JP3998148B2 - 横軸ポンプの吸込みカバー構造 - Google Patents

Description

本発明は、一方の水路と他方の水路の境界部に設置された横軸ポンプの吸込みカバー構造に関する。

従来、治水等を目的として、例えば河川や水路の合流地点に、開閉自在に設置された止水ゲート扉体に排水ポンプを備えた止水ゲートを設置し、止水ゲートによって仕切られた一方の水路から排水ポンプにより他方の水路に水を移送するポンプゲートが構築されている。そして、ポンプゲートの小型化の要請の下、ポンプの吸込口が水路の水面と平行になるように設置する横軸ポンプが排水ポンプとして使用されるようになっている。

前記横軸ポンプは、水路の流れをそのまま横軸ポンプ内に取り込むので、流れの向きが安定し、縦軸ポンプを使用したポンプゲートに比べて低水位まで水を吸い込むことができるものであるが、水位が横軸ポンプの吸込み部上端近くまで低くなると、水面から空気を吸込む空気吸込み渦が発生し、揚水量の低下、キャビテーション等のポンプ性能の低下を招き、騒音、振動、水中軸受の磨耗といった機械的不都合が生じるために、横軸ポンプの吸込口や吸込みカバーの上壁が水路を流れる水の自由水面に対して斜め下向きになるように設置することによって、吸込口の真上からの吸込を極力防止して空気吸込み渦の発生を抑制しながら低水位まで安定して吸込み可能に構成するものや、横軸ポンプに、開口部上部側（自由水面側）が大きく、下部側（河床側）に向かって徐々に小さく形成された吸込みカバーを設けて、上部側の流速を遅く、下部側の流速を早くして空気吸込み渦の発生を抑制するものや、吸込みカバーの下部に突起部を形成して吸込みカバーの下部側から吸込みカバーに対して廻り込む流れを抑制し、その流れに起因する水中渦の発生を抑えるものが提案されていた。
特開２００２−２１０５０号公報 特開２００２−３０９５４６号公報 特開２００３−５５９４６号公報

しかし、上述した従来の技術によれば、確かに空気吸込み渦の発生を抑制しながら低水位まで吸込み可能となるのであるが、水路の側方から吸込みカバーに向かい、その後吸込みカバーの上壁に沿ってカバー先端部に到る逆流の速度分布が吸込みカバーの幅方向で大きく偏るような場合には、速度の大きな逆流と上流側から吸込みカバーに向かう正流とが衝突して水中渦や旋回流が発生し、やがて空気吸込み渦になり、揚水量の低下、キャビテーション等のポンプ性能の低下を招き、騒音、振動、水中軸受の磨耗といった機械的不都合が生じる虞があった。

特に、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、複数の横軸ポンプ５が水路の幅方向に沿って設置され、何れかの横軸ポンプ５が選択的に稼動されるような場合に顕著に現れるものであった。

本発明は、上述の従来欠点に鑑み、空気吸込み渦の発生を抑制して低水位まで吸込み可能としながら、簡単な構造により、さらに空気吸込み渦の発生を抑制して安定稼動を確保できる横軸ポンプの吸込みカバー構造を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による横軸ポンプの吸込みカバー構造の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の欄の請求項１に記載した通り、一方の水路と他方の水路の境界部に設置された横軸ポンプの吸込みカバー構造であって、吸込みカバーの先端部開口面積が前記横軸ポンプの吸込み部開口面積より大に形成されるとともに、前記吸込みカバーの上壁先端部が前記横軸ポンプの吸込み部上端部より下方に位置するように形成され、且つ、前記吸込みカバーの下壁先端部が前記横軸ポンプの吸込み部下端部より下方に位置するように形成され、上端が前記横軸ポンプの吸込み部上端より下方に位置し、前記吸込みカバーの側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる偏流を抑制する整流機構が設けられている点にある。

つまり、上述した構造によれば、吸込みカバーの先端部開口面積が前記横軸ポンプの吸込み部開口面積より大に形成されているので、横軸ポンプの吸込み部に向かって流速が急激に変動することが抑制され、水中渦や旋回流の発生を効果的に抑制可能となり、前記吸込みカバーの上壁先端部が前記横軸ポンプの吸込み部上端部より下方に位置するように形成されているので、吸込みカバーの上壁先端部が横軸ポンプの吸込み部上端部と略等しい高さで水平方向に延設されたものと比較して、自由水面から吸込みカバーの先端部に到る経路の水の吸込流速が減速するので、空気吸込み渦の発生を抑制しながら低水位まで吸込み可能となる。

さらに、整流機構により、吸込みカバーの側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる水流の流速分布が吸込みカバーの幅方向に極端に偏ることなく整流されるので、吸込みカバーに向けた正流と衝突する場合であっても大きな渦の発生が阻止される結果、安定的に低水位まで吸込み可能となるのである。

同第二の特徴構成は、同欄請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記整流機構が、前記吸込みカバーの上壁先端部側から基端部側に沿って設けられた複数枚の整流板で構成されている点にある。

このような構成により、吸込みカバーの側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる水流が、複数枚の整流板によってその流速分布が吸込みカバーの幅方向に均等に分散するように分流されるので、吸込みカバーに向けた正流と衝突する場合であっても大きな渦の発生が阻止される結果、安定的に低水位まで吸込み可能となるのである。

同第三の特徴構成は、同欄請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記整流板は、先端側上部の角部が曲線状に形成されている点にある。

同第四の特徴構成は、同欄請求項４に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記整流機構が、前記吸込みカバーの上壁先端部にその幅方向に延設され、複数の開孔が形成された分流板で構成されている点にある。

この場合には、吸込みカバーの側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる水流が、吸込みカバーの上壁先端部にその幅方向に延設された分流板によってその流速分布が吸込みカバーの幅方向に均等に分散するように分流されるので、吸込みカバーに向けた正流と衝突する場合であっても大きな渦の発生が阻止される結果、安定的に低水位まで吸込み可能となるのである。ここで、分流板に形成される開孔の形状は円形、方形、スリット形状など適宜設定されるものであり、吸込みカバーの上壁に沿って先端部側に流れる水流が幅方向に均等に分散されるものであれば特に限定されるものではない。

同第五の特徴構成は、同欄請求項５に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記整流機構が、前記吸込みカバーの上壁側方に設けられ、側方からの水の流れを阻止する整流板で構成されている点にある。

上述の構成によれば、吸込みカバーの上壁側方に設けられた整流板により、側方から吸込みカバー上壁上部への水の流れが阻止されるので、吸込みカバーの上壁に沿って先端部側に流れる逆流の速度分布が大きく偏るような状況が無くなるので、吸込みカバーに向けた正流と衝突する場合であっても大きな渦の発生が阻止されるのである。

同第六の特徴構成は、同欄請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記吸込みカバーの下壁または側壁に開孔部が形成されている点にある。

上述の構成によれば、空気吸込み渦の発生を抑制できるうえ、水路底面や側壁から発生する水中渦の発生も阻止されるのである。

同第七の特徴構成は、同欄請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記横軸ポンプが、一方の水路と他方の水路の境界部に開閉自在に設置された止水ゲート扉体に設けられたものである点にあり、上述した横軸ポンプの吸込みカバー構造の好ましい適用対象となるのである。

以上説明した通り、本発明によれば、空気吸込み渦の発生を抑制して低水位まで吸込み可能としながら、さらに、簡単な構造により、水中渦などの発生を抑制して安定稼動を確保できる横軸ポンプの吸込みカバー構造を提供することができるようになった。

以下に本発明による横軸ポンプの吸込みカバー構造の実施の形態を説明する。図１に示すように、一方の水路としての支流河川１と他方の水路としての本流河川２の合流地点である境界部に止水ゲート扉体３を電動モータで駆動される昇降機構８により開閉自在に設け、前記止水ゲート扉体３に横軸ポンプ５を軸心が水平姿勢となるように取付けてポンプゲートが構成されている。

前記ポンプゲートは、前記止水ゲート扉体３を上昇させた開放状態で支流河川１から本流河川２に水が自然流下するように構成され、雨天等による増水で本流河川２の水位が支流河川１の水位より上昇したようなときに、前記止水ゲート扉体３を降下させた閉鎖状態で本流河川２から支流河川１への逆流を回避しながら、横軸ポンプ５を作動させて支流河川１から本流河川２に水を移送するもので、前記横軸ポンプ５は、前記止水ゲート扉体３の厚み方向にフランジ接続された断面円形のガイドカバー５ｂと、前記ガイドカバー５ｂ内部にそれと同軸心で配置されたモータユニット５ａと、前記モータユニット５ａの駆動軸にキー接続された羽根車５ｃとを備えて構成されている。

前記横軸ポンプ５の支流河川１に臨む吸込み側端部には吸込みカバー６がフランジ接続され、本流河川２に臨む吐出し側端部にはフラップ弁７が開閉自在に取付けられ、支流河川１から本流河川２への流れが許容され、本流河川２から支流河川１への流れが阻止されるように構成されている。つまり、止水ゲート扉体３を降下させた閉鎖状態で横軸ポンプ５を作動させることにより、支流河川１の水が横軸ポンプ５の吸込み側端部から吸込まれ、その水圧によりフラップ弁７が押し開けられて吐出し側端部から本流河川２に排水され、止水ゲート扉体３が閉鎖状態にあるときに横軸ポンプ５が停止されると、支流河川１から本流河川２への排水が停止されるとともに、フラップ弁７がその自重と本流河川２の水圧との複合的な作用で自動的に閉じられ、本流河川２から支流河川１への水の逆流が防止される。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、前記吸込みカバー６は、先端部開口面積が前記横軸ポンプ５の吸込み部開口面積、つまりガイドカバー５ｂの開口面積より大に形成され、先端開口部６０の横幅が前記横軸ポンプ５の吸込み部開口径、つまりガイドカバー５ｂの開口径より大で、縦幅が前記横幅より小となる横広がりの矩形に形成されるとともに、上壁先端部６１が前記横軸ポンプ５の吸込み部上端部５１より下方に位置するように形成され、且つ、前記吸込みカバー６の下壁先端部６２が前記横軸ポンプ５の吸込み部下端部５２より下方に位置するように形成され、上壁６ａ、両側壁６ｂ、下壁６ｃからなる周壁部が前記横軸ポンプ５の吸込み部５０、つまり断面円形のガイドカバー５ｂのフランジ接続部に向けて滑らかに形成され、以って、水が吸込みカバー６の開口部６０から流速分布が比較的均一な状態で流入し、前記開口部６０から横軸ポンプ５の吸込み部（入り口）５０に向けて滑らかに流速が増速され、横軸ポンプの負荷変動を抑制して安定的に稼動するように構成されている。

前記吸込みカバー６の上壁６ａ及び下壁６ｃは、夫々先端部６１、６２から基端部６３、６４にかけて滑らかな弧状で、上壁６ａの先端部６１が前記横軸ポンプ５の吸込み部中心位置より下方に位置するように、且つ、上壁６ａの延出長さが下壁６ｃの延出長さよりも長く形成され、以って、開口部６０が斜め下方を向くように構成されている。このような構成により、支流河川１の自由水面から吸込みカバー６の上端までの距離を十分に確保でき、水面付近の流れを横軸ポンプの背後に向けて直進させることが可能となり、ポンプ管頂レベルと同程度の低水位であっても空気吸込み渦の発生を抑制しながら安定的に吸い込むことが可能となる。

さらに、吸込みカバー６には、吸込みカバー６の側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる偏流を抑制する整流機構が設けられている。詳述すると、吸込みカバー６の上壁６ａの上部に、その先端部６１側から基端部６３側に沿って設けられた複数枚の整流板９で整流機構が構成されている。つまり、複数枚の整流板９によって、吸込みカバー６の側方から流入して上壁６ａに沿って先端部６１側に流れる水流の流速分布が吸込みカバー６の幅方向に均等に分散するように分流されるので、吸込みカバー６に向けた正流と衝突する場合であっても大きな渦の発生が阻止される結果、空気吸込み渦の発生が回避されて安定的に低水位まで吸込み可能となるのである。

様々な実験の結果、整流板９は、横軸ポンプ５の吸込み部、つまりガイドカバー５ｂの内径ｄに対して、その中心からの高さｈが、（３／８）・ｄ≦ｈ≦（１／２）・ｄの関係で示される範囲に設定される場合に、空気吸込み渦の発生を阻止する効果が顕著に現れる。また、整流板９の設置枚数は特に制限されるものではなく、空気吸込み渦の発生が回避される程度に上壁６ａの先端部６１の幅に応じて適宜設定されるものである。

特に、図３（ａ），（ｂ）に示すように、複数の横軸ポンプ５が水路１の幅方向に沿って設置され、何れかの横軸ポンプ５が選択的に稼動されるような場合には、水路１の水流が幅方向に偏った状態で一方の横軸ポンプ５に吸引される結果、停止中の横軸ポンプ５側を流下した後に稼動中の横軸ポンプ５の吸込みカバー６方向に流れる比較的大量の水流が、上述の整流板９によってほぼ均等な流速に分流されるので、空気吸込み渦の発生が回避されて安定的に低水位まで吸込むことができるようになる。

以下、本発明による横軸ポンプの吸込みカバー構造の別実施形態を説明する。図４（ａ），（ｂ）に示すように、前記吸込みカバー６の側壁６ｂ先端部が、その上下方向の中央部が基端部側に凹む曲線状に形成されるものであってもよい。この場合には、吸込みカバーを軽量化できるという効果がある。

図５（ａ）に示すように、上述した実施形態に加えて、または上述した実施形態とは別に、整流機構としては、吸込みカバー６の上壁６ａの先端部６１にその幅方向に延設され、複数の開孔１０ａが形成された分流板１０で構成されるものであってもよい。このような構成によって、吸込みカバー６の側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる水流の流速分布が吸込みカバーの幅方向に均等に分散され、空気吸込み渦の発生が回避される。ここに、分流板１０としては、図５（ｂ）に示すように、吸込みカバー６の幅方向に沿って円形の開孔１０ｂが均一に分散形成されたパンチングメタルで構成されるものであってもよいし、さらには、図５（ｃ）に示すように、吸込みカバー６の幅方向に沿って複数のスリット１０ｃが均一に分散形成されたスリット板で構成されるものであってもよい。つまり、分流板に形成される開孔の形状は円形、方形、スリット形状など適宜設定されるものであり、吸込みカバー６の上壁６ａに沿って先端部６１側に流れる水流が幅方向に均等に分散されるものであれば特に限定されるものではない。

またさらに、図６（ａ），（ｂ）に示すように、整流機構としては、上述した何れかの実施形態またはそれらを組合せたものに加えて、或いはそれらに代えて、吸込みカバー６の上壁６ａ側方に側方からの水の流れを阻止する整流板１１が設けられるものであってもよい。これにより、側方から吸込みカバー６の上壁６ａ上部への水の流れが制限されて、吸込みカバー６の上壁６ａに沿って先端部６１側に流れる逆流の速度分布が大きく偏るような状況が回避される結果、吸込みカバーに向けた正流と衝突する場合であっても大きな渦の発生が阻止される。前記整流板１１は、少なくとも吸込みカバー６の上壁６ａ先端部６１から略低水位レベルＬＷＬの上下幅を有し、止水ゲート扉体３から吸込みカバー６の先端部６１または先端部から若干突出する程度の長さに設定されるのが好ましい。また、当該整流板１１は吸込みカバー６の両側に設けるものであってもよい。

一方、図７（ａ），（ｂ）、図８（ａ），（ｂ）、図９（ａ），（ｂ）に示すように、吸込みカバー６の下壁または側壁に開孔部６ｄを設けてもよい。これにより、空気吸込み渦の発生を抑制するだけでなく、水路底面や側壁から発生する水中渦の発生も阻止することができる。

上述した実施形態では、止水ゲート扉体３に横軸型の横軸ポンプ５を軸心が水平姿勢となるように取付けたものを説明したが、横軸ポンプ５を、本流河川２側から支流河川１に向かって下がり勾配で傾斜する傾斜姿勢で止水ゲート扉体３に設置するものであってもよい。

上述した実施形態では、一方の水路としての支流河川１と他方の水路としての本流河川２の合流地点である境界部にポンプゲートを構築した例を説明したが、本発明によるポンプゲートの構築位置はこれに限定するものではなく、一方の水路と他方の水路の境界部に構築されるものであればその水路の種別を問うものではない。また、一方の水路と他方の水路が同一の水路の上流側と下流側、または上流側と下流側に相当する場合も含むものであることはいうまでも無い。

上述した実施形態では、ポンプゲートに設置された横軸ポンプの吸込みカバー構造について説明したが、本発明による横軸ポンプの吸込みカバー構造はポンプゲートに設置されるものに限定されるものではなく、土木工事や土木設備等、広く治水に用いられる横軸ポンプに適用できるものである。

本発明によるポンプゲートの縦断面図 （ａ）は吸込みカバーの縦断面図、（ｂ）は同正面図 （ａ）はポンプゲートの要部平面図、（ｂ）はポンプゲートの要部側面図 別実施形態を示し、（ａ）は吸込みカバーの縦断面図、（ｂ）は同正面図 整流機構の別実施形態を示し、（ａ）は吸込みカバーの縦断面図、（ｂ），（ｃ）は同正面図 整流機構の別実施形態を示し、（ａ）はポンプゲートの要部平面図、（ｂ）はポンプゲートの要部側面図 別実施形態を示し、（ａ）は吸込みカバーの縦断面図、（ｂ）は同正面図 別実施形態を示し、（ａ）は吸込みカバーの縦断面図、（ｂ），（ｃ）は同正面図 別実施形態を示し、（ａ）はポンプゲートの要部平面図、（ｂ）はポンプゲートの要部側面図 従来例を示し、（ａ）はポンプゲートの要部平面図、（ｂ）はポンプゲートの要部側面図

符号の説明

１：一方の水路（支流河川）
２：他方の水路（本流河川）
３：止水ゲート扉体
５：横軸ポンプ
６：吸込みカバー
７：フラップ弁
９：整流機構（整流板）
１０：整流機構（分流板）
１０ａ：開孔
１１：整流機構（整流板）

Claims (7)

1. 一方の水路と他方の水路の境界部に設置された横軸ポンプの吸込みカバー構造であって、吸込みカバーの先端部開口面積が前記横軸ポンプの吸込み部開口面積より大に形成されるとともに、前記吸込みカバーの上壁先端部が前記横軸ポンプの吸込み部上端部より下方に位置するように形成され、且つ、前記吸込みカバーの下壁先端部が前記横軸ポンプの吸込み部下端部より下方に位置するように形成され、上端が前記横軸ポンプの吸込み部上端より下方に位置し、前記吸込みカバーの側方から流入して上壁に沿って先端部側に流れる偏流を抑制する整流機構が設けられている横軸ポンプの吸込みカバー構造。
2. 前記整流機構が、前記吸込みカバーの上壁先端部側から基端部側に沿って設けられた複数枚の整流板で構成されている請求項１記載の横軸ポンプの吸込みカバー構造。
3. 前記整流板は、先端側上部の角部が曲線状に形成されている請求項２記載の横軸ポンプの吸込みカバー構造。
4. 前記整流機構が、前記吸込みカバーの上壁先端部にその幅方向に延設され、複数の開孔が形成された分流板で構成されている請求項１記載の横軸ポンプの吸込みカバー構造。
5. 前記整流機構が、前記吸込みカバーの上壁側方に設けられ、側方からの水の流れを阻止する整流板で構成されている請求項１記載の横軸ポンプの吸込みカバー構造。
6. 前記吸込みカバーの下壁または側壁に開孔部が形成されている請求項１から５の何れかに記載の横軸ポンプの吸込みカバー構造。
7. 前記横軸ポンプが、一方の水路と他方の水路の境界部に開閉自在に設置された止水ゲート扉体に設けられたものである請求項１から６の何れかに記載の横軸ポンプの吸込みカバー構造。

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