JP2020148138A - 横軸ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】排水時の運転特性を改善する。
【解決手段】横軸ポンプ１０は、ポンプケーシング１２と、ポンプケーシング１２内に配置された第１端２０ａと、ポンプケーシング１２外に配置された第２端２０ｂとを有する主軸２０と、主軸２０の第１端２０ａ側に配置されたインペラ２２と、ポンプケーシング１２の上部に接続された補助配管２７と、補助配管２７に介設された補助ポンプ３３と、補助配管２７における補助ポンプ３３の上流側に介設された気水分離器４２と、ポンプケーシング１２内が水で満たされたことを検出する満水センサ６０と、満水センサ６０が満水を検出した後もインペラ２２及び補助ポンプ３３の駆動を継続させる制御部５８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、横軸ポンプに関する。

特許文献１には、ポンプケーシング、ポンプケーシングの上部に接続された補助配管、補助配管に介設された真空ポンプ、及び補助配管における真空ポンプの上流側に介設された気水分離器を備える横軸ポンプが開示されている。

特許第５３６４０４３号公報

特許文献１の横軸ポンプでは、起動時に真空ポンプが駆動され、真空ポンプの上流側には気水分離器を備えるため、ポンプケーシング内の空気のみを効率的に排出でき、排水運転を実行できる。しかし、排水運転中に吸水槽内で空気吸込渦が発生した場合、吸水の妨げになる空気が連続的又は断続的に吸い込まれるため、特許文献１の横軸ポンプには運転特性について改善の余地がある。

本発明は、横軸ポンプの排水時の運転特性を改善することを課題とする。

本発明の一態様は、吸水槽内に配置された吸込口を有し、前記吸込口よりも上方で水平方向に延びるポンプケーシングと、前記ポンプケーシング内に位置する第１端と、前記ポンプケーシング外に位置する第２端とを有し、水平方向に延びるように前記ポンプケーシングに回転可能に配置された主軸と、前記主軸の前記第１端側に配置されたインペラと、前記ポンプケーシングの前記インペラよりも上流側の上部に接続された補助配管と、前記補助配管に介設され、前記ポンプケーシング内の空気を吸引するための補助ポンプと、前記補助配管における前記補助ポンプの上流側に設けられ、前記補助配管に流入した空気と水を分離する気水分離器と、前記ポンプケーシング内が水で満たされたことを検出するための満水センサと、前記インペラ及び前記補助ポンプを駆動させ、前記満水センサが満水を検出した後も前記インペラ及び前記補助ポンプの駆動を継続させる制御部とを備える横軸ポンプを提供する。

この横軸ポンプによれば、起動時、補助ポンプを駆動することで、ポンプケーシング内の空気が補助配管を介して排出され、水がポンプケーシング内に流入する。水は次第に空気と一緒に補助配管内に侵入するが、空気と水は気水分離器によって分離され、空気だけが補助配管を通して排出される。よって、ポンプケーシング内を効率的に水で満たし、排水運転に移行できる。また、満水センサによる満水検出後も補助ポンプの駆動が継続されるため、空気吸込渦が発生した場合、ポンプケーシング内に流入した空気は、補助ポンプの吸引によって補助配管を通して排出される。よって、排水時に空気がインペラに衝突することを効果的に抑制できるため、横軸ポンプの運転特性を改善できる。また、空気吸込渦が発生する水位まで排水が可能なため、吸水槽内を低水位まで排水できる。

前記気水分離器は、旋回によって空気と水を分離するサイクロンセパレータである。この態様によれば、余剰な動力源（ポンプ）等を用いることなく空気と水を分離し、補助配管を通して空気だけを下流側へ確実に排出できる。

前記サイクロンセパレータは、前記ポンプケーシング内で開口した吸込口と、前記補助配管側で開口した吐出口とを有し、前記吸込口の開口面積が前記吐出口の開口面積よりも大きい筒状の流入部を備える。この態様によれば、サイクロンセパレータ内に流入する水の吐出圧を高めることができるため、旋回力を効果的に付与でき、空気と水を確実に分離できる。

前記主軸及び前記補助ポンプの回転軸に原動機の動力を伝達するための変速機を備え、前記変速機による前記回転軸の回転速度は、前記変速機による前記主軸の回転速度よりも早い。この態様によれば、補助ポンプの回転軸が主軸よりも高速で回転されるため、補助配管を通して空気を確実に排出でき、補助ポンプを小型化できる。

前記回転軸に介設され、前記原動機の動力を前記補助ポンプに伝達可能な接続状態と、前記原動機の動力を前記補助ポンプに伝達不可能な切断状態とに切り換えるクラッチを備える。この態様によれば、ポンプケーシングの内外の状況に応じて、補助ポンプの駆動と停止を切り換えることができる。

具体的には、前記ポンプケーシングに接続され、前記ポンプケーシングから下流側への流出量を調整可能な弁を備え、前記制御部は、前記弁によって前記流出量を定められた第１流量以下に調整する場合、前記クラッチを接続状態から切断状態に切り換える。この制御は、例えばポンプケーシングの下流側の水位が急激に高くなるという緊急時に実行される。この態様によれば、弁を絞り、補助ポンプの駆動を停止するため、横軸ポンプによる吐出圧が上昇する。よって、吸水槽内の水を下流側へ確実に排出できるため、吸水槽側のオーバーフローを防止できる。

前記補助ポンプは、回転可能なインペラを有する自吸式ポンプである。この態様によれば、起動時には補助配管を通してポンプケーシング内の空気を排出でき、満水後の排水時には補助配管を通してポンプケーシング内の空気と水を排出できる。

本発明の横軸ポンプでは、満水検出後の排水時に補助ポンプの駆動が継続されるため、空気吸込渦に含まれた空気を補助配管を通して排出できる。よって、排水時に空気がインペラに衝突することを効果的に抑制できるため、横軸ポンプの運転特性を改善できる。

本発明の第１実施形態に係る横軸ポンプの断面図。 図１の一部拡大図。 気水分離器の断面図。 第１実施形態の横軸ポンプによる流量−揚程曲線を示す図。 制御部による起動処理を示すフローチャート。 制御部による排水処理を示すフローチャート。 制御部による停止処理を示すフローチャート。 第２実施形態の横軸ポンプの制御部による排水処理を示すフローチャート。 図８の緊急処理を示すフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る横軸ポンプ１０を示す。横軸ポンプ１０は、ポンプケーシング１２、主軸２０、及びインペラ（主インペラ）２２を備え、吸水槽１内に流入した雨水などを下流側に排水する。インペラ２２が吸水槽１の水面よりも上方に配置されるため、この横軸ポンプ１０は、水が凍るような寒冷地で好適に使用される。

横軸ポンプ１０は、メインの排水経路とは別に、ポンプケーシング１２内の空気と水を排出するための補助装置２５を備える。横軸ポンプ１０を起動する際に補助装置２５を駆動することで、ポンプケーシング１２内の空気を排出し、ポンプケーシング１２内に水を流入させる（起動処理）。ポンプケーシング１２内が水で満たされることで（満水）、通常の排水運転に移行する（排水処理）。そして、本実施形態では、補助装置２５の駆動する期間を変更することで、排水時の運転特性の改善を図る。

ポンプケーシング１２は、垂直上向きに延びる吸込ベル１３と、吸込ベル１３の上端に接続された屈曲エルボ１４と、屈曲エルボ１４の下流側の端に接続されたベーンケーシング１５とを備える。吸込ベル１３は、下方に向かうに従って次第に拡開した円錐筒状であり、下端の吸込口１３ａが吸水槽１の底に対して定められた間隔をあけて配置されている。屈曲エルボ１４は、中心軸が９０度湾曲した曲がり管であり、ベーンケーシング１５の軸線と対応する位置に主軸２０を貫通させるための貫通部１４ａを備える。ベーンケーシング１５は、概ね楕円球状をなすように径方向外向きに膨出した筒状で、吸込口１３ａよりも上方で水平方向に延びている。ベーンケーシング１５の内部には、ガイドベーン１５ａを介して軸受ケーシング１５ｂが設けられ、この軸受ケーシング１５ｂ内に主軸２０を回転可能に支持する水中軸受１６が設けられている。

ポンプケーシング１２には、下流側端部であるベーンケーシング１５に送水管１７が接続され、この送水管１７が下流側の吐出水槽（図示せず）へ配管されている。送水管１７には、ポンプケーシング１２と吐出水槽を連通させた開状態と、ポンプケーシング１２と吐出水槽の連通を遮断した閉状態とに切換可能な吐出弁１８が介設されている。吐出弁１８には、開口面積（絞り開度）を変更することで、ポンプケーシング１２から下流側への流出量を無段階に調整可能な流量調整弁が用いられている。

主軸２０は、水平方向に延びるようにポンプケーシング１２の貫通部１４ａを貫通して配置されている。主軸２０と貫通部１４ａの間は軸封装置によって液密にシールされている。主軸２０はポンプケーシング１２内に位置する第１端２０ａを備え、この第１端２０ａが水中軸受１６に回転可能に支持されている。また、主軸２０はポンプケーシング１２外に位置する第２端２０ｂを備え、この第２端２０ｂに後述する原動機５１が機械的に接続される。

インペラ２２は、軸受ケーシング１５ｂの上流側に隣接するように、主軸２０の第１端２０ａ側に配置されている。原動機５１の駆動によって主軸２０が回転することで、インペラ２２は、主軸２０と一体に回転し、吸込口１３ａから吸水槽１内の水をポンプケーシング１２内に吸い込んで下流側へ排出する。原動機５１の駆動を停止すると（図１の第１水位ＷＬ１）、インペラ２２は吸水槽１内の水には全く浸からない。

補助装置２５は、インペラ２２よりも低い第１水位ＷＬ１の水をポンプケーシング１２内に吸い上げて、排水運転を行うために設けられている。この補助装置２５は、補助配管２７、補助ポンプ３３、及び気水分離器４２を備え、補助ポンプ３３の駆動によって、補助配管２７を通してポンプケーシング１２内の空気を排出し、吸水槽１内の水をポンプケーシング１２内に吸引する。後で詳述するが、本実施形態では、この起動処理の後に引き続いて行う排水処理でも、補助ポンプ３３が駆動される。

補助配管２７は、ポンプケーシング１２の上部に接続された第１配管２８と、補助ポンプ３３を介して第１配管２８に接続された第２配管２９とを備える。第１配管２８は、インペラ２２よりも上流側に位置する屈曲エルボ１４の接続部１４ｂに接続されている。図２を参照すると、第１配管２８は、ポンプケーシング１２から垂直上向きに延びる上行部２８ａと、上行部２８ａの上端に連続して１８０度湾曲した湾曲部２８ｂと、湾曲部２８ｂに連続して垂直下向きに延びる下行部２８ｃと、下行部２８ｃの下端に連続して補助ポンプ３３に接続される接続部２８ｄとを備える。図１を参照すると、第２配管２９は、Ｌ字管であり、補助ポンプ３３の吐出部３５ｂから垂直上向きに延びる縦管部２９ａと、縦管部２９ａの上端に連続して水平方向に延びる横管部２９ｂとを備える。横管部２９ｂは、湾曲部２８ｂよりも上方に配置されている。

補助配管２７には、下流側端部である第２配管２９に送水管３０が接続され、この送水管３０が下流側の吐出水槽へ配管されている。送水管３０には、補助ポンプ３３と吐出水槽を連通させた開状態と、補助ポンプ３３と吐出水槽の連通を遮断した閉状態とに切換可能な吐出弁３１が介設されている。吐出弁３１には、全開状態と全閉状態に切換可能な開閉弁を用いているが、吐出弁１８と同様の流量調整弁を用いてもよい。送水管３０の吐出側端部は、送水管１７における吐出弁１８の下流側に接続してもよい。

補助ポンプ３３は、補助配管２７を構成する第１配管２８と第２配管２９の間に介設され、呼び水作用をそれ自体で自動的に行い、ポンプケーシング１２内の空気及び水の吸引を行うための自吸式ポンプである。具体的には、図２に示すように、補助ポンプ３３は、ケーシング３５、回転軸３８、及びインペラ（補助インペラ）４０を備え、ポンプケーシング１２から吸引した空気及び水を吐出水槽へ排出する。

ケーシング３５は、第１配管２８の接続部２８ｄに接続された吸引部３５ａと、第２配管２９の縦管部２９ａに接続された吐出部３５ｂと、これらを連通させる通路部３５ｃとを備える。通路部３５ｃには、吸引部３５ａ（第１配管２８）への逆流を阻止するための逆止弁３６が配設されている。通路部３５ｃと吐出部３５ｂの間には、吸引部３５ａから通路部３５ｃ内に流入した空気及び水をインペラ４０へ誘導する整流板３５ｄが設けられている。また、ケーシング３５は、通路部３５ｃの外側に、仕切壁３５ｅによって仕切られた軸受部３５ｆを備える。仕切壁３５ｅには、インペラ４０を配置する凹部３５ｇが、軸受部３５ｆの側へ窪むように設けられている。

回転軸３８は、主軸２０と平行に延びるように軸受部３５ｆに配置されている。回転軸３８の第１端３８ａは、仕切壁３５ｅを貫通して通路部３５ｃ内に配置されている。回転軸３８の第２端３８ｂは軸受部３５ｆの外側に配置され、この第２端３８ｂに原動機５１が機械的に接続される。

インペラ４０は、通路部３５ｃ内（凹部３５ｇ）に位置するように、回転軸３８の第１端３８ａに配置されている。回転軸３８の回転によってインペラ４０は、流体（空気及び液体の少なくとも一方）を軸方向から吸引して径方向へ送出する。具体的には、ポンプケーシング１２内が水で満たされていない場合、空気を吸引して下流側へ送出する一方、ポンプケーシング１２内が水で満たされている場合、水を吸引して下流側へ送出する。なお、吸引部３５ａの出口に配置した逆止弁３６は、吸引部３５ａからの空気圧および水圧によって開放する。

インペラ４０によって水を排出した後（排水処理）、インペラ４０の駆動を停止すると（停止処理）、補助配管２７の湾曲部２８ｂよりも上流側に位置する上行部２８ａ内の水はポンプケーシング１２内へ還流される（図１の第４水位ＷＬ４参照）。一方、湾曲部２８ｂよりも下流側に位置する下行部２８ｃ内、ケーシング３５内、及び縦管部２９ａの下部（概ね下行部２８ｃの上端と同じ位置まで）の水は、ポンプケーシング１２内へ還流されることも下流側に排出されることもなく、保持される（呼び水）。この呼び水によって補助ポンプ３３は、次の起動時に空気の排出が可能になる。

気水分離器４２は、第１配管２８における補助ポンプ３３の上流側に設けられ、補助配管２７内に流入した空気と水を分離する。具体的には、気水分離器４２は、第１配管２８におけるポンプケーシング１２側の端に設けられた膨出部２８ｅ内に配置されている。膨出部２８ｅは、第１配管２８の他の部分よりも直径を大きくした直管状であり、屈曲エルボ１４の接続部１４ｂに液密に接続されている。

図２及び図３を参照すると、気水分離器４２は、補助配管２７に流入した空気と水を旋回によって分離するサイクロンセパレータであり、屈曲エルボ１４の接続部１４ｂを覆う仕切板４３と、円錐筒状の容器４６とを備える。

仕切板４３は、接続部１４ｂの開口部分に液密に取り付けられる外形であり、ポンプケーシング１２内と容器４６内を連通させる円錐筒状の流入部（コーン）４４と、ポンプケーシング１２内と容器４６外を連通させる還流孔４５とを備える。流入部４４は、ポンプケーシング１２内で開口した吸込口４４ａと、容器４６内（補助配管２７側）で開口した吐出口４４ｂとを備え、吸込口４４ａの開口面積は吐出口４４ｂの開口面積よりも大きい。インペラ２２に対して吸込口４４ａは、吐出口４４ｂよりも離れて配置されている。ポンプケーシング１２を横から正対視すると（図１に示す状態）、吸込口４４ａから吐出口４４ｂに向かう軸線は、ポンプケーシング１２内の水の流れに沿っており、インペラ２２に近づくに従って容器４６の方へ上向きに傾斜している。還流孔４５は、長円形状であり、ポンプケーシング１２内において吸込口４４ａよりも低圧の領域に位置するように設けられている。つまり、排水時のポンプケーシング１２内において、吸込口４４ａが位置する領域の圧力Ｐ１は、還流孔４５が位置する領域の圧力Ｐ２よりも高い（Ｐ１＞Ｐ２）。

容器４６は、仕切板４３に対して液密に配置された上流側端部４６ａの開口面積が、膨出部２８ｅ内で開放された下流側端部４６ｂの開口面積よりも大きい円錐筒状である。上流側端部４６ａ内は流入部４４を除く部分が仕切板４３で塞がれており、容器４６の軸線が延びる方向から見ると、その内周面に流入部４４の軸線が接している。吸水槽１の底から上流側端部４６ａまでの高さは、ポンプケーシング１２の最も高い位置であるベーンケーシング１５の上側頂部よりも低く（図１の第２水位ＷＬ２参照）、この上側頂部よりも下流側端部４６ｂの高さは高い（図１の第３水位ＷＬ３参照）。図３に最も明瞭に示すように、膨出部２８ｅの内周面と容器４６の外周面との間には、空気を溜めることが可能な補気空間４７が確保されており、この補気空間４７内に位置するように還流孔４５が設けられている。

このように構成した気水分離器４２には、起動時、ポンプケーシング１２内が水で満たされる前（ＷＬ２以上ＷＬ３未満の状態）に空気と一緒に水が流入する。流入部４４の軸線が容器４６の内周面に接し、吐出口４４ｂの開口面積が吸込口４４ａの開口面積よりも小さいため、流体は昇圧された状態で容器４６内に流入する。そして、空気よりも重たい水は、周方向速度が増大された状態で容器４６の内周面に沿って螺旋状に旋回しながら下流側端部４６ｂへ向かい（渦巻流）、空気は容器４６の中心に集まって下流側端部４６ｂへ向かう。分離された空気は、下流側端部４６ｂから補気空間４７へ流出し、補助ポンプ３３の吸引力によって第１配管２８を通って第２配管２９へ排出される。一方、水は、下流側端部４６ｂから補気空間４７へ流出すると減速し、自重で落下して還流孔４５からポンプケーシング１２内へ戻る。

図１に示すように、横軸ポンプ１０は、主軸２０及び回転軸３８を回転駆動するための駆動装置５０を備える。駆動装置５０は、１個の原動機５１、原動機５１の動力を主軸２０及び回転軸３８に伝達するための変速機５２、及び原動機５１と回転軸３８の接続状態を切り換えるためのクラッチ５６を備える。

原動機５１には、軽油や重油などを燃料として駆動する周知のディーゼル（内燃）機関が用いられる。但し、原動機５１は、電動モータであってもよく、横軸ポンプ１０を設置する環境に応じて変更が可能である。

変速機５２は、原動機５１の出力軸５１ａに連結された駆動ギア５３、主軸２０の第２端２０ｂに連結された第１従動ギア５４、及び回転軸３８の第２端３８ｂに連結された第２従動ギア５５を備える。これらのギア５３〜５５には斜歯歯車が用いられており、駆動ギア５３に対する第２従動ギア５５のギア比は、駆動ギア５３に対する第１従動ギア５４のギア比よりも高い。つまり、第２従動ギア５５による回転軸３８の単位時間当たりの回転数を、第１従動ギア５４による主軸２０の単位時間当たりの回転数よりも多くし、回転軸３８の回転速度を主軸２０の回転速度よりも早くしている。

クラッチ５６は、回転軸３８に介設され、原動機５１の動力を補助ポンプ３３に伝達可能な接続状態と、原動機５１の動力を補助ポンプ３３に伝達不可能な切断状態とに切り換える。例えばクラッチ５６には、回転軸３８の軸方向に沿って近づく向き及び離れる向きに移動可能な一対のクラッチ板を備える構成が使用されるが、原動機５１と回転軸３８の接続状態を切換可能であれば、クラッチ５６の種類は必要に応じて変更可能である。

引き続いて図１を参照すると、横軸ポンプ１０は、吐出弁１８，３１の開閉、原動機５１の駆動と停止、及びクラッチ５６の切り換えを行うための制御部５８を備える。制御部５８は、単一又は複数のマイクロコンピュータ、及びその他の電子デバイスにより構成されている。制御部５８は、吸水槽１内の水位、及び周辺の降雨情報等の起動条件に基づいて原動機５１を駆動させ、ポンプケーシング１２内の水量、吸水槽１内の水位、及び吐出水槽内の水位等の諸条件に基づいて排水処理での運転状態を切り換える。

ポンプケーシング１２内の水量、具体的にはポンプケーシング１２内が水で満たされたことを検出するために、ベーンケーシング１５の最も高い位置である頂部には、満水センサ６０が配置されている。満水センサ６０としては、ポンプケーシング１２内の水位を検出する水位センサ、又は水量の増減に応じて増減する圧力（吐出圧）を検出する圧力センサを用いることができる。

制御部５８は、定められた起動条件が成立すると、まず横軸ポンプ１０の起動処理を実行し、ポンプケーシング１２内が満水状態になると排水処理を実行し、排水処理中に定められた停止条件が成立すると停止処理を実行する。起動処理では主軸２０（インペラ２２）と回転軸３８（補助ポンプ３３）を回転駆動させ、排水処理では主軸２０と回転軸３８の駆動を継続させる。つまり、満水センサ６０が満水を検出した後も補助ポンプ３３の駆動を継続する。また、排水処理では、過熱、騒音及び振動等を生じることなく連続運転でき、通常の吐出し量よりも少ない吐出し量で排水するミニフローの実行条件が成立すると、吐出弁１８の開度を変更する。

次に、制御部５８による制御を図５から図７を参照して具体的に説明する。

起動処理では、制御部５８は、補助ポンプ３３を駆動させ、ポンプケーシング１２内の空気を排出することで吸水槽１内の水を吸引し、ポンプケーシング１２内を満水状態とする。この起動時にはインペラ２２が空転するため、起動トルクが小さくモータ起動電流を抑えることができる。

図５に示すように、制御部５８は、ステップＳ１で起動条件が成立するまで待機し、起動条件が成立すると、ステップＳ２で補助装置２５の吐出弁３１を閉状態から開状態に切り換える。また、ステップＳ３で原動機５１を駆動させ、ステップＳ４でクラッチ５６を接続状態とする。これにより、変速機５２を介して原動機５１の動力が主軸２０と回転軸３８に伝達され、横軸ポンプ１０自体のインペラ２２と補助装置２５のインペラ４０とが回転する。なお、この状態では、横軸ポンプ１０自体の吐出弁１８は全閉状態（後述するステップＳ２２）である。

インペラ４０の回転によって、ポンプケーシング１２内の空気が排出され、それに伴って吸込口１３ａから吸水槽１内の水が吸い上げられ、ポンプケーシング１２内の水位が図１に示すＷＬ１から上昇する。そして、ポンプケーシング１２内の水位が図１に示すＷＬ２まで上昇すると、補助配管２７内に空気と一緒に水も流入し始める。すると、前述のように、空気と水は気水分離器４２によって分離され、空気は補助配管２７を通して排出され、水はポンプケーシング１２内へ還流される。

制御部５８は、ステップＳ５で満水センサ６０が満水を検出するまで待機する。ポンプケーシング１２内の水位が図１に示すＷＬ３まで上昇すると、ポンプケーシング１２内が満水を検出する。これにより制御部５８は、ステップＳ６で吐出弁１８を全開（開度１００％）にする。その後、ステップＳ７で吐出水槽側の圧力センサ６２の検出結果に基づいて定格排水（吐出し量）を検出するまで待機し、定格排水を検出すると、起動処理を終了してリターンする。これにより制御部５８は排水処理に移行する。

排水処理では、制御部５８は、ミニフローの実行条件が成立していない場合には吐出弁１８を全開状態として運転し、ミニフローの実行条件が成立している場合には吐出弁１８を半開状態として運転する。半開状態とは、例えば吐出弁１８の開口面積を５０％〜７０％の範囲に絞ることを意味する。

図６に示すように、制御部５８は、ステップＳ１０で原動機５１の駆動を継続させるとともに、ステップＳ１１でクラッチ５６の接続状態を継続させる。その後、ステップＳ１１でミニフローの実行条件が成立しているか否かを判断する。そして、ミニフローの実行条件が成立している場合、ステップＳ１３で吐出弁１８の開度を半開状態にする。ここで、半開状態にするとは、吐出弁１８が全開状態である場合には半開状態に切り換えることを意味し、吐出弁１８が半開状態である場合には半開状態を維持することを意味する。一方、ミニフローの実行条件が成立していない場合、ステップＳ１４で吐出弁１８の開度を全開状態にする。ここで、全開状態にするとは、吐出弁１８が半開状態である場合には全開状態に切り換えることを意味し、吐出弁１８が全開状態である場合には全開状態を維持することを意味する。

続いて、制御部５８は、ステップＳ１５で、横軸ポンプ１０の停止条件が成立したか否かを判断する。そして、停止条件が成立していない場合、ステップＳ１２に戻り、吸水槽１の排水と吐出弁１８の開度の切り換えを継続する。一方、停止条件が成立した場合、排水処理を終了してリターンする。これにより制御部５８は停止処理に移行する。

この排水時には、ポンプケーシング１２内に流入した水の一部が補助装置２５によって吐出水槽へ排出される。また、吸水槽１内の水面が低下するに従って水面から吸込口１３ａに向けた水流に空気が含まれる（空気吸込渦）。この空気吸込渦は補助配管２７の入口である接続部１４ｂに向かい、少なくとも空気は補助配管２７を通して排出される。

図４に本実施形態の横軸ポンプ１０による揚程（Ｈ）−流量（Ｑ）曲線を示す。この図４において、縦軸は揚程（Ｈ）、横軸は流量（Ｑ）及び主軸２０の回転数（Ｎ）である。ステップＳ１３のミニフローの実行時には吐出弁１８の開度が絞られ、インペラ２２の上流側外周部、特にポンプケーシング１２の上部内周面では、上流側に向けて逆流する流れ（図２の逆流Ｆ参照）が生じるため、図４に破線で示すように運転効率が急激に変動する変曲点が生じる。しかし、本実施形態では、前述のような逆流Ｆが補助配管２７に回り込んで吸い込まれる。その結果、図４に実線で示すように、運転効率の変曲点を実線のように緩和できる。

停止処理では、制御部５８は、吐出弁１８，３１の開閉状態を切り換えるとともに、原動機５１の駆動を停止する。

具体的には、図７に示すように、制御部５８は、ステップＳ２０で原動機５１の駆動を停止する。続いて、ステップＳ２１で補助装置２５の吐出弁３１を全閉状態に切り換えるとともに、ステップＳ２２で横軸ポンプ１０自体の吐出弁１８を全閉状態に切り換える。これにより、停止処理が終了し、制御部５８は起動処理に移行する。

次に、本実施形態の横軸ポンプ１０の特徴を説明する。

起動時、補助ポンプ３３を駆動することで、ポンプケーシング１２内の空気が補助配管２７を介して排出され、水がポンプケーシング１２内に流入する。水は次第に空気と一緒に補助配管２７内に侵入するが、空気と水は気水分離器４２によって分離され、空気だけが補助配管２７を通して排出される。よって、ポンプケーシング１２内を効率的に水で満たし、排水運転に移行できる。

満水センサ６０による満水検出後（排水処理）も補助ポンプ３３の駆動が継続されるため、空気吸込渦が発生した場合、ポンプケーシング１２内に流入した空気は、補助ポンプ３３の吸引によって補助配管２７を通して排出される。よって、排水時に空気がインペラ２２に衝突することを効果的に抑制できるため、横軸ポンプの運転特性を改善できる。また、空気吸込渦が発生する水位まで排水が可能なため、吸水槽１内を低水位まで排水できる。

気水分離器４２は、旋回によって空気と水を分離するサイクロンセパレータである。よって、余剰な動力源（ポンプ）等を用いることなく空気と水を分離し、補助配管２７を通して空気だけを下流側へ確実に排出できる。気水分離器４２は、吸込口４４ａの開口面積が吐出口４４ｂの開口面積よりも大きい筒状の流入部を備える。よって、容器４６内に流入する水の吐出圧を高めることができるため、旋回力を効果的に付与でき、空気と水を確実に分離できる。

変速機５２による回転軸３８の回転速度は主軸２０の回転速度よりも早い。よって、補助ポンプ３３の回転軸３８が主軸２０よりも高速で回転されるため、補助配管２７を通して空気を確実に排出でき、補助ポンプ３３を小型化できる。

補助ポンプ３３はインペラ４０を有する自吸式ポンプである。よって、起動時には補助配管２７を通してポンプケーシング１２内の空気を確実に排出でき、満水後の排水時には補助配管２７を通してポンプケーシング１２内の空気と水を排出できる。

（第２実施形態）
図８及び図９は第２実施形態の横軸ポンプ１０の制御部５８による排水処理を示す。この第２実施形態の横軸ポンプ１０は、図１及び図２に示す第１実施形態の横軸ポンプ１０と同一の基本構造を有する。つまり、横軸ポンプ１０は、原動機５１と補助ポンプ３３の回転軸３８との接続状態を切り換えるクラッチ５６を備え、制御部５８は、ポンプケーシング１２の内外の状況に応じて、補助ポンプ３３の駆動と停止を切換可能に構成されている。

制御部５８は、例えば吐出弁１８によって流出量を定められた第１流量以下に調整する場合、クラッチ５６を接続状態から切断状態に切り換える。定められた第１流量とは、ミニフロー（例えば最小吐出量５０％〜７０％）時の吐出量よりも少ない吐出量（例えば４０％）である。この制御は、例えばポンプケーシング１２の下流側の水位が急激に高くなるという緊急時に実行される。原動機５１の出力を変更することなく、吐出弁１８を絞り、クラッチ５６を切断することで、横軸ポンプ１０による吐出圧を上昇できる。よって、吐出水槽の圧力が高くなっていても、吸水槽１内の水を下流側へ確実に排出できる。

具体的には、制御部５８は、第１実施形態と同様に、定められた起動条件が成立すると起動処理を実行し、ポンプケーシング１２内が満水状態になると排水処理を実行し、排水処理中に定められた停止条件が成立すると停止処理を実行する。そのうち、起動処理及び停止処理は第１実施形態と同様である。

制御部５８による第２実施形態の排水処理は、緊急信号が入力されると、吐出弁１８を過度に絞る緊急処理を実行する点で、第１実施形態と相違する。この緊急処理の実行判断は、ミニフローの実行要否の判断後、吐出弁１８の開度を変更（ステップＳ１３又はＳ１４）した後に行われる。具体的には以下の通りである。

図８に示すように、排水処理で制御部５８は、第１実施形態と同様にステップＳ１０からステップＳ１４を実行する。ミニフローの実行条件が成立しているか否かによって吐出弁１８の開度を変更（ステップＳ１３又はＳ１４）した後、制御部５８は、ステップＳ１５’で、吐出水槽の圧力センサ６２からの入力信号に基づいて緊急処理の実行の要否を判断する。つまり、制御部５８は、圧力センサ６２の入力信号によって吐出水槽が定められた圧力よりも高圧になっていると判断した場合、ステップＳ１６’の緊急処理を実行する。一方、吐出水槽が高圧になっていないと判断した場合、ステップＳ１６’の緊急処理を実行することなく、ステップＳ１７’で停止条件の成立の有無を判断する。

図９を参照すると、緊急処理では、制御部５８は、ステップＳ１６’−１で吐出弁１８を小開状態（開口面積４０％）とし、ステップＳ１６’−２で吐出弁３１を全閉状態とする。その後、ステップＳ１６’−３でクラッチ５６を接続状態から切断状態に切り換えた後、ステップＳ１６’−４で緊急信号が遮断されるまで（つまり吐出水槽が低圧になるまで）待機する。そして、緊急信号が遮断されると、制御部５８は、ステップＳ１６’−５で吐出弁３１を全開状態に切り換えた後、ステップＳ１６’−６でクラッチ５６を切断状態から接続状態に切り換えてリターンする。

この第２実施形態の横軸ポンプ１０では、第１実施形態の横軸ポンプ１０と同様の作用及び効果を得ることができる。しかも、第２実施形態の横軸ポンプ１０では、排水時に緊急信号を受信すると、原動機５１の出力を変更することなく、吐出弁１８をミニフロー時よりも絞り、クラッチ５６を切断して補助ポンプ３３の駆動を停止するため、吐出圧を上昇できる。よって、吐出水槽の水位が高くなり、圧力が高くなっていても、吸水槽１内の水を下流側へ確実に排出できるため、吸水槽１側のオーバーフローを防止できる。

なお、本発明の横軸ポンプ１０は、前記実施形態の構成に限定されず、種々の変更が可能である。

例えば、補助ポンプ３３は、インペラ４０を有する自吸式ポンプに限られず、真空ポンプを用いてもよい。気水分離器４２は、サイクロンセパレータに限られず、流入した空気と水を分離可能な構成であれば、必要に応じて変更が可能である。横軸ポンプ１０自体のインペラ２２と補助ポンプ３３のインペラ４０は、別々の原動機によってそれぞれ回転（駆動）されてもよい。第１実施形態の横軸ポンプ１０は、クラッチ５６を備えていなくてもよい。

１…吸水槽
１０…横軸ポンプ
１２…ポンプケーシング
１３…吸込ベル
１３ａ…吸込口
１４…屈曲エルボ
１４ａ…貫通部
１４ｂ…接続部
１５…ベーンケーシング
１５ａ…ガイドベーン
１５ｂ…軸受ケーシング
１６…水中軸受
１７…送水管
１８…吐出弁
２０…主軸
２０ａ…第１端
２０ｂ…第２端
２２…インペラ
２５…補助装置
２７…補助配管
２８…第１配管
２８ａ…上行部
２８ｂ…湾曲部
２８ｃ…下行部
２８ｄ…接続部
２８ｅ…膨出部
２９…第２配管
２９ａ…縦管部
２９ｂ…横管部
３０…送水管
３１…吐出弁
３３…補助ポンプ
３５…ケーシング
３５ａ…吸引部
３５ｂ…吐出部
３５ｃ…通路部
３５ｄ…整流板
３５ｅ…仕切壁
３５ｆ…軸受部
３５ｇ…凹部
３６…逆止弁
３８…回転軸
３８ａ…第１端
３８ｂ…第２端
４０…インペラ
４２…気水分離器
４３…仕切板
４４…流入部
４４ａ…吸込口
４４ｂ…吐出口
４５…還流孔
４６…容器
４６ａ…上流側端部
４６ｂ…下流側端部
４７…補気空間
５０…駆動装置
５１…原動機
５１ａ…出力軸
５２…変速機
５３…駆動ギア
５４…第１従動ギア
５５…第２従動ギア
５６…クラッチ
５８…制御部
６０…満水センサ
６２…圧力センサ

Claims (7)

1. 吸水槽内に配置された吸込口を有し、前記吸込口よりも上方で水平方向に延びるポンプケーシングと、
   前記ポンプケーシング内に位置する第１端と、前記ポンプケーシング外に位置する第２端とを有し、水平方向に延びるように前記ポンプケーシングに回転可能に配置された主軸と、
   前記主軸の前記第１端側に配置されたインペラと、
   前記ポンプケーシングの前記インペラよりも上流側の上部に接続された補助配管と、
   前記補助配管に介設され、前記ポンプケーシング内の空気を吸引するための補助ポンプと、
   前記補助配管における前記補助ポンプの上流側に設けられ、前記補助配管に流入した空気と水を分離する気水分離器と、
   前記ポンプケーシング内が水で満たされたことを検出するための満水センサと、
   前記インペラ及び前記補助ポンプを駆動させ、前記満水センサが満水を検出した後も前記インペラ及び前記補助ポンプの駆動を継続させる制御部と
   を備える横軸ポンプ。
2. 前記気水分離器は、旋回によって空気と水を分離するサイクロンセパレータである、請求項１に記載の横軸ポンプ。
3. 前記サイクロンセパレータは、前記ポンプケーシング内で開口した吸込口と、前記補助配管側で開口した吐出口とを有し、前記吸込口の開口面積が前記吐出口の開口面積よりも大きい筒状の流入部を備える、請求項２に記載の横軸ポンプ。
4. 前記主軸及び前記補助ポンプの回転軸に原動機の動力を伝達するための変速機を備え、
   前記変速機による前記回転軸の回転速度は、前記変速機による前記主軸の回転速度よりも早い、請求項１から３のいずれか１項に記載の横軸ポンプ。
5. 前記回転軸に介設され、前記原動機の動力を前記補助ポンプに伝達可能な接続状態と、前記原動機の動力を前記補助ポンプに伝達不可能な切断状態とに切り換えるクラッチを備える、請求項４に記載の横軸ポンプ。
6. 前記ポンプケーシングに接続され、前記ポンプケーシングから下流側への流出量を調整可能な弁を備え、
   前記制御部は、前記弁によって前記流出量を定められた第１流量以下に調整する場合、前記クラッチを接続状態から切断状態に切り換える、請求項５に記載の横軸ポンプ。
7. 前記補助ポンプは、回転可能なインペラを有する自吸式ポンプである、請求項１から６のいずれか１項に記載の横軸ポンプ。

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