(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
建屋内に配設されるとともに、雨水等を排水する立軸型のポンプ本体を備えた立軸ポンプにおいて、
前記ポンプ本体に減速機を連結し、さらにこの減速機に横軸形の１軸式ガスタービンを連結し、前記ポンプ本体、減速機及びガスタービンのいずれか１つのみを前記建屋に固定し、前記減速機は複数段の減速段とこの減速段のいずれかから動力が伝達される補助回転軸とを有し、この複数段の減速段の有する中間軸の出力端または補助回転軸にクラッチを介して発電機を取り付け、前記補助回転軸にガバナー、燃料ポンプ及び潤滑油ポンプを含む補機を接続し、この発電機で発生した電力を冷却水ポンプと吐出弁を有する主ポンプ設備に供給可能にするとともに、前記ガスタービンが起動したら前記補機も起動させるようにしたことを特徴とする立軸ポンプ。
【請求項２】
前記複数の減速段は、前記１軸式ガスタービンに連結された入力軸と、前記ポンプ本体に連結された出力軸と、この入力軸に連結され入力軸に平行に配置された第１の中間軸と、前記出力軸に連結されこの出力軸に直角に配置された第２の中間軸とを有し、前記第１の中間軸にクラッチを介して前記発電機を取付けた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】
前記複数の減速段は、前記ガスタービンに連結された入力軸と、前記ポンプ本体に連結された出力軸と、この入力軸に連結され入力軸に平行に配置された第１の中間軸とを有し、前記補助回転軸は複数本設けられており、この複数本の補助回転軸のなかで第１の中間軸に連結されるとともに第１の中間軸に平行に配置された補助回転軸に前記発電機をクラッチを介して取付けたことを特徴とする請求項１に記載の立軸ポンプ。
【請求項４】
前記ガスタービンの回転軸方向と、前記ポンプ本体から流出される排水の流出方向とが直角になるように前記ポンプの吐出配管及び前記ガスタービンを配置したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の立軸ポンプ。
【請求項５】
前記複数の減速段は、平行歯車列からなる第１、第２の減速段と、かさ歯車列からなる第３の減速段とを有し、前記かさ歯車段を形成するかさ小歯車を減速機の中心側に設け、前記第１の減速段と第２の減速段とをこのかさ歯車の中心に対し各々反対側に設けたことを特徴とする請求項１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は、ディ−ゼルエンジン、電動機またはガスタ−ビンがある。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したり基礎工事を簡略化できる利点がある。さらに、冷却水が不要で潤滑油の消費も極めて少なく、負荷の変動にもすばやく対応できる等の長所もあり、近年急速に普及し始めている。
【０００３】
ガスタービン駆動装置はこのような利点を有するものの、ガスタービン本体は高速回転するので、ポンプのような低速で運転される負荷を駆動するときには、ガスタービンの出力を減速する必要が生じる。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）まで減速している。さらに立軸ポンプの場合には、ガスタービン軸とポンプ軸の軸方向が相違するので、かさ歯車減速機を用いて回転軸の方向を変えている。その結果、ガスタービンからポンプまでの配置を、例えば、ガスタービンに高速減速機を取付け、減速機の出力軸にかさ歯車減速機を結合する配置にしている。そして、かさ歯車減速機の出力軸にポンプを接続し、ポンプを回転駆動している。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】
なお、排水ポンプ設備には、集中豪雨等の出水時において確実に排水することが求められており、商用電源が停電しても運転できることが必要である。このため、非常用排水ポンプ設備においては、主ポンプ設備の運転に必要な電力を供給する自家発電設備を設けている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の立軸ポンプ設備においては、集中豪雨等において停電が発生しても主ポンプ設備の起動を可能にするため、自家発電設備をガスタービン設備とは別個に備えており、ポンプ設備が大型になり、コスト高を招いている。また、ガスタービンに試験用のポンプを接続すれば単体の負荷試験そのものは容易に行えるが、ポンプ性能を測定するために減速機と駆動機からなる試験設備を必要とし、作業工程の増加とコストの増大を引き起こす。
【０００６】
さらに、従来の立軸ポンプ設備では、ガスタービンからポンプに至る配置が上述したようにポンプ流れ方向の寸法が長くなる配置であり、立軸ポンプ装置の設置面積を増大させている。その結果、立軸ポンプ設備を据え付けるための土木構造物の建造コストが高くなるという不具合があった。
【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、その目的は自家発電設備を不要とし、ポンプ単体での負荷試験が行なえる立軸ポンプ及びそれに用いられる駆動装置を提供することにある。◆
本発明の他の目的は、設置面積が少なく土木構造物の建造コストを低減できるコンパクトな立軸ポンプ及びそれに用いられる駆動装置を提供することにある。◆
本発明のさらに他の目的は、ポンプ設備の据え付け自由度を増した立軸ポンプ及びそれに用いられる駆動装置を提供することにある。◆
本発明のさらに他の目的は、非常時の商用電源を使用できないときにも確実に運転できる信頼性の高い立軸ポンプ及びそれに用いられる駆動装置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本発明の特徴は、建屋内に配設されるとともに、雨水等を排水する立軸型のポンプ本体を備えた立軸ポンプにおいて、ポンプ本体に減速機を連結し、さらにこの減速機に横軸形の１軸式ガスタービンを連結し、ポンプ本体、減速機及びガスタービンのいずれか１つのみを前記建屋に固定し、減速機は複数段の減速段とこの減速段のいずれかから動力が伝達される補助回転軸とを有し、この複数段の減速段の有する中間軸の出力端または補助回転軸にクラッチを介して発電機を取り付け、補助回転軸にガバナー、燃料ポンプ及び潤滑油ポンプを含む補機を接続し、この発電機で発生した電力を冷却水ポンプと吐出弁を有する主ポンプ設備に供給可能にするとともに、ガスタービンが起動したら前記補機も起動させるようにしたものである。
【０００９】
そしてこの特徴において、複数の減速段は、１軸式ガスタービンに連結された入力軸と、ポンプ本体に連結された出力軸と、この入力軸に連結され入力軸に平行に配置された第１の中間軸と、出力軸に連結されこの出力軸に直角に配置された第２の中間軸とを有し、第１の中間軸にクラッチを介して発電機を取付けるのがよい。また複数の減速段は、ガスタービンに連結された入力軸と、ポンプ本体に連結された出力軸と、この入力軸に連結され入力軸に平行に配置された第１の中間軸とを有し、補助回転軸は複数あり、その中で第１の中間軸に連結されるとともに第１の中間軸に平行に配置された補助回転軸に発電機をクラッチを介して取付けるのがよい。
【００１０】
また、ガスタービンの回転軸方向と、ポンプ本体から流出される排水の流出方向とが直角になるようにポンプの吐出配管及びガスタービンを配置するのがよく、また複数の減速段は、平行歯車列からなる第１、第２の減速段と、かさ歯車列からなる第３の減速段とを有し、かさ歯車段を減速機のほぼ中央に配置し、第１の減速段と第２の減速段とをこのかさ歯車の中心に対し各々反対側に設けるのがよい。さらに、電動機は中間軸または補助回転軸にクラッチを介して着脱可能に設けられ、この電動機の回転数と該中間軸または補助回転軸の回転数が合致するように入力軸から該軸までの減速比を設定するのがよい。
【００１５】
【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、本発明にかかる立軸ポンプを据え付けたポンプ機場の一実施例の縦断面図、図２は図１に示したポンプ機場の平面図、図３は本発明に係る立軸ポンプに使用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。
【００１６】
立軸ポンプ駆動装置では、図１および図２に示すように、横軸形の１軸式ガスタービン１（以下、ガスタービン１と呼ぶ）が減速機２に一体的に組み込まれている。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（以下ポンプ３と呼ぶ）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の羽根車を含むボウル部は、本実施例においては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。このとき、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、上記配置において上述したようにポンプ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２はともに建屋４には固定されていない。
【００１７】
さらに、ポンプ３のケース５の上方には減速機２が配置されており、この減速機２はカップリング（図示せず）によりポンプ３に結合されている。ここで、ガスタービン１の回転軸の平面内の方向、つまり、ポンプ３の流出方向となす角度は、建屋４の空間に応じて変えることができる。ところで、同一の機場に複数のポンプを配置する場合には、ポンプの吸い込み流れが干渉しないようにポンプ間を所定距離以上離す必要がある。この所定距離は、ポンプの吸い込み口径の３倍である。本実施例の機場ではポンプ３の台数は２台あり、ほぼ平行に配置されている。この２つのポンプ間の所定離間距離は、ガスタービンの回転軸長よりも長いので、ガスタービンをこの距離内に収めることができる。そこで双方のガスタービン軸をポンプの流出方向に直角に配置し、ポンプ機場のデッドスペースを利用することにより機場の幅を狭くし、機場面積を低減している。なお、ガスタービン軸の配置はこれに限るものではなく、面積を低減できれば種々の位置に配置することができる。また、ポンプの機場当たりの台数も２台に限るものではなく、排水量及び排水に要する時間等を考慮して設定される。
【００１８】
次に、上記実施例に示したポンプ機場で使用される減速機２の構造を、図３および図４を用いて説明する。本実施例で使用される減速機２は、中央部にかさ歯車を収容する部分が縦軸の円筒状に形成されており、その円筒の側面部にガスタービン１を取付けるための横軸の円筒部と、後述する２段目の円筒歯車列、及びクラッチ２５を収容するための横軸の円筒部とを備えている。
【００１９】
すなわち、ガスタービン１の出力軸６は、カップリング７を介して減速機２の入力軸８に接続されており、ガスタービン１自体は減速機のケース１８にフランジ結合されている。入力軸８には円筒小歯車９が取付けられており、入力軸８と平行に配置された第１の中間軸１１に取付けられた円筒大歯車１０とともに１段目の円筒歯車列を構成している。第１の中間軸１１は、軽量化のため中央部が中空軸となっている。この中間軸１１は、かさ歯車を収容する円筒部を突っ切って、ガスタービン１の取り付け側と反対側まで延在しており、この延在端部近傍には、２段目の円筒小歯車１２が形成されている。
【００２０】
円筒小歯車１２と噛み合う円筒大歯車１３が、第１の中間軸１１に平行に配置された第２の中間軸１４に設けられている。これら両歯車により、２段目の円筒歯車列が構成されている。第２の中間軸１４は中央部にクラッチ２５を取付けており、このクラッチ２５の端面に２段目の円筒大歯車１３が取付けられている。円筒大歯車１３のさらに軸端側には、発電機２４がカップリングを介して接続されている。第２の中間軸１４の発電機２４取付け端と反対端、すなわち、減速機２の中心側にはかさ小歯車１５が設けられている。かさ小歯車１５は、第２の中間軸１４に直角に配置された出力軸１７に取付けられたかさ大歯車１６と噛み合う。このかさ小歯車１５およびかさ大歯車１６により、３段目の歯車列が構成される。この出力軸１７は、カップリングを介しポンプ駆動軸に結合されている。
【００２１】
入力軸８、第１の中間軸１１、第２の中間軸１４、及び出力軸１７は、転がり軸受またはすべり軸受により支持されており、これら全体をケース１８に収納している。そしてケース１８の下面には、減速機２をポンプ本体３に取付けるためのフランジ面が形成されている。また、図示しない油タンクに貯められた潤滑油を、油ポンプ（図示せず）により歯車の噛み合い部と軸受部に供給している。
【００２２】
次に、このように構成した本発明の一実施例の動作について説明する。◆
１軸式ガスタービン１は、低速回転域の発生駆動トルクが小さいので、回転数がある程度まで上昇しないと負荷を接続できない。従って、起動時にはクラッチ２５を非動作にして、ポンプ負荷がかからない状態で１軸式ガスタービン１を起動する。ガスタービン１の回転は、カップリング７を介して減速機２の入力軸８に伝達され、減速機２が駆動される。減速機２の入力軸８に伝達された動力は、１段目および２段目の円筒歯車列により減速される。運転初期には低速回転であるので、中間軸１４に設けたクラッチ２５は非動作の状態にあり、第３段目のかさ歯車列にはガスタービン１の回転が伝達されない。一方、ガスタービンの回転数が負荷接続可能な所定回転数まで上昇しておれば、クラッチ２５を動作状態にしてガスタービン１の出力を第３段目のかさ歯車列に伝達する。これにより、ガスタービン１がポンプ３を駆動できる。
【００２３】
ここで、第１の中間軸１１には、第２の円筒小歯車１２よりも軸端側に補助小歯車３２が、さらに軸端側には第２の補助小歯車３４取付けられており、これら補助小歯車３２、３４はそれぞれ、ガバナー２７が接続される回転軸に取付けられた第１の補助大歯車３３と、燃料ポンプ２６の回転軸に取付けた第２の補助大歯車に噛み合っている。さらに、第１の中間軸に平行または直角の位置に補助回転軸を設け、第１の中間軸１１から動力を供給する。そして、この補助回転軸に減速機用潤滑油ポンプ等を接続している。したがって、ガスタービン１を起動すると、ガバナー２７、燃料ポンプ２６及び潤滑油ポンプ等の補機も同時に起動し、油タンクに貯められた潤滑油が減速機の各歯車の噛み合い部や各軸受部に供給される。これにより、歯車や軸受の焼き付きや損傷を防止できる。
【００２４】
なお、中間軸１４の回転数を発電機２４の同期回転数に合わせているので、ガスタービン１を駆動すると発電機が起動して、発電が開始される。この発電機で発生した電力を、冷却水ポンプや吐出弁等の主ポンプ設備の運転に用いることができる。そのため、商用電源が停電した場合にも立軸ポンプ装置に必要な電力を確保でき、立軸ポンプ装置を非常時に運転可能である。
【００２５】
次に、立軸ポンプ３の運転方法の一例を説明する。立軸ポンプ３の起動時には、ガスタービン１の回転数が設定回転数まで上昇していることを確認する。ガスタービン１が設定回転数を超えたことを確認したら、クラッチ２５を数秒かけて動作させ、ガスタービン１の駆動力を立軸ポンプ３に伝達する。クラッチ２５を用いて徐々に伝達するのは、ガスタービン１への急激な負荷を防止するためである。クラッチ２５が動作すると、第２の中間軸１４の回転は３段目のかさ歯車列により減速されて出力軸１７に伝えられるとともに、回転軸の方向は水平方向から垂直方向に変えられる。出力軸１７に伝えられた駆動力は、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。
【００２６】
本実施例においては、第２の中間軸１４の回転数を、発電機２４の同期回転数に合致させている。これは、減速機に入力軸および出力軸以外に、外部に軸端を取り出せる中間軸を多数設けることが可能な事により実現できる。そして、これら減速機の外部に軸端が延在した軸に、冷却水ポンプや吐出弁等の駆動に必要な電力を発生する発電機を接続しているので、商用電源が停電していても立軸ポンプを運転できる。なお、ガスタービンの駆動に必要なガバナー等の補機を、直接または間接的にこれらの軸に接続することができるので、異常出水等の非常時においてもガスタービンを起動できる。そして、ガスタービン１が起動されると中間軸１４が回転し、上述した発電機が廻り始める。
【００２７】
さらに本実施例においては、横形の１軸式ガスタービン１を減速機２に一体的にマウントしている。そして、第１の中間軸１１の一端を減速機２の中心に対し、ガスタービン１と反対側に延在させている。また、ガスタービン１の回転軸方向を、ポンプ流れ方向と直角方向ににしている。これにより減速機２の中心と入力軸８の先端との距離が短くなり、ポンプ機場をコンパクトできる。さらに、立形ガスタービンに比較すると高さが低くなり、省スペースである。また、減速機２にガスタービン１、発電機２４及びガスタービンに設置されていた補機を一体的にマウントするため、駆動機全体をコンパクト化でき、防音パッケージも一体小形化され、据付費を低減できる。図５に、上述した減速機２部をカバーする防音パッケージの概念図を示す。ガスタービン１や発電機２４が一体的にマウントされた減速機２を、防音パッケージ２８が一体的に囲んでいる。防音パッケージ２８には、吸気口２９および排気口３０が設けられており、強制的にガスタービン１の吸気及び排気を行なう。それとともに、減速機２等は冷却もされている。
【００２８】
以上の実施例においては、発電機２４を接続する回転軸は、第２の中間軸１４に限るものではなく、クラッチ２５より入力側であればいずれの軸でも可能である。そして、その軸として第２の中間軸１４より入力側の回転軸から歯車等を用いて減速させた軸であってもよい。また、発電機２４より入力側にさらに他のクラッチを設け、通常運転時には発電させないようにすることもできる。さらに、発電機２４の同期回転数に合致している第２の中間軸１４の軸端に電動機を接続して、ガスタービン１を取付けなくともポンプ単体の負荷試験を行なえるようにすることもできる。また、立軸ポンプ機場に設置された状態で、電動機を軸端に接続すれば、稼働機会の少ない雨水の排水の他に、河川の浄化運転にも立軸ポンプを利用できる。この場合、河川浄化の負荷が小さければ電動機は小さいもので済み、ポンプ設備をそれ程改変することなく立軸ポンプの稼動時間を増大でき、経済的である。
【００２９】
また、建屋４に立軸ポンプ装置を固定する際、ポンプ３のフランジ面を用いているが、この固定もポンプのフランジ面に限るものではない。つまり、ポンプ３、減速機２及びガスタービン１のいずれかのフランジ面１面を建屋４に固定することが本発明の一つの特徴であり、この１面のみで立軸ポンプを建屋に固定することにより、据え付け面積や据え付け位置の自由度を増している。
【００３０】
以上述べたように、本発明の各実施例によれば、立軸ポンプに用いる減速機が有する中間軸または中間軸より分岐した回転軸に発電機を接続し、この回転軸の回転数が発電機の同期回転数に合致するよう減速機の減速比を設定しているので、立軸ポンプを駆動するガスタービンを起動すれば発電機により発電できる。この発電機の電力を、冷却水ポンプや吐出弁等の補機の電源電力に用いることができ、商用電源が停電しても立軸ポンプを運転可能である。その結果、自家発電設備を新たに設ける必要がない。
【００３１】
また、中間軸または中間軸から分岐した回転軸の回転数が商用の電動機の回転数に合致するように減速比を選定することにより、ガスタービンを使えない環境でも、ポンプ単体の負荷試験を行なえる。更に、電動機として小形の電動機を用いれば、稼働機会の少ない雨水の排水だけでなく、負荷の小さい河川の浄化運転にも立軸ポンプを利用でき、設備を有効に活用できる。
【００３２】
また、ガスタービンを減速機に一体的に取付け、このガスタービンの回転軸の方向を立軸ポンプの吐出方向と直角方向にしたので、複数の立軸ポンプを設置した機場に要求されるポンプ間の離間距離内にガスタービンを配置できるので、ポンプ機場の設置面積と機場の建設コストを低減できる。さらに、横軸型のガスタービンを用いているので、縦軸型のガスタービンに比べて建物の高さを低くでき、省スペースである。さらにまた、立軸ポンプの構成要素である減速機、ガスタービン、発電機、発電機及び各種補機を一体化したので、駆動機全体をコンパクト化できる。これにより、防音パッケージも一体小形化でき、据付費を低減できる。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、複数台の立軸ポンプを有するポンプ機場において、ポンプ設備が必要とするデッドスペースにポンプを駆動するガスタービンを配置したので、機場の有効利用ができるとともに、機場面積と機上の建設コストを低減できる。◆
また本発明によれば、ガスタービン設備や立軸ポンプに必要な補機の電源電力を減速機の中間軸以降の回転軸端に設けた発電機から取り出すことができ、非常時等の商用電源が使えない場合でも排水ポンプとして信頼性高く運転できる。◆
さらに本発明によれば、ガスタービン設備の代わりに電動機を使用することができるので、ポンプの事前性能把握のための場内試験等を容易に実施できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の立軸ポンプを備え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】本発明に係る立軸ポンプ用減速機の一実施例の縦断面図である。
【図４】図３に示した減速機の横断面図である。
【図５】図３及び図４に示した減速機及びガスタービンを収納する防音パッケージの概念図である。
【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、
１０…円筒大歯車、１１…中間軸、１２…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、
２２…高速減速機、２３…かさ歯車減速機、
２４…発電機、２５…クラッチ、２６…燃料ポンプ、
２７…ガバナー、２８…防音パッケージ、
２９…吸気口、３０…排気口。
【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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