JP6709774B2 - 立軸ポンプ及びその先行待機運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、原動機とポンプ軸との間にクラッチ機構を備えた立軸ポンプ及びその先行待機運転方法に関するものである。

ポンプ排水機場に設置される先行待機用立軸ポンプは、吸込水槽に大量の水が急激に流入した際、迅速に排水を行うことを目的に設置される。先行待機運転は、大雨などによる急な出水が予想される際、吸込水槽の水位が低水位の状態から立軸ポンプの全速運転（気中運転）を開始し、吸込水槽の水位に応じて気中運転、気水混合運転、揚水運転が繰り返し行われる。そのため振動や騒音が発生しやすいという問題があった。さらに、気中運転時においては軸受摺動部の温度上昇と摩耗とにより水中軸受が損傷したり、エアロック運転時においてはポンプの振動により水中軸受が損傷したりするため、特殊な水中軸受を採用する必要があった。

このような先行待機用立軸ポンプの問題を解決するため、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているようなクラッチ機構を備えた立軸ポンプが提案されている。
この立軸ポンプでは、立軸ポンプを駆動する原動機とポンプ軸との間にクラッチ機構を設けると共に吸込水槽の水位を検知する水位検知手段を設け、水位検知手段からの水位検出信号によって、吸込水槽が低水位のときはクラッチを切断した状態で原動機のみを運転すると共にポンプ軸の回転を停止しておき、水位が上昇して所定の水位に達したときにクラッチを接続して立軸ポンプの運転を行うように制御している。この立軸ポンプによれば低水位での立軸ポンプの気中運転を回避できるため、水中軸受の損傷やエアロック運転による振動が防止される。

特開平９−２６４２８７号公報 特開２０００−２７７８８号公報

上記従来の技術において、以下の課題が残されている。
従来のクラッチ機構を設けた立軸ポンプでは、先行待機運転において、吸込水槽に水位計などの水位検知手段を設けて吸込水槽の水位を検知し、検知された水位に応じて気中運転、気水混合運転、揚水運転が行われるように運転制御がなされる。しかしながら、水位計は水槽のごみなどがフロートに絡みついてフロートの動作不良を起こしたり、水面の波立ちによる誤作動を起こしたり、電極棒の腐食や汚れによる導通不良を起こしたりすることがあり、吸込水槽の水位検知に対して必ずしも信頼の置けるものではなかった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、水位計等の水位検知手段を設ける必要が無く、先行待機運転時にクラッチの接続及び切断が可能な立軸ポンプ及びその先行待機運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る立軸ポンプは、原動機と、前記原動機により回転駆動されるポンプ軸と、前記ポンプ軸の下部に設けられた羽根車と、前記原動機と前記ポンプ軸との間に介装され前記原動機の回転動力を前記ポンプ軸に対して伝達及び遮断するクラッチと、前記ポンプ軸の回転速度を検出する回転検出器と、前記原動機及び前記クラッチの制御を行う制御装置とを備え、前記ポンプ軸が、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記クラッチのクラッチ板間に介在する粘性を有した潤滑油を介して伝達される前記原動機の回転動力により連れ回り可能であり、前記制御装置が、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の下限値にまで低下した際に前記クラッチを接続し、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを接続した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の上限値にまで上昇した際に前記クラッチを切断することを特徴とする。

この立軸ポンプでは、制御装置が、原動機が駆動されている状態かつクラッチを切断した状態で、回転検出器で検出した回転速度が所定の下限値にまで低下した際にクラッチを接続し、原動機が駆動されている状態かつクラッチを接続した状態で、回転検出器で検出した回転速度が所定の上限値にまで上昇した際にクラッチを切断するので、吸込水槽の水位の変化をポンプ軸の回転速度の変化で検知することができ、水位計等の水位検知手段を設けずに先行待機運転におけるクラッチの接続及び切断を自動で行うことが可能になる。
すなわち、本発明の立軸ポンプでは、原動機とポンプ軸との間にクラッチを介装して、原動機が駆動されかつクラッチが切断された状態においてポンプ軸の連れ回りによる回転速度の変化を検出してクラッチを接続し、クラッチが接続されて立軸ポンプが運転された状態においてポンプ軸の回転速度の変化を検出してクラッチを切断するようにしている。したがって、吸込水槽の水位の変化をポンプ軸の回転速度の変化で確実に検知することができ、吸込水槽に水位計等の水位検知手段を設ける必要がない。そのため、水位検知手段の動作不良、誤作動、導通不良等の不具合により運転制御に支障をきたすことがなく、水位変化に伴う回転速度の変化を確実に検知して先行待機運転を行うことができる。
また、ポンプ軸の回転速度の下限値と上限値とを予め設定しておき、ポンプ軸の回転速度の検出値が下限値より低下したときはクラッチを接続し、上限値より上昇したときはクラッチを切断するようにしたので、立軸ポンプの仕様や設置状況等に応じて下限値及び上限値を適宜に設定することによって、クラッチの接続及び切断の制御を確実に行うことができ、好適な先行待機運転が可能となる。

第２の発明に係る立軸ポンプは、第１の発明において、前記原動機が、電動機であることを特徴とする。

第３の発明に係る立軸ポンプは、第１の発明において、前記原動機が、内燃機関であることを特徴とする。

第４の発明に係る立軸ポンプの先行待機運転方法は、前記立軸ポンプが、原動機と、前記原動機により回転駆動されるポンプ軸と、前記ポンプ軸の下部に設けられた羽根車と、前記原動機と前記ポンプ軸との間に介装され前記原動機の回転動力を前記ポンプ軸に対して伝達及び遮断するクラッチと、前記ポンプ軸の回転速度を検出する回転検出器とを備え、前記ポンプ軸が、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記クラッチとの間に介在する粘性を有した潤滑油を介して伝達される前記原動機の回転動力により連れ回り可能であり、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の下限値にまで低下した際に前記クラッチを接続し、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを接続した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の上限値にまで上昇した際に前記クラッチを切断することを特徴とする。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明の立軸ポンプ及びその先行待機運転方法によれば、原動機が駆動されている状態かつクラッチを切断した状態で、回転検出器で検出した回転速度が所定の下限値にまで低下した際にクラッチを接続し、原動機が駆動されている状態かつクラッチを接続した状態で、回転検出器で検出した回転速度が所定の上限値にまで上昇した際にクラッチを切断するので、吸込水槽の水位の変化をポンプ軸の回転速度の変化で検知することができ、水位計等の水位検知手段を設けずに先行待機運転におけるクラッチの接続及び切断を自動で行うことが可能になる。
したがって、本発明では、水位検知手段の動作不良、誤作動、導通不良等の不具合により運転制御に支障をきたすことがなく、水位変化に伴う回転速度の変化を確実に検知して先行待機運転を行うことができる。

本発明に係る立軸ポンプの第１実施形態を示す縦断面図である。 第１実施形態において、吸込水槽の水位とポンプ軸の回転速度との関係を示すグラフである。 本発明に係る立軸ポンプの第２実施形態を示す縦断面図である。

以下、本発明における立軸ポンプの第１実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。

本実施形態における立軸ポンプ１は、図１に示すように、原動機９と、原動機９により回転駆動されるポンプ軸４と、ポンプ軸４の下部に設けられた羽根車６と、原動機９とポンプ軸４との間に介装され原動機９の回転動力をポンプ軸４に対して伝達及び遮断するクラッチ５と、ポンプ軸４の回転速度を検出する回転検出器１１と、原動機９及びクラッチ５の制御を行う制御装置１２とを備えている。

上記ポンプ軸４は、原動機９が駆動されている状態かつクラッチ５が切断した状態で、クラッチ５のクラッチ板間に介在する粘性を有した潤滑油を介して伝達される原動機９の回転動力により連れ回り可能とされている。
上記制御装置１２は、原動機９が駆動されている状態かつクラッチ５を切断した状態で、回転検出器１１で検出した回転速度が所定の下限値にまで低下した際にクラッチ５を接続し、原動機９が駆動されている状態かつクラッチ５を接続した状態で、回転検出器１１で検出した回転速度が所定の上限値にまで上昇した際にクラッチ５を切断する機能を有している。

上記原動機９は、電動機である。なお、本実施形態の原動機９は立形電動機である。
上記クラッチ５は、油圧クラッチが採用されている。
このクラッチは、油圧供給装置１３に接続されている。
上記油圧供給装置１３は、油圧ポンプ、電磁弁等で構成されている。
上記回転検出器１１は、光電式回転検出器が採用されている。
上記制御装置１２は、上記機能を行う演算処理回路等で構成されている。
制御装置１２は、回転検出器１１、油圧供給装置１３及び原動機９に接続されている。

本実施形態の立軸ポンプ１は、吸込水槽２内に垂下され、吐出しエルボ３の外壁を貫通したポンプ軸４の上端が油圧クラッチ５の出力側に連結される。ポンプ軸４の下端には羽根車６が配設され、ポンプケーシング７の下端に下方に向いて開口したベルマウス８が接続されている。

上部に配設された原動機９の出力軸１０は、軸継手を介してクラッチ５の入力側に連結され、原動機９の出力軸１０の回転動力がクラッチ５を介してポンプ軸４に伝達されるように構成されている。すなわち、クラッチ５を接続することによって出力軸１０の回転動力がポンプ軸４に伝達され、クラッチ５を切断することによって出力軸１０からポンプ軸４への回転動力の伝達が遮断される。

ポンプ軸４の上端部近傍に、ポンプ軸４の回転速度を検出して検出信号を発信する回転検出器１１が配設される。検出された検出信号は、回転検出器１１から制御装置１２に送信される。
制御装置１２は、回転検出器１１からの検出信号を受け、検出された回転速度と予め設定された上限値及び下限値との比較演算を行い、その演算結果に基づき、油圧供給装置１３を介してクラッチ５の接続と切断とを制御するように構成されている。

次に、本実施形態の立軸ポンプ１による先行待機運転方法について、図１及び図２を参照して説明する。
なお、本実施形態の先行待機運転方法を、図２における（１）〜（１１）の順に説明する。

（１）出水が予測されるため、クラッチ５を切断した状態で原動機９が起動され、待機運転が開始される。この時、吸込水槽２の水位はベルマウス８の下端レベルＷＬ１にある。クラッチ５を切断した状態であるが、クラッチ板間に存在する潤滑油の粘性等により原動機９の動力がポンプ軸４に伝達され、ポンプ軸４は連れ回りにより一定速度で回転している。

（２）吸込水槽２に水が流入し始め、水位の上昇が始まる。
（３）水位が羽根車６の下端レベルＷＬ２まで上昇すると、羽根車６の回転トルクに対する抵抗として作用し始め、水位の上昇とともに次第に抵抗が大きくなり、羽根車６の回転速度が次第に低下する。
（４）羽根車６の回転速度が予め設定した下限値（一例として羽根車６の全体が水没した時（水位ＷＬ３に相当）のポンプ軸４の回転速度）に達すると、制御装置１２から油圧供給装置１３に制御信号が送信され、クラッチ５が接続されて出力軸１０の回転動力がポンプ軸４に伝達され、揚水運転が開始される。

（５）そして、揚水運転が継続されて水位が低下し始め、水位がベルマウス８の下端レベルまで低下すると、揚水が停止し無負荷状態となるため、ポンプ軸４の回転速度が上昇し始める。
（６）羽根車６の回転速度が予め設定した上限値（一例として全速回転速度の９９％値）に達すると、制御装置１２から制御信号が送信され、クラッチ５が切断されて出力軸１０とポンプ軸４との接続が遮断されて再び待機運転となる。
このとき、クラッチ５を切断した状態であるが、クラッチ板間に存在する潤滑油の粘性等により原動機９の動力がポンプ軸４に伝達され、連れ回りによりポンプ軸４は一定速度で回転している。

（７）吸込水槽２に水が流入し、再び水位の上昇が始まる。
（８）そして、水位が羽根車６の下端レベルまで上昇すると、羽根車６の回転トルクに対する抵抗として作用し始め、水位の上昇とともに次第に抵抗が大きくなり、羽根車６の回転速度が次第に低下する。
（９）羽根車６の回転速度が予め設定した下限値（一例として羽根車６の全体が水没した時（水位ＷＬ３に相当）のポンプ軸４の回転速度）に達すると、制御装置１２から油圧供給装置１３に制御信号が送信され、クラッチ５が接続されて出力軸１０の回転動力がポンプ軸４に伝達され、揚水運転が開始される。

（１０）そして、揚水運転が継続されて水位が低下し始め、水位がベルマウス８の下端レベルまで低下すると揚水が停止し無負荷状態となるため、ポンプ軸４の回転速度が上昇し始める。
（１１）羽根車６の回転速度が予め設定した上限値（一例として全速回転速度の９９％値）に達すると、制御装置１２から制御信号が送信され、クラッチ５が切断されて出力軸１０とポンプ軸４との接続が遮断されて再び待機運転となる。
このとき、クラッチ５を切断した状態であるが、クラッチ板間に存在する潤滑油の粘性等により原動機９の動力がポンプ軸４に伝達され、連れ回りによりポンプ軸４は一定速度で回転している。
以上の工程が先行待機運転が必要な間、繰り返して行われる。

このように本実施形態の立軸ポンプ１では、制御装置１２が、原動機９が駆動されている状態かつクラッチ５を切断した状態で、回転検出器１１で検出した回転速度が所定の下限値にまで低下した際にクラッチ５を接続し、原動機９が駆動されている状態かつクラッチ５を接続した状態で、回転検出器１１で検出した回転速度が所定の上限値にまで上昇した際にクラッチ５を切断するので、吸込水槽２の水位の変化をポンプ軸４の回転速度の変化で検知することができ、水位計等の水位検知手段を設けずに先行待機運転におけるクラッチ５の接続及び切断を自動で行うことが可能になる。

すなわち、立軸ポンプ１では、原動機９とポンプ軸４との間にクラッチ５を介装して、原動機９が駆動されかつクラッチ５が切断された状態においてポンプ軸４の連れ回りによる回転速度の変化を検出してクラッチ５を接続し、クラッチ５が接続されて立軸ポンプ１が運転された状態においてポンプ軸４の回転速度の変化を検出してクラッチ５を切断するようにしている。

したがって、吸込水槽２の水位の変化をポンプ軸４の回転速度の変化で確実に検知することができ、吸込水槽２に水位計等の水位検知手段を設ける必要がない。そのため、水位検知手段の動作不良、誤作動、導通不良等の不具合により運転制御に支障をきたすことがなく、水位変化に伴う回転速度の変化を確実に検知して先行待機運転を行うことができる。

また、ポンプ軸４の回転速度の下限値と上限値とを予め設定しておき、ポンプ軸４の回転速度の検出値が下限値より低下したときはクラッチ５を接続し、上限値より上昇したときはクラッチ５を切断するようにしたので、立軸ポンプ１の仕様や設置状況等に応じて下限値及び上限値を適宜に設定することによって、クラッチ５の接続及び切断の制御を確実に行うことができ、好適な先行待機運転が可能となる。

次に、本発明に係る立軸ポンプの第２実施形態について、図３を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、原動機９が電動機であったのに対し、第２実施形態の立軸ポンプ２１では、図３に示すように、原動機２０を内燃機関としている点である。
また、第２実施形態では、内燃機関である原動機２０とクラッチ２２との間に減速装置２５が設けられている。

すなわち、第２実施形態では、内燃機関である原動機２０と減速装置２５との間に油圧クラッチ２２が介装され、減速装置２５の出力軸２３とポンプ軸２４とが接続される。この構成においても、クラッチ２２を接続することによって、原動機２０の動力をポンプ軸２４に伝達することができ、クラッチ２２を切断することによって、内燃機関である電動機２０の動力の伝達を遮断することができる。

したがって、第２実施形態の立軸ポンプ２１でも、ポンプ軸２４の連れ回り時及び運転時における回転速度の変化を検出することによって、第１実施形態と同様な制御方法により先行待機運転を行うことができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態ではポンプ軸の回転速度を検出する回転検出器として光電式回転検出器を用いたが、これに限られるものではなく、電磁式回転検出器を用いてもよい。

１，２１…立軸ポンプ、４，２４…ポンプ軸、５，２２…クラッチ、６…羽根車、９，２０…原動機、１１…回転検出器、１２…制御装置

Claims (4)

1. 原動機と、
   前記原動機により回転駆動されるポンプ軸と、
   前記ポンプ軸の下部に設けられた羽根車と、
   前記原動機と前記ポンプ軸との間に介装され前記原動機の回転動力を前記ポンプ軸に対して伝達及び遮断するクラッチと、
   前記ポンプ軸の回転速度を検出する回転検出器と、
   前記原動機及び前記クラッチの制御を行う制御装置とを備え、
   前記ポンプ軸が、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記クラッチのクラッチ板間に介在する粘性を有した潤滑油を介して伝達される前記原動機の回転動力により連れ回り可能であり、
   前記制御装置が、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の下限値にまで低下した際に前記クラッチを接続し、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを接続した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の上限値にまで上昇した際に前記クラッチを切断することを特徴とする立軸ポンプ。
2. 請求項１に記載の立軸ポンプにおいて、
   前記原動機が、電動機であることを特徴とする立軸ポンプ。
3. 請求項１に記載の立軸ポンプにおいて、
   前記原動機が、内燃機関であることを特徴とする立軸ポンプ。
4. 立軸ポンプの先行待機運転方法であって、
   前記立軸ポンプが、原動機と、
   前記原動機により回転駆動されるポンプ軸と、
   前記ポンプ軸の下部に設けられた羽根車と、
   前記原動機と前記ポンプ軸との間に介装され前記原動機の回転動力を前記ポンプ軸に対して伝達及び遮断するクラッチと、
   前記ポンプ軸の回転速度を検出する回転検出器とを備え、
   前記ポンプ軸が、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記クラッチとの間に介在する粘性を有した潤滑油を介して伝達される前記原動機の回転動力により連れ回り可能であり、
   前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを切断した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の下限値にまで低下した際に前記クラッチを接続し、前記原動機が駆動されている状態かつ前記クラッチを接続した状態で、前記回転検出器で検出した前記回転速度が所定の上限値にまで上昇した際に前記クラッチを切断することを特徴とする立軸ポンプの先行待機運転方法。

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