JP2012518749A - 水車 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比してより高い効率を有する水車を提供すること。
【解決手段】水平方向にハブ２１を備えた特に下位射水方式又は中位射水方式の水車であって、水流の運動エネルギー及び場合によっては位置エネルギーを当該水車の回転運動に変換するための複数のブレード１５を当該水車の外周部２２に備え、該ブレード１５が少なくとも２つのブレードディスクを含んで構成されており、該ブレードディスクがそれぞれ異なる大きさに形成されている前記水車において、前記ブレードディスクのうち、径方向最外方に位置するブレードディスク１３を、他のブレードディスク１４，１６，１７よりも長い長さ２３に形成した。

Description

本発明は、水平方向にハブを備えた特に下位射水方式又は中位射水方式の水車であって、水流の運動エネルギー及び場合によっては位置エネルギーを当該水車の回転運動に変換するための複数のブレードを当該水車の外周部に備え、該ブレードが少なくとも２つのブレードディスクを含んで構成されており、該ブレードディスクがそれぞれ異なる大きさに形成されている前記水車に関するものである。

水車はかなり古くから使用されており、このような水車は、特に製粉装置及びハンマ作業の動力として利用されてきた。また、下位射水方式であっても、あるいは上位射水方式であっても、比較的低回転数用に設定されており、水流のエネルギー利用において不十分であった。このような水車の技術的な開発は、様々な様式のタービンの開発によるものとして高い効率及び大きな回転数を達成することができた。そして、これにより、電力の生成が経済的に理にかなうものとなった。

しかし、自然の水流とのわずかな関わりにおいて電力の生成を可能とする小型の発電設備が常に、及びますます必要とされており、今日においてこのような水車を更に開発することが望まれるようになってきた。

下位射水方式又は中位射水方式の公知の水車の多くは、一部材として形成された一直線状のブレードを備えている。しかし、このようなブレードは、流れの状態の観点から不都合なものとなっている。ブレードが水流へ浸水するとき、及びブレードが水流から出るときに、水が使用されることなく押しのけられるとともに持上げられて、エネルギー損失を生むことになる。これにより、効率が大きく減少するとともに、達成される回転数も小さなものとなってしまう。また、一直線状のブレードが水車のハブに対して閉じていると、水の排出時に更に吸引作用が生じ、水車が更に制動されてしまう。

このような欠点を克服するために、特許文献１には、複数のブレードをそれぞれ１つの外側ブレードディスクと少なくとも１つの内側ブレードディスクを含む構成とし、この内側ブレードディスクを水車外周部から径方向内方へ、及び水流の流通方向に抗する方向に互いにずらして配置することが提案されている。

オーストリア国特許出願公開第５０３１８４号明細書

しかしながら、このような水車の利点にもかかわらず、実際には効率が最適ではない。また、従来技術においては、ブレードに当たる水流が水車に対してその運動エネルギーの一部のみしか与えず、この水流の一部は、その運動エネルギーが利用されることなくブレードにおけるブレードディスクから流出してしまうという問題がある。

本発明は上記問題にかんがみてなされたもので、その目的とするところは、従来に比してより高い効率を有する水車を提供することにある。

上記目的は、複数のブレードディスクのうち、径方向最外方に位置するブレードディスクを他のブレードディスクよりも長い長さに形成したことにより達成される。なお、他の特徴は、各請求項、明細書及び図面に記載されている。

また、本発明の好ましい特徴は、前記ブレードのうち内側のブレードディスクを、前記外周部から径方向内方へ延びる所定の長さを有するよう形成し、前記ブレードにおける前記ブレードディスクを、前記外周部から径方向内方へ、かつ、水流の流通方向に抗するよう互いにずらして配置し、前記ブレードを、径方向内方へ向かって細くなる形状としたことである。また、前記ブレードディスクを、互いの間隔が径方向内方へ向かって細くなるよう配置するのが望ましい。さらに、前記各ブレードディスクを湾曲させて形成し、凸状のアーチ部を水車の回転方向に配向させるのが好ましい。

さらに、本発明の好ましい特徴は、他のものより長い長さを有する径方向最外方に位置する前記ブレードディスクのその長さを、水流の深さの少なくとも２倍としたことにある。また、径方向最外方に位置する前記ブレードディスクの径方向内側の端部を、水車の前記ハブ方向へ配向することが考えられる。また、径方向最外方に位置する前記ブレードディスクの径方向内側の端部を、水流方向とは逆側に傾斜させ、径方向から湾曲してそれるよう形成してもよい。また、前記ブレードディスクの径方向外方の端部における接線が前記外周部における接線に対して４５°＋５°の角度となるよう構成している。さらに、本発明による水車について、径方向最外方に位置する前記ブレードディスク及びその他のブレードディスクを、その断面について翼形に形成するとともに、これら各ブレードディスクそれぞれの間に次第に狭まる水の流路を形成したことを特徴としている。

また、発電設備を、上述のような特徴を有する水車を備える構成とすることが可能である。

また、水平方向のハブを有する水車の構造とは、垂直方向の水車側面部の間の各ブレードディスクもほぼ水平方向に位置することを意味している。ただし、本発明においては、ブレードディスクを水車側面部に対して傾斜させてもよいし、又は直線状以外の形状としてもよい。さらに、外側のブレードディスクは、それぞれ水車外周部に最も近い位置か、又は水車外周部に直接配置されている。また、内側のブレードディスクは、ハブに対してわずかな間隔をもって配置されている。

また、水の深さ（水深）とは水車の最適な動作が可能な水流の深さであり、水車は、このような最適な動作が可能であるよう設計されている。

本発明により得られる水車の大きな回転速度によれば、水車の（水流方向に見た）後方において水車を深く浸水させることが可能である。このように水車が深く浸水されるのと同様に、水車への流入における水の落差も大きくなる。

また、スムーズな動作は、水車側面部の間の中間空間を分割するとともに、ここにこれに応じて短縮されたブレードディスクを外周部において互いにずらして配置することにより得られる。すなわち、水車は、２つの水車を３つの水車側面部を有する１つの水車に統合することにより形成されるとともに、水車の２つの半部のブレードをその回転位置について互いにずらして配置されているという特徴を備えることも可能である。

なお、本発明による水車の使用は、最適な水深でなくとも、この最適な水深より低い水深又は高い水深においても好都合なものとなっている。

本発明によれば、従来に比してより高い効率を有する水車を提供することが可能である。

発電設備の断面図である。 図１におけるII−II線に沿った断面図である。 発電設備の平面図である。 水車における水流過程を示す概略図である。 水車の両側面部間に配置されたブレードディスクの概略図である。 ブレードディスクの配置についての一実施形態を示す図である。 ブレードディスクの配置についての一実施形態を示す図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

図１〜図３には、発電設備が概略的に示されている。水流は、その水流方向１へ向けて水導入路２へ流れるようになっており、この水導入路２には沈殿槽３が設けられている。また、過剰な水を収容したり、総水流を堰８，９によって水車５の手前で分流するために、オーバーフロー流路４が設けられている。本実施の形態においては２つの水車が互いに隣接して設けられているが、単に１つの水車を設けてもよいし、多数の水車を互いに隣接させて設けてもよい。なお、各水車の両側面部１２の間に配置されたブレード１５が実直線で図示されている。

また、公知のとおり、水路は加速区間６を備えており、この加速区間６は、水の導入部分で底が高くその後下方へ傾斜する区間であり、流速の上昇のため、及び所定の水流を得るために機能するものである。

図３にはこの発電設備の概略的な平面図が示されており、ここに示す堰８，９は、単に概略的にのみ示されている。

図４には水流過程が概略的に示されているが、水路の高さ及び傾斜については縮尺どおりに図示されていない。

水流は水導入路２において深さｈｅを有しており、この深さｈｅは、加速区間６に沿って小さくなり、その後深さｈとなる。この深さｈは、水流による力が水車に作用する有効な水流を示すものである。なお、各水車にはその動作に最適な水流の深さがあり、これに合わせて水車の寸法が設定されている。

水流は、水車を通過した後、水導出路１０を通って流出するが、このとき、流出する水流の深さｈａが深さｈを下回らないようにするのが望ましい。しかしながら、水車の回転軸１８及びハブ２１回りの回転方向１１への回転運動の結果、流出する水流の多くはせき止められることになるため、流出する水流の深さｈａが、図中（図４）に破線で示すように、深さｈよりも大きいｈａ’となってしまうことがある。

図１及び図４に示された堰９は、水流の深さを制限するものであるとともに、この目的のためにその高さを調整できるようになっている。堰９を完全に下降させた場合には、水流の導入が遮断されることになり、その後、例えば、水車を乾燥させてメンテナンスすることが可能である。

図５には流入する水流７と協働する本発明による水車５の概略的な断面図が示されており、この水車５は、ここではその外周部２２のわずかな部分についてのみ図示されている。また、水車５の全外周に沿って配置されたブレード１５については、ここではそのうち５つのみを図示している。なお、これら５つのブレード１５は、図５において、水と接触しているように示されている。

各ブレード１５は最も外方に位置する第１ブレードディスク１３を備えており、この第１ブレードディスク１３は、他の第２〜第４ブレードディスク１４，１６，１７よりも長い長さ２３（図６）を有している。ここで、第２〜第４ブレードディスク１４，１６，１７の数は状況に応じて設定すればよいが、これらを１つ以上設けることが考えられる。また、ハブ２１へ向いた線１９は、単なる構造上の補助線であり、本実施の形態において、第１ブレードディスク１３のハブ２１への方向を明示するものである。

他の形態として、第１ブレードディスク１３の内側エッジを水流方向１に対して傾斜させて形成することが考えられ（図６における破線参照）、これにより、第２〜第４ブレードディスクの内側エッジの第１ブレードディスク１３に対する間隔を流れ条件に適合させることが可能である。また、内部へ向かってすべてのブレードが開放されているため、水が収容されてしまったり、この収容された水の流出を阻害するような閉鎖された空間の形成を避けることができる。

また、水車側面部１２をこれらの間にブレード１５が配置された孔のない平面とすることができるが、この水車側面部１２を、例えば側面が完全に閉鎖されていないような他の構造とすることもできる。さらに、ハブ２１上に中心部のみの水車側面部を設け、その両側からブレードを外方へ突出させるようにしてもよい。

図６及び図７には、それぞれ異なる形態におけるブレード内のブレードディスクの拡大図が示されている。

図６によれば、同様の強度の材料から成るすべてのブレードディスク１３，１４，１６，１７が湾曲して形成されており、これらの凸状のアーチ部は水車回転方向１１に向いている。また、図６には、水流の流通過程が流線２０で示されている。それぞれ互いに隣接する各ブレードディスクの湾曲した形状及びこれにより得られる狭窄箇所によって、水の通過後にこれらブレードディスクにより渦が発生する。この渦は、第１ブレードディスク１３の全長にわたって水が大量に導入されるのを防ぐため、流入してくる水のすべての運動エネルギーを水車の回転運動に変換することが可能である。さらに、流入してきた水はわずかな経路を経た後ブレードから再び流出することができるため、回転運動が阻害されることもない。

本発明による効果を得るためには、基本的には第２ブレードディスク１４のみで足りるが、第３ブレードディスク及び第４ブレードディスクを設けることで上記効果を更に高めることが可能である。

図７には他の実施形態による図６と同様なものが示されており、第２〜第４ブレードディスク１４，１６，１７は、ここではその断面が翼形に形成されている。また、互いに隣接すくこれらブレードディスクの間には徐々に狭窄する流路が形成されており、この流路により、水がここを通過した後に形成される渦の効果と、水流からブレードが上昇するときに水が迅速に流出するという効果とを得ることが可能である。

また、第１ブレードディスク１３も、図７に示す第２〜第４ブレードディスク１４，１６，１７と同様に翼形に形成することが可能である。また、図６に補助線で示すように、各ブレードディスクは、その外側のエッジ部２４において、水車外周部２２における接線に対して約４５°の角度αをなしている。なお、この角度αの範囲は、４５°±５°とするのが好ましい。

本発明による効果は、特に、水の流速がほぼ損失なしで水車の回転速度に変換されるとともに、大きな回転速度を得られることにある。したがって、このような水車は、エネルギー効率が高い上、わずかなコストで製造することが可能である。

第１ブレードディスク１３の長さ２３は、流入する水の深さに依存して設定される。この長さ２３を、少なくとも水深ｈｅの２倍、かつ、流通する水が第１ブレードディスク１３の内側エッジを越えてオーバーフローしないように設定するのが好ましい。

しかして、本発明におけるブレードによれば、水を効率的に使用することが可能であるとともに、実際の水位が最適な水位を上回ったり下回ったりしても、一定の効率を得ることが可能であるという利点が得られる。また、比較的長い長さ２３を有する第１ブレードディスク１３によれば、水が利用されることなく水車を通過するようなことがない。第１ブレードディスク１３が最初に水と接触するため、流入してくる水は、まず、第１ブレードディスク１３を満たすことになる。そして、この流入してくる水は、各ブレードディスク間で上方へと流通し、各ブレードディスクの内側端部付近で渦を形成した後、流通方向に対して異なる方向へ導かれる。これにより、各ブレードディスク間に更に流入してくる水が制動され、その運動エネルギーが水車に伝達されることになる。

また、他の効果は、ブレードディスクにおいて上方へ流れる水流と内部から外部へ流出する水流との間にある空気を閉鎖及び圧縮することで得られる。これにより、水車の寿命延長を図ることが可能であるとともに、酸素を水の中に封じ込めることも可能である。

小型のブレード構造を得るためにはブレードディスクの安定性が要求されるが、このような小型のブレード構造は、例えば不図示の補強材を各ブレードディスク間に設けることにより達成される。このとき、捕縄材の数については、必要に応じて選択すればよい。

水車については、これを鋼で形成するのが好ましい。また、水車の構成部材については、これをアルミニウム合金、木材及び合成樹脂で形成することが考えられる。

１ 水流方向
２ 水導入路
３ 沈殿槽
４ オーバーフロー流路
５ 水車
６ 加速区間（加速路）
７ 水流
８，９ 堰
１０ 水導出路
１１ 水車回転方向
１２ 水車側面部
１３ 第１ブレードディスク
１４ 第２ブレードディスク
１５ ブレード
１６ 第３ブレードディスク
１７ 第４ブレードディスク
１８ 水車の回転軸
１９ 線
２０ 流線
２１ 水車のハブ
２２ 水車外周部
２３ 第１ブレードディスクの長さ
２４ エッジ部
α 角度

Claims (12)

1. 水平方向にハブ（２１）を備えた特に下位射水方式又は中位射水方式の水車であって、水流の運動エネルギー及び場合によっては位置エネルギーを当該水車の回転運動に変換するための複数のブレード（１５）を当該水車の外周部（２２）に備え、該ブレード（１５）が少なくとも２つのブレードディスクを含んで構成されており、該ブレードディスクがそれぞれ異なる大きさに形成されている前記水車において、
   前記ブレードディスクのうち、径方向最外方に位置するブレードディスク（１３）を、他のブレードディスク（１４，１６，１７）よりも長い長さ（２３）に形成したことを特徴とする水車。
2. 前記ブレード（１５）のうち内側のブレードディスクを、前記外周部（２２）から径方向内方へ延びる所定の長さ（２３）を有するよう形成したことを特徴とする請求項１記載の水車。
3. 前記ブレード（１５）における前記ブレードディスク（１３，１４，１６，１７）を、前記外周部（２２）から径方向内方へ、かつ、水流の流通方向に抗する方向に互いにずらして配置したことを特徴とする請求項１又は２記載の水車。
4. 前記ブレード（１５）を、径方向内方へ向かって細くなる形状としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水車。
5. 前記ブレードディスク（１３，１４，１６，１７）を、互いの間隔が径方向内方へ向かって細くなるよう配置したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水車。
6. 前記各ブレードディスク（１３，１４，１６，１７）を湾曲させて形成し、凸状のアーチ部を当該水車の回転方向（１１）に配向したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の水車。
7. 他のものより長い長さ（２３）を有する径方向最外方に位置する前記ブレードディスク（１３）のその長さ（２３）を、水流の深さ（ｈ）の少なくとも２倍としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の水車。
8. 径方向最外方に位置する前記ブレードディスク（１３）の径方向内側の端部を、当該水車の前記ハブ（２１）方向へ配向したことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の水車。
9. 径方向最外方に位置する前記ブレードディスク（１３）の径方向内側の端部を、水流方向（１）とは逆側に傾斜させ、径方向から湾曲してそれるよう形成したことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の水車。
10. 前記ブレードディスクの径方向外方の端部（２４）における接線が前記外周部（２２）における接線に対して４５°＋５°の角度（α）となるよう構成したことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の水車。
11. 径方向最外方に位置する前記ブレードディスク（１３）及びその他のブレードディスク（１４，１６，１７）をその断面について翼形に形成するとともに、これら各ブレードディスク（１３，１４，１６，１７）それぞれの間に次第に狭まる水の流路を形成したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水車。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の１つ又は複数の水車を備えて構成したことを特徴とする発電設備。

Images