JP2003074453A

JP2003074453A - 衝動タービン

Info

Publication number: JP2003074453A
Application number: JP2001265598A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Tan; 省一丹; Hajime Motohashi; 元本橋; Makoto Goto; 誠後藤; Hiroshi Kojima; 博小島; Koichi Tanba; 廣一丹波; Katsuyuki Takahashi; 勝幸高橋
Original assignee: Maeta Concrete Industry Ltd
Current assignee: Maeta Concrete Industry Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-12

Abstract

(57)【要約】【課題】構造が簡単で製作容易な衝動タービンを提供
することにある。【解決手段】離間した一対の円板２間に複数枚の羽根
３を前記円板の外周面接線と所定の羽根角度βで放射状
に並列して形成した羽根車１と、該羽根車をノズル４か
ら噴出する噴流で回転させる衝動タービンであって、前
記羽根の枚数が２０枚以下，羽根角度が４０〜７０度と
した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は衝動タービン、更に
詳しくは、噴流が羽根車内を通過する間に羽根に２度作
用する衝動タービンに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、分散型エネルギー開発の一環とし
て小型水力タービンの研究が盛んであり、小水量，高落
差を利用する衝動タービンがその対象となっている。こ
の衝動タービンは、蒸気またはガス等をノズル中で圧力
降下させて高速化し、それを羽根車の羽根に当て、その
衝動力により回転動力を発生させる構造のものである。

【０００３】この衝動タービンには、衝動水車で代表的
なぺルトン水車を利用するものがある。このベルトン水
車は、円板の周囲に多数の碗型のバケットを配列して羽
根車を構成し、ノズルから水を噴射するとその水の運動
エネルギーが速度のエネルギーに変換され、それが前記
バケットに突き当たるときの衝撃作用によって羽根車を
回すものであり、水車タービン或いは回転式原動機とも
称されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の衝動タ
ービンの羽根車はペルトン水車にしても、その羽根車の
構造が複雑で製作が難しく高価なものとなること、羽根
車はケーシングで覆われているため装置全体が大型化す
るとゝもに、内部構造が見えないためにメンテナンスが
難しいといった諸問題点があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、従来の衝動タ
ービンにおける羽根車よりも構造が簡単で製作が容易な
羽根車であって、特に、噴流が羽根車内を通過する間に
２度羽根に作用する羽根車、いわゆるクロスフロー型の
羽根車を利用することにより、上記のような従来の諸問
題点を解決した衝動タービンを提供することを目的とし
たものであり、その要旨は、所定間隔だけ離間した一対
の円板間に複数枚の羽根を前記円板の外周面接線と所定
の羽根角度で放射状に並列して形成した羽根車と、該羽
根車をノズルから前記円板の外周面接線方向に噴出する
噴流で回転させるように構成した衝動タービンであっ
て、前記羽根の枚数が２０枚以下，羽根角度が４０〜７
０度としたことを特徴とする衝動タービンなどにある。

【０００６】

【発明の実施の態様】以下、本発明を詳細に説明する
に、本発明に係る衝動タービンは、上記のように、ペル
トン水車と異なり、噴流が水車内を通過する間に２度羽
根に作用する、いわゆるクロスフロー型の羽根車を利用
したものであるが、これにより、（１）構造が簡単で製
作が容易である。（２）装置を覆うケーシングが不要で
あるため装置全体を小型化できる。（３）内部構造が見
えるためにメンテナンスが容易である。（４）市街地近
郊に設置した場合には、一般市民に対するエネルギー・
環境教育上の効果が期待できる、などの特徴がある。

【０００７】ここで、クロスフロー型の羽根車は、羽根
車内を通過して下部の羽根に再流入する噴流の流れか
ら、いかに効率的にエネルギーを取り出すかがクロスフ
ロー型水車を衝動タービンとして利用するときの大きな
ポイントとなるものである。しかし、噴流が羽根車内を
通過する間に２度羽根に作用するので噴流の流れが複雑
であり、水車の性能を左右する因子は多い。

【０００８】詳述すると、羽根車については、羽根形状
（曲率及びコード長），羽根枚数，羽根角度，羽根幅等
があり、その他に、噴流の作用点や噴流口の断面形状な
どが水車性能を左右する因子となる。また、タービンと
しての最適形状を知るためには、これらの各因子がター
ビンの出力に及ぼす影響を把握する必要がある。そこ
で、本発明者等は上記の各要因の最適条件を求めるため
種々の実験を行い、この実験結果から本発明を完成する
に至ったものである。

【０００９】以下、本発明を図１乃至図３に示す実施形
態により詳細に説明する。図において、Ａは衝動タービ
ンで、羽根車１，ノズル４，直流回転発電機５及びトル
クセンサー６から主に構成されており、前記羽根車１は
落差により落下する水の重力作用を利用した重力水車と
ほゞ同一構造のもの、すなわち、一対の円板２，２の間
に水受として複数枚の平板状羽根３，３を所定の角度を
もって放射状に並列した構造のものである。

【００１０】具体的には、前記羽根車１は羽根３の形状
が平板状であって、その装着枚数が２０枚以下，羽根３
の取付け角度（羽根角度）βが４０〜７０度としてい
る。また、前記ノズル４の羽根車１の軸心Ｏからの高さ
Ｈに対する羽根車１の直径Ｄの比（Ｈ／Ｄ）が０．４０
０〜０．４５であり、更に、ノズル４から吐出する噴流
の流量が一定の場合には、前記ノズル４の噴流口の断面
形状を偏平としたものである。

【００１１】つぎに、本発明の前記要件について、実験
例を参照しながら以下詳細に説明する。本発明では、各
要件の最適形状を求める第一ステップとして、羽根車の
羽根の曲率半径が無限大、すなわち、従来の衝動タービ
ンよりも構造上製作が容易な平板とした場合についてそ
の特性を調べた。その結果、平板状のものは適度な曲率
を有する羽根の場合に比べてタービン（水車）の効率は
低下するものの、その他の要因、すなわち、ノズルの噴
流断面形状，羽根車の羽根枚数，羽根角度の影響を模型
実験により調べるとゝもに、更に、流れの観察により、
これらがタービン出力に及ぼす影響を知見した。

【００１２】模型実験に使用した羽根車１は図１に示し
たものと同一構造であり、該羽根車１の正面図を図２に
示す。図において、Ｄは羽根車１の直径で２４０ｍｍ、
Ｃは羽根３の長さで４０ｍｍとした。また、前記羽根車
１として羽根の枚数ｎおよび羽根角度βの異なるものを
複数個用意した。すなわち、羽根の枚数ｎは１８，２
４，３６の３通り、羽根角度βは４０，５０，６０，７
０，８０，９０の６通りの計２４種類の羽根車を準備し
た。

【００１３】ここで前記羽根角度βは羽根車１の外周面
と接線となす角度、Ｌは羽根車１の軸心Ｏを通る垂直線
からノズル４の噴射口までの水平距離、Ｈは羽根車１の
軸心からノズル４の高さであり、ｄはノズル４の直径、
４Ａはノズルの入口、４Ｂはノズルの出口を示す。な
お、流れの観察のために、前記羽根車１に離間して設け
た側板２には直径１６０ｍｍの穴を開け、透明塩化ビニ
ール板で閉塞した。

【００１４】前記羽根車１に対するノズル４の位置はタ
ービン（重力水車）の性能を左右する。予備実験により
その影響を調べたところ、水平距離Ｌが２０％変化して
もタービンの出力には有意な差は生じなかった。一方、
ノズル４の高さＨの影響は大きいが、最高効率を与える
高さ付近では、Ｈが±３％変わっても効率のピークの変
化は１％程度で、ほぼ一定であった。そこで、ノズル４
の位置を固定しても、それが適切な値であれば、タービ
ンの最適形状に関する議論の本質は失われないと判断
し、その値をＬ＝１２５ｍｍ、Ｈ＝１０５ｍｍに設定し
た。

【００１５】測定は次のように行った。実験中の羽根車
１の回転数の変動を抑えるために羽根車１をＤＣサーボ
モータで駆動し、モータ印加電圧を制御することにより
回転数Ｎを設定する。各回転数における水車トルクＴは
トルクメータで検出する。ノズルの噴流速度Ｖは水中ポ
ンプ駆動用インバータの周波数で設定し、予め検定して
求めた流量係数（α＝０．９５３６）を用いて、ノズル
４の出入口４Ａ，４Ｂの圧力差から算出する。ここで、
ノズル４の出口流速を５ｍ／ｓ一定とした。また、ター
ビンの効率ηは下記（１）式で算出した。ここで、ωは
羽根車１の角速度、ρは水の密度、Ｕは羽根車１の周速
度（＝Ｒω）、Ａはノズル４の出口４Ｂの断面積であ
る。効率 η＝ωＴ／（０．５ρＶ３Ａ）（１）周速比 λ＝Ｒω／Ｖ（２）

【００１６】実験の結果は以下の通りであった。１．噴流断面形状の影響図３の（ａ），（ｂ）に示す２種類の断面形状のノズル
４Ａ，４Ｂについて、ダービン出力におよぼす影響を調
べた。ノズル（ａ）は基準となる円形ノズル４Ａで、ノ
ズル（ｂ）は噴流の高さ方向の厚さを抑えるために偏平
化し偏平ノズル４Ｂであり、前記円形ノズル（ａ）の直
径Φは２０ｍｍで、その断面積は３１４ｍｍ^２、偏平ノ
ズル（ｂ）の幅ｗは２６．２ｍｍ、高さｈは８．３ｍｍ
で、その断面積は２０３ｍｍ^２である。

【００１７】前記ノズル４Ａ，４Ｂの形状がタービン特
性に及ぼす効率の比較には、羽根形状が円弧形状のター
ビンを使用した。試験結果は図４に示すように、ほぼ相
似な出力特性が得られたが、最高効率は偏平ノズル４Ｂ
の方が４％程度高くなった。ノズルの高さＨを調整すれ
ば、偏平ノズルの効率が向上して両者の差が拡がること
が考えられる。

【００１８】これはノズルの断面形状が円形の場合、噴
流に高さ方向に幅があり、そのため噴流の上部は羽根の
先端部からタービンの外部に出て、その後タービンに作
用することがなく、一方、噴流の下部は進行する羽根の
裏面に当たって制動作用が生じるためと考えられる。こ
のことにより、流量が一定の場合には偏平ノズルが有効
であると言える。

【００１９】しかし、実用には、噴流速度はほゞ落差に
よって定まり、ノズル形状には依存しない。そのため本
実験で使用したような円筒を潰した偏平ノズル４Ｂで
は、断面積減少に伴う流量低下の影響がノズル偏平化に
よる効率上昇の効果よりも大きい。すなわち、タービン
出力としては、逆に低下してしまうことになる。この対
策として、ノズル断面積を一定に保ったまま、ノズルを
偏平にすることも考えられる。しかし、タービン内で流
れが広がり摩擦損失が増加するため、必ずしも得策とは
考えられない。そこで、以後の実験においては円形ノズ
ル４Ａのみを使用した。

【００２０】２．羽根角度の影響同一の羽根枚数ｎのタービンについて、羽根角度βが出
力特性におよぼす影響を調べた結果を図５乃至図７に示
す。図５は羽根枚数ｎが１８、図６は羽根枚数ｎが２
４、図７は羽根枚数ｎが３６の場合である。前記図にお
いて、羽根角度βが４０度から９０度の範囲で変化して
も、逸走時の周速度λは１割程度しか変わらない。一
方、各タービンの最高効率ηは広範囲にわたって変化す
る。これにより、羽根角度βはタービンの回転数より
も、出力トルクに大きく影響することがわかる。

【００２１】羽根角度βを大きくすることは、周速比λ
が高い領域で噴流が羽根の裏面に当たる割合を軽減する
効果がある。図８は羽根の裏面に噴流が作用するように
なる周速比（以下、臨界周速比λ_Ｃと呼ぶ）を幾何的に
求めた結果である。例えば羽根角度β＝５０°では、周
速比が０．４８を超えると、噴流の中心が裏面に作用す
るようになるが、β＝９０°では周速比が０．８近くま
で噴流全体が羽根表面に作用することがわかる。

【００２２】しかし、本実験では図５乃至図７に示すよ
うに、効率ηのピークを与える周速比λの値に顕著な差
はなかった。一方、羽根角度βが大きくなると効率は低
下している。この原因としては、羽根角度βの増加によ
って流入噴流のエネルギーが消費されて水流の急速な速
度低下をきたし、羽根車下部への再流入時の流速が低下
することが考えられる。なお、効率がピークとなる周速
比λは、いずれも０．５５程度であり、これは無負荷周
速比の６割に相当する。このことは最高効率で運転中
に、たとえば発電機出力を伝えるケーブルの断線によっ
て突然無負荷になっても、回転数の上昇が１．７倍程度
に抑えられることを意味しており、実用上都合のよい特
性である。

【００２３】タービン毎に効率のピーク（ηｍａｘ）を
求め、羽根角度βとの関係を調べた結果を図９に示す。
羽根角度βの影響が支配的で、いずれの羽根枚数ｎにお
いてもβ＝５０°で効率が最大になる。羽根角度が小さ
い場合（β＝４０°）に効率が低下しているのは、噴流
が羽根の裏面に当たる割合が高いためである。

【００２４】３．羽根枚数の影響羽根の枚数ｎが効率のピーク（ηｍａｘ）に与える影響
をまとめた結果を図１０に示す。羽根枚数ｎ＝１８，羽
根角度＝７０°を除くと、いずれも羽根枚数が少ないほ
ど高くなる傾向にある。この理由としては、次のことが
考えられる。噴流を受ける一枚の羽根によるトルクが最
大になるのは、その羽根がタービンの最上部付近に位置
した時と推測される。

【００２５】しかしながら、羽根枚数が多いと、噴流を
受けている羽根がタービンの最上部付近に達する前に次
の羽根が噴流を受けるようになる。その結果、最も発生
トルクが大きくなるであろう位置において、充分な力を
受けることができなくなるためと思われる。

【００２６】羽根角度β＝４０°で羽根枚数ｎの影響が
特に大きくなっているのは、羽根枚数ｎが多いと、ター
ビン内に流入し流れがタービンの外に出る際の流動抵抗
が増すために、タービン内に水が溜まりやすく効率が低
下するためである。この結果により、流動抵抗の減少と
流れの不均一化との兼ね合いで、羽根枚数がさらに少な
い場合に最適枚数があることも考えられる。

【００２７】なお、羽根角度β＝７０°の場合、羽根枚
数ｎ＝１８の効率が、羽根枚数ｎ＝２４よりも１％程度
低下している。これは一定としたノズルの高さＨが必ず
しも全てのタービンで適切な値とは限らないためであ
り、最適な高さに設定すればこの部分的な逆転現象は無
くなると思われる。

【００２８】４．流れの観察羽根角度βおよび羽根枚数ｎが出力特性に与える影響を
調べるために、羽根車１に作用する流れを観察した。そ
の結果を図１１に示す。図において、上段の図（ａ）の
３個の羽根車は、いずれも羽根角度β＝１８，羽根枚数
ｎ＝５０°で、周速比λ０．２１，０．５７，０．８８
の羽根角度βおよび羽根枚数ｎの影響を調べたものであ
って、今回調べた範囲で最も効率が良かった羽根車であ
る。

【００２９】これに対して、中段の図（ｂ）の３個の羽
根車はいずれも羽根枚数ｎ＝３６，羽根角度β＝５０°
で、周速比λ０．２１，０．５７，０．８８の羽根枚数
ｎの影響を調べたものである。下段の３個の羽根車
（ｃ）はいずれも羽根枚数ｎ＝１８，羽根角度β＝９０
°で、周速比λ０．２１，０．５７，０．８８の羽根角
度βの影響を調べたものである。

【００３０】前記の図から分かることは、全般的に低周
速比（λ＝０．２１）では羽根車に作用した直後の噴流
角度変化が大きく、高周速比（λ＝０．８８）では羽根
車に殆ど作用せず直進する。前記上段の図（ａ）のλ＝
０．２１では、羽根車１内を通過した流れが再度羽根に
当たって、図の左上方（羽根車の外）と右下方（羽根車
の内）の流れに分かれる。後者はさらに羽根車下部に再
流入するが、この流れを羽根が妨げる角度にあるため
に、直ぐに羽根車外に流出できず、しばらく引きずられ
てから、羽根の間からこぼれるように流出する。

【００３１】このような傾向は羽根角度βが小さいほど
強くなる。回転数が上がると（λ＝０．５７）、羽根車
に作用した噴流が羽根車下部に再流入する割合が少し低
下する。この再流入した流れの大部分は、羽根車の出力
トルクに寄与するように羽根に作用するが、前記λ＝
０．２１に見られた回転に引きずられながら流出する流
れが一部残る。

【００３２】次に、中段の図（ｂ）に示すように羽根枚
数ｎが増えた場合、λ＝０．２１では、再流入した流れ
の多くが図の左上方に流出することや、右下方の流れが
引きずられた後に、羽根の間からこぼれるように流出す
る傾向は前記図（ａ）の場合と同じである。また、図
（ｂ）のλ＝０．５７では、羽根車に作用した直後に羽
根車の外に出る流れが減少している。また、羽根車内を
通過する流れが殆ど見られないが、羽根に作用して大き
く曲げられた流れが観察される。

【００３３】これらはトルクに寄与する流れであるが、
一方、遠心ポンプにように羽根車下側の広範囲から飛び
出す流れが、図（ａ）よりも強くなり、その分、効率低
下の原因となる。そこで、羽根枚数が１８よりも少ない
場合にさらに効率が高くなることも考えられる。更に、
下段の図（ｃ）のように、羽根角度が大きいと、羽根車
内を通過する流れが強くなるものの、この流れは再流入
時に殆ど羽根に作用せず直進する。このため、羽根車の
効率が前記図１１（ａ）に示したように極端に低くなる
と考えられる。

【００３４】以上により、タービン性能を左右する因子
について実験的研究を進めた結果、次の結論が得られ
た。（１）ノズル断面形状を偏平化すると、タービン効
率が上昇する。しかし、実用の際には、噴流速度は落差
によって一定であり、ノズル断面積の減少にともない流
量が低下することを考慮すると、円形ノズルの方が大き
なタービン出力を得られる。（２）羽根角度が大きいほ
ど噴流が羽根の裏面に当たる割合が減少するが、タービ
ンの最高効率を与える角度は５０度であった。

【００３５】また、（３）羽根枚数については、１８枚
の場合に効率が最大となった。しかし、流れの不均一化
と流動抵抗の減少との兼ね合いで、最適枚数が１８より
も少なくなることも考えられる。（４）流れの観察によ
り、羽根角度および羽根枚数が出力特性に与える影響が
明らかになった。なお、上記実験では羽根車の一部の形
状因子の影響について調べただけであるが、ケーシング
不要の単純な構造ながら６０％以上の効率を有すること
が確認できた。

【００３６】

【発明の効果】本発明に係る衝動タービンは、上記のよ
うな構成であるため、（１）構造が簡単で製作が容易で
ある。（２）装置を覆うケーシングが不要であるため装
置全体が小型化されるとゝもに、（３）内部構造が見え
るためにメンテナンスが容易である。（４）羽根車が回
転している様子の観察が可能であるため、市街地近郊に
設置すれば、一般市民に対するエネルギー，環境教育上
の効果を期待することができる。（５）装置全体が小
型，軽量なので、将来的には開発途上国や山間部等の無
電源地域における利用の可能である、といった諸効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る衝動タービンの斜視図である。

【図２】羽根車の正面図である。

【図３】異なる二種類のノズルの断面図である。

【図４】ノズルがタービン特性に及ぼす影響を示す図で
ある。

【図５】同一羽根枚数における羽根車の角度が出力特性
に及ぼす影響を示す図である。

【図６】図５の羽根枚数とは異なる同一羽根枚数におけ
る羽根車の角度が出力特性に及ぼす影響を示す図であ
る。

【図７】図６の羽根枚数とは異なる同一羽根枚数におけ
る羽根車の角度が出力特性に及ぼす影響を示す図であ
る。

【図８】羽根角度と臨界周速比との関係を幾何学的に示
した図である。

【図９】羽根角度と最高効率との関係を示す図である。

【図１０】羽根枚数と最高効率との関係を示す図であ
る。

【図１１】羽根角度および羽根枚数の異なる羽根車に対
する噴流の状態を示す図である。

【符号の説明】

１羽根車２円板３羽根４ノズル４Ａ円形ノズル４Ｂ偏平ノズル β 羽根角度ｎ羽根枚数Ｈノズルの高さ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者後藤誠山形県鶴岡市大字井岡字沢田104 鶴岡工業高等専門学校内 (72)発明者小島博山形県酒田市上本町６番７号前田製管株式会社内 (72)発明者丹波廣一山形県鶴岡市大字井岡字沢田104 鶴岡工業高等専門学校内 (72)発明者高橋勝幸山形県鶴岡市大字井岡字沢田104 鶴岡工業高等専門学校内Ｆターム(参考） 3H072 AA05 AA26 BB07 CC12 CC43 CC91

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】所定間隔だけ離間した一対の円板間に複
数枚の羽根を前記円板の外周面接線と所定の羽根角度で
放射状に並列して形成した羽根車と、該羽根車をノズル
から前記円板の外周面接線方向に噴出する噴流で回転さ
せるように構成した衝動タービンであって、前記羽根の
枚数が２０枚以下，羽根角度が４０〜７０度としたこと
を特徴とする衝動タービン。
【請求項２】前記ノズルの羽根車の軸心からの高さＨ
に対する前記羽根車の直径Ｄの比（Ｈ／Ｄ）が０．４０
０〜０．４５であることを特徴とする請求項１記載の衝
動タービン。
【請求項３】前記ノズルから噴出する噴流の流量を一
定とし、前記ノズルの噴流口の断面形状を偏平としたこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の衝動タービン。