JP2004316484A - 小容量チューブラ水車 - Google Patents

Abstract

【課題】小容量チューブラ水車の運転可能な流量範囲を拡大するため、小容量チューブラ水車における可動ランナベーンの電動駆動を可能にする。
【解決手段】水車ランナを支持する内側ケーシング内に軸方向に移動可能な操作軸を設け、この操作軸の一端を、リンク機構を介してランナベーンの回動軸に回動操作可能に結合するとともにこの操作軸の他端を、内側ケーシング内に設けた回転運動を直線運動に変換する運動変換機構に結合し、さらに前記外側ケーシングの外側にランナベーン駆動用電動機を設置し、この駆動用電動機と前記運動変換機構とを回転伝動機構を介して結合する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、出力容量が数百ｋＷ以下のマイクロチューブラ水車と呼ばれているような小容量のチューブラ水車に関し、特にランナベーンにより流量制御を行うことが可能なようにランナベーンを可動にした形式のチューブラ水車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロチューブラ水車と呼ばれるような小容量のチューブラ水車は、一般に、図４に示すように、小形であるため、流路１０を形成する外側ケーシング１１内に、内側ケーシング１２によって支持された水車ランナ２０を収容し、外側ケーシング１１の外側に発電機３０を設置し、水車ランナ２０の回転軸２５と発電機３０の駆動軸３５とをベルト等を使用した回転伝動機構４０を介して連結して構成されている。水車ランナ２０は、流路１０から供給される水流によって回転され、この回転力を回転伝動機構４０により発電機３０へ伝動し、これを駆動することによって発電を行う（特許文献１参照）。
【０００３】
このような従来の小容量チューブラ水車による発電装置は、ケーシング１１、１２が小形であるため、内側ケーシング１２内に発電機を収容することができず、これを外側ケーシング１１の外側に設置している。
【０００４】
また、流路１０から供給される水流の流量が変化する場合、この流量の変化に応じて、水車ランナ２０のランナベーン２２を回転軸２５と直角な軸を中心にして回動してそのピッチ角を調整するようにすれば、流量変化に対する水車の効率の低下が抑制され、広い流量範囲において高い効率での運転が可能となることはよく知られていることである。
【０００５】
そして、ランナベーンを駆動する装置としては、油圧を利用した油圧式駆動装置よりは、特許文献２及び３に示すような、駆動源に電動機を用いた電動式駆動装置の方が、河川等への油の漏出がなく、環境を保全するうえで有利であるため、より多く使用されるようになってきている。しかし、小容量チューブラ水車においては、内側ケーシング内に発電機を内蔵することもできない状態であるため、このようなランナベーンの電動駆動装置を組み込むことは到底できない。
【０００６】
このため、これまでの小容量チューブラ水車においては、ランナベーンのピッチ角を固定したランナベーン固定式の水車しか使用されず、運転に必要な流量が確保できない状態になったときは、運転を停止せざるを得ず、運転可能な流量範囲が狭く制限される不都合があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２９５３９５号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平２−１８１０７５号公報（第２頁、図１）
【特許文献３】
特開平３−２０６３６４号公報（第２頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、前記のような不都合を解消して小容量チューブラ水車の運転可能な流量範囲を拡大するため、マクロチューブラ水車におけるランナベーンを可動にしてこれを電動式駆動装置により駆動することのできる小容量チューブラ水車を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、請求項１の発明は、流路を形成する外側ケーシングと、この外側ケーシング内に固定して収容される内側ケーシングと、この内側ケーシングにより回転可能に支持された水車ランナとを有する小容量チューブラ水車において、前記水車ランナのランナボスにそのピッチ角を調整し得るようにランナベーンを回動可能に取り付けるとともに、前記内側ケーシング内に回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、軸方向に直線的に移動可能な操作軸とを設け、かつ前記外側ケーシングの外側にランナベーン駆動用電動機を設置し、前記運動変換機構により前記ランナベーンを回動操作し得るように前記操作軸を介して前記運動変換機構とランナベーンとを結合するとともに、前記ランナベーン駆動用電動機により前記運動変換機構を回転駆動し得るように回転電動機構を介してランナベーン駆動用電動機と運動変換機構とを結合したことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記回転伝動機構をプーリとベルトとにより構成したベルト式回転伝動機構としたことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、ベルト式回転伝動機構のベルトおよびプーリを歯付きベルトおよびプーリとしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項２または３の発明において、ベルト式回転伝動機構の運動変換機構側のプーリは、ベルト移動を規制するベルトガイドが設けられ、駆動用電動機側のプーリは、その軸方向の幅が、このプーリ上でベルトが軸方向に移動可能なように広げられたことを特徴とする。
【００１３】
請求項５お発明は、請求項１ないし４の何れかの発明において、運動変換機構を送りねじ機構により構成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項５記載の発明において、送りねじ機構のねじを台形ねじとしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項７の発明は、請求項１ないし６の何れかの発明において、ランナベーン駆動用電動機に減速歯車機構を内蔵したギヤードモータとしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項８の発明は、請求項１ないし７の何れかの発明において、前記外側ケーシングの外側に発電機を設置し、この発電機を前記水車ランナにより駆動するようにしたことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を、図に示す実施例に基づいて説明する。図１は、この発明の実施例を示す縦断面図、図２はその要部を簡略化して示す拡大縦断面図である。
【００１８】
図１および図２において、１０は、外側ケーシング１１と内側ケーシング１２とにより構成された流路、２０は、この流路１０内で内側ケーシング１２によって回転可能に支持された軸流水車ランナである。内側ケーシング１２は、ステーベーン１３および連通用ステー１４を介して外側ケーシング１１に固定支持されている。１６は、外側ケーシング１１と内側ケーシング１２との間の流路の水流を整流するガイドベーンである。水車ランナ２０はランナボス２１と、このボス２１に回動可能に支持されたランナベーン２２とを備え、内側ケーシング１２によりスラスト軸受２８等を介して回転可能に支持された回転軸２５に結合されている。さらに、ランナボス２１内には、ランナベーン２２の回動軸２３と中空の回転軸２５内に直線移動可能に挿通された操作軸２６とを連結し、操作軸２６の直線移動によりランナベーンの回動軸２３を回動操作するリンク機構２４が収められている。
【００１９】
３０は、外側ケーシング１１の外側に設置された発電機である。この発電機３０は、駆動軸３５が、プーリ４１および４２と伝動ベルト４３とよりなる回転伝動機構４０によって水車ランナ２０の回転軸２５に連結され、水車ランナ２０によって回転駆動される。
【００２０】
５０は、水車ランナ２０の回転軸２５のランナベーン取り付け端と反対側の軸端に設けられた回転運動を直線運動に変換する運動変換機構である。この運動変換機構５０は、一方で、水車ランナ２０の回転軸２５を貫通してランナボス２１と反対側に突出した操作軸２６の軸端に結合され、他方で、歯付きプーリ７１および７２と歯付きのタイミングベルト７３とからなる回転伝動機構７０を介して外側ケーシング１１の外側に設置されたランナベーン駆動用動電動機６０に連結されている。この運動変換機構５０外側に直線方向の位置指示片８１とこの支持片８１の位置を検出する位置センサ８２、８３からなる位置検出装置８０が設けられている。
【００２１】
運動変換機構５０は、詳細を図２に示すように、内側ケーシング１２に固定された支持フレーム５１によって支持された送りねじ機構５２を備え、この送りねじ機構５２のねじ軸５３が、回転伝動機構７０の歯付きプーリ７２に結合される。そしてプーリ７２が、中空の水車ランナの回転軸２５内に挿通された操作軸２６の軸端に軸受７５を介して操作軸２６に対して回転可能に結合される。
【００２２】
前記ランナベーン駆動用電動機には、減速歯車機構を内蔵し、これに結合されたプーリ７１を比較的低速で駆動できるギヤードモータを使用することができる。このようなギヤードモータは高速で小形の電動機を使用できるのでランナベーン駆動用のアクチュエータとしては最適である。
【００２３】
このように構成された小容量チューブラ水車においては、流路１０から供給される水流により水車ランナ２０が回転され、この回転力を回転軸２５に結合された回転伝動機構４０を介して発電機３０へ伝動して発電を行う。この場合、水車ランナ２０のランナベーン２２は回動軸２３を図１に示す矢印Ｒの方向に回動することによってそのピッチ角を調整することができるので、流路１０から供給される水流の流量が変化しても、そのときの流量で発電機３０の出力が最大となるように水車ランナ２０を制御することができる。
【００２４】
ランナベーン２２の制御は、つぎのようにして行う。
【００２５】
すなわち、供給水量や、発電機出力に変化が生じると、図示しない制御装置において発電機出力を一定に維持するためのランナベーン２２の最適なピッチ角が求められ、これに対応して正方向または負方向の回転指令が駆動用電動機６０に与えられる。これにより駆動用電動機６０が指令の方向に回転し、プーリ７１およびベルト７３を介して運動変換機構側のプーリ７２を回転駆動するので、送りねじ機構５２のねじ軸５２が回転され、その回転方向に応じてねじ軸５２がそのねじの作用によって左または右方向に送られ直線的に移動する。このように、送りねじ機構５２は、回転運動を直線運動に変換する動作をする。このため、このねじ軸５３に結合されたプーリ７２と操作軸２６が軸方向へ直線的に駆動され、操作軸２６の先端が図１に矢印Ｄで示すように直線移動するので、リンク機構２４を介して回動軸２３を矢印Ｒ方向へ回動しランナベーン２２のピッチ角を可変する。ランナベーン２２のピッチ角は、操作軸２６に結合したプーリ７２の直線的変位量を変位検出装置８０によって検出することによって検知することができるので、指令されたピッチ角に達したところで駆動電動機６０への回動指令を停止して駆動用電動機６０の回転を停止させる。
【００２６】
このように、駆動用電動機６０の回転が停止して、操作軸を軸方向へ作用する力がなくなると、ランナベーン２２からの反力により、操作軸２６にこれを元へ戻す力が作用するが、送りねじ機構５２のねじに台形ねじ等の逆転止性（セルフロック性）のあるねじを使用することによって送りねじ機構の逆転を防止することができるので、駆動用電動機６０による駆動力を解除してもランナベーン２２をそのピッチ角の位置に保持することができる。
【００２７】
なお、この実施例においては、回転伝動機構７０の送りねじ機構５２側のプーリ７２にはベルト７３をガイドするガイド片７４が設けられている。このベルトガイド片７４はベルト７３がこのプーリ上を軸方向に移動することを規制する。そして、回転伝動機構７０の駆動用電動機６０側のプーリ７１は、その軸方向の幅がベルト７３の幅より広く形成されている。これは、送りねじ機構５２側のプーリ７２が、駆動電動機６０によって回転駆動されてねじ軸５３とともに軸方向に移動するとき、ガイド片７４によってベルト７３を軸方向へ円滑に移動させるためと、このようにして移動されたベルト７３がプーリ７１側でこれから外れることがないようにするためである。このため、プーリ７１の軸方向の幅は、通常、ベルトの幅より広くかつ操作軸２６の最大移動距離より十分大きい値に選ばれる。
【００２８】
前記実施例における運動変換機構としては、送りねじ機構以外に、ウオームとウオームホイールとよりなるウオームギア機構を用いることができる。この場合もセルフロック性があるため、操作軸に逆転防止機構を設ける必要がなく、構成を簡単化できる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明は、流路を形成する外側ケーシングと、この外側ケーシング内に固定して収容される内側ケーシングと、この内側ケーシングにより回転可能に支持された水車ランナとを有する小容量チューブラ水車において、前記水車ランナのランナボスにそのピッチ角を調整し得るようにランナベーンを回動可能に取り付けるとともに、前記内側ケーシング内に回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、軸方向に直線的に移動可能な操作軸とを設け、かつ前記外側ケーシングの外側にランナベーン駆動用電動機を設置し、前記運動変換機構により前記ランナベーンを回動操作し得るように前記操作軸を介して前記運動変換機構とランナベーンとを結合するとともに、前記ランナベーン駆動用電動機により前記運動変換機構を回転駆動し得るように回転電動機構を介してランナベーン駆動用電動機と運動変換機構とを結合した構成としているので、ランナベーン駆動用電動機により水車ランナのランナベーンのピッチ角を可変して流量の制御が可能となり、このため、図３にＡの特性線で示すように定格流量（１．０）の０．４ら１．２までの広い流量範囲において８０％以上の高い効率を得ることができ、運転可能な流量範囲を拡大することができる。ちなみに、ランナベーンを固定したチューブラ水車は、図３にＢの特性線でしめすように０．８から１．２の流量範囲でしか８０％以上の効率は得られないのである。
【００３０】
また、この発明によれば、ランナベーン駆動装置は、電動式駆動装置であるため水車の運転中に油が漏出することはないので河川等の水質に影響を与えないという効果も得られる。
【００３１】
さらに、この発明においては、ランナベーンを駆動する装置の中で、比較的大形の駆動用電動機は、外側ケーシングの外側へ配置し、収容空間の限られた内側ケーシング内には送りねじ機構等により構成した運動変換機構を設け、駆動用電動機とこの運動変換機構とをベルト等の回転伝動機構によって連結するようにしているので、マイクロチューブラ水車と呼ばれるような小容量のチューブラ水車にも電動式のランナベーン駆動装置を取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例による小容量チューブラ水車を示す縦断面図。
【図２】この発明の図１に示す実施例における要部を拡大して示す縦断面図。
【図３】この発明の実施例による小容量チューブラ水車の効率特性を示す線図。
【図４】小容量チューブラ水車の従来例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１０：流路
１１：外側ケーシング
１２：内側ケーシング
２０：水車ランナ
２１：ランナボス
２２：ランナベーン
２３：ランナベーン回動軸
２４：リンク機構
２５：ランナ回転軸
２６：操作軸
３０：発電機
４０：発電機駆動用回転伝動機構
５０：回転−直線運動変換機構
６０：ランナベーン駆動用電動機
７０：ランナベーン駆動用回転伝動機構

Claims (8)

1. 流路を形成する外側ケーシングと、この外側ケーシング内に固定して収容される内側ケーシングと、この内側ケーシングにより回転可能に支持された水車ランナとを有する小容量チューブラ水車において、前記水車ランナのランナボスにそのピッチ角を調整し得るようにランナベーンを回動可能に取り付けるとともに、前記内側ケーシング内に回転運動を直線運動に変換する運動変換機構と、軸方向に直線的に移動可能な操作軸とを設け、かつ前記外側ケーシングの外側にランナベーン駆動用電動機を設置し、前記運動変換機構により前記ランナベーンを回動操作し得るように前記操作軸を介して前記運動変換機構とランナベーンとを結合するとともに、前記ランナベーン駆動用電動機により前記運動変換機構を回転駆動し得るように回転電動機構を介してランナベーン駆動用電動機と運動変換機構とを結合したことを特徴とする小容量チューブラ水車。
2. 請求項１記載の小容量チューブラ水車において、前記回転伝動機構をプーリとベルトとにより構成したベルト式回転伝動機構としたことを特徴とする小容量チューブラ水車。
3. 請求項２記載の小容量チューブラ水車において、ベルト式回転伝動機構のベルトおよびプーリを歯付きベルトおよびプーリとしたことを特徴とする小容量チューブラ水車。
4. 請求項２または３に記載の小容量チューブラ水車において、ベルト式回転伝動機構の運動変換機構側のプーリは、ベルト移動を規制するベルトガイドが設けられ、駆動用電動機側のプーリは、その軸方向の幅が、このプーリ上でベルトが軸方向に移動可能なように広げられたことを特徴とする小容量チューブラ水車。
5. 請求項１ないし４の何れかに記載の小容量チューブラ水車において、運動変換機構を送りねじ機構により構成したことを特徴とする小容量チューブラ水車。
6. 請求項５記載の小容量チューブラ水車において、送りねじ機構のねじを台形ねじとしたことを特徴とする小容量チューブラ水車。
7. 請求項１ないし６の何れかに記載の小容量チューブラ水車において、ランナベーン駆動用電動機に減速歯車機構を内蔵したギヤードモータとしたことを特徴とする小容量チューブラ水車。
8. 請求項１ないし７の何れかに記載の小容量チューブラ水車において、外側ケーシングの外側に発電機を設置し、この発電機を前記水車ランナにより駆動するようにしたことを特徴とする小容量チューブラ水車。

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