JP2008014202A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高落差の水流に対応可能で、エネルギー回収効率の高い水力発電装置を提供する。
【解決手段】水管ＷＴ１，ＷＴ２に連結されて電機子コイル１４を有する円環状の固定子４，３９と、外周に永久磁石２１を有すると共に内周より径方向内側に突出するプロペラブレード２８を有し、固定子４，３９の内周側に配置される円環状の複数の回転子１９と、プロペラブレード２８の内側先端を結ぶ径よりも外径が小さく、プロペラブレード２８の内側先端に沿うように各回転子１９の中心軸線上に固設される固定ボス３０，４７とを備え、各回転子１９が水流方向に直列配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、水管から流入する水流でプロペラブレードを回転させて発電する水力発電装置に関するものである。

近年、石油資源の枯渇等のエネルギー問題やオゾン層破壊等の環境問題が地球規模での懸案事項となっており、石油等の化石エネルギー源に代替し得るクリーンな自然エネルギーを利用する種々の研究がなされている。現在、国内には高低差のある上下水道、河川、農業用水、工場排水などの未使用小水力資源が約２４万ｋＷ存在すると言われており、それらを利用してダムを造らずに発電を行う水路式の小水力発電が注目されている。

この小水力発電には、低落差小流量であっても効率よく発電できる構造が求められ、例えば、小水力用フランシス水車、ポンプ逆転水車、横軸プロペラ水車などが使用される。これらのうち横軸プロペラ水車は、１ｍから２０ｍ程の低落差、０．０６ｍ^３／ｓから３ｍ^３／ｓ程度の流量に適用して、２ｋＷから３００ｋＷ程度の電力を得ることができ、特に低落差の小水力発電に適合するとされている。

従来の横軸プロペラ水車は、水路の中心に設けた回転軸の周囲に複数のプロペラブレードを設け、水流による回転軸の回転運動を外部の発電機に伝達して発電する構成としている。しかし、水中にある横軸プロペラ水車の回転軸と外部にある発電機の回転軸とを接続する必要があるため、水管を外部に貫通する回転軸のシール構造を要して装置が複雑化することとなる。

そこで、特許文献１乃至３には、水管を貫通する回転軸が存在せず複雑なシール構造等を必要としない水力発電機が開示されている。これらの水力発電機では、外周に永久磁石を有する回転子の内周に設けた羽根車が流体通路に配置され、回転子の外周側に電機子コイルを有する固定子が配置されている。即ち、該水力発電機は、羽根車が水流を受けることで永久磁石を有する回転子が回転し、電磁誘導により固定子の電機子コイルに電力が発生する仕組みとなっている。
特開平５−１１１２１６号公報 特開２０００−２１３４４６号公報 特開２００３−１２９９３１号公報

しかしながら、特許文献１乃至３に記載の従来のプロペラ型の水力発電機では、キャビテーション等の問題により１台では２０ｍ以上の高落差の水流に適用することができないという問題があった。また、回転子の羽根車が管断面積の全面に配置されているため、水流は大きい流路面積で羽根車に流れ込み、羽根車に作用する際の水の流速が高速化されず、エネルギー回収効率を十分に上げることができなかった。

そこで、本発明は、高落差の水流に対応可能で、エネルギー回収効率の高い水力発電装置を提供することを目的としている。

本発明は上述のような事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る水力発電装置は、水管に連結されて電機子コイルを有する円環状の固定子と、前記固定子の内周側に配置されて外周に永久磁石を有する円環状の複数の回転子と、前記固定子に接続された状態で前記回転子の中心軸線上に固設される固定ボスとを備え、前記各回転子はそれぞれ径方向内側に突出するプロペラブレードを有し、前記固定ボスは前記プロペラブレードの内側先端を結ぶ径よりも小径であり、前記各回転子が水流方向に直列配置された状態で前記各プロペラブレードが前記固定ボスの外周面に沿って回転する構成であることを特徴とする。

このようにすると、複数の回転子が水流方向に直列配置されていることで、水流が連続して複数のプロペラブレードを通過し、多くの水流エネルギーが連続して電気エネルギーに変換される。よって、キャビテーション等が発生しにくくなり、高落差の水流に適用することが可能となる。また、固定ボスが回転子の中心軸線上に固設されて、プロペラブレードが固定ボスと分離された状態で回転するので、回転子の重量が小さくなりエネルギー回収効率が向上する。さらに、固定ボスが水流を径方向の外側に案内することで、プロペラブレードに作用する水流は流路面積が小さく流速が増加することとなり、さらにエネルギー回収効率が向上する。

前記複数の回転子は、互いに独立して回転する構成であってもよい。

このようにすると、個々の回転子は独立して回転するので、夫々の回転子が互いに干渉せずに最適効率で回転でき、エネルギー回収効率が向上する。

前記固定子及び前記固定ボスは、前記複数の回転子にそれぞれ対応するように複数設けられており、前記固定子、前記回転子及び前記固定ボスを備える複数の発電ユニットが水流方向に直列で分解可能に連結されていてもよい。

このようにすると、水力発電装置は、固定子と回転子と固定ボスとを備える発電ユニットで個々にユニット化され、発電ユニット単位で分解可能となっているので、メンテナンス性が向上する。

前記複数の固定ボスは、互いの外径が同一であり水流方向に連続配置されていてもよい。

このようにすると、水流方向に直列配置された夫々の固定ボスが同径で且つ連続しているので、各固定ボスの間では流路面積が水流方向に増減することがなく、エネルギー損失を低減することができる。また、複数の固定ボスは連続して設けられているので、水流方向の装置長さが低減されてコンパクト化することができる。

前記複数の固定子は、互いの連結面に径方向の位置決めを行う嵌合構造を有していてもよい。

このようにすると、隣接する複数の発電ユニットを連結する際に、隣接する固定子の連結面が嵌合されることで、隣接する同径の固定ボス同士が径方向に自動的に位置決めさせることが可能となる。したがって、水力発電装置の現場での組付け性が非常に良好となる。

前記回転子の側面及び円周面に対面配置されてスラスト方向及びラジアル方向の荷重を支える水潤滑軸受をさらに備え、少なくとも１つの前記発電ユニットの前記水潤滑軸受が、隣接する別の前記発電ユニットの前記固定子の連結面により直接支持されていてもよい。

このようにすると、潤滑油を使わない水潤滑軸受を用いているので、水流を汚染する心配がないと共に、潤滑油のシール構造が要らず複雑なメンテナンスも不要とすることができる。しかも、隣接する別の発電ユニットの固定子の連結面が水潤滑軸受の支持壁面を兼用しているので、水潤滑軸受の支持用の壁材が削減されて、部品点数及び組立性工数の削減を図ることができる。

少なくとも１つの前記発電ユニットは、潤滑用に水を供給する給水配管と連通する給水空間を有すると共に、前記給水空間を隣接する別の前記発電ユニットの前記水潤滑軸受に連通孔を介して連通させていてもよい。

このようにすると、前記少なくとも１つの発電ユニットの潤滑用の給水経路として、隣接する別の発電ユニットの給水空間を利用しているので、スペース効率を向上させることができる。

前記固定子には前記各回転子よりも上流位置に取水口が設けられ、該取水口から導出される水が給水配管を介して前記水潤滑軸受に導かれていてもよい。

このようにすると、回転子より上流の取水口の水圧は、プロペラブレードを通過して圧力低下した下流よりも十分高いので、ポンプを用いなくても水潤滑軸受に水を供給することが可能となる。

前記給水配管は、前記回転子の下流側の側面に対面配置された前記水潤滑軸受に導かれていてもよい。

このようにすると、回転子には水流による流れ方向のスラスト力が発生し、回転子の下流側の側面に対面配置された水潤滑軸受に負荷が生じるが、その水潤滑軸受に給水配管を導くことで静圧作用によりスラスト力に対抗するカウンタ力が付与されて、潤滑作用が十分に確保されると共に軸受の長寿命化を図ることができる。

前記プロペラブレードの傾きと反対方向に傾いた状態で前記プロペラブレードに水流を導くガイドベーンをさらに備え、該ガイドベーンは前記固定子の内壁と前記固定ボスの外壁との間に固設されていてもよい。

このようにすると、ガイドベーンを通過した水流がプロペラブレードの面に向かって流れ込むよう案内されるので、プロペラブレードを効率良く回転させることが可能となる。また、ガイドベーンが固定ボスを固定子に接続するための部材を兼ねているので、部品点数の削減を図ることができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の水力発電装置によれば、高落差の水流に適用することが可能となると共に、エネルギー回収効率が向上し、エネルギー損失も低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る水力発電装置１の断面図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１に示すように、水力発電装置１は、水流方向に直列的に連結された２つの発電ユニット２，３を備え、同径である上流水管ＷＴ１と下流水管ＷＴ２の間に介設されるものである。

まず、第１発電ユニット２について説明する。

図１及び２に示すように、第１発電ユニット２は、上流水管ＷＴ１に連結される円環状の固定子４と、この固定子４の内周側に配置されて内周より径方向内側に突出するプロペラブレード２８を有する円環状の回転子１９と、回転子１９の中心軸線上に固設される固定ボス３０と、固定子４と固定ボス３０との間に固設されてプロペラブレード２８に水流を導くガイドベーン３１とを備えている。

固定子４は、上流水管ＷＴ１に連結する第１ケーシング５を備えている。第１ケーシング５は、上流水管ＷＴ１と同径の円管部５ａと、円管部５ａの上流端より径方向外側に突出したフランジ部５ｂと、円管部５ａの下流端より径方向外側に突出したフランジ部５ｃと、円管部５ａの一部に開口する取水口５ｄとを有している。

取水口５ｄには金網からなるフィルタ３３が設けられている。また、給水配管３４の先端のジョイント部３５がプレート３６に螺着されており、そのプレート３６が取水口５ｄを水密的に閉鎖してボルト３７で第１ケーシング５に締結されている。これにより、第１ケーシング５内に流入した水の一部が取水口５ｄのフィルタ３３を通過して給水配管３４に導かれる。

第１ケーシング５の下流側のフランジ部５ｃの外周部には、第２ケーシング６が固定されている。第２ケーシング６は、第１ケーシング５のフランジ部５ｃにＯリング８を介してボルト７で締結されるフランジ部６ａと、このフランジ部６ａの内周端より下流方向に突出する円筒部６ｂとを有している。

第２ケーシング６のフランジ部６ａの外周部には、第３ケーシング９が固定されている。第３ケーシング９は、第２ケーシング６のフランジ部６ａにボルト１０で締結されるフランジ部９ａと、このフランジ部９ａの内周端より下流方向に突出する円筒部９ｂと、この円筒部９ｂの下流端より径方向外側に突出するフランジ部９ｃとを有している。

第３ケーシング９のフランジ部９ｃには、第４ケーシング１１が固定されている。第４ケーシング１１は、第３ケーシング９のフランジ部９ｃにボルト１２で締結されるフランジ部１１ａと、このフランジ部１１ａの内周端より上流方向に突出する円筒部１１ｂとを有している。

第２〜第４ケーシング６，９，１１により形成される環状空間には、円環状のコア１３に巻き付けられた状態で電機子コイル１４が配置されている。コア１３の内周側には鍔付きの円環形状である薄肉のキャン１５が取り付けられている。このキャン１５は、絶縁性及び耐水性を有する渦電流損の小さい材料からなり、第２ケーシング６の円筒部６ｂと第４ケーシング１１の円筒部１１ｂの対向端によりＯリング１６，１７を介して挟持されている。

回転子１９は、外周面に凹部１９ｂを有する円環部１９ａと、円環部１９ａの内周端より回転軸線方向（水流方向）の両側に突出する鍔部１９ｃ，１９ｄと、円環部１９ａの内周面に形成されたネジ穴１９ｅとを有している。円環部１９ａ及び鍔部１９ｃ，１９ｄの内径は、上流水管ＷＴ１の内径と略同一となっている。円環部１９ａの凹部１９ｂには磁束の通路となるヨーク２０が埋設されている。このヨーク２０には、複数の永久磁石２１がコア１３に対向するように周方向に等間隔をあけた状態で極性が互い違いとなるように埋設されている（図２）。

回転子１９と固定子４との間には一対の水潤滑軸受２２，２３が介設され、回転子１９が回転自在に支持されている。水潤滑軸受２２，２３は、回転子１９の円環部１９ａの両側面及び鍔部１９ｃ，１９ｄの円周面に対面配置されており、回転子１９に働くスラスト方向及びラジアル方向の荷重を支えている。水潤滑軸受２２，２３の回転子１９との摺動面には、セラミックが溶射されている。ただし、水潤滑軸受２２，２３自体をセラミックソリッドで形成してもよい。

下流側の水潤滑軸受２３には、その下流側面から回転子１９の円環部１９ａの側面に向けて連通する貫通孔２３ａが設けられており、後述する給水配管３４から導かれた水が貫通孔２３ａを通して、水潤滑軸受２２，２３の摺動面に供給される。また、貫通孔２３ａの流路軸線方向は、プロペラブレード２８が配置されたメイン流路Ｒの水流方向と同方向となっており、貫通孔２３ａは、回転子１９の円環部１９ａの側面に向けて段階的に縮径している。また、下流側の水潤滑軸受２３は、フランジ部１１ａの第２発電ユニット３との連結面１１ｃより上流側に窪んだ位置に配置され、連結面１１ｃの内周側に円環状の嵌合凹部４８が形成されている。

水潤滑軸受２２の外周面には第２ケーシング６との間にＯリング２４が介設され、水潤滑軸受２２の上流側面には第１ケーシング５との間にＯリング２５が介設されている。かつ、水潤滑軸受２３の外周面には第４ケーシング１１との間にＯリング２６が介設され、水潤滑軸受２３の下流側面には第１ケーシング５との間にＯリング２７が介設されている。このようにＯリング２４〜２７を配置することで、シール機能を果たすだけでなく、ラジアル方向及びスラスト方向の負荷を弾性的に吸収して水流による衝撃力を緩和することが可能となる。

図３は回転子１９、プロペラブレード２８、固定ボス３０及びガイドベーン３１の分解斜視図である。図１及び３に示すように、回転子１９の内周面にはプロペラブレード２８が取り付けられている。プロペラブレード２８は、回転子１９に内嵌固定される円筒部２８ａと、円筒部２８ａの内周面から周方向に等間隔をあけて径方向内側に突出する複数のブレード部２８ｂとを有している。即ち、ブレード部２８ｂの内側先端は自由端となっている。

円筒部２８ａには、回転体１９のネジ穴１９ｅに対応するネジ穴２８ｃが形成されており、ネジ穴１９ｅ，２８ｃにネジ２９を締結することでプロペラブレード２８が回転子１９に固定される。また、ブレード部２８ｂの内側先端を結ぶ径は、後述する固定ボス３０の外径より若干大きくなっている。よって、プロペラブレード２８は、固定ボス３０の外周面に対して若干の空隙をあけた状態で沿うように回転する構成となっている。

固定ボス３０は、流線型の円筒体であって回転子１９の中心軸線上に固設されている。固定ボス３０は、プロペラブレード２８の内側先端を結ぶ径より外径が小さい円筒部３０ａと、円筒部３０ａの上流端を閉鎖する半球面状の先端壁部３０ｂと、円筒部３０ａの下流端を閉鎖する平面状の後端壁部３０ｃとを備えている。

円筒部３０ａの上流側の外周面には凹部３０ｄが形成されており、この凹部３０ｄにネジ穴３０ｅが設けられている。固定ボス３０の円筒部３０ａの外径は、第１ケーシング５の内径（メイン流路Ｒの内径）の３５％〜７５％の大きさとしている。

固定ボス３０はガイドベーン３１を介して第１ケーシング５に固定されている。ガイドベーン３１は、第１ケーシング５の円管部５ａに内嵌固定される外円筒部３１ａと、固定ボス３０の凹部３０ｄに外嵌される内円筒部３１ｃと、外円筒部３１ａと内円筒部３１ｃとを連結するように周方向に等間隔をあけて配置される複数のベーン部３１ｂとを有している。

ベーン部３１ｂは、プロペラブレード２８のブレード部２８ｂの傾きと反対方向に傾いている。外円筒部３１ａにはネジ穴３１ｄが形成されており、ネジ３２によりガイドベーン３１が第１ケーシング５に固定される。また、内円筒部３１ｃには固定ボス３０のネジ穴３０ｅに対応するネジ穴３１ｅが形成されており、ネジ（図示せず）によりガイドベーン３１が固定ボス３０に固定される。

次に、第２発電ユニット３について説明する。

図１に示すように、第２発電ユニット３は、第１発電ユニット２の固定子４に固定される固定子３９と、この固定子３９の内周側に配置されて内周より径方向内側に突出するプロペラブレード２８を有する円環状の回転子１９と、回転子１９の中心軸線上に固設される固定ボス４７と、固定子３９と固定ボス４７との間に固設されてプロペラブレード２８に水流を導くガイドベーン３１とを備えている。

なお、第２発電ユニット３のうち、第２〜第４ケーシング６，９，１１、コア１３、電機子コイル１４、回転子１９、ヨーク２０、永久磁石２１、プロペラブレード２８、水潤滑軸受２２，２３、ガイドベーン３１などについては上述した第１発電ユニット２と共通するため、以下の説明では同一符号を付して説明を簡略化している。

固定子３９は、第１発電ユニット２の第４ケーシング１１に固定される第１ケーシング４０を備えている。第１ケーシング４０は、第４ケーシング１１にボルト４１で締結されるフランジ部４０ａと、フランジ部４０ａの内周端より下流方向に突出する円筒部４０ｂと、円筒部４０ｂの下流端より径方向外側に突出するフランジ部４０ｃと、円筒部４０ｂよりも大径であって対向する各フランジ部４０ａ，４０ｃを連結する円筒形状のスラストカラー部４０ｄとを有している。フランジ部４０ａの連結面４０ｇには、第１発電ユニット２の嵌合凹部４８に内嵌される円環状の嵌合凸部４０ｈが形成されている。

第１発電ユニット２と第２発電ユニット３は、水管ＷＴ１，ＷＴ２の外径より大径でそれぞれ径方向外側に突出しているため、スラストカラー部４０ｄによってスラスト方向の強度が保持されている。スラストカラー部４０ｄの所要箇所には、上述した給水配管３４の分岐した他端のジョイント４２が接続される導水口４０ｅが形成されている。よって、フランジ部４０ａ，４０ｃ、円筒部４０ｂ及びスラストカラー部４０ｄにより囲繞される円環状の給水空間４３に給水配管３４より水が供給される構成となっている。また、フランジ部４０ａには給水空間４３を水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａに連通させる連通孔４０ｆが形成されている。

第１ケーシング４０の下流側のフランジ部４０ｃの外周部には、第２ケーシング６がＯリング８を介してボルト７で固定されている。第２ケーシング６のフランジ部６ａの外周部には、第３ケーシング９がボルト１０で固定されている。第３ケーシング９のフランジ部９ｃには、第４ケーシング１１がボルト１２で固定されている。

第４ケーシング１１のフランジ部１１ａには、第５ケーシング４４が固定されている。第５ケーシング４４は、第４ケーシング１１のフランジ部１１ａにボルト４５で締結されるフランジ部４４ａと、このフランジ部４４ａの内周端より下流方向に突出する円筒部４４ｂと、この円筒部４４ｂの下流端より径方向外側に突出して下流水管ＷＴ２に連結されるフランジ部４４ｃとを有している。フランジ部４４ａには、上述した給水配管３４の分岐した他端のジョイント４６が接続されて水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａに連通する導水口４４ｄが形成されている。

第２〜第４ケーシング６，９，１１により形成される環状空間には、円環状のコア１３に巻き付けられた状態で電機子コイル１４が配置され、コア１４の内周側にはキャン１５が取り付けられている。

回転子１９の円環部１９ａの凹部１９ｂには磁束の通路となるヨーク２０が埋設されている。このヨーク２０には、複数の永久磁石２１がコア１３に対向するように周方向に等間隔をあけた状態で極性が互い違いとなるように埋設されている。回転子１９と固定子３９との間には一対の水潤滑軸受２２，２３が介設され、回転子１９が回転自在に支持されている。

回転子１９の内周面にはプロペラブレード２８がネジ２９で取り付けられている。プロペラブレード２８のブレード部２８ｂの内側先端を結ぶ径は、後述する固定ボス４７の外径より若干大きくなっている。よって、プロペラブレード２８は、固定ボス４７の外周面に対して若干の空隙をあけた状態で沿うように回転する構成となっている。以上より、第２発電ユニット３の回転子１９は、第１発電ユニット２とは独立して回転することとなる。

固定ボス４７は、中空円筒体であって回転子１９の中心軸線上に固設されている。固定ボス４７は、第１発電ユニット２の固定ボス３０と同径である円筒部４７ａと、円筒部４７ａの上流端を閉鎖する平面状の先端壁部４７ｂと、円筒部４７ａの下流端を閉鎖する略半球面状の後端壁部４７ｃとを備えている。円筒部４７ａの上流側の外周面には凹部４７ｄが形成されている。

後端壁部４７ｃは、第１発電ユニット２の固定ボス３０の先端壁部３０ａよりも傾斜角が小さく、下流側に向けて徐々に縮径している。先端壁部４７ｂは、第１発電ユニット２の固定ボス３０の後端壁部３０ｃに直接的に面接触し、２つの固定ボス３０，４７が水流方向に連続して配置されている。なお、固定ボス３０の後端壁部３０ｃと固定ボス４７の先端壁部４７ｂとの間に弾性材（例えば、ゴム板）を介在させてもよい。

固定ボス４７はガイドベーン３１を介して第１ケーシング４０に固定されている。ガイドベーン３１の外円筒部３１ａは、第１ケーシング４０の円筒部４０ｂにネジ３２で内嵌固定されている。ガイドベーン３１の内円筒部３１ｃは、固定ボス４７の凹部４７ｄにネジ（図示せず）で外嵌固定されている。

次に、水力発電装置１の動作について説明する。

図１に示すように、上流水管ＷＴ１から第１発電ユニット２の第１ケーシング５内に水が流入すると、水流は流線型の固定ボス３０に沿って径方向外側に案内され、流路面積が減少することで流速が増加する。その水流は、ガイドベーン３１のベーン部３１ｂによりプロペラブレード２８のブレード部２８ｂに適切な流入角度で入射するように案内され、プロペラブレード２８を効率良く回転させる。これにより、プロペラブレード２８と一体である回転子１９が水潤滑軸受２２，２３に支持されながら回転し、それに伴い回転する永久磁石２１により回転磁界が発生する。そうすると、固定子４のコア１３に磁束変化が与えられ、電磁誘導により第１発電ユニット２の電機子コイル１４に電力が発生する。

さらに、第１発電ユニット２のプロペラブレード２８を通過してエネルギーが減少した水流は、第２発電ユニット３の第１ケーシング４０内に流入する。その水流は、固定ボス３０に連続する固定ボス４７に沿ってガイドベーン３１を通過してプロペラブレード２８に入射し、プロペラブレード２８を効率良く回転させる。これにより、プロペラブレード２８と一体である回転子１９が水潤滑軸受２２，２３に支持されながら回転し、それに伴い回転する永久磁石２１により回転磁界が発生する。そうすると、固定子４のコア１３に磁束変化が与えられ、電磁誘導により第２発電ユニット３の電機子コイル１４に電力が発生する。

また、第１発電ユニット２の第１ケーシング５に設けられた取水口５ｄからはフィルタ３３を通過した水が導出され、その一部は分岐した給水配管３４を介して第２発電ユニット３の導水口４０ｅに導かれ、給水空間４３及び連通孔４０ｆを介して水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａへと供給される。また、取水口５ｄから導出された水の残りは、分岐した給水配管３４を介して第２発電ユニット３の導水口４４ｄに導かれて水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａへと供給される。なお、導水口４０ｅ，４４ｄは、水流がプロペラブレード２８に対する仕事をして取水口５の位置よりも圧力低下する下流に設けられているので、ポンプ等がなくとも給水配管３４を通じた水の流れが自動的に発生する。

水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａを通過した水は、メイン流路Ｒの水流の向きと逆向きに回転子１９の円環部１９ａの側面に向けて供給される。この水の静圧作用により、プロペラブレード２８に水流が衝突する際に回転子１９に負荷されるスラスト力に対抗するカウンタ力が付与され、水潤滑軸受２３の長寿命化が図られる。

また、水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａを通過した水は、水潤滑軸受２３の回転子１９に対する摺動面に供給されると共に、上流側の水潤滑軸受２２の回転子１９に対する摺動面にも供給され、動的流体膜作用により潤滑が図られる。そして、潤滑した水は、回転子１９と各ケーシング５，４０，４４との隙間からメインの水流に戻されることとなる。

図４は水力発電装置１の分解時の断面図である。図４に示すように、メンテナンス時などには、ボルト４１を外して第１発電ユニット２の第４ケーシング１１と第２発電ユニット３の第１ケーシング４０とを分離し、第１発電ユニット２と第２発電ユニット３とを分解することで、水力発電装置１のユニット毎のメンテナンスが可能となる。

以上の構成とすると、２つの回転子１９が水流方向に直列配置されていることで、多くの水流エネルギーが電気エネルギーに変換され、例えば各段当たりの落差を２０ｍ以下とすればキャビテーション等が発生せず、高落差の水流に適用することが可能となる。また、固定ボス３０，４７が回転子１９の中心軸線上に固設されて、プロペラブレード２８が固定ボス３０，４７と分離された状態で回転するので、回転子１９の重量が小さくなりエネルギー回収効率が向上する。さらに、固定ボス３０、４７が水流を径方向の外側に案内することで、プロペラブレード２８に作用する水流は流路面積が小さく流速が増大しているので、さらにエネルギー回収効率が向上する。また、固定ボス３０，４７は回転しないので、水流が乱れにくくなりエネルギー損失を低減することもできる。

さらに、第１発電ユニット２の回転子１９と、第２発電ユニット３の回転子１９とは独立して回転するので、夫々の回転子１９が互いに干渉せずに最適効率で回転し、エネルギー回収効率が向上する。また、水力発電装置１は、第１発電ユニット２と第２発電ユニット３とを分解可能としているので、メンテナンス性が向上する。さらに、水流方向に直列配置された夫々の固定ボス３０，４７は同径で連続しているので、２つの固定ボス３０，４７の間で流路面積が水流方向に増減することがなく、エネルギー損失を低減することができると共に装置をコンパクト化できる。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態に係る水力発電装置５０の断面図である。第１実施形態では連結される発電ユニット２，３が二段であるのに対して、本実施形態の水力発電装置５０では三段としている。図５に示すように、水力発電装置５０は、第１発電ユニット２と第２発電ユニット３との間に中間発電ユニットとなる第３発電ユニット５１が介設されている。なお、第１発電ユニット２及び第２発電ユニット３は第１実施形態と共通するため、以下の説明では同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第３発電ユニット５１は、第１発電ユニット２の固定子４と第２発電ユニット３の固定子３９とに連結される固定子５２と、この固定子５２の内周側に配置されて内周より径方向内側に突出するプロペラブレード２８を有する円環状の回転子１９と、回転子１９の中心軸線上に固設される固定ボス５３と、固定子５２と固定ボス５３との間に固設されてプロペラブレード２８に水流を導くガイドベーン３１とを備えている。

なお、第３発電ユニット５１のうち、第１〜第４ケーシング４０，６，９，１１、コア１３、電機子コイル１４、回転子１９、ヨーク２０、永久磁石２１、プロペラブレード２８、水潤滑軸受２２，２３、ガイドベーン３１などについては上述した第２発電ユニット３と共通するため、以下の説明では同一符号を付して説明を簡略化している。

固定子３９は、第１発電ユニット２の第４ケーシング１１にボルト４１で固定される第１ケーシング４０を備えている。第１ケーシング４０のフランジ部４０ａの連結面４０ｇには、第１発電ユニット２の嵌合凹部４８に内嵌される円環状の嵌合凸部４０ｈが形成されている。第１ケーシング４０のスラストカラー部４０ａには、給水配管３４の分岐した他端のジョイント４２が接続されて水潤滑軸受２３の貫通孔２３ａに連通する導水口４０ｅが形成されている。第１ケーシング４０の下流側のフランジ部４０ｃの外周部には、第２ケーシング６がボルト７で固定されている。第２ケーシング６のフランジ部６ａの外周部には、第３ケーシング９がボルト１０で固定されている。第３ケーシング９のフランジ部９ｃには、第４ケーシング１１がボルト１２で固定されている。第４ケーシング１１のフランジ部１１ａには、第２発電ユニット３の第１ケーシング４０がボルト４１で固定されている。また、下流側の水潤滑軸受２３は、フランジ部１１ａの第２発電ユニット３との連結面１１ｃより上流側に窪んだ位置に配置され、連結面１１ｃの内周側に円環状の嵌合凹部４８が形成されている。

第２〜第４ケーシング６，９，１１により形成される環状空間には、円環状のコア１３に巻き付けられた状態で電機子コイル１４が配置され、コア１４の内周側にはキャン１５が取り付けられている。

回転子１９の円環部１９ａの凹部１９ｂには磁束の通路となるヨーク２０が埋設されている。このヨーク２０には、複数の永久磁石２１がコア１３に対向するように周方向に等間隔をあけた状態で極性が互い違いとなるように埋設されている。回転子１９と固定子３９との間には、回転子１９に対して上下流に一対の水潤滑軸受２２，２３が介設され、回転子１９が回転自在に支持されている。

回転子１９の内周面にはプロペラブレード２８がネジ２９で取り付けられている。プロペラブレード２８のブレード部２８ｂの内側先端を結ぶ径は、後述する固定ボス５３の外径より若干大きくなっている。よって、プロペラブレード２８は、固定ボス５３の外周面に対して若干の空隙をあけた状態で沿うように回転する構成となっている。以上より、第３発電ユニット５１の回転子１９は、第１発電ユニット２及び第２発電ユニット３とは独立して回転することとなる。

固定ボス５３は、中空円筒体であって回転子１９の中心軸線上に固設されている。固定ボス５３は、第１発電ユニット２の固定ボス３０と同径である円筒部５３ａと、円筒部５３ａの上流端を閉鎖する平面状の先端壁部５３ｂと、円筒部５３ａの下流端を閉鎖する平面状の後端壁部５３ｃとを備えている。円筒部５３ａの上流側の外周面には凹部５３ｄが形成されている。先端壁部５３ｂは、第１発電ユニット２の固定ボス３０の後端壁部３０ｃに直接的に面接触すると共に、後端壁部５３ｃは、第２発電ユニット３の固定ボス４７の後端壁部４７ｂに直接的に面接触している。これにより、３つの固定ボス３０，４７，５３が水流方向に連続して配置されている。

固定ボス５３はガイドベーン３１を介して第１ケーシング４０に固定されている。ガイドベーン３１の外円筒部３１ａは、第１ケーシング４０の円筒部４０ｂにネジ３２で内嵌固定されている。ガイドベーン３１の内円筒部３１ｃは、固定ボス５３の凹部５３ｄにネジ（図示せず）で外嵌固定されている。

以上の構成とすると、３つの回転子１９が水流方向に直列配置されていることで、さらに多くの水流エネルギーが電気エネルギーに変換されてキャビテーション等が発生しにくくなり、さらに高落差の水流に適用することが可能となる。また、３つの回転子１９はそれぞれ独立して回転するので、各回転子１９が互いに干渉せずに最適効率で回転し、エネルギー回収効率が向上する。また、水力発電装置１は、第１発電ユニット２と第２発電ユニット３と第３発電ユニット５１とボルト４１を取り外すことで分解可能としているので、メンテナンス性が向上する。

なお、第２実施形態の水力発電装置５０では、第１発電ユニット２と第２発電ユニット３との間に第３発電ユニット５１を１つ介設して三段としているが、第３発電ユニット５１と同種のものを第１発電ユニット２と第２発電ユニット３との間に直列的に追加して発電ユニットを四段以上設けてもよい。

以上のように、本発明に係る水力発電装置は、高落差の水流に対応可能であり、エネルギー回収効率が高いという優れた効果を有し、高低差のある上下水道、河川、農業用水、工場排水などの水管に接続して用いる水力発電装置に適用すると有益である。

本発明の第１実施形態に係る水力発電装置の断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１に示す水力発電装置を構成する回転子、プロペラブレード、固定ボス及びガイドベーンの分解斜視図である。 図１に示す水力発電装置の分解時の断面図である。 第２実施形態に係る水力発電装置の断面図である。

符号の説明

１，５０ 水力発電装置
２ 第１発電ユニット
３ 第２発電ユニット
４，３９，５２ 固定子
５ｄ 取水口
１４ 電機子コイル
１９ 回転子
２１ 永久磁石
２２，２３ 水潤滑軸受
２８ プロペラブレード
３０，４７，５３ 固定ボス
３１ ガイドベーン
３４ 給水配管
５１ 第３発電ユニット

Claims (10)

1. 水管に連結されて電機子コイルを有する円環状の固定子と、前記固定子の内周側に配置されて外周に永久磁石を有する円環状の複数の回転子と、前記固定子に接続された状態で前記回転子の中心軸線上に固設される固定ボスとを備え、
   前記各回転子はそれぞれ径方向内側に突出するプロペラブレードを有し、前記固定ボスは前記プロペラブレードの内側先端を結ぶ径よりも小径であり、
   前記各回転子が水流方向に直列配置された状態で前記各プロペラブレードが前記固定ボスの外周面に沿って回転する構成であることを特徴とする水力発電装置。
2. 前記複数の回転子は、互いに独立して回転する構成である請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記固定子及び前記固定ボスは、前記複数の回転子にそれぞれ対応するように複数設けられており、
   前記固定子、前記回転子及び前記固定ボスを備える複数の発電ユニットが水流方向に直列で分解可能に連結されている請求項１又は２に記載の水力発電装置。
4. 前記複数の固定ボスは、互いの外径が同一であり水流方向に連続配置されている請求項３に記載の水力発電装置。
5. 前記複数の固定子は、互いの連結面に径方向の位置決めを行う嵌合構造を有している請求項４に記載の水力発電装置。
6. 前記回転子の側面及び円周面に対面配置されてスラスト方向及びラジアル方向の荷重を支える水潤滑軸受をさらに備え、
   少なくとも１つの前記発電ユニットの前記水潤滑軸受が、隣接する別の前記発電ユニットの前記固定子の連結面により直接支持されている請求項３乃至５のいずれかに記載の水力発電装置。
7. 少なくとも１つの前記発電ユニットは、潤滑用に水を供給する給水配管と連通する給水空間を有すると共に、前記給水空間を隣接する別の前記発電ユニットの前記水潤滑軸受に連通孔を介して連通させている請求項６に記載の水力発電装置。
8. 前記固定子には前記各回転子よりも上流位置に取水口が設けられ、該取水口から導出される水が給水配管を介して前記水潤滑軸受に導かれる請求項６又は７に記載の水力発電装置。
9. 前記給水配管は、前記回転子の下流側の側面に対面配置された前記水潤滑軸受に導かれている請求項７又は８に記載の水力発電装置。
10. 前記プロペラブレードの傾きと反対方向に傾いた状態で前記プロペラブレードに水流を導くガイドベーンをさらに備え、該ガイドベーンは前記固定子の内壁と前記固定ボスの外壁との間に固設されている請求項１乃至９のいずれかに記載の水力発電装置。

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