(57)【要約】【課題】実際のポンプ機場において、ポンプの吸込水槽の底面または壁面の間に生じる水中渦を検知するための装置および方法を提供することを１つの目的としている【解決手段】ポンプの吸込口に取り付け可能な渦検知装置が提供される。かかる渦検知装置は、前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信するように構成される超音波発信器と、前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、前記超音波発信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、を有する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポンプの吸込口に取り付け可能な渦検知装置であって、前記渦検知装置は、
前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信するように構成される超音波発信器と、
前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、前記超音波発信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、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、前記渦検知装置は、
複数の圧電素子を有し、
前記複数の圧電素子の少なくとも１つが前記超音波発信器を構成し、
前記複数の圧電素子の少なくとも１つが前記超音波受信器を構成する、
渦検知装置。
【請求項３】
請求項２に記載の渦検知装置であって、
前記複数の圧電素子の各々は、超音波を発信および受信する超音波受送信器を構成する、
渦検知装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の渦検知装置であって、
前記複数の圧電素子は、前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、ポンプの吸込口の内側に所定の間隔で配置される、
渦検知装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載の渦検知装置であって、
前記超音波発信器の１つと前記超音波受信器の１つとにより構成されるペアを複数有し、
前記複数のペアは、各ペアの前記超音波発信器と前記超音波受信器とを結ぶ線が互いに平行になるように配置される、
渦検知装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の渦検知装置であって、
前記超音波発信器および前記超音波受信器は、ポンプの羽根車の下端からポンプの吸込口の下端までの領域に配置される、
渦検知装置。
【請求項７】
ポンプの稼働中にポンプが配置される吸込水槽内に発生する渦を検知する方法であって、
ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信するステップと、
ポンプの吸込口の内側を通った超音波を受信するステップと、を有する、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、
ポンプの吸込口の内側に配置される複数の超音波受送信器を有し、
前記方法は、前記複数の超音波受送信器の１つから、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信し、
前記複数の超音波受送信器の残りでポンプの吸込口の内側を通った超音波を受信する、
方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、
前記超音波を受信するステップは、ポンプの吸込口の内側壁面およびポンプの吸込口の内側で生じた反射波を受信する、方法。
【請求項１０】
請求項７に記載の方法であって、
ポンプの吸込口の内側に配置される複数の超音波発信器から、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信し、
ポンプの吸込口の内側に配置される複数の超音波受信器で、ポンプの吸込口の内側を通った超音波を受信する、
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備えるポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
揚水や排水のポンプ機場に設置されるポンプの運転中に振動が発生すると、騒音とともに、ポンプの性能低下を招くことがある。そこで、ポンプに生じる振動の原因と解消法が研究されている。ポンプの吸込口の付近に生じる渦は、振動の原因の１つとされている。そこで、渦を発生させないように、または発生した渦を破壊するために、ポンプが配置される吸込水槽に設置される邪魔板などが考案されている。
【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、レー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り、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】
【００１１】
【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】
【００１２】
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。そのような状況において、実際のポンプ機場において、ポンプに振動が生じた際に、リアルタイムで水中渦の有無を検知することができれば、渦があった場合に、効果的に渦を消滅させる対策を講じることができ、渦を検知しない場合には、他の手段を講じることができる。
【００１３】
そこで、本願発明は、実際のポンプ機場において、ポンプの吸込水槽の底面または壁面の間に生じる水中渦を検知するための装置および方法を提供することを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。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
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。
【００１５】
本発明の第１の形態によれば、ポンプの吸込口に取り付け可能な渦検知装置が提供される。かかる渦検知装置は、前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信するように構成される超音波発信器と、前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、前記超音波発信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、を有する。
【００１６】
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、前記渦検知装置は、複数の圧電素子を有し、前記複数の圧電素子の少なくとも１つが前記超音波発信器を構成し、前記複数の圧電素子の少なくとも１つが前記超音波受信器を構成する。
【００１７】
本発明の第３の形態によれば、第２の形態による渦検知装置であって、  前記複数の圧電素子の各々は、超音波を発信および受信する超音波受送信器を構成する。
【００１８】
本発明の第４の形態によれば、第２の形態または第３の形態による渦検知装置であって、前記複数の圧電素子は、前記渦検知装置がポンプの吸込口に取り付けられた状態で、ポ
ンプの吸込口の内側に所定の間隔で配置される。
【００１９】
本発明の第５の形態によれば、第１の形態または第２の形態による渦検知装置であって、  前記超音波発信器の１つと前記超音波受信器の１つとにより構成されるペアを複数有し、前記複数のペアは、各ペアの前記超音波発信器と前記超音波受信器とを結ぶ線が互いに平行になるように配置される。
【００２０】
本発明の第６の形態によれば、第１の形態ないし第５の形態のいずれか１つの形態による渦検知装置であって、前記超音波発信器および前記超音波受信器は、ポンプの羽根車の下端からポンプの吸込口の下端までの領域に配置される。
【００２１】
本発明の第７の形態によれば、ポンプの稼働中にポンプが配置される吸込水槽内に発生する渦を検知する方法が提供される。かかる方法は、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信するステップと、ポンプの吸込口の内側を通った超音波を受信するステップと、を有する。
【００２２】
本発明の第８の形態によれば、第７の形態による方法であって、ポンプの吸込口の内側に配置される複数の超音波受送信器を有し、前記方法は、前記複数の超音波受送信器の１つから、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信し、前記複数の超音波受送信器の残りでポンプの吸込口の内側を通った超音波を受信する。
【００２３】
本発明の第９の形態によれば、第７の形態による方法であって、前記超音波を受信するステップは、ポンプの吸込口の内側壁面およびポンプの吸込口の内側で生じた反射波を受信する。
【００２４】
本発明の第１０の形態によれば、第７の形態による方法であって、ポンプの吸込口の内側に配置される複数の超音波発信器から、ポンプの吸込口の内側に向かって超音波を発信し、ポンプの吸込口の内側に配置される複数の超音波受信器で、ポンプの吸込口の内側を通った超音波を受信する。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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４】一実施形態による、渦検知装置を示す概略図であり、ポンプの吸込口の横方向の断面を示す図である。
【図５】一実施形態による、渦検知装置を示す概略図であり、ポンプの吸込口の横方向の断面を示す図である。
【図６】一実施形態による、渦検知装置を示す概略図であり、ポンプの吸込口の横方向の断面を示す図である。
【図７】一実施形態による、渦検知装置の超音波受送信器の縦方向の配置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、本発明に係る渦検知装置および渦検知装置を備えるポンプ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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、端部に吸込口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、吸込口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。
【００２９】
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の吸込口１０２近傍の水面を照らす照明５２と、ポンプの吸込口１０２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。
【００３０】
ポンプ１００の吸込口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。
【００３１】
図３（Ａ）は、ポンプ１００の吸込口１０２周辺の縦断面図であり、図３（Ｂ）はポンプ１００の吸込口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。
【００３２】
本発明の一実施形態において、ポンプ１００の吸込口１０２に渦検出装置が配置される。かかる渦検知装置は、ポンプ１００の吸込口１０２に取り付け可能に構成することができる。
【００３３】
図４は、一実施形態による、渦検出装置を示す概略図である。図４は、ポンプ１００の吸込口１０２の横方向の断面を示す概略図である。図４に示される実施形態において、ポンプ１００の吸込口１０２の内周に、超音波を発信および受信するための複数の超音波受送信器２００が配置される。図４の実施形態においては、超音波受送信器２００は、等間隔で吸込口１０２の内側の全周にわたって配置される。超音波受送信器２００は、たとえば圧電素子により形成することができる。各超音波受送信器２００には、図示しない電圧供給源および電圧検知装置が接続される。電圧供給源は、超音波受送信器２００に所望の
周波数の電圧を印加し、超音波を発生させるように構成される。電圧検知装置は、超音波を受信し、超音波受送信器２００に発生した電圧を検知するように構成される。また、渦検知装置は制御装置を有する。制御装置は、各超音波受送信器２００へ電圧を印加するタイミング、印加する電圧の大きさや周波数などを制御する。また、制御装置は、超音波受送信器２００から出力される電圧信号を処理する。
【００３４】
図４において、水中渦（たとえばΓ0）が示されている。渦の中は真空なので、超音波は水中渦内を通過しない。そのため、図４に示されるように、水中渦の後ろにある超音波受送信器で受信する超音波は、水中渦に遮られるので小さくなる。複数の超音波受送信器２００の内の１つから超音波を発信し、残りの全ての超音波受送信器２００で超音波を受信し、これを順次、１つずつ全ての超音波受送信器から超音波を発信するように１周行うことで、水中渦の有無および位置を特定することができる。
【００３５】
図５は、一実施形態による、渦検知装置を示す概略図である。図５は、ポンプ１００の吸込口１０２の横方向の断面を示す概略図である。図５に示される実施形態において、ポンプ１００の吸込口１０２の内周に、超音波を発信および受信するための超音波受送信器２００が配置される。図４に示される実施形態とは異なり、図５の実施形態では、超音波受送信器２００は１つでもよい。超音波受送信器２００は、たとえば圧電素子により形成することができる。図４の実施形態と同様に、図５の実施形態においても、超音波受送信器２００には、電圧供給源および電圧検知装置が接続される。また、図５の渦検知装置においても、制御装置を有する。
【００３６】
図５の実施形態において、超音波受送信器２００は、ポンプ１００の吸込口１０２の内側に向かって超音波を発信し、吸込口１０２の壁面で反射した反射波を受信する。図５に示されるように、水中渦が存在する場合、渦の中は真空であり、音響インピーダンスが異なるので、水中渦のところで超音波が反射される。超音波の発信時間と反射波の受信時間などから、水中渦の有無および位置等を特定することができる。
【００３７】
図６は、一実施形態による、渦検知装置を示す概略図である。図６は、ポンプ１００の吸込口１０２の横方向の断面を示す概略図である。図６に示される実施形態において、ポンプ１００の吸込口１０２の内周に超音波を発信および受信するための複数の超音波受送信器２００が配置される。図６の実施形態においては、超音波を発信する素子と受信する素子とを結ぶ線が互いに平行になるように、複数の超音波受送信器２００が配置される。他の実施形態と同様に、図６の実施形態においても、超音波受送信器２００には、電圧供給源および電圧検知装置が接続される。また、図６の渦検知装置においても、制御装置を有する。
【００３８】
図６の実施形態において、約半分の超音波受送信器２００から、ポンプ１００の吸込口１０２の内側に向かって超音波を発信し、残りの超音波受送信器２００で発された超音波を受信する。図６に示されるように、水中渦が存在する場合、超音波は水中渦を透過しない。そのため、図６に示されるように、水中渦の後ろにある超音波受送信器で受信する超音波は、水中渦に遮られるので小さくなる。これにより、水中渦の存在およびその位置を特定することができる。
【００３９】
図７は、超音波受送信器２００の縦方向の配置を示す概略図である。図４−図６の実施形態における超音波受送信器２００は、図７に例示されるように、吸込口１０２の下端からポンプ１００の羽根車の下端までの領域のいずれかの位置に配置することができる。
【００４０】
上述の実施形態において、超音波受送信器２００は、ポンプ１００の吸込口１０２の内側に着脱可能に構成される。また。超音波受送信器２００を支持部材の所定位置に取り付
け、かかる支持部材をポンプ１００の吸込口１０２の内側に着脱可能に構成してもよい。
【００４１】
また、上述の実施形態において、渦検知装置は、超音波受送信器２００で受信した超音波を画像化して、画像を解析して水中渦の有無および位置を解析する画像解析装置を備えてもよい。
【００４２】
上述の実施形態において、各超音波受送信器２００は、超音波の発信および受信の両方の機能を備えるものでもよく、また、複数の超音波受送信器２００のうちのいくつかを超音波の発信のみの機能、いくつかを超音波の受信のみの機能を備えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１０…ポンプ機場
５０…吸込水槽
５２…照明
５４…カメラ
１００…ポンプ
１０２…吸込口
２００…超音波受送信器
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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