(57)【要約】【課題】  立軸に配置されるポンプにおいて、吸込ケーシングにおける水中渦の発達の防止とポンプの効率の低下の防止とを両立させる。【解決手段】  立軸ポンプの吸込ケーシング１は、立軸に配置されたポンプの下方に位置し、横方向に流れる流れが縦方向に変わるようにコンクリートで形成されている。そして、底部が吸込ケーシングの底面に固定され、ポンプの吸込口に対向して配置されるセンターコーンと、吸込ケーシングの流れ方向一方端に一端側が接続され他端側がセンターコーンに接続された平板状の剥離防止板とを有する。センターコーンは、吸込ケーシングの底面から直立した錐状であって上方に行くに従いその半径が漸減する。剥離防止板は、センターコーンの下流側に旋回流れが発生するのを抑制するのに十分な厚さを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
立軸に配置されたポンプの下方に位置し、横方向に流れる流れが縦方向に変わるように形成した立軸ポンプのコンクリート製の吸込ケーシングにおいて、
底部が吸込ケーシングの底面に固定され、前記ポンプの吸込口に対向して配置されるセンターコーンと、吸込ケーシングの流れ方向一方端に一端側が接続された端側が前記センターコーンに接続された平板状の剥離防止板とを有し、前記センターコーンは吸込ケーシングの底面から直立した錐状であって上方に行くに従いその半径が漸減し、前記剥離防止板の厚さは前記センターコーンの下流側に旋回流れが発生するのを抑制する厚さとしたことを特徴とする吸込ケーシング。
【請求項２】
前記剥離防止板の厚さは、前記センターコーンに対向して設けられるポンプが有する羽根車の吸込み端部におけるハブ径以下であってこのハブ径の１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載の吸込ケーシング。
【請求項３】
前記剥離防止板の厚さは、前記センターコーンの上部に設けた円柱部の径以下であってこの円柱部径の１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載の吸込ケーシング。
【請求項４】
前記剥離防止板の厚さは、ポンプ吸込口と羽根車間の最小径の１５％〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の吸込ケーシング。
【請求項５】
前記剥離防止板の前記センターコーン接続端とは反対端の形状がベルマウス形状となっていることを特徴とする請求項１に記載の吸込ケーシング。
【請求項６】
前記剥離防止板の上端部に、上方に行くに従いその厚さを左右両側から減少させるテーパ面を形成したことを特徴とする請求項１に記載の吸込ケーシング。
【請求項７】
請求項1ないし請求項６のいずれか１項に記載の吸込ケーシングと組み合わせて用いることを特徴とする立軸ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプ装置に用いる吸込ケーシングおよびこの吸込ケーシングを備えた立軸ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の吸込水槽の例が、特許文献１に記載されている。この公報に記載のクローズ型ポンプ吸込水槽においては、ポンプ吸込口近傍の流速を高速化しても、水中渦が発生しないように、吸込水槽の床面からポンプの吸込口に向けて水平方向断面積が漸減する突起物を、ポンプの吸込口に対向させて設けている。さらに、流れ方向に対して対称で、しかも下流側に向けて開き角度３０°〜１００°の範囲に、２枚の平板をほぼＶ字型に配置している。
【０００３】
従来の吸込水路の例が、特許文献２に記載されている。この公報に記載の吸込水路はコンクリートで作られており、その終端部近傍には立軸ポンプの吸込口が配置されている。吸込口は傘型の環状膨出部に取り囲まれており、吸込口の下方には底面から吸込口に向けて径が減少する切頭円錐形状の突起が配置されている。さらに、吸込水路の終端部側には、平板状の仕切り体が設けられている。
【０００４】
さらに特許文献３には、下向きに配置した吸込ベルマウスの直下に十字状のバッフルを取り付けたポンプを、ポンプ設置水槽に吊り下げ配置することが記載されている。そして、吸込みベルマウスの直下におけるポンプ設置水槽の後壁に対向する領域に、ほぼ半円形のパンチングメタル製の水中渦発生防止部材を配置している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１３６９４号公報
【特許文献２】特開平６−１３７２９９号公報
【特許文献３】特開２００４−２７０４７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載のように、傘型の環状膨出部を備えたコンクリート構造の吸込みケーシングにすると、吸込ベンドを有する吸込み水槽に比べて施工時の掘削深さが浅くて済むためコスト低減が可能である。近年、このコンクリート構造の吸込ケーシングを用いて、さらなるコスト低減が求められており、従来よりも吸込流路の幅を減少し、かつ、機場底面深さを小さくして、ポンプ機場の掘削量を削減している。その結果、ポンプの吸込流量を維持するために、吸込ケーシング内の流速が増大している。
【０００７】
吸込ケーシング内が高流速化すると、吸込流路における損失が増加しやすくなる。また、中心渦の発生を抑制するためにポンプの吸込口に対向して切頭円筒状の突起、すなわちセンターコーンが多く配置されるが、このセンターコーンを通過する流れの剥離と、背面側の流れとの剪断流れにより旋回流れが発生する。この旋回流れは、流れの高流速化に伴い、渦中心に空洞を伴った水中渦に発達する恐れがある。発達した水中渦がポンプの羽根車と干渉すると、ポンプの振動や騒音が増大し、最悪の場合にはポンプの運転に支障をきたす。
【０００８】
そこで、上記特許文献１に記載のポンプ吸込水槽では、水中渦防止装置として２枚の整流板を設けている。しかしながら整流板を設けると、流水部の面積が小さくなり流速が増大する。さらに、吸込ケーシングの壁面と仕切り板の間に隙間が形成されるので、整流板の背面側に回り込んだ流れが剥離する、または回り込んだ流れ同士が衝突して流れの乱れが生じる。つまり、吸込形状をベルマウス形状にして整流された流れを流入させ、効率向上を図っているが、吸込部に乱れた流れが流入すると、上流の整流された流れが保持されず、効率低下を引き起こす。
【０００９】
上記特許文献２に記載の吸込水路装置では、吸込流路の上流側と下流側の両方に仕切り体を設置しているので仕切り体分だけ濡れ縁面積が増加する。濡れ縁面積の増加による摩擦損失の増大と吸込水路内の流れの高速化との双方により、流体損失が増大する恐れがある。特にこの公報では、ポンプの効率改善を主眼としており、水中渦の発生について考慮されていないので、仕切り体の厚さも考慮されていない。もし厚さが薄くなると、センターコーンの背面側に回り込んだ旋回流れの発達が促進され、水中渦にまで発達する恐れが生じる。
【００１０】
上記特許文献３に記載のポンプの渦防止装置は、パンチングメタルを通過する際に旋回流れが干渉することにより水中渦に発達するのを防止できるとともに、ポンプの更新等では固定建造物の変更をしなくて済むので有効であると思われる。しかしながら、パンチングメタルを通過するときの摩擦損失を無視し得ず、ポンプの効率低下を引き起こす恐れがある。
【００１１】
上記いずれの従来技術においても、ポンプ吸込口における水中渦の発達を防止する点または効率向上のいずれかについては着目している。しかしながら、水中渦の発達の防止とポンプの効率低下の回避とを同時に両立させることについては、十分には考慮されていない。
【００１２】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、立軸に配置されるポンプにおいて、吸込ケーシングにおける水中渦の発達の防止とポンプの効率の低下の防止とを両立させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成する本発明の特徴は、立軸に配置されたポンプの下方に位置し、横方向に流れる流れが縦方向に変わるように形成した立軸ポンプのコンクリート製の吸込ケーシングにおいて、底部が吸込ケーシングの底面に固定され、前記ポンプの吸込口に対向して配置されるセンターコーンと、吸込ケーシングの流れ方向一方端に一端側が接続された端側が前記センターコーンに接続された平板状の剥離防止板とを有し、前記センターコーンは吸込ケーシングの底面から直立した錐状であって上方に行くに従いその半径が漸減し、前記剥離防止板の厚さは前記センターコーンの下流側に旋回流れが発生するのを抑制する厚さとしたことにある。
【００１４】
そしてこの特徴において、前記剥離防止板の厚さは、前記センターコーンに対向して設けられるポンプが有する羽根車の吸込み端部におけるハブ径または前記センターコーンの上部に設けた円柱部の径以下であってこのハブ径または前記センターコーンの円柱部径の１／２以上であるのがよく、前記剥離防止板の前記センターコーン接続端とは反対端の形状がベルマウス形状となっていることが望ましい。また、前記剥離防止板の上端部に、上方に行くに従いその厚さを左右両側から減少させるテーパ面を形成してもよい。
【００１５】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、上記いずれかの吸込ケーシングと立軸ポンプが組み合わせて用いられることにある。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、立軸ポンプが設置されるコンクリート製の吸込ケーシングにおいて、立軸ポンプに対向し底面から上方に直立したコーン状のセンターコーンと、このセンターコーンと吸込ケーシングの流れ方向下流端とを接続する、平板状の旋回流れ発生防止用の剥離防止板を設けたので、吸込ケーシングにおける水中渦の発達の防止とポンプの効率の低下の防止とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るポンプ装置の一実施例の縦断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図。
【図３】水中渦を説明する図であって、ポンプ装置の縦断面図。
【図４】旋回流れを説明する図であって、ポンプ装置の横断面図。
【図５】ポンプ装置内の流れを説明する図であって、ポンプ装置の横断面図。
【図６】本発明に係る吸込ケーシングの他の実施例に用いる整流板の断面図。
【図７】剥離防止板の板厚とポンプ効率および水中渦発生頻度の関係を説明するグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係るポンプ装置１００のいくつかの実施例を、図面を用いて説明する。図１に、本発明に係るポンプ装置１００の一実施例を縦断面図で示す。図２に、図１のＡ−Ａ矢視図を示す。ポンプ装置１００は、横方向に流れる流路を形成するコンクリート製の吸込ケーシング１と、この吸込ケーシング１の上方に配置された立軸ポンプ５０を備えている。
【００１９】
図１、図２に示すように、吸込ケーシング１では右側から左側へ水が流入する。吸込ケーシング１のさらに右側は開流路になっており、途中から天井１０を有する閉流路になっている。すなわち、吸込ケーシング１の底面１６にほぼ平行な平行部１０ａを有する天井１０が、ポンプ５０の吸込流路を形成するように設けられている。天井１０は、平行部１０ａに引き続いて流路を絞る傾斜部１０ｂを有しており、傾斜部１０ｂは、ベルマウス形状をしたポンプ５０の吸込口２に連続している。
【００２０】
図１、２で示した吸込ケーシング１の左端側は、ベルマウス２を筒状に下方に延ばした形状に形成され下流側壁面４を形成している。吸込ケーシング１の幅方向ほぼ中央部であって下流側壁面４に、突起部１２が形成されている。突起部１２から吸込ケーシング１の幅方向両側に、吸込ケーシング１の閉塞部４ａおよび移行部４ｂが形成されており、吸込ケーシング１の幅を規定する上流側壁面１５に連接している。突起部１２は、吸込ケーシング１の左右両壁面１５に沿って流れる流れが、流動損失が少ない状態でポンプ５０に流入できるよう、閉塞部４ａに滑らかに接続する形状(テーパ形状)となっている。
【００２１】
ベルマウス２の中央部には、センターコーン５が配置されている。センターコーン５は、このセンターコーン５に対向して配置される立軸ポンプ５０へ水が流入する際に、中心渦が発生するのを抑制するために配置されている。そしてポンプ５０への水の流入が滑らかになるように、センターコーン５は、吸込ケーシングの底面１６から所定高さまで、徐々にその半径を減少させるスカート部(錐状部)５ｂと、このスカート部(錐状部)５ｂに連続しスカート部(錐状部)５ｂの上方に形成された円柱部５ａとから構成されている。なお、円柱部の直径はｄ０である。
【００２２】
センターコーン５の上方には、このセンターコーン５と同心であって僅かな距離を置いて、立軸ポンプ５０が配置されている。立軸ポンプ５０では、先端部に斜流羽根車３が取り付けられ、上下方向に延びる回転軸３４を図示しない電動機等の原動機が回転駆動することで、吸込ケーシング１から水を吸込む。羽根車３から吸込まれた水は、案内羽根３２で流れを整流され、吐出しエルボ３３を経て、吐出口３５から機外へ吐出される。回転軸３４の先端側は、羽根車３のハブ面を形成するボス部３１に接続されている。なお、本実施例では、立軸ポンプ５０として斜流ポンプを示したが、立軸ポンプ５０は斜流ポンプに限るものではなく、軸流ポンプでもよい。
【００２３】
ここで本発明の特徴的な構成として、吸込ケーシング１の最下流側に形成した突起部１２とセンターコーン５間を、剥離防止板６で閉塞している。すなわち、比較的厚板の平板状の剥離防止板６は、突起部１２側ではほぼ垂直な接続端６ａで突起部１２に隙間なく接続され、その上方ではベルマウス２の形状に合致した形状の接続端６ｂでベルマウス２に隙間なく接続され、センターコーン５側では底面１６からセンターコーン５の形状に応じた形状の接続端６ｃでセンターコーン５に隙間なく接続されている。したがって、吸込ケーシング１の上流側から流入した流れは、剥離防止板６で仕切られたセンターコーン５部で２つの別々の流れを形成する。
【００２４】
このように構成した本発明に係る吸込ケーシング１を有する立軸ポンプ５０では、吸込ケーシング１内を横方向に、流体(水)が移動する。吸込ケーシング１に流入した流体は、ほぼ９０度向きを変えて、吸込ケーシング１の上方に対向して配置された立軸ポンプ５０の吸込口(ベルマウス)２に達する。その後、立軸ポンプ５０の吸込口２の下流側(上方)に設けられた羽根車３に流入する。
【００２５】
吸込ケーシング１の吸込口(ベルマウス)２と同軸であって吸込口２の下方に、水平断面積が漸減するセンターコーン５を設置したので、吸込みケーシング２内を横方向に流れてきた流体を上向きの流れに滑らかに変化させることができる。なお、センターコーン５は、吸込口２と同心であって上方に行くに従い滑らかに水平断面積が減少する円弧形状や自由曲線のスカート部５ｂとしているが、スカート部５ｂは、滑らかな曲線を近似する複数の切頭円錐を接続した形状としてもよい。
【００２６】
ところで、ポンプ機場のコンパクト化の要求に伴い吸込ケーシング１内の流体が高流速化している。その結果、流速の二乗に比例して増加する流体の流動損失が増加し、ポンプ効率が低下する傾向にある。また、吸込ケーシング１内の流体の速度が上昇したので、水中渦が発生する恐れが増大している。
【００２７】
図３及び図４に、水中渦８の発生パターンを模式的に示す。立軸ポンプ５０の吸込口(ベルマウス)２に中心渦が発生するのを防止するために、センターコーン５を配置した場合である。センターコーン５は、上記実施例と同様に、吸込ケーシング１の底面１６側にスカート部５ｂをその上側に円柱部５ａを有しており、ポンプ５０とは同心であってわずかな距離を置いて配置されている。
【００２８】
吸込ケーシング１内に流入した流れは、立軸ポンプ５０の回転軸を電動機が駆動して発生した揚水力により、ポンプ５０の羽根車３側に導かれる。その際、流れの一部はセンターコーン５を通過して、センターコーン５の円柱部５ａの背面側（下流側壁面４側）に回り込む。そして、センターコーン５を通過する流れの剥離と、背面側の流れとの剪断流れにより旋回流れ９を発生させる。この旋回流れ９が発達すると、水中渦８となって羽根車３内に流れ込む。この水中渦は、ポンプ５０に振動・騒音を発生させるだけでなく、流れの乱れに起因してポンプ５０の効率も低下させる。
【００２９】
さらに、図５に示すように、吸込みケーシングの上流側壁面１５に沿い、センターコーン５から離れた位置からポンプ５０の吸込口２に流入した左右壁面沿い流れ２０は、センターコーン５の背面側で衝突し、乱れた流れを形成する。そして乱れた流れのままで、羽根車３に流入し、ポンプ５０の性能低下の一因となる。
【００３０】
そこで、ポンプ５０の効率低下を防止するためには、吸込ケーシング１からポンプ５０の吸込口２間に生じた乱れた流れに起因する損失を低減させる、すなわち、吸込ケーシング１からポンプ吸込口２間の流れをできる限り乱すことなく羽根車３に導くことが必要となる。また、吸込ケーシング１の下流側壁面４やセンターコーン５の表面における濡れ縁面積を低減して、摩擦損失を低減させることも必要である。
【００３１】
一方、水中渦８の発生を防止するためには、センターコーン５の背面、特に円柱部５ａの背面に生じる旋回流れを抑制することが、重要である。上述したように、旋回流れの発生は、センターコーン５における流れの剥離が原因であるから、センターコーン５の背面側（下流側壁面４側）に剥離領域を形成させないようにする、つまり、センターコーン５の背面側に流れが流れ込まないようにするのがよい。
【００３２】
そこで本発明では、センターコーン１の円柱部５ａの背面側（下流側壁面４側）に顕著である旋回流れの発生を抑制するために、センターコーン１の円柱部５ａと同程度の厚みの剥離防止板６を設けて円柱部５ａの背面側へ剥離した流れが流れ込むのを防止する。なお、センターコーン５の背面側（下流側壁面４側）に剥離流が流れ込む領域を、円柱部５ａの径の１／２程度まで減少させれば実質的に旋回流れが抑制されるので、剥離防止板６の厚さθは、θ＝１／２ｄ０〜ｄ０とする。
【００３３】
ここで、センターコーン５の円柱部５ａの径ｄ０は、ポンプ５０の羽根車３へ乱れが少なく流れが流入するように、羽根車３の吸込口のハブ側径ｄ１ｈとほぼ同じ径にしている。したがって、整流板の厚さθは、θ＝１／２ｄ１ｈ〜ｄ１ｈとしてもよい。
【００３４】
従来の吸込水路では、特許文献２に記載のように、流れの滑らかな流動に注目して、センターコーン５に取り付ける仕切り板の厚さを、センターコーンの径に比べて十分薄い板厚としている。例えば、ポンプ吸込口２から羽根車３間の最小径Ｄの１０％以下の厚さとしている。このように、センターコーン５の上流側と下流側に薄い仕切り体を設置した場合、センターコーン５の背面部に形成されるおそれがある剥離領域を仕切り体が埋めていないので、センターコーン５で剥離した流れが回り込み、水中渦の発生が懸念される。
【００３５】
本発明では、吸込ケーシング内１に剥離防止板６を設けているので、吸込ケーシング１の下流側壁面４とセンターコーン５間の流路が仕切られ、左右壁面に沿う流れの衝突が防止される。また、剥離防止板６はセンターコーン５の特に円柱部５ａで顕著な、流れの剥離を防止するのに十分な厚みとなっているので、旋回流れから生じる水中渦の発生を抑制できる。
【００３６】
剥離防止板６の厚さθを上記いずれかの厚さとすれば、センターコーン５の背面側に形成されるおそれのある剥離領域を潰すことができ、水中渦８の発生を防止できる。ポンプ５０の運転条件によって、仮に旋回流れ９が発生したとしても、剥離防止板６が十分な厚みを有しているので、旋回流れ９が剥離防止板６と干渉し、水中渦８に発達するのを防止できる。旋回流れ９が抑制されたので、羽根車３に流入する流れが整流され、ポンプ５０の効率低下を抑制できる。
【００３７】
吸込ケーシング１が有する下流側壁面４の流路幅方向中央の位置に形成した突起部１２は、横断面形状が台形であり、両側部が上流側に傾斜した傾斜面１２ａである。突起部１２は剥離防止板６と連結されており、センターコーン５の背面側に回り込んだ流れが滞留するのを防止する。これにより、ポンプ５０の効率低下が抑制される。なお本実施例では、突起部１２は台形状としたが、傾斜面１２ａの形状を円弧形状や自由曲線からなる形状としても同様の効果が得られる。
【００３８】
図６に剥離防止板６の他の実施例を示す。この実施例では、剥離防止板６の上端部にテーパ面７を形成している。テーパ面７を形成すると、ポンプ５０への吸込流れとしての上昇流により、剥離防止板６の上部に発生する恐れのある剥離を、より確実に防止できる。水中渦の発生や乱れた流れが羽根車に流入して、ポンプ５０の効率が低下するのを防止できる。このように、剥離防止板６の上部にテーパ面７を形成したので、テーパ面７に沿って流体が流れ、剥離が抑制される。なお、本実施例では剥離防止板６の上端部に、テーパ面７を形成したが、円弧形状や自由曲線からなる形状としても同様の効果が得られる。
【００３９】
図７に、剥離防止板６の板厚θとポンプ５０の効率η、水中渦発生頻度ｆｑの関係をグラフで示す。剥離防止板６の板厚θは、ポンプ吸込口２と羽根車３間における最小径Ｄとで対比している。剥離防止板６の板厚θが、ポンプ吸込口２と羽根車３間の最小径Ｄの１５％以下（θ＜０．１５Ｄ）であると、センターコーン５の背面部から発生する旋回流れ９を抑制できず、水中渦に発達する頻度が上昇する。
【００４０】
これとは逆に、剥離防止板６の板厚θが厚くなり過ぎる（θ＞０．３Ｄ）と、吸込ケーシング１からポンプ吸込口２へ流れる上昇流の流路幅（円周方向幅）が狭くなり、羽根車３への流入速度が大きくなり過ぎ、吸込流路内の損失が増加する。その結果、ポンプ５０の効率が低下する。したがって、剥離防止板６の板厚θは、ポンプ吸込口２と羽根車３との間における最小径Ｄの、１５％〜３０％が有効である。
【００４１】
以上説明したように、本発明に係る剥離防止板６を１枚設置するだけで、ポンプ効率の低下を抑制でき、かつ水中渦８の発生を防止できる。従来、ポンプ効率の低下防止のため、および水中渦の発生防止のために、個別に部品や装置を設けていたが、本発明によれば、双方の課題を１枚の剥離防止板で解決できるので、部品点数を削減することができる。これにより、コスト低減及び吸込ケーシングのコンパクト化を実現できる。
【符号の説明】
【００４２】
１…吸込ケーシング、２…ポンプ吸込口(ベルマウス)、３…羽根車、４…吸込ケーシング下流側壁面、４ａ…閉塞部、４ｂ…移行部、５…センターコーン、５ａ…円柱部、５ｂ…スカート部(錐状部)、６…剥離防止板、６ａ…接続端(突起部側)、６ｂ…接続端(ベルマウス側)、６ｃ…接続端(センターコーン側)、７…テーパ面、８…水中渦、９…旋回流れ、１０…天井壁面、１０ａ…水平部、１０ｂ…傾斜部、１１…衝突流れ、１２…吸込ケーシングの突起部、１２ａ…傾斜面、１５…上流側壁面、１６…底面、２０…左右壁面沿い流れ、３１…ボス部、３２…案内羽根、３３…吐出しエルボ、３４…回転軸、３５…吐出口、５０…（立軸）ポンプ、１００…ポンプ装置、ｄ０…センターコーンの円柱部径、Ｄ…羽根車の吸込口径。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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