JP2013137012A - 水力発電用増速装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水力発電用として入力軸と出力軸を同一軸線上に配置でき、さらに、最適な発電量を得るための速比が対応することができる増速装置を提供する。
【解決手段】本発明は、河川又は溜池等の用水路の流水Wを受け回転するスクリュウ7の回転を変速して発電機3に連結する変速機4において、前記変速機4は、入力軸10を流水の落下または流れを受けて回転するスクリュウ軸6と連結し、出力軸16を入力軸10の回転数に比べて高回転にする増速機構にして発電機3に連結し、前記入力軸10と出力軸16を同心軸に配置し、前記出力軸16は、入力軸10の回転が前記増速機構を介して3倍から13倍の領域の回転数で構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は、河川又は溜池等の用水路に設置して、この用水路や河川水路を流れる流水を受けて回転するスクリュウ(回転体)を備え、このスクリュウの回転が変速機を介して発電機に伝達する水力発電用増速装置に関する。さらには、この発電機に伝達する最適な回転領域の増速機構にするために、速比を変えた複数機種の増速機構を備え、又は、この増速機構の取付け寸法を同一形状にした水力発電用増速装置に関する。
従来の遊星歯車装置は、風力発電設備の風車の回転を増速する増速機として備えられ、遊星歯車装置の軽量化を可能にし、軽量化により必要部分の寸法への影響や機能低下を伴うことが無いものとして、風力発電設備の軽量化と小型化を図ったものが提供されている。軽量化は、入力側の遊星歯車を回転自在に支承する軸を中空軸として、複数段に連結して高速用に増速している。
特開2006−009575号公報
しかし、この遊星歯車装置は入力軸と出力軸を同一軸線上に配置できなく、軸径方向に広がり、風力発電設備を大きくする欠点がある。さらに、この遊星歯車装置は、水力発電装置の水の流れの傾斜方向に配置して利用するとき、水田作業の工程とか季節とかに合わせて、週ごとに河川の環境が変化しているが、最適な発電量を得るための速比が対応することができない問題があった。
本発明は、河川又は溜池等の用水路を流れる流水をスクリュウが受けて回転運動に変換し、この回転運動の回転数を変速して、発電機に適した回転に増速領域で設置し、流水に合わせたスクリュウの回転の機種を揃え、容易に取付け可能にすることができる水力発電用増速装置を提供することを目的としている。この増速装置は、速比を3倍から13倍に増幅するものである。さらには、増速機構の複数機を同一の取付け寸法にして、軸径も同じで同軸心の形状にし、水量変化に対応する機種を容易に交換する水力発電用増速装置(水力発電用増速機)を提供するものである。
請求項1に係る発明では、用水路又は河川水路の流水によりスクリュウを回転させて、この回転を増速して発電機に連結する変速機(増速機構)が備えられている。この変速機は、入力軸を流水の落下または流れを受けて回転するスクリュウ軸と連結し、出力軸を入力軸の回転数に比べて高回転にする増速機構にして発電機に連結する。この変速機の入力軸と出力軸は、同心軸に配置し、この出力軸の回転が増速機構を介して入力軸の回転より3倍から13倍の領域の回転数の機種にする構成とする。
請求項2に係る発明では、請求項1の水力発電用増速装置において、増速機構は、増速比が異なる複数の機種から選定され、出力軸の回転数が発電機の高効率回転数となるように入力軸の回転数を増幅することを特徴とする。
請求項3に係る発明では、請求項2の水力発電用増速装置において、複数の機種は、それぞれ同一の入力軸径、出力軸径、及び、取付けベース位置に構成されている。
請求項4に係る発明では、請求項1から3のいずれかの水力発電用増速装置において、増速機構は、内歯車の中心に出力軸の歯車を配置して、該歯車に噛合う3点遊星歯車である構成とする。
請求項5に係る発明では、請求項1から4のいずれかに記載の水力発電用増速装置において、スクリュウ軸と入力軸とを連結する連結軸と、連結軸の一端に設けられ、連結軸とスクリュー軸とを屈折させて連結する第1連結部と、連結軸の他端に設けられ、連結軸と入力軸とを屈折させて連結する第2連結部と、をさらに備え、スクリュウが水流に対向して回転するように配置され、スクリュウの回転が第1連結部、連結軸及び第2連結部を介して入力軸に伝達されることを特徴とする。
請求項1に係る発明の構成では、スクリュウの回転数を3倍〜13倍の範囲の増速比にすることで、河川の状態や流水の量に応じて、回転数を選定することができ、環境状態に適した必要な回転数の変速機を設置することができる作用がある。これにより、用水路又は河川水路の形状やその流水量の変化に対応させて、スクリュウ軸の回転数を、3倍〜13倍の範囲で増速比を最適に選択して出力軸で増幅させることができ、より効率的に発電できるという効果がある。
請求項2に係る発明の構成では、用水路又は河川水路の流水の速度で決定するスクリュウ軸の回転を、発電機の高効率回転数に合わせることにより、最適な発電性能を発揮することができる。
請求項3に係る発明の構成では、増速比の変更で機種を交換する時に、取付け寸法が同一であるため、容易に変速可能に交換ができる作用がある。これにより、河川の流量の状況変化による変速機の速比変更でも、同一寸法であるため、スクリュウ軸と発電機を今までのもので連結可能であり、変速機の機種の交換が容易にできる効果がある。
請求項4に係る発明の構成では、太陽歯車である出力軸の歯車の歯数、または、内歯車の歯数を変更しても軸径と取付けベースの寸法を同一にすれば、スクリュウ軸も発電機も同じもので変更することなく、速比を変えた変速機を容易に交換することができる作用がある。これにより、入力軸径と出力軸径と取付けベースを同一にして、太陽歯車の出力軸の歯数を少なくする噛合わせと、変速機の内歯車の歯数を大きくする噛合わせにより、より増速することができる速比に変更する機種にすることができる効果がある。
請求項5に係る発明の構成では、第1連結部及び第2連結部によって、スクリュウ軸と入力軸とを屈折させ、且つ、入力軸と出力軸とを屈折させることにより、用水路又は河川水路の流水に合わせてスクリュウを最も効率的に回転するように河川の流水に対向させて配置することができる。さらに、第1及び第2連結部の2点で屈折しているため、全ての軸を直線的に配置する場合と比較して、発電機の配置箇所等についても選択の幅が拡がり、河川環境に対応して、最適な発電性能を発揮することができる。
本発明の一実施例の変速機を採用した水力発電用増速装置の説明図。 変速機の構造を示す断面図。 本発明の別実施例の水力発電用増速装置の斜視図。 図3の水力発電用増速装置を示し、(a)は側面図、(b)は平面図。 水力発電用増速装置のスクリュウの変形例を示す図。 水力発電用増速装置のスクリュウの変形例を示す図。 水力発電用増速装置のスクリュウの変形例を示す図。
(実施例1)
本発明の一実施例の水力発電用増速装置(水力発電装置又は水力発電用増速機)1は、変速機(増速機構)4が河川又は溜池等の用水路Kを流れる流水Wを受けて回転するスクリュウ7を駆動源に入力軸10を回転させるときに、変速機4の出力軸16を増速回転させ、発電機3に入力回転することで発電させる。このスクリュウ7は、河川の用水路Kの流水Wの量により大きく影響するもので、高トルクの回転を得る流量から低トルクの回転を得る流量があり、環境により変速機4の速比を変更する必要がある。速比の変更は、変速機4を取り替えることで、容易に速比変えることを目的にして、変速機4の交換を可能にする取付け寸法を共通化する構造を提供するものである。
図1は、河川又は溜池等を流れる水を別途に設ける用水路Kに導き、その用水路Kに段差Dを付けて水量に落下速度つけることで、流水Wのエネルギーを増大させて、回転エネルギーに変換して発電させるようにした設備である。用水路Kの水は、河川から引き入れる水門に流木・空缶・袋・紐等のごみを遮断する網が入口に設置してあり、水だけが流れるものである。落下する水は、縦方向の鉛直に設置してあるスクリュウ7が回転可能に軸着してある。
スクリュウ7は、用水路Kの床面にスクリュウ軸受27を備え、鉛直にスクリュウ軸6を備え、継手5を介して固着した変速機4に連結して、変速機4から継手5aを介して発電機3に駆動回転させる。スクリュウ軸6は、スクリュウ7の回転を正確に効率よく伝達しなければならず、上部をベース8aの軸受21に支持させ、このベース8を用水路Kの両岸から鋼材のフレームを渡して固着して支持している。
変速機4は、落下水の流水Wを駆動源にして、低速回転の大きなトルクを得るスクリュウ7の回転数を高速回転に変える増速機であり、速比を3倍速から13倍速までの機種を備えている。
例えば、発電機3の最効率(又は高効率)回転数を1500rpmのもので、スクリュウ軸6の回転数が375rpmの時に変速機4を4倍速に選定する。また、スクリュウ軸6の回転数が150rpmのときは、10倍速の変速機4を選定する。変速機の選定は、入力軸10の回転数と出力軸16の回転数により算出できるが、用水路Kを流れる流水Wを受けるスクリュウ7の回転トルクがどのくらいかにより、小さければ3倍速になり大きければ13倍速まで選定でき、発電機3の効率の高い1500〜3600rpmを選定でき、出力も1.5〜18KWまでを選定することができる。
なお、変速機4による増速比が3倍未満であると、発電機3の入力における回転(すなわち出力軸16での回転)が不十分であるため、発電機3が十分な発電性能を発揮することができない。他方、増速比を13倍より大きくすると、スクリュウ軸6を回転させるためのエネルギーもその分大きくなるため、通常の用水路K(又は河川水路)の流水Wではスクリュウ7及びスクリュウ軸6を回転させるのが困難となる。すなわち、本発明における3倍から13倍までの増速比が、用水路Kの流水Wに対して発電機3を有効に作動可能であり、尚且つ、発電機3に優れた発電効率を発揮させるのに最適な範囲である。
上述した選定は、取付け寸法を同一にすることで、容易に取り替えをすることができ、環境の変化による流水Wが増加してスクリュウ軸6のトルクが増加した時、変速機4の倍速値を変えることで、発電機3の出力に最効率回転数を選定することで、取付け寸法が同一のため、目的の設定値に容易に交換することができ、最適な発電を発生させることができる。
図2は、変速機4を説明するもので、ケース本体9の下面に備えた軸受17から入力軸10を突出して、上面に備えた軸受17aから出力軸16を突出する同心軸である。入力軸10は、流水Wにより回転する駆動力のあるスクリュウ7に連結してあり、スクリュウ軸6に継手5を介してトルクを伝達する。出力軸16は、入力軸10の高トルクの低回転を増速することで、低トルクの高回転に変速して、最適の回転数を同心上の発電機3に伝達している。同心の軸は、出力軸16の高速回転と、入力軸10の高トルク回転が同じ中心で回転するため、振れ・振動の発生が少なく、小型にできる作用があり、効率よく伝達する。
変速機4の内部は、入力軸10が円板状のキャリア11の中心に嵌着して、スクリュウ軸6の回転をキャリア11に伝達して、キャリア11に3等分して遊着された遊星歯車12を回転させる。この遊星歯車12は、キャリア11に連動ピン13を固着して、この連動ピン13に遊星歯車12が回転可能にメタル・ベアリングを介して支承され、外周面に噛合う内歯車14に沿ってピニオン15に増速した回転を伝達する。
ピニオン15は、出力軸16と一体に備えてあり、軸受17に支承されて高速回転で出力軸16を回転させる。ケース本体9は、用水路Kに設置されたベース8に搭載して固着される取付けベース18を備え、インロー20により正確に容易に取付け孔19にボルトで締結される。
増速比は、3倍〜13倍にして、ピニオン15と内歯車14の歯数を変更することで速比が変わり、介在する遊星歯車12を噛合うように設置すればよい。例えば、内歯車14の歯数を99枚にして、ピニオンの歯数を45枚にすると3倍の増速になり、ピニオンの歯数を9枚にして、内歯車14を歯数を105枚に変えることで13倍に変更することができる。また、内歯車の歯数を99枚〜132枚のものを数点備え、ピニオンの歯数を9枚〜45枚のものに変化させることで、機種が多種類にでき、あらゆる用水路Kと流水Wの環境に対する用途に応えることができる。
水力発電用増速装置1は、スクリュウ7に流水Wの流れる抵抗を受けて回動をし、スクリュウ軸6を回転させて駆動力として変速機4に高トルクの低回転数を入力軸10に伝達することで、変速機4の出力軸16から低トルクの高回転数を得ることができ、発電機3に伝達することで電気を発生させることができる。入力軸10は、始動時に大きなトルクを必要として、スクリュウ7の羽根の角度を変化させより高トルクの入力を得るようにして、増速比の低いものでは可能であり、増速比が高くなると流水Wだけでは入力軸10を駆動回転ができないので、外部からの駆動力を付加することになる。
外部の付加は、水力発電用増速装置1の発電機3を電動モータの作用にして、初期時だけ発電機3を駆動させて変速機4の出力軸16を回転させて、高トルクの低回転を入力軸10に伝達して、スクリュウ軸6を回転させる。このスクリュウ軸6の回転は、起動時の初期回転をすることで、流水を受けて駆動力を得ることができ、発電機3を発電作用に切り替えて発電装置としての機能を発揮する。
(実施例2)
実施例1の水力発電用増速装置1では、スクリュウ軸6から出力軸16まで直線的に延びており、当該出力軸16の上に発電機3が配置されている。さらに、用水路Kの水流Wが垂直下方向に流れ落ちるように段差Dを設けている。これに対して、実施例2の水力発電用増速装置101では、図3に示すとおり、スクリュウ軸106と入力軸110との間に、その両端に第1及び第2連結部131及び132を備えた連結軸130を介在させている。さらに、用水路(又は河川水路)Kには、人工的な段差Dが設けられておらず、水流Wが用水路Kに沿って上流から下流に向けて発生している。
すなわち、水力発電用増速装置101は、用水路Kの流水Wに対向して回転するプロペラ形のスクリュウ107と、当該スクリュウ107が軸接されたスクリュウ軸106と、当該スクリュウ軸106の一端に第1連結部131を介して屈折(直交)して接続された連結軸130と、当該連結軸130の他端に第2連結部131を介して屈折(直交)して接続された入力軸110と、当該入力軸110の回転を増速可能に構成された変速機(増速機構)104と、入力軸110と同心軸に配置されていると共に当該変速機104の出力を発電機103に伝達する出力軸116と、を備えている。つまり、用水路Kの水中にスクリュウ軸106が配置され、当該スクリュウ軸106の端部(第1連結部131)から連結軸130が用水路Kの水面の垂直上方に延び出て、さらに、連結部130の端部(第2連結部132)から入力軸110が用水路Kの沿岸にまで延びている。そして、入力軸110が接続される変速機104、及び、変速機104の出力を受ける発電機103が沿岸に配置されている。なお、変速機104は、実施例1の変速機4と同様の構造を有し得るため、その説明を省略する。
図4(a)に示すとおり、用水路Kの流水Wに沿って配置されたスクリュウ軸106の回転が第1連結部131を介して上方に折れ曲がって直交する連結軸130に伝達される。図4(b)に示すとおり、連結軸130の回転が第2連結部132を介して側方に直交する入力軸110に伝達される。このとき、第1及び第2連結部131及び132は、その内部にベベルギヤ(かさ歯車)又はハイポイドギヤを有しており、直交(屈折)方向にスクリュウ軸106からの回転を効率的に伝達可能である。そして、当該伝達された入力軸110の回転が、変速機104を介して3〜13倍に増幅され、この増幅した回転が同心軸に配置された出力軸116に伝達され、当該出力軸116からの出力が発電機103に入力されることによって、発電機103が電力を発電する。なお、本発明の屈折角は直角に限定されず、流水Wの方向に応じて最大発電効率を達成するように任意に変更可能である。例えば、流水Wの方向に合わせるために、ベベルギヤを交換して軸間の屈折角を変更することができる。あるいは、即時に屈折角を調節して固定できるように角度調節手段を追加することもできる。このような角度調節手段として、第1及び第2連結部131、132で各軸を90度以上に折曲可能にするために、従来式の自在継手(ユニバーサルジョイント)を採用することができるが、本明細書では図示することを省略する。
また、図3及び4のスクリュウ(回転体)107は、プロペラ式のものが採用されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、図5のようなアルキメディアン・スクリュー107Aを採用してもよい。また、図6のようなタービン式のスクリュウ107Bであってもよい。あるいは、図7のように水車式の回転体107Cを選択することができる。この場合、回転体107Cが用水路Kの流水Wに対向して回転するように配置されているので、スクリュウ軸106Cが用水路Kの流水Wと直交するように配置される。そして、第1連結部131Cがスクリュウ軸106Cと連結軸130Cとを直交するように連結し、且つ、第2連結部132Cが連結軸130Cと入力軸110Cとを直交するように連結して、スクリュウ軸106Cの回転を、同様に、陸上に配置された変速機104Cまで伝達することができる。
本実施例2の水力発電用増速装置101では、回転伝達機構(ベベルギヤ又はハイポイドギヤ)を有する第1連結部131及び第2連結部132によって、スクリュウ軸106と入力軸110とを直交させ、且つ、入力軸110と出力軸116とを直交させることにより、各軸の角度関係を用水路Kの流水に合わせて調節することができるので、スクリュウ107を最も効率的に回転させるように用水路Kの流水Wに対向させて配置することができる。
さらに、この各軸の屈折関係により、変速機(増速機)104及び発電機103を水上の沿岸部に配置することができる。すなわち、実施例1の水力発電用増幅装置1では、各軸が一直線に配置され、変速機4及び発電機3が水面近傍に設置されているため、外枠2及びケース9によって内部を密閉する防水処理を十分に施さなければ、変速機4及び発電機3の内部に水が入り込んで装置が故障する虞があった。さらに、鋼性のワイヤによって、水力発電用増幅装置1及び発電機3を宙に浮いた状態でしっかりと支持しなくてはならなかった。これに対して、実施例2の水力発電用増幅装置101では変速機104及び発電機103を陸上に配置可能であるので、装置内に水が入り込んで故障する虞を著しく軽減させることができる。さらに、実施例1のようにワイヤ等で装置自体を水上に固定する必要がなくなるため、設置が容易であると共に安定して設置可能であるという利点を有する。
したがって、実施例2の水力発電用増速装置101によれば、発電効率を犠牲にすることなく、変速機104及び発電機103の設置箇所を任意に選択し、当該水力発電用増速装置101を容易に設置可能であるという効果を奏する。
本発明は上述した実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限りにおいて種々の態様で実施しうるものである。
1、101 水力発電用増速装置
2 外枠
3、103 発電機
4、104 変速機(増速機構)
5 継手
6、106 スクリュウ軸
7、107 スクリュウ
8 ベース
9 ケース本体
10、110 入力軸
11 キャリア
12 遊星歯車
13 連動ピン
14 内歯車
15 ピニオン
16、116 出力軸
17 軸受
18 取付けベース
19 取付け孔
20 インロー
27 スクリュウ軸受
130 連結軸
131 第1連結部
132 第2連結部
W 流水
O 軸心
K 用水路(河川水路)

Claims (5)

  1. 用水路又は河川水路において、その流水を受けて回転するスクリュウの回転を変速し、発電機に連結する水力発電用増速装置であって、
    前記スクリュウが着設し、流水の落下または流れを受けて回転するスクリュウ軸と、
    前記スクリュウ軸の回転が伝達される入力軸と、
    前記入力軸の同心軸に配置されていると共に、前記発電機に連結した出力軸と、
    前記入力軸と前記出力軸との間に介在し、前記入力軸から入力した回転を3倍から13倍の範囲で増幅して前記出力軸に出力する増速機構と、を備えることを特徴とする水力発電用増速装置。
  2. 前記増速機構は、増速比が異なる複数の機種から選定され、前記出力軸の回転数が前記発電機の高効率回転数となるように前記入力軸の回転数を増幅することを特徴とする請求項1に記載の水力発電用増速装置。
  3. 前記複数の機種は、それぞれ同一の入力軸径、出力軸径、及び、取付けベース位置に構成されていることを特徴とする請求項2記載の水力発電用増速装置。
  4. 前記増速機構は、内歯車の中心に出力軸の歯車を配置して、該歯車に噛合う3点遊星歯車であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の水力発電用増速装置。
  5. 前記スクリュウ軸と前記入力軸とを連結する連結軸と、
    前記連結軸の一端に設けられ、前記スクリュー軸と前記連結軸とを屈折させて連結する第1連結部と、
    前記連結軸の他端に設けられ、前記連結軸と前記入力軸とを屈折させて連結する第2連結部と、をさらに備え、
    前記スクリュウが水流に対向して回転するように配置され、前記スクリュウの回転が前記第1連結部、前記連結軸及び前記第2連結部を介して前記入力軸に伝達されることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の水力発電用増速装置。
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