変動に関係なく、ポンプ１４の揚水能力（揚程）は、吐出水槽１２内の立上部１８の上端吐出口１８ａのレベルが吐出レベルとなる。これに対して上記のように放流部２９を浮上構造体とすることにより、吐出水槽１２の水位に応じて放流部２９の上端位置が変化するため、下記に示すように、ポンプ１４に必要な実揚程が低くなり、効率のよい（無駄なエネルギー消費の無い）、経済的なポンプの運転が可能となる。

図２に示すポンプ設備の実揚程Ｈは
Ｈ＝（立上部１８の上端レベル）−（吸込水槽１１水位レベルＷＬ１）
図９に示すポンプ設備の実揚程Ｈ’は
Ｈ’＝（吐出水槽１２の水位ＷＬ２）−（吸込水槽１１水位レベルＷＬ１）
Ｈ≧Ｈ’

図１０は本発明（請求項６の発明）に係るポンプ設備の吸込水槽部分の概略構成例を示す図である。吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８の近傍に仕切板３０を設けている。該仕切板３０を水に浮上する浮上構造体とし、その下端を吐出水槽１２の底面にヒンジ機構３１で回動自在に支持すると共に、吐出水槽１２の水位ＷＬ２の上下に応じ上下動し、且つポンプ停止時その上端が水位ＷＬ２より上にあるようにしている。また、仕切板３０が鉛直に立ったとの上端位置は最高水位ＨＷＬ２以上になるようにする。

上記のように立上部１８の近傍に浮上体構造の仕切板３０を設け、吐出水槽１２の水位ＷＬ２の上下に応じ揺動して上下動するようにすることにより、図９に示すポンプ設備と同様、吐出水槽１２の水位ＷＬ２に応じて仕切板３０の上端位置が変化するため、下記に示す、ポンプ１４に必要な実揚程が低くなり、効率のよい（無駄なエネルギー消費の無い）、経済的なポンプの運転が可能となる。

図２に示すポンプ設備の実揚程Ｈは
Ｈ＝（立上部１８の上端レベル）−（吸込水槽１１水位レベルＷＬ１）
図１０に示すポンプ設備の実揚程Ｈ’は
Ｈ’＝（吐出水槽１２の水位ＷＬ２）−（吸込水槽１１水位レベルＷＬ１）
Ｈ≧Ｈ’

図９及び図１０に示すポンプ設備において、図９に示すように、吸込配管１３に設けたメンテナンス用弁に緊急遮断機構（例えば重錘式緊急遮断機構）を設け、吐出水槽１２の水位ＷＬ２が計画水位ＨＷＬ２以上となる異常時又はポンプ１４の重故障トリップによるポンプ１４の正逆転制御不能時に、水の逆流を防止する（請求項７の発明）。これにより異常時の逆流防止とポンプ制御不能時におけるポンプ１４の逆転を防止することができ、信頼性の高いポンプ設備が構築できる。

図１１は本発明（請求項８の発明）に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。本ポンプ設備１０が図２に示すポンプ設備と異なる点は、吐出配管１５の立上部１８の上端にポンプ停止の逆流時の水流に対して、水頭損失を与え、水流量を減少させる逆流水量抑制機構３５を設けた点である。逆流水量抑制機構３５の一例としては図１２に示すように、逆流時の水流に対して水頭損失を与える水頭損失板３６を備え、該水頭損失板３６はヒンジピン３７により、立上部１８の上端に回動自在支持されている。そして吸込水槽１１の水を吐出水槽１２に揚水している時は、図１２（ａ）に示すように、水頭損失板３６はヒンジピン３７を中心に上方回動して立上部１８の吐出口１８ａを大きく開放し、逆流時は図１２（ｂ）に示すように、ヒンジピン３７を中心に略水平位置まで回動し、立上部１８の吐出口１８ａの一部を閉じる。即ち、立上部１８の吐出口１８ａの実質開口面積は揚水時は大きく、逆流時は小さくなる。

従来、揚水時は水を通し、逆流時は水を完全に止水する逆流防止弁（チェッキ弁やフラップ弁等）がある。このような逆流防止弁には下記のような問題がある。
（ａ）逆流防止弁に加わる荷重は吐出側水位と吸込側水位の差であり、実揚程の高いポンプ設備にあっては、基本的に逆流防止弁の設置位置に関わらず、弁体に加わる荷重が大きくなり、弁体や弁体を支持する弁軸などの剛性を上げる必要があり、高価なものとなると共に、弁型式によっては、現実的に対応できないという場合があった。
（ｂ）吐出配管の吐出部が鉛直に設置されていると、ポンプ吐出水に含まれる塵芥により、逆流防止弁が閉塞し、止水機能が満足しない可能性があり、設置には十分な配慮が必要であった。

上記逆流水量抑制機構３５は逆流時に水流を完全に止めるのではなく、逆流水に対して水頭損失を与え、逆流水量を減少させる構成である。水頭損失板３６に加わる水頭荷重は吐出側と吸込側の水位差ではなく、正逆流時に生じる水流の損失水頭となり、従来の逆流防止弁に比べて、強度を大きくする必要がなく極めて簡易な構造とすることが可能である。これにより安価な機構で十分な水頭損失と逆流水量減少効果を生じさせることが可能となる。また、上記逆流水量抑制機構３５は、逆流を許容するので、吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８を鉛直に設置したとしても、逆流水流により塵芥を除去しやすく、従来の逆流防止弁のように閉塞等の危険性はない。

また、ポンプ１４を逆転が許容される電動機などで駆動する場合は、ポンプ１４の水車特性により、無負荷時の逆流による逆回転数はポンプ運転時の回転数より大きくなる（１．２〜１．５倍程度）場合があり、電動機はその回転数で回転子の周速等に対する強度を満足する必要があり、特殊な仕様での設計が必要であり、高価なものとしていた。ここで、上記逆流水量抑制機構３５を用いることで、逆流水量減少及び水頭損失効果により、逆転回転数をほぼ、正回転時と同程度の回転数で設計することが可能となる。よって、特殊な仕様・設計を必要としない安価な電動機を採用することが可能である。また、これにより経済性の優れたポンプ設備を構築することが可能となる。また、駆動機１６に逆転可能な特殊なディーゼルエンジンを使用する場合においても、上記逆流水量抑制機構３５により、ポンプの逆転回転数を正回転数で設計することが可能であり、ピストンの速度で略定格速度以内で構成でき、特殊設計を必要としない安価で経済性の良いポンプ設備を提供できる。

また、従来は図３に示すように、水頭の高い位置で吐出水槽１２内の包蔵水量が吐出配管１５内に逆流し、水位の高い状態での逆流水量が多いことによる過大な振動をポンプに与えていたが、水頭の高い位置での逆流水量を少なくすることにより、ポンプ１４に加わる流体力を低減し、流体力（水頭、流量）が及ぼすポンプ１４の異常振動を抑え、安全な停止を可能とする。これにより信頼性の高い設備を構築することが可能となる。

なお、図１１に示すポンプ設備において、ポンプ１４は縦軸斜流渦巻ポンプを想定した例であるが、ポンプ１４は通常の縦軸ポンプでもよく、横軸の渦巻ポンプでもよい。

図１３乃至図１５は逆流水量抑制機構３５の構成例を示す図である。図１３に示す逆流水量抑制機構３５では、円板に切り欠き部３６ａを形成した形状の１枚の水頭損失板３６を備え、該水頭損失板３６がヒンジピン３７で立上部１８の上端部に回動自在に設けられた構成である。なお、図１３（ａ）は平面図、図１３（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。

また、図１４に示す逆流水量抑制機構３５では、半円板に半円状の切り欠き部３６ａを形成した形状の一対の水頭損失板３６を備え、各水頭損失板３６をヒンジピン３７で立上部１８の上端部に回動自在に設けた構成である。なお、図１４（ａ）は平面図、図１４（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。なお、図１２、図１３、図１４に示す逆流水量抑制機構３５の取付け位置は立上部１８の上端に限定されず、上端近傍の上流側（ポンプ側）でもよい。

また、図１５に示すように、逆流水量抑制機構３５では、立上部１８の上端（下流側端）に開口部のない通常のフラップ弁３６’をヒンジピン３７で開閉自在に設け、該フラップ弁３６’から上流側（ポンプ側）に支管４１を設けた構成である。逆流時は支管４１より逆流させることにより、正流時（揚水時）と逆流時の流体の通過面積を変える。なお、図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）はＡ−Ａ断面図である。また、図１５（ｃ）に示すように、支管４１の内部に逆止弁４１ａを設け、通常運転時（揚水時）は支管４１より放流させず、逆流時のみ流体が支管４１を通過するように構成してよい。

図１６は本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。本ポンプ設備１０が図１１に示すポンプ設備と異なる点は、逆流水量抑制機構３５を吐出配管１５内のレベルＣに設けた点である。このレベルＣは吐出配管１５内の水位がポンプ１４に過大振動が発生する領域Ａとポンプ１４に異常振動が発生しなくなる領域Ｂの境界位置、即ち、吸込水槽１１の水位ＷＬ１と吐出水槽１２の最高水Ｈ位ＷＬ２の落差Ｈ１（図２参照）の約７０％の水位レベルＨ２（Ｈ２≒０．７Ｈ１）である。また、Ｈ２は概略Ｈ２≒０．７Ｈ１程度であるが、使用するポンプの特性により、適宜設定を変更するものとする。

図１７は上記逆流水量抑制機構３５の揚水（正流）時と逆流時の動きを示す図であり、図１７（ａ）は揚水時、図１７（ｂ）は逆流時を示す。揚水時は図１７（ａ）に示すように、水頭損失板３６は正流水（上方に流れる水）による押し上げ力を受け、ヒンジピン２７を中心に上方に回動し、大きい水流断面積となる。逆流時は図１７（ｂ）に示すように、水頭損失板３６は逆流水（下方に流れる水）による押し下げ力を受け、ヒンジピン３７を中心に下方に回動し、略水平位置となり小さい水流断面積となる。このように逆流水量抑制機構３５をレベルＣ、即ち吐出配管１５内の水位がポンプ１４の過大振動が発生する領域Ａと発生しない領域Ｂの略境界レベルに設けることにより、ポンプ１４に過大振動が発生する水頭域の逆流水量を減らして、過大振動を抑制すると共に、過大振動が発生しない水頭域になると逆流水量は抑制されることなく、速やかに落水でする。これによりポンプ１４の安全停止が可能となる。

図１１に示すポンプ設備と同様、逆流水量抑制機構３５は逆流時に水流を完全に止めるのではなく、水流に対して水頭損失を与え、逆流水量を減少させるので、水頭損失板３６に加わる水頭荷重は吐出側と吸込側の水位差ではなく、正逆流時に生じる水流の損失水頭となり、従来の逆流防止弁に比べて、強度を極めて小さくすることが可能であり、安価な機構で十分な効果生じさせることが可能である。また、上記逆流水量抑制機構３５は、逆流を許容するので、吐出配管１５内に水頭損失板３６を設置したとしても、逆流水流により塵芥を除去しやすく、従来の逆流防止弁にくらべて、閉塞等の危険性はない。

また、ポンプ１４を逆転が許容される電動機などで駆動する場合は、上記のようにポンプ１４の水車特性により、無負荷時の逆流による逆回転数がポンプ運転時の回転数より大きくなる（１．２〜１．５倍程度）場合があり、電動機はその回転数で回転子の周速等に対する強度を満足させる必要があり、特殊な仕様での設計が必要であった。ここで、上記逆流水量抑制機構３５を用いることで、逆流水量及び水頭損失効果により、逆転回転数をほぼ、正回転時と同程度の回転数で設計することが可能であり、特殊な仕様・設計を必要としない安価な電動機を採用することが可能である。また、それにより経済性の優れた設備を構築することが可能である。また、駆動機１６に逆転可能な特殊なディーゼルエンジンを使用する場合においても、上記逆流水量抑制機構３５により、ポンプの逆転回転数を正回転時と同程度の回転数で設計することが可能であり、ピストンの速度で略定格速度以内で構成でき、特殊設計を必要としない安価で経済性の良いポンプ設備を提供できる。

図１８は図１６に示すポンプ設備において、吐出配管１５の逆流水量抑制機構３５の設置位置よりポンプ１４側に空気を流入させる空気流入管３８を設けている（請求項１０の発明）。これによりポンプ停止時に吐出配管１５内の水頭がポンプ１４に過大振動を発生しない領域（図１６のＢ域参照）に空気を流入（注入）することが可能となる。なお、空気流入管３８の上端は吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ２以上になるようにする。これにより、揚水時に該空気流入管３８を通して水が吐出されるのを防止できる。

上記ように吐出配管１５内の逆流水量抑制機構３５の設置レベル以下に空気流入管３８の空気吐出口３８ａを設置し、ポンプ１４の停止時吐出配管１５内に空気４０が流入することにより、ポンプ１４の停止時、高落差域（過大振動発生域）と低落差域（過大振動が発生しない域）で逆流時の縁が切れ、低落差域の吐出配管１５内の水は速やかに落水する。その後、問題となる高落差域の吐出配管１５内の水が逆流水量抑制機構３５によりその流水量が制限されて滝状に落水することになる。これにより、ポンプの過大振動を抑制すると共に、ポンプ１４の停止時間を短縮することができ、短時間でポンプの再始動による排水（揚水）動作に備えることが可能となり、ポンプ停止後の吸込水槽への急な水の流入への排水対応が可能となり、信頼性の高いポンプ設備を提供できる。

また、空気流入管３８が無い場合、逆流量制御機構のポンプ側吐出配管内は負圧となり、高落差域の吐出配管１５内の水が圧力差により空気を入れた場合より、多く逆流するため、空気流入管３８を設けることで、より逆流水量を制御することが可能となり、ポンプ１４の振動を軽減することができる。

図１９は空気流入管３８に逆止弁又は自動空気抜弁３９を設けた例を示す。これにより、空気流入管３８の上端を吐出水槽１２の最高水位ＨＷＬ２以上にしなくても、揚水時に空気流入管３８を通って水が吐出されることはない。よって、空気流入管３８の長さを短くできる。

図２０は本発明（請求項１１の発明）に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。図示するように、本ポンプ設備１０は、吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８を略垂直に配置し、該立上部１８の上端との間に下式で示される距離ｈを設けて吐出水の突流を防御する突流水防御板４２を設けている。
ｈ＞ｖ²／（２×ｇ）
ここで、ｖは前記ポンプの定格水量Ｑにおける前記吐出配管１５（立上部１８）内の流速、ｇは重力加速度を示す。

ポンプ１４の定格運転時においては、図２１に示すように、ポンプ１４の吐出す水流は吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８の上端吐出口１８ａより（ｖ²／（２×ｇ））だけ高く盛り上がって流れる。立上部１８の上端吐出口１８ａの上方に突流水防御板４２を設けることにより、ポンプ１４の始動時の過渡的な噴出流が吐出水槽１２の天端４３又は天端４３に設けられた開口部４４（図２０参照）からポンプ場外に影響を及ぼさないようすることができるが、突流水防止板４２の設置位置によっては、ポンプ１４の定格運転時の水流の邪魔となり、無駄なエネルギーの消費となる。図２１に示すように、突流水防御板４２を立上部１８の上端吐出口１８ａよりｈ＞ａとなる位置に取り付けることにより、定格運転時の吐出水流の邪魔にならず、ポンプ１４の全揚程を上げることなく、過渡現象による影響を防止することができる。

上記のように吐出配管１５の吐出水槽１２内の立上部１８を略垂直に配置し、ポンプ１４の吐出し水流を略垂直に放流するポンプ設備１０において、ポンプ１４の始動時の突流水を発生しないようにするために、始動時の吐出し流量を制御する吐出流量制御機構を設けることにより、効果的にポンプ始動時の突流を防止できる（請求項１２の発明）。この吐出流量制御機構としては、例えばポンプ１４の回転数を制御する回転数制御手段やポンプ翼角を制御するポンプ翼角制御手段がある。

また、図２０に示すポンプ設備において、ポンプ１４は駆動機（エンジン又はガスタービン）１６により減速機１７を介して駆動されるようになっており、ポンプ停止時に逆流を許容するポンプ設備１０において、非常時に逆転が起こる可能性がある場合（例えば、逆転防止クラッチの故障等による駆動機１６が逆転する場合等）、該駆動機１６と減速機１７（減速機１７は必要な場合に設置）に逆転による軸受損傷を防止するため、ポンプ設備１０内に潤滑油補助タンク４６を設け、該潤滑油補助タンク４６内の潤滑油４８を制御弁４９を介して駆動機１６や減速機１７の軸受部（図示せず）に供給するようにする（請求項１３の発明）。

軸受の損傷は、駆動機１６や減速機１７の故障の中でも、非常に大きな要素であり、万が一故障した場合、現場での迅速な復旧を行うことができず、これら機器をメーカの工場に搬入し、大掛かりな補修が必要となる。この場合、日数も相応な日数が必要となり、通常、予備機を設置していない排水機場等では、この補修期間に必要とされる排水能力を備えていないことになる。このような状態で、排水機場能力を決めたのと同等の降雨（流入水）が生じた場合、排水能力不足により、周囲の浸水被害をおこすことになる。

そこで上記のように、潤滑油補助タンク４６内の潤滑油４８を制御弁４９を介して駆動機１６や減速機１７の軸受部に供給できるようにすることで、軸受損傷（逆転による油切れからなる焼き付き）を防止することが可能となり、必要最小限度の現場修理及び期間での排水能力を回復することが可能となる。従って、より信頼性の高いポンプ排水設備を構築できる。

また、上記のようにポンプ停止時に逆流を許容するポンプ設備１０において、例えば逆転防止クラッチの故障等により駆動機１６が逆転する等、非常時に駆動機１６の逆転が起こる可能性がある場合、故障発生部に故障の発生を検知する検知器を設け、該故障検知器を検知した場合、駆動機１６の軸受及び減速機１７の軸受に強制的に潤滑油を供給する潤滑油供給手段を設けることにより、駆動機１６と減速機１７の逆転による軸受損傷を防止することができる（請求項１４の発明）。

図２２は本発明（請求項１６の発明）に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。本ポンプ設備１０は、図示するように、減速機１７の回転軸にワンウェイクラッチ５２を介して逆転トルク消費装置５１を連結している。ポンプ１４の停止時の逆流でポンプ１４が逆転する場合、ワンウェイクラッチ５２を介して逆転トルク消費装置５１を回転させる。このようにワンウェイクラッチ５２を介することにより、逆転時のみ逆転トルク消費装置５１を駆動するようにでき、ポンプ１４の揚水運転時、即ちポンプ１４の正回転運転時の動力損失が発生しない。なお、ワンウェイクラッチ５２ではなく、逆流の時のみ該逆転トルク消費装置５１を減速機１７の回転軸に接続するようにしてもよい（請求項１５の発明）。

駆動機１６が電動機で減速機１７が必要でない場合、図２３に示すように、駆動機（電動機）の回転軸にワンウェイクラッチ５２を介して逆転トルク消費装置５１を連結させてもよい。

逆転トルク消費装置５１がない従来のポンプ設備では、上述のようにポンプ特性により、無負荷（拘束力のない状態）時の逆流による逆回転がポンプ運転時の回転数より大きくなる（１．２〜１．５倍程度）場合があり、電動機はその回転数で回転子の周速等に対する強度を満足する必要があり、特殊仕様での設計が必要である。ここでは逆転トルク消費装置５１があるから、逆回転に対する拘束力が生じ、逆回転数を定格（１００％）の回転数まで制限することが可能であり、特殊な駆動機設計を必要としない安価な駆動機を採用することで、経済性のよいポンプ設備を構成できる。

従来の技術として、駆動機１６を発電電動機（この場合は減速機１７は必要ない）として、逆流時のポンプ１４の逆転回転に上記発電電動機で拘束力を与えることも考えられるが、本ポンプ設備１０の場合、逆回転が起こる時間は数分程度であり、且つ発生回数は年に数回程度である。駆動機と同等の発電機機能を駆動機１６に設けることは、経済性の観点から現実的でない。ここでは駆動機（電動機）１６が逆転を許容できる回転数（１００％）まで落とせるだけの拘束力を与える逆転トルク消費装置５１でよいから、簡易且つ容量の小さい消費装置を設置するのみでよく、経済性の優れた設備を構成することが可能となる。

図２４は本発明（請求項１７の発明）に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。本ポンプ設備１０は、駆動機（エンジン又はガスタービン）１６と減速機１７の間に逆転防止クラッチ（ワンウェイクラッチ等）５４を設けている。これにより、ポンプ１４の停止時の駆動機１６の逆転を防止できる。なお、ここでは、駆動機１６と減速機１７の間に逆転防止クラッチ５４を設けたが、これに限定されるものではなく、逆転防止クラッチはポンプ１４の主軸よりも回転数の高い軸部に設けるとよい。例えば、駆動機１６にガスタービンを用いた場合、タービン部は毎分数千〜１万回転で回転し、その回転出力を減速機を介して外部に出力するようになっているのが通常である。この場合、このタービン部と減速機の間に逆転防止クラッチ（ワンウェイクラッチ等）を設けてもよい。

逆転防止クラッチの仕様は逆転防止クラッチに作用するトルクによって決まる。トルクは、下式によって決まるため、回転数が大きい部分では、逆転防止クラッチに作用するトルクを小さくすることができ、安価又は安全率の高い逆転防止クラッチを採用することが可能となる。従って、逆転防止クラッチ５４をポンプ１４の主軸よりも回転数の高い軸部に設けることにより、経済性、信頼性に優れたポンプ設備を構築することが可能となる。また、逆転防止クラッチの容量には限界があるため、逆転防止クラッチ５４をポンプ１４の主軸よりも回転数の高い軸部に設けることにより、従来採用できないポンプの容量範囲で、逆転防止クラッチの採用が可能となる。
負荷トルクＴ＝α×｛（ポンプ出力ｋＷ）／（回転数ｒｐｍ）｝
αは係数、

上記実施形態の説明では、請求項１乃至請求項１７に係る発明の実施形態例を独立に説明したが、例えば段落番号００２８乃至００４４に示すように、請求項１乃至請求項１７に係る発明をいくつか組み合わせた発明も当然あり得る。

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のない何れの形状・構造・材質であっても、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。

従来のポンプ設備の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。 従来のポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出水槽部の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の逆流水量抑制機構の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の吐出配管の上端部概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の概略構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の減速機と逆転トルク消費装置の結合構成例を示す図である。 本発明に係るポンプ設備の略構成例を示す図である。

符号の説明

１０ ポンプ設備
１１ 吸込水槽
１２ 吐出水槽
１３ 吸込配管
１４ ポンプ
１５ 吐出配管
１６ 駆動機
１７ 減速機
１８ 立上部
２５ 仕切板
２６ 仕切
２７ 仕切
２８ メンテナンス用弁
２９ 放流部
３０ 仕切板
３５ 逆流水量抑制機構
３６ 水頭損失板
３７ ヒンジピン
３８ 空気流入管
４１ 支管
４２ 突流水防御板
４３ 天端
４４ 開口部
４６ 潤滑油補助タンク
４８ 潤滑油
４９ 制御弁
５１ 逆転トルク消費装置
５２ ワンウェイクラッチ

Claims (3)

1. 吸込水槽、ポンプ、吐出配管、吐出水槽を備え、前記吸込水槽の水を前記ポンプにより、前記吐出配管を通して前記吐出水槽に揚水し、前記ポンプ停止時に前記吐出配管を通して逆流を許容するポンプ設備において、
   前記吐出配管の前記吐出水槽内の立上部を略垂直に配置し、該立上部上端との間に下式で示される距離ｈを設けて吐出水の突流を防御する突流水防御板を設けたことを特徴とするポンプ設備。
   ｈ＞ｖ ^２ ／（２×ｇ）
   ここで、ｖは前記ポンプの定格水量Ｑにおける前記立上部内の流速、ｇは重力加速度を示す。
2. 請求項１に記載のポンプ設備において、
   前記吐出配管の前記吐出水槽内の吐出口近傍に該吐出口を通って逆流する水量を制限する仕切板を設け、該仕切板を水に浮上する浮上構造体とし、その下端を前記吐出水槽の底面にヒンジ機構で回動自在に支持すると共に、水位の上下に応じ上下に揺動し、且つ前記ポンプ停止時その上端が水面より上にあることを特徴とするポンプ設備。
3. 請求項１又は２に記載のポンプ設備において、
   前記ポンプは駆動機により直接又は減速機を介して駆動されるようになっており、
   前記ポンプ停止時に前記逆流で該ポンプが逆転する場合、前記駆動機又は減速機に前記ポンプの逆転トルクを消費するポンプ逆転トルク消費装置を設け、
   前記ポンプ逆転トルク消費装置と前記駆動機の連結部、又は前記ポンプ逆転トルク消費装置と前記減速機の連結部にポンプ逆転時にのみ前記ポンプ逆転トルク消費装置にトルクを伝えるワンウェイクラッチ機構を設けたことを特徴とするポンプ設備。

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