(57)【要約】【課題】排水機場が設計時の予測を超えた運転状態となっても、種々の不具合をもたらす振動の発生を防止することができる排水機場を提供する。【解決手段】ポンプ４の吸込口４ａまたは吐出口４ｂに接続される水路２，３と、水路２，３の閉水路部７，８内に配置される気体室２０と、気体室２０の体積を変化させる体積変化手段１５，１６と、水路２，３内の水の固有振動数に基づいて体積変化手段１５，１６を制御する制御手段１７と、を備えた。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの吸込口または吐出口に接続される水路と、
前記水路の閉水路部内に配置される気体室と、
前記気体室の体積を変化させる体積変化手段と、
前記水路内の水の固有振動数に基づいて前記体積変化手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする排水機場。
【請求項２】
前記水路内の水を加振させる加振手段と、前記水路内の水の圧力を測定する圧力測定手段とを更に備え、前記圧力測定手段は、前記加振手段により加振された前記水路内の水の圧力脈動を測定し、前記制御手段は、前記圧力測定手段の測定値に基づいて前記水路内の水の固有振動数を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の排水機場。
【請求項３】
前記制御手段は、前記水路内の水の圧力脈動の大きさが所定の閾値より大きい場合には共鳴が発生していると判断して、前記体積変化手段を介して前記気体室の体積を変化させるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の排水機場。
【請求項４】
ポンプの吸込口または吐出口に接続される水路を備えた排水機場の運転方法であって、
前記水路内の水を加振させて該水の圧力脈動から前記水路内の水の固有振動数を求め、
前記固有振動数と予測された前記ポンプの加振周波数とを比較し、
前記固有振動数が前記加振周波数と一致する場合には、前記水路内の閉水路部内に配置される気体室の体積を変化させ、
前記固有振動数を前記加振周波数から離れさせた後に、前記ポンプを始動することを特徴とする排水機場の運転方法。
【請求項５】
前記ポンプの運転中に、水の脈動であって前記固有振動数の脈動が前記ポンプの運転により発生する場合には、前記気体室の体積を変化させて前記固有振動数を変化させ、共鳴を避けることにより脈動を小さくすることを特徴とする請求項４に記載の排水機場の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中小河川から大河川に水を移送するための排水機場及びその運転方法に関し、特に排水機場の運転時における水路共鳴現象に起因する振動の発生を防止することができる排水機場及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
台風時などにおいて降水量が増すと、河川、特に中小河川の水位が増し、時として河川が氾濫することがある。このような河川の氾濫を防止するための設備として、河川を流れる水を大河川に移送する排水機場が知られている。この種の排水機場は通常河川の近傍に建設され、水路部、ポンプ及び原動機を設置する台座、並びに原動機などを収容する建屋の基礎部分等の構造体は、一般に鉄筋コンクリートで製作される。
【０００３】
従来の排水機場の全体構成の一例を図２に示す。排水機場は、鉄筋コンクリート製の構造体１と、構造体１内に形成された吸込水路２及び吐出水路３と、吸込水路２から吐出水路３に水を移送するポンプ４と、ポンプ４を駆動する原動機５と、原動機５などを収容する建屋６とを備えている。ポンプ４の吸込口は吸込水路２に接続されており、ポンプ４の吐出口は吐出水路３に接続されている。
【０００４】
吸込水路２は導水路等を介して河川（中小河川）に連通しており、水門２１を操作することにより、河川の水が吸込水路２に導入される。一方、吐出水路３は排水路等を介して大河川に連通している。そして、ポンプ４を駆動することにより、吸込水路２を介して河川の水が吸い込まれ、吐出水路３を介して大河川に水が移送される。なお、吸込水路２では、ポンプ近傍で閉水路７を形成し、吐出水路３では、ポンプ近傍で閉水路８を形成している。本発明において、閉水路とは、流路の周囲が密閉された水路を意味する。
【０００５】
このような排水機場においては、ポンプ４の運転により加振力が発生し、この加振力によって水路内の水が加振される。このため、加振力の加振周波数と水路内の水の固有振動数が一致した場合、水路内に共鳴現象が起こり、これが地盤を大きく振動させ、排水機場の振動を引き起こしてしまう。さらには地盤の振動が周囲に伝搬して近隣民家を振動させるという問題が発生している。特に近年では、人口の増加により排水機場周辺にも住宅が多く建てられるようになっており、このような共鳴現象による振動は大きな問題となっている。なお、本発明において、水路内の水の固有振動数とは、ポンプの吸込口側又は吐出口側の水路に存在する水が持つ共鳴固有振動数を意味する。
【０００６】
このような問題を解決するために、例えば特開平９−３２９０９９号公報に示されているように、加振周波数（加振振動数）と水路内の水の固有振動数との一致を避けるように排水機場を設計する方法、及び水路内の水の変動圧力モードの節となる位置にポンプを設置することにより排水機場に発生する加振力を小さくする方法が提案されている。
【０００７】
上記方法では、排水機場を設計するに際して、まず、ポンプの羽根車の羽根枚数、ポンプ回転速度をポンプ効率等を考慮して決定し、水路の形状及び長さなどを流体力学等を考慮して決定する。次に、ポンプの加振周波数を、ポンプの羽根車の羽根枚数及びポンプの回転速度に基づいて算出し、水路内水の固有振動数を、水路の形状及び長さなどから有限要素法等を用いて算出する。そして、算出された加振周波数と固有振動数とを比較し、加振周波数と固有振動数との一致が避けられる程度に両者の値が十分に離れている場合には、排水機場の設計を終了させる。
【０００８】
一方、加振周波数と固有振動数との値が比較的近く、共鳴のおそれがあると判断されたときには、ポンプの設計変更または水路の設計変更を行い、加振周波数及び固有振動数を再度計算し、両者の値が十分に離れるまで、設計変更と計算を行う。もし、諸般の事情により、上記両者の値を十分に離すことが出来ない場合には水路内水の変動圧力モードの節となる位置にポンプを設置する。このような方法を用いて排水機場の設計を行うことで上記のような振動問題の解決を図っていた。
【０００９】
しかしながら、現実には、水路内の水中での等価音速は、水温、水中の気泡含有量、水中の土砂含有量等によって大きく変化するため、排水機場の運転中にも水路内の水の固有振動数が変化する。また、ポンプ運転により発生する加振力は、ポンプ内部の羽根面で発生する剥離渦等の流体的要素にも起因しているため、加振力の加振周波数は羽根車の羽根枚数及び回転速度の他に吐出水量等のポンプの運転条件によって変化する。このため、設計通りに製作された排水機場であっても設計時に予測されていなかったような運転条件になると、水路共鳴が励起される可能性があり、振動問題を発生させ得る。現実に、従来の排水機場では、このような問題が発生するケースが多かった。排水機場に振動問題が生じた場合、その排水機場の構造に応じた振動の原因究明及び対策工事が必要となるため、解決のため多大な労力と費用を必要としていた。このため、実際の運転条件に即応して共鳴を回避することができる排水機場が強く望まれていた。
【００１０】
【特許文献１】
特開平９−３２９０９９号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来の問題点を解決するためになされたもので、排水機場が設計時の予測を超えた運転状態となっても、種々の不具合をもたらす振動の発生を防止することができる排水機場を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明は、ポンプの吸込口または吐出口に接続される水路と、前記水路の閉水路部内に配置される気体室と、前記気体室の体積を変化させる体積変化手段と、前記水路内の水の固有振動数に基づいて前記体積変化手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の好ましい態様は、前記水路内の水を加振させる加振手段と、前記水路内の水の圧力を測定する圧力測定手段とを更に備え、前記圧力測定手段は、前記加振手段により加振された前記水路内の水の圧力脈動を測定し、前記制御手段は、前記圧力測定手段の測定値に基づいて前記水路内の水の固有振動数を求めるように構成されていることを特徴とする。この場合において、前記圧力測定手段は、ポンプ停止時において前記水路内の水の圧力脈動を測定することが好ましい。本発明の好ましい態様は、前記制御手段は、前記水路内の水の圧力脈動の大きさが所定の閾値より大きい場合には共鳴が発生していると判断して、前記体積変化手段を介して前記気体室の体積を変化させるように構成されていることを特徴とする。この場合において、前記制御手段は、ポンプ運転時において前記水路内の水の圧力脈動の大きさが所定の閾値より大きい場合には共鳴が発生していると判断して、前記体積変化手段を介して前記気体室の体積を変化させることが好ましい。
【００１４】
一般に、閉水路部内の水中に定常的に、気体塊、例えば内部に気体を充満させたゴム風船の様な弾性体、を存在させ、その体積を変化させることによって、閉水路部内の水の固有振動数を変化させることができる。また、排水機場においては、通常、ポンプの吸込口及び吐出口近傍は閉水路として構成されている。かかる観点から、本発明は、上記気体塊に相当する構成として、閉水路の水中に配置される気体室を備えている。
【００１５】
本発明によれば、気体室の体積を変化させることにより、水路内の水の固有振動数を変化させることができる。従って、水路内の水の固有振動数をポンプ運転により生じる加振力の加振周波数から離すことができ、これにより、水路共鳴現象の発生を避けることができる。更に、本発明によれば、水路内の水の固有振動数を任意にかつ随時変化させることができるので、排水機場の運転中に加振周波数や水路内の水の固有振動数自体が変化した場合にも水路での共鳴の発生を防止することができる。
【００１６】
即ち、従来のように、ポンプの加振周波数と水路内水の固有振動数とを予測して設計及び施工することで共鳴を避けるという方法ではなく、排水機場の運転中に、排水機場の状態に即応して水路内の水の固有振動数を加振周波数から必要なだけ十分に遠ざけることができるように排水機場を構成する。これにより、水路での共鳴の発生を防止することができ、排水機場の振動を防止することができる。なお、本発明でいう閉水路とは水の流路のうち、周囲が密閉された水路をいう。
【００１７】
本発明の他の態様は、ポンプの吸込口または吐出口に接続される水路を備えた排水機場の運転方法であって、前記水路内の水を加振させて該水の圧力脈動から前記水路内の水の固有振動数を求め、前記固有振動数と予測された前記ポンプの加振周波数とを比較し、前記固有振動数が前記加振周波数と一致する場合には、前記水路内の閉水路部内に配置される気体室の体積を変化させ、前記固有振動数を前記加振周波数から離れさせた後に、前記ポンプを始動することを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、加振力の加振周波数と水路内の水の固有振動数との一致を避けることができるので、水路共鳴現象を発生させることなくポンプを始動できる。なお、本発明において加振周波数と固有振動数との一致とは、両者の値が完全に一致する場合のほか、事実上、共鳴現象を発生させる程度に両者の値が近い場合をいう。
【００１９】
本発明の好ましい他の態様は、前記ポンプの運転中に、水の脈動であって前記固有振動数の脈動が前記ポンプの運転により発生する場合には、前記気体室の体積を変化させて前記固有振動数を変化させ、共鳴を避けることにより脈動を小さくすることを特徴とする。
本発明によれば、水路共鳴を発生させることなくポンプ（排水機場）の運転を継続することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である排水機場の全体構成を示す概略図である。図１に示すように、排水機場は、鉄筋コンクリート製の構造体１と、構造体１内に形成された吸込水路２及び吐出水路３と、吸込水路２から吐出水路３に水を移送するポンプ４と、ポンプ４を駆動する原動機５と、原動機５などを収容する建屋６とを備えている。ポンプ４の吸込口４ａは吸込水路２に接続されており、ポンプ４の吐出口４ｂは吐出水路３に接続されている。
【００２１】
吸込水路２は導水路等を介して河川（中小河川）に連通しており、水門２１を操作することにより、河川の水が吸込水路２に導入されるようになっている。一方、吐出水路３は排水路等を介して大河川に連通している。原動機５によりポンプ４を駆動させると、吸込水路２を介して河川の水がポンプ４に吸い込まれ、吐出水路３を介して大河川に水が移送される。なお、吸込水路で２は、ポンプ４の近傍で閉水路部７を形成し、吐出水路３では、ポンプ４の近傍で閉水路部８を形成している。即ち、ポンプ４の吸込口４ａは閉水路部７に連通し、ポンプ４の吐出口４ｂは閉水路部８に連通している。本発明において、閉水路とは、流路の周囲が密閉された水路を意味する。
【００２２】
図１において、吸込水路２の閉水路部７内には、定常運転時に常時水没する位置に、吸込水路２の水を加振させるための水中スピーカ（加振手段）１１と、吸込水路２の水の圧力を測定する圧力センサ（圧力測定手段）１２とが配置されている。これらの水中スピーカ１１及び圧力センサ１２はコンピュータ（制御手段）１７に接続されている。ポンプ４の停止時において、水中スピーカ１１により加振された吸込水路２内の水の圧力は圧力センサ１２により測定され、この測定値は信号として圧力センサ１２からコンピュータ１７に送信される。コンピュータ１７では、圧力センサ１２から送信された信号に基づいて吸込水路２内の水の固有振動数が求められる。
【００２３】
ポンプ４の吸込口４ａ近傍には、閉水路部７内に配置された空気槽（気体槽）１３が設けられている。空気槽１３は閉水路部７に連通しており、閉水路部７内の水が空気槽１３内に流入するようになっている。空気槽１３の上部には空気室（気体室）２０が形成され、この空気室２０は空気などの気体で満たされている。空気槽１３中には水位センサ１４が配置され、空気槽１３内の水位は水位センサ１４によって測定される。水位センサ１４はコンピュータ１７に接続されており、空気槽１３内の水位が信号として水位センサ１４からコンピュータ１７に送信される。
【００２４】
本実施形態の排水機場は、空気槽１３内に空気を導入し空気槽１３内の圧力を上げ、空気槽１３内の水位を下げるための空気ポンプ１６と、空気槽１３内の空気を逃がすことにより空気槽１３内の圧力を下げ、空気槽１３内の水位を上げるための空気逃し弁１５とを備えている。これらの空気ポンプ１６及び空気逃し弁１５はコンピュータ１７に接続されている。そして、コンピュータ１７は、圧力センサ１２、及び水位センサ１４から送信される信号を総合的に判断して空気槽１３内の水位を適切な位置に調節するように、空気ポンプ１６及び空気逃し弁１５を制御する。このように、空気逃し弁１５及び空気ポンプ１６を操作することにより空気槽１３内の水位を変化させ、空気室２０の体積を変化させることができる。なお、空気逃し弁１５及び空気ポンプ１６は体積変化手段として構成される。
【００２５】
吸込水路２には、吸込水路２内の水位を測定するための吸込水位センサ９が設けられている。この吸込水位センサ９は、吸込水路２内の水が一定以上の水位にあるときにポンプ４に運転許可を与えるために設けられている。なお、図１に示す排水機場は、吸込水路２の閉水路部７に空気槽１３を配置した構成例であるが、吐出水路の閉水路部８においても同様に空気槽を配置できる。
【００２６】
次に、上述のように構成された排水機場の始動方法について説明する。
まず、排水機場のポンプ４を始動する前に、コンピュータ１７の指令により、空気槽１３の空気逃し弁１５を開く。これにより空気槽１３内に水を完全に充満させ、空気槽１３内の水位を最高の位置まで上げる。次に、コンピュータ１７は、水中スピーカ１１から音波を発信させ、吸込水路２内の水の圧力脈動を圧力センサ１２により測定させる。そして、コンピュータ１７は、その測定値を予め保有しているデータと比較することにより、吸込水路２内の水の固有振動数（共鳴固有振動数）を演算して求める。
【００２７】
一方、ポンプ４の運転により生じる加振力の加振周波数は、ポンプ４の羽根車の羽根枚数や回転速度などに基づいて予測され、予測可能な値として予めコンピュータ１７に入力されている。上記演算により求められた固有振動数はコンピュータ１７により加振周波数と比較される。そして、上記固有振動数が加振周波数に所定の比率範囲以内で一致する場合には、コンピュータ１７は、予めコンピュータ１７に入力されているデータに基づいて空気槽１３中の水位を調節し、上記固有振動数が加振周波数から所定の比率以上または以下に離れるように空気室２０の体積を制御する。
【００２８】
即ち、コンピュータ１７は、空気槽１３内の空気室２０の圧力を上げるべく空気ポンプ１６に指令を発し、空気ポンプ１６を操作して空気槽１３の水位を下げる。次に、コンピュータ１７は、上記操作の結果新たに設定された空気槽１３の水位において、再度水中スピーカ１１から音波を発信させ、上記と同様の方法により吸込水路２内の水の固有振動数を演算する。そして、この固有振動数が予測されているポンプ４の加振周波数から所定の比率以上または以下に離れていれば空気槽１３内の水位の調節は完了し、ポンプ４を始動することができる。
【００２９】
一方、固有振動数と加振周波数とが所定の比率の範囲内で一致すれば、コンピュータ１７は、空気逃し弁１５または空気ポンプ１６に指令を出し、空気槽１３の水位を調節する。即ち、空気槽１３内の空気を空気逃し弁１５を開いて逃がすことにより空気槽１３内水位を上げるか、または空気ポンプ１６を駆動させて空気槽１３内の圧力を上げることにより空気槽１３内の水位を下げる。その後、コンピュータ１７は再度水中スピーカ１１から音波を発信させ、上記と同様の方法により吸込水路２内の水の固有振動数を演算し、この固有振動数と加振周波数とを比較する。このようにして、コンピュータ１７は、固有振動数が予測される加振周波数から所定の比率以上または以下に離れるまで、この操作を繰り返す。
【００３０】
空気槽１３内の水位の変化方向、即ち上昇方向または下降方向とその変化量とは、予めコンピュータ１７に入力されているデータに基づきコンピュータ１７が決定する。吸込水路２内の水の固有振動数と、予測される加振周波数とが所定の比率以上または以下に離れた時点で、ポンプ４始動前における空気槽１３内の水位調節は完了する。
【００３１】
なお、加振周波数と固有振動数との比率は、次の式から求められる。
比率＝（加振周波数）／（固有振動数）
上述したように、ポンプ４の始動前に空気槽１３内の水位調節を行い、その後ポンプ４を始動する。これにより、ポンプ４の加振周波数と水路の固有振動数が一致しないので、水路共鳴を発生させずにポンプ４を始動できる。
【００３２】
上述した手順によりポンプ４を始動した後は、圧力センサ１２により圧力脈動の周波数と大きさとが常時測定され、これらの測定値が圧力センサ１２からコンピュータ１７に送信される。そして、測定された圧力脈動の周波数の中に、予め定められた閾値を超える大きさを持つ周波数成分が有る場合には、コンピュータ１７はその周波数において水路共鳴現象が発生していると判断する。この場合、コンピュータ１７は、空気逃し弁１５を開放し空気槽１３内の水位を上昇させて固有振動数を低下させるか、または空気ポンプ１６を駆動させて空気槽１３内の水位を低下させて固有振動数を上昇させる。これにより加振周波数と固有周波数との比率を水路共鳴現象が生じない値に設定し直すことができる。したがって、上記閾値を適切に設定しておくことにより水路共鳴現象を伴う運転を回避でき、排水機場の近隣民家への振動等の問題の発生を未然に防ぐことができる。このように、ポンプ４の運転中に、水の脈動であって固有振動数の脈動がポンプ４の運転により発生する場合には、空気槽（気体室）１３の体積を変化させて上記固有振動数を変化させ、共鳴を避けることにより脈動を小さくすることができる。
【００３３】
なお、空気槽１３内の水位を上昇させるかまたは下降させるかの決定及び該水位の変化量の決定は、空気槽１３内の水位調節可能範囲の上限及び下限と現在の水位との関連、並びにコンピュータ１７に予め入力されているデータに基づいてコンピュータ１７が行う。また、ポンプ４の運転中に圧力センサ１２により常時測定される圧力脈動の周波数の範囲は、通常０Ｈｚ以上９０Ｈｚ以下である。これは、人体が一般に９０Ｈｚ以下の振動に対して敏感であるという事実によるものである。なお、上記においては空気槽（空気室）を１箇所備える排水機場の実施形態について説明してきたが該空気槽（空気室）を２箇所以上備えても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、気体室の体積を変化させることによって水路内の水の固有振動数を予測されるポンプの加振周波数から必要なだけ十分に離すことができるので、ポンプ始動時において水路共鳴現象による振動発生等の不具合を回避できる。更に、ポンプ運転中においては、常時圧力脈動の周波数と大きさを検出し、圧力脈動の大きさが予め定められた閾値を超えた場合には速やかに、固有振動数を加振周波数から必要なだけ十分に離すことができる。従って、閾値を適切な値に設定しておくことにより、排水機場の運転中に加振周波数や固有振動数自体が変化しても水路共鳴現象の発生を未然に防ぐことができ、水路共鳴現象による振動発生等の不具合を回避できる。現実的観点から見て本発明のようにいかなる運転状態に対しても即応して水路共鳴の発生を回避できる排水機場及びその運転方法は実用上極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における排水機場の全体構成を示す概略図である。
【図２】従来の排水機場の全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１      構造体
２      吸込水路
３      吐出水路
４      ポンプ
５      原動機
６      建屋
７      吸込水路の閉水路部
８      吐出水路の閉水路部
９      吸込水位センサ
１１      水中スピーカ
１２      圧力センサ
１３      空気槽
１４      水位センサ
１５      空気逃し弁
１６      空気ポンプ
１７      コンピュータ
２０      空気室
２１      水門
【図１】
2005054595.tif 000003
【図２】
2005054595.tif 000004