(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力軸が水平方向に配置された１軸型のガスタービンと、このガスタービンの出力軸に接続されガスタービンを一体的に組み込み出力軸が垂直方向の減速機と、この減速機の出力軸に接続される排水ポンプ本体とを備えた立軸ポンプであって、前記減速機は前記ガスタービンの出力軸に接続される入力軸と、この入力軸に入力された動力を複数系統に分岐する複数の中間軸と、この各系統毎に取付けられたクラッチとを備え、各クラッチをオン／オフすることにより前記ポンプ本体への動力伝達系統を変化させ、前記排水ポンプ本体のケースと前記減速機とが結合されており、前記ポンプ本体を建屋の床面に固定したことを特徴とする立軸ポンプ。
【請求項２】
前記複数の中間軸は、入力軸の回転速度から互いに異なる回転速度に減速されていることを特徴とする請求項１に記載の立軸ポンプ。
【請求項３】
前記減速機は、前記入力軸に設けた第１の小歯車と噛み合う第１の大歯車を有し、前記中間軸は減速機の中心に対しガスタービンと反対側まで延在させた複数の第１の中間軸を備え、この中間軸の中間部に前記クラッチを設けたことを特徴とする請求項２に記載の立軸ポンプ。
【請求項４】
前記減速機の出力軸はかさ大歯車を有し、前記中間軸は第２の大歯車を有する第２の中間軸を備え、この第２の大歯車は前記第１の中間軸の一端部に設けた第２の小歯車と噛み合い、さらに、前記第２の中間軸の端部にはかさ小歯車を設け、このかさ小歯車は前記かさ大歯車と噛み合うことを特徴とする請求項３に記載の立軸ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立軸ポンプ及びその駆動装置に係り、特に駆動装置としてガスタービンを用いた立軸ポンプ及びその駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排水ポンプ設備に用いられる非常用立軸ポンプの駆動機として、ディ−ゼルエンジン、電動機またはガスタ−ビンが用いられている。これまでは維持管理が比較的容易であるとの理由で、ディ−ゼルエンジンが多用されていた。しかしながら、ガスタービンを使用すると、装置全体が小形軽量化され、ポンプ機場の大きさを小さくできるとともに基礎工事を簡略化できる。また、冷却水が不要、潤滑油の消費も極めて少、負荷の変動にもすばやく対応可、等の利点があり、ガスタービン駆動方式が近年急速に普及し始めている。
【０００３】
ガスタービン駆動方式はこのような利点を有するものの、高速回転型の原動機であるから、ポンプのような低速回転の負荷を駆動するときには、大減速する必要がある。そのため、ガスタービンに減速比の大きな高速減速機を組込み、ディ−ゼルエンジンと同程度の回転数（１０００〜１８００ｒｐｍ）まで減速し、かさ歯車減速機の入力軸に結合していた。この結果、ガスタービンから駆動対象装置までの配置構成は、例えば、ガスタービンに高速減速機を取付け、この高速減速機の出力軸をカップリングを介してかさ歯車減速機に結合している。さらに、かさ歯車減速機の出力軸の回転をカップリングを介してポンプに伝え、ポンプを駆動していた。このような立軸ポンプの例が、特開平９−３２７９５号公報に記載されている。
【０００４】
また、２軸のガスタービンを用いるときに、ガスゼネレータ部のみを水平にし、出力軸を垂直にし、さらに複数台のポンプをクラッチを介して接続し、負荷に応じてポンプの運転台数を変化させることが特開平９−９６２９７、特開平９−１２５９８２号公報に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特開平９−３２７９５号公報に記載の立軸ポンプでは、高速減速機に取付けたガスタービンをかさ歯車減速機とカップリングで結合しているので、ガスタービンから駆動対象装置までの配置構成においてポンプ流れ方向の寸法が長くなり、装置の設置面積が大きくなるという不具合があった。その結果、土木構造物の建造コスト増を引き起こしていた。
【０００６】
ところで、排水ポンプ設備を小形化するためには、２軸ガスタービンを用いるよりも１軸ガスタービンを用いる方が、構造が簡単になり有利であることは明らかである。しかしながら、１軸ガスタービンにおいては、２軸ガスタービンで可能なポンプを連結したまま起動することが不可能である。また、ガスタービンの出力回転速度を可変にできないという不具合があった。そこで、上記特開平９−９６２９７、特開平９−１２５９８２号公報では、出力を可変にする利点を損なわず小型化するために、２軸のガスタービンをガスゼネレータ部と出力軸部に分けて、各々を直角配置している。しかしながら、これら公報に記載のものは、２軸のガスタービンであり、出力部のみを垂直配置しているとは言いながら、やはり装置の高さ方向の大型化及び機構の複雑化を免れていない。
【０００７】
本発明は、上記従来技術の有する不具合に鑑みなされたものであり、その目的は１軸ガスタービンを用いた排水ポンプ設備において、ポンプの運転速度を可変にすることにある。本発明の他の目的は、構造が簡単で小型のガスタービン駆動排水ポンプ設備を提供することにある。本発明のさらに他の目的は、排水ポンプの設置面積を低減したガスタービン駆動排水ポンプ設備を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、出力軸が水平方向に配置された１軸型のガスタービンと、このガスタービンの出力軸に接続されガスタービンを一体的に組み込み出力軸が垂直方向の減速機と、この減速機の出力軸に接続される排水ポンプ本体とを備えた立軸ポンプであって、減速機はガスタービンの出力軸に接続される入力軸と、この入力軸に入力された動力を複数系統に分岐する複数の中間軸と、この各系統毎に取付けられたクラッチとを備え、各クラッチをオン／オフすることによりポンプ本体への動力伝達系統を変化させ、排水ポンプ本体のケースと減速機とが結合されており、ポンプ本体を建屋の床面に固定したものである。
【００１０】
そして好ましくは、減速機は、入力軸に設けた第１の小歯車と噛み合う第１の大歯車を有し、減速機の中心に対しガスタービンと反対側まで延在させた複数の第１の中間軸を備え、この中間軸の中間部に動力伝達切換手段を設けたものである。さらに好ましくは、減速機は、第２の大歯車を有する第２の中間軸と出力軸とを備え、この第２の大歯車は第１の中間軸の一端部に設けた第２の小歯車と噛み合い、さらに、第２の中間軸の端部にはかさ小歯車を設け、このかさ小歯車は出力軸に設けたかさ大歯車とかみあうものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のいくつかの実施例を図面を用いて説明する。
図１は、本発明に係る排水ポンプ機場の一実施例の縦断面図、図２は図１で示したポンプ機場の平面図、図３はこのポンプ機場に据え付けられた排水ポンプに接続される減速機の一実施例の縦断面図、図４は図３に示した減速機の横断面図である。
【００１３】
立軸ポンプを備える排水設備では、図１に示すように、建屋内に横軸形の１軸式ガスタービン１を減速機２に一体的に組み込み、配置している。そして、減速機２は、建屋４の床面に固定された立軸ポンプ本体３のケース５に結合されている。ガスタービン１の回転軸方向は、ポンプ３内の流れ方向と直角方向に設定されている。すなわち、ポンプ３の羽根車部分は、本実施例においては建屋４の床面に形成された穴から下方に吊り下げられて給水槽１９に潜没しており、ケース５部においてポンプの流れ方向を上向きから横向きに変えている。図２に示すように、ケース５部では紙面裏面側に設けられた給水槽１９に流入した雨水等の排水は、紙面右側に設けられた吐出水槽２１へ吐出配管２０を経過して排水される。この時、ガスタービン１の回転軸は、紙面上下方向に配置されている。なお、上記配置においてはポンプ３は建屋４に固定されているが、ガスタービン１及び減速機は共に建屋４には固定されていない。しかし、ポンプ３の代わりに減速機２を建家４に固定し、ポンプ３とガスタービン１を建家４に固定しないようにしてもよい。いずれにしても、建家に固定するのはポンプ、ガスタービン、減速機の中のいずれか１つとする。
【００１４】
次に、上記排水ポンプ設備に備えられた排水ポンプに取付けられる減速機２の一実施例の構造について説明する。図３および図４に示すように、本実施例で使用される減速機２では中央部にかさ歯車が配置されており、このかさ歯車部を収容するケーシングが円筒状に形成されている。かさ大歯車１６が取付けられた回転軸は垂直方向に、かさ小歯車１５が取付けられた回転軸は水平方向に配置されている。この笠小歯車１５が取付けられた回転軸と平行に、詳細を後述する中間軸１１Ａ、１１Ｂが配置されている。
【００１５】
このような構成において、ガスタービン１の出力軸６は、減速機２の入力軸８にカップリング７を介して結合されている。減速機２の入力軸８には、円筒小歯車９が取付けられており、上述した中間軸１１Ａに取付けられた円筒大歯車１０Ａおよび中間軸１１Ｂに取付けられた円筒大歯車１０Ｂの双方に噛合って、１段目の歯車列を構成している。ここで、円筒大歯車１０Ａと円筒大歯車１０Ｂの歯数とは異ならせている。中間軸１１Ａ、１１Ｂは、ほぼかさ大歯車１６を横切って配置されており、１段目の円筒大歯車１０Ａ、１０Ｂが取付けられた軸端の他端側には、クラッチが設けられている。中間軸１１Ａ、１１Ｂは軽量化のため中空軸になっており、その両端をカップリングで接合している。カップリングのさらに反ガスタービン側には、二重軸構造の中間軸１１Ｃ、１１Ｄが夫々配置されている。この中間軸１１Ｃ、１１Ｄの内側の軸は、一端がカップリングに接続され、他端がクラッチ２４Ａ、２４Ｂの入力軸に接続されている。中間軸の外側の筒状の軸の一端は、クラッチ２４Ａ、２４Ｂの出力軸に接続されている。
【００１６】
また、外側の筒状の軸には、円筒小歯車１２Ａ、１２Ｂが軸方向中間部に取付けられている。このように構成することにより、減速機２の内部空間を有効に活用できるとともに、回転軸の捻り剛性を低くすることができる。筒状の軸に取付けられた円筒小歯車１２Ａ、１２Ｂは、ともに中間軸１４に固定された円筒大歯車１３に噛合い、２段目の円筒歯車列を構成する。
【００１７】
中間軸１４はかさ小歯車１５を軸端に備えており、出力軸１７の中間部に備えられたかさ大歯車１６とで、第３段目の減速段を構成している。この出力軸には、図示しない立軸ポンプがカップリングを介して接続される。このかさ歯車列により、出力軸１７の方向を基準面に対して垂直にすることができる。ここで、２本の中間軸１１Ａ、１１Ｂの伝達経路の減速比を、円筒大歯車１０Ａ、１０Ｂの歯数を調整することにより所定値に設定できる。例えば、中間軸１１Ａ、１１Ｃおよび円筒大歯車１１Ａを有するＡ列は、定格回転速度の１００  ％、中間軸１１Ｂ、１１Ｄおよび円筒大歯車１１Ｄを有するＢ列は、定格回転速度の７０  ％というように、ポンプ軸回転速度を２通り選択できる。なお、円筒小歯車１２Ａ、１２Ｂの歯数を調整して、減速比を変えてもよい。
【００１８】
また、入力軸８や中間軸１１Ａ〜１１Ｄ、１４、出力軸１７等の回転軸は、ころがり軸受またはすべり軸受により両端支持している。そして、これら全体をケース１８に収納している。さらに、図示しない油タンクに貯められた潤滑油を、これも図示しない油ポンプにより歯車の噛み合い部および軸受部に供給している。この油ポンプを、中間軸１４の一端部またはクラッチの一端部に設けてもよい。このようにすれば、油ポンプのための駆動源を省くことができる。
【００１９】
次に、このように構成した本実施例の動作について説明する。原動機としてのガスタービン１の回転が、カップリング７を介し減速機２の入力軸８に伝達され、減速機２が駆動される。入力軸８に伝達された動力は、１、２段目の円筒歯車列及び３段目のかさ歯車列により減速される。これとともに、回転軸の配置方向が水平方向から垂直方向に変化し、出力軸１７と立軸ポンプとがカップリングを介して接続可能になる。出力軸１７の回転は、カップリングを介しポンプ軸に伝達される。ポンプ軸が駆動されると、給水槽１９に溜まった水が吐出配管２０を経て吐出水槽２１に排出される。また、油タンクに貯められた潤滑油が、油ポンプにより歯車の噛み合い部と軸受部に供給され、歯車や軸受の焼き付きや損傷を防いでいる。
【００２０】
本実施例では、１軸式ガスタービンの短所である回転速度を可変にできないことの対策として、中間軸を２本にし各々の軸にクラッチを設け、各クラッチのオン・オフの組合せによりポンプ回転速度の２段変速を可能にしている。さらに、１軸式ガスタービンを用いたことで、減速機に一体的にマウントされたオーバーハング部の長さを大幅に短くできる。また、中間軸を減速機の中心を越えて、ガスタービンと反対側まで延在させることで、減速機の中心と減速機の入力軸の先端との距離を短くできる。
【００２１】
以上により、特に複数台のポンプが配置されたポンプ機場では、ポンプ相互の流れの干渉を避けるために必要な２台のポンプ間のスペースに、ガスタービンを配置できる。つまり、ポンプ流れ方向と直角方向にガスタービンを設置できるので、ポンプ流れ方向の設置スペースを大幅に削減でき、設置面積を縮小することができる。
【００２２】
また、立形ガスタービンを用いたときと異なり、建屋の高さ方向に必要な高さを減らすことが可能であり、設置面積と建屋高さの双方において減少させることができ、省スペース効果が大きい。さらに、減速機とガスタービンを一体的にマウントできるので、据付費を低減できる。さらに本実施例では、ガスタービンが減速機からオーバーハングする構造であるが、オーバーハング端の支持が不要なため、ガスタービンの水平方向配置の自由度が大である。そのため、例えば、ポンプ流れ方向にガスタービンの回転軸を設定することも可能であり、この場合、デッドスペースをさらに有効活用できる。また、ガスタービンに付帯していた高速減速機が不要となり、減速機の構造が簡素化される。
【００２３】
なお、上記実施例においては中間軸をＡ列、Ｂ列の２系統設ける場合について説明したが、必要に応じて３系統以上設けてもよいことは言うまでもない。また、各クラッチのオン・オフを排水量に応じて変化させるようにしてもよい。この場合、排水量を何らかの方法補で検出しておけば、リモートコントロールで排水運転を行うことも可能になる。また、減速系統の切り換え手段はクラッチに限るものではなく、機械的な切り換え手段でも電気的な切り換え手段であってもよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば１軸式ガスタービンを用いても、異なる回転速度に設定された複数の中間軸を設け、さらに各軸にクラッチ等の動力伝達切換手段を設けたので、各クラッチのオン・オフの組合せで、ポンプ回転速度を複数段階に変速できる。
また、設置面積や設置スペースが小さく、土木構造物の建造コストが安い排水ポンプ機場及びそれに用いる立軸ポンプの駆動装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るポンプ機場の縦断面図である。
【図２】図１に示したポンプ機場の平面図である。
【図３】本発明の立軸ポンプの一実施例に用いられる減速機の縦断面図である。
【図４】図３に示した減速機の横断面図である。
【符号の説明】
１…ガスタービン、２…減速機、３…ポンプ、
４…建屋、５…ケース、    ６…出力軸、
７…カップリング、８…入力軸、
９…円筒小歯車、１０Ａ、１０Ｂ…円筒大歯車、
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ…中間軸、
１２Ａ、１２Ｂ…円筒小歯車、
１３…円筒大歯車、１４…中間軸、
１５…かさ小歯車、１６…かさ大歯車、
１７…出力軸、１８…ケース、
１９…給水槽、２０…吐出配管、
２１…吐出水槽、
２４Ａ、２４Ｂ…クラッチ。
【図１】
0003612423.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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