【手続補正書】
【提出日】平成16年1月21日(2004.1.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の名称】ポンプ機場の振動低減装置、振動低減方法及びポンプ機場
【特許請求の範囲】
【請求項１】吸込水槽や吸込水路や河川から満水状態の吸込管や暗渠でポンプ吸込口に接続するポンプ機場或いはポンプ吐出口から満水状態の吐出管や暗渠で吐出水槽や河川に吐出するポンプ機場の振動低減装置であって、
前記管や暗渠内に気体を供給する気体供給手段を設け、ポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、前記気体供給手段により前記管や暗渠内に気体を供給して該管や暗渠の水柱固有振動数を変えることを特徴とするポンプ機場の振動低減装置。
【請求項２】請求項１に記載のポンプ機場の振動低減装置において、
前記気体供給手段は前記ポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、前記吸込水槽或いは河川側の管や暗渠の入口部から該管や暗渠内に気体を供給することを特徴とするポンプ機場の振動低減装置。
【請求項３】請求項１に記載のポンプ機場の振動低減装置において、
前記気体供給手段は前記ポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、前記ポンプ吸込口やポンプ吐出口側から前記管や暗渠内に気体を供給することを特徴とするポンプ機場の振動低減装置。
【請求項４】請求項１に記載のポンプ機場の振動低減装置において、
前記気体供給手段は前記ポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、前記吸込水路上流の水中に複数の気体吐出口を設け、該水中に気体を均一に供給することを特徴とするポンプ機場の振動低減装置。
【請求項５】請求項２乃至４のいずれか１つに記載のポンプ機場の振動低減装置において、
前記気体供給手段は供給する気体を前記管や暗渠内の水の容積の０．２％以下に制御することを特徴とするポンプ機場の振動低減装置。
【請求項６】吸込水槽や吸込水路や河川から吸込管や暗渠で水を吸込み、吐出水槽や河川に吐出すポンプ機場の振動低減方法であって、
前記管や暗渠内に気体供給手段により気体を供給して、該管や暗渠の水中固有振動数を変えることを特徴とするポンプ機場の振動低減方法。
【請求項７】請求項６に記載のポンプ機場の振動低減方法において、
前記管や暗渠内には複数の気体吐出口から気体を供給することを特徴とするポンプ機場の振動低減方法。
【請求項８】吸込水槽や吸込水路や河川から水を吸込み、吐出水槽や河川に吐出すポンプ機場であって、
前記管や暗渠内に気体を供給する気体供給手段を備え、該気体供給手段は気体を圧縮する圧縮機を備えていることを特徴とするポンプ機場。
【請求項９】請求項８に記載のポンプ機場において、
前記気体供給手段は前記気体の流量を調整する流量調整弁と、該流量調整弁の開度を制御する制御盤とを備えていることを特徴とするポンプ機場。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は支川から本川に流れ込む河川の合流点等の水門の設けてある場所に設置されるポンプ機場の振動低減装置、振動低減方法及びポンプ機場に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
上記のように、支川から本川に流れ込む河川の合流点などの水門の設けてある場所に設置されるポンプ機場は、通常は本川の水位より支流の水位が高く支川から自然流下で本川に流れ込むが、大雨の場合に支川の水位より本川の水位が高くなり本川から支川に逆流するので、合流点に設けた水門を閉めポンプ機場のポンプを運転し、支川の水を本流に排水する。
【０００３】
上記のようなポンプ機場において、ポンプの加振振動周波数と吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、共振状態となりポンプ機場の振動が増大するという問題がある。従来、この対策として、ポンプ性能やコストをある程度犠牲にしてポンプの羽根車の翼数を増・減してポンプの加振振動周波数を変え、管や暗渠の水柱固有振動数と共振しないようにしている。
【０００４】
また、土木・建築費が増えるが管や暗渠の長さを変更して管や暗渠の水柱固有振動数を変えている。また、ポンプ回転数を制御するポンプ機場では、回転数によってポンプの加振振動周波数が変化するので、土木・建築費が高くなるが、管や暗渠の部分を短くして管や暗渠の水柱固有振動数をポンプの加振振動周波数よりも高くして共振を回避している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、ポンプ性能及び土木・建築費を最優先にし、吸込側或いは吐出側の管や暗渠の水柱の固有振動数を任意に変えることによりポンプの加振振動周波数や建物の固有振動数と共振しないようにしてポンプ機場の振動を低減するポンプ機場の振動低減装置、振動低減方法及びポンプ機場を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明はポンプ機場において、吸込管や吐出管や暗渠の水柱の固有振動数は水柱の圧力波の伝わり速度に比例するので、管や暗渠内の水柱に気体を供給して水柱の圧力波の伝わり速度を小さくすれば固有振動数も低くなり、ポンプの加振振動周波数の影響を避けることができることに着眼し、ポンプ機場の振動を低減することにある。
【０００７】
請求項１に記載の発明は、吸込水槽や吸込水路や河川から満水状態の吸込管や暗渠でポンプ吸込口に接続するポンプ機場或いはポンプ吐出口から満水状態の吐出管や暗渠で吐出水槽や河川に吐出するポンプ機場の振動低減装置であって、管や暗渠内に気体を供給する気体供給手段を設け、ポンプの加振振動周波数と吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、前記気体供給手段により前記管や暗渠内に気体を供給して該管や暗渠の水柱固有振動数を変えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ機場の振動低減装置において、気体供給手段は前記ポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、吸込水槽或いは河川側の管や暗渠の入口部から該管や暗渠内に気体を供給することを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ機場の振動低減装置において、気体供給手段はポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、ポンプ吸込口やポンプ吐出口側から管や暗渠内に気体を供給することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のポンプ機場の振動低減装置において、気体供給手段はポンプの加振振動周波数と前記吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、吸込水路上流の水中に複数の気体吐出口を設け、該水中に気体を均一に供給することを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項２乃至４のいずれか１つに記載のポンプ機場の振動低減装置において、気体供給手段は供給する気体を前記管や暗渠内の水の容積の０．２％以下に制御することを特徴とする。このように気体の混入率を０．２％以下に制御することでポンプ性能を犠牲にすることなく（ポンプ性能に影響を与えることなく）、ポンプの加振振動周波数と管や暗渠の水柱固有振動数の共振を回避できる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、吸込水槽や吸込水路や河川から吸込管や暗渠で水を吸込み、吐出水槽や河川に吐出すポンプ機場の振動低減方法であって、管や暗渠内に気体供給手段により気体を供給して、該管や暗渠の水中固有振動数を変えることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載のポンプ機場の振動低減方法において、前記管や暗渠内には複数の気体吐出口から気体を供給することを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載の発明は、吸込水槽や吸込水路や河川から水を吸込み、吐出水槽や河川に吐出すポンプ機場であって、管や暗渠内に気体を供給する気体供給手段を備え、該気体供給手段は気体を圧縮する圧縮機を備えていることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のポンプ機場において、気体供給手段は前記気体の流量を調整する流量調整弁と、該流量調整弁の開度を制御する制御盤とを備えていることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を説明する。ポンプ機場において、管や暗渠の断面弾性係数をＫ、気体が混入しない水柱の圧力波の伝わり速度をａ1、水の弾性係数をＫ1、水の密度をρ1、気体が混入した水柱の圧力波の伝わり速度をａ2、気体が混入した水の体積弾性係数をＫ2、気体が混入した場合の水の密度をρ2、管や暗渠の容積をＶ、管や暗渠の中の水に混入した気体の体積をＶ3、気体の混入率をＶ3／Ｖ、気体の弾性係数をＫ3としたとき、気体が混入しない水柱の圧力波の伝わり速度ａ1、気体が混入した水柱の圧力波の伝わり速度ａ2はそれぞれ下式のようになる。
【００１７】
【数１】
2001214899.tif 000001
【数２】
2001214899.tif 000002
従って、圧力波の伝わり速度比ａ2／ａ1は下式のようになる。
【数３】
2001214899.tif 000003
【００１８】
また、気体が混入した場合の水の密度ρ2は下式のようになる。
【数４】
2001214899.tif 000004
また、気体が混入した水の体積弾性係数Ｋ2は下式のようになる。
【数５】
2001214899.tif 000005
【００１９】
上記［数３］に［数４］及び［数５］を代入すると、
【数６】
2001214899.tif 000006
【００２０】
上記［数６］より数値の小さい項を省略すると、下式のようになる。
【数７】
2001214899.tif 000007
上記［数７］を変形して空気の混入率Ｖ3／Ｖは下記のようになる。
【数８】
2001214899.tif 000008
【００２１】
ここで、暗渠の長さをＬとすれば、暗渠内の空気を混入した水柱の固有振動数ｆは、
【数９】
2001214899.tif 000009
上記［数９］を変形して水柱の圧力波の伝わり速度ａ2は、
【数１０】
2001214899.tif 000010
となる。即ち、気体を混入することによって水柱の固有振動数を変えることができるので、水中の固有振動数を決めれば水柱の圧力波の伝わり速度が決まり、気体の混入率が決まる。
【００２２】
式（１０）から、ポンプの加振振動周波数の影響を受けない水柱の固有振動数にするための圧力波の伝わり速度を計算し、式（８）で混入率を求める。空気の混入率を０．２％にすれば気体を混入した水柱の圧力波の伝わる速度は空気を混入しない場合の水柱の圧力波の伝わり速度の約３０％になり、水柱の固有振動数も３０％になる。この場合、水柱固有振動数と加振振動周波数の比と静的加振力に対する応答倍率の関係を図４に示す。図４に示すように、水柱固有振動数ωｎと加振振動周波数ωの割合ω／ωｎは約３．３で応答倍率は０程度になり全く問題なくなる。また、ポンプ性能に影響の無い空気混入率０．２％以下の空気混入で、ポンプの加振振動周波数の影響を受けないようにすることができる。
【００２３】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図で、本ポンプ機場はポンプが立型ポンプでポンプ吐出口から吐出水槽までの吐出管が長い場合の構成例を示す。図１において、１は吸込水槽、９は吐出水槽である。吸込水槽１内には立型のポンプ３が垂直に設置され、該ポンプ３の吐出口には長い吐出管８が接続され、該吐出管８の吐出口は逆流阻止用のフラップ弁１１を介して吐出水槽９内に開口している。なお、図において、２は吸込水槽１の水面、１０は吐出水槽９の水面、６はポンプ軸を示す。
【００２４】
上記構成のポンプ機場において、ポンプ３により吐出された水は、吐出管８及びフラップ弁１１を通って吐出水槽９に吐出される。気体（主に空気）はポンプ３の吸込口部に設けたポンプ吸込側気体注入口４から注入するが、該ポンプ吸込側気体注入口４は水面２下（水中）にあるので、該ポンプ吸込側気体注入口４から地上に延びる気体注入管５を設け、該気体注入管５の注入口５ａから気体を注入する。
【００２５】
吐出管８に直接気体を注入する場合は、ポンプ３の吐出口部に設けたポンプ吐出側気体注入口７から気体を注入すればよいが、気体の注入量が少なくポンプ性能に影響がないので、気体注入に圧力を必要とするポンプ吐出側気体注入口７よりポンプ吸込側気体注入口４に接続している気体注入管５を通して気体を注入するのが一般的である。
【００２６】
図２は本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の他の構成例を示す図で、本ポンプ機場はポンプが横型ポンプで吸込水槽からポンプまでの吸込管が長い場合の構成例を示す。図２において、図１と同一符号を付した部分は同一又は相当部分を示す。なお、他の図面においても同様とする。吸込管１３の先端は吸込ベルマウス１２を介して吸込水槽１内に開口し、該吸込管１３の後端はポンプ設置室３６に設置されたポンプ３の吸込口に接続され、該ポンプ３の吐出口は吐出ヘッダー１４に接続されている。
【００２７】
ポンプ３は吸込ベルマウス１２及び吸込管１３を通して吸込水槽１内の水を吸込み、吐出ヘッダー１４を通して、図示しない本管等に吐出する。吸込管１３の吸込口部に設けたポンプ吸込側気体注入口４から気体を注入するが、該ポンプ吸込側気体注入口４が水中にあるので、該ポンプ吸込側気体注入口４から地上に延びる気体注入管５を設け、該気体注入管５の注入口５ａから気体を注入する。
【００２８】
図３は本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の他の構成例を示す図で、本ポンプ機場はポンプがチューブラポンプで吸込暗渠及び吐出暗渠が長い場合の構成例を示す。図３においては、本発明の作用・効果に関係が無いのでチューブラポンプの前後に設ける制水弁やポンプ引き揚げ用の縦穴は図から省略している。
【００２９】
吸込水槽１と吐出水槽９の間には長い吸込暗渠１６と長い吐出暗渠２２が設けられており、該吸込暗渠１６と吐出暗渠２２の間にポンプ羽根車１８、ポンプガイドベーン１９、水中モータ２０を具備するチューブラポンプ２３が設置されている。チューブラポンプ２３の運転により吸込暗渠１６の吸込口から吸い込まれた水は吐出暗渠２２から逆流防止用のフラップ弁１１を経て吐出水槽９に吐出される。
【００３０】
吸込暗渠１６の吸込口部に設けられた吸込暗渠気体注入口１５から気体を注入する。注入した気体はそのまま吐出暗渠２２に流れるので、更に吐出暗渠２２に気体を追加注入する必要がある場合には、チューブラポンプ２３の吸込口付近に設けたポンプ吸込側気体注入口１７或いはチューブラポンプ２３の吐出口側に設けたポンプ吐出側気体注入口２１から気体を注入する。
【００３１】
図５及び図６は本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の他の構成例を示す図で、図５は全体断面図、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。ポンプ３の吸込口に連通する吸込暗渠１６の上流側には流木等の粗大なゴミが吸込暗渠１６に流入するのを阻止するスクリーン２５が配置され、その下流側にはスクリーン２５を通過して流入したゴミを除去する除塵機２６が配置されている。２７はポンプ３を駆動するエンジンであり、該エンジンの回転力は減速機２８を介してポンプ軸６に伝達されるようになっている。吸込水路２４に流入した水は吸込暗渠１６を通ってポンプ３に吸込まれ、該ポンプ３から吐出された水は吐出暗渠２２を通って排出される。
【００３２】
スクリーン２５の下流側側面には複数の空気を噴出するノズル２９が設けられ、水中に均一に空気を供給できるようになっている。そしてポンプ３の加振振動周波数と吸込暗渠１６や吐出暗渠２２の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、吸込水路２４内の水中に均一に空気を供給し、ポンプ３の加振振動周波数と吸込暗渠１６や吐出暗渠２２の水柱固有振動数の共振を回避している。
【００３３】
図７は前記複数のノズル２９に圧縮空気を供給するシステムの構成例を示す図である。図において、３３は空気を圧縮する圧縮機であり、該圧縮機３３で圧縮空気は流量調整弁３１、逆止弁３０を通って複数のノズル２９に供給され、該ノズル２９から水中に噴射される。３２は制御盤であり、該制御盤３２にはポンプ３の吐出量信号Ｓが入力されており、該制御盤３２は該吐出量信号Ｓに応じて流量調整弁の開度を制御してポンプ３の吐出し流量に応じた空気をノズル２９から水中に噴射する。この水中に噴射する空気量は吸込暗渠１６や吐出暗渠２２内でその水の容積の０．２％以下になるように制御する。
【００３４】
また、吸込水路２４には複数の超音波発生装置３４が配置され、超音波発生制御装置３５の制御により該超音波発生装置３４から水中に超音波を発射することができるようになっている。このように超音波発生装置３４により水中に超音波を発射することにより、水中に気泡を発生させ水中の空気含有率を高めることができる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項に記載の発明によれば下記のような優れた効果が得られる。
【００３６】
請求項１乃至４、６、７に記載の発明によれば、ポンプの加振振動周波数と吸込管や吐出管や暗渠の水柱固有振動数が近い場合や一致する場合に、ポンプの加振振動周波数と管や暗渠の水柱固有振動数の共振を回避することができ、簡単な構成でポンプ機場の振動を低減することが可能となる。特に、従来はポンプ機場完成後にポンプの加振振動周波数と管や暗渠の水柱固有振動数の共振が判明した場合はその対策が大変であったが、本発明によれば気体注入量によって管或いは暗渠の水柱固有振動数を変えることができるので、共振対策が極めて容易となる。
【００３７】
また、請求項５に記載の発明によれば、管や暗渠内に供給する気体をその混入率が該管や暗渠内の水の容積の０．２％以下に制御するので、ポンプ性能を犠牲にすることなく（ポンプ性能に影響を与えることなく）、ポンプの加振振動周波数と管や暗渠の水柱固有振動数の共振を回避できる。
【００３８】
請求項８に記載の発明によれば、気体供給手段により圧縮気体を管や暗渠内に供給して振動を低減できるから、簡単な構成で振動を低減できるポンプ機場を提供できる。
【００３９】
請求項９に記載の発明によれば、制御盤で流量調整弁の開度を調整し、管や暗渠内に供給する気体を調整できるので、ポンプの加振振動周波数と管や暗渠の水柱固有振動数の共振を回避でき、簡単な構成で振動を低減できるポンプ機場を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の構成例を示す図である。
【図４】ポンプの応答倍率と加振振動周波数と水柱固有振動数との比の関係を示す図である。
【図５】本発明に係る振動低減装置を備えたポンプ機場の他の構成例を示す全体断面図である。
【図６】図５のＡ−Ａ断面図である。
【図７】本発明に係る振動低減装置の空気供給手段の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１            吸込水槽
２            水面
３            ポンプ
４            ポンプ吸込側気体注入口
５            気体注入管
６            ポンプ軸
７            ポンプ吐出側気体注入口
８            吐出管
９            吐出水槽
１０          水面
１１          フラップ弁
１２          吸込ベルマウス
１３          吸込管
１４          吐出ヘッダー
１５          吸込暗渠気体注入口
１６          吸込暗渠
１７          ポンプ吸込側気体注入口
１８          ポンプ羽根車
１９          ポンプガイドベーン
２０          水中モータ
２１          ポンプ吐出側気体注入口
２２          吐出暗渠
２３          チューブラポンプ
２４          吸込水路
２５          スクリーン
２６          除塵機
２７          エンジン
２８          減速機
２９          ノズル