JP6696843B2 - 排水システムおよび排水方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のポンプで排水を行う排水システムおよび排水方法に関する。

複数のポンプで排水を行うポンプ機場が知られている（例えば、特許文献１）。急激な水位上昇に備えて、複数のポンプを同時に運転させることができる。各ポンプの容量や吸込開始水位が同一であると、水位が短時間で低下し、また上昇するという過渡現象（いわゆるサージング）が発生する。そうすると、ポンプの負荷変動が頻発し、主軸の破損や劣化が懸念される。

特許第５４７５６０７号公報

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、サージングを抑制可能な排水システムおよび排水方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、複数のポンプ設備を備え、そのそれぞれは、出力軸を有する原動機と、主軸を有するポンプと、前記原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える嵌合手段と、を備え、あるポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間は、他のポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間と異なる、排水システムが提供される。
ポンプ設備における嵌合時間が異なるためにポンプの始動タイミングがずれ、サージングを抑制できる。

前記他のポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間は調整可能であるのが望ましい。

前記あるポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間は、３秒以上であるのが望ましい。

前記あるポンプ設備におけるポンプの容量および吸込開始水位は、前記他のポンプ設備におけるポンプの容量および吸込開始水位とそれぞれ等しくてもよい。

また、本発明の別の態様によれば、複数のポンプ設備を備える排水システムにおける排水方法であって、あるポンプ設備における原動機の出力軸とポンプの主軸とを所定の嵌合時間で直接または間接的に嵌合させるとともに、他のポンプ設備における原動機の出力軸とポンプの主軸とを前記所定の嵌合時間とは異なる嵌合時間で直接または間接的に嵌合させる、排水方法が提供される。

ポンプ設備における嵌合時間が異なるためにポンプの始動タイミングがずれ、サージングを抑制できる。

一実施形態に係る排水システムの概略構成を示すブロック図。 ポンプ設備１００ａの詳細を示す構成図。 排水システムにおけるポンプ３ａ，３ｂの動作を模式的に説明する図。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。

図１は、一実施形態に係る排水システムの概略構成を示すブロック図である。この排水システムは、例えば排水機場に設置されて吸込水槽５０内の水を吐出水槽（不図示）に排出するものであり、複数のポンプ設備１００ａ，１００ｂを備えている。図１および以下では２つのポンプ設備１００ａ，１００ｂが設けられる例を説明するが、３つ以上のポンプ設備があってもよい。以下、特に断らない限りポンプ設備１００ａ，１００ｂの構成は同じなので、主にポンプ設備１００ａについて説明する。

ポンプ設備１００ａは、原動機１ａ、クラッチ２１ａ（嵌合手段）およびポンプ３ａなどを備えている。

原動機１ａは、例えば一軸式ガスタービンやディーゼル機関であり、その出力軸１１ａを回転させる。

クラッチ２１ａは、原動機１ａとポンプ３ａとの間に設けられ、原動機１ａの動力（トルク）をポンプ３ａに伝達するか否かを制御する。すなわち、クラッチ２１ａは、原動機１ａの出力軸１１ａとポンプ３ａの主軸３１ａとを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える。クラッチ２１ａが両軸を嵌合する（以下、「クラッチ２１ａがオンする」という）ことで動力が伝達され、両軸の嵌合を解除する（以下、「クラッチ２１ａがオフする」という）ことで動力が伝達されなくなる。

ポンプ３ａは、例えば立軸斜流ポンプであり、原動機１ａの動力を受けて主軸３１ａに固定された羽根車（不図示）が回転することで排水が行われる。

図２は、ポンプ設備１００ａの詳細を示す構成図であり、主な構成要素である原動機１ａ、クラッチ２１ａを内蔵した減速機２ａ、ポンプ３ａおよび制御部４ａなどを描いている。

ポンプ３ａは吸込水槽５０上部のポンプ設置床５１にポンプベース５２を介して設置される。ポンプ３ａは、主軸３１ａと、ケーシング３２ａと、羽根車３３ａとを有する。

ケーシング３２ａは、吸込水槽５０内に配置されて下端に吸込ベルマウス３２１ａが接続されたポンプケーシング３２２ａと、その上部に接続された吊り下げ管３２３ａと、その上部に接続された屈曲吐出管３２４ａ、その先に吐出弁３２５ａを介して接続された吐出管３２６ａから構成される。吐出管３２６ａの先端には逆流防止弁３２７ａが設けられる。

主軸３１ａは屈曲吐出管３２４ａを貫通して吊り下げ管３２３ａおよびポンプケーシング３２２ａ内に配置され、回転自在に支持される。主軸３１ａの下部には羽根車３３ａが取り付けられている。

ポンプ３ａの上方に、原動機１ａと、減速機２ａとが配置される。減速機２ａは、例えば直交軸傘歯車減速機であり、クラッチ２１ａと、入力軸２２ａと、傘歯車２３ａとを有する。クラッチ２１ａは、減速機２ａの入力軸２２ａと原動機１ａの出力軸１１ａとの間に設けられ、両軸を嵌合するか否かを切り替える。傘歯車２３ａは入力軸２２ａおよびポンプ３ａの主軸３１ａに接続される。クラッチ２１ａを介して原動機１ａからの動力が入力軸２２ａに伝達されると傘歯車２３ａが回転し、これに伴ってポンプ３ａの主軸３１ａが回転する。

なお、クラッチ２１ａの嵌合時間を任意に調整できるのが望ましい。そのようなクラッチ２１ａの例として、油圧クラッチや固定速用の充排油型流体継手といった湿式クラッチが挙げられる。油圧クラッチの場合、クラッチ板への導油ラインに油圧を調整する調整弁を設け、調整ネジなどにより油圧を調整することで、嵌合時間を調整できる。また、充排油型流体継手の場合、導油ラインに油圧を調整する調整弁を設け、調整ネジなどにより油圧を調整することで、あるいは、同導油ラインにクラッチの嵌合用に設けられ充排油切替弁（電動弁）の開閉時間を調整することで、嵌合時間を調整できる。

制御部４ａはクラッチ２１ａを制御する。すなわち、制御部４ａには、水位センサによって検出された吸込水槽５０の水位が入力される。そして、制御部４ａは吸込水槽５０の水位などに応じてクラッチ２１ａのオン・オフを制御し、原動機１ａの出力軸１１ａと減速機２ａの入力軸２２ａとの脱嵌を切り替える。また、制御部４ａはクラッチ２１ａの嵌合時間も制御する。

このような構成のポンプ設備１００ａにおいて、原動機１ａが起動し、その動力が減速機２ａを介してポンプ３ａの主軸３１ａに伝達されると、羽根車３３ａが回転する。これにより、吸込ベルマウス３２１ａの下端開口から吸い込まれた水はケーシング３２ａを通って吐出水槽６０に吐き出される。より具体的には、ポンプ設備１００ａは次のように動作する。

吸込水槽５０内の水位が羽根車３３ａより下方（吸込開始水位ＬＷＬ未満）に位置し、かつ、クラッチ２１ａがオフした状態で、原動機１ａが運転する。吸込水槽５０内の水位が上昇して羽根車３３ａより上方の吸込開始水位ＬＷＬに達したことが検出されると、制御部４ａはクラッチ２１ａをオンし、任意に調整した嵌合時間で原動機１ａの出力軸１１ａと減速機２ａの入力軸２２ａとを嵌合させる。これにより、ポンプ３ａの運転、より詳しくは羽根車３３ａの回転が開始し、吸込水槽５０から吐出水槽６０に排水される。

このように吸込水槽５０内の水位が羽根車３３ａより下方にある状態で原動機１ａを予め運転させておくことで、始動遅れを防止できる信頼性の高いポンプ設備１００ａとすることができる。

図１に示すように、本実施形態に係る排水システムでは、吸込水槽５０に複数のポンプ設備１００ａ，１００ｂが設けられる。そして、吸込水槽５０の水位が急増することに備え、複数のポンプ設備１００ａ，１００ｂにおけるクラッチ２１ａ，２１ｂがそれぞれオンしてポンプ３ａ，３ｂを運転させることが可能である。

各ポンプ３ａ，３ｂの容量や吸込開始水位ＬＷＬが同一である場合、各ポンプ設備１００ａ，１００ｂにおける制御部４ａ，４ｂが同時にクラッチ２１ａ，２１ｂをオンする。仮に各クラッチ２１ａ，２１ｂの嵌合時間も同一であると、ポンプ３ａ，３ｂが同時に排水を開始し、吸込水槽５０内の水位は低下する。すると、各制御部４ａ，４ｂは同時にクラッチ２１ａ，２１ｂをオフする。その結果、水位が再び上昇し、各制御部４ａ，４ｂが同時にクラッチ２１ａ，２１ｂをオンする。このように、水位の上昇および下降が繰り返される過渡現象（いわゆるサージング）が起こることがある。サージングが発生すると、原動機１ａ，１ｂ、減速機２ａ，２ｂ、ポンプ３ａ，３ｂの負荷変動が起こり、各軸の破損や劣化が懸念される。

そこで、本実施形態では、次のように各ポンプ設備１００ａ，１００ｂにおけるクラッチ２１ａ，２１ｂの嵌合時間が異なるようにする。ここで、嵌合時間とは、嵌合動作を開始してから完了するまでの時間、言い換えると、嵌合動作を開始してから排水が開始するまでの時間である。

図３は、排水システムにおけるポンプ３ａ，３ｂの動作を模式的に説明する図である。吸込水槽５０の水位が吸込開始水位ＬＷＬに達すると、各制御部４ａ，４ｂは同時にクラッチ２１ａ，２１ｂをオンする（時刻ｔ１）。より詳しくは、クラッチ２１ａ，２１ｂの嵌合を開始させる。ここで、１台目のポンプ設備１００ａにおけるクラッチ２１ａの嵌合時間をＴ１とし、２台目のポンプ設備１００ｂにおけるクラッチ２１ｂの嵌合時間をＴ２（＞Ｔ１）とする。

そうすると、時刻ｔ１から時間Ｔ１が経過した時刻ｔ２においてクラッチ２１ａの嵌合が完了し、ポンプ３ａによる排水が開始する。その後、時刻ｔ１から時間Ｔ２が経過した時刻ｔ３においてクラッチ２１ｂの嵌合が完了し、ポンプ３ｂによる排水が開始する。
このように嵌合時間に差を設けることで、排水が開始されるタイミングがずれ、サージングを抑制できる。

１台目のクラッチ２１ａは、短時間での急接合ではなく、緩嵌合とするのが望ましく、例えばクラッチ２１ａの嵌合時間Ｔ１は３秒あるいはそれ以上とする。これにより、ポンプ３ａの負荷変動が抑えられ、主軸３１ａの劣化損傷を防げる。

また、２台目のクラッチ２１ｂの嵌合時間Ｔ２は、１台目のクラッチ２１ａの嵌合時間Ｔ１より長ければよく、例えば数十秒程度とする。嵌合時間Ｔ２は状況によって適切に可変設定されるのが望ましい。

このように、本実施形態ではポンプ設備１００ａ，１００ｂにおけるクラッチ２１ａ，２１ｂの嵌合時間が互いに異なるようにする。そのため、ポンプ３ａ，３ｂの始動タイミングがずれ、サージングを抑制できる。

なお、排水システムが３以上のポンプ設備を備えていてもよい。その場合、全てのポンプ設備におけるクラッチの嵌合時間が互いに異なっていてもよいし、少なくとも２つのクラッチの嵌合時間が異なっていてもよい。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうることである。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲とすべきである。

１ａ，１ｂ 原動機
１１ａ 出力軸
２ａ 減速機
２１ａ，２１ｂ クラッチ
３ａ，３ｂ ポンプ
３１ａ 主軸
４ａ 制御部
１００ａ，１００ｂ ポンプ設備

Claims (4)

1. 複数のポンプ設備を備える排水システムであって、前記複数のポンプ設備のそれぞれは、
   出力軸を有する原動機と、
   主軸を有するポンプと、
   前記原動機の出力軸と前記ポンプの主軸とを直接または間接的に嵌合するか否かを切り替える嵌合手段と、を有し、
   あるポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間は、他のポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間と異なり、
   前記あるポンプ設備におけるポンプの容量および吸込開始水位は、前記他のポンプ設備におけるポンプの容量および吸込開始水位とそれぞれ等しい、排水システム。
2. 前記他のポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間は調整可能である、請求項１に記載の排水システム。
3. 前記あるポンプ設備における前記嵌合手段の嵌合時間は、３秒以上である、請求項１または２記載の排水システム。
4. 複数のポンプ設備を備える排水システムにおける排水方法であって、
   あるポンプ設備における原動機の出力軸とポンプの主軸とを所定の嵌合時間で直接または間接的に嵌合させるとともに、他のポンプ設備における原動機の出力軸とポンプの主軸とを前記所定の嵌合時間とは異なる嵌合時間で直接または間接的に嵌合させ、
   前記あるポンプ設備におけるポンプの容量および吸込開始水位は、前記他のポンプ設備におけるポンプの容量および吸込開始水位とそれぞれ等しい排水方法。