(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプと断面が変化する水路とを備えたポンプ機場において、ポンプ羽根車の羽根後縁が、水路に発生する共振時における圧力振動モードの腹の位置から流路に沿って上流側に、ポンプの加振周波数の波長の０．１５倍の位置から、圧力振動モードの腹の位置までの範囲内で位置するようにポンプを水路に設置することを特徴とするポンプ機場。
【請求項２】
ポンプと断面が変化する水路とを備えたポンプ機場において、水路内の水柱の共振周波数を求め、共振周波数における圧力振動モードを求め、水路に発生する共振時の圧力振動モードの腹を求めて、ポンプ羽根車の羽根後縁が、圧力振動モードの腹の位置から流路に沿って上流側に、ポンプの加振周波数の波長の０．１５倍の位置から、圧力振動モードの腹の位置までの範囲内で位置するようにポンプを水路に設置することを特徴とするポンプ設置方法。
【請求項３】
水路に発生する共振時の圧力振動モードの腹を解析手法を用いて解析的に求める請求項２に記載のポンプ設置方法。
【請求項４】
吸込み水路開放端および吐出し水路開放端の圧力振動振幅が零という条件で解析して、水路に発生する共振時の圧力振動モードの腹を求める請求項３に記載のポンプ設置方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は河川の氾濫防止用に、河川に近接して設けられ、吸込み水路および／または吐出し水路と一体となった構造を有する軸流ポンプあるいは斜流ポンプが使用されているポンプ機場およびポンプ設置方法に関し、特にその脈動および振動の低減に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の小形のポンプ機場のポンプ配管状態を図８〜図１０に示す。ポンプ１の吸込み管４の入口端、および吐出し管５の出口端は、図８示すように吸込み水槽２内および吐出し水槽３内に、または図９に示すように吸込み水槽２および吐出し水槽３のそれぞれの側面に設けた構造になっており、あるいは図１０に示すように吸込み集合管６および吐出し集合管７から複数のポンプ１に吸込み管４および吐出し管５をそれぞれ接続した構造になっている。
【０００３】
このような吸込みあるいは吐出しに水槽または集合管のある通常のポンプ配管において、配管長さに関係した脈動低減法としては、特公平３−１３４８０号公報に示されているように、ポンプ配管に沿った配管の全長によって決まる水柱の共振周波数が、ポンプの発生する加振周波数であるポンプ羽根車の羽根枚数Ｚと羽根車回転数Ｎの積Ｚ×Ｎで決まる羽根通過周波数ｆＺＮおよびその倍数の周波数ｎｆＺＮ（ここにｎ＝１以上の整数）に近い値にならないようにする方法がある。
例えば図３に示すような単純なポンプ配管において、配管内の水柱の共振時に配管内に生じる共振周波数の変動圧力振幅は、一例として２次の共振モードの場合に、おおよそ図１２に示すようになる。
なお、図１２において、Ｌｂ＝Ｌｓ＋Ｌｄ＋αＬｐであり、各パラメータは図３による。また、αは後記にて説明する。
【０００４】
ポンプが発生する加振周波数をｆとし、その周波数ｆに関係する配管内水柱振動の波長をλとしてポンプ吸込み側の水槽２あるいは集合管６と、図１１に示すようなボリュート形ポンプＰｖ（図中の符号１４は羽根車、１５はボリュート）の吸込み側フランジ８との間の配管長さをＬｓ（図３参照）としたとき、特公昭５９−４９４８０号公報に示されているように、配管内の水柱の共振時における配管内に生じる最大圧力変動振幅は、図１３に模式的に示すようにＬｓによって変化する。
そして、ボリュート形ポンプにおいては、ポンプ１をＬｓ＝λ（２ｎ−１）／４（ここにｎは１以上の整数）の近傍に設置すると、脈動を低減することが可能であるとされている。
【０００５】
一方、河川に近接して設けられ、河川の水を大量に汲み上げるために設けられた大形ポンプ機場では、図１に示すように、吸込み水路１０および吐出し水路１１は鉄筋コンクリート等で構築され、ポンプ１と一体の構造になっている。
【０００６】
このような河川に近接して設けられ、水路と一体となった構造を有する大形ポンプ機場においては、ポンプを水路に発生する圧力振動モードの節の近傍、すなわち、図３に示すような単純なポンプ配管においては、ポンプ１をＬｓ＝ｎλ／２（ここにｎは０以上の整数）の近傍に設置させると脈動低減に良好とされている。
【０００７】
上記のように、吸込みおよび吐出しに水槽または集合管を有するボリュート形ポンプ場の場合には、ポンプが発生する加振周波数が水路内水柱の共振周波数の近傍にある場合に、ポンプを水路に発生する圧力振動モードの腹の近傍に設置させると脈動を低減することが可能であることが明らかになっている。
【０００８】
一方、水路と一体となった構造を有する大形ポンプ機場では、図２に示すようなガイドベーン形の軸流ポンプＰａ、あるいはガイドベーン形の斜流ポンプが採用されるのが一般的である（図中の符号１４は羽根車、１６はガイドベーンを示す）。
しかも、ポンプの吐出し流量を変えるために、ポンプ回転数を変えることを可能にしている場合が多い。そのような場合には、全てのポンプ回転数の範囲に対し、ポンプ水路の水柱共振周波数がポンプの発生する振動周波数ｆＺＮに近くならないようにすることは困難な場合が発生する。
【０００９】
しかし、このようなガイドベーン形のポンプ機場の場合には、ポンプを水路のどの位置に設置すれば脈動および振動を低減できるかは従来想定できなかった。
このため、ポンプおよび水路からなるポンプ機場を、まず製作しやすいような形状で製作し、そして、ポンプ運転開始後に振動あるいは騒音が発生した場合には、振動低減のために後から構造物を補強したり、あるいはポンプの羽根車を羽根枚数の異なる羽根車に取り替えたり等の種々の対策を講じていた。したがって、多くの費用が発生していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題点に対処し、水路と一体となった構造を有する軸流ポンプまたは斜流ポンプが使用されているポンプ機場に対し、ポンプの発生する加振周波数が水路内水柱の共振周波数の近傍に来る場合に、脈動を低減することを可能にして振動・騒音によるトラブル発生を防止し、トラブル対策にかかる費用を低減することを可能としたポンプ機場およびポンプ設置方法を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ポンプと断面が変化する水路とを備えたポンプ機場において、ポンプ羽根車の羽根後縁が、水路に発生する共振時における圧力振動モードの腹の位置から流路に沿って上流側に、ポンプの加振周波数の波長の０．１５倍の位置から、圧力振動モードの腹の位置までの範囲内で位置するようにポンプを水路に設置するようになっている。
【００１２】
水路内に設けられたポンプは、羽根車とガイドベーンとの干渉や、羽根車の振動などによって水路内の液体を加振している。羽根車とガイドベーンとの干渉による液体加振周波数は、羽根車の羽根枚数Ｚと、羽根車の回転数Ｎとの積Ｚ×Ｎに関係する羽根通過周波数ｆＺＮおよびその倍数の周波数ｎｆＺＮ（ここにｎ＝１以上の整数）になる。
また、ポンプを含む水路には、水路が形成する水柱が共振する周波数がある。上記の流体加振周波数と、この水路の水柱の共振周波数とが一致すると、ポンプ配管内の圧力振動振幅が大きくなる。しかし、ポンプ配管系の全長がほぼ同じで水路の水柱の共振周波数がほぼ同じ場合でも、ポンプ水路内のポンプの位置によってポンプ水路内の圧力振動振幅が大きく変化する。
【００１３】
水路と一体となった構造を有する大形ポンプ機場で用いられるガイドベーン形の軸流ポンプあるいは斜流ポンプを、図３に示すような単純な配管中に介装した場合、配管の全長Ｌａを一定とし、ポンプ１の位置を変化させても配管の全長Ｌａは一定であるため、水路内水柱の共振周波数は、いつもほぼ等しくなる。
【００１４】
一例として、ポンプの主な流体加振の周波数が羽根通過周波数で、ポンプ水路内水柱の２次の共振周波数と一致する場合に、ポンプの位置を変えて配管内に発生する最大圧力振幅を測定した結果を図４および図５に示す。
【００１５】
図４はガイドベーン形の斜流ポンプを含む単純な配管で、水路内の水柱共振時におけるポンプ吸込み管４の長さＬｓと最大圧力振幅との関係を示す実験結果である。ここで、●印はポンプ吸込み管１０内、▲印はポンプ吐出し管１１内の最大圧力振幅である。
また、図５はガイドベーン形の軸流ポンプを含む単純な配管で、水路内の水柱共振時におけるポンプ吸込み管１０の長さＬｓと圧力振幅との関係を示す実験結果である。
なお、図４および図５の横軸はポンプ吸込み管１０の長さＬｓを共振周波数の波長λで除して無次元化した値を表している。
【００１６】
これらの図から判るように、ガイドベーン形の斜流ポンプもガイドベーン形の軸流ポンプも、Ｌｓ／λが０．４５のとき配管内に生じる圧力振動振幅の最大値が最も大きくなっており、Ｌｓ／λが０．２近傍、あるいは０．５５から０．６５のとき配管内に生じる圧力振動振幅の最大値が最も小さくなっている。
【００１７】
このように測定結果は、ポンプ水路内のポンプの位置を変えることによって、ポンプ水路内水柱の共振時に発生する配管内圧力振動振幅の最大値を、圧力振動が最も大きくなる場合の１／４程度に低減できることを示している。
【００１８】
ポンプの羽根車１４の羽根とガイドベーン１６との干渉によってポンプ水路内に脈動が発生する場合には、脈動源の位置はほぼ羽根車１４の羽根後縁ｃになる。そのため、ポンプ１の位置を羽根車１４の羽根後縁ｃを基準にして表すと、Ｌｓ／λが０．４５のときに、ポンプの羽根車１４の羽根後縁ｃが、ほぼポンプ水路内の圧力振動モードの節にあることに対応し、Ｌｓ／λが０．２あるいは０．７のときに、ポンプの羽根車１４の羽根後縁ｃが、ほぼポンプ水路内の圧力振動モードの腹にあることに対応する。
【００１９】
すなわち、圧力振動モードの腹の位置から流路に沿って計って上流側に０．１５λの位置から、圧力振動モードの腹の位置の範囲内に、ポンプの羽根車１４の羽根後縁ｃを設置するとき、配管内に発生する最大圧力振幅が低くなっている。このように、水路と一体となった構造を有する大形ポンプ機場の場合は、ポンプを上記で示した範囲内に設置すると圧力振動を低減することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
前記図１に示したように、実際の水路と一体となった構造を有する大形ポンプ機場の場合には、水路１０、１１の断面が吸込み水路入口開口端（ａ）から吐出し水路出口開口端（ｂ）までの間でかなり変化する。このように、水路の断面が変化する場合には、水路（１０〜１１）内の水柱の共振周波数、および共振時の圧力振動モードを単純に求められない場合がある。このような場合には、有限要素法等の解析手法を用いて解析的に求めることが可能である。そして、解析結果から圧力振動モードの腹の位置を決定し、ポンプを上記で示した範囲内に設置すると圧力振動が低減する。
【００２１】
以下、本発明を実施する手順を説明する。
水路と一体となった構造を有する大形ポンプ機場の計画にあたり、水路形状およびポンプ形状、仕様等は次のような手順で決まる。
まず、大形ポンプ機場の水路形状は、水を吸込みまたは吐出したい河川と、ポンプを設置可能な場所との間の形状、ポンプ機場の各種装置の配置、ポンプ吸込みにおける渦による悪影響の回避、ポンプ機場の製作コスト低減などを考慮することによって決められる。
【００２２】
一方、ポンプの形状および回転数は、ポンプに要求される吐出し流量と揚程とが決まると、おおよそ決定される。このとき、ポンプが流体を加振する周波数ｆｖは、羽根通過周波数ｆＺＮおよびその倍数の周波数ｎｆＺＮ（ここにｎ＝１以上の整数）である。
【００２３】
水路内の水中の音速をｃとすると、ポンプの加振周波数の波長はλ＝ｃ／ｆｖとなる。いま、図３に示すように単純な水路とした場合に、ポンプ吸込み管４の長さをＬｓ、吐出し管５の長さをＬｄ、ポンプ１の吸込みフランジ８と吐出しフランジ９との間の長さをＬｐとし、Ｌｂ＝Ｌｓ＋Ｌｄ＋αＬｐと置いて、ポンプ形状および水路形状からＬｂを概算し、可能な限り、Ｌｂがλ／２の整数倍に近い値にならないように水路の長さを変更するか、あるいは羽根車１４の羽根枚数Ｚを決定する。ただし、α＝１．５〜２．０で、ポンプの比速度および振動周波数によって変化する。したがって、Ｌｂは吸込み水路入口端ａから吐出し水路出口端ｂまでの長さＬａより少し長くなる。
【００２４】
そして、Ｌｂがλ／２の整数倍に近い値になりそうな場合には、ポンプの羽根車１４の羽根後緑ｃの位置が、予想される圧力振動モードの腹の位置から流路に沿って計り上流側に０．１５λの位置から、圧力振動モードの腹の位置までの範囲内になるようにポンプ１を設置する。
【００２５】
つぎに、詳細な検討を行う。有限要素法等の解析手法を用いて、吸込み水路入口開放端ａおよび吐出し水路開放端ｂの圧力振動振幅が零という条件の下に、ポンプを含む水路（１０〜１１）内の流体の共振周波数を求め、さらに共振周波数における圧力振動モードを求める。
【００２６】
図６は、ポンプ水路（１０〜１１）内の水柱共振時における圧力振動モードの解析結果を模式的に示した圧力振幅の等値線図である。図６においては、圧力振幅の等値線の横に書いた数値は、圧力振幅をポンプ水路内における最大圧力振幅で無次元化した値である。また、等値線の大きくなる側に数値を書いてある。
【００２７】
図６から判るように、圧力振動振幅が小さくなる位置と圧力振動振幅が大きくなる位置が交互に現れる。圧力振動振幅が小さくなる位置が圧力振動モードの節にあたり、圧力振動振幅が大きくなる位置（１２）が圧力振動モードの腹にあたる。
【００２８】
解析した圧力振動モードにおいて、ポンプ１の羽根車１４羽根後縁ｃの位置が、水路に発生する圧力振動モードの腹の位置から流路（１０）に沿って計り上流側に０．１５λの位置から腹の位置までの範囲に、ポンプ１が設置されているかどうかを確認する。
もし、図６に示すように、ポンプ１が上記の範囲以内に入っていなければ、図７に示すように、ポンプ１の羽根車羽根後線ｃの位置が本発明で示す範囲内に来るようにポンプ１の位置を変更する。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように構成された本発明によれば、大形ポンプ機場のポンプ計画時に振動、騒音の低減化を折り込むことができるので、振動や騒音のため施工後に発生する種々のトラブルの対策費用が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施する大形ポンプ場のポンプ水路形状の一例を示す模式図。
【図２】ガイドベーン形ポンプの形状を示す断面図。
【図３】通常のポンプ機場におけるポンプ配管脈動に関係する記号の説明図。
【図４】ガイドベーン形の斜流ポンプを含む単純な配管で水路内の水柱共振時におけるポンプ吸込み管の長さと最大圧力振幅との関係の実験結果を示す図。
【図５】ガイドベーン形の軸流ポンプを含む単純な配管で水路内の水柱共振時におけるポンプ吸込み管の長さと圧力振幅との関係の実験結果を示す図。
【図６】水路内の水柱共振時における圧力振動モードの解析結果を模式的に示した図。
【図７】本発明を採用した場合のポンプ水路におけるポンプの位置と圧力振幅の等値線を示す図。
【図８】吸込み管入口端および吐出し管出口端を水槽内に設けた通常の小形ポンプ機場の配管状態を示す図。
【図９】吸込み管入口端および吐出し管出口端を水槽側面に設けた配管状態を示す図。
【図１０】吸込み管入口端および吐出し管出口端に集合管を設けた配管状態を示す図。
【図１１】ボリュート形ポンプの形状を示す断面図。
【図１２】ポンプ配管内の水柱が２次の共振をしている時のポンプ配管内の共振周波数の変動圧力分布の一例を示す図。
【図１３】ボリュート形ポンプにおいて、ポンプ配管内の水柱が共振している時のポンプ位置と配管内最大圧力振幅の関係を模式的に示した図。
【符号の説明】
１・・・ポンプ
２・・・吸込み水槽
３・・・吐出し水槽
４・・・吸込み管
５・・・吐出し管
６・・・吸込み集合管
７・・・吐出し集合管
８・・・ポンプ吸込み側フランジ
９・・・ポンプ吐出し側フランジ
１０・・・吸込み水路
１１・・・吐出し水路
１２・・・圧力振幅最大点（圧力振幅の腹）
１３・・・圧力振幅最小点（圧力振幅の節）
１４・・・羽根車
１５・・・ボリュート
１６・・・ガイドベーン
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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