JP2008014246A - 水力発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 水流によって生じるスラスト力に対して効率良く対抗でき、軸受における摩擦損失が小さい水力発電機を提供する。
【解決手段】 水が通流する水管の中途に、該水管と内部を連通するように設置される水力発電機10であって、水管内における水の通流によって回転するように構成され、筒状のランナ42によって周囲を囲繞されたプロペラブレード41と、ランナ42の外周囲に設けられ、該ランナ42と一体回転する永久磁石44と、該永久磁石44に沿って設けられたステータ45（451）とを備え、ランナ42は、水の通流上流側端部と下流側端部とをそれぞれ水潤滑軸受61，62により回転可能にラジアル支持され、少なくとも一方の水潤滑軸受62は、下流側面に水を供給されてランナ42のスラスト軸受としても機能するように構成されている。
【選択図】 図１

Description

本願発明は、水が通流する水管の中途に、該水管と内部を連通するように設置される水力発電機に関し、特に、その軸受構造および冷却系に関する。

近年、新しい発電方法の１つとして、上下水道、小河川、農業用水、工場排水などを利用した小水力発電が注目されている。そもそも水力発電は、炭酸ガス排出がない再生可能な発電方法であり、特に、小水力発電は、ダムを造らなくてもいいことから、これからの発電方法として期待されている。

現状では、国内に１０００ｋＷ以下の小規模発電が可能な上下水道や高低差のある河川などの未使用水力資源が約２４万ｋＷ存在すると評価されている。また、東南アジアの未電化地域など、外国における小水力発電機の需要も計り知れない。

こうした小水力発電機は、低落差および小流量であっても効率良く発電できる構造とされ、たとえば、１ｍ〜２０ｍ程度の低落差、０．０６ｍ^３／ｓ〜３ｍ^３／ｓ程度の流量に適用して２ｋＷ〜３００ｋＷ程度の電力を得ることができるものがある。

たとえば、特許文献１には、小水力発電機に適用可能な発電機の一例が開示されている。この小水力発電機は、内部が流体の通路と連通するように設けられるケーシングと、ステータコイルを備えて前記ケーシングの外周部に設けられたステータと、前記ケーシングの内部に回転可能に配設された円筒状をなすロータヨークと、このロータヨークの外周部に設けられたロータマグネットと、前記ロータヨークの内部に設けられ、前記ケーシングの内部を通過する流体によってロータヨークと一体に回転される羽根とを具備してなるものである。
特開平5-111216号公報

しかしながら、上記特許文献１のような水力発電機では、羽根を内部に備えたロータヨークがセラミック製の軸受によって回転可能支持されているが、水流によってロータヨークに生じるスラスト方向の分力が甚大であり、軸受における摩擦損失が大きい。

本願発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、水流によって生じるスラスト力に対して効率良く対抗でき、軸受における摩擦損失が小さい水力発電機を提供することを目的とする。

本願発明に係る水力発電機は、水が通流する水管の中途に、該水管と内部を連通するように設置される水力発電機であって、前記水管内における水の通流によって回転するように構成され、筒状のランナによって周囲を囲繞されたプロペラブレードと、前記ランナの外周囲に設けられ、該ランナと一体回転する永久磁石と、該永久磁石に沿って設けられたステータとを備え、前記ランナは、水の通流上流側端部と下流側端部とをそれぞれ水潤滑軸受により回転可能にラジアル支持され、少なくとも一方の水潤滑軸受は、下流側面に水を供給されて前記ランナのスラスト軸受としても機能するように構成されていることを特徴とする。

かかる構成によれば、水流によって生じるスラスト力に対して効率良く対抗でき、軸受における摩擦損失が小さい。

上記水力発電機は、前記プロペラブレードよりも上流側に設けられ、水の通流方向を前記プロペラブレードに適した角度に案内する静止したガイドベーンをさらに備えることが可能である。かかる構成によれば、プロペラブレードに当たる水流の方向が調整されて、効率良くプロペラブレードを回転させることができる。

上記プロペラブレードは、その回転中心に沿って延び、該プロペラブレードと一体回転する第１のボスを具備し、前記ガイドベーンは、前記第１のボスよりも上流側に該第１のボスと連続するような形状で別体に形成された第２のボスを具備することが可能である。かかる構成によれば、水管内の水がプロペラブレードの外周部に集中されるため、より小さい水の力でプロペラブレードを回転させることができる。また、ボスは水管内の水の通流断面積を小さくするため、水の流速を速めることができる。

この構成に代えて、上記ガイドベーンは、前記プロペラブレードの回転中心に沿って延びるボスを具備し、該ボスは、前記プロペラブレードよりも下流側に延びることも可能である。かかる構成によれば、ボスがプロペラブレードとは別体に形成されるので、プロペラブレードがより軽量となり、より小さい水の力でプロペラブレードを回転させることができる。ボス自体の作用は、上記の構成と同様である。

上記水潤滑軸受は、前記水管内の水によって潤滑され、上記水潤滑軸受の軸受面は、セラミック製であることが可能である。かかる構成によれば、水管内の水による潤滑のため、水供給装置を別途備える必要がない。また、水管内の水には異物が混入していることがあるが、軸受面がセラミック製であるので、異物を噛み込んでも粉砕して水と一緒に流れてしまい、メンテナンスが不要である。なお、このセラミック部分を着脱式にすれば、損傷時の交換も容易である。

上記水潤滑軸受は、衝撃吸収部材を非軸受面に具備することが可能である。かかる構成によれば、上記のような異物の噛み込み時など、水潤滑軸受が傾いたときの周囲壁との接触の衝撃を緩和することができる。

上記水力発電機は、前記少なくとも一方の水潤滑軸受の下流側面への水の供給は、前記プロペラブレードよりも上流側から前記水管内の水を取り出す水供給管を通じてなされることが可能である。かかる構成によれば、水の取り出し位置と水の供給位置との静圧差により、ポンプなしでも水潤滑軸受に水を圧送することができる。

上記水供給管内にフィルタを設けることが可能である。かかる構成によれば、水潤滑軸受に供給する水への異物の混入を抑制することができる。フィルタは、水中の浮遊粒子を収集することができる一般的なフィルタ、金網のようなものを含む。

上記水供給管は、前記ステータの外周囲に沿って延び、該ステータを冷却するように構成されることが可能である。かかる構成によれば、水潤滑に利用される水をステータの冷却にも利用でき、特別な冷却系（その駆動系も含む）が不要となる。

本願発明によれば、水流によって生じるスラスト力に対して効率良く対抗でき、軸受における摩擦損失が小さい水力発電機を提供することができる。

以下、本願発明に係る水力発電機について添付の図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本願発明の第１の実施の形態に係る水力発電機の構成を示す一部破断の斜視図、図２は、その水車部分を示す分解斜視図、図３は、水力発電機の内部構造を示す側断面図、および図４は、その発電部分の構造を示す縦断面図である。

本実施の形態にかかる水力発電機10は、その上流側部分である上流側配管部分20と、下流側部分である下流側配管部分30と、これらの中間に配置される発電機本体部分40との３区画から構成されている。

水力発電機10は、水管90（図３において破線で示す）の中途に設置され、内径を水管90と同径に設定されている。水力発電機10は、水管90とは、図示しないＯリングなどを介してフランジ結合される。具体的には、上流側配管部分20の上流側端部に設けられた上流側フランジ251で上流側の水管90に結合され、下流側配管部分30の下流側端部に設けられた下流側フランジ352で下流側の水管90に結合される。

上流側配管部分20の内周面には、筒状のベーンベース21が固定され、さらに該ベーンベース21の内周面には、周方向に等配された複数のガイドベーン22が固定されている。ラジアル方向内方に延びるこれらのガイドベーン22の中心位置には、筒状のボス23がガイドベーン22の内端部に固定されている。ボス23は、ガイドベーン22の上流側で、水の抵抗を低減すべく弾頭形状に丸められている。また、ボス23は、ガイドベーン22の下流側にも延び、その外周囲には、軸流型に湾曲する複数枚のプロペラブレード41が、所定の間隙を介して（つまり、ボス23とは非接触に）周方向に等配されている。ボス23は、プロペラブレード41のさらに下流側にも延び、キャビテーションを低減すべく弾頭形状に丸められている。

図１および図２においてより明確なように、ガイドベーン22は、プロペラブレード41の傾きに対して逆方向に傾いて湾曲する軸流型をなしており、水流がプロペラブレード41に適切な角度で当たるように案内するようになっている。

プロペラブレード41は、発電機本体部分40の内部に位置し、その外周囲を円筒状をなしたブレードベース42aの内周面に固定されている。ブレードベース42aは、円筒状をなすランナ42に内嵌固定され、ランナ42の外周面には、ランナショルダ42Bが外周方に突出して周設され、このランナショルダ42Bの内部には永久磁石44が、外周面側に配設されている。

ランナ42の外周面は、発電機本体部分40の２分割式の発電機ケーシング40Cにより覆われている。発電機ケーシング40Cは、断面コの字形で、全体としてボビン形状をなし、その前後端面には、上流側配管部分20の下流側端部に設けられた下流側フランジ252と、下流側配管部分30の上流側端部に設けられた上流側フランジ351とがそれぞれ結合されている。

ランナショルダ42Bと上流側配管部分20の下流側フランジ252との間の環状空間には、ほぼ矩形断面を有する上流側水潤滑軸受61が配置され、ランナショルダ42Bと下流側配管部分30の上流側フランジ351との間の環状空間には、ほぼ矩形断面を有する下流側水潤滑軸受62が配置されている。

水潤滑軸受61，62は、ランナ42の外周面をラジアル支持する一方、特に、下流側水潤滑軸受62は、ランナショルダ42Bの下流側面を通じてランナ42をスラスト支持するように構成されている（詳細については後述する）。

永久磁石44の外周面には、キャン44aを介して、ステータを構成する、ステータコア（積層鉄芯）45と、これに巻かれたステータコイル451とが配設され、発電機ケーシング40Cに固定されている。ステータコア45およびステータコイル451の外周側は、断面コの字形をなす発電機カバー46により密着して覆われている。

以上のような構成により、上流側の水管90から流れてくる水は、上流側配管部分20の内部を流れ、ボス23により管内外周部へ案内され、そして、ガイドベーン22によって方向が調整されると共に増速されて、プロペラブレード41に当たる。これによって、プロペラブレード41が効率良く回転する。

プロペラブレード41の回転により、ランナ42（ブレードベース42a）を一体回転させ、ランナ42に固定された永久磁石44を、ステータコア45に対して回転させる。これによって、ステータコア45に生じる誘導磁界の変化がステータコイル451内に電圧を誘起し、発電するようになっている（図４も参照）。

次に、本実施の形態にかかる水力発電機10の軸受構造について詳述する。図３においてより明確なように、下流側配管部分30の外周面には、水供給口301が形成されている。この水供給口301に供給される水は、上流側フランジ351を貫通し、その内部に配設された下流側水潤滑軸受62の下流側端面に導かれている。

この下流側水潤滑軸受62の下流側端面には、凹部62rが形成されており、下流側端面に導かれた水を確実に受け、大きなスラスト力に対抗できるようになっている。凹部62rには、上流側端面まで貫通する孔が形成され、受けた水を上流側端面（スラスト軸受面）に送るようになっている。これによって、スラスト軸受面が水潤滑される。さらに、上流側端面には、ラジアル方向の溝（図３において破線で示す）が形成されており、これにより、該溝を通じて水が内周面（ラジアル軸受面）に送られ、ラジアル軸受面が水潤滑される。

さらに、上記溝を通じて、水は、ランナショルダ42Bおよび永久磁石44の外周面と、キャン44aの内周面との間に形成された所定の隙間を通じて、上流側水潤滑軸受61の下流側端面に与えられるようになっている。この下流側端面にもラジアル方向の溝（図３において破線で示す）が形成されており、これにより、該溝を通じて水が内周面（ラジアル軸受面）に送られ、ラジアル軸受面が水潤滑される。

上流側水潤滑軸受61の潤滑に利用された後の水は、図示しない水路を通じて、たとえば、下流側配管部分30の内部に排出される。

水潤滑軸受61，62は、ステンレス製であり、図３に示すように、その軸受面691，692はセラミック製となっている。これにより、水潤滑軸受61，62に供給される水に異物が混入していても、軸受面691，692で粉砕し、水と一緒に流してしまうことができるため、メンテナンスフリーとすることが可能である。なお、軸受面691，692をセラミック製とするには、公知の蒸着手法を利用して達成することが可能である。また、水潤滑軸受61，62全体をセラミックから形成することも可能であり、また、セラミック・ブロックなどを水潤滑軸受61，62に固定することも可能である。

なお、軸受面691，692に異物を噛み込んだときには、ランナ42およびプロペラブレード41を傾けるような力が働くことがあるが、これを回避するために、水潤滑軸受61，62の非軸受面671，672（図４も参照）には、それぞれ、衝撃吸収部材65，66が配設されている。本実施の形態においては、衝撃吸収部材65，66は、Ｏリングとして示してあるが、異物を噛み込んだときの水潤滑軸受61，62の倒れを弾性的に吸収することができるものであれば、たとえばスプリングのような他の部材であってもよい。

次に、本実施の形態にかかる水力発電機10の冷却系について詳述する。図３においてより明確なように、本実施の形態にかかる水力発電機10の冷却系は、上述した水潤滑軸受61，62の水供給系としても作用するように構成されている。冷却系は、ガイドベーン21よりも上流側の上流側配管部分20の位置に形成された取水口302から水を取り出す。この取水口302には、フィルタ303が設けられており、取り出す水に含まれ得る異物を或る程度取り除く作用をなす。フィルタ303を通じて取り出された水は、水供給管305を通じて、前述した水供給口301に供給される。

このように、取水口302と水供給口301とは、軸方向に離隔しており、これらの間の静圧の作用により、ポンプなどの圧送手段を要せず、下流側水潤滑軸受62のスラスト対抗力の発生に十分な水圧を供給できるようになっている。このような作用は、上流側水循環軸受61への直接的な水供給によっても実施することが可能であるが、下流側水循環軸受62の方が取水口302からの距離を大きく取れるので、発生できる水圧も大きくすることができる。

また、この水供給管305は、本実施の形態にかかる水力発電機10の冷却系としても作用するように構成されている。図５および図６においてより明確なように、水供給管305は、途中で２つに分岐され、発電機カバー46の周囲に交互に巻き付けられている。図１および図３に示すように、発電機カバー46の内周面には、ステータ45が密着しており、これによって、発電機カバー46を通じてステータ45が発電時に発生する熱を効率的に除去することができるようになっている。

２本の水供給管305は、さらに、水供給口301に至る前に２つに分岐され、合計４本とされている。これら４本の水供給管305は、下流側配管部分30の周方向に等配された４箇所の水供給口301に接続され、下流側水循環軸受62（図１参照）に対して周方向に均等な水圧を供給する。

（第２の実施の形態）
図７に示すように、本実施の形態にかかる水力発電機10Bは、プロペラブレード41Bにボスの下流側半部48が固定され、プロペラブレード41Bとボス下流側半部48とは一体回転するように構成されている。つまり、ボスは、上流側半部23Bと下流側半部48とで分離された構造になっており、上流側半部23Bは、上記第１の実施の形態におけるボス23と同様にガイドベーン22に固定されている。

上流側半部23Bと下流側半部48との分離位置は、本実施の形態においては、ガイドベーン22の下流側端部とされている。

本実施の形態にかかる水力発電機10Bの構成であっても、上記第１の実施の形態にかかる水力発電機10とほぼ同様の作用をなすことが可能であり、同様の部分には同様の参照符号を付してその説明は省略する。

以上のように、本願発明は、水流によって生じるスラスト力に対して効率良く対抗でき、軸受における摩擦損失が小さい水力発電機を提供する用途に適用可能である。

本願発明の実施の形態に係る水力発電機の構成を示す斜視図である。 図１に示した水力発電機の流路内側部分の構成を示す分解斜視図である。 図１に示した水力発電機の構成を示す縦断面図である。 図１に示した水力発電機の、特に、水車および発電機部分の構成を示す模式的断面図である。 図１に示した水力発電機の、特に、水供給管の構成を示す斜視図である。 図５に示した水供給管の斜視図である。 本願発明の別の実施の形態に係る水力発電機の構成を示す縦断面図である。

符号の説明

10，10B 水力発電機
22 ガイドベーン
23 ボス
23B 上流側ボス半部（第１のボス）
41 プロペラブレード
42 ランナ
42B ランナショルダ
44 永久磁石
44a キャン
45 ステータコア（積層鉄芯）
48 下流側ボス半部（第２のボス）
61，62 水潤滑軸受
65，66 衝撃吸収部材（Ｏリング）
90 水管
301 水供給口
302 取水口
303 フィルタ
305 水供給管
451 ステータコイル
671，672 非軸受面
691，692 軸受面

Claims (9)

1. 水が通流する水管の中途に、該水管と内部を連通するように設置される水力発電機であって、
   前記水管内における水の通流によって回転するように構成され、筒状のランナによって周囲を囲繞されたプロペラブレードと、
   前記ランナの外周囲に設けられ、該ランナと一体回転する永久磁石と、
   該永久磁石に沿って設けられたステータとを備え、
   前記ランナは、水の通流上流側端部と下流側端部とをそれぞれ水潤滑軸受により回転可能にラジアル支持され、
   少なくとも一方の水潤滑軸受は、下流側面に水を供給されて前記ランナのスラスト軸受としても機能するように構成されていることを特徴とする水力発電機。
2. 前記プロペラブレードよりも上流側に設けられ、水の通流方向を前記プロペラブレードに適した角度に案内する静止したガイドベーンをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の水力発電機。
3. 前記プロペラブレードは、その回転中心に沿って延び、該プロペラブレードと一体回転する第１のボスを具備し、前記ガイドベーンは、前記第１のボスよりも上流側に該第１のボスと連続するような形状で別体に形成された第２のボスを具備していることを特徴とする請求項２記載の水力発電機。
4. 前記ガイドベーンは、前記プロペラブレードの回転中心に沿って延びるボスを具備し、該ボスは、前記プロペラブレードよりも下流側に延びていることを特徴とする請求項２記載の水力発電機。
5. 前記水潤滑軸受は、前記水管内の水によって潤滑され、前記水潤滑軸受の軸受面は、セラミック製であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の水力発電機。
6. 前記水潤滑軸受は、衝撃吸収部材を非軸受面に具備していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の水力発電機。
7. 前記少なくとも一方の水潤滑軸受の下流側面への水の供給は、前記プロペラブレードよりも上流側から前記水管内の水を取り出す水供給管を通じてなされることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の水力発電機。
8. 前記水供給管内にフィルタを設けたことを特徴とする請求項７記載の水力発電機。
9. 前記水供給管は、前記ステータの外周囲に沿って延び、該ステータを冷却するように構成されていることを特徴とする請求項７または８記載の水力発電機。

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