(57)【要約】【課題】実際のポンプ機場において、ポンプの吸込渦の発生状況を濁度の高い水の中で発生する水中渦であっても検知できる渦検知装置を提供することを１つの目的としている。【解決手段】第１の形態によれば、ポンプが設置される吸込水槽内に配置するための渦検知装置が提供される。渦検知装置は、超音波発生器と、超音波発生器から発された超音波を受信するように構成される超音波受信器と、超音波受信器により受信したデータを処理するように構成されるデータ処理装置と、を有する。【選択図】図４Ａ
2017020849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプが設置される吸込水槽内に配置するための渦検知装置であって、前記渦検知装置は、
超音波発生器と、
前記超音波発生器から発された超音波を受信するように構成される超音波受信器と、
前記超音波受信器により受信したデータを処理するように構成されるデータ処理装置と、を有する、
渦検知装置。
【請求項２】
請求項１に記載の渦検知装置であって、
前記超音波発生器および前記超音波受信器は、吸込水槽の壁面および／または底面に固定される、
渦検知装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の渦検知装置であって、
前記超音波発生器および前記超音波受信器は、ポンプが吸込水槽内に配置されたときに、ポンプの吸込部を挟んで対向するように配置される、
渦検知装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の渦検知装置であって、
前記超音波発生器および前記超音波受信器は、ポンプが吸込水槽内に配置されたときに、ポンプの吸込部に対して同一の側に配置される、
渦検知装置。
【請求項５】
ポンプ機場であって、
ポンプが設置される吸込水槽と、
前記吸込水槽内に配置される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の渦検知装置と、を有する、
ポンプ機場。
【請求項６】
請求項５に記載のポンプ機場であって、
前記吸込水槽内を撮影するように構成されるカメラを有する、
ポンプ機場。
【請求項７】
吸込水槽内に配置されるポンプの稼働中に渦を検知するための方法であって、
前記吸込水槽内に超音波を発信させるステップと、
前記吸込水槽内に発信された超音波を受信するステップと、
受信した超音波の信号を処理するステップと、を有する、
方法。
【請求項８】
吸込水槽内に配置されるポンプの振動を評価する方法であって、
前記吸込水槽内に発生した渦を検知するステップと、
前記ポンプの振動を測定するステップと、を有し、
前記渦を検知するステップは、
前記吸込水槽内に超音波を発信させるステップと、
前記吸込水槽内に発信された超音波を受信するステップと、
受信した超音波の信号を処理するステップと、を有し、
前記方法は、検知した渦と測定された振動と、に基づいてポンプの振動を評価する、
方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法であって、さらに、
前記吸込水槽内をカメラで撮影するステップを有し、
前記方法は、検知した渦、前記カメラで撮影された画像、および測定された振動、に基づいてポンプの振動を評価する、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、渦検知装置および渦検知装置を用いたポンプ機場およびポンプ振動評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
揚水や排水のポンプ機場に設置される吸込水槽において、ポンプ吸込部分周りに吸込渦が発生することがある。吸込渦がポンプに吸い込まれると、ポンプの振動増加や性能低下につながる。そこで、吸込渦の研究が古くからなされている。
【０００３】
非特許文献１は、ポンプの吸込口とそのポンプが配置されたポンプ機場の壁面や底面との関係により、壁面や水面、底面から渦がどのような流速等の条件で発生するかを実験的に検証している。
【０００４】
このような検証を基に、たとえば特許文献１のように様々な渦防止装置が提案されている。
【０００５】
また、渦発生に関する様々なシミュレーションもなされている。非特許文献２には、透視できる透明な吸込水槽に濁度のほとんどない透明な水にトレーサーを添加してポンプの吸込渦を発生させ、レザーを当ててトレーサーの挙動を観測し、そこで得られたデータをもとに、数値解析に係るモデルをたて、CFDによる渦の流れ解析を行った報告がされている。
【０００６】
これらの研究のベースには、渦の実際の挙動を把握する計測技術がある。渦の計測技術については、非特許文献２や特許文献２において、透明な水の入った透明な水槽越しに、ビデオカメラにより水中渦の状況を撮影し、画像データを解析する技術が紹介されている。
【０００７】
しかしながら、このような測定技術は、水理模型実験において利用される技術で、透明な水、透明な水槽があってはじめて利用できる技術である。実際のポンプ機場において、ポンプおよび吸込水槽の状況は、ポンプ機場ごとに建設上の制約がある、ポンプの配置や水槽の壁面の関係は水理模型実験とは異なる。実際のポンプ機場においては、水槽の壁面はコンクリート壁であり、また、水質はどちらかといえば濁水で透明度は低い。また、吸込水槽は天蓋で覆われているので暗いため、前述した水理模型実験において用いられる測定技術は適用できないことがある。
【０００８】
そこで、実際のポンプ機場の吸込渦を測定する手法が、特許文献３、特許文献４などに提案されている。特許文献３で紹介される技術では、吸込水槽を覆う天蓋にCCDカメラが取り付けられ、CCDカメラによりポンプ周辺の水面を撮影することで渦が検出される。また、渦が検出されると、その渦に近い圧力水噴射装置から圧力水を渦に向けて噴射することで、渦を消滅させている。しかしながら、この方法は水面上に顕れる渦については知ることができるが、その渦が水中でどのように伸びているのかを把握することは、水の透明度が低い場合は困難である。
【０００９】
特許文献４では、ポンプ吸込口であるベルマウス端部一周に電極を配置し、電極間の電流や電圧が、渦による気泡の存在により非平衡状態になることを利用してポンプに渦が近接して発生したことを検知する検知システムが紹介されている。しかしながら、この方法
は、近接して渦らしきものが発生したことを検知しているが、単なる泡であっても反応し、水の中にイオンが偏在するような場合、解析は困難になる。また、ポンプが海水を扱う場合には、電極の腐食が考えられ、誤動作や維持管理等で課題が残る。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】「水中渦の発生とフローパターン」田籠、上田  日本機械学会論文集（B編）57巻543号（1991-11）
【非特許文献２】「ポンプ吸込水槽の渦の可視化」趙  可視化情報  Vol.30  No.116（２０１０年１月）
【特許文献１】特開２０１３−１９９９４０号公報
【特許文献２】特開平１１−２３７３９７号公報
【特許文献３】特開平６−３１７２９９号公報
【特許文献４】特開平７−３３２２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述のように、実際のポンプ機場において吸込渦を的確に把握することは困難であり、ポンプ自体の振動増大や性能低下がおこっても、その原因が吸込渦の発生プロセスと結びつかない状況である。
【００１２】
このような状況に鑑み、本願発明は、実際のポンプ機場において、ポンプの吸込渦の発生状況を濁度の高い水の中で発生する水中渦であっても検知できる渦検知装置を提供することを１つの目的としている。また、本願発明は、渦検知装置を備えていない既存のポンプ機場であっても、簡単に配置することのできる渦検知装置を提供することを１つの目的としている。また、本願発明は、本開示による渦検知装置を用いたポンプ機場、およびポンプ振動評価方法を提供することを１つの目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願発明は、上述の課題の少なくとも１つの課題を、少なくとも部分的に解決するものである。
【００１４】
本発明の第１の形態によれば、ポンプが設置される吸込水槽内に配置するための渦検知装置が提供される。前記渦検知装置は、超音波発生器と、前記超音波発生器から発された超音波を受信するように構成される超音波受信器と、前記超音波受信器により受信したデータを処理するように構成されるデータ処理装置と、を有する。
【００１５】
本発明の第２の形態によれば、第１の形態による渦検知装置であって、前記超音波発生器および前記超音波受信器は、吸込水槽の壁面および／または底面に固定される。
【００１６】
本発明の第３の形態によれば、第１または第２の形態の渦検知装置であって、前記超音波発生器および前記超音波受信器は、ポンプが吸込水槽内に配置されたときに、ポンプの吸込部を挟んで対向するように配置される。
【００１７】
本発明の第４の形態によれば、第１または第２の形態の渦検知装置であって、前記超音波発生器および前記超音波受信器は、ポンプが吸込水槽内に配置されたときに、ポンプの吸込部に対して同一の側に配置される。
【００１８】
本発明の第５の形態によれば、ポンプ機場が提供される。かかるポンプ機場は、ポンプが設置される吸込水槽と、前記吸込水槽内に配置される、第１から第５のいずれか１つの
形態の渦検知装置と、を有する。
【００１９】
本発明の第６の形態によれば、第５の形態のポンプ機場であって、前記吸込水槽内を撮影するように構成されるカメラを有する。
【００２０】
本発明の第７の形態によれば、吸込水槽内に配置されるポンプの稼働中に渦を検知するための方法が提供される。かかる方法は、前記吸込水槽内に超音波を発信させるステップと、前記吸込水槽内に発信された超音波を受信するステップと、受信した超音波の信号を処理するステップと、を有する。
【００２１】
本発明の第８の形態によれば、吸込水槽内に配置されるポンプの振動を評価する方法が提供される。かかる方法は、前記吸込水槽内に発生した渦を検知するステップと、前記ポンプの振動を測定するステップと、を有する。前記渦を検知するステップは、前記吸込水槽内に超音波を発信させるステップと、前記吸込水槽内に発信された超音波を受信するステップと、受信した超音波の信号を処理するステップと、を有する。前記方法は、検知した渦と測定された振動と、に基づいてポンプの振動を評価する。
【００２２】
本発明の第９の形態によれば、第８の形態による方法であって、さらに、前記吸込水槽内をカメラで撮影するステップを有し、前記方法は、検知した渦、前記カメラで撮影された画像、および測定された振動、に基づいてポンプの振動を評価する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施形態による、ポンプ機場を概略的に示す斜視図である。
【図２Ａ】一実施形態による、吸込水槽内を照明で照らしてカメラで撮影する様子を模式的に示す側面図である。
【図２Ｂ】図２Ａで示される状態を、カメラの方向から見た模式図である。
【図３Ａ】一実施形態による、ポンプの吸込部周辺を概略的に示す立断面図である。
【図３Ｂ】一実施形態による、ポンプの吸込部周辺を概略的に示す平面図である。
【図４Ａ】一実施形態による、渦検知装置を備えたポンプ機場を概略的に示す断面側面図である。
【図４Ｂ】図４（Ａ）に示されるポンプ機場の断面上面図である。
【図５Ａ】一実施形態による、渦検知装置を備えたポンプ機場を概略的に示す断面側面図である。
【図５Ｂ】図５（Ａ）に示されるポンプ機場の断面上面図である。
【図６】一実施形態による、カメラから得られる水面渦のトレンドの観測データと、超音波を利用した渦検知装置から得られる水中渦のトレンドの観測データ、及びポンプの振動データの相関を比較するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明に係る渦検知装置および渦検知装置を用いたポンプ機場およびポンプ振動評価方法の実施形態を添付図面とともに説明する。添付図面において、同一または類似の要素には同一または類似の参照符号が付され、各実施形態の説明において同一または類似の要素に関する重複する説明は省略することがある。また、各実施形態で示される特徴は、互いに矛盾しない限り他の実施形態にも適用可能である。
【００２５】
図１は、本願発明の一実施形態によるポンプ機場１０を概略的に示す斜視図である。図１において、吸込水槽５０の天蓋５２の一部は断面で示される。
【００２６】
図１に示される実施形態において、ポンプ機場１０は床下に吸込水槽５０が配置され、床上にポンプ駆動に関する機器等が配置されている。床５２は、吸込水槽５０からみれば
天蓋５２である。図示の実施形態において、ポンプ１００は縦軸ポンプであり、端部に吸込部１０２を備えた吸込管１０４が吸込水槽５０の水面に垂直に挿入されるように配置されている。ポンプ１００の運転により、吸込部１０２から吸い込まれた水は垂直に吸込管１０４内を上昇し吐出エルボ１０６にて水平方向に流れの向きを変えられて吐出配管１０８から排水される。
【００２７】
吸込水槽５０には、河川水、海水、雨水、汚水などが供給され、供給量に応じてポンプ１００が稼働される。吸込水槽５０は床下なので、通常は吸込水槽５０内部には光は取り入れられていない。しかしながら、図示の実施形態において、水面上に発生する吸込み渦を検知及び観測するために、吸込水槽５０は、ポンプ１００の吸込部１０２近傍の水面を照らす照明５２と、ポンプの吸込部５０近傍の水面を撮影するカメラ５４とを備える。照明５２およびカメラ５４は吸込水槽５０内の任意の位置に配置することができる。
【００２８】
ポンプ１００の吸込部１０２近傍の水面を照明５２で照らすと、図２Ａおよび図２Ｂに模式的に示されるように、渦により生じる水面の波面により反射する光が、カメラ５４に集中する位置と、散乱する位置とで光の濃淡としてカメラ５４で把握することができる。基準となる位置を決め、そこから平面座標を決めて、一定時間ごとに連続的にカメラ５４で撮影することにより、渦の動きが水面上をどのように移動していくのが把握することができる。一定時間ごとに撮影した画面をデータとして保存し、一方で、ポンプ１００の一定時間ごとの振動測定データを保存し、両者を比較することで、渦の動きと振動との相関を評価することが可能になる。しかしながら、濁度の大きい水の場合は、水中の渦の挙動を把握することは困難である。
【００２９】
図３（Ａ）は、ポンプ１００の吸込部１０２周辺の縦断面図であり、図３（Ｂ）はポンプ１００の吸込部１０２周辺の平面図である。図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示される矢印は、水流の向きを表している。本明細書において、吸込水槽５０の壁面や底面から生ずる渦について、底部から生ずる渦をΓ0（ガンマゼロ）と称し、水流の向きに平行なポンプ１００の両壁面から生ずる渦をΓ1と称し、水流に対してポンプ１００の背面に向かい合う壁面から生ずる渦をΓ2と称する。  これらの渦は、水中渦であって、水が透明でなければ、目視やカメラ等で確認することは困難である。
【００３０】
図４（Ａ）は、本願発明の一実施形態による渦検知装置を備えたポンプ機場１０を概略的に示す断面側面図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）に示されるポンプ機場１０の断面上面図である。図４（Ａ）および図４（Ｂ）において、ポンプ１００、水面、および渦は破線で概略的に示されている。
【００３１】
一実施形態において、渦検知装置は、超音波発生器２００および超音波受信器２５０を有する。図示の実施形態において、超音波発生器２００および超音波受信器２５０は、それぞれ概ね平板状のパネル状のケース２０２、２５２内に配置される。図示の実施形態において、超音波発生器２００を備えるパネル状のケース２０２、および超音波受信器２５０を備えるパネル状のケース２５２は、それぞれ水流の向きに平行な吸込水槽５０の両壁面に配置される。図４（Ａ）に示されるように、超音波発生器２００および超音波受信器２５０は、超音波がポンプ１００の吸込部１０２の周囲を通過するように水中に沈むように配置される。これらのパネル状ケース２０２、２５２は、吸込水槽５０の上方からケーブル等で床（天蓋）５２から吊り下げられる。超音波発生器２００および超音波受信器２５０は、吸込水槽５０内で水中に沈めるので、両パネル状ケース２０２、２５２は、送受信器２００、２５０を含めた総体としての比重は水より大きいことが望ましい。必要であれば、パネル状ケース２０２、２５２に重りを取り付けてもよい。また、吸込水槽５０内の水流により、パネル状ケース２０２、２５２が動かないように、パネル状ケース２０２、２５２を吸込水槽５０の底面および／または側面に任意の方法で固定してもよい。
【００３２】
図示の実施形態において、パネル状ケース２５２の一方の壁面に、一定間隔ごとに超音波受信器２５０が配置されている。たとえば、図４に示されるように、Ｘ−Ｚ座標に沿って一定間隔で超音波受信器２５０が配置される。パネル状ケース２５２および超音波受信器２５０の少なくとも一方は防水仕様とされる。また、超音波受信器２５０の受信信号を送る信号線は、パネル状ケース２５２を吊り下げるケーブルとともに上方におけるデータ処理装置３００に接続される。データ処理装置３００は、超音波受信器２５０から受け取った信号を処理する。
【００３３】
超音波発信器２００は、パネル状ケース２０２内での一方壁面に配置される。たとえば、一例として、超音波発信器２００は、パネル状ケース２０２のポンプ１００に向く面のほぼ中央に配置される。超音波発信器２００およびパネル状ケース２０２の少なくとも一方は防水仕様とされる。超音波発信器２００へ信号を送る信号線（図示せず）は、パネル状ケース２０２を吊り下げるケーブル（図示せず）とともに上方における制御装置３０２に接続される。制御装置３０２は、発生させる超音波の周波数、強度、タイミング等を制御する。なお、データ処理装置３００と制御装置３０２とは、同一のハードウェアとしてもよい。
【００３４】
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示される実施形態において、パネル状ケース２０２の超音波発信器２００を備えた面と、パネル状ケース２５２の超音波受信器２５０を備えた面とは、ポンプ１００を挟んで向かい合わせの状態で吸込水槽５０に配置される。ポンプ１００を停止させた状態で超音波の受送信を行い、超音波の広がる角度と強さを調整する。図４（Ａ）に示される超音波受信器２５０の配置においては、超音波発信器２００に直面する位置Ｘ２−Ｚ２の受信器２５０において、受信する超音波の強度が一番大きく、そのから周辺にいくほど受信する超音波の強度は小さくなる。
【００３５】
また、障害物に超音波がぶつかると反射し散乱して受信する超音波の強度が小さくなる。図４（Ａ）に示される超音波受信器２５０の配置において、位置Ｘ２−Ｚ１にある超音波受信器２５０は、超音波発信器２００との間にポンプ１００があるため、ポンプ１００により超音波が反射・散乱し、他の超音波受信器が受信する強度よりも受信する超音波の強度が小さくなる。また、位置Ｘ２−Ｚ１にある超音波受信器２５０は、いくつかの反射が繰り返された超音波を受信するので、発信から受信までの時間に差が生じる。
【００３６】
ポンプ１００を運転すると吸込水槽５０内に水流が生じる。濁度が大きい流体の場合には、水中に大小の粒子が存在するので、超音波は、それらの粒子よる反射や散乱の影響を受け、全体として超音波受信器２５０の受信する超音波の強度は小さくなる。また、水流の速度と向きとにより、超音波の伝搬速度は異なるので、全体として超音波受信器２５０の受信する超音波の周波数が広がる。
【００３７】
そのような状況のなかで、ポンプ１００の運転中に吸込水槽５０内で水中渦が発生すると、水中渦の中は真空であるので、超音波は渦中を伝搬透過できない。一例として、図４（Ａ）に示される例において、位置Ｘ２−Ｚ２および位置Ｘ２−Ｚ３の超音波受信器２５０は、Γ０の渦により、超音波が透過できないので、他の受信器２５０にくらべ、受信する超音波の強度は著しく低下する。また、位置Ｘ１−Ｚ２の超音波受信器２５０は、Γ２の渦により、超音波が透過できないので、他の受信器にくらべ、受信する超音波の強度は著しく低下する。
【００３８】
このように、ポンプ１００の稼働中に吸込水槽５０内で、超音波発信器２００と超音波受信器２５０との間に渦が発生し、真空部分が発生した場合には、対応する超音波受信器２５０では、他の受信器に比べて大きく受信する超音波の強度が低下することになる。そ
のため、ポンプ１００の運転中において、一定時間ごとに受信した超音波受信器２５０の各座標の超音波受信データと、ポンプ１００の一定時間ごとの振動測定データとを比較することで、どのような渦（例えばΓ０、Γ１、Γ２など）が発生し、それが、ポンプ振動とどのような関係があるかの相関を評価することが可能になる。
【００３９】
ここで、超音波受信器２５０のあるパネル状ケース２５２の大きさは、ポンプ吸込口１０２の幅（直径）とポンプ吸込口１０２から吸込水槽底面までの深さの長方形の面が少なくともあれば良い。その理由は、ポンプ１００の吸込口１０２に侵入してくる水中渦以外は、ポンプの振動に直接関係ないと考えられるからである。
【００４０】
本開示による実施形態においては、パネル状ケース２０２、２５２に超音波発信器２００及び超音波受信器２５０を備え、床（天蓋）５２から吊り下げることができるので、どのようなポンプ機場においても水中渦を測定することが可能である。
【００４１】
他の実施形態として、図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、単一のパネル状ケース２１２に、超音波発信器２００と超音波受信器２５０との両方を同じ面に配置した例を示している。図示に実施形態において、超音波発信器２００は、パネル状ケース２１２のポンプ１００に向かう面のほぼ中央に配置される。また、超音波受信器２５０は、図４（Ａ）と同様の配置である。この場合、超音波の発信から受信までの往復距離を考慮して、超音波発信器２００の超音波の強度を大きくすれば、超音波受信器２５０で十分な強度の超音波を受信することが可能である。但しこの場合には、ポンプによる反射の影響が強いので、予め、ポンプの反射による影響を差し引くことが望ましい。ポンプによる反射の影響は、たとえば、ポンプを運転しない状態で、超音波の受送信を行うことで測定することができる。
【００４２】
図６は、以上のようにして、カメラ５４から得られる水面渦のトレンドの観測データと、超音波を利用した渦検知装置から得られる水中渦のトレンドの観測データ、及びポンプ１００の振動データの相関を比較するブロック図である。
【００４３】
本開示による実施形態において、カメラ５４から得られる水面渦のトレンドの観測と、超音波を利用した渦検知装置から得られる水中渦のトレンドの観測が可能であるので、各計測機器の観測位置を適当な基準を基に座標として決め、また、測定開始時を同じ基準時刻から測定すれば、ポンプの周辺の渦がどの時刻にどこで発生しているかを把握することが可能である。更にポンプの振動測定も、同じ時刻から測定し、カメラから得られた画像データ、超音波を利用した渦検知装置から得られた水中の超音波受信データ、およびポンプの振動データを比較することにより、例えば、ポンプ振動の激しいときに、画像データ、水中の超音波受信データにより特定できる渦の関与が明らかになる。
【００４４】
そして、ポンプに対して、吸込水槽のどのような部位に発生する渦が悪影響を及ぼすのかを特定することが可能になり、渦対策も特定されて効率的になる。たとえば、悪影響を及び渦の発生場所が特定されるので、渦を発生させないように、たとえば遮蔽板を効果的に配置することができる。
【００４５】
以上のように、本発明に係る渦検知装置および渦検知装置を用いたポンプ機場およびポンプ振動評価方法の実施形態を説明してきたが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４６】
１０…ポンプ機場
５０…吸込水槽
５２…照明
５４…カメラ
２００…超音波発生器
２５０…超音波受信器
３００…データ処理装置
３０２…制御装置
【図１】
2017020849.tif 000003
【図２Ａ】
2017020849.tif 000004
【図２Ｂ】
2017020849.tif 000005
【図３Ａ】
2017020849.tif 000006
【図３Ｂ】
2017020849.tif 000007
【図４Ａ】
2017020849.tif 000008
【図４Ｂ】
2017020849.tif 000009
【図５Ａ】
2017020849.tif 000010
【図５Ｂ】
2017020849.tif 000011
【図６】
2017020849.tif 000012