JP2013174333A - 水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐摩擦性に優れた小型の水力発電装置を提供する。
【解決手段】水力発電装置は、外周にらせん翼３０が設けられ、らせん翼３０に向かう水流によって回転する中空軸３２と、中空軸３２を軸方向に貫通し、回転不能に固定された固定軸２０と、固定軸２０に対して中空軸３２を回転可能に支持する軸受３４と、中空軸３２の内部に設けられた発電機４０と、中空軸３２の内部において、中空軸３２の端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０に伝達する変速機５０とを備える。軸受３４は、耐腐食性を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水力発電装置に関し、特に、らせん翼が設けられた水力発電装置に関する。

一般的には、大規模なダムを建設して数ＭＷ〜数千ＭＷの大電力を発生させる水力発電が知られている。このような大規模な水力発電以外にも、比較的小落差あるいは小水量の水流を利用して１００ｋＷ以下の発電を行なう小水力発電がある。小水力発電用の水車には、大型の水力発電と同様のペルトン水車、フランシス水車またはカプラン水車を小型化した水車が用いられる。その他、中規模以下の水力発電に適したクロスフロー水車またはバルブ水車などが用いられる。これらの水車を用いた水力発電では、閉鎖された水路を設けて水流を水車に導く必要がある。

一方、発電規模はさらに小さくなるが、農業用水路のような開水路に設置するタイプの水車として上掛け水車、下掛け水車、らせん水車などがある。特に下掛け水車とらせん水車を用いれば、１ｍ前後、あるいは１ｍ以下の低落差で発電が可能となる。

特開２００９−２２１８８２号公報（特許文献１）、特開２００７−１５４８６２号公報（特許文献２）、特開昭６３−５７８７４号公報（特許文献３）、大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報（特許文献４）は、らせん水車に関する技術を開示する。

特開２００９−２２１８８２号公報 特開２００７−１５４８６２号公報 特開昭６３−５７８７４号公報 大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報

例えば、特開２００９−２２１８８２号公報の図１に示されるように、らせん水車を用いた水力発電装置は、発電機と、らせん水車からの駆動力を発電機に伝達するためのシャフトおよび増速機とを備える。したがって、水力発電装置を設置する際には、らせん水車を設置する場所に加えて、発電機、シャフトおよび増速機を設置する場所を確保する必要がある。特に通常の発電機や増速機は、水没を想定した設計とはなっていないため水面より上方に設置する必要があり、水車本体とこれらの機器とを連結するシャフトは十分に長くなければならない。しかしながら、らせん水車を用いた水力発電装置は、農業用水路のような狭い空間に設置することが想定されているため、水力発電装置を小さく構成することが望ましい。

そこで、発明者らは、水力発電装置を小さく構成するために、らせん水車をフレームで囲い、フレームに固定された固定軸を設け、らせん翼を保持する中空軸の内部に発電機と増速機とを内蔵させる方式を採用した。しかしながら、本方式によるらせん水車は、軸心程度まで水没することから、中空軸内部に水が浸入してしまい、固定軸と中空軸との間に設けられた軸受が腐食してしまう可能性がある。軸受が腐食すると、らせん水車を滑らかに回転させることができなくなり、安定した発電が困難となるという問題が発生する。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、耐腐食性に優れた小型の水力発電装置を提供することである。

ある実施例において、水力発電装置は、外周にらせん翼が設けられ、らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸と、中空軸を軸方向に貫通し、回転不能に固定された固定軸と、固定軸に対して中空軸を回転可能に支持する軸受と、中空軸の内部に設けられた発電機と、中空軸の内部において、中空軸の端部と発電機との間に設けられ、中空軸からの駆動力を発電機に伝達する伝達部材とを備える。軸受は、耐腐食性を有する。

この構成によると、中空軸内部に水が浸入したとしても、軸受が耐腐食性を有することから、らせん水車の軸は滑らかな回転を維持することができる。したがって、水力発電装置は、発電効率を落とすことなく長期的に安定した発電が可能となる。

さらに別の実施例において、軸受は、内輪および外輪からなる軌道輪と、内輪および外輪間に介在する転動体とを含む転がり軸受である。

この構成によると、保守性、互換性に優れる転がり軸受を適用することにより、メンテナンスコストを抑制することができる。

さらに別の実施例において、軌道輪は、ステンレス鋼からなる。
この構成によると、転がり軸受の軌道輪の耐腐食性をより向上させることができる。

さらに別の実施例において、転動体は、窒化ケイ素からなる。
この構成によると、転動体の耐腐食性をより向上させることができる。なお、軌道輪はステンレス鋼からなり、転動体は窒化ケイ素からなるハイブリッド軸受としてもよい。これにより、耐腐食効果を高めるとともに、部分的に窒化ケイ素のようなセラミックス材料を適用することで、軸受の軽量化を図ることができる。

水力発電装置の概略構成図である。 らせん水車の断面図を示す図である。 変速機のスケルトン図である。 軸受の構成の一例を示す概略断面図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、水力発電装置の概略構成図である。
図１を参照して、水力発電装置１０は、らせん水車１２と、らせん水車を囲うフレーム１４とを備える。らせん水車１２は、フレーム１４内で回転する。らせん水車１２の回転によって得られた電力は、導線１６を介して例えばインバータ１８に伝えられる。インバータ１８は、電流を整流し、照明等の電気機器に電力を供給する。

らせん水車１２は、１０〜２０度程度の適度な傾斜を有する開放水路に設置される。らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置される。水面が中空軸の上端より高い位置にある場合、水が軸を乗り越えるために抵抗となる一方、水面が軸心よりも著しく低いと、らせん水車１２が受ける有効な水量が減少するため十分な発電量が得られないためである。傾斜がほとんどない水路にらせん水車１２を設置する場合は、軸をフレームの底面に対して１０〜２０度程度傾斜させてもよい。

図２は、らせん水車の断面図を示す図である。
図２を参照して、らせん水車１２についてさらに説明する。らせん水車１２は、固定軸２０と、らせん翼３０と、中空軸３２と、発電機４０と、変速機５０とを備える。

固定軸２０は、回転不能にフレーム１４に固定され、中空軸３２を軸方向に貫通する。らせん翼３０は、中空軸３２の外周面に設けられる。中空軸３２は、円筒状の外径を有する。中空軸３２は、らせん翼３０に向かう水流によって回転するように、固定軸２０により回転可能に支持される。固定軸２０と中空軸３２との間には、中空軸３２の上流側端部には軸受３４Ａ、中央部には軸受３４Ｂ、下流側端部には軸受３４Ｃ（以下、軸受３４Ａ〜３４Ｃを総称して軸受３４とする）が設けられる。軸受３４は、固定軸２０に対して中空軸３２を回転可能に支持する。軸受３４Ａおよび３４Ｃは、一例として、片側接触シール付軸受である。シールが外側になるように、軸受３４Ａおよび３４Ｃが設けられる。なお、軸受の種類は片側接触シール付軸受に限定されない。シールを軸受の両側に設けてもよい。その他の種類の軸受を設けてもよい。また、詳細は後述するが、本実施の形態に係る軸受３４には、水が中空軸３２内部に浸入した場合を想定して、耐腐食性を有する材料が用いられている。

中空軸３２の上流側端部の開口は、蓋部材３７により封止される。同様に、中空軸３２の下流側端部の開口は、蓋部材３８により封止される。

発電機４０は、中空軸３２の内部に設けられる。発電機４０は、固定軸２０に回転可能に支持され、かつ変速機５０の出力側に連結されたロータ４２と、固定軸２０に固定されたステータ４４とを含む。発電機４０は、アウターロータ型の発電機である。発電機４０は、ロータ４２が回転することにより発電する。発電機４０により発生された電力は、導線１６を介してインバータ１８に供給される。

変速機５０は、中空軸３２の内部において、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０のロータ４２に伝達する。変速機５０の入力側は、中空軸３２に連結される。本実施の形態において、変速機５０の変速比は１よりも小さい。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の回転速度を増速して発電機４０に伝達する。変速比は１以上であってもよい。また、変速比は変更可能であってもよい。変速比を変更可能にすれば、たとえば水量の変化に起因してらせん水車１２の回転速度が変化しても、最も効率のよい速度で発電機４０を駆動することができる。なお、本実施の形態においては、変速機５０が、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられている例について説明するが、これに限られない。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の下流側端部と発電機４０との間に設けられていてもよい。

本実施の形態に係る水力発電装置１０においては、発電機４０と変速機５０とが中空軸３２の内部に収められているため、水力発電装置１０の大きさを、中空軸の大きさと同等にできる。特に、水力発電装置１０の長さを、中空軸の長さと同等にできる。その結果、水力発電装置１０を小型化できる。

また、中空軸３２を支持する軸と、発電機４０を支持する軸とに共通の固定軸２０が用いられるため、水力発電装置１０の構成を簡素化できる。

図３は、変速機のスケルトン図である。
図３を参照して、変速機５０についてさらに説明する。変速機５０は、一方の軸から他方の軸へ滑りなく動力を伝達できる歯車で構成されており、第１遊星歯車５１と、第２遊星歯車５２とを含む。第１遊星歯車５１のサンギヤ５１Ｓならびに第２遊星歯車５２のサンギヤ５２Ｓは、固定軸２０に回転不能に固定される。第１遊星歯車５１のキャリア５１Ｃは、中空軸３２に連結される。第１遊星歯車５１のプラネットギヤ５１Ｐは、サンギヤ５１Ｓと第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒとの間に設けられ、第２遊星歯車５２のプラネットギヤ５２Ｐは、サンギヤ５２Ｓと第２遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒとの間に設けられる。プラネットギヤ５１Ｐ、プラネットギヤ５２Ｐは、それぞれキャリア５１Ｃ、キャリア５２Ｃに連結される。リングギヤ５１Ｒは、第２遊星歯車５２のキャリア５２Ｃに連結される。リングギヤ５２Ｒは、発電機４０のロータ４２に連結される。

複数の遊星歯車を設けることにより、中空軸３２の回転速度を大きく増速または減速させることができる。なお、第２遊星歯車５２を設けずに、第１遊星歯車５１のみを設け、第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒを発電機４０のロータ４２に連結するようにしてもよい。また、３つ以上の遊星歯車を図３に示す構成と同様の態様で連結するようにしてもよい。

遊星歯車を用いて変速機５０を構成することにより、変速機５０の軸心と中空軸３２の軸心とを同じにできる。そのため、らせん水車１２の外径を大きくしなくても、中空軸３２の内部に変速機５０を収めることができる。したがって、水力発電装置１０を小型化できる。

図２に戻って、らせん水車１２が設置された水路に水を導入すると、らせん翼３０に衝突した水は、重力（位置エネルギー）と初速度（運動エネルギー）との作用によってらせん翼３０に回転モーメントを与える。これにより、中空軸３２が回転するとともに、発電機４０のロータ４２が駆動される。その結果、発電機４０のロータ４２と固定軸２０に固定されたステータ４４との間の相対回転運動により電力が発生する。

このとき、外周にらせん翼３０を有する中空軸３２は、軸受３４により固定軸２０に対して回転可能に支持されることで、滑らかに回転することができる。しかしながら、らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置されていることから、水が中空軸３２の内部に浸入する可能性がある。水が中空軸３２に浸入すると、軸受３４は水が付着することにより腐食してしまう。すなわち、軸受３４が、一般的な低合金鋼等からなる場合には、軸受３４が錆び付いてしまう。したがって、軸受３４の機能が損なわれるため、中空軸３２は滑らかに回転することができなくなる。

そこで、本実施の形態に係る水力発電装置１０における軸受３４は、耐腐食性を有する材料が用いられる。軸受３４としては、たとえば、保守性、互換性に優れる転がり軸受である。

図４は、軸受３４の構成の一例を示す概略断面図である。ここでは、軸受３４が、深溝玉軸受である場合について説明する。なお、ここでは、軸受３４Ａおよび軸受３４Ｃに設けられているシール部分については図示を省略する。

図４を参照して、軸受３４は、環状の外輪８２と、外輪８２の内側に配置された環状の内輪８３と、外輪８２と内輪８３との間に配置され、円環状の保持器８４に保持された、転動体としての複数の玉８１とを備えている。外輪８２の内周面には外輪転走面が形成されており、内輪８３の外周面には内輪転走面が形成されている。そして、内輪転走面と外輪転走面とが互いに対向するように、外輪８２と内輪８３とが配置されている。さらに、複数の玉８１は、玉転走面（表面）において内輪転走面および外輪転走面に接触し、かつ保持器８４により周方向に所定のピッチで配置されることにより円環状の軌道上に転動自在に保持されている。以上の構成により、軸受３４の外輪８２および内輪８３は、互いに相対的に回転可能となっている。

中空軸３２内部に浸入した水による腐食を防ぐために、外輪８２および内輪８３とから構成される軌道輪は、材料としてステンレス鋼が用いられる。なお、複数の玉８１や保持器８４等の部材についても、材料としてステンレス鋼が用いられてもよい。これにより、軸受３４の耐腐食性をより向上させることができる。ステンレス鋼としては、たとえば、ＳＵＳ４４０Ｃを用いることができる。

複数の玉８１は、耐腐食性をより向上させるために、材料として窒化ケイ素が用いられてもよい。なお、軸受３４のその他の部材についても、窒化ケイ素が用いられてもよい。さらに、軸受３４は、軌道輪がステンレス鋼からなり、複数の玉８１が窒化ケイ素からなるハイブリッド軸受であってもよい。このように、部分的に窒化ケイ素のようなセラミックス材料を適用することで、コストを抑えつつ、耐腐食効果を高めるとともに、軸受３４の軽量化を図ることができる。

上記では軸受３４として深溝玉軸受について説明したが、これに限られない。たとえば、軸受３４は、アンギュラ玉軸受、円筒ころ軸受、針状ころ軸受、その他の軸受であってもよい。

上述したように、耐腐食性を有する軸受を適用することにより、中空軸内部に水が浸入していたとしても、らせん水車は滑らかな回転を維持することができる。したがって、水力発電装置は、発電効率を落とすことなく長期的に安定した発電が可能となる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 水力発電装置、１２ らせん水車、１４ フレーム、１６ 導線、１８ インバータ、２０ 固定軸、３０ らせん翼、３２ 中空軸、３４ 軸受、３７，３８ 蓋部材、４０ 発電機、４２ ロータ、４４ ステータ、５０ 変速機、５１，５２ 遊星歯車、５１Ｃ，５２Ｃ キャリア、５１Ｓ，５２Ｓ サンギヤ、５１Ｐ，５２Ｐ プラネットギヤ、５１Ｒ，５２Ｒ リングギヤ、８１ 玉、８２ 外輪、８３ 内輪、８４ 保持器。

Claims (4)

1. 外周にらせん翼が設けられ、前記らせん翼に向かう水流によって回転する中空軸と、
   前記中空軸を軸方向に貫通し、回転不能に固定された固定軸と、
   前記固定軸に対して前記中空軸を回転可能に支持する軸受と、
   前記中空軸の内部に設けられた発電機と、
   前記中空軸の内部において、前記中空軸の端部と前記発電機との間に設けられ、前記中空軸からの駆動力を前記発電機に伝達する伝達部材とを備え、
   前記軸受は、耐腐食性を有する、水力発電装置。
2. 前記軸受は、内輪および外輪からなる軌道輪と、前記内輪および前記外輪間に介在する転動体とを含む転がり軸受である、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記軌道輪は、ステンレス鋼からなる、請求項２に記載の水力発電装置。
4. 前記転動体は、窒化ケイ素からなる、請求項２または３に記載の水力発電装置。

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