JP2014013003A - 水潤滑式水力発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 水車本体の上流部から取出した潤滑水中に水潤滑軸受の軸受部で問題となる異物が混入しないように安定して除去できる水潤滑式水力発電装置を提供すること。
【解決手段】 水車本体２内を通流する水で回転するプロペラブレード１５とランナ１６を有する回転翼１７と、回転翼１７の外方に設けたステータ２０とを備え、回転翼１７は、ランナ１６を支持する水潤滑軸受３０，３１により支持し、水車本体２の軸受給水口４０から取出される水を水潤滑軸受３０，３１に供給して回転翼１７との間に水膜を形成し、軸受給水口４０は、軸受給水口４０から取出される水中から水潤滑軸受３０，３１と回転翼１７との隙間Ｓよりも大きい異物を除去するフィルタ部材５０を備え、更に、軸受給水口４０と水潤滑軸受３０，３１との間に、フィルタ部材５０を通過した重量異物ｔを沈下させる沈下容器部７０を備え、沈下容器部の下部を回転翼の下流側に開放している。
【選択図】 図４

Description

本発明は、水が通流する水管の中途に設けられ、水管内部を通流する水のエネルギで発電する水潤滑式の水力発電装置に関する。

近年、発電方法の１つとして、ダムの河川維持放流水、上下水道、小河川水、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。この小水力発電としては、例えば、１０００ｋＷ以下の小規模発電が可能な高低差のある河川維持放流や上下水道などでの発電方法として期待されている。

例えば、図１１に示すように、上記ダムの河川維持放流水を利用して小水力発電を行う場合、ダム１００の所定位置に設けられた河川維持放流口１０１からの水管１０２に設けられる。この水管１０２は、河川維持放流口１０１から下流方向に設けられたジェットフローゲート１０３まで設けられているので、その水管１０２の中途に小規模水力発電装置１１０を設けることで発電している。小規模水力発電装置１１０で発電に利用された水は、上記ジェットフローゲート１０３から河川へと放流される。

このように水管１０２の中途に水力発電装置１１０が設けられる場合、水力発電装置１１０の故障時等に河川維持放流を行うためのバイパスライン１０４が設けられている。バイパスライン１０４は、通常は上流側の弁１０５で閉じられているが、水力発電装置１１０が故障した場合等には、上記弁１０５が開放されるとともに、水力発電装置１１０の上流側及び下流側を弁１０６，１０７で閉じて、メンテナンスができるようになっている。なお、図１１では、バイパスライン１０４を水力発電装置１１０の上方に記載しているが、通常、側方に設けられる。

このような小水力発電に用いられる水力発電装置１１０としては、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、例えば、１ｍ〜２０ｍ程度の低落差、０．０６ｍ³／ｓ〜３ｍ³／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採用される。

このような水力発電装置に関する先行技術として、例えば、本出願人が先に出願した水力発電装置がある（例えば、特許文献１参照）。この水力発電装置では、円環状の固定子を水管外側に設け、外周に永久磁石を備え内周に複数のプロペラブレードを有する翼車を備えた円環状の回転子を、上記固定子の内側で回転させるようになっている。そして、水の通流によってプロペラブレードを介して回転子を回転させることで、固定子側で発電させている。この水力発電装置では、上記円環状の回転子が、側面と円周面に相対し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によって支持されている。

また、他の先行技術として、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たプロペラブレードと、このプロペラブレードの周囲に囲繞された筒状のランナの外周囲に設けられて一体回転する永久磁石と、この永久磁石に沿って設けられたステータとを備えた水力発電装置もある（例えば、特許文献２参照）。この水力発電装置では、上記ランナは、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、下流側面に水が供給されて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。

一方、上記ダムにおける河川維持放流水や、農業用水等には、土や砂の固体粒子などの重量がある異物（この明細書及び特許請求の範囲の書類中においては、「重量がある異物」を「重量異物」という）が混入している場合が多い。

そのため、上記したような水潤滑軸受を採用する機器においては、潤滑用の水に混入している砂などの異物を除去するようにしたものがある。例えば、取水した水を沈砂箱に入れて沈降させ、その上水を潤滑水として利用するようにしたものや（例えば、特許文献３参照）、取水した水を異物分級器に入れ、その異物分級機の出口から落下した異物減少水を選別槽に入れ、その選別槽からオーバーフローした清浄水を水中軸受の潤滑水として利用するようにしたものがある（例えば、特許文献４参照）。

特開２００６−１８９０１４号公報 特開２００８−１４２４６号公報 実開昭６２−２００１８０号公報 特開２００８−９５５６５号公報

ところで、上記特許文献１，２に記載されている水力発電装置は、図１２に示すように、水管内を通流する水Ｗを軸受給水口１１９から取出し、給水配管１１４を介してプロペラブレード１１１の軸受部１１２及び１１３に循環させて回転支持する構造となっている（この明細書及び特許請求の範囲の書類中では、水潤滑軸受に循環させる「水」を「循環水」ともいう）。この水潤滑式軸受１１２及び１１３は、油を使用しない軸受として水力発電装置１１０には有効であるが、給水配管１１４及び貫通穴１２３を設けて軸受部１１３及び１１２への連続給水ができるような構造にしなければならない。そして、プロペラブレード１１１と一体的に回転するランナ１１５と、スラスト軸受部１１７及びラジアル軸受部１１６との間の軸受隙間に常に水膜を形成し、その水膜によってランナ１１５のスラスト力及びラジアル力を支持する必要がある。

この軸受構造では、プロペラブレード１１１よりも上流方向の上流側水管部分１１８に設けられた軸受給水口１１９から循環水Ｗを取出している。そして、この循環水Ｗを給水配管１１４を介してステータ１２０の冷却用として用いた後、下流側の負荷側軸受部１１３（図１２に示す右側）へ供給し、さらに上流側の軸受部１１２にも貫通穴１２３及びキャン１２２の内側を通って循環するようにしている。

また、このような水潤滑式の軸受部に取出す水Ｗは、水管内を流れる水Ｗを取出しているため、水中の異物（この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「異物」は、水管内の水とともに流れる木材、枯葉、紙、及び上記砂などの重量異物、その他のゴミ等を全て含む）が軸受部に循環させられるおそれがある。そのため、主流からの取出し部である軸受給水口１１９には、給水配管１１４への大きな異物の取出しを防止するためのスリット（ルーバー）１２１が設けられ、大きな異物が軸受給水口１１９から取出されないようにしている。

一方、上記ダムにおける河川維持放流水や、小河川水、農業用水等には、例えば、台風や集中豪雨（ゲリラ豪雨）等によって想定していたよりも多量の異物が水中に混入する場合がある。また、河川維持放流水の場合など、ダムの取水口１２５（図１１）に設けられた異物除去網などを清掃した時などには多量の異物が水管内の水Ｗに入る場合がある。このような場合、上記した軸受給水口１１９のスリット１２１によって大部分の異物が取出されないように分離できるが、スリット１２１の隙間を通過する異物Ｔが水潤滑軸受１１３に供給する水Ｗの中に取込まれるおそれがある。

この異物Ｔは、多少の量であれば軸受部で破砕することができるが、許容範囲以上の異物Ｔが軸受給水口１１９から取出されると、ステータ１２０とランナ１１５との間や軸受部１１２，１１３の隙間に詰りを発生させるおそれがある。そして、軸受部１１２，１１３の隙間に異物Ｔが詰まると潤滑できなくなり、そのままの状態で回転を続けると回転翼が回転できなくなるおそれも生じる。

さらに、上記異物がステータ１２０とランナ１１５との間に入ると、ステータ１２０の内面をカバーしているキャン１２２を損傷するおそれがある。キャン１２２は、ステータ１２０の内面全面をカバーしているため、損傷して交換する場合は多くの時間と労力を要する。また、水力発電装置１１０の稼働率を低下させてしまう。

なお、上記特許文献１，２には、異物の大きさと軸受部の隙間との関係による異物の詰まりについて何ら記載されておらず、上記したように許容範囲以上の異物が水管内を流れた場合には上記したような問題を生じるおそれがある。

また、上記特許文献３には、水潤滑軸受の潤滑用水に混入している砂などの異物を除去することは記載されているが、除去した砂などの異物を排出することについては何ら記載されておらず、例えば、上記したような台風や集中豪雨時によって大量の異物が混入した場合には安定した異物除去が難しい。

さらに、上記特許文献４では、選別槽で潤滑用水に混入している砂などの異物を除去するとともに、選別槽に堆積した沈殿物を攪拌して排出口まで移動するようにしているが、電動機やスクリューを用いた複雑な排出構造が必要であり、この場合も、例えば、上記したような台風や集中豪雨時によって大量の異物が混入した場合には安定した異物除去が難しい。

また、このような異物の問題を解決する対策として、大型フィルタを設置して異物を除去した浄水を軸受部に供給する方法も考えられるが、設備が大掛かりになり、大幅なコストの上昇とフィルタのメンテナンスに費用と時間を要することになり、小水力発電のメリットが失われてしまう。

そこで、本発明は、水車本体の上流部から取出した潤滑水中に水潤滑軸受の軸受部で問題となる異物が混入しないように安定して除去できる水潤滑式水力発電装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、水が通流する水管の中途に設置し、該水管と内部が連通する水車本体を備えた水潤滑式水力発電装置であって、前記水車本体は、該水車本体内を通流する水によって回転するプロペラブレードと、該プロペラブレードと一体的に回転するランナ及び永久磁石と、を有する回転翼と、前記回転翼の永久磁石と対向するように設けたステータとを備え、前記回転翼は、前記ランナの上流部と下流部とをラジアル支持及びスラスト支持する水潤滑軸受により回転可能に支持し、前記水潤滑軸受は、前記水車本体の上流部に設けた軸受給水口から取出される水を給水配管を介して該水潤滑軸受に供給し、前記回転翼との間に水膜を形成して軸受として機能するように構成し、前記軸受給水口は、該軸受給水口から取出される水中から前記水潤滑軸受と回転翼との隙間よりも大きい異物を除去するフィルタ部材を備え、更に、前記軸受給水口と前記水潤滑軸受との間に、前記フィルタ部材を通過した重量異物を沈下させる沈下容器部を備え、該沈下容器部の下部を前記回転翼の下流側に開放している。この明細書及び特許請求の範囲の書類中における「フィルタ部材」は、所定の大きさの開口を有するメッシュ状のフィルタ材や、所定の大きさの開口を有する板状のフィルタ材等を具備したものをいう。

この構成により、軸受給水口から水潤滑軸受に取込まれる水中から水潤滑軸受と回転翼との隙間よりも大きい異物がフィルタ部材で除去されるので、水潤滑軸受と回転翼との間に供給される水は、この水潤滑軸受と回転翼との隙間よりも大きい異物が確実に除去された水となり、水潤滑軸受部分において異物の詰まり等を生じることを確実に防止することができる。従って、ステータとランナとの隙間に異物が詰まるのを防止し、ランナやキャン及びステータ等に問題が生じるのを未然に防ぐことができる。しかも、取水された水中の重量異物を沈下容器部で沈下させるので、細かい重量異物が取水されたとしても水潤滑軸受に達する前に除去することができ、小さい重量異物によってランナやキャン及びステータ等に問題が生じることも未然に防ぐことができる。その上、沈下容器部の下部を回転翼の下流側に開放させたことにより、沈下容器部の下部に沈んだ重量異物は回転翼の上流高圧側と下流低圧側との圧力差で下流側へ排出されるので、沈下容器部に重量異物を貯めることなく自動的に排出することができる。

また、前記ランナは、前記プロペラブレードの外周囲に設けられ、前記永久磁石は、前記ランナの外周囲に設けられ、前記ステータは、前記永久磁石の外方に設けられ、前記沈下容器部は、前記ステータの外周で冷却部を兼ねるように設けられていてもよい。このように構成すれば、沈下容器部の水でステータを外周から冷やし、軸受給水口から取水された水中の重量異物を沈下させながらその水を発電機の冷却水として兼用させることができる。

また、前記沈下容器部は、前記ステータの全周に連続して設けられていてもよい。このように構成すれば、ステータを全周から効率良く冷却することができる。

また、前記沈下容器部は、前記軸受給水口からの入水口が、前記水潤滑軸受への出水口よりも下方に設けられていてもよい。このように構成すれば、入水口から入った水中の重量異物を沈下容器部で早期に沈下させることができる。

また、前記沈下容器部は、該沈下容器部を上向きに移動する水の流速を調整する水流調整手段を備えていてもよい。このように構成すれば、沈下容器部内に取水される水中に多く含まれる重量異物の粒子径と水の流速との関係から、沈下容器部内における流速を沈下させたい粒子径に応じた流速に設定することができる。例えば、水潤滑軸受部の隙間が決定すれば、この隙間よりも大きな重量異物の粒子径と水中における沈降速度との関係式から、沈下容器部内での水の流速をその沈降速度よりも遅く設定することで、所望の粒子径の重量異物が沈下するように設定される。

また、前記沈下容器部は、水中の異物が通過するのを邪魔する邪魔板を備えていてもよい。このように構成すれば、沈下容器部内を移動する水の流れ方向を変化させて、水中に混在している重量異物をより確実に沈下させることができる。

また、前記軸受給水口は、前記水車本体の水平方向両側方よりも上方位置に配置されていてもよい。このように構成すれば、水車本体内を流れる土砂等の重い異物が軸受給水口から取出され難いようにすることができる。

また、前記フィルタ材は、内表面が水車本体の内表面と同一面となるように形成され、前記給水配管を流れる水の流速を、前記水車本体内を通流する水の流速の１／５を下回るようにしてもよい。このように構成すれば、フィルタ材の内表面に異物が付着したとしても、その異物が水車本体内を通流する水によって下流方向へ押し流されるようにできる。

また、前記給水配管に流量監視機器を設け、該流量監視機器で監視している流量が所定の流量を下回ると回転翼を停止させるように構成されていてもよい。このように構成すれば、フィルタ材に異物が詰まった場合や、軸受隙間に異物が堆積して水潤滑軸受部に所定の潤滑水流量が得られない場合でも、回転翼を迅速に停止させることができる。従って、水潤滑軸受への流量不足時に即時停止させて、潤滑水不足による回転翼への影響を最小限に食い止めることができる。上記流量監視機器としては、例えば、電磁流量計が利用でき、この電磁流量計で給水配管中の流量を常時監視することで、詰まりによる流量低下を生じたことを迅速に検知して自動的に回転翼を停止させることができる。

また、前記フィルタ部材は、前記フィルタ材を前記軸受給水口に取付けるフィルタ取付部材と、該フィルタ取付部材を前記水車本体に固定するフィルタ固定部材とを具備した接続構造を有していてもよい。このように構成すれば、フィルタ材に異物が詰まったとしても、フィルタ固定部材を外してフィルタ取付部材を水車本体から取外すことでフィルタ材を外して容易に掃除又は交換することができる。

また、前記軸受給水口は、前記水車本体の上流部に複数個配設され、前記給水配管は、前記複数個の軸受給水口から取出される水を前記水潤滑軸受と前記回転翼との間に供給するように構成されていてもよい。このように構成すれば、１つの軸受給水口に異物が詰まって取出す循環水量が減ったとしても、他の軸受給水口から取出した循環水を水潤滑軸受に供給することができるので、長期間の安定運用ができる。

本発明によれば、回転翼を支持する水潤滑式軸受部分に回転翼との隙間よりも大きな異物とともに重量異物が入り込まないようにでき、異物の多い使用条件であっても安定した運用ができる水潤滑式水力発電装置を提供することが可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係る水力発電装置を上流側から示す斜視図である。 図２は図１に示す水力発電装置を下流側から示す斜視図である。 図３は図１に示す水力発電装置の上部を一部断面にした斜視図である。 図４は図１に示す水力発電装置における構成を示す図面であり、(a) は上半部を示す縦断面図であり、(b) は(a) に示すIV部の拡大断面図である。 図５は図１に示す水力発電装置の発電機本体部分の外周部を模式的に示す断面図である。 図６は図５に示すVI矢視の側面図である。 図７は図４(a) に示す水力発電装置の軸受流量監視と自動停止させる制御の一例を示すグラフである。 図８は図１に示す水力発電装置の軸受給水口を詳細に示す縦断面図である。 図９(a) は図８に示すＡ−Ａ断面図であり、図９(b) は図８に示すＢ−Ｂ断面図である。 図１０は図８に示す軸受給水口のフィルタ材交換時の分解図である。 図１１は河川維持放流水を利用した小規模水力発電の概要を示す側面図である。 図１２は従来の水力発電装置における構成の上半部を示す縦断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の実施形態では、上述した図１１に示すような、ダムの河川維持放流水によって発電する水力発電装置１を例に説明する。また、水力発電装置１の軸中心方向を「内方向」、半径方向外方向を「外方向」という。さらに、回転翼の軸受部における半径方向を「ラジアル方向」、それと直交する回転軸方向を「スラスト方向」という。図中の矢印Ｗは、水Ｗの流れ方向を示す。

図１，２に示すように、この実施形態の水力発電装置１は、水管１０２（図１１）の中途に設置される水車本体２を有している。この水車本体２は、内径が水管１０２と同径に形成されている。また、水車本体２は、上流側水管部分３と発電機本体部分４と下流側水管部分５とから構成されている。この水力発電装置１は、上流側水管部分３と下流側水管部分５の端部に設けられたフランジ６，７を水管１０２に設けられたフランジ（図示略）と結合することで、水管１０２の中途に設けられる。

図３に示すように、上記水車本体２の上流側内周面には、周方向に等間隔で配設された複数のガイドベーン１０が固定されている。これらのガイドベーン１０の中心位置には、筒状のボス１１が設けられている。また、ボス１１は、ガイドベーン１０の下流方向に延び、その外周囲には、所定の隙間を保って軸流型に湾曲する複数枚のプロペラブレード１５を有する回転翼１７が配設されている。プロペラブレード１５は、ボス１１の周囲に等間隔で配置されており、ボス１１とは非接触で回転するようになっている。

上記ガイドベーン１０は、プロペラブレード１５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１５に適切な角度で効率良く当たるように形成されている。

上記プロペラブレード１５は、発電機本体部分４の内方に位置し、円筒状のランナ１６の内周面に固定されている。これにより、プロペラブレード１５が回転すると、ランナ１６が一体的に回転するようになっている。ランナ１６には、水車本体２の内径と同径のランナショルダ１８が上流方向及び下流方向に突設されている。ランナ１６の外周面側には、永久磁石１９が配設されている。

回転翼１７は、このランナ１６とランナショルダ１８の上流側と下流側とに配設された上流側水潤滑軸受３０及び下流側水潤滑軸受３１によって支持されている。これらの水潤滑軸受３０，３１は、ランナショルダ１８の外周面をラジアル支持するとともに、ランナ１６の前後方向支持面をスラスト支持するように構成されている（詳細は後述する）。

また、ランナ１６に設けられた永久磁石１９の外方周囲には、所定の隙間を開けてステータ２０（「ステータコア（積層鉄芯）」及び「ステータコイル」を含む）が設けられている。ステータ２０の内周面はキャン２１によって覆われており、外周側は発電機カバー２２で覆われている。

このような水力発電装置１によれば、水車本体２内に流れる水Ｗがガイドベーン１０によって方向が調整されると共に増速され、この水Ｗでプロペラブレード１５が効率良く回転させられる。そして、このプロペラブレード１５と一体的にランナ１６が回転させられ、ランナ１６に固定された永久磁石１９が、ステータ２０（ステータコア）に対して回転させられ、これによってステータ２０で発電することができる。

一方、図３及び図４(a) に示すように、上記水車本体２の内部を通流する水Ｗから上記水潤滑軸受３０，３１に循環水Ｗを取出す軸受給水口４０が、上記水車本体２の上流側水管部分３に設けられている。この軸受給水口４０は、水車本体２の水平方向両側方よりも上方位置（この例では、上流側水管部分３の頂部）に配置されている。このように軸受給水口４０を上方位置に配置することにより、水車本体２内を流れる土砂等の重量異物ｔが軸受給水口４０から取込まれ難いようにしている。

そして、上記発電機本体部分４の外周に、上記軸受給水口４０に接続された給水配管４１から取出された循環水Ｗが供給される沈下容器部７０が設けられている。この沈下容器部７０は、発電機本体部分４における上記ステータ２０の周囲に設けられた発電機カバー２２の外周に設けられている。発電機カバー２２の両側部には半径方向外方に突出する側壁部２３が設けられ、その外周に外板７１が設けられ、これら発電機カバー２２と側壁部２３と外板７１とで囲われた空間に沈下容器部７０が形成されている。これにより、発電機本体部分４に設けられたステータ２０の全周で連続するように沈下容器部７０が形成されている。

このように形成された沈下容器部７０には、上流側水管部分３から取出した循環水Ｗが供給され、発電機カバー２２を介してステータ２０が発電時に発生する熱を循環水Ｗで効率的に除去するようになっている。つまり、この実施形態の沈下容器部７０は、循環水Ｗを発電機部分の冷却水として兼用する冷却容器でもある。また、この沈下容器部７０は、後述するように、取出された循環水Ｗに混入している砂などの重量異物ｔを沈下させて除去している。詳細な構成は後述する。

さらに、この沈下容器部７０の上部に設けられた給水配管４２から重量異物ｔが除去された循環水Ｗが取出され、下流側水潤滑軸受３１に下流方向から供給される。下流側水潤滑軸受３１の下流側端面には、凹部３２が全周に形成されており、この凹部３２に上記給水配管４２から循環水Ｗが供給されている。

この給水配管４２には、電磁流量計４７が設けられており、沈下容器部７０から水潤滑軸受３１，３０に供給される軸受潤滑水量が監視できるようになっている。また、給水配管４２には、流量調整バルブ（流量調整手段）４８が設けられており、水潤滑軸受３１，３０に供給される軸受潤滑水量の調整ができるようになっている。

そして、下流側水潤滑軸受３１の凹部３２に供給された水Ｗが、貫通穴３３から下流側水潤滑軸受３１とランナ１６との隙間Ｓに供給されて水膜が形成されるようになっている。この下流側水潤滑軸受３１の凹部３２に供給された循環水Ｗは、ランナ１６と下流側水潤滑軸受３１、キャン２１及び上流側水潤滑軸受３０との間に供給される。

上記凹部３２に供給された循環水Ｗは、下流側水潤滑軸受３１の上流側端面（スラスト軸受面）に供給されて水膜を形成する。この循環水Ｗは、下流側水潤滑軸受３１から上流方向に離間した軸受給水口４０から静圧が作用しているため、この静圧が作用している循環水Ｗによって形成される水膜は、下流側水潤滑軸受３１にスラスト対抗力を発生させる。しかし、ランナ１６は、運転（発電）と同時に水流によって下流側に押付けられるので、この実施形態では下流側水潤滑軸受３１のスラスト面を凹凸形状部３４（例えば、所定間隔で凹溝を形成）に加工し、この凹凸形状部３４によって回転するランナ１６と下流側水潤滑軸受３１との間の潤滑水Ｗに大きなスラスト対抗力が発生するようにしている。これにより、下流側水潤滑軸受３１のスラスト対抗力発生に十分な水圧を保ち、ランナ１６に作用する大きな下流方向のスラスト力を下流側水潤滑軸受３１で支持している。

また、この水潤滑軸受３０，３１とランナショルダ１８との間にも循環水Ｗが供給されて水膜が形成され、ランナショルダ１８の外周面（ラジアル軸受面）に形成された水膜でラジアル方向の力を支持している。ラジアル方向は通常の円筒形状であるため、回転により潤滑水Ｗには外向きの対抗力が発生し、その対抗力によってラジアル方向の力を支持している。

さらに、下流側水潤滑軸受３１に供給された循環水Ｗは、ランナ１６の外周面とステータ２０のキャン２１の内周面との隙間Ｓから上流側水潤滑軸受３０にも供給される。そして、上流側水潤滑軸受３０でも、ランナ１６及びランナショルダ１８との間に水膜を形成し、ラジアル方向の力及びスラスト方向の力を支持している。

これら上流側水潤滑軸受３０及び下流側水潤滑軸受３１の潤滑に利用された水は、水車本体２の内方に排出されて下流方向へと流される。

なお、上記水潤滑軸受３０，３１は、例えば、ステンレス製で形成され、その軸受面がセラミック製で形成される。これにより、水潤滑軸受３０，３１に供給される水に異物が混入したとしても、軸受面で粉砕して水と一緒に排出してしまうことができる。しかし、上記したように、多量の異物が流入した場合には破砕されずに詰まりを生じるおそれがある。その上、回転翼１７のランナ１６と固定側であるステータ２０のキャン２１との隙間Ｓよりも大きな異物Ｔが混入した場合、樹脂等で形成されるキャン２１を傷付けてしまうおそれもある。

そこで、上記軸受給水口４０に、上記回転翼１７のランナ１６と固定側のキャン２１との隙間Ｓよりも大きい異物Ｔを除去するフィルタ部材５０が設けられている。このフィルタ部材５０に設けられたフィルタ材５１は、ランナ１６とキャン２１との隙間Ｓよりも小さい目開きのメッシュ等が利用される。このように、軸受給水口４０に目開き（「メッシュサイズ」ともいう）の細かいフィルタ材５１を取付けることにより、給水配管４１へ大きい異物Ｔが取出されるのを防止している。つまり、フィルタ材５１により、上記水潤滑軸受３０，３１と回転翼１７との隙間Ｓに詰まるような大きさの異物Ｔを、上記軸受給水口４０で予め除去している。

図４(b) に示すように、この実施形態のフィルタ材５１は、板材に所定の目開きの開口穴５２を設けたものが採用されている。また、フィルタ材５１は、内表面が水車本体２の内表面と同一面となるように形成されている。このようにすれば、フィルタ材５１の内表面に異物Ｔが付着したとしても、その異物Ｔが水車本体２内を通る水Ｗによって押し流され易いようにできる。

また、フィルタ材５１の内表面側を流れる水Ｗの流速に対し、フィルタ材５１から取出されて給水配管４１内を流れる水Ｗの流速を１／５を下回るように設定すれば、フィルタ材５１の内表面に異物Ｔが付着したとしても、その異物Ｔが水車本体２内を通る水Ｗによって安定して押し流されるようにできる。この給水配管４１内における水Ｗの流速は、好ましくは、水車本体２内を流れる水Ｗの流速の１／１０程度とすることで、更にフィルタ材５１の内表面に付着した異物Ｔが押し流されやすいようにできる。

また、この実施形態では、図４(a) に示すように軸受給水口４０を１つ設けているが、複数個の軸受給水口４０を設けることで、１つの軸受給水口４０に異物Ｔが詰まって取出し水量が減ったとしても、他の軸受給水口４０から十分な循環水Ｗを取出すようにできる。軸受給水口４０の数は、使用条件等に応じて決定すればよい。

さらに、上記給水配管４１には、途中に流量監視機構である電磁流量計４５が設けられている。この電磁流量計４５により、給水配管４１内を流れる流量（水量）を監視している。電磁流量計４５を設けることにより、上記フィルタ材５１に異物Ｔが詰まって軸受給水口４０から水Ｗが取出せなくなったことを給水配管４１内の流量低下で自動的に検知し、その給水配管４１内の流量低下で異物Ｔの詰り等が発生したと判断して水力発電装置１を停止させるような制御を自動的に行うことができる。

一方、図５に示すように、上記発電機本体部分４の外周に設けられた沈下容器部７０は、この実施形態では円筒形状の空間に形成されており、発電機本体部分４の周囲に同じ断面積で形成されている。

そして、上記フィルタ部材５０から取出された循環水Ｗが、沈下容器部７０の両側部に設けられた入水口７２から沈下容器部７０の内部に供給されている。この沈下容器部７０は、入水口７２から供給された循環水Ｗに混入している重量異物ｔを下方へ沈下させて除去する容器であり、出水口７３が上部に設けられている。

この実施形態では、沈下容器部７０の両側部に入水口７２を設けて循環水Ｗを入れることで、沈下容器部７０内における循環水Ｗの流速を遅くしている。この沈下容器部７０の内部における循環水Ｗの上向き流速は、例えば、水潤滑軸受３０，３１の隙間Ｓが決定すれば、この隙間Ｓよりも大きな重量異物ｔの粒子径と水中における沈降速度との関係式から、沈下容器部７０内での水の流速をその沈降速度よりも遅く設定することで、所望の粒子径の重量異物ｔが沈下するように設定される。従って、循環水Ｗに混入している重量異物ｔは、入水口７２から沈下容器部７０に入った位置から下方へ沈下させられる。

また、この沈下容器部７０の上部に設けられた出水口７３には、重量異物ｔを沈下させた循環水Ｗを潤滑用水として取出す給水配管４２が接続されている。この給水配管４２から取出された循環水Ｗは、後流側の水潤滑軸受３１に供給されている。この沈下容器部７０の上部から取出される水Ｗは、水潤滑軸受３１の隙間に詰まったり軸受面を傷つける重量異物ｔが含まれていないため、これらを傷つけることはない。

さらに、この給水配管４２には、上述したように電磁流量計４７と流量調整バルブ４８とが設けられており、水潤滑軸受３１，３０に供給される軸受潤滑水量の監視と水量調整とができるようになっている。この電磁流量計４７を監視することでも、上記フィルタ材５１に異物Ｔが詰まって軸受給水口４０から水Ｗが取出せなくなったことを自動的に検知し、給水配管４２内の流量低下で異物Ｔの詰り等が発生したと判断して水力発電装置１を停止させるような制御を自動的に行うことができる。流量調整バルブ４８を調整すれば、水潤滑軸受３１，３０に供給される軸受潤滑水量を調整することができる。

また、沈下容器部７０の下部には排出管４３が設けられている。この排出管４３は、沈下容器部７０の下部を回転翼１７の下流側である下流側水管部分５の下部に接続している。この排出管４３には流量調整バルブ４４が設けられている。この流量調整バルブ４４は、水流調整手段であり、沈下容器部７０の下部から下流側に排出される流量を調整することにより、上記したように沈下容器部７０内で上向きに移動する水Ｗの流速を調整できるようにしている。

さらに、沈下容器部７０の下部を回転翼１７の下流側に開放することにより、回転翼１７の上流側と下流側との圧力差によって、沈下容器部７０の下部に沈下した重量異物ｔを含む水Ｗが回転翼１７の下流方向へ排出されるようにしている。この重量異物ｔを含む水Ｗの排出は、回転翼１７の上流側と下流側とにおける圧力差で行っているため、自動的に行うことができる。また、沈下容器部７０の下方へ沈下した重量異物ｔは留まることなく下流側へ排出されるので、沈下容器部７０内における重量異物ｔの掃除も不要である。

なお、この実施形態では沈下容器部７０の両側部に入水口７２を設けているが、二点鎖線で示すように、沈下容器部７０の下部に入水口７２を設けるようにしてもよい。また、沈下容器部７０の内部流速によっては、１箇所から入水させるようにしてもよい。

図６は上記沈下容器部７０の内部に設けられた邪魔板７４の構成を示す側面図である。この実施形態では、上記沈下容器部７０の内部に軸方向の前後から突出する邪魔板７４が設けられている。この邪魔板７４は、沈下容器部７０の内部を上方へ流れる循環水Ｗの流れを邪魔し、循環水Ｗに混入した重量異物ｔが上方へ移動するのを抑止している。この実施形態では、邪魔板７４を設けた例を示したが、他の構成で重量異物ｔが上方へ移動するのを抑止するようにしてもよい。

このような沈下容器部７０によれば、両側部から供給された循環水Ｗは、その入水口７２の位置から混入している重量異物ｔが下方へ沈下させられる。また、沈下容器部７０の内部を上方へ流れる循環水Ｗは、邪魔板７４によって細かい粒径の重量異物ｔの移動も抑止され、沈下容器部７０の上部に設けられた給水配管４２からは循環水Ｗの上澄みが潤滑用水として取出される。

この給水配管４２に取出された循環水Ｗは、上記したように後流側の水潤滑軸受３１に供給される。沈下容器部７０の上部から取出される循環水Ｗは、重量異物ｔが含まれていないため、水潤滑軸受３１の隙間に詰まったり、軸受面を傷つけることはない。

しかも、沈下容器部７０において沈下した重量異物ｔは、常に排出管４３を介して下流側へ排出されているため、例えば、台風や集中豪雨などによって大量の小さな砂などの重量異物ｔがフィルタ材５１から給水配管４１に取出されてしまったとしても、沈下容器部７０において重量異物ｔを連続的に沈下させて下流方向に排出することができるので、連続的な重量異物ｔの除去が安定してできる。

従って、沈下容器部７０で重量異物ｔを沈下させた循環水Ｗの上澄みを水潤滑軸受３０，３１の潤滑水として安定して供給することができる。

図７は、上記電磁流量計４５による流量監視と水力発電装置１の自動停止とを行う制御の一例を示すグラフである。横軸には経過時間を示し、縦軸には軸受に供給される水量Ｖを示している。この例では、流量変化を時間軸で監視し、給水配管４１内の水量Ｖが所定の閾値（図示する一点鎖線）を下回ったら、フィルタ材５１に異物Ｔの詰り等が発生したと判断して水力発電装置１を停止させる信号が発せられるようにしている。この閾値としては、水潤滑軸受３０，３１に応じて問題の生じない水量Ｖに設定すればよい。

このように、水力発電装置１の運転中に水潤滑軸受３０，３１への水量低下を流量監視機構で検知して、優先的に水力発電装置１を停止する運転プログラムとすることにより、回転翼１７の軸受部分に水量低下による問題が生じる前に水力発電装置１を即時停止させて、問題が生じるのを未然に防ぐ運用ができるようにしている。

さらに、図８及び図９(a),(b) に示すように、上記フィルタ部材５０は、フィルタ材５１を簡単に取外すことができるフランジ接続構造としてもよい。上記図４では、給水配管４１の端部をフィルタ部材５０にボルト結合しているが、この例では、フィルタ材５１を固定するフィルタ取付部材５４と、このフィルタ取付部材５４を水車本体２に固定するフィルタ固定部材５３とを有している。具体的には、水車本体２の上部にフランジ材５６を固定し、このフランジ材５６にピン６１で回動可能に支持されたフィルタ固定部材５３を設けている。このフランジ材５６の上部には、所定長さのフィルタ取付部材５４を取付け、その上部に給水配管４１を接続するような構造としている。フィルタ取付部材５４の上端と給水配管４１とは、図９(a) に示すように、固定具６０で固定されるようになっている。また、フィルタ取付部材５４の下端は、図９(b) に示すように、フィルタ固定部材５３のボルト５７で固定されるようになっている。

図８に示すように、軸受給水口４０のより具体的な構造としては、フィルタ取付部材５４の下端にはフランジ部５５が設けられており、このフランジ部５５と上記水車本体２の上面に設けられたフランジ材５６との間にフィルタ材５１の上部とパッキン６２とを挟んで設けられる。そして、フィルタ取付部材５４のフランジ部５５を、フィルタ固定部材５３のボルト５７でフランジ材５６に固定することにより、フランジ部５５とフランジ材５６との間でフィルタ材５１が保持されている。この状態で、フィルタ材５１の内表面が、水車本体２の内表面と同一面に保持されている。また、フィルタ取付部材５４の上端にはフランジ５８が設けられ、上記給水配管４１に設けられたフランジ４６とがパッキン５９を挟んで固定具６０で固定されている。この固定具６０は、締付けることでフランジ５８，４６を密接させるようになっている。

このようにしてフィルタ取付部材５４を介してフィルタ材５１を取付けるようにしたフィルタ接続構造によれば、フィルタ固定部材５３と固定具６０とを外せば、フィルタ取付部材５４を側方から取外し又は取付けることができる。

図１０に示すように、フィルタ材５１が詰まった時の確認時には、フィルタ固定部材５３のボルト５７を緩めてフィルタ固定部材５３をフィルタ取付部材５４から外すとともに、固定具６０（図８、図９(a) ）を外せば、フィルタ取付部材５４を横方向に取外すことができる。これにより、フィルタ材５１の上方に空間を形成することができ、フィルタ材５１を上方に取外すことが容易にできる。従って、フィルタ材５１に異物Ｔが詰まった場合でも、水力発電装置１を水管１０２に固定した状態でフィルタ材５１を容易に取外して、清掃又は交換を行うことができる。

以上のような水力発電装置１によれば、フィルタ部材５０によって水潤滑軸受３０，３１とランナ１６及びキャン２１との隙間（潤滑部隙間）Ｓよりも大きな異物Ｔが除去された循環水Ｗが給水配管４１内に取出されるので、水潤滑軸受３０，３１とランナ１６及びランナショルダ１８との間に供給した循環水Ｗで形成した水膜で安定した水潤滑軸受３０，３１の機能を保ち、水力発電装置１の安定した継続運転ができる。

また、フィルタ部材５０から給水配管４１内に取出された循環水Ｗ中に小さな異物Ｔが混入したとしても、その異物Ｔは潤滑部隙間Ｓよりも小さな異物Ｔであるため、キャン２１やランナ１６等を傷付けることなく排出することができ、異物Ｔの多い使用条件であっても安定して水力発電装置１を運用することができる。

しかも、沈下容器部７０によって取水された水中の重量異物ｔを沈下させて除去するので、細かい重量異物ｔが取水されたとしても水潤滑軸受３０，３１に達する前に除去することができ、小さい重量異物ｔによってランナ１６やキャン２１及びステータ２０等に問題が生じることも未然に防ぐことが可能となる。

その上、沈下容器部７０の下部を回転翼１７の下流側に開放させているので、回転翼１７の上流高圧側と下流低圧側との圧力差で沈下容器部７０の下部に沈んだ重量異物ｔを貯めることなく下流側へ自動的に排出することができ、台風や集中豪雨などによって重量異物ｔが一時的に多く流れるようなことが生じても水力発電装置１の安定した連続運転が可能である。

また、水中の異物Ｔでフィルタ材５１に詰まりを生じたとしても、水潤滑軸受３０，３１の潤滑水量が所定量以下になると水力発電装置１を自動的に停止させることができ、回転翼１７に問題を生じる前に水力発電装置１を停止させることで安定した運用が可能となる。

さらに、軸受給水口４０を水車本体２の上部に設けることにより、土砂等の重たい異物Ｔが水潤滑軸受３０，３１に入ることがないようにして、水力発電装置１の安定した運転を可能としている。

また、大掛かりな自動ストレーナ等を設置することなく異物Ｔを除去でき、さらに別途きれいな潤滑水Ｗを供給するように構成する必要もないため、設備費用を抑えた水潤滑式水力発電装置１を構成することができる。

なお、上記実施形態では、フィルタ部材５０をフランジ接続構造として簡単に取外せるようにしているが、他の構造で取付けるようにしてもよく、上記実施形態に限定されるものではない。

また、上記実施形態では、プロペラブレード１５の外周囲にランナ１６が設けられ、そのランナ１６の外周囲に永久磁石１９が一体回転するように設けられた回転翼１７と、その回転翼１７の永久磁石１９の外方にステータ２０が設けられた水車本体２を例に説明したが、これらの構成の配置は上記実施形態に限定されるものではない。

さらに、上述した実施形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

本発明に係る水潤滑式水力発電装置は、小水力発電を行いたいダムの河川維持放流部や、小河川、農業用水路、工場排水路などにおいて利用できる。

１ 水力発電装置
２ 水車本体
３ 上流側水管部分
４ 発電機本体部分
５ 下流側水管部分
１５ プロペラブレード
１６ ランナ
１７ 回転翼
１８ ランナショルダ
１９ 永久磁石
２０ ステータ
２１ キャン
３０ 水潤滑軸受（上流側）
３１ 水潤滑軸受（下流側）
３２ 凹部
３３ 貫通穴
３４ 凹凸形状部
４０ 軸受給水口
４１ 給水配管
４２ 給水配管
４３ 排出管
４４ 流量調整バルブ（水流調整手段）
４５ 電磁流量計
４６ フランジ
４７ 電磁流量計
４８ 流量調整バルブ（流量調整手段）
５０ フィルタ部材
５１ フィルタ材
５２ 開口穴
５３ フィルタ固定部材
５４ フィルタ取付部材
５５ フランジ部
５６ フランジ材
５８ フランジ
６０ 固定具
７０ 沈下容器部
７１ 外板
７２ 入水口
７３ 出水口
７４ 邪魔板
１０２ 水管
Ｓ 隙間
Ｔ 異物（ゴミ）
ｔ 重量異物
Ｗ 循環水（水）
Ｖ 水量

Claims (11)

1. 水が通流する水管の中途に設置し、該水管と内部が連通する水車本体を備えた水潤滑式水力発電装置であって、
   前記水車本体は、該水車本体内を通流する水によって回転するプロペラブレードと、該プロペラブレードと一体的に回転するランナ及び永久磁石と、を有する回転翼と、
   前記回転翼の永久磁石と対向するように設けたステータとを備え、
   前記回転翼は、前記ランナの上流部と下流部とをラジアル支持及びスラスト支持する水潤滑軸受により回転可能に支持し、
   前記水潤滑軸受は、前記水車本体の上流部に設けた軸受給水口から取出される水を給水配管を介して該水潤滑軸受に供給し、前記回転翼との間に水膜を形成して軸受として機能するように構成し、
   前記軸受給水口は、該軸受給水口から取出される水中から前記水潤滑軸受と回転翼との隙間よりも大きい異物を除去するフィルタ部材を備え、
   更に、前記軸受給水口と前記水潤滑軸受との間に、前記フィルタ部材を通過した重量異物を沈下させる沈下容器部を備え、該沈下容器部の下部を前記回転翼の下流側に開放したことを特徴とする水潤滑式水力発電装置。
2. 前記ランナは、前記プロペラブレードの外周囲に設けられ、
   前記永久磁石は、前記ランナの外周囲に設けられ、
   前記ステータは、前記永久磁石の外方に設けられ、
   前記沈下容器部は、前記ステータの外周で冷却部を兼ねるように設けられている請求項１に記載の水潤滑式水力発電装置。
3. 前記沈下容器部は、前記ステータの全周に連続して設けられている請求項２に記載の水潤滑式水力発電装置。
4. 前記沈下容器部は、前記軸受給水口からの入水口が、前記水潤滑軸受への出水口よりも下方に設けられている請求項１〜３のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
5. 前記沈下容器部は、該沈下容器部を移動する水の流速を調整する水流調整手段を備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
6. 前記沈下容器部は、水中の異物が通過するのを邪魔する邪魔板を備えている請求項１〜５のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
7. 前記軸受給水口は、前記水車本体の水平方向両側方よりも上方位置に配置されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
8. 前記フィルタ材は、内表面が水車本体の内表面と同一面となるように形成され、
   前記給水配管を流れる水の流速を、前記水車本体内を通流する水の流速の１／５を下回るようにした請求項１〜７のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
9. 前記給水配管に流量監視機器を設け、該流量監視機器で監視している流量が所定の流量を下回ると回転翼を停止させるように構成されている請求項１〜８のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
10. 前記フィルタ部材は、前記フィルタ材を前記軸受給水口に取付けるフィルタ取付部材と、該フィルタ取付部材を前記水車本体に固定するフィルタ固定部材とを具備した接続構造を有している請求項１〜９のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。
11. 前記軸受給水口は、前記水車本体の上流部に複数個配設され、
    前記給水配管は、前記複数個の軸受給水口から取出される水を前記水潤滑軸受と前記回転翼との間に供給するように構成されている請求項１〜１０のいずれか１項に記載の水潤滑式水力発電装置。

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