(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動するためのモータユニットと、
前記モータユニットの外周に前記モータユニットの駆動軸線と同芯に配置され、前記モータユニットとの間で環状の隙間が形成されるガイドケーシングとからなる高速ゲートポンプであって、
ポンプアップされる水が流入する側に前記モータユニットを配置し、前記隙間が前記駆動軸線と略平行な周面を備えた環状隙間と、
前記環状隙間と連続するテーパー孔と、
前記テーパー孔には、吸入される水に旋回流れを与えるために配置された前置案内羽根と、
前記モータユニットに連結され、前記前置案内羽根から送られる水を前記前置案内羽根とは逆方向の旋回を与える羽根車と、
前記羽根車でポンプアップされた水を案内し、テーパー状の内孔が形成された吐出管と
からなることを特徴とする高速ゲートポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の高速ゲートポンプにおいて、
前記羽根車の中心軸線が水平線と角度をなし、前記モータユニットが前記羽根車より下方に位置するように配置されている
ことを特徴とする高速ゲートポンプ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の高速ゲートポンプにおいて、
前記吐出管の先端面に揺動自在に配置され、前記羽根車からの吐出時にのみ前記吐出管を開放するフラップ弁と
からなることを特徴とする高速ゲートポンプ。
【請求項４】
請求項１ないし３から選択される１項に記載の高速ゲートポンプにおいて、
前記ガイドケーシングの開口側の上部に一端が固定され水平方向と角度を成して、かつ前記吐出管側が高くなるように配置されたカバーと
からなることを特徴とする高速ゲートポンプ。
【請求項５】
請求項１ないし４から選択される１項に記載の高速ゲートポンプにおいて、
前記モータユニットの略重心位置で連結した上下駆動部材で上下駆動するようにした
ことを特徴とする高速ゲートポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の高速ゲートポンプにおいて、
前記高速ゲートポンプは、前記高速ゲートポンプが吐出する側の前記扉体に配置されている
ことを特徴とする高速ゲートポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速ゲートポンプに関する。更に詳しくは、河川等を横断して設けられる水門の扉体に固定配置した水中ポンプである高速ゲートポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
水門の扉体に直接配置した水中ポンプ、即ちゲートポンプ（本出願人の登録商標）は、種々提案されている。このゲートポンプは一般に吸込みベルマウス、羽根車、後置案内羽根及び吐き出しケーシング、吐き出しフラップ弁等から構成される。ゲートの扉体へのポンプの搭載形式としては次の３つの形式が知られている。扉体の上流側側面にポンプを配置する縦軸形式、ゲートの内部にポンプを配置するゲート内蔵形式、ポンプの回転軸を水平に配置した横軸形式である。
【０００３】
縦軸形式は、桁構造のゲートに立軸の水中ポンプをエルボ形のケーシングを介して取り付ける方式である。この方式は、ゲートおよびポンプは特殊な構造は必要なく製作が簡単である等の利点がある。しかしながら、水路幅が高速ゲートポンプ２台付の場合、通常口径の６倍必要とされる、吸込側水深は通常、口径の約２．６倍必要とされる。
【０００４】
また、ゲート内蔵形式は、ゲート扉体の内に水中ポンプが内臓されており、吐き出し口を下流側に開口している形式である。このゲート内蔵形式は、ゲートポンプ全体の形状はバランスのよい形状をしている、扉体の厚みが大きくなる、扉体の内部に横方向の主桁が配置できないので大型の場合、強度設計がやりにくい、水路の寸法はゲート取り付け形式にほぼ同じにとれる、等の特徴がある。
【０００５】
横軸形式（例えば、特開平１１ー１６６４９６号）は、アウタロータ型の水中モータポンプを横軸（水平方向）に取り付けたタイプである。モータ軸が横軸でこの横軸に水の流れ込み方向と開口の向きが一致しているので、水路の流れ込み流速度を上げることができ水路幅を狭くできる、モータのフレームの外周に羽根車が取り付けてあるので軸方向寸法を短く出来る、羽根車外径が大きくなるので、キャビテーションに対して不利であり、したがってモータの極数が大きくなり、大容量化に限界がある、吸込み口径が大きくなり、それ以下の低水位運転は不可能となる、等の特徴がある。
【０００６】
一方、軸流ポンプの場合、（揚排水技術基準によると）一般に比速度Ｎｓは１３００〜２０００とされる。この場合、低揚程大口径のポンプだと低速度回転のためモータの極数が大きくなり、それに伴い全体が大きくなる。モーターの極数が大きくなればなるほどモーター効率、モーターカ率が低下するので、２０極程度が実用上の限界となり、したがってポンプの大口径製作には限界がある。
【０００７】
例えば、吐出し量Ｑ＝９０ｍ３／ｍｉｎ、全揚程＝２ｍ、のポンプをＮｓ＝２０００で設計すると、回転数Ｎは３５４ｒｐｍとなる。これは６０Ｈｚの電源の場合、２０極に相当するので、このポンプ容量でほぼ限界となる。
【０００８】
次に、軸流ポンプで後置案内羽根形式のものは、機械加工が困難な案内羽根のねじれを製作する必要上、一般に鋳造加工で作られので木型等の製作費がかさむうえ、鋳造品は重量が重くなる。また、後置案内羽根を無くせば寸法、重量ともに小さくなるがポンプ効率が悪くなり、所要動力が大きくなる。従って、モーター寸法の増大を招き、結果として小型軽量化が出来ないばかりか設備全体のコストアップになる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特にゲートポンプは、ゲートの内水側から外水側へ直線的に水を移動させるほうが、水路の流れ込み方向と吸込み及び吐き出し方向が一致するので損失が少ないので望ましい。しかしながら従来のポンプを単に横軸にしただけでは、全体が大きく、重量がかさみ、特に横長になりすぎてゲートに取り付けたときバランスが悪い。
本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成する。
本発明の目的は、ゲートポンプに必要とされる低揚程で小型軽量の高速ゲートポンプを提供することにある。
本発明の他の目的は、ゲートポンプに必要とされる低揚程で構造が簡単な高速ゲートポンプを提供することにある。
本発明の更に他の目的は、比速度が大きく外形寸法を小さくした大容量のゲートポンプを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の高速ゲートポンプは、回転駆動するためのモータユニットと、前記モータユニットの外周に前記モータユニットの駆動軸線と同芯に配置され、前記モータユニットとの間で環状の隙間が形成されるガイドケーシングとからなる高速ゲートポンプであって、ポンプアップされる水が流入する側にモータユニットを配置し、前記隙間が前記駆動軸線と略平行な周面を備えた環状隙間と、前記環状隙間と連続するテーパー孔と、前記テーパー孔には、吸入される水に旋回流れを与えるために配置された前置案内羽根と、前記モータユニットに連結され、前記前置案内羽根から送られる水を前記前置案内羽根とは逆方向の旋回を与える羽根車と、前記羽根車でポンプアップされた水を案内し、テーパー状の内孔が形成された吐出管とからなる。
【００１１】
前記高速ゲートポンプは、前記羽根車の中心軸線が水平線と角度をなし、前記モータユニットが前記羽根車より下方に位置するように配置したものでも良い。
【００１２】
前記吐出管の先端面に揺動自在に配置され、前記羽根車からの吐出時にのみ前記吐出管を開放するフラップ弁とからなると良い。前記ガイドケーシングの開口側の上部に一端が固定され水平方向と角度を成して、かつ前記吐出管側が高くなるように配置されたカバーを配置すると良い。
【００１３】
前記高速ゲートポンプは、前記モータユニットの略重心位置で上下駆動手段により上下駆動するようにしたものでも良い。また、前記高速ゲートポンプは、ポンプアップされた水が吐出する側の扉体に配置されたものでも良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１を図面に従って説明する。図１は、本発明の高速ゲートポンプを示す一部断面の側面図である。扉体１は、ゲートを構成する堰である。本実施の形態ではこのゲートの一種であるローラーゲートを構成する扉体１に高速ゲートポンプ２が配置固定されている。扉体１の裏面の両端が戸みぞの中を上下して支持され、かつ水圧を受け止める。この水圧を受け止めるために扉体１の裏面で戸みぞと接する部分には、ローラ（図示せず）が固定配置されている。これらの構造、機能は周知技術でありその説明は省略する。
【００１５】
扉体１の側面の一方の面である流入側には、ポンプ固定板３がボルト４で固定されている。なお、この固定は溶接で固定するものであっても良い。ポンプ固定板３は、本発明の高速ゲートポンプ２を扉体１に着脱自在に固定するためのものであり、矩形で所定の肉厚を備えた固定板である。ポンプ固定板３の中央部には、開口５が形成されている。開口５は、ポンプアップされた水を通すための貫通孔である。
【００１６】
開口５の水の流入側（通常は上流側となる。）には、ガイドケーシング６が固定配置されている。ガイドケーシング６は、高速ゲートポンプ２を構成する外側の本体である。ガイドケーシング６は、外形が環状部７とこれと一体で連続するテーパー部８とからなる。ガイドケーシング６の前方には、固定フランジ９が一体に形成されて、後方は環状の隙間でテーパー部８に連通する開口３２を有している。開口３２は流入側から水を吸い込むためのものである。複数のボルト１０により、ポンプ固定板３に固定フランジ９を固定することにより高速ゲートポンプ２は扉体１に固定される。
【００１７】
環状部７の環状内孔１１は、内径寸法が変わらないストレート部分である。環状部７に連続するテーパー部８のテーパー内孔１２は、環状内孔１１と連続するテーパーを備えた円筒孔である。テーパー内孔１２のテーパー角度は、本例では１８度に形成されている。このテーパー角度は、後述するように前置案内羽根１５の形状等の設計によって異なるものであり、決まった値ではではない。テーパー内孔１２は、ガイドケーシング６の環状内孔１１に流入した水をテーパー内孔１２に案内して、速度を早くするためのものである。
【００１８】
テーパー内孔１２の内周面には、本例では等角度位置に６枚の前置案内羽根１５が配置されている。前置案内羽根１５は、中心軸線の方向にリード角を成している。環状内孔１１から流入した水にそのリード角に応じた旋回運動を与える。前置案内羽根１５と一体に連結され、その中心位置には、外形が円筒状のモータユニット取付部２０が配置されている。従って、前置案内羽根１５は、水に旋回運動を与えると共に、モータユニット２１を固定する機能も備えている。
【００１９】
モータユニット取付部２０は、外形はテーパー内孔１２とほぼ同一のテーパーが形成され、その内部は空洞である。モータユニット取付部２０とモータユニット２１とは、ボルト２２でモータユニット取付部２０の後端部に固定されている。前置案内羽根１５は、開口３２に流入してくる水に対して後述する羽根車２７と逆方向の旋回流れを与えるものである。
【００２０】
モータユニット２１は、かご形誘導電動機が内蔵されており電力で回転駆動力を発生する電動機である。本例では、従来のかご形誘導電動機の磁極の極数を減らして回転数が大きくなるようにしたものであり、比速度ＮＳ２０００〜３０００増加させた。モータユニット２１は、ケーシングケーブル保護管２３に収納された電力線から電力が供給される。モータユニット２１の出力軸の外周には、メカニカルシール等のシール部材（図示せず）が配置され、モータユニット２１の内部に水が浸入しないように配置されている。
【００２１】
このモータユニット２１の出力軸には、羽根車ハブ２５がキー固定されている。羽根車ハブ２５の外周には、本例では外周に等角度間隔に４枚（２〜３枚であっても良い。）の羽根２６が配置されている。羽根車ハブ２５と羽根２６とで羽根車２７を構成する。モータユニット２１により羽根車２７は回転駆動される。羽根車ハブ２５の前方には、前方が丸く形成された曲面を備え、先端面が平らな羽根車ボス２８がボルト（図示せず。）でモータユニット２１の出力軸に固定されている。
【００２２】
高い比速度を確保するために、羽根車ボス２８の直径（ｄ）を小さく設計し、開口５の直径（Ｄ）との直径比、即ちボス比（ｄ／Ｄ）を小さくしてボス流路面積を広くしている。羽根車２７は、後述するように前置案内羽根１５の旋回流れを受けた後、必要とされる所要揚程を発生すると同時に、後流に羽根車２７と順方向の旋回流れを残す。羽根車２７による旋回流れの大きさは、後述する円錐拡大管である吐出管３５での損失が最も少なくなるように適切な旋回量となるような値である。
【００２３】
他方、ガイドケーシング６の後端面の上部には、カバー３０の一端がボルト３１により固定されている。カバー３０は矩形の板材であり、水面が低下ししたときに空気を吸い込む確率を低下させる。即ち、高速ゲートポンプが作動しているとき、吸い込み口であるガイドケーシング６の開口３２の付近の水位が低下する。この水位低下により空気を吸い込み、有害な振動を発生させ、ポンプ効率を低下させるので、水面付近をカバーして空気が開口３２に流入するのを防ぐためのものである。又、水面状に浮かぶゴミ等を吸い込まないように排除するための機能もある。
【００２４】
開口５の前方には、吐出管３５が配置固定されている。吐出管３５は管状で前方に拡がった円錐拡大管、即ちテーパー管である。吐出管３５のテーパー内孔３６は、本実施の形態ではテーパー内孔３６のテーパー角度は１８度である。キャビテーションが発生しないように、かつ高い比速度が得られるように羽根車２７を設計をした場合、通常は羽根車２７の外径はポンプの呼び径である吐出口径より小さくなる。
【００２５】
従って、吐出管３５のテーパー内孔３６は、なるべく圧力損失のないようにする必要がある。このため通常は、６°〜１２°の緩やかなテーパーが望ましいが、本例の場合は適度な旋回流れの効果で１２°〜２０°の急なテーパーで同等な効果が得られる。
【００２６】
即ち、羽根車２７から送り出される後流は、全圧に対する動圧の割合が大きくなるので効率を良くするためには、この動圧をできるだけ静圧に変換することが必要となる。この変換機能を果たすのが吐出管３５の機能である。吐出管３５は、適度な旋回流れの効果で軸方向長さを短く保ちながら、しかも良好な圧力回復を実現することが出来る。このとき旋回流れ成分のエネルギーは捨てられるがその量はわずかである。
【００２７】
吐出管３５の基端の外周には、環状のフランジ３７が溶接により一体に形成されている。フランジ３７は、ポンプ固定板３にボルト１０によりガイドケーシング６の固定フランジ９と共に固定される。吐出管３５の先端の外周には、環状のフランジ３８が溶接により一体に形成されている。フランジ３８の前面には、フラップ弁４０が配置されている。フラップ弁４０は、一方向弁であり高速ゲートポンプ２からポンプアップされた水が吐出されているときに開き、高速ゲートポンプ２が停止し下流側から水が逆流するときに閉じるためのものである。
【００２８】
フラップ弁４０は、その上端の延長部４１の部分が揺動軸４２により、揺動自在に支持されている。フラップ弁４０の弁本体４３の裏面（吐出管３５側）には、シール部材４４が環状に配置されている。シール部材４４は、ゴム等の弾性部材で作られたものであり、フランジ３７と弁本体４３との間に介在させて、シール及びフラップ弁４０の開閉音を緩和する。
【００２９】
図２は、前置案内羽根と羽根の関係を回転円周面で展開して示した展開図である。環状の開口３２から吸い込まれた水流は、前置案内羽根１５により周方向に旋回させられる。旋回させられた水流は周速度Ｕで回転している羽根車２７の羽根２６に、羽根車入口流速度Ｃ１、羽根車入口相対速度Ｗ１で流入する。
【００３０】
これが羽根２６で加速されて、出口では羽根車出口流速度Ｃ２、羽根車出口相対速度Ｗ２となる。図２は、羽根車入口および出口の各速度の関係を示す速度線図である。図３は、羽根車入口及び出口の各速度の関係を求めた速度線図である。ただし、水流の軸線方向の流れの成分を軸流速度Ｃｍとすると、図３から理解されるように、羽根車２７の入口の水流は、負の方向の回転成分ＣＵ１が予め付与されている（この方向を負と定義する。）。この負の回転成分は前述したように前置案内羽根１５により与えられる。
【００３１】
これが羽根２６による加速により水流は、羽根車２７の出口の回転成分はプラス成分である回転成分ＣＵ２となる。即ち、羽根２６により水流は、角度θの転向角が与えられる。絶対値でいうと、回転成分ＣＵ１と回転成分ＣＵ２が羽根車２７の羽根２６により与えられることになる。回転成分ＣＵ２は円錐拡大管である吐出管３５により、適度な旋回流れを起こして軸方向長さを短く保ちながら、しかも良好な圧力回復を実現するためのものである。このとき旋回流れ成分のエネルギーは捨てられるがその量はわずかである。
【００３２】
羽根車２７の理論揚程Ｈは、次式で表される。
【００３３】
Ｈ＝ηＨＵ（ＣＵ２−ＣＵ１）／ｇ    …（１）
ただし、ηＨは、効率である。
【００３４】
羽根車２７の周速度Ｕの小さいボス側は、（１）式から理解されるように、（ＣＵ２−ＣＵ１）を大きくする必要があるが、前置案内羽根１５の働きで−ＣＵ１（ただし、ＣＵ１は負である。）を大きくすれば、小さい転向角θであっても良い。即ち、羽根車２７のねじれを少なくする効果があるということになる。即ち、前置案内羽根１５は中心側、即ちモータユニット取付部２０に近い程ねじれが大きく、外周側は小さくて良いということになる。
【００３５】
［実施の形態２］
前述した実施の形態１は、羽根車２７の中心軸線が水平になるように設置されるものであった。しかしながら、高速ゲートポンプ２は、必ずしも水平に設置する必要はない。図４に示すものは、羽根車２７の回転軸線５０を水平から角度αの位置で固定して設置した例である。この設置方法は、高速ゲートポンプ２の吐出が上方に向けられるためにエネルギーの損失が若干あるが、水深が浅い位置まで水を吸い込みポンプアップできる利点がある。
【００３６】
［実施の形態３］
前述した実施の形態１及び２は、何れも扉体１の水の流入側である上流側に配置した例であった。しかしながら、必ずしも上流側に配置する必要はない。図５は、扉体１の上流側に配置した例である。扉体１の両側には、４個のローラ５１が配置されている。ローラ５１は、案内溝（図示せず）内を上下に案内される。しかしながら、この実施の形態３では、扉体１を案内するローラ５１だけでは重量のバランスがとれない。高速ゲートポンプ２は、扉体１のボックス状の２つのの固定部５２が横方向に配置され、これにそれぞれローラ軸５５が固定されている。
【００３７】
扉体１の上部には、連結部５３がそれぞれ配置されている。連結部５３には、２本のラック５４の下端がピンにより連結されている。この位置は、概略すると高速ゲートポンプ２の重心位置である。ラック５４は、駆動装置により上下動されるので、結局のところ扉体１が上下駆動される。扉体１に曲げ応力が作用しないので安定して扉体１を上下動できる利点がある。
【００３８】
【発明の実施例】
本発明のポンプは、次のような仕様のポンプを実施した。何れも高い比速度で低揚程の小型で効率の良いポンプが実現できた。
【００３９】
【表１】
0003576068.tif 000002
【００４０】
（その他の実施例の形態）
前述したガイドケーシング６とモータユニット２１との間で形成される開口３２は、断面が円形の環状の隙間であった。しかしながら、この開口３２の断面形状は、横長又は縦長の多角形、扁平の円形、楕円形等の断面を有するものであっても良い。
【００４１】
【発明の効果】
本発明の高速小型の水中ポンプである高速ゲートポンプをゲートに取り付けることにより、従来のゲートポンプよりもコンパクト、省スペース、低コストのゲートポンプを製作をすることがができる。更に、従来、モータの極数の増大、キャビテーション条件、水路の水深の不足等の制約から出来なかった大口径ゲートポンプの製作及び設置ができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の高速ゲートポンプを示す一部断面の側面図である。
【図２】図２は、前置案内羽根と羽根の関係を回転円周面で展開して示した展開図である。
【図３】図３は、羽根車入口及び出口の各速度の関係を求めた速度線図である。
【図４】図４は、本発明の実施の形態２を示し、角度αで高速ゲートポンプを傾けて扉体に配置した例である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態３を示し、扉体の上流川に高速ゲートポンプを配置した例である。
【図６】図６は、本発明の実施の形態３の２台の高速ゲートポンプを扉体に配置した例であり、図６（ａ）は正面図、図６（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
１…扉体
２…高速ゲートポンプ
６…ガイドケーシング
７…環状部
９…固定フランジ
１５…前置案内羽根
２１…モータユニット
２６…羽根
２７…羽根車
３０…カバー
【図１】
0003576068.tif 000003
【図２】
0003576068.tif 000004
【図３】
0003576068.tif 000005
【図４】
0003576068.tif 000006
【図５】
0003576068.tif 000007
【図６】
0003576068.tif 000008