JP2006525469A

JP2006525469A - 水車モーター

Info

Publication number: JP2006525469A
Application number: JP2006508068A
Authority: JP
Inventors: クリジック，ヴラディスラヴ; マセク，ヤン
Original assignee: クリジック，ヴラディスラヴ; マセク，ヤン; ボテック，ペーター
Priority date: 2003-04-30
Filing date: 2004-04-30
Publication date: 2006-11-09
Also published as: WO2004097211A1; NO20055628D0; NO20055628L; EP1629192A1; EA200501709A1; AU2004235278A1; WO2004097211A9; KR20060008935A; BRPI0409800A; MXPA05011551A; EA008918B1; OA13305A; RS20050817A; CA2526925A1; WO2004097211A8

Abstract

本発明は、水車（５）より低い位置に配置された流入装置（１）と、上記水車（５）の下に配置された流出装置（６）とを含んだ水車モーターに関するものである。水車（５）は、回転軸（１８）の周りを回転できるように配置されている。また、水車（５）には、衝動バケット（４）が固定されている。水車（５）および衝動バケット（４）の、全ての位置は、平面（２１）よりも上に０以上の間隔をあけて設けられている。上記平面（２１）は、流出装置（６）の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面（１９）と同じであるか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面（１９）に対して平行である。流入装置（１）の軸（２）の直線状に、衝動バケット（４）がある。水車（５）は、垂直、水平、または、斜めの回転軸（１８）を有している。

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、水力エネルギーを（他のエネルギー形態に変換可能な）機械的エネルギーに変換するための装置に関するものである。

〔背景技術〕
現在、水力エネルギーを（他のエネルギー形態に変換可能な）機械的エネルギーに変換するための様々な種類の装置が、世界中で用いられている。これらの装置は、エネルギー変換の構造および種類に応じて、水車と水力タービンとに区分される。

下から動力が供給される（下位射水方式の）、中央から動力が供給される（中射式の）、および上から動力が供給される（上位射水方式の）水車がある。上位射水方式の水車は、水の位置エネルギーを利用する。例えば、上掛け水と下掛け水との間で回転する羽根車水車がある。上掛け水が羽根に流れ込むと、水の重さで水車が回転し、水が下掛け水の水面に流れ込む。上位射水方式の水車の稼動条件は、落差が３〜１２（ｍ）であり、流量が０．３〜１．０（ｍ^３．ｓ^−１）である。

中射式の水車および下位射水方式の水車は、下掛け水の上に回転軸が位置するバケット水車である。このバケットは、上掛け水の流入によって生じる下掛け水の流れにより、水のエネルギーを得る。中射式の水車は、水車の回転軸の高さにおいて、バケットに流れる水の、一部では位置エネルギーを、一部では運動エネルギーを利用している。これらの水車として、例えば、サージュビアン（Sagebien）水車、ズッピンガー（Zuppinger）水車、および、ピカール（Piccard）水車が挙げられる。また、下位射水方式の水車は、水車の下側を接線の方向に流れる水の運動エネルギーのみを利用する。これらの水車として、例えば、ポンスレ（Poncelet）水車が挙げられる。

これらのバケットは、平らであるか、または、水車の回転軸に対して垂直な面に沿って適度に反っている。中射式の水車、および、下位射水方式の水車の稼動条件は、落差が０．５〜４．０（ｍ）であり、流量が０．５〜４．０（ｍ^３．ｓ^−１）である。また、どの水車の効率も、６０〜７０（％）である。水車の利点としては、構造が簡単であり、低コストであるということが挙げられる。また、不利な点として、効率が悪く、稼動域が狭いということが挙げられる。効率の悪さは、バケットの形状、および、水がバケットに接する抵抗から生じる。稼動域の狭さは、水車の寸法と落差との関係に起因している。

水力タービンは、衝動水車および反動水車での水エネルギー利用の形式によって、および、水が流れる方向にしたがって、ラジアル流水車、軸流水車、ラジアル軸流水車、斜流水車、接線流水車、クロスフロー水車、および、複流水車に区分される。衝動水車、ペルトン水車、および、バンキ水車は、水の運動エネルギーを用いる。

ペルトン水車は、接線流水車である。水は、水圧エネルギーが運動エネルギーに変換される、端部にノズルを有する水圧管によって供給される。そして、水は、回転子（ランナ）の外周部に位置する、立体的に形成されたバケットへと噴射される。タービン回転子は、下掛け水の水面よりも上の空間で回転する。回転軸は、水平であっても、垂直であってもよい。回転軸の稼動域は、落差が３０〜９００（ｍ）、流量は０．０２〜１．０（ｍ^３．ｓ^−１）である。効率は、最高９１（％）である。

バケット水車によって２つのラジアル流を有するバンキ水車は、水平の回転軸を有している。このバケットは、調整弁からタービン水車の上に直接流れ出る水から、運動エネルギーを得る。このバケットの稼動条件は、落差が１．５〜５０（ｍ）であり、流量が０．０２〜１．５（ｍ^３．ｓ^−１）である。効率は、最高８５（％）である。

反動水車として、基本的には、カプラン水車、フランシス水車、および、それらの様々な変型例（例えば、いわゆるプロペラ水車、または、ポンプ水車）が挙げられる。

カプラン水車は、軸流水車である。その稼動条件は、落差が１．５〜７５（ｍ）であり、流量が０．２〜２０（ｍ^３．ｓ^−１）である。効率は、８８〜９５（％）である。

フランシス水車は、ラジアル流水車である。その稼動条件は、落差が１０〜４００（ｍ）であり、流量が０．０５〜１５（ｍ^３．ｓ^−１）である。効率は、８８〜９５（％）である。

水力タービンの利点は、稼動域が広く、効率が比較的高いことである。また、その不利な点は、装置が複雑であり、コストがかかることである。

〔発明の説明〕
提案する本発明の、流入装置、流出装置、水車（この水車は、回転軸の周りを回転できるように配置されている）、および、水車に固定された衝動バケットからなる、水力エネルギーを利用するための水車モーターは、水車の利点（構造の簡単さ、および、低コスト）と、水力タービンの利点（効率の高さ、および、稼動域の広さ）とを備えている。

回転軸の周りを回転する、衝動バケットが固定されている水車の、全てのバケットの位置は、流出装置の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面に平行な平面よりも上に、ゼロ以上の間隔をあけて位置している。また、上記流出装置の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面に平行な平面は、上記流出装置の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面と同じ、または、上記流出装置の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面よりも低い位置にある。

衝動バケット水車の回転軸は、垂直、水平、または、斜めであってもよい。

流入装置は、その形状、および、衝動バケット水車に対するその軸の位置により水力エネルギーを生じる水流を、水車に固定された衝動バケットに導く。

衝動バケットは、衝動バケットに流れる水のエネルギー作用によって運動エネルギーを得て、このエネルギーを、衝動バケットが固定されている水車の回転運動の機械的エネルギーに変換する。衝動バケットは、その形状、大きさ、水流に対する配置、方向、面の形状、および、水流に対する衝動バケットの相対速度によって、運動エネルギーを機械的エネルギーへ変換する効率を規定する。

また、水車の構造により、水車は、衝動バケットを介して水の運動エネルギーから得られた、水車の回転運動のエネルギーを、他の技術装置に移すことができる。

流入装置によって水車の衝動バケットに導かれる水流は、運動エネルギーを衝動バケットに与えた後、水車の衝動バケットから下掛け水の水面に落下する。この下掛け水の水面は、平面と同じか、または、それよりも低く、同時に、流出装置の、水を含んだ部分と上部（水のない部分）とを隔てる平面に対して平行である。

〔実施例〕
図２に基づいて提案する本発明は、落差が２．８（ｍ）であり、流量が０．１２５〜１．００（ｍ^３．ｓ^−１）であり、最大出力が２２（ｋＷ）である、マイクロ発電所というカテゴリーの小水力発電所の構造に、用いられる。図２に記載の装置は、上水位導水路３、水圧縦管１２、流入制御装置１、流入装置１の浮子調整器１１、回転軸１８が水平である水車５に固定された衝動バケット４、流出装置６、摩擦伝達装置７、発電機８、小水力発電所の電気系統９、および、装置の支持枠１０からなる。

上水位導水路３は、水圧縦管１２に水を導く。ここで、生じた水柱の静水圧によって、水は、流入装置１を介して、この流入装置１の軸２方向の、水車５の衝動バケット４へと噴射される。これにより、水平な回転軸１８の周りを回転できるように装置の支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５から摩擦伝達装置７を介して、発電機８に伝達される。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。小水力発電所の電気系統９は、発電機８と公の電力系統とを接続するために必要な技術パラメータを確保する。浮子調整器１１は、流入装置１を制御することにより、上水位導水路３に水が流入するにもかかわらず、上水面を一定に保つ。

図３に基づいて提案する本発明は、落差が２．０（ｍ）であり、流量が０．２５〜２．０（ｍ^３．ｓ^−１）であり、最大出力が３０（ｋＷ）である、マイクロ発電所というカテゴリーの小水力発電所の構造に、用いられる。図３の装置は、上水位導水路３、水圧縦管１２、流入制御装置１、光電式水位センサーを備えた流入装置１の制御器１１、回転軸１８が垂直である水車５に固定された衝動バケット４、流出装置６、摩擦伝達装置７、発電機８、小水力発電所の電気系統９、および、この装置の支持枠１０からなる。

上水位導水路３は、水圧縦管１２に水を導く。ここで、生じた水柱の静水圧によって、水は、流入装置１を介して、この流入装置１の軸２方向の、水車５の衝動バケット４へと噴射される。これにより、垂直な回転軸１８の周りを回転できるように装置の支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５から摩擦伝達装置７を介して、発電機８に伝達される。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。小水力発電所の電気系統９は、発電機８と公の電力系統とを接続するために必要な技術パラメータを確保する。制御器１１は、流入装置１を制御することにより、上水位導水路３に水が流入するにもかかわらず、上水面を一定に保つ。

図４に基づいて提案する本発明は、落差が１４．０（ｍ）であり、流量が０．０３５〜０．２８（ｍ^３．ｓ^−１）であり、最大出力が３７（ｋＷ）である、マイクロ発電所というカテゴリーの小水力発電所の構造に、用いられる。図４の装置は、水車に流入する水の速度が速くなるように考慮して、水車の回転数が発電機の所要回転数と同じになるように、また、回転数を変える必要がないように、設計されている。図４の装置は、上水位導水路３、水圧管１５、流入装置１、回転軸１８が水平である水車５に固定された衝動バケット４、流出装置６、発電機８、小水力発電所の電気系統９、水路の支持構造１３、および、この装置の支持枠１０からなる。

上水位導水路３は、水圧管１５に水を導く。ここで、重力の影響により、水の位置エネルギーは、水圧管１５の落下時に、水の運動エネルギーに変換される。これにより、水は流入装置１を介してその軸２方向の、水車５の衝動バケット４に噴射される。こうして、水平な回転軸１８の周りを回転できるように装置の支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５から発電機８に直接伝達される。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。小水力発電所の電気系統９は、発電機８と公の電力系統とを接続するために必要な技術パラメータを確保する。

図５に基づいて提案する本発明は、落差が４．２（ｍ）であり、流量が０．３７５〜１２．０（ｍ^３．ｓ^−１）であり、最大出力が３８０（ｋＷ）である、マイクロ発電所というカテゴリーの小水力発電所の構造に、用いられる。図５の装置は、堰３、４つの流入装置１、光電式水位センサーを備えた流入装置の制御器１１、回転軸１８が水平である４つの水車５、該水車５に固定された衝動バケット４、流出装置６、４つの摩擦伝達装置７ａ、４つのギア伝達装置７ｂ、４つの発電機８、マイクロ発電所の電気系統９、および、この装置の支持枠１０からなる。

堰３によって生じた水柱の静水圧によって、水は、流入装置１を介して、この流入装置１の軸２方向の、水車５の衝動バケット４へ噴射される。これにより、水平な回転軸１８の周りを回転できるように装置の支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５から、摩擦伝達装置７ａを介して、続いてギア伝達装置７ｂを介して、発電機８に伝達される。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。小水力発電所の電気系統９は、発電機８と公の電力系統とを接続するために必要な技術パラメータを確保する。光電式水位センサーを備えた流入装置１の制御器１１は、流入装置１を制御することにより、堰に水が流入するにもかかわらず、上水面を一定に保つ。

図６に基づいて提案する本発明は、落差が３．１（ｍ）であり、流量が０．０６〜０．５（ｍ^３．ｓ^−１）であり、最大出力が１１（ｋＷ）である、堰の越流口に隣接しているマイクロ発電所というカテゴリーの小水力発電所の構造に、用いられる。図６の装置は、流入装置１の水圧管１５、回転軸１８が垂直である水車５に固定された衝動バケット４、摩擦伝達装置７、流出装置６、発電機８、小水力発電所の電気系統９、および、この装置の支持枠１０からなる。

堰の越流口から、堰の上端を越えて流れる水はせき止められている。ここで、重力の影響により、水の位置エネルギーは、水圧管１５の落下時に、水の運動エネルギーに変換される。これにより、水は、流入装置１を介して、その軸２方向の、水車５の衝動バケット４に噴射される。こうして、垂直な回転軸１８の周りを回転できるように装置の支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５から、摩擦伝達装置７を介して発電機８に伝達される。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。小水力発電所の電気系統９は、発電機８と公の電力系統とを接続するために必要な技術パラメータを確保する。

図７に基づいて提案する本発明は、落差が２．２（ｍ）であり、流量が２．２（ｍ^３．ｓ^−１）であり、後述の放出管１４から水が放出される高さが３０ｍであり、出力が１００ｌ／ｓである、保持部に隣接する給水装置の構造に、用いられる。図７の装置は、水圧縦管１２、手動制御器１１を備えた流入装置１、回転軸１８が水平である水車５に固定された衝動バケット４、流出装置６、摩擦伝達装置７を備えた遠心力水ポンプ１６、ろ過器を備えた吸水管１７、放出管１４、および、この装置の支持枠１０からなる。

保持部により、水圧縦管１２に導かれる水はせき止められる。ここで、生じた水柱の重力の影響により、流体静力学的な水の位置エネルギーは、水の運動エネルギーに変換される。これにより、水は流入装置１を介してその軸２方向の、水車５の衝動バケット４に噴射される。こうして、水平な回転軸１８の周りを回転できるように装置の支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５から摩擦伝達装置７を介して遠心力水ポンプ１６に伝達される。この遠心力水ポンプは、ろ過器を備えた吸水管１７を介して水を吸い込み、放出管１４を介して農業用給水装置に放出する。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。流入装置１の手動制御器１１により、装置の出力は制御される。

図８に基づいて提案する本発明は、落差が３．０（ｍ）であり、流量が０．１２５〜１．０（ｍ^３．ｓ^−１）であり、最大出力が２２．５（ｋＷ）である、隔壁を備えた堰の越流口に隣接するマイクロ発電所の構造に、用いられる。図８の装置は、流入装置１の機能を有する水流導水器、回転軸１８が水平である水車５に固定された衝動バケット４、流出装置６、ベルト伝達装置７、発電機８、マイクロ発電所９の電気系統、および、この装置の可動式支持枠１０からなる。

隔壁の堰の上端を越えて流れる水はせき止められる。ここで、落下時に、水の位置エネルギーは、水の運動エネルギーに変換される。これにより、水は流入装置１の機能を有する水流導水器を介して、流入装置１の軸２方向の、水車５の衝動バケット４へと噴射される。こうして、水平な回転軸１８の周りを回転できるように装置の可動式支持枠１０に固定されている水車５にトルクが生じる。トルクは、水車５からベルト伝動装置７を介して発電機８に伝達される。水は、衝動バケット４から、水面に流れる。該水面とは、平面２１であり、平面２１は、流出装置６の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面１９と同じか、または、それよりも低い位置にあり、同時に、平面１９に対して平行である。マイクロ発電所の電気系統９は、発電機８と公の電力系統とを接続するために必要な技術パラメータを確保する。この装置の可動式支持枠１０と隔壁とを機械的に接続することにより、これらの相対的な位置が保障される。この位置とは、落下する水が、隔壁があるにもかかわらず、流入装置１の機能を有する水流導水器に流れるような位置である。

〔産業上の利用可能性〕
提案してきた本発明の水車モーターは、水の位置エネルギーを所要稼動条件において利用できる場所に位置する装置の機械的駆動に適している。

本発明の水車モーターを示す概略図である。導水路と、水圧縦管と、回転軸が水平な水車とを備えた、小水力発電所を示す。導水路と、水圧縦管と、回転軸が垂直な水車とを備えた、小水力発電所を示す。導水路と、水圧管と、回転軸が水平な水車モーターとを備えた、小水力発電所を示す。水流が、鋼からなる隔壁によってせき止められる、回転軸が水平である４つの個別の水車モーターを備えた小水力発電所を示す。堰の越流口に隣接している、回転軸が垂直の水車モーターを備えた小水力発電所を示す。回転軸が水平である水車モーターを備えた、堰に隣接する給水装置を示す。鋼からなる隔壁を有する堰の越流口に隣接した、回転軸が水平である水車モーターを備えたマイクロ発電所を示す。

Claims

水車より低い位置に配置された流入装置と、水車の下に配置された流出装置とを備え、上記水車が回転軸の周りを回転できるように配置されており、上記水車にはバケット（４）が固定されている、水車モーターにおいて、
上記バケットが衝動バケットであることを特徴とする、水車モーター。
上記水車（５）および上記衝動バケット（４）の全ての位置は、平面（２１）よりも上に、ゼロ以上の間隔をあけて位置しており、上記平面（２１）は、流出装置（６）の、水を含んだ部分と、該水を含んだ部分より上部（水のない部分）とを隔てる平面（１９）と同じ、または、上記平面（１９）よりも低い位置にあり、同時に、上記平面（１９）に対して平行であることを特徴とする、請求項１に記載の水車モーター。
上記流入装置（１）の軸（２）の直線状に、上記衝動バケット（４）があることを特徴とする、請求項１に記載の水車モーター。
上記水車（５）が、垂直、平行、または、傾斜した、回転軸（１８）を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の水車モーター。