JP2006189016A - 揚水ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】 吸気口における旋回流れを防止し、吸気口からの吸気によって円滑な先行待機運転を継続的に行うことができる揚水ポンプを提供する。
【解決手段】 この揚水ポンプは、貯水ピット１０内に垂下して吸込口２６ａを下向きに開口させたポンプケーシング１６と、該ポンプケーシング１６内において縦方向に延びる軸体１８と一体に回転する羽根車２０と、ポンプケーシング１６の羽根車の下端より上流側に設けられた吸気口３６と、一端を吸気口３６に連通させ、他方を大気中に開口させた吸気管３８とを備えている。軸体１８は羽根車２０の下端よりも上流側へ延びており、軸体１８の下端近傍を支持する軸受箱４２が設けられており、該軸受箱４２とポンプケーシング１６を連結する軸受箱支持板４４が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、降雨時の下水への過度の集水を抑制するために貯水ピットに設けられている揚水ポンプに関する。

ポンプ機場は、大雨時の下水道の溢水を防ぐために、所定の下水の集合箇所に設けられている。すなわち、下水の流入口と流出口とを備えた貯水ピットに排水用の立形ポンプを配備しておき、貯水ピットの貯水レベルが所定の高さを超えた時にポンプを作動させて河川等へ排水を行うようにしている。

このようなポンプ機場において、従来、先行待機運転という運転方法が採用されている。これは、降雨が有って、下水道に多量の雨水の流入が予想される場合、流入が始まる前にポンプを始動（空運転）しておき、雨水、汚水等の急激な流入に対して遅滞なく排水を行なうものである。ポンプの作動により、一旦貯水レベルが低下しても、同様にポンプを空運転して、次の流入に備えておく。

図４は、この種の運転を行う揚水ポンプの一例を示す図であり、貯水ピット１０に、鉛直方向に上から配列されたＬ字状の揚水管ケーシング（ケーシング本体）２２、ライナケーシング２４、吸込管２６を一体にしたポンプケーシング１６が設けられて構成されている。吸込管２６の下端はラッパ状に広がって開口する吸込口２６ａとなっている。ポンプケーシング１６内には縦方向の回転軸１８により駆動される羽根車２０が設置され、図示しないモータにより羽根車２０を回転駆動することでポンプケーシング１６の吸込側から液体を吸い込んで吐出側から吐き出すようになっている。揚水管ケーシング２２の下流側には河川等につながる排水管２８が接続されている。

この揚水ポンプでは、吸込管２６の羽根車２０より下側の位置に、最低水位ＬＷＬからｈ≒ｖ^２／２ｇだけ低い位置ＬＬＷＬに貫通した吸気口３６を設けている。ここで、最低水位ＬＷＬは、吸気口３６および吸気管３８が無い場合に、揚水ポンプの運転により水位が下降する時に、ポンプケーシングの外側の水面から渦巻状に空気を吸い込み始める水位であり、吸込管の口径などの構造や排水能力によって決まるポンプに固有の値である。また、ｖは定格運転時におけるその部分の水の流速であり、ｇは重力加速度である。この吸気口３６には吸気管３８が取り付けられ、吸気管３８は上方で大気中に開口している。なお、図中、ＨＷＬは貯水ピット１０の最高水位、ＳＬＷＬは羽根車の下端の水位である。

この揚水ポンプでは、羽根車２０よりも水面が低い状態で待機運転をすると、羽根車２０は空中で回転し、揚水は行われない空運転となる。貯水ピット１０内に雨水、汚水が流入してＳＬＷＬまで水位が上昇すると、吸気管３８の開口から空気を吸い込みながら水も汲み上げる気水混合運転が行われる。さらに、水位が最低水位ＬＷＬに上昇すると、水位によるヘッドで吸気管３８からの空気の吸込はなくなり、通常の排水運転が行われる。

一方、排水が進み、貯水ピット１０の水位が低下して最低水位ＬＷＬになると、吸気管３８の開口から空気が自動的に吸い込まれて気水混合運転が始まる。したがって、ポンプがケーシングの外部から空気を吸い込んで、ケーシングが振動するような事態が防止される。水位がＬＬＷＬまで低下すると吸気管が通気状態となってポンプケーシング１６内の水が落下して真空破壊し、羽根車の周囲の空間が空気で満たされて空運転に戻る。このような水位変動に伴う排水運転と空運転を繰り返すことにより、先行待機運転が継続的に行われる。

特開２００２−２６６７８６号公報

しかしながら、図４に示すような従来の技術においては、水位が最低水位ＬＷＬ以下になって気水混合運転になると、羽根車の回転により羽根車の下方においても旋回流れが発生し、吸気口の内端部分を正圧側に移行させる結果、水位が最低水位ＬＷＬ以下になっても充分な吸気が行われなくなってしまう。
そこで、羽根車の下方において旋回流れを防止するリブ板を設けることが考えられる。しかしながら、内壁に沿って小さいリブ板を設けただけでは、充分な旋回流れ防止効果を得ることが難しかった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、吸気口における旋回流れを防止し、吸気口からの吸気によって円滑な先行待機運転を継続的に行うことができる揚水ポンプを提供することを目的とする。

請求項１に記載の揚水ポンプは、貯水ピット内に垂下して吸込口を下向きに開口させたポンプケーシングと、該ポンプケーシング内において縦方向に延びる軸体と一体に回転する羽根車と、前記ポンプケーシングの前記羽根車の下端より上流側に設けられた吸気口と、一端を前記吸気口に連通させ、他方を大気中に開口させた吸気管とを備えた揚水ポンプにおいて、前記軸体は前記羽根車の下端よりも上流側へ延びており、前記軸体の下端近傍を支持する軸受箱が設けられており、該軸受箱と前記ポンプケーシングを連結する軸受箱支持板が設けられている。

これにより、軸体を羽根車の上流側と下流側の２箇所で支持できるため、各軸受への負荷を低減することができる。特に、無注水軸受に対しては、有効である。また、軸体をその下端近傍で支持することができ、無給水運転においても軸体が潤滑されて、先行待機運転が円滑に行われる。

請求項２に記載の揚水ポンプは、請求項１に記載の発明において、前記吸気口は、前記ポンプケーシングの内壁に周方向に分散して開口して設けられていることを特徴とする揚水ポンプ。これにより、空気が分散した状態で吸気口より流入するので、羽根車の入口には均一に混合した気水混合流体が供給され、羽根車への負荷の偏りを防止する。

請求項３に記載の集合ポンプ装置は、請求項１または請求項２に記載の揚水ポンプを、複数台、同一貯水ピットに配置し、該複数台のポンプのうち1台または2台以上のポンプ羽根車の高さ方向の位置が異なるように配置したことを特徴とする。

請求項１または請求項２に記載の発明によれば、軸体を羽根車の上流側と下流側の２箇所で支持できるため、各軸受への負荷を低減することができ、特に、無注水軸受に対しては、有効である。また、軸体をその下端近傍で支持することができ、無給水運転においても軸体が潤滑されて、先行待機運転が円滑に行われる。
請求項３に記載の発明によれば、各揚水ポンプの揚水動作に時間差が生じ、貯水ピット内の水位変動が抑制される。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態の揚水ポンプを示す断面図である。この揚水ポンプは、貯水ピット１０を覆う床板１２上に設置されたベース１４に取り付けられており、貯水ピット１０内に垂下するポンプケーシング１６と、その内部に配置された垂直な回転軸１８を有する羽根車２０と、回転軸１８に減速機を介して連結されてこれを回転駆動するモータ（図示略）とを備えている。

ポンプケーシング１６は、鉛直方向に上から配列されたＬ字状の揚水管ケーシング（ケーシング本体）２２、ライナケーシング２４、および吸込管２６が、互いにフランジを介して結合されて構成されている。吸込管２６の下端はラッパ状に広がって開口する吸込口２６ａとなっている。揚水管ケーシング２２の下流側には河川等につながる排水管２８が接続されている。ポンプケーシング１６内には、羽根車の上方にガイドベーン２５が設けられており、流体の速度エネルギーを圧力に変換する作用を行う。

吸込管２６には、図４に示す従来の技術と同様に、羽根車２０の先端よりも下側の位置であって、最低水位ＬＷＬからｈ≒ｖ^２／２ｇだけ低い位置ＬＬＷＬにおいて貫通する吸気口３６が設けられ、該吸気口３６には吸気管３８が接続されている。吸気口３６は、この例では、空気室３９の内面に周方向に延びるスリット状に形成されているが、空気室３９に通じる複数の孔を周方向均等に配置するようにしてもよい。なお、水位ＨＷＬ、ＬＷＬ、ＳＬＷＬ、ＬＬＷＬは、図４に示す従来の場合と同じである。

吸気管３８は空気室３９から水平方向に延び、上方に向けて屈曲している。この実施の形態では、吸気管３８の上端は、床板１２より上で開口しているが、これより下で開口するようにしてもよい。

回転軸１８は、従来と同様に、揚水管ケーシング２２の中段の第１のラジアル軸受３０と、ガイドベーン２５の内側の内筒２７により支持された第２のラジアル軸受３２により支持されている。さらに、回転軸１８は羽根車２０のボス部を挿通して吸気口３６のやや上まで下方に向けて延びており、その下端部において、第３のラジアル軸受４０により支持されている。この第３のラジアル軸受４０は、後述する軸受箱支持板により支持された軸受箱４２の中に取り付けられている。軸受箱４２は上部に回転軸１８を挿通させる開口が形成された箱状である。

羽根車２０の下端と吸気口の間の位置には、ポンプケーシング（吸込管）の内壁から内側に放射状に突出する複数の板状部材である軸受箱支持板４４が設けられている。軸受箱支持板４４は、図２に示すように、この実施の形態では４枚が軸受箱４２に連結されているが、２本以上の適宜の数を配置することができる。軸受箱支持板４４は、この実施の形態では、鉛直面に沿って配置された平板状に形成しているが、羽根車２０によって形成される旋回流れを防止するように、逆向きに傾斜させてもよく、場合によっては、羽根車２０によって形成される旋回流れを制御するようにそれと同じ向きであって緩やかに傾斜するように配置していもよい。

以下、この実施の形態の揚水ポンプの運転制御について説明する。
運転開始時の貯水ピット１０内の水位は例えば吸込管２６の下端より下にあり、揚水ポンプは停止している。降雨が有って貯水ピット１０内の水位が上昇すると予測されると揚水ポンプは先行待機運転に入り、空気中で回転する空運転状態になる。

水位が上昇して羽根車２０の下端のレベルＳＬＷＬに達すると、吸気管３８から吸気しつつ水を吸い上げる気水混合運転状態となる。ここにおいて、軸受箱支持板４４が羽根車２０の上流側に配置されており、この部分での旋回流れの発生を防止するので、吸気口３６部分に旋回流れに起因する正圧が発生することが防止され、吸気口３６からの安定な吸気が確保される。また、空気は周方向に延びるスリット状の吸気口３６から流入し、軸受箱支持板４４による分散作用を受けるので、空気の混合比率は流路の全域において均一になり、羽根車２０への負荷のアンバランスも小さく、大きな振動の発生が抑制される。
さらに水位が上昇して最低水位ＬＷＬに達すると、水位によるヘッドで吸気口３６の内端部分の圧力も上昇し、空気の吸込はなくなり、通常の運転状態となる。

次に、貯水ピット１０への入水量が揚水量を下回るようになって水位が低下する場合には、上記と逆の工程をたどる。すなわち、水位が最低水位ＬＷＬになると吸気口３６の内側部分が負圧になり、吸気管３８からの空気が流入し、気水混合運転状態となる。ここでも、軸受箱支持板４４が羽根車２０の上流側に配置されており、この部分での旋回流れの発生を防止するので、吸気口３６部分に旋回流れに起因する正圧が発生することが防止され、吸気口３６からの安定な吸気が確保される。

さらに水位が下がり、吸気口３６の水位ＬＬＷＬに達すると、吸気管３８が開放し、ポンプケーシング１６内の空間が真空破壊し、ポンプケーシング１６内の水は落下して空運転（待機運転）状態になる。さらに、水位が上昇すれば、上記工程を繰り返して運転動作を行う。水位が下降して待機運転が停止されれば、揚水ポンプも停止する。

このように、この揚水ポンプでは、軸受箱支持板４４がポンプケーシング１６内の流路を横切るように設けられているので、流路の全幅において旋回流れを抑制する。したがって、吸気口３６部分において旋回流れに起因する正圧が発生することが防止され、吸気口３６からの安定な吸気が確保される。その結果、揚水ポンプを振動や騒音の無い安定した状態で継続的に先行待機運転することができる。

また、この実施の形態では、回転軸１８はその下端部において、軸受箱支持板４４により支持された軸受箱４２の中に取り付けられた第３のラジアル軸受４０により支持されている。

図３は、この発明の他の実施の形態を示すもので、貯水ピット１０に上述した揚水ポンプが複数（この例では３台）設置された集合ポンプ装置である。通常、ポンプ機場の貯水ピット１０にはこのように複数の揚水ポンプが配置され、入水量に合わせて必要な台数を稼動させるように、あるいは、予備として用いるようにしている。

３台の揚水ポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、揚水管ケーシング２２ａ，２２ｂ，２２ｃの長さが異なるようになっており、したがって、貯水ピット１０に設置した状態において羽根車２０の位置がそれぞれ異なっている。この点以外は、各揚水ポンプＰ１，Ｐ２，Ｐ３は基本的に同じ構造であり、それぞれのポンプのＬＷＬ，ＳＬＷＬ，ＬＬＷＬの各水位は互いに異なっている。

この集合ポンプ装置では、各揚水ポンプによる揚水の発停が時間差を付けてなされる。例えば、増水時には、最初に一番低い位置の揚水ポンプが揚水を開始し、順次他の揚水ポンプが揚水を行うので、入水量よりも多い過大な揚水を行って貯水ピット１０内の水位を変動させるような事態が防止され、また、電源設備に対する負担も軽減できる。

なお、この実施の形態では、揚水管ケーシング２２ａ，２２ｂ，２２ｃの長さを異なるようにして高さ方向の位置を変えたが、同一構造の揚水ポンプを取付位置を変えることによって高さ方向の位置を変えるようにしてもよい。

この発明の第１の実施の形態の揚水ポンプの構成を示す断面図である。 図１の揚水ポンプを下から見た平面図である。 この発明の揚水ポンプを集合ポンプ装置に応用した実施の形態の構成を示す断面図である。 従来の揚水ポンプの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０ 貯水ピット
１６ ポンプケーシング
１８ 回転軸
２０ 羽根車
２６ 吸込管
２６ａ 吸込口
３６ 吸気口
３８ 吸気管
４０ 第３のラジアル軸受
４２ 軸受箱
４４ 軸受箱支持板

Claims (3)

1. 貯水ピット内に垂下して吸込口を下向きに開口させたポンプケーシングと、
   該ポンプケーシング内において縦方向に延びる軸体と一体に回転する羽根車と、
   前記ポンプケーシングの前記羽根車の下端より上流側に設けられた吸気口と、
   一端を前記吸気口に連通させ、他方を大気中に開口させた吸気管とを備えた揚水ポンプにおいて、
   前記軸体は前記羽根車の下端よりも上流側へ延びており、前記軸体の下端近傍を支持する軸受箱が設けられており、該軸受箱と前記ポンプケーシングを連結する軸受箱支持板が設けられていることを特徴とする揚水ポンプ。
2. 前記吸気口は、前記ポンプケーシングの内壁に周方向に分散して開口して設けられていることを特徴とする請求項１に記載の揚水ポンプ。
3. 請求項１または請求項２に記載の揚水ポンプを、複数台、同一貯水ピットに配置し、該複数台のポンプのうち1台または2台以上のポンプ羽根車の高さ方向の位置が異なるように配置したことを特徴とする集合ポンプ装置。
   

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