JP2021014815A - 立軸水中ポンプを用いたポンプゲート - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプの起動頻度を抑えると共に、ポンプの設置スペース、搬入出する開口を小さくすることを可能とした立軸水中ポンプを用いたポンプゲートを提供する。【解決手段】水路を開閉するゲート扉体４にポンプを備え、ゲート扉体４によって閉じた水路の一方の側の水を排水する構造のポンプゲート２において、前記ポンプは立軸水中ポンプ７であり、前記ポンプの吸込管１２に吸気管１３を接続し、吸気管１３の吸気口１５をポンプ運転中にポンプ内の静圧がゼロとなる水位より高い位置で開口することで、水位変動によるポンプの起動頻度を抑えると共に、ポンプの設置スペース、搬入出する開口を小さくできる。【選択図】図１

Description

本発明は、暗渠内等に設置して雨水や下水等の圧送に用いられる内水排除設備としての立軸水中ポンプを用いたポンプゲートに関する。

従来、河川において本川と支川が合流するような場所には、支川側に開閉ゲートを設置し、大雨などの増水時に開閉ゲートを閉じることで、本川側の水が支川に逆流するのを抑止している。その際、支川の上流から流れてくる水を強制排水するために、水中ポンプを開閉ゲートに取り付けたポンプゲートが多く用いられている。そして、水中ポンプとして立軸水中ポンプや横軸水中ポンプを使用することが、特許文献１の図８、９に開示されている。

また、水位に応じて頻繁にポンプのＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことがないように、ポンプを起動したまま気水混合運転で待機することができる横軸水中ポンプが、特許文献２に開示されている。

特開２００３−００３４５０号公報 国際公開２０１６／１７８３８７号

特許文献１に開示された立軸水中ポンプや横軸水中ポンプは、水位に応じて頻繁にポンプのＯＮ／ＯＦＦが繰り返されるため、運転管理は煩雑となり、起動頻度が頻繁となって水中電動機への負担が大きくなる。

特許文献２に開示された横軸水中ポンプは、横軸であるためポンプを搬出入する開口が大きくなり、設置スペースも広い面積を必要としていた。また、高揚程のポンプが必要な場合は斜流羽根の横軸水中ポンプを用いるため、ポンプの全長が長くなっていた。

そこで、本発明は、ポンプの停止と起動との繰り返しを抑えることが可能で、設置スペースの小さい立軸水中ポンプを提供することを目的とする。

水路を開閉するゲート扉体にポンプを備え、ゲート扉体によって閉じた水路の一方の側の水を排水する構造のポンプゲートにおいて、前記ポンプは立軸水中ポンプであり、前記ポンプの吸込管に吸気管を接続し、吸気管の吸気口をポンプ運転中にポンプ内の静圧がゼロとなる水位より高い位置で開口することで、水位が変動してもポンプを定格回転数で運転できるため、ポンプの起動頻度を抑えることができる。

この発明は、ポンプの起動頻度を抑えると共に、立軸水中ポンプを用いることで、ポンプの設置スペース、搬出入する開口を小さくすることができる。

図１は、本発明に係る立軸水中ポンプを用いたポンプゲートシステムの構成を示す概略図である。 図２は、本発明に係る立軸水中ポンプの構成を示す側断面図である。 図３は、本発明に係る立軸水中ポンプの運転方法を説明する図である。 図４は、全量排水運転時の立軸水中ポンプの動作を説明する図である。 図５は、気水混合運転時の立軸水中ポンプの動作を説明する図である。 図６は、待機運転時の立軸水中ポンプの動作を説明する図である。

図１は、本発明に係る立軸水中ポンプを用いたポンプゲートシステムの構成を示す概略図である。
ポンプゲートシステム１は、ポンプゲート２と、天壁３から垂下しゲート扉体４を吊り上げるラック棒５と、ラック棒５を上下動させることでポンプゲート２を昇降させる開閉機６とを備える。

ポンプゲート２は、ゲート扉体４に立軸水中ポンプ７を着脱自在に組み込み、河川等の水路を開閉するものであり、上流側（図右方）から下流側（図左方）へ水を排水する。具体的には、平時は、ゲート扉体４を上昇させた状態で、ポンプ吸込側（上流側）の水路の水をポンプ吐出側（下流側）の水路に自然排水する。
一方、大雨等で下流側の外水位が上昇した際には、開閉機６の駆動によりゲート扉体４を下降させて水路を閉止した状態で立軸水中ポンプ７を起動し、上流側の水を下流側に強制的に排水する。
なお、本実施形態におけるポンプゲートシステム１は、ポンプゲート２を垂直に下降させて水路を閉止しているが、揺動又は回動等の公知技術により水路を閉止してもよい。

図２は、本発明に係る立軸水中ポンプの構成を示す側断面図である。
立軸水中ポンプ７はゲート扉体４に連結しており、ケーシング８と、羽根車９と、主軸１０と、水中電動機１１と、吸込管１２と、吸気管１３と、吐出管１４とを備える。

ケーシング８は、吸込管１２と吐出管１４を接続する筒体であり、その内部を流体（水及び空気）が通過する。ケーシング８の内部には、吸込側から、羽根車９及び水中電動機１１が配置される。主軸１０は、水中電動機１１で発生された回転力を羽根車９に伝達するものであり、一端が水中電動機１１に接続され、他端が羽根車９に接続される。羽根車９は斜流羽根であって、ケーシング８に保持されている水中電動機１１により、主軸１０を介して支持されている。

吸込管１２は、ケーシング８の吸込側に接続し、下方に開口部を備える。吸込管１２の側面には吸気管１３を接続する。吸気管１３は、ケーシング８に沿って上方に延長し、ケーシング８の上方で吸気口１５を有する。吸気管１３は、異物の吸込みを防止するため、水没しない高さまで延長する。
吸気管１３は上部でＵ字状に屈曲し、下方に向かって吸気口１５が開口する。

吐出管１４は、一端をケーシング８の側面と接続し、他端にフラップゲート１６を備える。フラップゲート１６は、立軸水中ポンプ７の吐出圧力が低いときには自重により閉じ、吐出圧力が高いときには上部の支点を軸として開くことで排水を可能とする。

本実施例では、ゲート扉体４の上流側に立軸水中ポンプ７を着脱自在に固定しているが、ゲート扉体４の内部で立軸水中ポンプ７を固定するなど、固定位置は限定されない。

次に、ポンプゲートシステム１に用いられるポンプの運転方法について説明する。
図３は、立軸水中ポンプの運転方法を説明する図である。

立軸水中ポンプ７は、予め設定された吸込側の２つの水位Ｈ、Ｍ（Ｈ＞Ｍ）を基準とした３つの運転方法を有する。
具体的には、全量排水運転と、気水混合運転、待機運転を有する。全量排水運転は、吸込側の水位が水位Ｈを越えているときに実施される。気水混合運転は、吸込側の水位が、水位Ｈ以下で、且つ、水位Ｍを越えているときに実施される。待機運転は、吸込側の水位が水位Ｍ以下であるときに実施される。

水位Ｈは、立軸水中ポンプ７の運転中に、ケーシング８内の静圧がゼロとなる水位で、これより低いと吸気管１３がマイナス圧のため空気を吸い込み、これより高いと吸気管１３がプラス圧のため空気を吸い込まない。
水位Ｍは、水位Ｍより低いと、吸気管１３から吸い込む空気の割合が増し、エアロックをおこす水位である。
本実施例では、水位Ｈは羽根車９の入口高さに設定し、水位Ｍは、吸気管１３の接続高さに設定する。なお、水位Ｈ、Ｍは、立軸水中ポンプ７の能力と吸気管１３の吸気量等を考慮し、任意の高さに設定できる。

＜全量排水運転＞
図４は、全量排水運転時の立軸水中ポンプの動作を説明する図である。
全量排水運転は、上流側で吸い込んだ水を全量排出させる運転である。大雨等によりゲート下流側（吐出側）の水位が上昇すると、逆流を抑止するために、ゲート扉体４が降下され、水路が閉止される。
そして、ゲート上流側（吸込側）の水位が水位Ｈを越えると、立軸水中ポンプ７が起動され、定格回転数で運転して全量を下流側に排水する。このとき、立軸水中ポンプ７の内部に連通する吸気管１３の吸気口１５は大気中に開放しているが、ケーシング８内はプラス圧であるから、吸気管１３から空気は吸い込まれない。
立軸水中ポンプ７の吐出し圧力により吐出し側のプラップゲート１６は開放した状態となっている。

ここで、立軸水中ポンプ７の運転開始のタイミングは、図示しない制御装置が、公知の水位計等により水位Ｈを越えていることを検知した上で判断しても良いし、実際に水位Ｈを検知することなく、予め設定された開始時間等に基づいて自動で判断してもよい。

なお、本実施例では、吸気管１３は異物の吸込み防止のため水没しない高さとしているが、発明の実施にあたっては、水位Ｈよりも高い位置に吸気口１５を開口していればよい。

＜気水混合運転＞
図５は、気水混合運転時の立軸水中ポンプの動作を説明する図である。
立軸水中ポンプ７が全量排水運転でゲート上流側の貯留水を排水した結果、ゲート上流側の水位が徐々に低下して水位Ｈ以下になると、運転を気水混合運転に移行する。気水混合運転は、水と共に少量の空気を吸気しつつ、定格回転数での運転で排水を行う運転である。
具体的な水位としては、吸気管１３の吸気口１５が大気開放しており、且つ、ケーシング８内の静圧がマイナス圧となる水位である。（水位Ｈ〜水位Ｍ）
排水量は、水位と吸気量との関係により決定される。この気水混合運転を設けることにより、低水位での不安定運転を緩和することができる。

なお、気水混合運転では、立軸水中ポンプ７の吐出し圧力は、全量排水運転の時よりも低下している。但し、フラップゲート１６は開放されたままである。

＜待機運転＞
図６は、待機運転時の立軸水中ポンプの動作を説明する図である。
立軸水中ポンプ７が排水を続けることで、更に水位が低下して水位Ｍ以下になると、運転は待機運転に移行する。待機運転は、水と共に大量の空気を吸気しつつ、定格回転数での運転を維持する。
具体的な水位としては、吸気管１３の吸気口１５が大気開放しており、吸気管１３の接続高さより低い水位である。（水位Ｍ以下）
水位が水位Ｍ以下になったときに、吸気管１３の吸気口１５から大量の空気を吸い込むことができる。その結果、立軸水中ポンプ７の吐出し圧力は低下するが、ケーシング８内で水と空気が混合した状態で運転が継続される。ケーシング８内の水量は、吸込側水位に応じて変動する。この待機運転では、ケーシング８内で攪拌される水により、水中電動機１１が冷却されるため、過度の発熱を抑えることができる。

なお、待機運転では、吸気管１３から大量の空気を吸い込むことで、吸込管１２からの吸水が止まると共に、吐出し圧力が低いため、フラップゲート１６は、基本的には閉止した状態にある。従って、立軸水中ポンプ７はエアロックを起こして排水が遮断され、水と空気がケーシング内で循環流動している。
ただし、下流側の水位が低下すると、フラップゲート１６が開放する場合もある。また、フラップゲート１６を閉塞した締切状態で定格回転数での運転を行っても、大量の空気が乱入しているため、水動力が低く、ポンプ動力の上昇を抑制することができる。

ここで、待機運転では、基本的に水を排出しないので、吸込側の水位の低下はない。しかし、下流側の水位の低下により立軸水中ポンプ７の吐出し圧力がフラップゲート１６を開放するだけの圧力になると、排水により吸込側の水位が低下してくる。

＜運転停止＞
立軸水中ポンプ７の運転停止のタイミングは、図示しない制御装置が、公知の水位計等により、特定の水位を一定時間継続した状態を検知した上で判断してもよいし、実際に水位を検知することなく、予め設定された開始時間等に基づいて自動で判断してもよい。

一方、いずれかの運転中に上流側の流入量が増大して水位が上昇したときも、別の運転に移行する。例えば、待機運転中に水位が上昇し、吸込側の水位が水位Ｍを越えると、運転は、吸込管１２の開口からは水を、吸気口１５からは空気を吸気しながら、フラップゲート１６より排水する気水混合運転に移行する。更に、気水混合運転中に水位が上昇し、吸込側の水位が水位Ｈを越えると、運転は、吸込管１２の開口から水を吸い込む全量排水運転に移行する。

なお、立軸水中ポンプ７は、運転停止後、吸込側の流入予測量や、排水機場又は横軸水中ポンプの使用に応じて、運転再開を適宜判断する。運転再開のタイミングは、吸込側の水位がどの水位であっても構わない。

次に、立軸水中ポンプ７の作用及び効果について説明する。立軸水中ポンプ７は、上記のように、吸込管１２の開口より高い位置に吸気口１５を有するので、吸込側の水位の変化に応じて運転を自動的に切り替えることができる。具体的には、立軸水中ポンプ７は、吸込側の水位が所定の水位Ｈ（例えば羽根車９の入口高さ）よりも高いときには、吸気口１５から空気を吸い込まず、全量排水運転する。
また、立軸水中ポンプ７は、吸込側の水位が、所定の水位Ｈよりも低く、且つ、所定の水位Ｍ（例えば吸気管１３の接続高さ）よりも高いときには、吸込管１２から水を吸い込みつつ吸気口１５から空気を吸い込む気水混合運転を行う。更に、立軸水中ポンプ７は、吸込側の水位が所定の水位Ｍよりも低いときには、吸気口１５から大量に空気を吸い込んでケーシング８内で水を循環流動させる待機運転を行う。

例えば、吸込側の水位が急速に低下した場合には、全量排水運転から気水混合運転へ、又は、気水混合運転から待機運転へ移行する。これにより、立軸水中ポンプ７は、羽根車９を駆動する水中電動機１１の定格回転数での運転を維持したまま、吸込側の水位の低下速度を抑制することができる。また、例えば、吸込側の水位が急速に上昇した場合には、待機運転から気水混合運転へ、又は、気水混合運転から全量排水運転へ移行する。これにより、立軸水中ポンプ７は、水中電動機１１の定格回転数での運転を維持したまま、吸込側の水位の上昇速度を抑制することができる。従って、水中電動機１１すなわちポンプのＯＮ／ＯＦＦの繰り返し頻度を低下させることができる。

また、気水混合運転、待機運転では、空気を吸気しつつ運転するので、羽根車９に大きな負荷がかからず、また、水面からの空気吸込渦を抑制することができる。
更に、立軸水中ポンプ７は、水位に応じた各運転間の移行を、複雑な制御装置等を設けることなく実現することができる。

本実施例では、斜流ポンプを立軸水中ポンプに用いたが、本発明はこれに限定されることなく、遠心ポンプや軸流ポンプといった公知のポンプを立軸水中ポンプに用いることができる。また、ポンプゲートを開閉させる機構も、揺動式など公知の技術を適用することができる。

２ ポンプゲート
４ ゲート扉体
７ 立軸水中ポンプ
１２ 吸込管
１３ 吸気管
１５ 吸気口

Claims (1)

1. 水路を開閉するゲート扉体（４）にポンプを備え、ゲート扉体（４）によって閉じた水路の一方の側の水を排水する構造のポンプゲート（２）において、
   前記ポンプは立軸水中ポンプ（７）であり、
   前記ポンプの吸込管（１２）に吸気管（１３）を接続し、
   吸気管（１３）の吸気口（１５）をポンプ運転中にポンプ内の静圧がゼロとなる水位より高い位置で開口する
   ことを特徴とする立軸水中ポンプを用いたポンプゲート。

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