JP6985985B2 - 先行待機形ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、先行待機形ポンプに関する。

吸水槽内に水が流入する前に予め始動される先行待機形の立軸ポンプが知られている。特許文献１に開示された立軸ポンプは、ポンプケーシングの外部に配管された給気管を備える。ポンプケーシングの下端には外筒と内筒を有する二重ラッパ管が配置され、内筒に給気管の下端（給気口）が接続されている。給気管の上端（吸気口）は、吸水槽の上部を塞ぐ据付床の上方、つまり吸水槽の定められた最高水位よりも上方に配置されている。

特許４６９０１３４号公報

特許文献１のポンプでは、ラッパ管の下端と吸水槽の底との間隔を確保することについて、何も考慮されていない。詳しくは、特許文献１では、排水開始水位を基準として、ポンプケーシング内の動圧による最大負荷分を下げた位置を、給気管の接続位置としている。よって、ポンプの流量が大きい場合、ラッパ管の全長を長くしなければ、給気管を接続できない。しかし、底が浅い吸水槽の場合、全長が長いラッパ管を用いたポンプは設置できない。

本発明は、吸水槽の底とポンプケーシングの下端との間隔を確保でき、浅い吸水槽であっても設置可能な先行待機形ポンプを提供することを課題とする。

本発明先行待機形ポンプは、上下方向へ延びるように吸水槽に配置され、下端に前記吸水槽内の水を吸い込むラッパ管を有するポンプケーシングと、前記吸水槽の定められた排水開始水位に位置するように、前記ポンプケーシング内の前記ラッパ管の上方に配置された羽根車と、一端の吸気口が前記排水開始位置よりも高い最高水位よりも上方に位置するように前記ポンプケーシング外に配置され、他端の給気口が前記ラッパ管に接続された第１給気配管とを備え、前記ラッパ管は、外筒と、前記羽根車の直下に位置するように前記外筒内に配置され、上端から下端に向けて次第に広がったフレア部を有する内筒とを備え、前記第１給気配管の前記給気口は前記内筒の前記フレア部に接続され、前記第１給気配管によって前記ポンプケーシング外と前記内筒内が常に空間的に連通している。

この先行待機形ポンプによれば、第１給気配管はポンプケーシングの内筒のフレア部に接続されており、このフレア部内の動圧は、上端開口部分よりも動圧よりも低い。また、フレア部内の動圧は、水位が排水開始水位よりも高い場合には大気圧よりも低く、水位が排水開始水位よりも低くなると大気圧よりも高くなる。よって、ポンプケーシング外の空気は、水位が排水開始水位よりも高い場合には内筒内には流入せず、水位が排水開始水位よりも低くなると内筒内に流入する。その結果、水位が排水開始水位よりも高い場合には水のみの排水が可能であり、水位が排水開始水位よりも低くなると気水混合運転に移行することが可能である。このように、第１給気配管を内筒のフレア部に接続することで、ラッパ管の全長を長くすることなく、最適な給気が可能である。よって、吸水槽の底とポンプケーシングの下端との間隔を確保でき、浅い吸水槽であっても確実にポンプを設置できる。

本発明の第１態様は、前記フレア部の前記第１給気配管が接続された部分の直径は、前記内筒の上端開口の直径の１．４倍以上である、先行待機形ポンプを提供する。この場合、第１給気配管の接続部分の断面積は、内筒の上端開口の断面積の２倍以上であり、第１給気配管の接続部分の動圧は、内筒の上端の動圧の４０％である。この態様によれば、水位が排水開始水位よりも高い場合に、空気が吸い込まれることを効果的に抑制できる。

前記内筒の下端は、前記外筒の下端から突出しており、前記内筒と前記外筒は、放射状に配置された２以上の連結板によって連結されている。この態様によれば、ポンプケーシングの下方に位置する吸水槽の底での水中渦の発生を抑制できる。よって、吸水槽内の水を低水位まで効果的に排水できる。

前記第１給気配管の前記吸気口は、前記吸水槽内に配置されている。この態様によれば、意図しない異常によって排水が追い付かず、吸水槽内の水が第１給気配管内を逆流した場合でも、その水を吸水槽内に戻すことができる。よって、制御基盤等が配置された据付床上への水の漏出を抑制できる。

本発明の第２態様は、一端の吸気口が前記排水開始位置よりも低い揚水遮断水位以下の高さに位置するように前記ポンプケーシング外に配置され、他端の給気口が前記ラッパ管に接続された第２給気配管を備える、先行待機形ポンプを提供する。この態様によれば、水位が揚水遮断水位まで低下すると、第２給気配管を介して空気がポンプケーシング内に流入し、気水混合運転からエアロック運転に移行できる。

前記第２給気配管の前記給気口は、前記ラッパ管における前記内筒の上端以下の部分に接続されている。このようにすれば、内筒の出口での乱流及び剥離流（内筒の周囲の水流よりも速い水流）の影響を受けないため、速やかに揚水遮断運転に移行できる。

前記第２給気配管の前記給気口は、前記第１給気配管の前記給気口よりも上側に配置されている。つまり、第２給気配管は、第１給気配管よりもラッパ管の動圧が高い部分に接続されている。この態様によれば、揚水遮断水位までの水位の低下によって、気水混合運転からエアロック運転に確実に移行できる。

前記第２給気配管は、前記給気口を含む前記他端側に、前記揚水遮断水位に位置し、前記ポンプケーシングの径方向に延びる部分を有する。つまり、第２給気配管の給気側は、揚水遮断水位に沿って水平に延びている。この態様によれば、空気の流動抵抗を軽減できるため、揚水を遮断するための空気を効率的に供給できる。

前記ポンプケーシングの前記排水開始水位よりも下側を取り囲む環状の横パイプと、上下方向へ延びるように前記ポンプケーシングの外側に配置され、下端が前記横パイプに接続され、上端が塞がれた縦パイプとを有する渦防止配管を備え、前記第２給気配管は、前記縦パイプ内に配置され、前記吸気口を構成する下端が前記縦パイプ外に露出された吸気パイプと、一端が前記横パイプに接続され、前記給気口を構成する他端が前記ラッパ管に接続された給気パイプとを有する。この態様によれば、渦防止配管によって、水面から空気を吸い込むという空気吸込渦の発生を抑制できる。よって、吸水槽内の水をより低水位まで効果的に排水できる。また、渦防止配管が第２給気配管の一部を兼ねるため、ポンプケーシングの外周に配置する配管を簡素化できる。

本発明の先行待機形ポンプでは、上端開口部分よりも動圧が低いフレア部に第１給気配管が接続されているため、ラッパ管の全長が短くても最適な給気が可能である。よって、吸水槽の底とポンプケーシングの下端との間隔を確保でき、浅い吸水槽であっても確実にポンプを設置できる。

本発明の第１実施形態に係る先行待機形ポンプを示す断面図。 図１のポンプのエアロック状態を示す断面図。 図１の一部拡大断面図。 図３の一部拡大断面図。 図３の平面図。 ラッパ管の内筒での圧力と速度の分布曲線を示すグラフ。 第２実施形態の先行待機形ポンプの一部を示す断面図。 図７の平面図。 第３実施形態の先行待機形ポンプの一部を示す断面図。 図９の平面図。 第４実施形態の先行待機形ポンプの一部を示す断面図。 図１１の平面図。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る先行待機形ポンプ１０（以下「ポンプ」と言う。）を示す。このポンプ１０は、吸水槽１に流入した水を下流側へ排水する立軸ポンプである。また、本実施形態のポンプ１０は、ポンプケーシング１２の外側に給気配管３０，３３を備え、吸水槽１の水位によって、排水（全水）運転、気水混合運転、エアロック（排水遮断）運転に切り換わる先行待機形である。

（先行待機形ポンプの概要）
図１に示すように、ポンプ１０は、ポンプケーシング１２、回転軸２２、及び羽根車２５を備える。図４を参照すると、ポンプ１０を配置する吸水槽１は、据付床２と底壁３の間の３方が側壁４によって塞がれており、水は、図４において側壁４が無い左側から流入する。

ポンプケーシング１２は、吸水槽１内で上下方向に延びるように、吸水槽１の上部を覆う据付床２に固定されている。ポンプケーシング１２は、吸水槽１内に配置された揚水管１３と、据付床２上に配置された吐出し管２０とを備える。揚水管１３は、直管１４、ベーンケーシング１５、及びベルマウス１６を備え、この順で上側から下側へ接続されている。吐出し管２０は、中心軸が９０度湾曲した吐出エルボ２１を備え、直管１４の上端に接続されている。吐出エルボ２１の出口には、下流側へ排水するための送水管（図示せず）が接続されている。

回転軸２２は、吐出エルボ２１を貫通し、揚水管１３の軸線に沿って配置されている。図３を参照すると、回転軸２２は、直管１４内及びベーンケーシング１５内の軸受ケーシング１５ａに配置された水中軸受２３に、回転可能に支持されている。回転軸２２の上端は吐出エルボ２１から外側へ突出されており、その貫通部分は軸封装置によって水密にシールされている。

羽根車２５は、ベルマウス１６の上方に位置するように、軸受ケーシング１５ａの下側に配置され、回転軸２２の下端に固定されている。羽根車２５の上端２５ａは、仕様によって定められた排水開始水位ＬＷＬと同一高さに配置されている。

ポンプケーシング１２から突出した回転軸２２の上端には、駆動手段（図示せず）が機械的に接続されている。駆動手段には、電動モータ又は内燃機関の１つであるディーゼル機関が用いられる。駆動手段を駆動すると、回転軸２２と一体に羽根車２５が回転されることで、吸水槽１内の水がポンプケーシング１２内を通って下流側へ排出される。

図２に示すように、先行待機形のポンプ１０は、ポンプケーシング１２内に水柱ＷＣを保持したエアロック運転を可能とし、周囲の水によって水中軸受２３の過熱を防ぎ、吸水槽１に水が無い状態でもポンプ１０を継続運転可能とする。このエアロック運転を実現するために、ポンプケーシング１２の周囲には、ポンプケーシング１２内に吸水槽１内の空気を供給する第１給気配管３０と第２給気配管３３とが配置されている。

第１給気配管３０は、排水運転から気水混合運転に切り換えるために設けられ、第２給気配管３３は、気水混合運転からエアロック運転に切り換えるために設けられている。給気配管３０，３３を通したポンプケーシング１２内への給気状態は、ポンプケーシング１２内の動圧によって切り換わる。

この先行待機形のポンプ１０は、例えば地域気象観測システムの情報に基づいて、オペレータによって始動される。吸水槽１内の水位が羽根車２５よりも低い当初では、羽根車２５が気中にあるため、ポンプ１０は排水を行うことのない気中運転になる。水位が羽根車２５の下端よりも上がると、吸水槽１内の水が羽根車２５によって吸い上げられるとともに、第１給気配管３０を通して空気が吸い込まれるため、ポンプ１０は、水と空気を混合状態で排出する気水混合運転に切り換わる。水位が排水開始水位ＬＷＬ（羽根車２５の上端２５ａ）よりも上がると、第１給気配管３０を通した空気の吸い込みが遮断されるため、ポンプ１０は、水のみを排出する排水運転に切り換わる。

排水により、吸水槽１内の水位が排水開始水位ＬＷＬよりも下がると、第１給気配管３０を通して再び空気が吸い込まれるため、ポンプ１０は、気水混合運転に切り換わる。水位が排水遮断水位ＬＬＷＬよりも下がると、第２給気配管３３からも空気が吸い込まれるため、ポンプ１０は、排水することなく水柱ＷＣを保持したエアロック運転に切り換わる。その後、水位が排水遮断水位ＬＬＷＬよりも上がると、ポンプ１０は、再び気水混合運転に切り換わる。つまり、ポンプ１０は、オペレータが停止するまで、エアロック運転、気水混合運転、排水運転、気水混合運転、エアロック運転の順で運転状態が切り換わる。

前述した排水開始水位ＬＷＬ、排水遮断水位ＬＬＷＬ、及び最高水位ＨＷＬは、要求仕様として定められている。これらは、底壁３からの高さとして定義されており、図１に示すように、排水遮断水位ＬＬＷＬ、排水開始水位ＬＷＬ、及び最高水位ＨＷＬの順で高くなるように設定されている。排水開始水位ＬＷＬ以上の高水位では、空気を混入することなく、水だけを排出する必要がある。排水開始水位ＬＷＬ未満の低水位では、空気の混入が許容される。排水遮断水位ＬＬＷＬ未満の超低水位では、排水を行わないエアロック運転に移行する必要がある。

従来の先行待機形ポンプでは、定められた排水開始水位ＬＷＬと、ポンプケーシング内の最大負荷とに基づいて給気管の接続位置を設定していたため、長いベルマウスが必要になることがあり、この場合には底が浅い吸水槽には適用できなかった。そこで、本実施形態では、第１給気配管３０とポンプケーシング１２の接続位置を最適化することで、ベルマウス１６の全長を長くすることなく、第１給気配管３０からポンプケーシング１２内へ所定のタイミングで給気可能とする。また、第２給気配管３３の形状と接続位置を最適化することで、揚水遮断のための給気を効率化する。

具体的には、ベルマウス１６を外筒１７と内筒１８とを備える二重ラッパ管によって構成する。そして、内筒１８のうちの比較的動圧が低いフレア部１８ｂに第１給気配管３０を接続する。また、内筒１８のうちの比較的動圧が高い筒部１８ａに第２給気配管３３を接続する。これにより、運転切り換えに最適な給気を実行可能とする。詳しくは以下の通りである。

（ベルマウスの詳細）
図４に示すように、ベルマウス１６は、ベーンケーシング１５の下端に接続される外筒１７と、外筒１７内に配置された内筒１８と、これらを連結する２以上の連結板１９とを備える。

外筒１７は、円筒状の筒部１７ａと、筒部１７ａの下端に連続したフレア部１７ｂとを備える。筒部１７ａの上端には、ボルトによってベーンケーシング１５に締結されるフランジ部１７ｃが設けられている。フレア部１７ｂは、上端から下端に向けて次第に広がった円錐筒状である。

内筒１８は、羽根車２５の直下に位置するように外筒１７内に固定され、外筒１７の下端から下向きに突出している。内筒１８は、回転軸２２と同一軸線上に位置する円筒状の筒部１８ａと、筒部１８ａの下端に連続したフレア部１８ｂとを備える。筒部１８ａの上端は、外筒１７のフレア部１７ｂの上下方向における中間部分に位置し、揚水遮断水位ＬＬＷＬと同じ位置に配置されている。フレア部１８ｂは、上端から下端に向けて次第に広がった円錐筒状である。フレア部１８ｂの最大外径は、外筒１７（筒部１７ａ）の最小内径よりも小さい。

連結板１９は、本実施形態では４枚有し、回転軸２２の軸線を中心として９０度間隔をあけて放射状に配置されている。連結板１９の内縁部１９ａは、内筒１８の上端から下端までの外面形状に沿った形状を有し、内筒１８の外面に固定されている。連結板１９の外縁部１９ｂは、外筒１７の上端近傍から下端近傍までの内面形状に沿った形状を有し、外筒１７の内面に固定されている。内縁部１９ａの下端から外縁部１９ｂの下端にかけて延びる下縁部１９ｃは、外筒１７から下方に突出し、下側から上側に向けて外向きに傾斜している。内縁部１９ａの上端から外縁部１９ｂの上端にかけて延びる上縁部１９ｄは、外筒１７内に収まっており、下側から上側に向けて外向きに傾斜している。

このように、外筒１７から内筒１８を突出させたベルマウス１６によれば、ポンプケーシング１２の下方に位置する底壁３での水中渦の発生を抑制できる。水中渦とは吸水槽１の底壁３からベルマウス１６に向けて流れる水に、空気が連続的又は断続的に含まれる水流である。内筒１８と放射状に突出する連結板１９とに水中渦が干渉することによって、水中渦を消滅できるため、吸水槽１内の水を低水位まで効果的に排水できる。

図６は内筒１８内の圧力と速度を表すグラフである。横軸は内筒１８の下端からの距離（ｍ）を示し、縦軸は圧力と速度の大きさを示している。この図６を参照すると、内筒１８の下端から上端に向かうに従って、内部の圧力は次第に高くなり、内部の流速は次第に早くなることが分かる。つまり、内筒１８内の動圧は、下端が最も低く、上端に向かうに従って高くなる。よって、この内筒１８に対する第１給気配管３０の接続位置を調整することで、吸水槽１の深さに拘わらず、運転時の最大負圧による吸込揚程ΔＨａを調節できる。

（第１給気配管の詳細）
図１に示すように、第１給気配管３０は、上端側に吸気口３０ａを備え、下端に給気口３０ｂを備えるパイプであり、ポンプケーシング１２の内外を常に空間的に連通させている。第１給気配管３０の大部分は、ポンプケーシング１２の外部に配置され、ポンプケーシング１２に沿って上下方向に延びている。

吸気口３０ａは、吸水槽１内に配置され、最高水位ＨＷＬよりも上方に位置している。吸気口３０ａが下向きに開口するように、第１給気配管３０の上部にはＵ字状に折り返した折返部３０ｃが設けられている。折返部３０ｃの内側頂部が、第１給気配管３０において最も高い位置である。底壁３から折返部３０ｃの内側頂部までの第１給気配管３０の高さは、最高水位ＨＷＬに、揚水によって内筒１８内で発生する最大負圧による吸込揚程ΔＨａを加えた値に設定されている。

第１給気配管３０の下部には、ベルマウス１６に向けて屈曲し、外筒１７を貫通して内筒１８に接続される接続部３０ｄが形成されている。外筒１７の接続部３０ｄが貫通した部分は、液密にシールされている。接続部３０ｄの先端である給気口３０ｂは、内筒１８のフレア部１８ｂに接続されている。

図４を参照すると、接続部３０ｄ（給気口３０ｂ）が接続された部分のフレア部１８ｂの直径Ｄ１は、筒部１８ａの直径Ｄ２の１．４倍以上である。つまり、接続部３０ｄは、フレア部１８ｂにおいて、筒部１８ａの直径Ｄ２の１．４倍以上となる部分に接続されている。面積比で言い換えると、第１給気配管３０の接続部分の断面積は、内筒１８の上端開口の断面積の２倍以上である。そして、この接続部分の動圧は、内筒１８の上端の動圧の４０％である（図６参照）。

より具体的に説明すると、フレア部１８ｂに対する接続部３０ｄの接続位置は、以下の式に基づいて設定される。ΔＨａは内筒１８の吸込揚程（吸込ロス）、ζａは内筒１８内での損失係数、Ｖｄは内筒１８内の吸込口速度、Ｖｓは外筒１７と内筒１８の間の吸込口速度、ｄｄは内筒１８の内径、Ｄｄは外筒１７の最小内径である。

上記式のように、内筒１８の任意の位置の吸込揚程ΔＨａは、内部ベルマウスの吸込口速度Ｖｄと損失係数ζａとで演算できる。よって、内筒１８の適切な位置に接続部３０ｄ（給気口３０ｂ）を接続することで、吸込揚程ΔＨａの大きさを必要に応じて調整できる。その結果、浅い吸水槽１であっても、所定のタイミングでポンプケーシング１２内に空気を供給でき、気水混合運転を実行できる。具体的には、給気口３０ｂの接続部分の動圧が、排水開始水位ＬＷＬよりも高水位の場合には大気圧よりも低く、排水開始水位ＬＷＬよりも低水位になると大気圧よりも高くなる位置に、給気口３０ｂを接続する。これにより、ポンプケーシング１２外の空気は、水位が排水開始水位ＬＷＬよりも高い場合には内筒１８内には流入せず、水位が排水開始水位ＬＷＬよりも低くなると内筒１８内に流入する。その結果、水位が排水開始水位ＬＷＬよりも高い場合には水のみの排水が可能であり、水位が排水開始水位ＬＷＬよりも低くなると気水混合運転に移行する。

このように、最高水位ＨＷＬよりも高い位置で吸気口３０ａを開口させ、フレア部１８ｂの所定直径部分に給気口３０ｂを接続しているため、ベルマウス１６の全長を長くすることなく、最適な給気が可能である。よって、吸水槽１の底壁３とポンプケーシング１２の下端との間隔を確保できるため、浅い吸水槽１であっても確実にポンプ１０を設置できる。

第１給気配管の吸気口３０ａは吸水槽１で開口されているため、意図しない異常によって排水が追い付かず、吸水槽１内の水が第１給気配管３０内を逆流した場合でも、その水を吸水槽１内に戻すことができる。よって、制御基盤等が配置された据付床２上への水の漏出を抑制できる。

（第２給気配管の詳細）
図１に示すように、第２給気配管３３は、概ね逆Ｕ字形状に屈曲されたパイプであり、ポンプケーシング１２の内外を常に空間的に連通させている。第２給気配管３３の大部分は、ポンプケーシング１２の外部に配置され、ポンプケーシング１２に沿って上下方向に延びている。第２給気配管３３の一端側が吸気口３３ａを構成し、第２給気配管３３の他端側が給気口３３ｂを構成する。

吸気口３３ａは、ポンプケーシング１２から離れて位置する第１管部３３ｃの下端に形成されている。吸気口３３ａは、揚水遮断水位ＬＬＷＬ以下の高さに配置されることが好ましく、本実施形態では同じ高さに配置されている。つまり、第１管部３３ｃは、吸気口３３ａが所定位置に配置されるように、ポンプケーシング１２外に配置されている。

給気口３３ｂは、第１管部３３ｃよりもポンプケーシング１２側に位置する第２管部３３ｄの端に形成されている。第１管部３３ｃと第２管部３３ｄは、Ｕ字状に折り返した折返部３３ｅを介して連続している。第１給気配管３０の折返部３０ｃと同様に、底壁３から折返部３３ｅの内側頂部までの第２給気配管３３の高さは、最高水位ＨＷＬに吸込揚程ΔＨａを加えた値に設定されている。

第２管部３３ｄの下部には、ベルマウス１６に向けて屈曲し、外筒１７を貫通して内筒１８に接続される接続部３３ｆが形成されている。外筒１７の接続部３３ｆが貫通した部分は、液密にシールされている。接続部３３ｆは、揚水遮断水位ＬＬＷＬと同じ高さに位置し、ポンプケーシング１２の径方向へ水平に延びている。接続部３３ｆの先端である給気口３３ｂは、第１給気配管３０の給気口３０ｂよりも上側に位置するように、内筒１８の筒部１８ａの上端に接続されている。

このように、第２給気配管３３は、吸気口３３ａが揚水遮断水位ＬＬＷＬ以下の高さに位置するように配置され、給気口３３ｂが内筒１８に接続されている。よって、水位が揚水遮断水位ＬＬＷＬに低下した場合のみ、吸気口３３ａからポンプケーシング１２内へ空気を供給できるため、ポンプ１０を気水混合運転からエアロック運転に移行できる。

第２給気配管３３の給気口３３ｂは、給気口３０ｂよりも上側に配置され、内筒１８の上端に接続されているため、内筒１８の出口での乱流及び剥離流（内筒１８の周囲の水流よりも速い水流）の影響を受けない。よって、速やかに揚水遮断運転に移行できる。

しかも、第２給気配管３３は揚水遮断水位に位置する接続部３３ｆを備え、その先端に給気口３３ｂを有するため、空気の流動抵抗を軽減でき、揚水を遮断するための空気を効率的に供給できる。

（各給気配管の配置）
図５を参照すると、第１給気配管３０は、ポンプケーシング１２に対して水の流入方向上流側に位置するように、２本配置されている。第２給気配管３３は、ポンプケーシング１２に対して水の流入方向下流側に位置するように、２本配置されている。合計で４本の給気配管３０，３３は、ポンプケーシング１２の軸線を中心として放射状に配置されている。なお、給気配管３０，３３とポンプケーシング１２は、周知の連結部材（例えばステー）によって連結することが好ましい。

第１給気配管３０における接続部３０ｄよりも上側の部分と、第２給気配管３３の管部３３ｃ，３３ｄとは、実測又は演算によって想定される空気吸込渦の発生位置に位置するように、ポンプケーシング１２に対して定められた間隔をあけて配置されている。空気吸込渦とは、水面側からベルマウス１６の吸込口に向けて流れる水に、吸水槽１内の空気が連続的又は断続的に含まれる水流である。この空気吸込渦は、吸水槽１内の水位が低下し、水面の流速が一定レベルに達することで発生する。水面側からベルマウス１６へ向かう水流が給気配管３０，３３に干渉することで、空気を吸い込む前に水流を消滅できる。

このようにしたポンプ１０は、水中渦の発生抑制、空気吸込渦の発生抑制、及び先行待機運転の機能を併せ持つため、第１給気配管３０及び第２給気配管３３が無いポンプよりも、低水位での排水を効果的に実現できる。

詳しくは、排水運転では、吸水槽１内の水位が渦発生水位になっても、給気配管３０，３３によって空気吸込渦の発生を抑制できる。また、二重ラッパ管からなるベルマウス１６によって、水中渦の発生を抑制できる。よって、吸い込んだ空気が羽根車２５に衝突することによるポンプケーシング１２の振動を防止できる。

気水混合運転では、ポンプ１０の吸引力（内筒１８の動圧）によって、吸水槽１内の空気を第１給気配管３０からポンプケーシング１２内へ供給できる。よって、ベルマウス１６からの吸水量は減るが、吸水槽１内の水面での流速が遅くなるため、空気吸込渦の発生を抑制し、排水可能な水位を下げることができる。但し、この場合でも、水位が低くなるに従って、やがて水面は空気吸込渦が生じる流速になるが、この時の空気吸込渦の発生も給気配管３０，３３によって抑制できる。

エアロック運転では、第２給気配管３３も空気を吸い込むことで、ベルマウス１６からの吸水量が更に減る。よって、ポンプケーシング１２から下流側への排水を確実に停止し、図２に示すようにポンプケーシング１２内では水柱ＷＣを保持した状態を維持できる。この水柱ＷＣによってポンプケーシング１２内の摺動部品である水中軸受２３が冷却され、過熱が防止されるため、ポンプ１０の駆動を継続した待機運転を実現できる。

以上のように、本実施形態のポンプ１０では、内筒１８の動圧が低いに部分に第１給気配管３０が接続されているため、ベルマウス１６の全長が短くても最適な給気が可能である。よって、浅い吸水槽１であっても確実にポンプ１０を設置できる。また、二重ラッパ管からなるベルマウス１６によって水中渦の発生を抑制でき、４本の給気配管３０，３３によって空気吸込渦の発生を抑制できるため、ポンプ１０によって排水可能な水位を効果的に低くできる。

また、第１給気配管３０と第２給気配管３３の全高は、最高水位ＨＷＬに吸込揚程ΔＨａを加えた高さよりも高く設定されているため、折返部３０ｃ，３３ｅを越えて水が吸い上げられることはない。よって、第１給気配管３０と第２給気配管３３にゴミなどが流入し、折返部３０ｃ，３３ｅ詰まることを抑制できる。

また、内筒１８に供給された空気は羽根車２５の中心部に導入されるため、外周から導入する場合よりも空気注入による羽根車２５の負荷を小さくできる。よって、運転状態の切り換えによるポンプ１０の振動を抑制できる。

（第２実施形態）
図７及び図８は第２実施形態のポンプ１０を示す。この第２実施形態では、ポンプ１０を気水混合運転からエアロック運転に切り換える第２給気配管４０を、空気吸込渦の発生を抑制するための渦防止配管３５に組み込んだ点で、第１実施形態と相違する。

具体的には、渦防止配管３５は、排水開始水位ＬＷＬよりも下側でポンプケーシング１２を取り囲む環状の横パイプ３６と、上下方向へ延びるようにポンプケーシング１２の外側に配置された直管状の縦パイプ３７とを備える。第２実施形態の第２給気配管４０は、縦パイプ３７内に配置された吸気パイプ４１と、横パイプ３６とポンプケーシング１２の間に配置された給気パイプ４２とを備える。

横パイプ３６は、中空状の円環パイプであり、ベルマウス１６の外周に配置されている。横パイプ３６の内径は、外筒１７の最大外径と概ね同一である。横パイプ３６は、ポンプケーシング１２と同軸に位置するように、外筒１７の最小外径部分と同じ高さに配置され、リブ（図示せず）によって固定されている。これにより、横パイプ３６と外筒１７の間には定められた隙間（流路）が形成されている。

縦パイプ３７は、中空状の直管パイプであり、上端がカバー３７ａによって液密かつ気密に塞がれている。縦パイプ３７の下端は、横パイプ３６に空間的に連通するように、横パイプ３６に接続されている。本実施形態では４本の縦パイプ３７が、ポンプケーシング１２を中心として周方向に所定間隔をあけて配置されている。縦パイプ３７の上端は、吸気パイプ４１の上端（排気口４１ｃ）よりも高い位置に配置されている。

第２実施形態の第１給気配管３０は、横パイプ３６の外側に位置するように配置されている。接続部３０ｄは、横パイプ３６と同じ高さで屈曲され、第１実施形態と同様に、先端の給気口３０ｂが内筒１８のフレア部１８ｂに接続されている。

第２給気配管４０の吸気パイプ４１は、縦パイプ３７内に配置された概ね直管状のパイプからなる。吸気パイプ４１の下端には、外向きに屈曲された屈曲部４１ｂが設けられている。屈曲部４１ｂは排水遮断水位ＬＬＷＬに位置する横パイプ３６を貫通し、横パイプ３６の屈曲部４１ｂが貫通する部分は液密にシールされている。屈曲部４１ｂの先端の吸気口４１ａは、排水遮断水位ＬＬＷＬと同じ高さに位置し、吸水槽１内に露出している。吸気パイプ４１は、最高水位ＨＷＬに吸込揚程ΔＨａを加えた位置よりも高い位置まで延び、上端の排気口４１ｃが縦パイプ３７内で開口している。

第２給気配管４０の給気パイプ４２は直管状のパイプであり、内端の給気口４２ａが外筒１７の筒部１７ａに接続され、外端の接続口４２ｂが横パイプ３６の内周に接続されている。つまり、給気パイプ４２は、縦パイプ３７と横パイプ３６を介して吸気パイプ４１に連通しており、第２給気配管４０は渦防止配管３５を流路として兼用している。また、給気パイプ４２の給気口４２ａは、第１給気配管３０の給気口３０ｂよりも上側に位置するように、ベルマウス１６を構成する外筒１７に接続されている。

図８に最も明瞭に示すように、本実施形態では４本の縦パイプ３７内に吸気パイプ４１がそれぞれ配置されている。また、４本の給気パイプ４２が、ポンプケーシング１２を中心として周方向に等間隔で配置されている。４本の給気パイプ４２と４本の縦パイプ３７とは、周方向に間隔をあけて配置され、平面視での角度位置が一致しないように構成されている。これにより、縦パイプ３７から横パイプ３６に流入した空気は、給気パイプ４２に直接流れることなく、必ず横パイプ３６内を通って給気パイプ４２に流れ、給気パイプ４２からベルマウス１６内に均等に供給される。その結果、給気が局部に偏ることによるポンプ１０の振動を抑制する。

この第２実施形態のポンプ１０によれば、排水運転では、吸水槽１内の水位が渦発生水位になっても、渦防止配管３５によって空気吸込渦の発生を抑制できる。また、気水混合運転では、ポンプ１０の吸引力によって、吸水槽１内の空気を第１給気配管３０からポンプケーシング１２内へ供給できる。エアロック運転では、吸気口４１ａから吸い込まれた空気は、吸気パイプ４１、縦パイプ３７、横パイプ３６、及び給気パイプ４２を介してポンプケーシング１２内に供給される。

以上のように、第２実施形態のポンプ１０では、第１実施形態と同様に、吸水槽１の底壁３とポンプケーシング１２の下端との間隔を確保でき、浅い吸水槽１であってもポンプ１０を設置できる。また、二重ラッパ管からなるベルマウス１６によって水中渦の発生を抑制でき、渦防止配管３５を構成する４本の縦パイプ３７によって空気吸込渦の発生を抑制できるため、ポンプ１０によって排水可能な水位を効果的に低くできる。

（第３実施形態）
図９及び図１０は第３実施形態のポンプ１０を示す。この第３実施形態では、ポンプ１０を排水運転から気水混合運転に切り換える第１給気配管４５を、渦防止配管３５に組み込んだ点で第２実施形態と相違する。

具体的には、渦防止配管３５は、第２実施形態と同様に、１本の横パイプ３６と、４本の縦パイプ３７を備える。そのうち、流入方向上流側に位置する一方の縦パイプ３７Ａは、横パイプ３６内と空間的に連通しないように、横パイプ３６に接続されている。残りの縦パイプ３７Ｂは、横パイプ３６内と空間的に連通するように、横パイプ３６に接続されている。そして、縦パイプ３７Ｂと横パイプ３６には、第２実施形態と同様に、第２給気配管４０を構成する吸気パイプ４１と給気パイプ４２とが接続されている。

第３実施形態の第１給気配管４５は、渦防止配管３５の縦パイプ３７Ａを吸気パイプとして兼用し、この縦パイプ３７Ａの下端に給気パイプ４６を接続した構成である。

吸気パイプを構成する縦パイプ３７Ａの上端は、第１実施形態と同様に、カバー３７ａによって塞がれている。縦パイプ３７Ａには、最高水位ＨＷＬよりも上方に位置するように、吸気口３７ｂが設けられている。

給気パイプ４６は、縦パイプ３７Ａ内と空間的に連続するように、縦パイプ３７の下端に接続されている。本実施形態では２本の給気パイプ４６を用い、４５度間隔をあけた異なる位置から内筒１８のフレア部１８ｂに空気を供給可能としている。図１０に最も明瞭に示すように、個々の給気パイプ４６は、回転軸２２を中心として周方向に延びる連続部４６ｂと、連続部４６ｂの先端から屈曲された接続部４６ｃとを備える。接続部４６ｃは、各実施形態と同様に外筒１７を貫通され、先端の給気口４６ａが内筒１８のフレア部１８ｂに接続されている。

この第３実施形態のポンプ１０によれば、各実施形態と同様に、吸水槽１内の水位に応じて排水運転、気水混合運転及びエアロック運転に切り換わる。よって、各実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。また、排水運転から気水混合運転に切り換える第１給気配管４５と、気水混合運転からエアロック運転に切り換える第２給気配管４０とが、空気吸込渦の発生を抑制する渦防止配管３５に組み込まれているため、ポンプケーシング１２の外側に配置する配管構造を簡素化できる。

（第４実施形態）
図１１及び図１２は第４実施形態のポンプ１０を示す。この第４実施形態では、渦防止配管３５を介して供給される空気の流動性を向上した点で、第３実施形態と相違する。

詳しくは、第４実施形態の渦防止配管３５は、第３実施形態と同様に、円環状の横パイプ３６と４本の縦パイプ３７Ａ，３７Ｂとを備える。そのうち、縦パイプ３７Ａ，３７Ｂの下部には、ベルマウス１６に向けてポンプケーシング１２の径方向内向きに屈曲した屈曲部３７ｃが設けられている。ポンプケーシング１２の軸線に沿って延びる部分に対する屈曲部３７ｃの傾斜角度は、９０度よりも広く１８０度よりも狭い範囲であり、本実施形態では１５７．５度としている。

第１給気配管４５の給気パイプ４６は、第３実施形態と同様に、縦パイプ３７Ａの下端に接続されている。第２給気配管４０の吸気パイプ４１は、縦パイプ３７Ｂの屈曲部３７ｃを貫通し、吸気口４１ａが排水遮断水位ＬＬＷＬに位置するように、配管されている。屈曲部３７ｃにおける吸気パイプ４１の貫通部分は液密にシールされている。

この第４実施形態のポンプ１０によれば、第３実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。しかも、縦パイプ３７Ａ，３７Ｂに屈曲部３７ｃが設けられているため、外筒１７及び内筒１８への空気の流動抵抗を軽減できる。よって、気水混合運転及びエアロック運転に切り換えるための空気を効率的に供給できる。

なお、本発明の先行待機形ポンプ１０は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、第１給気配管３０，４５を内筒１８のフレア部１８ｂに接続すれば、ベルマウス１６の内筒１８は外筒１７から下方に突出しない構成としてもよい。また、給気配管３０，４５の吸気口３０ａ，３７ｂは、据付床２上に配置してもよい。第２実施形態から第４実施形態に示す第２給気配管４０の給気パイプ４２は、第１実施形態と同様に、外筒１７を貫通させて内筒１８に接続してもよい。

ポンプケーシング１２の内外が常に空間的に連通していれば、第１給気配管３０，４５と第２給気配管３３，４０にはオリフィス（絞り）を設けてもよい。渦防止配管３５を配置する場合であっても、第１実施形態に示す第１給気配管３０と第２給気配管３３を、独立して配管してもよい。

１…吸水槽
２…据付床
３…底壁
４…側壁
１０…ポンプ
１２…ポンプケーシング
１３…揚水管
１４…直管
１５…ベーンケーシング
１５ａ…軸受ケーシング
１６…ベルマウス（ラッパ管）
１７…外筒
１７ａ…筒部
１７ｂ…フレア部
１７ｃ…フランジ部
１８…内筒
１８ａ…筒部
１８ｂ…フレア部
１９…連結板
１９ａ…内縁部
１９ｂ…外縁部
１９ｃ…下縁部
１９ｄ…上縁部
２０…吐出し管
２１…吐出エルボ
２２…回転軸
２３…水中軸受
２５…羽根車
２５ａ…上端
３０…第１給気配管
３０ａ…吸気口
３０ｂ…給気口
３０ｃ…折返部
３０ｄ…接続部
３３…第２給気配管
３３ａ…吸気口
３３ｂ…給気口
３３ｃ…第１管部
３３ｄ…第２管部
３３ｅ…折返部
３３ｆ…接続部
３５…渦防止配管
３６…横パイプ
３７…縦パイプ
３７ａ…カバー
３７ｂ…吸気口
３７ｃ…屈曲部
４０…第２給気配管
４１…吸気パイプ
４１ａ…吸気口
４１ｂ…屈曲部
４１ｃ…排気口
４２…給気パイプ
４２ａ…給気口
４２ｂ…接続口
４５…第１給気配管
４６…給気パイプ
４６ａ…給気口
４６ｂ…連続部
４６ｃ…接続部
ＬＷＬ…排水開始水位
ＬＬＷＬ…排水遮断水位
ＨＷＬ…最高水位
ＷＣ…水柱

Claims (9)

1. 上下方向へ延びるように吸水槽に配置され、下端に前記吸水槽内の水を吸い込むラッパ管を有するポンプケーシングと、
   前記吸水槽の定められた排水開始水位に位置するように、前記ポンプケーシング内の前記ラッパ管の上方に配置された羽根車と、
   一端の吸気口が前記排水開始位置よりも高い最高水位よりも上方に位置するように前記ポンプケーシング外に配置され、他端の給気口が前記ラッパ管に接続された第１給気配管と
   を備え、
   前記ラッパ管は、外筒と、前記羽根車の直下に位置するように前記外筒内に配置され、上端から下端に向けて次第に広がったフレア部を有する内筒とを備え、
   前記第１給気配管の前記給気口は前記内筒の前記フレア部に接続され、前記第１給気配管によって前記ポンプケーシング外と前記内筒内が常に空間的に連通しており、
   前記フレア部の前記第１給気配管が接続された部分の直径は、前記内筒の上端開口の直径の１．４倍以上である、先行待機形ポンプ。
2. 一端の吸気口が前記排水開始位置よりも低い揚水遮断水位以下の高さに位置するように前記ポンプケーシング外に配置され、他端の給気口が前記ラッパ管に接続された第２給気配管を備える、請求項１に記載の先行待機形ポンプ。
3. 上下方向へ延びるように吸水槽に配置され、下端に前記吸水槽内の水を吸い込むラッパ管を有するポンプケーシングと、
   前記吸水槽の定められた排水開始水位に位置するように、前記ポンプケーシング内の前記ラッパ管の上方に配置された羽根車と、
   一端の吸気口が前記排水開始位置よりも高い最高水位よりも上方に位置するように前記ポンプケーシング外に配置され、他端の給気口が前記ラッパ管に接続された第１給気配管と
   を備え、
   前記ラッパ管は、外筒と、前記羽根車の直下に位置するように前記外筒内に配置され、上端から下端に向けて次第に広がったフレア部を有する内筒とを備え、
   前記第１給気配管の前記給気口は前記内筒の前記フレア部に接続され、前記第１給気配管によって前記ポンプケーシング外と前記内筒内が常に空間的に連通しており、
   一端の吸気口が前記排水開始位置よりも低い揚水遮断水位以下の高さに位置するように前記ポンプケーシング外に配置され、他端の給気口が前記ラッパ管に接続された第２給気配管を更に備える、先行待機形ポンプ。
4. 前記第２給気配管の前記給気口は、前記ラッパ管における前記内筒の上端以下の部分に接続されている、請求項２又は３に記載の先行待機形ポンプ。
5. 前記第２給気配管の前記給気口は、前記第１給気配管の前記給気口よりも上側に配置されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の先行待機形ポンプ。
6. 前記第２給気配管は、前記給気口を含む前記他端側に、前記揚水遮断水位に位置し、前記ポンプケーシングの径方向に延びる部分を有する、請求項２から５のいずれか１項に記載の先行待機形ポンプ。
7. 前記ポンプケーシングの前記排水開始水位よりも下側を取り囲む環状の横パイプと、
   上下方向へ延びるように前記ポンプケーシングの外側に配置され、下端が前記横パイプに接続され、上端が塞がれた縦パイプと
   を有する渦防止配管を備え、
   前記第２給気配管は、
   前記縦パイプ内に配置され、前記吸気口を構成する下端が前記縦パイプ外に露出された吸気パイプと、
   一端が前記横パイプに接続され、前記給気口を構成する他端が前記ラッパ管に接続された給気パイプと
   を有する、請求項２から６のいずれか１項に記載の先行待機形ポンプ。
8. 前記内筒の下端は、前記外筒の下端から突出しており、
   前記内筒と前記外筒は、放射状に配置された２以上の連結板によって連結されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の先行待機形ポンプ。
9. 前記第１給気配管の前記吸気口は、前記吸水槽内に配置されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の先行待機形ポンプ。

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