JP2002295359A - 軸流水車発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷遮断時に発生する回転上昇を機械的に抑
制することにより発電機の最大上昇回転数を低く押さえ
ることで、設計強度の小さい発電機を使用できるように
し、もって発電装置のコンパクト化を図ると同時に出力
単価コストの低減を達成する。 【解決手段】 水車の回転軸７と発電機８の回転軸が平
行になるように動力伝動装置１１、１０を介してケーシ
ング１の外側に当該発電機８を設けるとともに、水車回
転軸７または発電機回転軸の回転速度が負荷遮断により
定格回転速度を超えたときに、発電機の回転速度上昇を
抑制する回転速度抑制手段１６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、軸流水車発電装置
に係り、特に、負荷遮断時に発生する回転上昇を機械的
に抑制することのできる軸流水車発電装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は従来の軸流型水車発電装置の一種
であるチューブラ水車を概念的に示す図である。この軸
流型水車発電装置は、外側円筒１と内側円筒２の間に
は、ガイドベーン３とランナベーン４およびランナボス
５とでエネルギーを回収する水車が構成されている。内
側円筒２の内部には、軸７とこれに直結する発電機８が
内蔵されている。

【０００３】図示していない上池から外側円筒１内に流
入した水は、ガイドベーン３で整流された後、ランナベ
ーン４を通過する際に、ランナボス６を回転させて吸出
し管５に流入し、図示しないない下池に流出する。ラン
ナボス６の回転は軸７を介して発電機８を回す動力とし
て伝達され、電気的出力が得られる。

【０００４】このような軸流型水車発電装置では、水
車、発電機８を構成するそれぞれの部品は、圧力などの
力に対応した強度設計がなされており、また、回転に対
しては、系統の負荷が遮断された時に発生する最大上昇
回転数に対応した強度設計がなされている。したがっ
て、その設計によって軸流発電装置のサイズが決定さ
れ、それに応じた土木工事費用などを含め、最終的にそ
の発電装置としての出力単価が決定される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般に、発電機出力が
比較的大きい発電装置では、出力単価は低くなる傾向と
なるが、小型の発電装置では、逆に高くなる傾向があ
る。特に、マイクロ水車と呼ばれる出力１００ｋＷ以下
クラスの超小型水車の場合では、最大上昇回転数に対応
して設計された発電機のサイズがその発電容量に対して
相対的に大きくなるため、その最大上昇回転数が出力単
価コストが大きくさせる要因となる。

【０００６】また、コスト低減を目的として、市販品の
発電機を使用する場合でも、最大上昇回転数に強度上対
応できるものを選択する必要があり、その場合も、発電
装置のサイズが大きくなり、出力単価コスト低減の目的
が達成できないなどの問題があった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、前記従来技術の
有する問題点を解消し、負荷遮断時に発生する回転上昇
を機械的に抑制することにより発電機の最大上昇回転数
を低く押さえることで、設計強度の小さい発電機を使用
できるようにし、もって発電装置のコンパクト化を図る
と同時に出力単価コストの低減を達成することのできる
軸流水車発電装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、請求項１に係る発明は、流路を形成するケーシン
グと、前記ケーシング内に収容される内筒と、前記ケー
シングと内筒の間に設置された回転羽根車を有する軸流
水車と、発電機とを備える水車発電装置において、前記
水車の回転軸と前記発電機の回転軸が平行になるように
動力伝動装置を介して前記ケーシングの外側に当該発電
機を設けるとともに、前記水車回転軸または発電機回転
軸の回転速度が負荷遮断により定格回転速度を超えたと
きに、発電機の回転速度上昇を抑制する回転速度抑制手
段を設けたことことを特徴とするものである。

【０００９】この請求項１の発明によれば、負荷遮断が
発生した際に、水車および発電機の回転上昇を抑制でき
るため、負荷遮断時の回転数上昇を考慮にいれた最大上
昇回転速度に対応させて強度設計する必要がなくなる。
したがって、最大上昇回転速度を小さくすることが可能
となるので、設計強度を低く設定することが可能とな
り、装置のコンパクト化およびコスト低減が可能とな
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明による軸流水車発電
装置の実施形態について、添付の図面を参照しながら説
明する。 第１実施形態 図１は、本発明の第１実施形態による軸流水車発電装置
を示すもので、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は正
面図である。１は流路を形成するケーシングとしての外
側円筒で、２は内側円筒である。外側円筒１と内側円筒
２の間には、ガイドベーン３とランナベーン４およびラ
ンナボス６とでエネルギーを回収する水車が構成されて
いる。水車自体の構造は、内側円筒２の内部には発電機
が内蔵されていないことを除いて図８と同じである。外
側円筒１の外側には、発電機８が据付ベース１４を介し
て設置されている。この発電機８の回転軸と、ランナボ
ス６と連結されている回転軸７とは平行になっている。
回転軸７の一端部側には、スプロケット９が取り付けら
けれている。変速機１０は、水車の回転速度を発電機の
回転速度に合わせられるように、変速比を任意に変える
ことができるようになっており、外側円筒１の外側に設
置されている。この変速機１０に接続される入力軸５０
にはスプロケット５１が設けられており、スプロケット
５１と前記スプロケット９の間には、チェーン１１が巻
き掛けられている。そして、変速機１０は入力軸５０か
らの回転を所定の変速比で変速し、出力軸１２へ出力す
る。この変速機１０の出力軸１２は発電機８の入力軸１
３に連結されており、これらの構成によって水車の回転
が発電機８に伝達されて発電を行うようになっている。
なお、これらの構成において、チェーン伝動機構の替わ
りにベルト伝動機構を用いるものとしてもよい。

【００１１】この軸流水車発電装置は、発電装置設置仕
様に応じて一品一様で製作される従来の一般的な水力発
電装置と異なっている。発電機８を外側円筒１の外側に
据え付け、チェーン１１で水車の動力を発電機８に伝達
するようになっているため、例えば、水車は標準仕様で
設計製作したものを用い、発電機８の方は発電設備設置
仕様に応じた任意の仕様出力のものを組み合わせること
ができる構造になっている。

【００１２】しかして、本実施形態による軸流水車発電
装置では、水車の回転軸７には、定格回転速度よりも大
きい回転速度になるとブレーキ作用を回転軸７に及ぼし
この回転軸７の回転を制動する遠心力式ブレーキ１６が
接続されている。この第１実施形態では、遠心力式ブレ
ーキ装置１６によって、水車の回転軸７または発電機８
の回転軸の回転速度が負荷遮断により定格回転速度を超
えたときに、発電機の回転速度上昇を抑制する回転速度
抑制手段を構成するようになっている。

【００１３】次に、本実施形態による軸流水車発電装置
の作用効果について説明する。発電運転中に負荷遮断が
発生すると、水車の負荷が低下するにしたがって、水車
の回転速度が上昇を始める。水車の回転速度がさらに上
昇していって定格回転速度を超えると、水車の回転軸７
に接続されている遠心力式ブレーキ装置１６が作動し、
回転軸７を制動する。これにより、水車の回転速度上昇
は抑制され、さらにはチェーン１１、変速機１０を介し
て回転が伝達されている発電機８の回転上昇をも抑制さ
れる。

【００１４】以上のようにして負荷遮断が発生した際
に、水車および発電機８の回転上昇を抑制できるため、
従来のように、負荷遮断時の回転数上昇を考慮にいれた
最大上昇回転数に対応させて強度設計する必要がなくな
る。したがって、最大上昇回転速度を小さくすることが
可能となるので、設計強度を低く設定することが可能と
なる。

【００１５】例えば、出力１００ｋＷ以下クラスの発電
装置の場合、発電機８を小型出力型でかつ、上記のよう
に設計強度を低く設定した安価な発電機を用いて据え付
けすればよい。そして水車の回転速度に対して発電機要
求回転速度が異なる場合は、変速機１０の変速比を替え
えればよい。同様に水車についても設計強度を低くして
製作コストを低減でき、発電装置全体として、装置の小
型コンパクト化並びに出力単価コストを低減化すること
ができる。

【００１６】次に、図２は、回転速度抑制手段として、
図１の遠心力式ブレーキ装置１６に替えて、遠心力式ク
ラッチ装置１８を適用した実施の形態である。この図２
において図１と同一の構成要素には、同一の参照符号を
付してその詳細な説明は省略する。この実施形態では、
変速機１０の出力軸１２と発電機８の入力軸１３は遠心
力式クラッチ装置１８を介して接続されている。遠心力
式クラッチ装置１８は、定格回転速度よりも大きい回転
速度になると作動するようになっている。

【００１７】したがって、本実施形態によれば、発電運
転中に負荷遮断が発生して、水車の回転軸７または発電
機８の回転軸の回転速度が定格回転速度を超えたときに
は、遠心力式クラッチ装置１８が作動し変速機１０の出
力軸１２と発電機８の入力軸１３との連結を切るため、
発電機の回転速度の上昇を抑制することができる。これ
によって、図１の遠心力式ブレーキ装置１６の実施形態
と同様の効果が得られ、発電装置全体として、装置の小
型コンパクト化並びに出力単価コストを低減化すること
できる。

【００１８】次に、図３に示す実施形態は、回転速度抑
制手段として、変速機１０と発電機８との間にドラム式
またはディスク式のブレーキ装置２０を設け、定格回転
速度よりも大きい回転速度になったときにブレーキ駆動
装置２２がブレーキ装置２０を作動させるようにしたも
のである。

【００１９】図４は、ブレーキ駆動装置２２の構成例を
示す図である。この図４において、参照符号２４はブレ
ーキ駆動用のシリンダである。このシリンダ１４の内部
には、圧縮ばね２５が収容されており、この圧縮ばねの
２５の弾性力によってピストン２６は付勢されている。
圧縮ばね２５とは反対側の空間は、高圧の空気または高
圧の液体が供給されるシリンダ室２７になっている。ピ
ストン２６と連結している操作ロッド２８は、シリンダ
１４の外部まで延出し、この操作ロッド２８の先端部は
図３のブレーキ装置２０と接続されている。通常の発運
転中は、シリンダ室２７に導入された高圧の流体によっ
て、圧縮ばね２６は押し縮められていて、この状態では
ブレーキ装置２０は作動しないようになっている。

【００２０】シリンダ１４は、入口ポート２９と出口ポ
ート３０が設けられ、出口ポート３０に流体を導出する
配管には電磁弁３２が設けられている。この電磁弁３２
は、弁制御装置３３により開閉制御される。なお、３４
は、水車の回転速度を検出する回転速度検出器である。

【００２１】以上のように構成される実施形態によれ
ば、発電運転中は水車の回転速度は、回転速度検出器３
４により検出され、その検出信号は弁制御装置３３に導
入される。弁制御装置３３は、現在の回転速度と定格回
転速度とを比較し、定格回転速度以下であれば、電磁弁
３３を閉じた状態にしておく。

【００２２】負荷遮断が発生して、水車の回転速度が上
昇し出力定格回転速度を超えたときには、弁制御装置３
３は、電磁弁３２を開とする指令を与える。これによ
り、電磁弁３２が開いてシリンダ室２７が開放されるた
め、それまで圧縮されていた圧縮ばね２６の弾性力でピ
ストン２６が前進し操作ロッド２８が延びてブレーキ装
置２０を作動させる。

【００２３】こうしてブレーキ装置２０が作動する結
果、発電機の回転速度の上昇を抑制することができる。
これによって、図１の遠心力式ブレーキ装置１６、図２
の遠心力式クラッチ１８と各実施形態と同様の効果が得
られ、発電装置全体として、装置の小型コンパクト化並
びに出力単価コストを低減化することできる。

【００２４】第２実施形態 図５は、本発明の第２の実施形態による軸流水車発電装
置を示す。この第２実施形態は、水車の回転軸７に回転
羽根車を設け、この回転羽根車の回転運動エネルギーを
液体で吸収することで水車を制動する機構を回転速度抑
制手段として構成した実施形態である。なお、図５にお
いて、図１と同一の参照符号は同一の構成要素を示して
おり、その詳細な説明は省略する。

【００２５】図５において、参照符号３６は回転羽根車
を示している。この回転羽根車３６は水車の回転軸７の
一端部に取り付けられているとともに、内側円筒２の内
部において水車軸と同軸に形成され、図示しないシール
装置で仕切られた羽根車室３８に収容されている。この
羽根車室３８には、上流から圧力の高い水などの液体を
羽根車室３８に注入するための注入側配管４０と、羽根
車室３８の液体を外部に排出するための排出側配管４２
が接続されている。注入側配管４０は水車上流から水を
取り入れてその水を遠隔操作弁４１を介して羽根車室３
８に導入する管路を形成している。排出側配管４２に
は、同様に管路を開閉する遠隔操作弁４３が設けられて
いる。これらの遠隔操作弁４１、４３は、図示しない弁
制御装置によって、以下のように、負荷遮断の発生と連
動する予め決められたシーケンスで開閉されるようにな
っている。

【００２６】通常の発電運転時では、羽根車室３８の内
部は空になっていて空気のみが入っているので、水車の
回転とともに羽根車３６はほとんど抵抗を受けない状態
で回転している。このとき、遠隔操作弁４１、４３は共
に閉じられている。

【００２７】負荷遮断が発生して、水車の回転速度が上
昇し出力定格回転速度を超えたときには、図示しない弁
制御装置は、遠隔操作弁４１を開とする指令をこれに与
える。遠隔操作弁４１が開くことによって水車上流の流
路から圧力水が注入側配管４０を流れて羽根車室３８に
注水され、羽根車室３８は水で満たされる。これにより
羽根車３６は、水中で回転することになるため、大きな
抵抗を受け、水車のエネルギーは水に吸収されて回転速
度の上昇が効果的に抑制されることになる。

【００２８】こうして水車の回転速度の上昇を抑制する
ことができため、上述の各実施形態と同様の効果が得ら
れ、発電装置全体として、装置の小型コンパクト化並び
に出力単価コストを低減化することできる。

【００２９】次に、図６は、羽根車室３８に水や空気を
給排する配管の他の実施例を示す図である。この図６に
おいて、参照符号４４が水車上流の流路から圧力水を注
入するための注入側配管で、４６が羽根車室３８の水を
排出するための排出側配管である。これらの注入側配管
４４、排出側配管４６の途中にはそれぞれ遠隔操作弁４
５、４７が設けられている。また、注入側配管４４と排
出側配管４６は、合流して１本の配管になって羽根車室
３８に接続されている。

【００３０】一方、参照符号４８は、羽根車室３８に空
気を給排するための空気用配管である。この空気用配管
４８の途中にも管路を開閉する遠隔操作弁４９が設けら
れている。この遠隔操作弁４９については、空気用配管
４８に設けた方が好ましいがなくてもよい。

【００３１】以上ような配管構成において、通常の発電
運転時には、羽根車室３８は空気だけが満たされている
のは図５の実施形態と同様であるが、負荷遮断が発生し
て、水車の回転速度が上昇し出力定格回転速度を超えた
ときには、遠隔操作弁４５と遠隔操作弁４９を開とし
て、遠隔操作弁４７を閉に切り換える。これにより、注
入側配管４４から加圧水が羽根車室３８内に満たされて
いく。これと同時に、空気は空気用配管４８から外部に
排出されていくので、円滑にしかも迅速に空気と水との
入れ替えを行うことができる。なお、負荷遮断が発生し
た際の回転速度抑制作用は上述した通りであるのでその
説明は省略する。

【００３２】次に、図７は、図６の給排系を更に改良し
た実施の形態を示す図である。ここでは、注入側配管４
４と、排出側配管４６が合流して羽根車室３８まで延び
る配管には、ノズル５０が設けられ、このノズル５０か
ら加圧水が羽根車室３８内に噴出されるようになってい
る。このノズル５０は、好ましくは、図７に示されるよ
うに、羽根車３６の回転方向と反対方向を指向して当該
羽根車３６に向けて加圧水を噴出するような向きになっ
ている。

【００３３】以上のような構成において、負荷遮断が発
生した時には、遠隔操作弁４５と遠隔操作弁４９を開と
して、遠隔操作弁４７を閉に切り換える。これにより、
注入側配管４４を通った流路の加圧水は、ノズル５０か
ら噴流となって羽根車３６に当たり、羽根車３６は大き
な抵抗を受ける。さらに、羽根車室３８内は水で満たさ
れていくので、水の抵抗も同時に受け、噴流と水の両方
の抵抗を受け、より効果的に回転速度の上昇を抑制する
ことが可能となる。 なお、噴流の効果を維持させるた
めに、遠隔操作弁４９を開けたままの状態にして、水を
空気用配管から排出するようにしてもよい。通常の発電
運転に復帰するためには、遠隔操作弁４７を開として遠
隔操作弁４５を閉として、排出側配管４６から水を排出
する。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、負荷遮断時などに発生する水車および発電機
の回転上昇が抑制されるため、従来に比べて設計最大回
転速度を低く設定した装置設計が可能となることから、
装置の小型コンパクト化およびコスト低減が可能とな
り、出力単価コストを低くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による軸流水車発電装置の第１の実施形
態を示す図で、図１（ａ）は縦断面図、図１（ｂ）は正
面図。

【図２】同第１実施形態において、回転速度抑制手段と
して遠心式ブレーキの替わりに遠心式クラッチを用いた
実施形態を示す断面図。

【図３】同第１実施形態において、回転速度抑制手段と
して遠心式ブレーキの替わりにドラムブレーキとその駆
動装置を用いた実施形態を示す断面図。

【図４】ブレーキ駆動装置を示す構成説明図。

【図５】本発明による軸流水車発電装置の第２の実施形
態を示す断面図。

【図６】第２実施形態において、回転速度抑制手段とし
ての羽根車室に水や空気を給排する配管の他の実施例を
示す図。

【図７】羽根車室に水や空気を給排する配管のさらに他
の実施例を示す図。

【図８】従来の軸流水車発電装置を示す断面図。

【符号の説明】

１ 外側円筒 ２ 内側円筒 ３ ガイドベーン ４ ランナベーン ６ ランナボス ７ 回転軸 ８ 発電機 ９ スプロケット １０ 変速機 １１ チェーン １６ 遠心式ブレーキ装置 １８ 遠心式クラッチ装置 ２０ ブレーキ装置 ２２ ブレーキ駆動装置 ２４ ブレーキ駆動用シリンダ ３３ 弁制御装置 ３６ 回転羽根車 ３８ 羽根車室 ５０ ノズル

フロントページの続き (72)発明者 杉 下 懷 夫 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 木 崎 康 巳 神奈川県川崎市幸区堀川町66番２ 東芝エ ンジニアリング株式会社内 (72)発明者 中 薗 昌 彦 神奈川県川崎市幸区堀川町66番２ 東芝エ ンジニアリング株式会社内 Ｆターム(参考） 3H072 AA09 BB17 CC31 3H073 AA09 AA27 BB32 CC12 CC25 CD12 CD15

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】流路を形成するケーシングと、前記ケーシ
   ング内に収容される内筒と、前記ケーシングと内筒の間
   に設置された回転羽根車を有する軸流水車と、発電機と
   を備える水車発電装置において、 前記水車の回転軸と前記発電機の回転軸が平行になるよ
   うに動力伝動装置を介して前記ケーシングの外側に当該
   発電機を設けるとともに、前記水車回転軸または発電機
   回転軸の回転速度が負荷遮断により定格回転速度を超え
   たときに、発電機の回転速度上昇を抑制する回転速度抑
   制手段を設けたことを特徴とする軸流水車発電装置。
2. 【請求項２】前記回転速度抑制手段は、前記水車回転軸
   または発電機回転軸を制動する遠心式ブレーキ装置から
   なることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装
   置。
3. 【請求項３】前記回転速度抑制手段は、前記動力伝動装
   置との接続を断接する遠心式クラッチ装置からなること
   を特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装置。
4. 【請求項４】前記回転速度抑制手段は、前記水車回転軸
   または発電機回転軸を制動するドラム式またはディスク
   式ブレーキと、負荷遮断により定格回転を越えたときに
   前記ブレーキを作動させるブレーキ駆動装置とからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装置。
5. 【請求項５】前記回転速度抑制手段は、前記水車軸上に
   水密に区画された部屋内に回転羽根車を収容し、負荷遮
   断が発生した場合に、前記部屋内に水を注入する配管を
   設けるとともに、この注水用配管を開く第１の遠隔操作
   弁を設けたことを特徴とする請求項１に記載の軸流水車
   発電装置。
6. 【請求項６】前記注水用配管から供給される圧力水を前
   記部屋内に注水するノズルを設け、このノズルの向きを
   前記部屋内の回転羽根車の回転方向と反対方向に指向さ
   せたことを特徴とする請求項５に記載の軸流水車発電装
   置。