JP2007270738A - 水力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】角度調整が可能なブレードを備えた水力発電機を提供する。
【解決手段】水力によって水車２のインペラ５を回転駆動させることにより、インペラ５に連結される発電機６０を駆動させて、電気エネルギーを生じさせる水力発電機１であって、インペラ５は、発電機６０の回転子６３に連結されて、回転子６３と一体に回転駆動するボス６と、ボス６に回動可能に設けられる複数のブレード２５と、ボス６に設けられるとともに、複数のブレード２５の回動角度を調整する角度調整機構３１と、角度調整機構３１を駆動させる駆動源とからなる。駆動源には油漏れ等が生じることのない電動機が使用される。
【選択図】図２

Description

本発明は、水力発電機に関し、特に、水力によって水車を回転駆動させることにより、水車に連結される発電機を駆動させて電気エネルギーを生じさせる水力発電機に関する。

水力発電機の一例として、ケーシング内に固定子と回転子とを設けてなる発電機と、導入管の内部にインペラを回転自在に設けた水車とを連結し、インペラの回転に連動させて回転子を回転させるように構成した水力発電機が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

このような構成の水力発電機にあっては、水路等に水没した状態で設置し、水路等を流れる水を導入管に導き、その水圧を導入管の内部のインペラに作用させて回転駆動させることにより、インペラに連動して発電機の回転子が回転駆動し、回転子の回転に応じた電気エネルギーを生じさせることができるものである。
イームル工業株式会社ホームページ、製品紹介、水中タービン発電機、[ｏｎｌｉｎｅ]、平成１７年１２月２６日検索、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｅａｍｌ．ｃｏ．ｊｐ／ｓｙｏｋａｉ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ

ところで、上記のような構成の水力発電機にあっては、水路等を流れる水の水量又は落差が低下した場合に、水車のインペラに作用する水の水圧が低下するため、発電機の回転子を所定の回転数で回転させることが困難になり、所定の電気エネルギーを生じさせることができなくなる。

上記のような問題に対処するために、水車のインペラのブレード角度を油圧機構によって調整可能に構成した水力発電機が提案されている。このような構成の水力発電機にあっては、水路等を流れる水の水量又は落差が変化した場合に、それに応じて水車のインペラのブレードの角度を調整することにより、インペラに所定の水圧を作用させ続けることができるので、水量又は落差が変化した場合であっても、所定の電気エネルギーを生じさせることができるものである。

しかし、インペラのブレードの角度の調整に油圧機構を用いているために、油圧系統の各部の損傷、シール部のシール性の低下等によって油漏れが生じることがあり、水路等を流れる水に油が混入して、周辺の環境を汚染することがある。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、水路等を流れる水の水量や落差の変化に影響されることなく、常に所定の電気エネルギーを生じさせることができるとともに、水路等を流れる水内に油等が混入して、周辺の環境を汚染するようなことがない水力発電機を提供することを目的とする。

上記のような課題を解決するために、本発明は、以下のような手段を採用している。
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、水力によって水車のインペラを回転駆動させることにより、インペラに連結される発電機を駆動させて、電気エネルギーを生じさせる水力発電機であって、前記インペラは、前記発電機の回転子に連結されて、該回転子と一体に回転駆動するボスと、該ボスに回動可能に設けられる複数のブレードと、該ボスに設けられるとともに、前記複数のブレードの回動角度を調整する角度調整機構と、該角度調整機構を駆動させる駆動源とからなることを特徴とする。

本発明による水力発電機によれば、駆動源を駆動させて角度調整機構を駆動させることにより、インペラの複数のブレードを回動させて角度を調整することができるので、インペラに作用する水圧が変化した場合に、それに応じてブレードの角度を調整することにより、水圧の変化に影響されることなく、インペラを所定の回転数で回転させることができ、所定の電気エネルギーを生じさせることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の水力発電機であって、前記駆動源は、電動機であることを特徴とする。

本発明による水力発電機によれば、電動機によって角度調整機構を駆動させることになるので、油圧機構を使用した場合のように、油漏れによって周辺の環境を汚損するようなことはない。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の水力発電機であって、前記角度調整機構は、前記ボスに回転運動可能に設けられるスピンドルと、前記ボスに直線運動可能に設けられるロッドと、前記スピンドルと前記ロッドとの間に設けられて、前記スピンドルの回転運動を直線運動に変換して前記ロッドに伝達させる第１伝達機構と、前記ロッドと前記ブレードとの間に設けられて、前記ロッドの直線運動を回動運動に変換して前記ブレードに伝達させる第２伝達機構とからなることを特徴とする。

本発明による水力発電機によれば、電動機によってスピンドルを回転駆動させることにより、スピンドルの回転運動が第１伝達機構によって直線運動に変換させてロッドに伝達されてロッドが直線運動し、ロッドの直線運動が第２伝達機構によって回動運動に変換されてブレードに伝達され、ブレードが回動して角度が調整されることになる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の水力発電機であって、前記第１伝達機構は、前記スピンドルに設けられる第１歯車と、前記ロッドに設けられるとともに、前記第１歯車と噛み合い係合する第２歯車と、前記ロッドと前記第２歯車との間に設けられて、前記第２歯車の回転運動を直線運動に変換して前記ロッドに伝達させるねじ手段とを備えていることを特徴とする。

本発明による水力発電機によれば、第１伝達機構の第１歯車がスピンドルと一体に回転することにより、第１歯車に噛み合い係合している第２歯車が回転し、第２歯車の回転がねじ手段によって直線運動に変換されてロッドに伝達され、ロッドが直線運動することになる。

請求項５に係る発明は、請求項４に記載の水力発電機であって、前記ねじ手段は、前記第２歯車に設けられる雌ねじと、前記ロッドに設けられるとともに、前記雌ねじと相互に螺合する雄ねじとからなることを特徴とする。

本発明による水力発電機によれば、第２歯車が回転することにより、第２歯車と一体にねじ手段の雌ねじが雄ねじに対して相対的に回転し、その回転に追従してロッドが直線運動することになる。

請求項６に係る発明は、請求項３から５の何れかに記載の水力発電機であって、前記第２伝達機構は、前記ブレードに連結されてブレードと一体に回動するアームと、前記アームの前記ブレードの回動中心から偏心した位置に設けられる支持ピンと、該支持ピンに対応する前記ロッド側の部分に設けられて、該支持ピンを回動自在に係合させる係合部とからなることを特徴とする。

本発明による水力発電機によれば、ロッドの直線運動は、第２伝達機構の係合部がロッドと一体に直線運動し、係合部に係合している支持ピンを中心としてアームが揺動することにより、アームの揺動に追従してブレードが回動することになる。

以上、説明したように、本発明による水力発電機によれば、駆動源の駆動によって角度調整機構を駆動させることによりブレードを回動させることができるので、水量又は落差の変化によってブレードに作用する水圧が変化した場合に、それに応じてブレードを回動させてブレードの角度を調整することにより、ブレードに所定の水圧を作用させ続けることができるので、インペラを所定の回転数で回転させ続けることができ、所定の電気エネルギーを生じさせ続けることができる。
また、駆動源として電動機を使用しているので、油圧機構を使用した場合のように、油漏れによって周辺の環境を汚染するようなことはなく、環境の保全を図ることができる。

以下、図面に示す本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図３には、本発明による水力発電機の一実施の形態が示されていて、図１は水力発電機の全体を示す概略図、図２は図１の水車の拡大断面図、図３は図２のＡ方向からみた説明図である。

すなわち、本実施の形態の水力発電機１は、図１に示すように、水路等の水の流れの中に水没した状態で設置されるものであって、水路等を流れる水の水圧により回転駆動する水車２と、水車２に連動して回転駆動して電気エネルギーを生じさせる発電機６０とを備えている。

発電機６０は、図１に示すように、ケーシング６１と、ケーシング６１内に固定される固定子６２と、ケーシング６１の固定子６２の内側の部分に回転自在に設けられる回転子６３とからなり、回転子６３の出力軸に後述する水車２のインペラ５が直接に又は増速機を介して連結されている（本実施の形態においては直接に連結されている）。

水車２は、図１〜図３に示すように、発電機６０のケーシング６１に連結される略筒状の導入管３と、導入管３の内側に回転自在に設けられるとともに、発電機６０の回転子６３の出力軸に連結されるインペラ５とから構成されている。

導入管３の上端開口部には、周方向に所定の間隔ごとに複数の板状のガイドベーン４が設けられ、隣接するガイドベーン４、４間の開口部を介して導入管３の内側の部分に水路等を流れる水が導かれるようになっている。

インペラ５は、発電機６０の回転子６３に連結されるボス６と、ボス６の周面に放射状をなすように設けられる角度調整が可能な複数のブレード２５と、ブレード２５の角度を調整する角度調整機構３１と、角度調整機構３１を駆動させる駆動源（図示せず）とからなり、ガイドベーン３、３間の開口部を介して導入管３の内部に導いた水を複数のブレード２５に作用させることにより、インペラ５が回転駆動するように構成されている。

ボス６は、内部に空所を有する略円錐形状をなすものであって、底部が上方を向き頂部が下方を向くように、発電機６０の回転子６３に連結されている。ボス６は、上ボス部７と中ボス部１５と下ボス部２０の３つに分割され、上ボス部７が発電機６０の回転子６３に連結され、中ボス部１５が上ボス部７の下部にボルト６５を介して連結され、下ボス部２０が中ボス部１５の下部に相対的に回転自在に連結されている。

上ボス部７の側壁８には、上ボス部７の内外を貫通する支持孔９が周方向に向かって所定の間隔ごとに複数箇所（本実施の形態においては４箇所）に設けられ、各支持孔９内にブレード２５がそれぞれ回動自在に取り付けられている。各支持孔９は、大径部１０と、大径部１０よりも小径の小径部１１の２段にそれぞれ形成され、小径部１１の内周面に環状の軸受１２が嵌合されている。

ブレード２５は、略長方形板状をなすものを所定の角度で湾曲させて構成したブレード本体２６と、ブレード本体２６の長手方向の一端部に一体に設けられる取付け部２７とから構成され、取付け部２７を介して上ボス部７の支持孔９に回動自在に取り付けられている。

ブレード２５の取付け部３７は、円柱状をなすものであって、ブレード本体３６側に位置する大径部３８と、大径部２８に連続して設けられる大径部２８よりも小径の中径部２９と、中径部２９に連続して設けられる中径部２９よりも小径の小径部３０の３段に形成されている。

取付け部２７は、中径部２９が支持孔９の軸受１２の内周側に回動自在に挿入され、大径部２８が支持孔９の大径部１０の内周側に挿入され、小径部３０が支持孔９を貫通して上ボス部７の内部に突出し、その突出している部分に後述する第２伝達機構５６のアーム５７が取り付けられている。

角度調整機構３１は、ボス６の内部中央部に上下方向に直線運動可能に設けられるロッド３２と、ロッド３２の上部に連結されてロッド３２と一体に上下方向に直線運動可能なスライド部材４１と、ボス６の下端部に回転運動可能に設けられるスピンドル４７と、スピンドル３７とロッド３２との間に設けられて、スピンドル４７の回転運動を直線運動に変換してロッド３２に伝達させる第１伝達機構５０と、スライド部材４１とブレード２５との間に設けられて、スライド部材４１の直線運動を回動運動に変換してブレード２５に伝達させる第２伝達機構５６とを備えている。

スライド部材４１は、下端が閉塞された円筒状をなすものであって、内部が仕切板４２によって上下方向に２つの空間４３、４４に区画されている。スライド部材４１の閉塞されている下端中央部には、下側の空間４４内外を上下方向に貫通する挿通孔４５が設けられ、この挿通孔４５内をロッド３２が挿通している。スライド部材４１の下端部外周側には、径方向外方に環状に張り出るフランジ部４６が一体に設けられている。

スライド部材４１は、上ボス部７の内部中央部の上端部に一体に垂下されている円柱状の支持部１３を上側の空間４３内に挿入させ、下端部のフランジ部４６の外周側を中ボス部１５の内周側に設けられている内方に環状に突出する支持部１６に接触させることにより、上下方向にスライド自在に支持されている。この場合、中ボス部１５の支持部１６には環状の軸受１７が嵌合され、この軸受１７の内周側によってスライド部材４１の下端部がスライド自在に支持されている。

ロッド３２は、スライド部材４１の下側の空間４４内に挿入される頭部３３と、頭部３３の下端に一体に設けられる脚部３７とから構成され、頭部３３がスライド部材４１の下側の空間４４内に挿入され、脚部３７が中ボス部１５及び下ボス部２０の中央部によって上下方向に直線運動可能に支持されている。

頭部３３は、周面がスライド部材４１の下側の空間４４の内周面に接触する円柱状の大径部３４と、大径部３４の上端に一体に設けられる大径部３４よりも小径の小径部３５とから構成され、小径部３５の上端面が仕切板４２の下端に接触している。小径部３５の周面と下側の空間４４の内周面との間には軸受３６が介装され、この軸受３６によって頭部３３が下側の空間４４内にスライド部材４１に対して相対的に回転自在に挿入されている。

脚部３７は、頭部３３の大径部３４の下端に一体に設けられる大径部３８と、大径部３８の下端に一体に設けられる大径部３８よりも小径の中径部３９と、中径部３９の下端に一体に設けられる中径部３９よりも小径の小径部４０とから構成されている。

脚部３７の大径部３８は、スライド部材４１の下端部の挿通孔４５を上下方向にスライド自在に挿通し、大径部３８及び中径部３９は、中ボス部１５と下ボス部２０の中央部間に垂直に設けられている筒状の支持部２１の内側を上下方向にスライド自在に挿通し、小径部４０は、下ボス部２０の下端部に設けられている挿通孔２２を上下方向にスライド自在に挿通している。

支持部２１は、下ボス部２０の中央部に垂直に立設される筒状をなすものであって、中ボス部１５の下端部中央部に設けられている中ボス部１５を上下方向に貫通する貫通孔１８内に相対的に回転自在に挿入されている。中ボス部１５の貫通孔１８の内周側には、支持部２１を回転自在に支持するための環状の軸受２２が設けられている。

下ボス部２０と中ボス部１５とを支持部２１及び軸受２２を介して相対的に回動自在に連結することにより、下ボス部２０を固定した状態で上ボス部７及び中ボス部１５を回転駆動させることができ、上ボス部７に取り付けられている複数のブレード２５を回転駆動させることができる。

スピンドル４７は、導入管３と下ボス部２０との間に水平に架設されている管状の保護管４８の内側に回転自在に挿着され、導入管３の外面側に設けられている駆動源である電動機（図示せず）の出力軸に後端部が連結され、電動機の駆動により回転駆動するように構成されている。

第１伝達機構５０は、スピンドル４７の先端部に一体に取り付けられる第１歯車５１と、ロッド３２の脚部３７の中径部３９に取り付けられるとともに、第１歯車５１と相互に噛み合い係合する第２歯車５２と、第２歯車５２とロッド３２との間に設けられて、第２歯車５２の回転運動を直線運動に変換してロッド３２に伝達させるねじ手段５３とから構成されている。

ねじ手段５３は、第２歯車５２の中心部に貫通した状態で設けられる雌ねじ５４と、ロッド３２の脚部３７の中径部３９の周面に設けられるとともに、雌ねじ５４と相互に螺合する雄ねじ５５とから構成されている。第２歯車５２は、上端が下ボス部２０の支持部２１の下端に当接することにより、下ボス部２０の中央部に回転自在に保持され、これにより、第２歯車５２の回転が雌ねじ５４と雄ねじ５５との協働により上下方向への直線運動に変換され、ロッド３２が上下方向に直線運動することになる。
なお、ねじ手段５３としては、雌ねじ５４と雄ねじ５５との組合せに限らず、ボールねじ等を用いてもよい。

かかる構成によれば、電動機を駆動させてスピンドル４７を回転させることにより、スピンドル４７と一体に第１伝達機構５０の第１歯車５１が回転し、第１歯車５１に連動して第２歯車５２が回転し、第２歯車５２の回転に追従して雌ねじ５４と雄ねじ５５との協働により、ロッド３２が回転しながら上下方向へ直線運動し、これに応じてスライド部材４１が上下方向に直線運動することになる。

第２伝達機構５６は、ブレード２５の取付け部２７の小径部３０にブレード２５と直交するように取り付けられる板状のアーム５７と、ブレード２５の取付け部２７の小径部３０の中心から偏心したアーム５７の部分に取り付けられる支持ピン５８と、支持ピン５８に対応するスライド部材４１の周面の部分に設けられるとともに、支持ピン５８を回動自在に係合させる係合部５９とから構成されている。

かかる構成によれば、スピンドル４７が回転し、スライド部材４１が上下方向に直線運動すると、スライド部材４１の係合部５９に係合している支持ピン５８を中心としてアーム５７が上下方向に揺動し、このアーム５７の揺動に追従してブレード２５が支持孔９内で回動し、ブレード本体２６の角度が調整される。

そして、上記のように構成した本実施の形態による水力発電機１を水路等に水没した状態で設置し、水路等を流れる水を導入管３内に導くと、その水圧がインペラ５のブレード２５に作用してインペラ５が回転駆動し、インペラ５の回転駆動に連動して発電機６０の回転子６３が回転駆動し、回転子６３と固定子６２との協働により電気エネルギーが生じる。

この場合、水路等を流れる水の水量又は落差が低下する方向に変化して、水車２のインペラ５に作用する水圧が低下し、インペラ５を所定の回転数で回転させることが困難になり、所定の電気エネルギーを生じさせることができなくなることがある。

このような場合には、電動機を駆動させて角度調整機構３１を駆動させて、インペラ５の各ブレード２５の角度を調整することにより、インペラ２５に作用する水圧を調整することができるので、インペラ２５を所定の回転数で回転させることができ、所定の電気エネルギーを生じさせることができる。

なお、電動機は、手動で駆動させて、角度調製機構３１を駆動させるように構成してもよいし、水路等を流れる水の水量又は落差をセンサにより検知し、そのセンサが検知した信号によって電動機を駆動させて、角度調整機構３１を駆動させるように構成してもよい。

上記のように構成した本実施の形態による水力発電機１にあっては、水車２のインペラ５のブレード２５の角度を調整する角度調整機構３１の駆動源に電動機を使用しているので、油圧機構によってブレードの角度を調整するように構成したもののように、油圧系統の各部の損傷、シール部のシール性の低下等によって油が漏れ出るようなことはなく、漏れ出た油によって周辺の環境を汚染するようなことなく、環境を汚染することなく所定の電気エネルギーを取り出すことができる。

本発明による水力発電機の全体を示した概略図である。 図１の水力発電機の水車の拡大断面図である。 図２のＡ方向から見た概略図であって、スライド部材とブレードとの関係を示した説明図である。

符号の説明

１ 水力発電機、２ 水車、３ 導入管、４ ガイドベーン、５ インペラ、
６ ボス、７ 上ボス部、８ 側壁、９ 支持孔、１０ 大径部、
１１ 小径部、１２ 軸受、１３ 支持部、１５ 中ボス部、１６ 支持部、
１７ 軸受、１８ 貫通孔、１９ 軸受、２０ 下ボス部、２１ 支持部、
２２ 挿通孔、２３ 軸受、２５ ブレード、２６ ブレード本体、
２７ 取付け部、２８ 大径部、２９ 中径部、３０ 小径部、
３１ 角度調整機構、３２ ロッド、３３ 頭部、３４ 大径部、３５ 小径部、
３６ 軸受、３７ 脚部、３８ 大径部、３９ 中径部、４０ 小径部、
４１ スライド部材、４２ 仕切り板、４３ 上側の空間、４４ 下側の空間、
４５ 挿通孔、４６ フランジ部、４７ スピンドル、４８ 保護管、
５０ 第１伝達機構、５１ 第１歯車、５２ 第２歯車、５３ ねじ手段、
５４ 雌ねじ、５５ 雄ねじ、５６ 第２伝達機構、５７ アーム、
５８ 支持ピン、５９ 係合部、６０ 発電機、６１ ケーシング、
６２ 固定子、６３ 回転子、６５ ボルト

Claims (6)

1. 水力によって水車のインペラを回転駆動させることにより、インペラに連結される発電機を駆動させて、電気エネルギーを生じさせる水力発電機であって、
   前記インペラは、前記発電機の回転子に連結されて、該回転子と一体に回転駆動するボスと、該ボスに回動可能に設けられる複数のブレードと、該ボスに設けられるとともに、前記複数のブレードの回動角度を調整する角度調整機構と、該角度調整機構を駆動させる駆動源とからなることを特徴とする水力発電機。
2. 前記駆動源は、電動機であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電機。
3. 前記角度調整機構は、前記ボスに回転運動可能に設けられるスピンドルと、前記ボスに直線運動可能に設けられるロッドと、前記スピンドルと前記ロッドとの間に設けられて、前記スピンドルの回転運動を直線運動に変換して前記ロッドに伝達させる第１伝達機構と、前記ロッドと前記ブレードとの間に設けられて、前記ロッドの直線運動を回動運動に変換して前記ブレードに伝達させる第２伝達機構とからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電機。
4. 前記第１伝達機構は、前記スピンドルに設けられる第１歯車と、前記ロッドに設けられるとともに、前記第１歯車と噛み合い係合する第２歯車と、前記ロッドと前記第２歯車との間に設けられて、前記第２歯車の回転運動を直線運動に変換して前記ロッドに伝達させるねじ手段とを備えていることを特徴とする請求項３に記載の水力発電機。
5. 前記ねじ手段は、前記第２歯車に設けられる雌ねじと、前記ロッドに設けられるとともに、前記雌ねじと相互に螺合する雄ねじとからなることを特徴とする請求項４に記載の水力発電機。
6. 前記第２伝達機構は、前記ブレードに連結されてブレードと一体に回動するアームと、前記アームの前記ブレードの回動中心から偏心した位置に設けられる支持ピンと、該支持ピンに対応する前記ロッド側の部分に設けられて、該支持ピンを回動自在に係合させる係合部とからなることを特徴とする請求項３から５の何れかに記載の水力発電機。
   
   

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