特 集 風水力機械／汎用ポンプ 新型汚水用水中ポンプの開発 新明和工業株式会社 産機システム事業部 小野工場 設計部 西 泰行 竹部 力 １．はじめに ２．開発機の構造 下水道の普及に伴いマンホールポンプ市場では、 開発した水中ポンプの構造を図 1 に示す。水中ポ 異物通過性能に優れた渦流ポンプが多く採用されて ンプは、羽根車、ポンプケーシング、メカニカルシ きた。これは、マンホールポンプ場には一般家庭や ール、モータなどの主要部品で構成されている。こ 公園などから排出される固形物や繊維質の異物を多 のモータにより、モータ軸に直結された羽根車をポ く含んだ汚水が流れ込むため、ポンプ効率を重視す ンプケーシング内で回転させて流体にエネルギーを るよりもむしろポンプの閉塞によるトラブルを少な 与えている。従って、ポンプ効率を向上させるため くする必要があったからである。 には、羽根車やポンプケーシングでの水力損失を減 ところが近年、下水道事業予算の削減などにより、 少させ、効率良く流体にエネルギーを与えることが マンホールポンプ場などを含む下水処理施設で使用 必要となるので、今回当社独自の形状をもつ羽根車 される汚水用水中ポンプにも省エネルギー化や維持 とポンプケーシングを新規に開発した。 管理費の低減が強く望まれるようになり、ポンプの ３．ポンプ性能 高効率化や無閉塞性が求められるようになってき た。このような背景のもと、当社では高効率と無閉 汚水用水中ポンプに用いられている代表的な羽根 塞性を両立させる水中ポンプの開発に着手し、当社 車のタイプごとの特徴を表 1 に示す。従来、ポンプ 独自の形状をもつ羽根車とポンプケーシングを開発 の異物通過性能は、羽根車の流路面積の大きさで評 することによって、ポンプ効率と異物通過性能の高 価されてきた。そのため、羽根車入口部での逆流や い水中ポンプを実現した。 流路拡大損失などによりポンプ効率は多少低下する 本稿では、開発機（代表：2.2kW−60Hz）の構造、 が、表 1 に示すように羽根枚数を少なくするとか、 ポンプ性能、異物通過性能などの特徴を中心に紹介 流路面積を大きくした羽根車が採用されている。し する。 かし、異物などを除去する設備をもたないマンホー ルポンプ場では、流入する多種多様な異物がポンプ を閉塞することなく通過できて高いポンプ効率を実 モータ 表１ 羽根車のタイプ別特徴 モータ軸 渦流型 メカニカルシール 羽根車 スクリュー型 ノンクロッグ型 羽根形状 長所 羽根車の前面とケーシング の間に広い空間を設けて いるため、大きな流路面積 を確保している 短所 羽根車とケーシングの間に 円錐状のハブに 1 枚羽根が 羽根車内の流路面積を 広い空間があるため、 ポンプ 付加された構造であるため、 確保したため、 ポンプ効率 効率が低い 流路面積を確保しにくい が幾分低い ポンプケーシング 図１ 構造断面図 10 ●「特集」風水力機械／汎用ポンプ 螺旋状の1 枚羽根により、羽 羽根枚数を少なくして羽 根に沿って滑らかに流体を 根車内の流路面積を確 吸込むため、 ポンプ効率が高 保している い 現するには、流路面積だけでなく新たな方法で異物 機は広範囲の流量域でポンプ効率が従来機よりも大 通過性能を評価し、新しい形状の羽根車を開発する 幅に高くなっている。また、軸動力曲線はリミット 必要があった。そこで、スクリュー型羽根車とノン ロード特性をもっている。そのため、軸動力はピー クロッグ型羽根車の特徴に着目した。 ク値以上の流量になると低下するので、大流量域で スクリュー型羽根車は効率が良いが、円錐状のハ 使用する場合でも過負荷によるポンプの停止が少な ブに螺旋状の1枚羽根が付加された構造であるので くなる。 流路面積を確保しにくい。また、オープン型羽根車 ４．異物通過性能 であるので耐磨耗性が低く効率が低下しやすいとい う短所がある。一方、ノンクロッグ型羽根車は流路 試験方法 面積を大きくできる反面、スクリュー型羽根車より 3 項で述べたように、従来の異物通過性能は羽 も一般的に効率が劣るという短所がある。そのため、 根車の流路面積の大きさで評価されることが多 ポンプ効率の良さと流路面積が大きいというそれぞ く、実際の異物の通過性能を表すものではなかっ れの長所を併せもつ新型羽根車を開発することにし た。そこで、今回、ポンプの下方から異物を投入 た。この新型羽根車では、クローズド型ノンクロッ し、実際の異物での通過率は式（ｉ）で評価した。 グポンプの吸込み流路をつる巻螺旋状にすることに このときの通過率の判定では、異物が詰まったと より、軸方向から半径方向に流体を滑らかに導いて きにポンプを一旦停止させて再起動させることに 水力損失と異物閉塞の低減を試みた。なお、羽根車 よって異物が通過した場合は通過したことにして 内の螺旋状流路はポンプ吐出し口径（80㎜）と同一 いる。但し、再起動は 2 回までとし、2 回再起動 寸法を確保している。このときの新型羽根車の断面 しても通過しなかった場合は不通過とした。また、 を図 2 に、性能曲線を図 3 に示す。開発機ではポン 今回は過酷な状況を想定した異物通過試験とする プ吐出し口径と同一寸法を確保したにも関わらず、 ために、マンホールポンプ場において特に閉塞が 従来機のノンクロッグ型や渦流型と比較して、全流 問題になっている表 2 に示す異物を対象にした。 量域で揚程が高い。一方、スクリュー型と比較する なお、タオル（大）はポンプ吐出し口径（80㎜） と、開発機の流路面積が圧倒的に大きいので、小流 の約10倍の長さである。 量域において若干揚程は低い。しかしながら、開発 軸動力（kW） 3.0 2.2 2.0 1.0 A 全揚程（m） A ここで 評価 80 12 60 8 40 4 20 0 0.0 図２ 羽根車断面 100 0.5 1.0 1.5 吐出し量（m3/min） 効率（％） 開発機 ノンクロッグ型 渦流型 スクリュー型 16 断面A−A （i） 通過率： 20 βx 通過 1 再起動 1 回で通過 2/3 再起動 2 回で通過 不通過 1/3 0 N：異物投入回数とする 0 2.0 図３ 性能曲線 産業機械 2005.7● 11 表２ 異物通過試験に用いた対象物 タオル（小） タオル（大） パンスト 生理用品 280×420㎜ 34g 380×830㎜ 50g 190×960㎜ 22g 90×200㎜ 5g 外観 サイズ 質量 試験の結果 はいずれの流量比においても通過率は高く、特に 予備実験の結果、ポンプの閉塞は羽根車内の流 流量比が1.0ではその傾向が顕著である。これは、 路で詰まる場合と、羽根車を通過した異物がポン 羽根車内の流路での通過率が向上したことに加え、 プケーシングの舌部に引っ掛かり、その内部で滞 主板、側板背面への異物の回り込みを抑制するた 留し続ける場合に大別されることが分かったの めのスクリーニング構造の採用やポンプケーシン で、この 2 種類の評価試験を行った。 グに種々の改良を加えたことによる。中でも、ボ はじめに、羽根車内の流路での閉塞の評価は開 リュート断面積の拡がりを極力抑えて、巻終わり 発機と従来機を用いて異物通過試験を行った。そ 付近の流速を増大させることで、吐出し口へ異物 の結果を図 4 に示す。図から分かるように、従来 が流れやすくなり異物通過性能は大幅に向上した。 機は流量が小さくなるほど通過率の低下が著しい が、開発機では流量が小さくても通過率は高い。 即ち、開発機は広範囲の流量域で羽根車内での閉 ５．おわりに 開発機の特徴をまとめると次の通りである。 塞がほとんどない。これは、羽根車の吸込み流路 広い流量範囲で効率が良い。 を滑らかなつる巻螺旋状にした効果である。 羽根車内での閉塞はほとんどなく、広い流量 次に、羽根車を含めたポンプケーシングから排 範囲で異物通過性能が優れている。 リミットロード特性をもっているので、大流 出までのポンプ全体としての異物通過試験を行っ た。その結果を図 5 に示す。図から分かるように、 量域で使用する場合でも過負荷状態になりにく 開発機及び従来機ともに、傾向としては流量が小 い。 さいと通過率が低いが大きくなると通過率が高く なっている。 どによって、メンテナンス費用が低減し、メン 開発機と従来機の通過率を比較すると、開発機 テナンス作業も容易である。 1.0 1.0 0.8 0.8 0.6 0.6 α通過率 α通過率 羽根車摺動部にウエアリングを設けたことな 0.4 0.2 0.0 0.0 0.4 0.2 開発機 ノンクロッグ型 スクリュー型 0.5 1.0 1.5 Q/Qbep流量比 （Qbep：最高効率点吐出し量） 図４ 羽根車の異物通過性 12 ●「特集」風水力機械／汎用ポンプ 2.0 0.0 0.0 開発機 ノンクロッグ型 スクリュー型 0.5 1.0 1.5 Q/Qbep流量比 （Qbep：最高効率点吐出し量） 図５ ポンプ全体の異物通過性 2.0
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