JP5318240B2

JP5318240B2 - 吸込水槽

Info

Publication number: JP5318240B2
Application number: JP2012061833A
Authority: JP
Inventors: 一宏長岡; 栄司菅井; 義弘内田
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2007-08-21
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2013-10-16
Anticipated expiration: 2027-08-21
Also published as: JP2012112391A; JP5102561B2; JP2009047082A

Description

本発明は、ポンプ機場やポンプゲートなどの排水設備に設けられる吸込水槽に関するものである。

吸込水槽はポンプに水を導くための水路である。この吸込水槽では、種々のモデル実験等により水槽の形状と呑み口（開水路から閉水路に移行する部分）での許容流速が求められ、種々の基準で規定されている。例えば、図１６に示すような呑み口１１に傾斜面１２を有し、開水路と閉水路を合わせもつ水槽（セミクローズ水槽という）では、呑み口１１での流速は０．６ｍ／ｓ程度と定められている。この流速はセミクローズ水槽でポンプに有害な空気吸込渦が発生しない流速であり、多くの排水機場ではこの流速をもとに水槽、水路形状が決定されている。しかしながら、近年では建設コストの縮減がさらに求められ、吸込水槽のさらなるコンパクト化が必要となっており、流速を速くしてもポンプに有害な渦を発生させることのない吸込水槽が強く求められている。

呑み口１１での流速を従来より速くして吸込水槽を小さくすると、水面から発生する空気吸込渦や気泡の巻き込みが問題となる。空気吸込渦が発生し、ポンプの羽根車と干渉した場合、振動や騒音が発生して、最悪の場合はポンプが排水不能となり、浸水被害を起こす危険がある。従来のセミクローズ水槽で、流速をさらに速くした場合には、図１７に示すように、呑み口１１近傍に発生するくぼみ渦の先端がちぎれ、気泡がポンプＰへ吸い込まれ始める。その渦が成長すると、ついには連続渦としてポンプＰ内に入り、上記のような現象が発生してしまう。

図１７に示すように、開水路では、水深の浅い上層部の流速が速い状態にある。さらに流速を速くすると呑み口１１付近において入射波と反射波がぶつかり、波立ちが起こる。波は空気を巻き込み、気泡が多く発生する。この気泡は傾斜面１２による下降流に連行され、ポンプＰに気泡が吸引され、ポンプＰに影響を及ぼす。特に、図１７に示すように、両側部の流速が水路壁面との摩擦抵抗により遅くなることから、傾斜面１２の両端部付近で旋回成分を持つ水流が発生し、これが成長するとくぼみ渦が発生しやすくなる。さらに、前述した波立ちによる気泡もこの渦の流れにのってポンプＰに流入する。つまり、傾斜面１２を有するセミクローズ水槽においては、傾斜面１２の両側部が最も空気吸込渦や気泡巻き込みが発生しやすい部分といえる。

また、図１８に示すオープン水槽においては、流速が速くなると、中央部と両側部との流速の違いに起因して渦防止壁２０の両端に渦が発生しやすくなるという問題がある。さらに、図１９に示すように、ゲート３０にポンプＰ１，Ｐ２が取り付けられたポンプゲートにおける吸込水槽においても、吸込水槽の側壁２５とポンプＰ１，Ｐ２との間に回転成分を持つ水流が発生しやすい。したがって、ゲート３０の両側部は空気吸込渦や気泡巻き込みが発生しやすい位置といえる。

特開２００１−３１７４９６号公報

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、排水機場のセミクローズ水槽を含む吸込水槽やポンプゲートにおける吸込水槽の流速を高速化させた場合であっても、ポンプに有害な渦や気泡の巻き込みを防止できる、又は渦や気泡をポンプに導かない吸込水槽を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様は、ポンプに水を導くための、開水路として構成される吸込水槽であって、ポンプの上流側に配置され、前記吸込水槽の一方の側面から他方の側面まで延びる渦防止構造体と、前記渦防止構造体の両端部に配置される流路形成部材とを有し、前記渦防止構造体は、水の流れに対向する前面を有すると共に、該渦防止構造体の下端が最低運転水位より下に位置し、前記流路形成部材は、前記吸込水槽の側面から前記渦防止構造体の前面に向かって傾斜する傾斜面を有することを特徴とする。

本発明の好ましい態様は、前記渦防止構造体は、流れに平行な垂直断面が略四角形であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記流路形成部材と前記渦防止構造体との接続長さは、前記開水路の幅Ｄが１０００ｍｍ未満の場合に０．２Ｄ以上であり、前記開水路の幅Ｄが１０００ｍｍ以上の場合に６００ｍｍ以下とすることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾斜面は、その下部が最低運転水位以下に位置することを特徴とする。
本発明の一参考例は、前記傾斜面は滑らかな曲面となっていることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾斜面の前記吸込み水槽の側面からの角度が３０〜４５°であることを特徴とする。
本発明の好ましい態様は、前記傾斜面の上部は、前記吸込水槽の最高水位以上に位置することを特徴とする。

本発明の他の参考例は、ポンプに水を導くための吸込水槽であって、ポンプの上流側に配置される渦防止構造体を有し、前記渦防止構造体は、水の流れに対向する面が下流に向かって上方に傾斜することを特徴とする。

本発明の他の参考例は、吸込水槽内に配置されたゲートと、前記ゲートに設置され、前記ゲートの上流側領域から下流側領域に水を移送するポンプと、前記ゲートの上流側に設置された少なくとも１つの渦防止部材とを備えたことを特徴とするポンプゲートである。
本発明の他の参考例は、前記渦防止部材は、水の流れに対向する前面を有する流路形成部材と、該流路形成部材を支持する支持部材とを備え、複数の前記渦防止部材を前記ゲートの両端に取り付けたことを特徴とする。

本発明によれば、旋回流が発生しにくい液面状態を形成することができるので、くぼみ渦や空気吸込渦の発生を防止することができる。また、くぼみ渦の発生を防止することにより、波立ちにより発生した気泡が連行されてポンプ内部に入ることを防止できる。

本発明の第１の実施形態における吸込水槽を示す断面図である。図１に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。渦防止構造体の他の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態における吸込水槽を示す断面図である。図４に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。本発明の第３の実施形態における吸込水槽を示す断面図である。図６に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。本発明の第３の実施形態の他の構成例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る吸込水槽を示す断面図である。図９に示す吸込水槽を示す平面図である。図９に示す吸込水槽を下から見た図である。本発明の第５の実施形態におけるポンプゲートの吸込水槽を示す断面図である。図１２に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。図１２に示す支持部材の他の構成例を示す図である。図１５（ａ）〜１５（ｄ）は渦防止部材の他の例を上から見たときの図である。従来の吸込水槽を示す図である。従来の吸込水槽を示す図である。従来の吸込水槽を示す図である。従来の吸込水槽を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態における吸込水槽を示す断面図であり、図２は図１に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。なお、本実施形態の吸込水槽は、開水路と閉水路から構成されるいわゆるセミクローズ水槽である。

図１および図２に示すように、吸込水槽の端部には立軸ポンプＰが配置されている。この立軸ポンプＰは、ケーシング１と、該ケーシング１に収容された羽根車２と、羽根車２に連結される回転軸３とを有している。この回転軸３は図示しない駆動源に連結されている。このような構成において、羽根車２を回転させると、ケーシング１の下端の開口部から水が吸い込まれ、ケーシング１および図示しない吐出配管を通じて吸込水槽の外部に排出される。水（例えば、河川からの水）は、ポンプＰの運転に伴って吸込水槽内をポンプＰに向かって矢印の方向に流れる。なお、符号１１は開水路から閉水路に移行する呑み口を示している。

ポンプＰの上流側の水路には渦防止構造体１５が配置されている。この渦防止構造体１５は、下流に向かって上方に傾斜する上面１５ａと、この上面１５ａの下端において接続され、略水平または上流に向かって上方に傾斜する下面１５ｂと、上面１５ａの上端と下面１５ｂとを接続する面１５ｃとから基本的に構成されている。図１に示す例では、上面１５ａと下面１５ｂとは鋭角に接続されているが、図３に示すように、流れの剥離を防止するために、上面１５ａと下面１５ｂとの接続部を曲面で構成してもよい。

図１においては渦防止構造体１５が三角形の断面形状の例を示している。この渦防止構造体１５の特徴は上面１５ａと下面１５ｂを水路内に形成することであり、設置するポンプの形式に合わせた断面形状としてよい。ポンプＰは横軸ポンプや水中ポンプでもよく、下面１５ｂにて形成される水路に連通するチューブラポンプでもよい。また本渦防止構造体１５は、水路の構築と合わせてコンクリートにて形成してもよく、既に完成している吸込水槽においては鋼で形成してもよい。

図１７に示す従来の吸込水槽においては、液面の流れは水流に対向する傾斜面１２にぶつかって気泡や空気吸込渦（くぼみ渦、断続渦）が発生し（以下、この箇所を巻き込み部Ｓという）、発生した気泡や空気吸込渦（くぼみ渦、断続渦）は下向きの水流に連行されてポンプに導かれていた。本実施形態によれば、液面の流れと底面の流れを渦防止構造体１５によって分離させ、さらに渦防止構造体１５の上面１５ａにより、表層面の流速を遅くさせる。これにより、巻き込み部Ｓで空気吸込渦の発生を抑制することができると共に、下降流の方向を変えることにより気泡や渦がポンプＰに連行されることが防止される。特に、気泡は、仮に発生してもその浮上速度が概ね０．３ｍ／ｓであるため、下降流に比べ速く、連行されずに水面に浮上し、ポンプＰに至ることはない。

図４は、本発明の第２の実施形態における吸込水槽を示す断面図であり、図５は図４に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は上述した第１の実施形態の構成と同様であるので、その重複する説明を省略する。

図４および図５に示すように、渦防止構造体１５は、上面１５ａから上流に向かって略水平に延びる水平面１５ｄと、この水平面１５ｄと下面１５ｂとを接続する接続面１５ｅとをさらに有している。水平面１５ｄおよび接続面１５ｅはポンプＰの最低運転水位よりも下に位置している。ここで、最低運転水位とはポンプＰが運転可能な最低水位である。

図６は本発明の第３の実施形態における吸込水槽を示す断面図であり、図７は図６に示す吸込水槽の平面図である。本実施形態の吸込水槽は、開水路のみから構成されるオープン水槽である。

図６に示すように、吸込水槽の端部には立軸ポンプＰが設置されている。上述の実施形態と同様に、羽根車２を回転させることにより、ケーシング１の下端の開口部から水が吸い込まれ、ケーシング１および図示しない吐出配管を通じて水が排出される。水（例えば、河川からの水）は、ポンプＰの運転に伴って吸込水槽内をポンプＰに向かって矢印の方向に流れる。また、図６においては立軸ポンプの例を示しているが、横軸ポンプや水中ポンプを用いてよい。

図７に示すように、ポンプＰの上流側には、吸込水槽の一方の側面２５から他方の側面２５まで延びる渦防止壁（渦防止構造体）２０が配置されている。また、この渦防止壁２０の両端部には流路形成部材２１が配置されている。渦防止壁２０は、吸込水槽を流れる水に対向する面（前面）２０ａを有し、流路形成部材２１は吸込水槽の側面２５から渦防止壁２０の面２０ａに向かって傾斜する傾斜面２１ａを有している。渦防止壁２０の下端は、最低運転水位Ｌ_Ｌよりも下に位置している。

図８は本実施形態の他の構成例を示す図である。この例においては、流路形成部材として鋼製のライナ２２が用いられている。このライナ２２は、渦防止壁２０および吸込水槽の側面（側壁）２５にアンカー２３により固定されている。ライナ２２は湾曲しており、これにより渦防止壁２０の垂直面２０ａと吸込水槽の側面２５とを連結する傾斜面２２ａは滑らかな曲面となっている。このような構成によれば、側面２５付近を流れる水を、滑らかに吸込水槽の中央部に導くことができる。さらに、この例によれば、ライナ２２を既設の渦防止壁２０に容易に取り付けることができるので、既存のポンプ機場の構造を変えることなく、ポンプの吐出し量を増やすことが可能となる。なお、ライナ２２として、鋼製の平坦な板材を用いてもよい。

なお、本実施形態の吸込水槽はいわゆるオープン水槽であるが、呑み口に傾斜面を有するセミクローズ水槽にも適用可能である。また、第１乃至第３の実施形態においては立軸ポンプが使用された例を示しているが、本発明はこれに限らず、例えば、横軸型、水中型などの他のタイプのポンプが用いられた吸込水槽にも適用することができる。

従来のオープン水槽及びセミクローズ水槽においては、両側壁の摩擦抵抗が影響し、水槽の中央部よりも側壁での流速が遅くなる。このため、図１７、図１８に示すように、両側壁部では旋回流が発生しやすく、流速を速くするとこの側壁でポンプに有害な渦が発生しやすくなる。この旋回流の発生防止策として、上記特許文献１では水槽の両端部に板や棒材を設置する技術が提案されている。しかしながら、排水を行うポンプ機場においては、塵芥等が流入して板や棒材にからまる、又は巻き付く等の問題があった。

以下に示す第４の実施形態によれば、塵芥のからみも無く、かつ渦の発生を防止することが可能である。図９は本発明の第４の実施形態に係る吸込水槽を示す断面図であり、図１０は図９に示す吸込水槽を示す平面図であり、図１１は図９に示す吸込水槽を下から見た図である。なお、特に説明しない本実施形態の構成は上述した第３の実施形態と同様であるので、その重複する説明を省略する。

図９乃至図１１に示すように、本実施形態の渦防止壁（渦防止構造体）２７は、水の流れに対向する前面２７ａを有し、この前面２７ａの両端部には流路形成部材２８が配置されている。前面２７ａは下流に向かって下方に傾斜しており、したがって流路形成部材２８も下流に向かって下方に傾斜している。各流路形成部材２８は三角形の横断面形状を有しており、傾斜面２８ａを有している。この傾斜面２８ａは、吸込水槽の側面２５から渦防止壁２７の前面２７ａにかけて傾斜している。

流路形成部材２１の傾斜面２１ａは流路形成面として機能し、吸込水槽の側面２５付近を流れる水は傾斜面２１ａによりその向きを変えて、吸込水槽の中央部に導かれる。このような水の流れにより、図１７に示すような旋回流の発生を防止することができる。したがって、吸込水槽を流れる水の速度が速くなった場合でも、両側面２５付近での空気吸込渦の発生を防止することができる。なお、流路形成部材２１は、水路の構築に合わせコンクリートにて形成してもよく、既に完成している水槽等においては鋼で形成してもよい。吸込水槽の幅Ｄが１０００ｍｍ未満の場合、傾斜面２１ａの内側端部と側面２５との距離Ｌは０．２Ｄ以上であることが好ましく、幅Ｄが１０００ｍｍ以上の場合、距離Ｌは６００ｍｍ以下であることが好ましい。また、傾斜面２１ａの上部が最高水位Ｌ_Ｈ以上、下部が最低運転水位Ｌ_Ｌ以下に位置することが好ましい。さらに、傾斜面２１ａの側面２５からの角度θは３０〜４５°が好ましい。

図１２は本発明の第５の実施形態におけるポンプゲートの吸込水槽を示す断面図であり、図１３は図１２に示す吸込水槽を上から見たときの平面図である。本実施形態の吸込水槽は、開水路のみから構成されるオープン水槽である。

図１２および図１３に示すように、吸込水槽内にはゲート（扉門）３０が配置され、このゲート３０には２つの横軸ポンプＰ１，Ｐ２が並列に設置されている。これらのポンプＰ１，Ｐ２の吸込口はゲート３０の上流側に位置している。ゲート３０にはこれら２つのポンプＰ１，Ｐ２に対応して吐出流路３１が設置されている。それぞれのポンプＰ１，Ｐ２は、吸込口を有するケーシング１と、ケーシング１に収容された羽根車２と、この羽根車２を回転させる駆動機（モータ）３２を有している。駆動機３２によって羽根車２を回転させると、吸込水槽内の水が吸込口から吸い込まれ、吐出流路３１を通じてゲート３０の下流側領域に水が移送される。吐出流路３１の吐出口には水の逆流を防止するための逆流防止弁３３が設けられている。

ポンプＰ１，Ｐ２のやや上方であって、かつポンプＰ１，Ｐ２の両側には渦防止部材３５が配置されている。本実施形態では、２つのポンプＰ１，Ｐ２が配置されているので、全部で３つの渦防止部材３５が配置されている。より詳しくは、図１３に示すように、これら３つの渦防止部材３５は、吸込水槽の側面２５とポンプＰ１との間、ポンプＰ１とポンプＰ２との間、そしてポンプＰ２と吸込水槽の側面２５との間にそれぞれ配置されている。なお、ポンプの数は２つに限られず、１つ、または３つ以上であってもよい。この場合、ポンプの数に応じて渦防止部材３５の数も変わることは言うまでもない。

各渦防止部材３５は、吸込水槽を流れる水の流れに対向する前面を有する前垂れ板（流路形成部材）３６と、この前垂れ板３６を支持する支持部材３７とを備えている。支持部材３７はゲート３０またはポンプＰに固定され、図１２に示すように渦防止部材３５の前垂れ板３６の下端は、ポンプＰ１，Ｐ２が運転可能な最低水位よりも下に位置している。なお、支持部材として、図１４に示すように水平板３８を用いてもよい。

このような構成によれば、ポンプＰ１，Ｐ２の吸込口と水の衝突面（前垂れ板３６の前面）との距離Ｄ２が短くなるので、吸込水槽を流れる水は旋回流を形成することなく速やかにポンプＰ１，Ｐ２の吸込口に吸い込まれる。したがって、吸込水槽の端部での空気吸込渦の発生を防止することができる。

図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）は本実施形態の渦防止部材の他の例を上から見たときの図である。図１５（ａ）乃至図１５（ｄ）に示すように、ポンプＰ１，Ｐ２の設置位置や吸込水槽の形状（例えば湾曲形状）に合わせて渦防止部材３５の前垂れ板３６を傾斜させてもよく、また前垂れ板３６の側部に湾曲部３９を設けてもよい。また、前垂れ板の角度を調整可能な構造（例えばボルトによる取付構造やヒンジ構造）とすることにより種々の水路形状に対応することが可能となる。

これまで本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

１ケーシング
２羽根車
３回転軸
１１呑み口
１５渦防止構造体
１６凹部
２０渦防止壁
２１流路形成部材
２２ライナ
２３アンカー
２５吸込水槽側面（側壁）
２７渦防止壁（渦防止構造体）
２８流路形成部材
３０ゲート
３１吐出流路
３２駆動機（モータ）
３３逆流防止弁
３５渦防止部材
３６前垂れ板（流路形成部材）
３７支持部材
３８水平板
３９湾曲部
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２ポンプ
Ｓ巻き込み部

Claims

ポンプに水を導くための、開水路として構成される吸込水槽であって、
ポンプの上流側に配置され、前記吸込水槽の一方の側面から他方の側面まで延びる渦防止構造体と、
前記渦防止構造体の両端部に配置される流路形成部材とを有し、
前記渦防止構造体は、水の流れに対向する前面を有すると共に、該渦防止構造体の下端が最低運転水位より下に位置し、
前記流路形成部材は、前記吸込水槽の側面から前記渦防止構造体の前面に向かって傾斜する傾斜面を有することを特徴とする吸込水槽。
前記渦防止構造体は、流れに平行な垂直断面が略四角形であることを特徴とする請求項１に記載の吸込水槽。
前記流路形成部材と前記渦防止構造体との接続長さは、前記開水路の幅Ｄが１０００ｍｍ未満の場合に０．２Ｄ以上であり、前記開水路の幅Ｄが１０００ｍｍ以上の場合に６００ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の吸込水槽。
前記傾斜面は、その下部が最低運転水位以下に位置することを特徴とする請求項１に記載の吸込水槽。
前記傾斜面の前記吸込み水槽の側面からの角度が３０〜４５°であることを特徴とする請求項１に記載の吸込水槽。
前記傾斜面の上部は、前記吸込水槽の最高水位以上に位置することを特徴とする請求項１に記載の吸込水槽。