JP2015078679A - ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】空気吸込渦の発生を防止する。
【解決手段】水槽（上流側流路１）に配置される吸込部２０を有し、水槽１内の液体を横方向から吸い込んで下流側へ吐出するポンプ（ゲートポンプ１０）であって、吸込部２０は、水槽１の水面から底に向けて液体流入方向下流側へ傾斜する吸込口２３を有する筒状の外側部材２１と、外側部材２１内に配設され吸込口２３から外方へ突出する内側部材２４と、を備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を横方向から吸い込む横吸込方式のポンプに関する。

特許文献１には、直管状の吸込部によって上流側の液体を横方向から吸い込み、下流側へ吐出するゲートポンプが記載されている。図６に示すように、吸込部１０２の吸込口１０３は、水面から底へ向けて水の流入方向下流側へ傾斜している。ゲートポンプは、吸込部１０２を水面からできるだけ離れた水槽１０１の底側に配置し、振動や騒音の原因となる空気吸込渦の発生を防止している。なお、空気吸込渦Ｖ１は、水面から吸込口１０３に空気が吸い込まれて発生する渦であり、振動や騒音を生じさせることによって、ポンプの安定運転に支障をきたす可能性がある。

しかしながら、ゲートポンプは、水槽１０１の水位が低い状態で運転することが望まれるが、低水位での運転は水面が吸込部１０２の上端に近づくため、空気吸込渦Ｖ１が発生し易いという問題がある。よって、低水位での運転を実現するには、渦流れ防止板を設置する等、大掛かりなポンプ設備の改修が必要になり、コスト高になる。

特開２００７−３１９６８号公報

本発明は、空気吸込渦の発生を確実に防止できるポンプを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明のポンプは、水槽に配置される吸込部を有し、前記水槽内の液体を横方向から吸い込んで下流側へ吐出するポンプであって、前記吸込部は、前記水槽の水面から底に向けて液体流入方向下流側へ傾斜する吸込口を有する筒状の外側部材と、前記外側部材内に配設され前記吸込口から外方へ突出する内側部材と、を備える構成としている。

このポンプは、流入方向上流側から吸込口を水面と平行に見ると、吸込部を構成する外側部材の吸込口内に配設した内側部材により、吸込口の下部領域が部分的に塞がれるため、下部領域の開口面積が上部領域の開口面積より狭くなる。すると、水槽内では、鉛直方向上側の流速が遅く、鉛直方向下側の流速が早くなる。その結果、水槽内の水位が低下しても、空気吸込渦が発生することを抑制できる。よって、ポンプ設備を改修することなく、低水位での運転を実現できる。

前記外側部材は、軸線が円弧状に湾曲したエルボ管であることが好ましい。具体的には、円弧状に湾曲した軸線に対して吸込口上の点で接する接線が、水槽の底に向けて傾斜して延びるエルボ管である。このようにすれば、吸込口によって液体を下方から上方へと斜めに吸い込むため、水槽の鉛直方向上側の流速を更に遅くし、空気吸込渦の発生を大幅に抑制できる。

前記外側部材と前記内側部材とを連結する板状の連結リブを、前記外側部材の前記吸込口から外方へ突出させるとともに、前記内側部材の上側頂部から鉛直上向きに延びるように設けることが好ましい。このようにすれば、水面から吸込口に向けた水流を連結リブによって効果的に消滅（整流）できるため、空気吸込渦の発生を防止できる。

前記外側部材と前記内側部材とを連結する板状の連結リブを、前記外側部材の前記吸込口から外方へ突出させるとともに、前記内側部材の下側頂部から鉛直下向きに延びるように設けることが好ましい。このようにすれば、水中の壁から吸込口に向けて延びる水流を連結リブによって効果的に消滅（整流）できるため、水中渦の発生を防止できる。

前記外側部材の外周部と所定間隔をあけて位置し、前記吸込口から軸方向に所定間隔をあけて位置する吸込渦防止部材を設けることが好ましい。この吸込渦防止部材は、一部が前記外側部材の前記吸込口より液体流入方向上流側へ突出している。具体的には、吸込渦防止部材は、湾曲した略半円環状のパイプである。このようにすれば、水面から吸込口に向けた水流を吸込渦防止部材によって分流した後、再び互いに衝突（合流）させることで消滅させることができるため、空気吸込渦の発生を確実に防止できる。

前記内側部材は、前記外側部材内から突出する第２の吸込口を有する筒状であることが好ましい。このようにすれば、外側部材内の流路が、内側部材によって区画され、連結リブとの相乗効果により、空気吸込渦および水中渦の発生を確実に防止でき、吸込性能を向上できる。

本発明のポンプでは、外側部材の吸込口から突設した内側部材により、空気吸込渦の発生を抑制できる。よって、ポンプ設備の大掛かりな改修をすることなく、既存の吸込部に内側部材を付設するだけで、低水位での運転を実現できる。

本発明の第１実施形態のポンプであるゲートポンプを示す断面図。 （Ａ）は吸込部の正面図、（Ｂ）は吸込部平面図。 吸込部の吸込状態を示す断面図。 第２実施形態の吸込部の吸込状態を示す断面図。 ポンプの変形例である立軸ポンプを示す断面図。 従来のポンプを示す概略図。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１から図３は、本発明の第１実施形態に係る横吸込方式のポンプの一例であるゲートポンプ１０を示す。このゲートポンプ１０は、ゲートポンプ１０は、例えば本川と支川との合流地点近傍の水路に設置され、本川である上流側流路（水槽）１から液体である排水を吸い込んで、支川である下流側流路（下流側）２へ吐出する。

図１に示すように、ゲートポンプ１０は、回転軸１１が水平方向に延びる横軸軸流ポンプであるポンプ本体１２と、このポンプ本体１２の上方に配置されており出力軸１３が垂直方向に延びる駆動用の水中モータ１４とを備えている。ポンプ本体１２は、全体として円筒状であるポンプケーシング１５を備えている。ポンプケーシング１５内には、回転軸１１を収容したインナーケーシング１６が配設されている。回転軸１１の先端にはプロペラ１７が固定されている。水中モータ１４の出力軸１３は、ポンプケーシング１５を貫通してインナーケーシング１６内に延びている。ポンプ本体１２の回転軸１１に固定された第１傘歯歯車１８と、水中モータ１４の出力軸１３の下端に固定された第２傘歯歯車１９とが係合され、これら傘歯歯車１８，１９によって出力軸１３の回転が回転軸１１に伝達される。

本実施形態のポンプケーシング１５は、上流側流路１の側に配置される吸込部２０と、下流側流路２の側に配置される吐出部３４とを備え、吸込部２０によって上流側流路１内の液体を横方向から吸い込み、吐出部３４から下流側流路２へ横方向へ吐出する。

図１および図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、吸込部２０は、軸線が円弧状に湾曲したエルボ管からなる外側部材２１と、外側部材２１の内側に配設された内側部材２４と、外側部材２１の外側に配設された吸込渦防止部材２８とを備える。

外側部材２１は、ポンプケーシング１５のフランジ部１５ａにボルト止めにより固定されるフランジ部２２を備える。フランジ部２２の逆側端部は、直径が先端に向けて徐々に大きくなる円錐筒（ラッパ）状をなし、その先端が第１吸込口（吸込口）２３を構成する。この第１吸込口２３は、上流側流路１の水面から底に向けて水流入方向下流側へ傾斜して延びる。即ち、エルボ管からなる外側部材２１を略水平方向に延びるポンプケーシング１５に連結し、略径方向に延びる第１吸込口２３が、水面に対して所定角度θで傾斜するように構成している。

水面と第１吸込口２３とのなす角θは、１５度から４５度の範囲で設定することが好ましい。４５度より大きくした場合には、上端が水面に近くなるため、空気吸込渦が発生し易くなる。また、１５度より小さくした場合には、第１吸込口２３が上流側流路１の底に対して平行に近くなるため、水中渦が発生し易くなる。本実施形態ではなす角θを３０度としている。これにより、空気吸込渦および水中渦の両方を効果的に抑制できる。このようにした外側部材２１は、円弧状に湾曲した軸線Ｌ１に対して第１吸込口２３上の点で接する接線Ｌ２が、上流側流路１の底に向けて傾斜して延びる。

内側部材２４は、先端側の直径を徐々に大きくした円錐筒（ラッパ）状の直管からなる。この内側部材２４は、軸線が外側部材２１の接線Ｌ２に一致し、開口した先端の第２吸込口２５が外側部材２１の第１吸込口２３から外方へ突出するように配設される。第２吸込口２５は第１吸込口２３に対して平行に延びる。内側部材２４は、外側部材２１が金属製であるのに対して、繊維強化プラスチックやゴム等の異なる材料によって形成される。

外側部材２１と内側部材２４とは、板状をなす一対の連結リブ２６，２７によって連結されている。水流入方向の上流側に位置する上流側連結リブ２６は、内側部材２４の上側頂部から鉛直上向きに延びるように設けられる。この上流側連結リブ２６は、外側部材２１の第１吸込口２３から軸方向に沿って外方へ突出され、その先端が内側部材２４の第２吸込口２５に対して面一に延びる。水流入方向の下流側に位置する下流側連結リブ２７は、内側部材２４の下側頂部から鉛直下向きに延びるように設けられる。この下流側連結リブ２７は、外側部材２１の第１吸込口２３から軸方向に沿って外方へ突出され、その先端が水面（上流側流路１の底）に対して平行に延びる。なお、連結リブ２６，２７は、内側部材２４に対して一体または別体で形成され、外側部材２１に対してボルト止めすることにより連結される。排水状況に応じて強度（材質）等を自由に変更可能とするためには、連結リブ２６，２７を別体で形成する。

吸込渦防止部材２８は、第１吸込口２３に対して所定間隔をあけて平行に位置し、外側部材２１の外周部に対して所定間隔をあけて並行に延びる、湾曲した略半円環状のパイプである。吸込渦防止部材２８の両端には、互いに向かい合うように屈曲した一対の連結部２９，２９が設けられている。各連結部２９，２９の軸線が水流入方向に対して直交方向に延びるように、外側部材２１の径方向の対向位置に連結される。吸込渦防止部材２８の直径は、水流入方向上流側の頂部が、外側部材２１の第１吸込口２３より突出する寸法に設定される。また、吸込渦防止部材２８と外側部材２１との間には、板状をなす連結リブ３０が設けられている。この連結リブ３０は、外側部材２１の上側頂部から鉛直上向きに延びるように設けられる。

この吸込部２０は、外側部材２１と内側部材２４との間に、連結リブ２６，２７によって区画された第１吸水路３１が形成され、内側部材２４内に第２吸水路３２が形成される。また、外側部材２１と吸込渦防止部材２８との間には、外側部材２１の外周面に沿って外向きに流れる副流を形成する副流路３３が形成される。

吐出部３４は、ポンプケーシング１５のフランジ部１５ｂにボルト止めにより固定されるフランジ部３５を備えた直管からなる。フランジ部３５の逆側端部は、下流側流路２に連通する吐出口３６を構成する。この吐出口３６は、下部が下流側へ向けて傾斜したテーパ状であり、フラップ型逆止弁３７が取り付けられている。このフラップ型逆止弁３７は、上端がシャフト３８によって回転自在に取り付けられる。なお、フラップ型逆止弁３７は、強制的に開放可能な開弁手段を備える。

ゲートポンプ１０を運転させると、上流側流路１の排水が吸込部２０によって横方向から吸い込まれ、フラップ型逆止弁３７を押し上げながら吐出部３４から下流側流路２へ横方向に吐出される。この際、内側部材２４によって外側部材２１内の流路が第１吸水路３１と第２吸水路３２とに区画されているため、連結リブ２６，２７との相乗効果により吸込性能を向上できる。また、下流側流路２から上流側流路１へ向かう逆流は、フラップ型逆止弁３７によって阻止される。

運転時には、上流側流路１の水位によって、水面から第１吸込口２３に空気が吸い込まれる空気吸込渦が発生する可能性がある。また、上流側流路１の壁から第１吸込口２３に向けて延びる水中渦が発生する可能性がある。そして、これらの渦は、本発明の吸込部２０によって阻止される。

具体的には、排水によって上流側流路１の水面に近い領域の流速が早くなると、空気吸込渦が発生し易くなる。しかし、図２（Ａ）に示すように、本実施形態の吸込部２０を水流入方向上流側から水面と平行に見ると、外側部材２１の第１吸込口２３内に配設した内側部材２４により、第１吸込口２３の下部領域が部分的に塞がれた状態になっている。そのため、第１吸込口２３は、下部領域の開口面積が上部領域の開口面積より狭くなる。すると、図３に示すように、上流側流路１内の流速は、鉛直方向上側の流速が遅く、鉛直方向下側の流速が早くなる。この排水の速度差は、軸線Ｌ１を円弧状に湾曲させ、排水を下方から上方へと斜めに吸い込むようにした外側部材２１により、促進される。その結果、上流側流路１内の水位が低下しても、空気吸込渦が発生することを抑制できる。

但し、上流側流路１の水位が低下すると、やはり第１吸込口２３から上流側へ離れた位置で空気吸込渦Ｖ１ａが発生することがある。空気吸込渦Ｖ１ａが発生すると、外側部材２１の第１吸込口２３から突出した上流側連結リブ２６が整流板の役割をなす。そのため、空気吸込渦Ｖ１ａを効果的に消滅できる。

また、第１吸込口２３の上方で空気吸込渦Ｖ１ｂが発生した場合、その空気吸込渦Ｖ１ｂは、吸込渦防止部材２８の外側を流れる主流Ｘと、吸込渦防止部材２８と外側部材２１の間の副流路３３を流れる副流Ｙとに分流される。そして、主流Ｘは、水面から外側部材２１の第１吸込口２３に向かって流れ、副流Ｙは、外側部材２１の外周面に沿って径方向外向きに流れる。そのため、これら主流Ｘと副流Ｙは、外側部材２１の外周部で衝突することにより消滅する。よって、空気吸込渦Ｖ１ｂの発生を確実に防止できる。さらに、吸込渦防止部材２８の連結リブ３０が整流板の役割を果たすため、それ自身でも空気吸込渦Ｖ１ｂの発生を防止できる。しかも、主流Ｘを完全に消滅できなかったとしても、上流側連結リブ２６によって確実に消滅できる。

また、第１吸込口２３の近傍である上流側流路１の底またはポンプケーシング１５の外壁から、第１吸込口２３に向けて延びる水中渦Ｖ２が発生することがある。水中渦Ｖ２が発生すると、外側部材２１の第１吸込口２３から突出した下流側連結リブ２７が整流板の役割をなす。そして、水中渦Ｖ２を効果的に消滅できる。

このように、本発明では、外側部材２１の吸込口から突設した内側部材２４により、空気吸込渦の発生を抑制できる。しかも、外側部材２１と内側部材２４とを連結する連結リブ２６，２７により、吸込性能を向上しつつ、確実に空気吸込渦Ｖ１および水中渦Ｖ２の発生を抑制できる。よって、渦流れ防止板を設置する等のポンプ設備の大掛かりな改修をすることなく、既存の吸込部２０に内側部材２４を付設するだけで、低水位での運転を実現できる。具体的には、内側部材２４を配設していないポンプと比較すると、ポンプ停止水位を５０％低くすることができる。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の横吸込方式のポンプであるゲートポンプの吸込部２０を示す。この第２実施形態では、内側部材２４を中実の円錐柱によって構成し、また、吸込渦防止部材２８を第１吸込口２３と異なる傾斜角度θ２で設けた点で、第１実施形態と相違する。吸込渦防止部材２８と水面とのなす角θ２は、第１吸込口２３と水面とのなす角θ１より小さく（θ２＜θ１）としている。また、吸込渦防止部材２８は、水流入方向上流側の頂部が外側部材２１の水流入方向上流側頂部に接するように配設されている。そのため、吸込渦防止部材２８と外側部材２１との間には連結リブ３０は設けていない。このようにすれば、第１実施形態と同様の作用および効果を得ることができるだけでなく、空気吸込渦の発生を防止する抑制効果を高めることができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の横吸込方式のポンプである立軸ポンプ５０を示す。この立軸ポンプ５０は、据付床３上から吸水槽（水槽）４内に鉛直方向に延びるように配置されたポンプケーシング５１を備える。

ポンプケーシング５１は、鉛直方向に延びる直管状の揚水管５２と、揚水管５２の上端に連結された吐出エルボ５３とを備える。吐出エルボ５３は、鉛直方向から水平方向に湾曲し、下流側に連通する吐出管５４に接続されている。また、ポンプケーシング５１は、揚水管５２の下端に連結された羽根車ケース５５と、羽根車ケース５５の下端に連結された吸込部５６とを備える。

ポンプケーシング５１には、軸線に沿って延びるように主軸５７が配設されている。この主軸５７は、上端側が吐出エルボ５３を貫通して上方に延びている。この吐出エルボ５３の上端開口に、主軸５７を回転させる水中モータ５８が配設されている。羽根車ケース５５内に位置する主軸５７の下端には羽根車５９が固定されている。また、羽根車ケース５５には軸受ケーシング６０が固定されている。

ポンプケーシング５１の下端の吸込部５６は、第１実施形態と同様に、軸線が円弧状に湾曲したエルボ管からなる外側部材２１と、外側部材２１の内側に配設された内側部材２４と、外側部材２１の外側に配設された吸込渦防止部材２８とを備える。そのうち、外側部材２１は、垂直方向に延びるポンプケーシング５１の下端に連結され、略径方向に延びる第１吸込口２３が、水面に対して所定角度θで傾斜するように構成される。また、外側部材２１は、円弧状に湾曲した軸線に対して第１吸込口２３上の点で接する接線が、吸水槽４の底に向けて傾斜して延びる。

この立軸ポンプ５０を運転させると、吸水槽４内の排水を横方向から吸い込んで鉛直方向上向きに揚水し、吐出エルボ５３の端部である吐出部３４から吐出管５４を介して下流側へ排出する。そして、この運転時には第１実施形態と同様に、吸水槽４内の水位によって、空気吸込渦が発生する可能性があるうえ、水中渦が発生する可能性がある。しかし、これらの渦の発生は、内側部材２４、連結リブ２６，２７および吸込渦防止部材２８によって大幅に抑制される。

なお、本発明の横吸込方式のポンプは、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、各実施形態では、外側部材２１の第１吸込口２３と内側部材２４の第２吸込口２５とを同一の傾斜角度θとしたが、異なる傾斜角度にしてもよい。また、各実施形態では、外側部材２１を軸線が湾曲したエルボ管により構成したが、軸線が直線状をなす直管により構成してもよい。直管により構成する場合、第１吸込口２３は軸線に対して直交方向に延びるようにし、外側部材２１自体を水面に対して傾斜させて配管することが好ましい。

また、内側部材２４と外側部材２１とを一対の連結リブ２６，２７によって連結したが、３以上の連結リブによって連結してもよい。また、吸込部２０，５６は、外側部材２１の内部に１個の内側部材２４を配設した二重ラッパ管により構成したが、直径が異なる２以上の内側部材２４を同一軸芯で配設した多重ラッパ管により構成してもよい。

また、吸込渦防止部材２８は、半円環状のパイプにより構成したが、環状の板材を配設する構成としてもよい。また、吸込渦防止部材２８と外側部材２１とは、２以上の連結リブ３０によって連結してもよいうえ、連結リブ３０は設けない構成としてもよい。また、吸込渦防止部材２８は半円環状に限らず、円環状としてもよいうえ、扇形（円弧）状としてもよい。

各実施形態では、本発明の横吸込方式のポンプとしてゲートポンプ１０および立軸ポンプ５０を例に挙げて説明したが、他の形式のポンプにも適用可能である。即ち、水槽内の液体を横方向から吸い込んで下流側へ吐出する横吸込方式のポンプであれば、いずれでも適用可能であり、同様の作用および効果を得ることができる。

１０…ゲートポンプ（ポンプ）
１４…水中モータ
１５…ポンプケーシング
１７…プロペラ
２０…吸込部
２１…外側部材
２３…第１吸込口（吸込口）
２４…内側部材
２５…第２吸込口
２６…上流側連結リブ
２７…下流側連結リブ
２８…吸込渦防止部材
３０…連結リブ
３４…吐出部
５０…立軸ポンプ（ポンプ）
５１…ポンプケーシング
５２…揚水管
５３…吐出エルボ
５４…吐出管
５５…羽根車ケース
５６…吸込部
５７…主軸
５８…水中モータ
５９…羽根車

Claims (7)

1. 水槽に配置される吸込部を有し、前記水槽内の液体を横方向から吸い込んで下流側へ吐出するポンプであって、
   前記吸込部は、前記水槽の水面から底に向けて液体流入方向下流側へ傾斜する吸込口を有する筒状の外側部材と、前記外側部材内に配設され前記吸込口から外方へ突出する内側部材と、を備えることを特徴とするポンプ。
2. 前記外側部材は、軸線が円弧状に湾曲したエルボ管であることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記外側部材と前記内側部材とを連結する板状の連結リブを、前記外側部材の前記吸込口から外方へ突出させるとともに、前記内側部材の上側頂部から鉛直上向きに延びるように設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のポンプ。
4. 前記外側部材と前記内側部材とを連結する板状の連結リブを、前記外側部材の前記吸込口から外方へ突出させるとともに、前記内側部材の下側頂部から鉛直下向きに延びるように設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のポンプ。
5. 前記外側部材の外周部と所定間隔をあけて位置し、前記吸込口から軸方向に所定間隔をあけて位置する吸込渦防止部材を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のポンプ。
6. 前記吸込渦防止部材は、一部が前記外側部材の前記吸込口より液体流入方向上流側へ突出していることを特徴とする請求項５に記載にポンプ。
7. 前記内側部材は、前記外側部材内から突出する第２の吸込口を有する筒状であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のポンプ。

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