JP5628384B2 - 渦防止装置およびポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、河川などに接続される吸込水槽内の水を汲み上げるポンプ装置に使用される渦防止装置、および該渦防止装置を備えたポンプ装置に関する。

横軸および立軸ポンプの吸込口においては、水位の低下（水面が吸込口に近くなる）に伴い、吸込水槽の自由表面に渦が発生することがある。その渦がポンプに引き込まれると、空気吸い込み渦となり、ポンプ内部に空気が侵入することとなる。その結果、落水や振動等の異常をきたし、ポンプが故障してしまう。そこで、空気を吸い込まないよう、吸込水槽の底盤レベルを低くして、ポンプの吸込口の位置を下げたり、吸水位に制限を設け、その水位以下でのポンプの運転は行わないようにすることが従来から行われている。また、渦の発生を防止するよう、吸込水槽の自由表面を覆うような渦流防止装置を設けることも提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

その他の渦防止対策として、吸込ベルマウスを二重構造としたり（特許文献１参照）、多数の孔が形成された筒状部材をポンプ吸込管の周囲に配置したり（特許文献２参照）、水平方向に開口する吸い込み筒をポンプの吸込口に接続する（特許文献３参照）などの種々の試みがなされている。

しかしながら、吸込水槽の底盤レベルを低くする方法では、土木工事費および建築費が高価になる。また、既設のポンプ機場を改修する場合は、工事期間が長くなり、さらに、ポンプ機場を運用しながらの土木工事を含む改修工事は現実的に不可能であった。

吸込水槽の表面を覆う方法では、水面を覆うためのプレート状の渦防止部材が必要であり、コストがかかる。さらに、渦防止部材を土木躯体である吸込水槽に締結することが必要となり、土木強度上の問題が生じる場合がある。また、吸込水槽内に流入する塵芥が渦防止部材に絡みついたり、吸込水槽の底面に堆積する塵芥の清掃が行いにくい等の問題もある。

特許文献１および２においては、小さな隙間または孔に水が流れ込む構造になっている。このため、通常のポンプ機場における取り扱い水である河川水または下水に含まれる枝、草、布等の塵芥が隙間や孔に絡みつき、これらの隙間または孔を閉塞してしまう。隙間や孔が閉塞すると、渦の防止機能が確保できず、最悪の場合は、ポンプの吸い込み機能にも影響を及ぼす。その結果、満足なポンプ運転ができず（定格の排水運転ができず）、浸水被害をもたらすおそれがある。

特許文献３においては、吸い込み口を筒体で覆う構造であるため、ポンプの吸い込み水頭損失が大きくなる。つまり、配管損失または効率低下をもたらし、ポンプの排水性能を低下させるという問題がある。

また、ポンプ機場の運用上、低い水位で揚水することが求められることがある。この場合、空気の吸い込み渦が発生しないように、吸込口をできるだけ下げ、水面と吸込口との距離（すなわち、吸込口の没水深さ）を大きくすることが行われている。しかしながら、吸込口が吸込水槽の底盤に近づくと、吸込水槽の底盤や側壁からの水中渦が発生しやすくなるという問題がある。

非特許文献１および特許文献４では、このような水中渦を防止するために、吸込水槽の底盤に支柱やブロック体などの構造体を設けることが提案されている。しかしながら、土木躯体である吸込水槽に上述のような構造体を設置すると、コストが上昇するだけでなく、吸込水槽への締結が必要となり、強度上の問題や工事条件（費用や工期）の問題が生じることがある。さらに、水質の悪い水を取り扱う場合には、吸込水槽の底盤に汚泥（シルト）が溜まることがある。その結果、底盤に設置された渦防止要素が埋まってしまい、渦防止機能が発揮されないという問題がある。

特開２００２−１５５８９８号公報 特開２００１−４１２００号公報 特開２０００−９７１９９号公報 特開平０３−１５６２００号公報

社団法人日本機械学会発行 日本機械学会基準「ポンプ吸込水槽の模型試験法」

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたもので、構造が簡単で、ポンプの排水性能を低下させることがなく、しかも既存のポンプ装置に容易に取り付けることができる渦防止装置を提供することを目的とする。また、本発明は、かかる渦防止装置を備えたポンプ装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明の一態様は、吸込水槽から吐出水槽へ水を移送するポンプの吸込管に取り付けられる渦防止装置であって、前記吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、前記吸込口から略水平方向に延びるプレート状の水平張り出し部材を備えると共に、前記水平張り出し部材の外側縁部から上方に延びる垂直張り出し部材をさらに備えることにより、吸込水槽における空気吸い込み渦の形成を防止することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記水平張り出し部材は、液体の流れ方向に関して前記吸込管の下流側に配置されることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記渦防止装置は、前記吸込口の周方向において均等に分割された複数のセグメントから構成されていることを特徴とする。

本発明の一参考例は、前記吸込管の中心と吸込水槽の後壁との距離が１．５ｄ（ｄは前記吸込管の直径）以上である場合、前記吸込管の中心から前記水平張り出し部材までの距離は１．２５ｄ以上であり、前記垂直張り出し部材の高さは０．４ｄ以上であり、前記吸込口から前記吸込水槽の底との距離は０．７５ｄ〜１．０ｄであることを特徴とする。
本発明の他の参考例は、前記吸込管の下端には、前記吸込口を囲むように複数の第１の貫通孔が形成され、前記水平張り出し部材の内側縁部には、前記第１の貫通孔に対応する位置に複数の第２の貫通孔が形成され、前記渦防止装置は、前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔に挿入された締結部材により前記吸込管に着脱可能に取り付けられることを特徴とする。

本発明の他の態様は、吸込水槽内の液体を汲み上げるポンプ装置であって、前記吸込水槽内に配置される吸込管を有するポンプと、前記ポンプを駆動する駆動源と、前記吸込管に取り付けられた上記渦防止装置とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、渦防止装置はポンプの吸込口にコンパクトに隣接して設けられ、流体（水頭）損失がほとんど無いので、ポンプの排水能力を低下させることなく、空気吸い込み渦または水中渦の発生を防止することができる。また、渦防止装置はポンプの吸込管に設置されるので、吸込水槽への締結は不要であり、吸込水槽の補強工事は不要である。さらに、渦防止装置のポンプへの取り付けおよび交換作業は容易であり、渦防止装置の取り付けまたは交換作業のためにポンプ装置の運転を長期間停止させる必要がない。また、水中渦の発生を防止することができるので、吸込位置を下げることができ、低水位でのポンプ運転が可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る渦防止装置を備えたポンプ装置を示す模式図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図３（ａ）は吸込管の下端部と渦防止装置の接合部の一例を示す拡大図であり、図３（ｂ）は吸込管の下端部と渦防止装置の接合部の他の例を示す拡大図である。 吸込口の全周を囲むように形成された渦防止装置の例を示す図である。 吸込口の半周を囲むように形成された渦防止装置の例を示す図である。 吸込管の下流側に発生するカルマン渦を示す図である。 渦防止装置によって空気吸い込み渦の形成が防止される様子を説明するための図である。 図８（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る渦防止装置を示す平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す渦防止装置の縦断面図である。 高水位時における水中での水の流れを示す図である。 吸込管の直径に関連付けられた好ましい各寸法を示す図である。 実験に用いた吸込水槽を示す平面図である。 図１２（ａ）は、渦防止装置を備えていないポンプ装置を用いた実験結果を示すグラフであり、図１２（ｂ）は渦防止装置を備えたポンプ装置を用いた実験結果を示すグラフである。 水平張り出し部材を矩形状とした例を示す図である。 水平張り出し部材を多角形状とした例を示す図である。 図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、補強リブおよび水抜き孔を設けた例を示す図である。 第２の実施形態に係る渦防止装置の変形例を示す平面図である。 図１６に示す渦防止装置を示す縦断面図である。 渦防止装置の取り付け位置を変更した例を示す平面図である。 第２の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す平面図である。 渦防止装置のセグメントの取り付け位置を変更した例を示す平面図である。 図２１（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る渦防止装置を示す側面図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す渦防止装置を下方から見た図である。 第３の実施形態に係る渦防止装置の変形例を示す側面図である。 第３の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す側面図である。 図２４（ａ）乃至図２４（ｄ）は、第３の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を下方から見た図である。 図２５（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す側面図であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示す渦防止装置を下方から見た図である。 図２６（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る渦防止装置を示す側面図であり、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図２６（ｃ）は、図２６（ａ）に示す渦防止装置を矢印Ｃで示す方向から見た図である。 第４の実施形態に係る渦防止装置の変形例を示す平面図である。 第４の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す側面図である。 第４の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す正面図である。 第４の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す平面図である。 図３１（ａ）および図３１（ｂ）は、第４の実施形態に係る渦防止装置と第３の実施形態に係る渦防止装置と組み合わせた例を示す図である。 図３２（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る渦防止装置を備えたポンプ装置を示す模式図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）に示す渦防止装置の斜視図である。 第５の実施形態に係る渦防止装置の変形例を示す平面図である。 第５の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す側面図である。 図２１（ａ）に示す渦防止装置と、図３２（ａ）に示す渦防止装置とを組み合わせた図である。 図２５（ａ）に示す第１の渦防止装置と、図３２（ａ）に示す第２の渦防止装置とを組み合わせた図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）に示す渦防止装置と、図２４（ｃ）に示す渦防止装置とを組み合わせた図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
なお、以下に説明する実施形態は横軸ポンプに関するものであるが、本発明はこの例に限らず、立軸ポンプや水中ポンプにも使用することができる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る渦防止装置を備えたポンプ装置を示す模式図である。図１に示すように、このポンプ装置は、吸込水槽１から吐出水槽２に水を移送するポンプ１０と、ポンプ１０を駆動する駆動源１５とを備えている。ポンプ１０は、ポンプケーシング１０ａと、このポンプケーシング１０ａに収容される図示しない羽根車と、ポンプケーシング１０ａと吸込水槽１とを連通する吸込管１１と、ポンプケーシング１０ａと吐出水槽２とを連通する吐出管１２とを備えている。吐出管１２には吐出弁１３が設けられている。

羽根車は回転軸１６を介して減速機（動力伝達装置）１８に連結され、減速機１８は駆動源１５に連結されている。駆動源１５としては、モータ、ディーゼルエンジン、ガスタービンエンジンなどが用いられている。ポンプ１０は、回転軸１６が水平方向に延びる、いわゆる横軸ポンプである。

吸込管１１は垂直に延び、その下端に形成された吸込口１１ａは吸込水槽１内の水中に位置している。吸込管１１の下端部はベルマウスとして構成されている。ポンプ１０の羽根車は吸込水槽１内の水面よりも上方に配置され、ポンプケーシング１０ａは吸込水槽１の上部を構成する設置床２０に架台２１を介して設置されている。吸込管１１の下流側部分は曲管部となっており、これにより吸込管１１とポンプケーシング１０ａとが滑らかに接続されている。吐出管１２は、吐出水槽２内で開口する吐出口１２ａを有している。この吐出口１２ａはポンプ１０の羽根車よりも低い位置にある。吐出口１２ａには、吐出水槽２に移送された水の逆流を防止するためのフラップ弁２２が設けられている。

図１から分かるように、吸込管１１、ポンプケーシング１０ａ、および吐出管１２は、全体としてサイフォン型通路を形成している。ポンプケーシング１０ａの上部には、内部に電極棒を有する満水検知器３０が設けられており、この満水検知器３０によりポンプケーシング１０ａ内が水で満たされているかどうかが検知される。さらに、ポンプケーシング１０ａの内部は満水検知器３０を介して真空ポンプ３１に連通している。

ポンプ装置を起動するときは、まず、真空ポンプ３１によりポンプケーシング１０ａの内部を真空引きして負圧を形成し、吸込管１１内の水位を上昇させる。ポンプケーシング１０ａの内部が水で満たされていることを満水検知器３０が検知すると、駆動源１５により羽根車が回転し、吐出弁１３が開かれ、これにより水が吸込水槽１から汲み上げられ、吐出水槽２に移送される。

吸込管１１の下端には、本実施形態に係る渦防止装置３５が取り付けられている。この渦防止装置３５は、吸込口１１ａの径方向外側に配置された、吸込口１１ａから略水平方向に延びるプレート状の水平張り出し部材３５ａを有している。この水平張り出し部材３５ａは、吸込口１１ａを囲むように吸込管１１の下端に固定されている。図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。図２に示すように、渦防止装置３５は、全体として扇型の形状を有し、円弧状の外側縁部を有している。渦防止装置３５が取り付けられる箇所は、水の流れに関して吸込管１１の下流側である。渦防止装置３５は、ボルトなどの締結具（図示せず）または溶接によって吸込管１１に固定されている。なお、水平張り出し部材３５ａは完全に水平でなくともよく、水はけなどを考慮してやや傾けてもよい。

渦防止装置３５は、吸込管１１の下端部に取り付けられ、その接合箇所は特に限定されない。例えば、図３（ａ）に示すように、吸込管１１の下端部に形成されるフランジの上面に渦防止装置３５を固定してもよく、または図３（ｂ）に示すように、フランジの外周面に渦防止装置３５を固定してもよい。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）では、渦防止装置３５は断面で表されている。

渦防止装置３５は、吸込口１１ａの少なくとも一部を囲む形状を有している。渦防止装置３５が吸込口１１ａを囲む範囲は、吸込口１１ａの全周でもよく、好ましくは吸込口１１ａの半周以下である。図４は、吸込口１１ａの全周を囲むように形成された渦防止装置３５の例を示し、図５は、吸込口１１ａの半周を囲むように形成された渦防止装置３５の例を示す図である。図２に示すように、渦防止装置３５の水平張り出し部材３５ａの両側端部と吸込口１１ａの中心とを結ぶ２つの線がなす角度をθとすると、角度θは１２０°以上、１８０°以下であることが好ましい。

空気吸い込み渦は、図６に示すように、自由表面を形成する水の流れが吸込管１１によって分流されるときに生じるカルマン渦が発達して生じる。したがって、カルマン渦は、吸込管１１の下流側に発生する。また、カルマン渦は、水の流れによって下流側に流される。したがって、渦防止装置３５は、吸込管１１に対して下流側に配置されることが好ましい。

一般に、渦は、吸込水槽１内を流れる水の自由表面が穏やかなほど、発生しやすくなる。水の自由表面状態はフルード数で表され、このフルード数は次の式により求めることができる。
フルード数（Ｆｒ）＝ｖ／（ｇｈ）^１／２・・・（１）
ただし、ｖは水の流速、ｇは重力加速度、ｈは水深を表す。
フルード数が１に近づくほど水面が波立ち、フルード数が０に近づくほど穏やかな水面となる。また、式（１）から分かるように、水位が高くなるほどフルード数は０に近づく。

図７は、渦防止装置３５によって空気吸い込み渦の形成が防止される様子を説明するための図である。図７に示すように、渦防止装置３５の水平張り出し部材３５ａは、低水位時における見かけ上の水深ｈ’を実際の水深ｈより浅くすることができる（ｈ’＜ｈ）。したがって、吸込水槽１内を流れる水の自由表面を乱し、フルード数を大きくすることができる。さらに、渦が発生した場合でも、渦の進路上に水平張り出し部材３５ａが存在することによって、カルマン渦から空気吸い込み渦への成長を防止することができる。このように、水平張り出し部材３５ａは、特に低水位のときの空気吸い込み渦を効果的に防止することができる。したがって、吸込水槽１内の流速が同じ条件下であっても、より低水位での運転が可能となる。したがって、大雨に備えて河川の水位を事前に極力下げることができ、河川の氾濫を未然に防ぐことができる。

このように、渦防止装置３５を吸込口１１ａに隣接して設けることにより、吸込水槽１の底盤を掘り下げるなどの土木工事を行うことなく、空気吸い込み渦の発生を防止することができる。渦防止装置３５は吸込口１１ａに流入する水の流れを妨げず、ポンプ性能を損なうこともない。また、本実施形態に係る渦防止装置３５は吸込管１１に取り付けられるので、吸込水槽１への締結は不要であり、吸込水槽１の補強工事は不要である。さらに、渦防止装置３５の吸込管１１への取り付けおよび交換作業は容易であり、渦防止装置３５の取り付けまたは交換作業のためにポンプ装置の運転を長期間停止させる必要がない。

図８（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る渦防止装置３５を示す平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す渦防止装置３５の縦断面図である。本実施形態に係る渦防止装置３５は、水平張り出し部材３５ａの外側縁部から上方に延びる垂直張り出し部材３５ｂをさらに備えている。水平張り出し部材３５ａと垂直張り出し部材３５ｂとは一体に形成されている。

吸込水槽１内の水位が高い場合、水の自由表面は比較的穏やかとなる。さらに、実揚程が低くなることから、ポンプ特性上、ポンプ１０によって移送される水の流量が大きくなる。したがって、水位がある程度高くなると、渦が発生しやすくなる場合がある。垂直張り出し部材３５ｂは、高水位のときにおいて空気吸い込み渦の形成を効果的に防止する。図９は、高水位時における水中での水の流れを示す図である。図９に示すように、垂直張り出し部材３５ｂの上端の周りには、点線で囲んだように、よどみ部が発生する。このよどみ部は渦の進路にある水の流れを乱し、渦を吸込口１１ａにまで到達させない。したがって、垂直張り出し部材３５ｂを設けることにより、高水位時における空気吸い込み渦の形成を効果的に防止することができる。

図１０は、吸込管の直径に関連付けられた好ましい各寸法を示す図である。図１０に示すように、吸込管１１の直径は符号ｄで表されている。吸込管１１の中心と吸込水槽１の後壁との距離が１．５ｄ以上である場合、吸込管１１の中心から水平張り出し部材３５ａの外側縁部までの距離は、１．２５ｄ以上であることが好ましい。また、垂直張り出し部材３５ｂの高さは、０．４ｄ以上であることが好ましい。吸込口１１ａと吸込水槽１の底との距離は０．５ｄ以上であることが好ましく、一般的には０．７５ｄ〜１．０ｄの範囲内である。これらの好ましい寸法に設定した場合、ポンプ装置が運転可能な吸込水槽１の最低水位は、従来のポンプ装置に比べて、０．５ｄ以上低くすることができる。なお、吸込管１１の中心と吸込水槽１の後壁との距離が１．５ｄ未満の場合は、吸込管１１の中心から水平張り出し部材３５ａの外側縁部までの距離は、１．２５ｄ未満とすることができる。しかしながら、空気吸い込み渦を防止する観点から、吸込管１１の中心から水平張り出し部材３５ａの外側縁部までの距離は、１．２５ｄ以上であることが好ましい。ただし、必要寸法が確保できない場合においては、“吸込管１１の中心から後壁までの距離”と“吸込管１１の中心から水平張り出し部材３５ａ外側縁部までの距離”とを略等しくしてもよい。

本実施形態に係る渦防止装置３５は、水平張り出し部材３５ａおよび垂直張り出し部材３５ｂを有しており、低水位から高水位まで幅広い範囲で安定したポンプ運転が可能である。ここで、本実施形態に係る渦防止装置３５を備えたポンプ装置を用いた実験結果について説明する。図１１は、本実験に用いた吸込水槽を示す平面図である。吸込管１１の中心と吸込水槽１の後壁との距離は１．５ｄ、吸込水槽１の幅は３ｄであった。吸込管１１の下端から水面までの距離をＳとし、ポンプの没水深Ｓ／ｄと流量（％）（従来のポンプ場設計手法寸法に基づき、Ｓ／ｄ＝１．７時における吸込水槽の近寄流速Ｖが０．２５ｍ／ｓとなる流量を１００％とした）との関係を調べた。その実験結果を図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示す。

図１２（ａ）は、渦防止装置を備えていないポンプ装置を用いた実験結果を示すグラフであり、図１２（ｂ）は本実施形態に係る渦防止装置を備えたポンプ装置を用いた実験結果を示すグラフである。図１２（ａ）および図１２（ｂ）において、符号Ａ１は、空気吸い込み渦が発生しなかった領域を表し、符合Ａ２及びＡ３は、空気吸い込み渦が確認された領域を表している。この実験結果により、渦防止装置３５を備えたポンプ装置は、渦防止装置を備えていないポンプ装置に比べて、広い水位範囲で安定したポンプ運転が可能であることが分かる。

水平張り出し部材３５ａの両端部と吸込管１１の中心とを結ぶ２つの線同士がなす角度をθ１、垂直張り出し部材３５ｂの両端部と吸込管１１の中心とを結ぶ２つの線同士がなす角度をθ２とすると、角度θ１は、角度θ２以上であり、かつ角度θ１は１２０°以上３６０°以下で、角度θ２は１２０°以上であることが好ましい。

水平張り出し部材３５ａは、矩形状または多角形状であってもよい。図１３は、水平張り出し部材３５ａを矩形状とした例を示し、図１４は、水平張り出し部材３５ａを多角形状とした例を示す。これらの例によれば、扇形の水平張り出し部材３５ａに比べて若干重量は増加するが、機械加工が容易となる。また、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、強度を確保するために、水平張り出し部材３５ａと垂直張り出し部材３５ｂとを連結する複数の補強リブ３５ｃを渦防止装置３５の上面又は下面に設けてもよい。さらに、水平張り出し部材３５ａおよび垂直張り出し部材３５ｂの少なくとも一方に、溜り水を防止するための水抜き孔３５ｄを設けてもよい。

図１６は、第２の実施形態に係る渦防止装置の変形例を示す平面図であり、図１７は図１６に示す渦防止装置を示す縦断面図である。図１６および図１７に示すように、吸込管１１の下端には、吸込口１１ａを囲むように複数の貫通孔３８が形成されている。これらの貫通孔３８は、吸込口１１ａの全周に沿って等間隔に配列されている。一方、渦防止装置３５の水平張り出し部材３５ａの内側縁部にも、貫通孔３８に対応する位置に複数の貫通孔（図示せず）が形成されている。渦防止装置３５は、吸込管１１の貫通孔３８および水平張り出し部材３５ａの貫通孔に挿入された複数のボルト４０によって吸込管１１に着脱可能に取り付けられている。

このような構成によれば、吸込水槽１の水の流れ方向に従って渦防止装置３５の位置を変更することができる。したがって、図１８に示すように、水の流れに関して吸込管１１の下流側に位置するように、渦防止装置３５を設置現場の状況に合わせて現地にて容易に調整し、取り付けることができる。なお、この変形例は第１の実施形態にも適用できることは言うまでもない。

図１９は、第２の実施形態に係る渦防止装置の更なる変形例を示す平面図である。基本的な構成は、図１６に示す例と同様であるが、この例では、渦防止装置３５は複数のセグメント３５Ａに分割されている。より具体的には、渦防止装置３５は、吸込口１１ａの周方向において均等に分割されている。渦防止装置３５の各セグメント３５Ａは、図１６の例と同様に、ボルト４０によって吸込口１１ａに着脱可能に取り付けられている。

この例によれば、設置されるセグメント３５Ａの数によって渦防止装置３５の全体の幅、すなわち図２の角度θを変更することができる。また、図２０に示すように、水の流れ方向が複数存在する場合には、それぞれの水の流れ方向に対応してセグメント３５Ａを互いに離間して設置することができる。なお、この変形例も第１の実施形態に適用できることは言うまでもない。また、これら実施形態は、土木躯体に影響を与えないよう吸込口１１に設置・接続することを基本としているが、土木強度等の問題が無い場合は、土木躯体に締結して構成してもよい。

図２１（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る渦防止装置を示す側面図であり、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す渦防止装置を下方から見た図である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）に示すように、この渦防止装置は、吸込管１１の下端に固定されたベースリング４９と、このベースリング４９の下面に固定された吸込プレート５０とを有している。吸込プレート５０は吸込口１１ａから下方に向かって略鉛直方向に張り出しており、吸込口１１ａの径方向に沿って延びている。吸込プレート５０の一端から他端までの長さＬは、吸込口１１ａの直径Ｄよりも大きく設定されている。吸込口１１ａに流入する水は、吸込プレート５０によって分割される。

吸込プレート５０は、吸込口１１ａの中心から径方向外側に延びる複数のプレート部材から構成されており、全体として十字型の形状を有している。ベースリング４９には、その周方向に略等間隔に複数の通孔（図示せず）が形成されている。渦防止装置は、これらの通孔に挿入されたボルト５３によって吸込管１１の下端に着脱可能に取り付けられる。したがって、吸込水槽１を流れる水の流れに応じて吸込プレート５０の向きを変えることができる。なお、ベースリング４９を溶接により吸込管１１に固定してもよい。また、ベースリング４９を省略して、吸込プレート５０を溶接などにより吸込管１１の下端に直接固定してもよい。

このような吸込プレート５０を備えた渦防止装置によれば、吸込口１１ａと吸込水槽１の底盤との間に発生する水中渦を抑制することができる。この水中渦は、吸込口１１ａと吸込水槽１の底盤との間の旋回流が発達して形成されるものであり、吸込口１１ａが吸込水槽１の底盤の近くに位置しているときに発生しやすい。本実施形態の渦防止装置は、水中渦の原因となる旋回流を吸込プレート５０で消滅させることにより、水中渦の発生を効果的に防止することができる。したがって、従来の構造よりも吸込口１１ａを低い位置に配置することができ、低水位での揚水が可能となる。また、本渦防止装置は、土木躯体である吸込水槽１への固定は不要であり、既存のポンプ装置に取り付けることができるので、低コストかつ信頼性の高いポンプ装置とすることができる。さらに、本渦防止装置は、吸込水槽１の底盤上に堆積する汚泥などに埋もれることがないので、その渦防止機能を永続的に発揮することができる。

水中渦を防止する観点からは、吸込プレート５０はある程度の高さを有している必要がある。具体的には、吸込プレート５０の高さＨは、吸込管１１の内径をｄとしたとき、０．１ｄ以上であることが好ましい。例えば、水中に存在する塵芥（特に、ひも状のゴミ）が絡みつかないようにするためには、吸込プレート５０の高さＨは３０ｃｍ以上とすることが好ましい。また、図２２に示すように、吸込プレート５０を構成する複数のプレート部材の高さを互いに異ならせてもよい。図２３に示すように、吸込プレート５０の端部は、吸込管１１の下端から径方向外側に張り出していてもよい。

本実施形態の吸込プレート５０は十字型の形状を有しているが、本発明はこの形状に限定されない。例えば、図２４（ａ）乃至図２４（ｄ）に示すように、吸込プレート５０の形状を、Ｉ型（図２４（ａ））、マイナス型（図２４（ｂ））、Ｙ型（図２４（ａ））、Ｔ型（図２４（ｄ））としてもよい。これらいずれの例においても、吸込プレート５０は吸込口１１ａの中心を通って径方向に延びている。通常、吸込水槽１の底盤から発生する水中渦は、吸込口１１ａの中心を通ってポンプ内に進入することが多い。本実施形態に係る吸込プレート５０は、吸込口１１ａの中心を通る形状を有しているため、水中渦の成長を効果的に防止することができ、さらに水中渦の進路を妨害することができる。

高さＨおよび／または長さＬの異なる吸込プレート５０を有する渦防止装置を複数用意し、ポンプ装置の設置現場での運用状況に応じて渦防止装置を選択することも可能である。また、吸込水槽１によっては、底盤からのみならず、側壁から水中渦が発生することがある。このような場合は、側壁から発生する旋回流を邪魔するように吸込プレート５０を配置することが好ましい。例えば、図２４（ｂ）乃至図２４（ｄ）に示すように、水の流れ対して対抗面を持つような吸込プレート５０を設置することが好ましい。

図２５（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る渦防止装置の変形例を示す側面図であり、図２５（ｂ）は、図２５（ａ）に示す渦防止装置を下方から見た図である。この変形例では、吸込プレート５０はスペーサ５５を介して吸込管１１の下端に連結されている。より具体的には、吸込プレート５０の各端部はスペーサ５５を介してベースリング４９に連結されている。横方向から見ると、吸込プレート５０は吸込口１１ａから離間しており、吸込プレート５０とベースリング４９との間には鉛直方向に隙間Ｗが形成されている。なお、この例においても、ベースリング４９を省略してスペーサ５５を吸込管１１の下端に直接固定してもよい。スペーサ５５の形状は特に限定されず、例えば棒状または板状の部材が使用される。

このように吸込プレート５０を吸込口１１ａから離間させることにより、吸込口１１ａにおける水頭損失を軽減することが可能となる。つまり、ポンプ性能に影響を与えることなく、吸込水位を下げることが可能となる。さらに、隙間Ｗを設けることにより、塵芥の通過流路が確保されるので、塵芥による閉塞のない、信頼性の高いポンプ装置となる。ここで、塵芥による閉塞を防止する観点から、隙間Ｗは０．１ｄ以上（ただし、ｄは吸込管１１の内径を表す）であることが好ましい。

図２６（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係る渦防止装置を示す側面図であり、図２６（ｂ）は、図２６（ａ）のＢ−Ｂ線断面図であり、図２６（ｃ）は、図２６（ａ）に示す渦防止装置を矢印Ｃで示す方向から見た図である。この例では、吸込プレート５０は設けられておらず、代わりに２枚のフィン５８が吸込管１１の外周面に取り付けられている。

フィン５８は、吸込口１１ａの径方向外側に位置しており、吸込口１１ａの中心に関して対称的に配置されている。これらのフィン５８は、吸込水槽１内を流れる水の流れ方向に対して略垂直に配置される。また、フィン５８は吸込水槽１の両側壁に近接して配置されている。このような配置により、吸込水槽１内を流れる水はフィン５８に衝突して側壁に誘導され、側壁で発生した旋回流を邪魔する流れを形成する。したがって、側壁で発生した旋回流は、フィン５８によって導かれた水流によって抑制され、側壁から発生する水流渦を効果的に防止することができる。

なお、本実施形態では、２枚のフィン５８が設けられるが、１枚のフィンであってもよく、または３枚以上のフィンを設けてもよい。例えば、旋回流が発生する側だけに１枚のフィンを設けてもよい。図２７は３枚のフィンを設けた例を示している。この例では、上述した２枚のフィン５８に加え、３枚目のフィン５８が吸込水槽１の後壁に近接して配置されている。このように後壁側にもフィンを設けることにより、後壁での水の流れを変えることができ、後壁から発生する水中渦を防止することができる。フィンの枚数は、吸込水槽１の形状に合わせて決定することが好ましい。

図２８に示すように、フィン５８は鉛直方向に対してやや傾斜してもよい。フィン５８の鉛直方向に対する角度αは、吸込水槽１の形状に応じて適宜決定することができる。また、図２９に示すように、フィン５８を吸込口１１ａから下方に張り出す形状としてもよい。このように構成すれば、側壁からの旋回流だけでなく、底盤からの旋回流も抑制することができる。さらに、図３０に示すように、フィン５８は吸込水槽１内の水流に対して垂直な方向からやや傾けてもよい。この傾き角βは、側壁の旋回流の発生位置に応じて適宜決定することができる。本実施形態に係るフィン５８は、第３の実施形態に係る渦防止装置と組み合わせてもよい。例えば、図３１（ａ）に示すように、吸込プレート５０の端部にフィン５８を取り付けてもよく、また、図３１（ｂ）に示すように、スペーサ５５にフィン５８を取り付けてもよい。

図３２（ａ）は、本発明の第５の実施形態に係る渦防止装置を備えたポンプ装置を示す模式図であり、図３２（ｂ）は、図３２（ａ）に示す渦防止装置の斜視図である。本実施形態に係る渦防止装置は、吸込管１１の内部に配置される。図３２（ｂ）に示すように、この渦防止装置は、吸込管１１内の流路を複数の流路に分割する複数の仕切プレート６０から構成されている。仕切プレート６０は、吸込管１１の長手方向に沿って（すなわち吸込管１１と略平行に）配置されている。図３２（ａ）に示す例では、仕切プレート６０は鉛直方向に延びており、十字型の横断面形状を有している。したがって、この例では、吸込管１１内の流路は４つの流路に分割される。

本実施形態による渦防止装置によれば、次のような効果が得られる。すなわち、水中渦が万が一吸込管１１に進入した場合でも、ポンプの羽根車に到達する前に仕切プレート６０によって水中渦を消すことができる。つまり、旋回流のエネルギーが仕切プレート６０によって分割され、これらのエネルギーは流路の摩擦損失などにより減少する。その結果、羽根車に到達する前に水中渦を消滅させることができる。

なお、図２４（ａ）乃至図２４（ｄ）と同様に、仕切プレート６０の横断面形状を、Ｉ型（図２４（ａ））、マイナス型（図２４（ｂ））、Ｙ型（図２４（ａ））、Ｔ型（図２４（ｄ））としてもよい。いずれの形状においても、吸込管１１の中心軸を通るように仕切プレート６０の形状および配置が決定される。通常、吸込水槽１の底盤から発生する水中渦は、吸込管１１の中心軸上に発生し、吸込口１１ａの中心を通ってポンプ内に進入することが多い。本実施形態に係る仕切プレート６０は、吸込管１１の中心軸を通る形状を有しているため、水中渦の成長を効果的に防止することができ、さらに水中渦の進路を妨害することができる。

図３３に示すように、仕切プレート６０を吸込口１１ａから下方に突出させてもよい。このように仕切プレート６０の下端を吸込口１１ａよりも下方に位置させることにより、底盤からの旋回流を抑制することができる。また、図３４に示すように、吸込管１１内の水の流れを変えるために、吸込管１１の内周面に１つまたは複数の凸部６１を設けてもよい。このような凸部は、旋回流のエネルギーをさらに減少させ、より確実に水中渦の進入を防止することができる。

本実施形態に係る渦防止装置は、上述した第３および第４の実施形態に係る渦防止装置と適宜組み合わせることができる。例えば、図３５は、図２１（ａ）に示す第１の渦防止装置（吸込プレート５０）と、図３２（ａ）に示す第２の渦防止装置（仕切プレート６０）とを組み合わせた図であり、図３６は、図２５（ａ）に示す第１の渦防止装置（吸込プレート５０）と、図３２（ａ）に示す第２の渦防止装置（仕切プレート６０）とを組み合わせた図である。

さらに、空気吸い込み渦を防止する第１または第２の実施形態と、水中渦を防止する第３の実施形態、および／または第４の実施形態、および／または第５の実施形態とを組み合わせてもよい。例えば、図３７に示すように、図８（ａ）および図８（ｂ）に示す渦防止装置と、図２４（ｃ）に示す渦防止装置とを組み合わせることができる。このような組み合わせを採用することにより、空気吸い込み渦および水中渦を効果的に防止することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ 吸込水槽
２ 吐出水槽
１０ ポンプ
１０ａ ポンプケーシング
１１ 吸込管
１１ａ 吸込口
１２ 吐出管
１３ 吐出弁
１５ 駆動源
１６ 回転軸
１８ 減速機
２０ 設置床
２１ 架台
２２ フラップ弁
３０ 満水検知器
３１ 真空ポンプ
３５ 渦防止装置
３５ａ 水平張り出し部材
３５ｂ 垂直張り出し部材
３５ｃ 補強リブ
３５ｄ 水抜き孔
３８ 貫通孔
４０ ボルト
５０ 吸込プレート
５８ フィン
６０ 仕切プレート

Claims (4)

1. 吸込水槽から吐出水槽へ水を移送するポンプの吸込管に取り付けられる渦防止装置であって、
   前記吸込管の吸込口の径方向外側に配置され、前記吸込口から略水平方向に延びるプレート状の水平張り出し部材を備えると共に、前記水平張り出し部材の外側縁部から上方に延びる垂直張り出し部材をさらに備えることにより、吸込水槽における空気吸い込み渦の形成を防止することを特徴とする渦防止装置。
2. 前記水平張り出し部材は、液体の流れ方向に関して前記吸込管の下流側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の渦防止装置。
3. 前記渦防止装置は、前記吸込口の周方向において均等に分割された複数のセグメントから構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の渦防止装置。
4. 吸込水槽内の液体を汲み上げるポンプ装置であって、
   前記吸込水槽内に配置される吸込管を有するポンプと、
   前記ポンプを駆動する駆動源と、
   前記吸込管に取り付けられた、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の渦防止装置とを備えたことを特徴とするポンプ装置。

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