JP5306284B2

JP5306284B2 - ポンプ装置

Info

Publication number: JP5306284B2
Application number: JP2010120849A
Authority: JP
Inventors: 義弘内田; 道雄高嶋; 進二鈴木
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: JP2011247163A

Description

本発明は、清水その他の液体を揚水或いは排水するポンプ装置で、吐出管が吐出し水面よりも高い位置を経由して吐出し水面下に開口するサイホン形状の吐出管を有するポンプ装置に関するものである。

図１は従来のサイホン形状の吐出管を有し、真空ポンプ等の呼水用補機を使用せず、主ポンプの送水能力のみでサイホンを形成させる自己サイホン型ポンプ装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。図１において、１０１はポンプ（ポンプ１０１は遠心ポンプ、斜流ポンプ、軸流ポンプのいずれでも構わない。）であり、該ポンプ１０１は吊り下げ管１０７を介して吸込水槽１００の上部に設けた、機器設置床１０８に設置されたポンプベース１０９に固定されている。ポンプ１０１は吸込ベルマウス１０２、インペラ１０３、ガイドベーン１０４、水中軸受１０５、及びボウルブッシュ１０６を有するポンプボウル１１０を備えている。吊り下げ管１０７の吐出口には吐出管１１１が接続され、該吐出管１１１はサイホン部１１２を経由して吐出端１１１ａから吐出水槽２００の吐出し水面下に開口している。

上記構成のポンプ装置において、駆動機１１３を起動して主軸１１４を回転させると、インペラ１０３が回転し、吸込ベルマウス１０２の吸込口１０２ａから吸い込まれた水は吐出管１１１及びそのサイホン部１１２を経由して吐出水槽２００の吐出し水面下に吐き出される。サイホン部１１２にはサイホンブレーカ１１５を設け、ポンプ運転時サイホンブレーカ１１５を閉状態とし、ポンプ停止時においては該サイホンブレーカ１１５を開いてサイホンを破壊し、吐出水槽２００から吸込水槽１００への逆流を防止している。なお、図１において、Ｈａは定格排水運転時の実揚程、Ｈｓは自己サイホン形成時の実揚程、ＮＷＬは吐出水槽２００の常用水位、ＨＷＬは吐出水槽２００の計画最高水位、ＰＬは吐出管１１１の吐出端１１１ａの開放端レベルを示す。また、図１では吐出管１１１の放流損失Ｖ^２÷２ｇを少なくするため、吐出端１１１ａを広げ、損失水頭を少なくさせているが、広げず直管とする場合もある。また、吐出管１１１は円管だけではなく、矩形管などを用いる場合もある。

上記サイホンブレーカには電動弁が用いられている。電動弁の駆動機構である電動機、各種リミッタ等は、絶縁の低下等、故障する可能性があり、万が一、故障し制御が正常に機能しなくなる場合、ポンプ停止時においては、上記逆流が防止できなくなり、浸水被害を起す可能性があり、信頼性に問題があった。信頼性を確保するため、サイホンブレーカ１１５を複数設置する場合もあるが、設備費、維持管理費が増えるため、経済性の点で問題がある。

電動弁を不要としたサイホン破壊方法として、特許文献１に開示するポンプ装置がある。このポンプ装置は、ポンプの吐出口に接続される吐出管が吐出し水面より高い位置を経由して該吐出し水面下に開口するサイホン形状の吐出管を具備するポンプ装置であり、サイホン形状の吐出管頂付近に一端が接続された空気供給管の他端と、一端が大気に開放された空気吸込管の他端を規定高さで合流させて一本の合流管とし、該合流管をポンプ吐出管に接続し、ポンプ運転中は吐出し水の動水位により空気をポンプ吐出管に吸込むことなくサイホンを形成したまま運転を継続し、ポンプ停止後は空気吸込管により自動的に吐出管内に空気を吸込みサイホンを破壊するように構成されている。

特開２００２−９８０８５号公報

従来の自己サイホン型ポンプ装置を備えた排水機場においては、吐出管頂部は屋外に出され、ポンプ及びその吐出配管の殆どが、ポンプ室（建屋）内に設置されている。特許文献１に開示されたポンプ装置の場合、空気供給管を躯体を貫通させて設置する必要があり、建屋の強度等に影響を与える等の問題があった。また、ポンプ始動時の過渡的状態において、空気吸込管の空気取入口から、水しぶきが出るなどの恐れがあり、空気吸込管の空気取入口をポンプ室内に配設するのは好ましくなく、吐出水槽に開放することになる。しかしながら、このような構成にすると、建屋を貫通する躯体内配管と吐出水槽への屋外配管の２系統を布設する必要が生じ、配管系統が複雑になり、簡素な構成にならないという問題があった。また、経済性の点でも問題があった。

また、排水機場の排水ポンプは、河川から河川に排水（揚水）するポンプであり、水位差（実揚程）が大きくないものが一般的である。つまり、吐出管の頂部までの立上がり部の配管は、それ程長くなく、その大部分が、コンクリート内部に配置される場合があり、特許文献１の技術では、空気吸込管を吐出管に接続するための接続口が設けられないという問題もあった。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、配管系統が簡素で、制御を必要とする電動弁が不要で、電動弁の故障等によりサイホン形成の不可やサイホン破壊の不可がなく、安価な設備コストで信頼性の高い自己サイホンの形成及びサイホン破壊ができるポンプ装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、ポンプと該ポンプの吐出口に接続された吐出管とを具備し、吐出管が吐出し水面より高い位置を経由して前記吐出し水面下に開口するサイホン形状に形成されたポンプ装置において、サイホン形状の吐出管頂部に接続され、下方に向う管降下部と、底部を形成する管底部と、該管底部から上方に向う管上昇部とが連続して形成されたサイホン補助管を有し、管底部の管内頂レベルは吐出し水面のポンプ運転開始水位以下とし、管底部から管上昇部に複数の開口部を形成し、管底部と管上昇部の境界部に形成した第１の開口部の上端レベルは吐出し水面のポンプ運転開始水位以下とし、管上昇部の上端部に形成した第２の開口部の上端レベルは前記吐出し水面の計画最高水位以上としたことを特徴とする。

また、本発明は、上記ポンプ装置において、管底部の管内頂レベルを該管底部から管上昇部に移る境界部のポンプ停止時の動水位より高くしたことを特徴とする。

また、本発明は、上記ポンプ装置において、管上昇部の第２の開口部の断面面積を該サイホン補助管の他の部分の断面積より大きくしたことを特徴とする。

また、本発明は、上記ポンプ装置において、管上昇部の第２の開口部の断面積を第１の開口部の断面積よりも大きくしたことを特徴とする。

また、本発明は、上記ポンプ装置において、管上昇部の第２の開口部にサイホン破壊時の空気吸入音を抑制するサイレンサを設けたことを特徴とする。

本発明によれば、サイホン形状の吐出管頂部に接続され、下方に向う管降下部と、底部を形成する管底部と、該管底部から上方に向う管上昇部とが連続して形成されたサイホン補助管を有し、管底部の管内頂レベルは吐出し水面の常用水位（ポンプ運転開始水位）以下とし、管底部から管上昇部に複数の開口部を形成し、管底部と管上昇部の境界部に形成した第１の開口部の上端レベルは吐出し水面の常用水位（ポンプ運転開始水位）以下とし、管上昇部の上端部に形成した第２の開口部の上端レベルは吐出し水面の計画最高水位以上としたので、サイホン補助管を吐出管頂部から吐出水槽の間で布設するだけの簡素で、且つ安価な設備構成で信頼性の高い自己サイホンの形成及びサイホン破壊ができるポンプ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、管底部の管内頂レベルを該管底部から管上昇部に移る境界部のポンプ停止時の動水位より高くしたので、ポンプ停止時（逆流サイホン時）に吐出管の頂部で発生した負圧がサイホン補助管の管底部と管上昇の境界部分に伝播し、この部分の水位変動を起し、この部分より空気が流れ込みサイホン破壊が起る。

また、本発明によれば、サイホン破壊用の電動弁を有さず自己サイホンの形成及び破壊を行うので、設備コスト及びメンテナンスコストが安価となる。

また、本発明によれば、管上昇部の第２の開口部の断面面積を該サイホン補助管の他の部分の断面積より大きくしたので、サイホン補助管から排出する空気を速やかに大気に導くことができ、ポンプ始動時間の短縮（サイホン形成までの時間短縮）が可能となる。

また、本発明によれば、上記ポンプ装置において、管上昇部の第２の開口部にサイホン破壊時の空気吸入音を抑制するサイレンサを設けたので、サイホン破壊時の空気吸入音が抑制でき、民家が近いポンプ機場の地域の騒音環境の悪化を防止できる。

従来の自己サイホン型ポンプ装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。本発明に係る実施例２に係る自己サイホン型ポンプ装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。図２にポンプの始動時、運転時、停止時の動水勾配線、及び全揚程線を付加した図である。ポンプの特性を示す図である。本発明に係るポンプ装置のサイホン補助管の構成を示す図である。本発明に係るポンプ装置のサイホン補助管の構成を示す図である。本発明に係るポンプ装置のサイホン補助管の構成を示す図である。本発明に係るポンプ装置のサイホン補助管の構成を示す図である。本発明に係るポンプ装置の吐出管とサイホン補助管の構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図２は本発明に係るポンプ装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。図２において、１はポンプであり、該ポンプ１は遠心ポンプ、斜流ポンプ、横軸ポンプのいずれでも構わない。ポンプ１は吊り下げ管７を介して吸込水槽１００の上部に設けた、機器設置床８に設置されたポンプベース９に固定されている。ポンプ１は吸込ベルマウス２、インペラ３、ガイドベーン４、水中軸受５、及びボウルブッシュ６を有するポンプボウル１０を備えている。吊り下げ管７の吐出口には吐出管１１が接続され、該吐出管１１はサイホン部を構成する頂部１２を経由して吐出端１１ａから吐出水槽２００の吐出し水面下に開口している。

吐出管１１の頂部１２にサイホン補助管１５の一端開口を接続している。該サイホン補助管１５は図５に示すように、吐出管１１の頂部１２から下方に向う管降下部１６と底部を形成する管底部１７と該管底部１７から上方に向う管上昇部１８とが連続して形成された構成である。管降下部１６の下端レベルＬＰＬは吐出水槽２００の常用水位（＝ポンプ運転開始水位）ＮＷＬ以下（ＬＰＬ≦ＮＷＬ）である。サイホン補助管１５の管上昇部１８には複数の開口部が（ここでは第１の開口部Ｂと第２の開口部Ａの２つ）が設けられ、第１の開口部Ｂの上端レベルＭＰＬは吐出水槽２００の常用水位ＮＷＬ以下（ＭＰＬ≦ＮＷＬ）とし、第２の開口部Ａの上端レベルＨＰＬは吐出水槽２００の計画最高水位ＨＷＬ以上（ＨＰＬ≧ＨＷＬ）としている。

図３は図２にポンプ始動時の動水勾配線Ｅ、ポンプ運転定格時の動水勾配線Ｆ、ポンプ停止時（逆流時）の動水勾配線Ｊ、及びポンプによるヘッドアップ（全揚程）Ｈを示した図である。ポンプ始動の初期時は吐出管１１の頂部１２の水位が実揚程となり、それ以降は自然流の状態となる。吐出管１１内の空気が抜けるに従い頂部１２の水位が上昇し、最終的に頂部１２内の空気が全て抜け、サイホン状態となる。

第１の開口部Ｂの上端レベルＭＰＬを吐出水槽２００の常用水位ＮＷＬ以下（ＭＰＬ≦ＮＷＬ）とし、図５に示すように、吐出水槽２００の水を利用し、サイホン補助管１５の略Ｕ字状の管底部１７に水が溜まっている状態とすることで、第２の開口部Ａから空気が吐出管１１側に流れることなく、排気方向のみ空気が流れる構造となっている。吐出管１１内の空気は頂部１２に溜まっている状態でポンプ１の運転を継続すると吐出管１１内の水流によって頂部１２の空気が順次押し出され吐出水槽２００の水面下に吐き出される。つまり、図４に示すように、ポンプ１の排水量が定格排水量Ｑ（＞ｑ）になるまでの時間が短縮でき、排水遅れによる浸水被害を未然に防止し、信頼性の高い設備とすることができる。図４はポンプ特性を示す図で、曲線ａはポンプ始動時の損失曲線（空気排気運転時）であり、曲線ｂはポンプ運転時の損失曲線（サイホン形成後）を示す。

上記のように、駆動機１３を起動して主軸１４を回転させインペラ３を回転させると、吸込ベルマウス２の吸込口２ａから吸い込まれた水が頂部１２の残存空気を吐出端１１ａから吐出すと共に、頂部１２に接続したサイホン補助管１５からも同時に残留空気が第１の開口部Ｂ及び第２の開口部Ａから排出される。これにより吐出管１１内の空気が速やかに吐き出されサイホンが形成されるまでの時間を短縮できる。

また、ポンプ停止時にサイホンを破壊するために制御の必要な電動弁を介して吐出管１１の頂部１２に空気吸込管を接続する必要がなく、電動弁故障等によるサイホン形成不可、又はサイホン破壊不可等の心配が無く、信頼性の高い設備となる。また、電動弁の駆動機構や制御装置が不要となり、安価で経済性の良いポンプ機場設備を構成できる。

また、サイホン補助管１５は吐出管１１と頂部１２の１ヶ所で接続され、且つ該頂部１２から吐出水槽２００までの布設でよいため、サイホン補助管１５を最短ルートの簡素な配管系統とすることができ、多様なポンプ場の多くで採用することができる。

ポンプ１の始動完了（サイホン形成完了）後においては、サイホン補助管１５の末端部は図６に示すように、動水勾配線Ｆはサイホン補助管１５の管底部１７の天端レベル（管内頂レベル）ＬＰＬより上方に位置し、正圧となるため、サイホン形成後の大気開放部となるＧ部の水位ＷＬはＷＬ＞ＬＰＬとなり、大気（空気）が吐出管１１内に流入することなく、サイホン形成を維持することが可能である（第１の開口部Ｂの上端が吐出水槽２００の常用水位ＮＷ以上であった場合、吐出し水面が波打つことによりＧ部の水位が過渡的に管底部１７の天端レベル（管内頂レベル）ＬＰＬ以下となり、サイホンが破壊してしまう危険があるが、前記構成によれば、波面の整流が行え過渡的な波を抑制できる。）。これにより従来のように電動弁等で流入空気の遮断制御する必要はなくなり、設備構成が簡素で、信頼性及び経済性の高い設備となる。

サイホン補助管１５の管底部１７の天端レベル（管内頂レベル）ＬＰＬは、図７に示すように、管底部１７の天端レベル（管頂レベル）ＬＰＬでの動水勾配線Ｊより、高いレベルに設定することで、ポンプ停止時（逆流サイホン時）において吐出管１１の頂部１２で発生した負圧波がＭ部分に伝播し、Ｍ部より空気（大気）を流入させることが可能となる。なお、確実に空気を流入させ、サイホン破壊を行うには、管底部１７の天端レベルＬＰＬをＭ部での動水勾配線Ｊより高い位置とすることが最も好ましい。吐出水槽２００の水面（吐出し水面）が高くなり、Ｍ部での動水位が管底部１７の天端レベルＬＰＬを上回った場合は、サイホンは破壊しないので、動水勾配線Ｊについては、吐出水槽２００の計画最高水位ＨＷＬを基準として設定することが好ましい。

図２に示すポンプ機場のポンプ装置において、サイホン補助管１５の管上昇部１８の上端の大気に開放している第２の開口部Ａの開口断面Ｄを管降下部１６や管水平部の断面ａより大きくしている。また、第２の開口部Ａの開口断面Ｄは吐出水槽２００の常用水位ＮＷＬより下方に設けた第１の開口部Ｂの開口断面ｄよりも大きく構成されている。

上記のように、大気に開放されている第２の開口部Ａの開口断面Ｄを第１の開口部Ｂの開口断面ｄ及び管降下部１６や管水平部の断面ａよりも大きく構成することにより、管上昇部まで到達した空気（気泡）の自然上昇を妨げることなくサイホン補助管１５から排出する空気を速やかに大気に導くことが可能となり、始動時間の短縮（サイホン形成までの時間短縮）が可能となる。

また、上記ポンプ装置において、図８に示すように第２の開口部Ａにサイレンサ２０を設けることにより、サイホン破壊時に第２の開口部Ａに吸い込まれる空気吸入音を抑制することが可能となる。このように大気に開放された第２の開口部Ａにサイレンサ２０を設け、サイホン破壊時の空気吸入音を抑制することにより、民家が近くに存在するポンプ機場においては、地域の騒音環境の悪化を防止することが可能となる。

サイホン補助管１５は断面形状は円形、楕円形、矩形、多角形でも構わない、開口断面を大きくする等、設置スペースを考慮し、決めることが好ましい。

また、サイホン補助管１５’を図９に示すように、土木躯体（コンクリート）２１と一体に形成し、管降下部１６’、管底部１７’、管上昇部１８’とを連続させ、管底部１７’と管上昇部１８’の境界部に第１の開口部Ｂ’を、管上昇部１８’の上端に大気に開口する第２の開口部Ａ’を設けてもよい。更に、第２の開口部Ａにサイレンサ（図示を省略）を設けてもよい。

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。

本発明は、サイホン形状の吐出管頂部に接続され、下方に向う管降下部と、底部を形成する管底部と、該管底部から上方に向う管上昇部とが連続して形成されたサイホン補助管を有し、管底部の管内頂レベルは吐出し水面の常用水位（ポンプ運転開始水位）以下とし、管底部から管上昇部に複数の開口部を形成し、管底部と管上昇部の境界部に形成した第１の開口部の上端レベルは吐出し水面の常用水位（ポンプ運転開始水位）以下とし、管上昇部の上端部に形成した第２の開口部の上端レベルは吐出し水面の計画最高水位以上としたので、サイホン補助管を吐出管頂部から吐出水槽の間で布設するだけの簡素で、且つ安価な設備構成で信頼性の高い自己サイホンの形成及びサイホン破壊ができるポンプ装置として利用することができる。

１ポンプ
２吸込ベルマウス
３インペラ
４ガイドベーン
５水中軸受
６ボウルブッシュ
７吊り下げ管
８機器設置床
９ポンプベース
１０ポンプボウル
１１吐出管
１２頂部
１５サイホン補助管
１５’ サイホン補助管
１６管降下部
１６’ 管降下部
１７管底部
１７’ 管底部
１８管上昇部
１８’ 管上昇部

Claims

ポンプと該ポンプの吐出口に接続された吐出管とを具備し、
前記吐出管が吐出し水面より高い位置を経由して前記吐出し水面下に開口するサイホン形状に形成されたポンプ装置において、
前記サイホン形状の吐出管頂部に接続され、下方に向う管降下部と、底部を形成する管底部と、該管底部から上方に向う管上昇部とが連続して形成されたサイホン補助管を有し、
前記管底部の管内頂レベルは前記吐出し水面のポンプ運転開始水位以下とし、
前記管底部から管上昇部に複数の開口部を形成し、該管底部と該管上昇部の境界部に形成した第１の開口部の上端レベルは前記吐出し水面のポンプ運転開始水位以下とし、前記管上昇部の上端部に形成した第２の開口部の上端レベルは前記吐出し水面の計画最高水位以上としたことを特徴とするポンプ装置。
請求項１に記載のポンプ装置において、
前記管底部の管内頂レベルを該管底部から前記管上昇部に移る境界部の前記ポンプ停止時の動水位より高くしたことを特徴とするポンプ装置。
請求項１又は２に記載のポンプ装置において、
前記管上昇部の第２の開口部の断面面積を該サイホン補助管の他の部分の断面積より大きくしたことを特徴とするポンプ装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
前記管上昇部の第２の開口部の断面積を第１の開口部の断面積よりも大きくしたことを特徴とするポンプ装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポンプ装置において、
前記管上昇部の第２の開口部にサイホン破壊時の空気吸入音を抑制するサイレンサを設けたことを特徴とするポンプ装置。