JP2016094926A - Axial flow water turbine power generation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an axial flow water turbine power generation device capable of obtaining desired output from a liner operating in water flow, and capable of improving output of the liner.SOLUTION: An axial flow water turbine power generation device 1 according to this embodiment includes: a cylindrical body 2; a liner 3 rotatably provided in the cylindrical body 2, having a liner wing 10, and converting kinetic energy of water flow to rotational energy; and a dynamo 4 included in the cylindrical body 2, and converting the rotational energy of the liner 3 to electric energy. The chord length of the liner wing 10 is larger than 1.0 time and equal to or smaller than 3.0 times of a chord length theoretical value obtained from a wing element momentum theory.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明の実施の形態は、軸流水車発電装置に関する。   Embodiments of the present invention relate to an axial-flow turbine generator.

近年、発電時に温室効果ガスを排出しないクリーンなエネルギー源として、さまざまな発電手法が提案されている。黒潮等に代表される海流のエネルギーを利用する海流発電もそれらの中のひとつであり、積極的に研究開発がなされている。   In recent years, various power generation methods have been proposed as clean energy sources that do not emit greenhouse gases during power generation. Current generation using ocean current energy such as the Kuroshio Current is one of them, and research and development are actively conducted.

このような発電装置は、海流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する水平軸揚力型ランナを備えている。一般的にランナの軸端における出力は次式で表され、高効率で直径の大きい翼を採用する場合には大きな出力が得られる。
軸端出力=(1/2)×密度×流速×翼効率×π×(翼直径/2)
Such a power generator includes a horizontal axis lift type runner that converts kinetic energy of ocean current into rotational energy. Generally, the output at the shaft end of the runner is expressed by the following equation, and a large output can be obtained when a blade with high efficiency and large diameter is adopted.
Shaft end output = (1/2) × density × flow velocity 3 × blade efficiency × π × (blade diameter / 2) 2

翼効率には、ベッツ限界と呼ばれる理論限界(16/27=0.5925)が存在する。この値を算出する際には考慮されないが、実際の翼では、(1)翼の後流における損失、(2)翼断面の抵抗による損失、(3)翼端渦による損失等が生じることが多く、これらの損失を考慮すると翼効率は0.5程度となる。   The blade efficiency has a theoretical limit (16/27 = 0.5925) called the Betz limit. Although not considered when calculating this value, in an actual blade, (1) loss in the wake of the blade, (2) loss due to resistance of the blade cross section, (3) loss due to blade tip vortex, etc. may occur. Considering these losses, the blade efficiency is about 0.5.

欧州特許出願公開第1152148号明細書European Patent Application No. 1152148

しかしながら、このような水平軸揚力型ランナを水流中で稼動する場合には、水流中で稼動することが原因となって翼効率が低下し、上述した翼効率を得ることが困難になる。このため、水流中で稼動するランナの効率の低下を抑制して、所望する出力を得ることができるランナの開発が望まれる。   However, when such a horizontal axis lift type runner is operated in a water stream, the blade efficiency is lowered due to the operation in the water stream, and it is difficult to obtain the above-described blade efficiency. For this reason, it is desired to develop a runner that can suppress a decrease in efficiency of a runner that operates in a water stream and obtain a desired output.

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、水流中で稼動するランナから所望の出力を得ることができ、ランナの出力を向上させることができる軸流水車発電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in consideration of such points, and provides an axial-flow turbine generator that can obtain a desired output from a runner operating in a water stream and can improve the output of the runner. The purpose is to do.

実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼の翼弦長は、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の1.0倍より大きく、3.0倍以下となっている。   An axial-flow turbine generator according to an embodiment includes a tubular body, a runner that is rotatably provided on the tubular body, has runner blades, and converts the kinetic energy of the water flow into rotational energy, and is built in the tubular body And a generator that converts the rotational energy of the runner into electrical energy. The chord length of the runner wing is larger than 1.0 times the chord length theoretical value obtained from the wing element momentum theory and is less than 3.0 times.

また、実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼は、第1の捻り角で形成されており、第1の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の0.8倍以上1.0倍未満となっている。   An axial-flow turbine generator according to an embodiment includes a tubular body, a runner that is rotatably provided on the tubular body, has runner blades, and converts kinetic energy of the water stream into rotational energy, and the tubular body And a generator that converts the rotational energy of the runner into electrical energy. The runner blade is formed with a first twist angle, and the first twist angle is 0.8 times or more and less than 1.0 times the theoretically determined twist angle.

また、実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼は、筒状体内に埋め込まれた円筒表面を有する埋込部分と、筒状体の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分と、埋込部分と翼本体部分との間に設けられ、埋込部分の円筒表面から前記翼本体部分の翼型形状に遷移する外表面を有する遷移部分と、を含んでいる。遷移部分の半径方向長さは、ランナの半径の25%以下となっている。   An axial-flow turbine generator according to an embodiment includes a tubular body, a runner that is rotatably provided on the tubular body, has runner blades, and converts kinetic energy of the water stream into rotational energy, and the tubular body And a generator that converts the rotational energy of the runner into electrical energy. The runner wing includes an embedded portion having a cylindrical surface embedded in a tubular body, a wing body portion provided on the radially outer side of the tubular body and having an airfoil shape, and an embedded portion and a wing body portion. And a transition portion having an outer surface that is disposed between and transitions from the cylindrical surface of the embedded portion to the airfoil shape of the wing body portion. The radial length of the transition portion is 25% or less of the runner radius.

さらに、実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼の先端は、当該ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられている。   Furthermore, an axial-flow turbine generator according to an embodiment includes a tubular body, a runner that is rotatably provided on the tubular body, has runner blades, and converts the kinetic energy of the water stream into rotational energy, and the tubular body And a generator that converts the rotational energy of the runner into electrical energy. The tip of the runner blade is positioned upstream of the base end of the runner blade.

図1は、第1の実施の形態において、軸流水車発電装置を示す概略図である。FIG. 1 is a schematic view showing an axial-flow turbine power generator in the first embodiment. 図2は、上流側から見た図1のランナ翼を示す図である。FIG. 2 is a view showing the runner blade of FIG. 1 as viewed from the upstream side. 図3は、図2のA−A線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 図4は、第1の実施の形態におけるランナ翼の作用を説明するためのグラフである。FIG. 4 is a graph for explaining the operation of the runner blades in the first embodiment. 図5は、第2の実施の形態において、上流側から見たランナ翼と各半径位置におけるランナ翼の断面とを示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a runner blade viewed from the upstream side and a cross section of the runner blade at each radial position in the second embodiment. 図6は、図5のランナ翼を示す、図3と同様の断面図である。6 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, showing the runner blade of FIG. 図7は、第2の実施の形態におけるランナ翼の作用を説明するためのグラフである。FIG. 7 is a graph for explaining the operation of the runner blade in the second embodiment. 図8は、第3の実施の形態において、上流側から見たランナ翼を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a runner blade viewed from the upstream side in the third embodiment. 図9は、図8のB矢視図である。FIG. 9 is a view taken in the direction of arrow B in FIG. 図10は、第3の実施の形態におけるランナ翼の作用を説明するためのグラフである。FIG. 10 is a graph for explaining the operation of the runner blades in the third embodiment. 図11は、第4の実施の形態において、側方から見たランナ翼を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a runner blade viewed from the side in the fourth embodiment. 図12は、図11の変形例を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a modification of FIG. 図13は、第5の実施の形態において、ランナ翼を示す、図3と同様の断面図である。FIG. 13 is a cross-sectional view similar to FIG. 3, showing a runner blade in the fifth embodiment. 図14は、停止時における図13のランナ翼の形状を示す、図9と同様の図である。14 is a view similar to FIG. 9, showing the shape of the runner blades of FIG. 13 at the time of stop. 図15は、図14のランナ翼の運転時における形状を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the shape of the runner blade of FIG. 14 during operation.

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
まず、図1乃至図4を用いて、本発明の第1の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。軸流水車発電装置は、さまざまな発電手法に適用することが可能であるが、例えば、海中に設置されて海流発電(または潮流発電)に好適に適用することができる。
(First embodiment)
First, the axial-flow turbine generator apparatus in the 1st Embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 1 thru | or FIG. The axial-flow turbine power generator can be applied to various power generation methods. For example, the axial-water turbine power generator can be suitably applied to ocean current power generation (or tidal current power generation) installed in the sea.

図1に示すように、軸流水車発電装置1は、ナセルとも称される内筒(筒状体)2と、内筒2に回転自在に設けられ、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナ3と、内筒2に内蔵され、ランナ3の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機4と、を備えている。このうちランナ3は、水流の主流方向に沿う回転軸線Xを中心に回転する水平軸揚力型ランナとして構成されている。図1に示すRは、ランナ3の半径(翼半径)を示している。発電機4は、内筒2に内蔵された連結軸5を介してランナ3に連結されている。これにより、ランナ3の回転が連結軸5を介して発電機4に伝達され、発電機4が、ランナ3の回転により発電を行うように構成されている。軸流水車発電装置1を海流発電に適用する場合には、図1に示すように、内筒2は、係留ロープRを介して海底Bにアンカ(係留)される。   As shown in FIG. 1, an axial-flow turbine generator 1 is provided rotatably on an inner cylinder (cylindrical body) 2 also called a nacelle, and the inner cylinder 2, and converts the kinetic energy of the water stream into rotational energy. A runner 3 and a generator 4 that is built in the inner cylinder 2 and converts the rotational energy of the runner 3 into electric energy are provided. Of these, the runner 3 is configured as a horizontal axis lift type runner that rotates about a rotation axis X along the main flow direction of the water flow. R shown in FIG. 1 indicates the radius (blade radius) of the runner 3. The generator 4 is connected to the runner 3 via a connecting shaft 5 built in the inner cylinder 2. Thus, the rotation of the runner 3 is transmitted to the generator 4 via the connecting shaft 5, and the generator 4 is configured to generate power by the rotation of the runner 3. When the axial turbine generator 1 is applied to ocean current power generation, the inner cylinder 2 is anchored (moored) to the seabed B via a mooring rope R as shown in FIG.

ランナ3は、周方向に互いに離間した複数のランナ翼10を有している。図2に示すように、各ランナ翼10は、内筒2に埋め込まれた埋込部分11と、内筒2の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分12と、埋込部分11と翼本体部分12との間に設けられた遷移部分13と、を含んでいる。このうち埋込部分11は、半径方向に延びる軸を中心として形成された円筒表面11aを有しており、ランナ翼10は当該軸を中心に回動可能になっている(ピッチコントロール機能)。このようにして、本実施の形態によるランナ翼10は、非常時にランナ翼10に付加される流体力を軽減するためにランナ翼10を回動可能になっている(フェザリング機能)。また、埋込部分11が円筒表面11aを有していることにより、内筒2との取合い構造の簡素化を図っている。なお、埋込部分11、遷移部分13および翼本体部分12を含むランナ翼10は、中実状に形成されていることが好ましいが、ランナ翼10としての所望の強度を確保可能であれば、中空状に形成されていてもよい。   The runner 3 has a plurality of runner blades 10 spaced apart from each other in the circumferential direction. As shown in FIG. 2, each runner blade 10 includes an embedded portion 11 embedded in the inner cylinder 2, a blade body portion 12 provided on the radially outer side of the inner cylinder 2 and having an airfoil shape, A transition portion 13 provided between the portion 11 and the wing body portion 12. Of these, the embedded portion 11 has a cylindrical surface 11a formed around an axis extending in the radial direction, and the runner blade 10 is rotatable about the axis (pitch control function). In this way, the runner blade 10 according to the present embodiment can rotate the runner blade 10 in order to reduce the fluid force applied to the runner blade 10 in an emergency (feathering function). In addition, since the embedded portion 11 has the cylindrical surface 11a, the structure for engaging with the inner cylinder 2 is simplified. The runner blade 10 including the embedded portion 11, the transition portion 13, and the blade body portion 12 is preferably formed in a solid shape. However, if the desired strength as the runner blade 10 can be ensured, the runner blade 10 is hollow. It may be formed in a shape.

翼本体部分12は、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する主要な部分を意味する。より具体的には、翼本体部分12は、各半径位置における翼型の輪郭が相似形をなして漸次変化するように形成されている。翼型の輪郭は、各半径位置において互いに相似形をなすように形成されていてもよく、あるいは、翼本体部分12を半径方向に複数の領域に分割して、各領域における翼型の輪郭が互いに相似形をなすように形成されていてもよい。   The wing body part 12 means a main part that converts the kinetic energy of the water flow into rotational energy. More specifically, the wing body portion 12 is formed such that the profile of the wing shape at each radial position gradually changes in a similar shape. The airfoil profile may be formed to be similar to each other at each radial position, or the airfoil profile in each region may be divided by dividing the wing body portion 12 into a plurality of regions in the radial direction. They may be formed so as to be similar to each other.

遷移部分13は、埋込部分11の円筒表面11aから翼本体部分12の翼型形状に遷移する外表面13aを有している。このようにして、遷移部分13は、埋込部分11から翼本体部分12に向って漸次変形し、埋込部分11の円筒表面11aと翼本体部分12の外表面13aとを、滑らかに連続する形状で接続している。   The transition portion 13 has an outer surface 13 a that transitions from the cylindrical surface 11 a of the embedded portion 11 to the airfoil shape of the wing body portion 12. In this way, the transition portion 13 is gradually deformed from the embedded portion 11 toward the wing body portion 12, and the cylindrical surface 11a of the embedded portion 11 and the outer surface 13a of the wing body portion 12 are smoothly continued. Connected in shape.

図3に、半径方向内側に向って見たときの、ある半径位置におけるランナ翼10の断面を示す。ここには、ランナ翼10に流入する流れの速度ベクトルも示されている。uはランナ3の周速度、vは水流の絶対速度、wは、周速度uと絶対速度vとを合成した相対速度を示している。   FIG. 3 shows a cross section of the runner blade 10 at a certain radial position when viewed inward in the radial direction. Here, the velocity vector of the flow flowing into the runner blade 10 is also shown. u is the peripheral speed of the runner 3, v is the absolute speed of the water flow, and w is the relative speed obtained by combining the peripheral speed u and the absolute speed v.

ランナ翼10の翼弦長(コード長)は、図3に示すように、ランナ翼10の前端と後端との距離を示しており、前端と後端とを結ぶ翼弦線Lと、水流の相対速度wで示すベクトルとがなす角度が迎え角αとなる。この迎え角αを所望の角度とするために、ランナ翼10は、ランナ3の回転軸線Xに対して捻り角βで捻られている。なお、ランナ翼10は、翼弦長が半径方向外側に向って一定の割合で減少するように形成されることが一般的である。 Chord length of the runner blade 10 (code length), as shown in FIG. 3 shows the distance between the front end and the rear end of the runner blades 10, and the chord line L C connecting the front and rear ends, The angle formed by the vector represented by the relative velocity w of the water flow is the angle of attack α. In order to make the angle of attack α a desired angle, the runner blade 10 is twisted at a twist angle β with respect to the rotation axis X of the runner 3. The runner blade 10 is generally formed such that the chord length decreases at a constant rate toward the radially outer side.

ところで、風車に代表されるような気流中で動作する水平軸揚力型ランナは、所定の周速比(ランナの周速度/無限遠方流速)に対して所定の最適翼弦長を持ち、両者の間には、質素運動量理論によって下記の関係があるとされている(例えば、牛山泉著、「風力エネルギーの基礎」、第1版、オーム社、2005年7月)。
opt/R×λ×CLdes×r/R≒16/9×π/n・・・(1)
By the way, a horizontal axis lift type runner that operates in an air current represented by a windmill has a predetermined optimum chord length with respect to a predetermined peripheral speed ratio (peripheral speed of the runner / infinitely distant flow speed). There is a relationship between the two based on the theory of elementary momentum (for example, Izumi Ushiyama, “Basics of Wind Energy”, 1st edition, Ohm, July 2005).
C opt / R × λ 2 × C Ldes × r / R≈16 / 9 × π / n (1)

ここで、Coptは最適な翼弦長、Rはランナ3の半径(ランナ直径の1/2)、λは設計周速比、CLdesは設計揚力係数、rはランナ3の任意の半径位置、nは翼枚数を示している。なお、設計揚力係数は、翼型(翼断面形状)の揚抗比(揚力/抗力)が最大となる迎え角における揚力係数であり、選定する翼型とレイノルズ数Reで決まる。レイノルズ数Reは、各半径位置における相対流入速度をw、翼弦長をCopt、密度をρ、粘性係数をμとしたときに、次式で表される。
Re=ρ×w×Copt/μ・・・(2)
Here, C opt is the optimum chord length, R is the radius of the runner 3 (1/2 of the runner diameter), λ is the design peripheral speed ratio, C Ldes is the design lift coefficient, and r is an arbitrary radial position of the runner 3 , N indicates the number of blades. The design lift coefficient is the lift coefficient at the angle of attack at which the lift / drag ratio (lift / drag) of the airfoil (blade cross-sectional shape) is maximum, and is determined by the selected airfoil and the Reynolds number Re. The Reynolds number Re is expressed by the following equation when the relative inflow velocity at each radial position is w, the chord length is C opt , the density is ρ, and the viscosity coefficient is μ.
Re = ρ × w × C opt / μ (2)

定格流速と定格回転速度が定まれば、各半径位置における翼弦長理論値(Copt)は、上述した式(1)を用いて翼素運動量理論により求めることができる。しかしながら、水中で動作する水平軸揚力型ランナでは、気流中で動作する風車と比較して流速が遅く、ランナ3の回転速度も遅くなる。このため、風車用に開発された同程度の大きさの高性能翼型を水車に使用する場合、レイノルズ数Reが低くなる。一般的に、翼型の性能は、レイノルズ数Reが大きくなるにつれて向上する傾向にあるが、レイノルズ数Reが10を境にクリティカルな性能変化を示す場合が多く、ランナ3の各半径位置においてレイノルズ数Reが10を下回る箇所が多ければ、所望の性能を満たすことが困難になる。 If the rated flow velocity and the rated rotation speed are determined, the chord length theoretical value (C opt ) at each radial position can be obtained by the blade element momentum theory using the above-described equation (1). However, in the horizontal axis lift type runner that operates in water, the flow velocity is slower than the windmill that operates in air current, and the rotation speed of the runner 3 is also slower. For this reason, when a high-performance airfoil of the same size developed for wind turbines is used for a turbine, the Reynolds number Re is lowered. In general, the performance of the airfoil tends to improve as the Reynolds number Re increases. However, in many cases, the Reynolds number Re exhibits a critical performance change when the Reynolds number Re is 10 5 . If there are many places where the Reynolds number Re is less than 10 5 , it becomes difficult to satisfy the desired performance.

水車のランナ3の出力を向上させるためには、より高性能な翼型を用いるか、あるいは翼弦長を長くすることが効果的と考えられる。しかしながら、前者に飛躍的な性能向上を求めることは困難である。一方、後者はランナ翼10に作用する力を大きくすることができるため出力向上が期待できる。しかしながら、翼弦長を極端に増大させると、翼弦長の増大を起因とする抗力が増大するため、ランナ3の回転数が低下する。加えて、ランナ翼10に作用する流体力(揚力と抗力)が増大するが、増大した流体力に耐えるためにランナ翼10を高強度化した場合には、製作上の問題や、コスト増を招く懸念が生じる。   In order to improve the output of the runner 3 of the water turbine, it is considered effective to use a higher performance airfoil or to increase the chord length. However, it is difficult to seek a dramatic performance improvement from the former. On the other hand, since the latter can increase the force acting on the runner blade 10, an improvement in output can be expected. However, if the chord length is extremely increased, the drag due to the increase in the chord length increases, and therefore the rotational speed of the runner 3 decreases. In addition, the fluid force (lift and drag force) acting on the runner blade 10 increases. However, if the runner blade 10 is strengthened to withstand the increased fluid force, manufacturing problems and costs increase. Inviting concerns arise.

そこで本実施の形態では、ランナ翼10の翼本体部分12の翼弦長を、各半径位置において、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の1.0倍より大きく、3.0倍以下としている。すなわち、翼弦長を翼弦長理論値の1.0倍より大きくすることにより、ランナ翼10の翼本体部分12に作用する水流の流体力を大きくすることができ、ランナ3の出力向上を図ることができる。一方、翼弦長を翼弦長理論値の3.0倍以下とすることにより、翼弦長の増大を起因とする流体力の増大によってランナ3の回転数が低下することを抑制できるとともに、製作性の確保やコスト増の回避を図っている。   Therefore, in the present embodiment, the chord length of the blade body portion 12 of the runner blade 10 is greater than 1.0 times and less than 3.0 times the theoretical value of the chord length obtained from the blade element momentum theory at each radial position. It is said. That is, by making the chord length larger than 1.0 times the chord length theoretical value, the hydrodynamic force of the water flow acting on the blade body portion 12 of the runner blade 10 can be increased, and the output of the runner 3 can be improved. Can be planned. On the other hand, by making the chord length 3.0 times or less the theoretical value of the chord length, it is possible to suppress a decrease in the rotation speed of the runner 3 due to an increase in fluid force due to an increase in the chord length, We are trying to ensure manufacturability and avoid cost increases.

図4に、翼弦長とランナ3の出力との関係を示す。図4の横軸は翼弦長(Cdes)/翼弦長理論値(Copt)を示し、縦軸は出力(Pdes)/定格出力(Prated)を示している。図4には、比較として気流中で稼動した場合の翼弦長とランナ3の出力との関係が破線で示されているが、この場合には、図示されているように、翼弦長が翼弦長理論値となる場合(翼弦長/翼弦長理論値=1となる場合)に、ランナ3の出力が最も高くなることがかわる。 FIG. 4 shows the relationship between the chord length and the output of the runner 3. The horizontal axis of FIG. 4 represents the chord length (C des ) / theoretical chord length value (C opt ), and the vertical axis represents the output (P des ) / rated output (P rated ). In FIG. 4, for comparison, the relationship between the chord length and the output of the runner 3 when operated in an air current is indicated by a broken line. In this case, as shown in the figure, the chord length is It can be seen that the output of the runner 3 is the highest when the chord length is the theoretical value (when the chord length / the chord length theoretical value = 1).

これに対して本実施の形態の軸流水車発電装置1では、図4の実線で示すように、翼弦長/翼弦長理論値が1.0よりも大きく3.0以下となる範囲において、ランナ3の出力を定格出力の60%以上とすることができる。この場合、翼素運動量理論を水車に適用したことによるランナ3の出力の低下分を補うことができる。また、翼弦長/翼弦長理論値が2.2以上2.5以下となる範囲において、ランナ3の出力を定格出力にほぼ等しくすることができ、ランナ3の出力をより一層向上させることができる。図4に示す例では、翼弦長/翼弦長理論値が、2.3前後となる場合にランナ3の出力が最も高くなっている。   On the other hand, in the axial flow turbine power generator 1 of the present embodiment, as shown by the solid line in FIG. 4, the chord length / the chord length theoretical value is in the range of more than 1.0 and 3.0 or less. The output of the runner 3 can be 60% or more of the rated output. In this case, the decrease in the output of the runner 3 due to the application of the blade element momentum theory to the turbine can be compensated. Further, in the range where the chord length / the chord length theoretical value is 2.2 or more and 2.5 or less, the output of the runner 3 can be made substantially equal to the rated output, and the output of the runner 3 can be further improved. Can do. In the example shown in FIG. 4, the output of the runner 3 is the highest when the chord length / the chord length theoretical value is around 2.3.

このように本実施の形態によれば、ランナ翼10の翼弦長が、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の1.0倍より大きく、3.0倍以下となっている。このことにより、翼素運動量理論から求まる気流中での稼動の場合に最適な翼弦長理論値から、水流中で稼動するランナ翼10として好適な翼弦長を得ることができ、ランナ3の出力を増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ3から所望の出力を得ることができ、ランナ3の出力を向上させることができる。   As described above, according to the present embodiment, the chord length of the runner blade 10 is larger than 1.0 times and less than 3.0 times the theoretical value of the chord length obtained from the blade element momentum theory. This makes it possible to obtain a chord length suitable for the runner blade 10 operating in the water flow from the theoretical value of the chord length optimum for operation in the air flow obtained from the blade element momentum theory. The output can be increased. For this reason, a desired output can be obtained from the runner 3 operating in a water stream, and the output of the runner 3 can be improved.

(第2の実施の形態)
次に、図5乃至図7を用いて、本発明の第2の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。
(Second Embodiment)
Next, the axial-flow water turbine generator in the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 5 thru | or FIG.

図5乃至図7に示す第2の実施の形態においては、ランナ翼は、第1の捻り角で形成されており、第1の捻り角が、幾何学的に求まる捻り角理論値の0.8倍以上1.0倍未満である点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図5乃至図7において、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。   In the second embodiment shown in FIG. 5 to FIG. 7, the runner blade is formed with a first twist angle, and the first twist angle is 0. 0 of the theoretical twist angle obtained geometrically. The main difference is that it is 8 times or more and less than 1.0 time, and the other configuration is substantially the same as that of the first embodiment shown in FIGS. 5 to 7, the same parts as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図5には、図2と同様に上流側から見たランナ翼10が上側に示されており、そのランナ翼10の各半径位置における断面が下側に示されている。ランナ翼10の断面は、ここでは、半径方向外側に向って見たときの断面として示されており、ランナ翼10の捻り角βが各半径位置において異なる様子が示されている。   In FIG. 5, the runner blade 10 viewed from the upstream side is shown on the upper side as in FIG. 2, and the cross section at each radial position of the runner blade 10 is shown on the lower side. Here, the cross section of the runner blade 10 is shown as a cross section when viewed outward in the radial direction, and the twist angle β of the runner blade 10 is different at each radial position.

一般的に、ランナ翼10の捻り角βは、半径方向外側に向って見たとき(すなわち図5に示す状態)の反時計回りの方向に、半径方向外側に向うにつれて徐々に捻られて、徐々に小さくなっている。言い換えると、捻り角βは、半径方向内側に向って見たときの時計回りの方向に徐々に捻られている。   In general, the twist angle β of the runner blade 10 is gradually twisted in the counterclockwise direction when viewed outward in the radial direction (that is, the state shown in FIG. 5), It is getting smaller gradually. In other words, the twist angle β is gradually twisted in the clockwise direction when viewed inward in the radial direction.

このようなランナ翼10の捻り角βは、各半径位置において所望の抑え角α(図3参照)が得られるように決定され、より具体的には、定格流速と定格回転数によって幾何学的に決定される。以下に、幾何学的に捻り角βを決定する方法についてより詳細に説明する。   The twist angle β of the runner blade 10 is determined so that a desired restraining angle α (see FIG. 3) can be obtained at each radial position. More specifically, the geometric angle is determined according to the rated flow velocity and the rated rotational speed. To be determined. Hereinafter, a method for geometrically determining the twist angle β will be described in more detail.

ランナ翼10に流入する流れの絶対速度vと相対速度をwとがなす角度γは、以下のように表される。
tanγ=(3×r×λ)/(2×R)・・・(3)
ここで、rはランナ3の任意の半径位置、Rはランナ3の半径(ランナ直径の1/2)であり、λは設計周速比であって、ランナ3の角速度をωとすると、以下のように表される。
λ=(ω×R)/v・・・(4)
The angle γ between the absolute velocity v of the flow flowing into the runner blade 10 and the relative velocity w is expressed as follows.
tan γ = (3 × r × λ d ) / (2 × R) (3)
Here, r is an arbitrary radial position of the runner 3, R is a radius of the runner 3 (1/2 of the runner diameter), λ is a design peripheral speed ratio, and the angular velocity of the runner 3 is ω, It is expressed as
λ = (ω × R) / v (4)

式(3)により得られたγを用いると、捻り角βは以下のように表され、これにより、ランナ翼10の捻り角βが幾何学的に決定される。
β=90°−γ−α・・・(5)
Using γ obtained by equation (3), the torsion angle β is expressed as follows, whereby the torsion angle β of the runner blade 10 is geometrically determined.
β = 90 ° −γ−α (5)

しかしながら、水流中で動作する水平軸揚力型ランナでは、上述したように、気流中で動作する風車と比較して流速が遅く、ランナ3の回転速度も遅くなる。このため、風車用に開発された同程度の大きさの高性能翼型を水流中で動作させる場合であっても、レイノルズ数Reが低くなり、所望のランナ3の出力が得られない傾向にある。   However, in the horizontal axis lift type runner operating in the water stream, as described above, the flow velocity is slower than the windmill operating in the air stream, and the rotation speed of the runner 3 is also slower. For this reason, even when a high-performance airfoil of the same size developed for a wind turbine is operated in a water stream, the Reynolds number Re tends to be low and the desired output of the runner 3 cannot be obtained. is there.

水車のランナ3の出力を向上させるためには、定格回転速度よりも大きな周速比を設定して高速でランナ3を回転させることにより、レイノルズ数Reを大きくすることが効果的と考えられる。しかしながら、周速比を極端に増大させると、翼に作用する抗力が増大するため、ランナ3の回転数が低下し、トルク不足となって出力が低下し得る。   In order to improve the output of the runner 3 of the water turbine, it is considered effective to increase the Reynolds number Re by setting the peripheral speed ratio larger than the rated rotational speed and rotating the runner 3 at a high speed. However, if the peripheral speed ratio is extremely increased, the drag acting on the blades is increased, so that the rotational speed of the runner 3 is reduced, the torque becomes insufficient, and the output can be reduced.

そこで本実施の形態では、図6に示すように、ランナ翼10の翼本体部分12は、各半径位置において、第1の捻り角βdesで形成されており、第1の捻り角βdesが、幾何学的に決定される捻り角理論値βoptの0.8倍以上1.0倍未満となっている。言い換えると、ランナ翼10は、半径方向内側に向って見たときの時計回りの方向に、捻り角理論値βoptの位置から所定の角度捻られて、第1の捻り角βdesで形成されている。ここでの所定の角度(βoptとβdesとの差)は、0(ゼロ)より大きく、捻り角理論値βoptの20%以下となっている。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 6, the blade body portion 12 of the runner blade 10 is formed with a first twist angle β des at each radial position, and the first twist angle β des is The geometrically determined twist angle theoretical value β opt is 0.8 times or more and less than 1.0 times. In other words, the runner blade 10 is twisted by a predetermined angle from the position of the theoretical twist angle β opt in the clockwise direction when viewed inward in the radial direction, and is formed with the first twist angle β des. ing. Here, the predetermined angle (difference between β opt and β des ) is larger than 0 (zero) and is 20% or less of the theoretical twist angle β opt .

第1の捻り角βdesを捻り角理論値βoptの1.0倍未満とすることにより、周速比を大きくし、ランナ3の出力向上を図ることができる。一方、第1の捻り角βdesを捻り角理論値βoptの0.8倍以上とすることにより、周速比の増大を起因とする抗力が増大してランナ3の回転数が低下することを抑制できる。 By making the first twist angle β des less than 1.0 times the theoretical twist angle β opt , the peripheral speed ratio can be increased and the output of the runner 3 can be improved. On the other hand, by setting the first twist angle β des to be 0.8 times or more of the theoretical twist angle β opt , the drag caused by the increase in the peripheral speed ratio is increased and the rotation speed of the runner 3 is decreased. Can be suppressed.

図7に、捻り角とランナ3の出力との関係を示す。図7の横軸は捻り角(βdes)/捻り角理論値(βopt)を示し、縦軸は出力(Pdes)/定格出力(Prated)を示している。図7に示されているように、捻り角/捻り角理論値が0.8以上1.0未満となる範囲でランナ3の出力を高めることができる。この場合、水車に適用したことによるランナ3の出力の低下分を補うことができる。図7に示す例では、捻り角/捻り角理論値が、0.9前後となる場合にランナ3の出力が最も高くなっている。 FIG. 7 shows the relationship between the twist angle and the output of the runner 3. The horizontal axis of FIG. 7 indicates the twist angle (β des ) / theoretical value of twist angle (β opt ), and the vertical axis indicates the output (P des ) / rated output (P rated ). As shown in FIG. 7, the output of the runner 3 can be increased in a range where the twist angle / theoretical value of the twist angle is 0.8 or more and less than 1.0. In this case, a decrease in the output of the runner 3 due to the application to the water turbine can be compensated. In the example shown in FIG. 7, the output of the runner 3 is the highest when the twist angle / theoretical value of the twist angle is around 0.9.

このように本実施の形態によれば、ランナ翼10が、第1の捻り角で形成されており、第1の捻り角が、幾何学的に求まる捻り角理論値の0.8倍以上1.0倍未満となっている。このことにより、幾何学的に求まる気流中での稼動の場合に最適な捻り角理論値から、水流中で稼動するランナ翼10として好適な捻り角を得ることができ、ランナ3の出力を増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ3から所望の出力を得ることができ、ランナ3の出力を向上させることができる。なお、本実施の形態による上述した効果は、第1の実施の形態とは独立して得ることができる。   Thus, according to the present embodiment, the runner blade 10 is formed with the first twist angle, and the first twist angle is 0.8 times or more the theoretical value of the twist angle obtained geometrically. Less than 0 times. As a result, a torsion angle suitable for the runner blade 10 operating in the water flow can be obtained from the theoretical value of the torsion angle optimal in the case of operation in the air flow that is geometrically determined, and the output of the runner 3 is increased. Can be made. For this reason, a desired output can be obtained from the runner 3 operating in a water stream, and the output of the runner 3 can be improved. Note that the above-described effects according to the present embodiment can be obtained independently of the first embodiment.

(第3の実施の形態)
次に、図8乃至図10を用いて、本発明の第3の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。
(Third embodiment)
Next, the axial-flow water turbine generator in the 3rd Embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 8 thru | or FIG.

図8乃至図10に示す第3の実施の形態においては、ランナ翼の遷移部分の半径方向長さが、ランナの半径の25%以下である点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図8乃至図10において、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。   The third embodiment shown in FIGS. 8 to 10 is mainly different in that the length in the radial direction of the transition portion of the runner blade is 25% or less of the radius of the runner. Or substantially the same as the first embodiment shown in FIG. 8 to 10, the same parts as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

図8に示すように、遷移部分13の外表面13aは、埋込部分11から翼本体部分12に向って漸次変形し、埋込部分11の円筒表面11aと翼本体部分12の翼型形状とを滑らかに連続する形状となっている。図9には、図8においてランナ翼10の先端10a(図11参照)から半径方向内側に向って見たときのランナ翼10の翼型形状が示されている。ここでは、種々の半径位置におけるランナ翼10の輪郭が示されており、このうち二点鎖線で示されている輪郭が各半径位置における翼本体部分12の輪郭を示し、実線で示されている輪郭が各半径位置における遷移部分13の輪郭を示している。図8および図9に示すように、遷移部分13は、埋込部分11と翼本体部分12とを滑らかに連続的に接続している。なお、図8の縦線は、図9に示す輪郭線と対応しており、図9に示す輪郭線の半径方向位置を示している。また、図8は、図9を紙面の上方から見た図になっている。   As shown in FIG. 8, the outer surface 13a of the transition portion 13 is gradually deformed from the embedded portion 11 toward the wing body portion 12, and the cylindrical surface 11a of the embedded portion 11 and the airfoil shape of the wing body portion 12 It has a smoothly continuous shape. 9 shows the airfoil shape of the runner blade 10 when viewed from the tip 10a (see FIG. 11) of the runner blade 10 inward in the radial direction in FIG. Here, the outline of the runner blade 10 at various radial positions is shown. Among these, the outline shown by a two-dot chain line shows the outline of the blade body portion 12 at each radial position, and is shown by a solid line. The contour shows the contour of the transition portion 13 at each radial position. As shown in FIGS. 8 and 9, the transition portion 13 connects the embedded portion 11 and the wing body portion 12 smoothly and continuously. Note that the vertical lines in FIG. 8 correspond to the contour lines shown in FIG. 9, and indicate the radial positions of the contour lines shown in FIG. FIG. 8 is a view of FIG. 9 as viewed from above the drawing.

本実施の形態においては、図8に示すように、遷移部分13の半径方向長さLは、ランナ3の半径Rの25%以下となっている。すなわち、遷移部分13の半径方向長さLは、所定の範囲で形成することができるが、長さLの上限値は、ランナ3の半径Rの25%とすることが好適である。一方、遷移部分13の半径方向長さLの下限値は、遷移部分13の製造性によって定められる。より具体的には、遷移部分13は、円筒表面11aを有する埋込部分11と、翼型形状を有する翼本体部分12とを接続するために3次元的に複雑な形状となり得るが、遷移部分13の半径方向長さLを過度に小さくすると、複雑な形状の遷移部分13を製造することが困難になる。このため、遷移部分13の下限値は、製造性を確保できれば、特に限られることはない。例えば、製造性を確保できれば、遷移部分13の長さは0より大きい範囲で実現可能であるが、より好適には、製造性によって下限値が定められる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 8, the radial length L of the transition portion 13 is 25% or less of the radius R of the runner 3. That is, the radial length L T of the transition portion 13 can be formed in a predetermined range, the upper limit value of the length L T, it is preferable that 25% of the radius R of the runner 3. On the other hand, the lower limit of the radial length L T of the transition portion 13 is defined by production of transition portion 13. More specifically, the transition portion 13 may have a three-dimensionally complicated shape to connect the embedded portion 11 having the cylindrical surface 11a and the wing body portion 12 having the airfoil shape. When excessively small radial length L T of 13, it becomes difficult to produce a transition portion 13 having a complicated shape. For this reason, the lower limit value of the transition portion 13 is not particularly limited as long as manufacturability can be secured. For example, if the manufacturability can be ensured, the length of the transition portion 13 can be realized in a range larger than 0, but more preferably, the lower limit is determined by manufacturability.

図10に、遷移部分13の半径方向長さとランナ3の出力との関係を示す。図9の横軸は遷移部分13の半径方向長さ(L)/ランナ3の半径(R)を示し、縦軸は出力(Pdes)/定格出力(Prated)を示している。図10に示されているように、遷移部分13の半径方向長さが小さくなるに従ってランナ3の出力が高められることが示されている。そして、遷移部分13の半径方向長さ/ランナ3の半径が25%以下となる範囲では、25%より大きい範囲よりも、出力/定格出力の上昇の程度が小さくなっている。このことにより、遷移部分13の半径方向長さ/ランナ3の半径が25%以下となる範囲において、ランナ3の出力を効果的に高めることができる。 FIG. 10 shows the relationship between the radial length of the transition portion 13 and the output of the runner 3. The horizontal axis in FIG. 9 indicates the radial length (L T ) of the transition portion 13 / the radius (R) of the runner 3, and the vertical axis indicates the output (P des ) / rated output (P rated ). As shown in FIG. 10, it is shown that the output of the runner 3 increases as the radial length of the transition portion 13 decreases. In the range where the radial length of the transition portion 13 / the radius of the runner 3 is 25% or less, the degree of increase of the output / rated output is smaller than the range larger than 25%. As a result, the output of the runner 3 can be effectively increased in a range where the radial length of the transition portion 13 / the radius of the runner 3 is 25% or less.

また、遷移部分13の半径方向長さが小さくなるにつれて、出力の上昇の程度は小さくなっている。一方、遷移部分13の半径方向長さが小さくなるにつれて、遷移部分13の製造性が低下する。これにより、遷移部分13の半径方向長さがある程度小さくなれば、出力の上昇という効果よりも、製造性の困難さが増すという影響が大きくなり得る。このため、遷移部分13の半径方向長さは、過度に小さくならないことが好ましいと言える。例えば、製造性の点で、繊維部分13の半径方向長さ/ランナ3の半径が10%以上であることが好ましい。   Further, as the radial length of the transition portion 13 decreases, the degree of increase in output decreases. On the other hand, as the radial length of the transition portion 13 decreases, the manufacturability of the transition portion 13 decreases. As a result, if the radial length of the transition portion 13 is reduced to some extent, the influence of increasing the difficulty of manufacturability may be greater than the effect of increasing the output. For this reason, it can be said that the radial length of the transition portion 13 is preferably not excessively small. For example, in terms of manufacturability, the radial length of the fiber portion 13 / the radius of the runner 3 is preferably 10% or more.

以上により、遷移部分13の半径方向長さ/ランナ3の半径は25%以下とすることにより、ランナ3の出力を効果的に高めると共に、製造性が低下することを抑制できる。   As described above, by setting the radial length of the transition portion 13 / the radius of the runner 3 to 25% or less, it is possible to effectively increase the output of the runner 3 and to suppress the decrease in manufacturability.

このように本実施の形態によれば、ランナ翼10の遷移部分13の半径方向長さが、ランナ3の半径の25%以下となっている。このことにより、翼本体部分12の長さを確保して水流の運動エネルギーから変換される回転エネルギーを高めることができ、ランナ3の出力を増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ3から所望の出力を得ることができ、ランナ3の出力を向上させることができる。なお、本実施の形態による上述した効果は、第1の実施の形態とは独立して得ることができる。   Thus, according to the present embodiment, the radial length of the transition portion 13 of the runner blade 10 is 25% or less of the radius of the runner 3. As a result, the length of the blade body portion 12 can be secured, the rotational energy converted from the kinetic energy of the water flow can be increased, and the output of the runner 3 can be increased. For this reason, a desired output can be obtained from the runner 3 operating in a water stream, and the output of the runner 3 can be improved. Note that the above-described effects according to the present embodiment can be obtained independently of the first embodiment.

(第4の実施の形態)
次に、図11を用いて、本発明の第4の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。
(Fourth embodiment)
Next, the axial-flow water turbine generator in the 4th Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.

図11に示す第4の実施の形態においては、ランナ翼の先端が、ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられている点が主に異なり、他の構成は、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と略同一である。なお、図11において、図1乃至図4に示す第1の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。   The fourth embodiment shown in FIG. 11 is mainly different in that the tip of the runner blade is positioned on the upstream side of the base end of the runner blade, and other configurations are shown in FIGS. This is substantially the same as the first embodiment shown. In FIG. 11, the same parts as those of the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

水流から流体力を受けるランナ翼10は、気流中で動作するランナ3とは異なり、大きな流体力を受ける。このことにより、ランナ翼10は、水流から流体力を受けている間、スラスト力を受けて下流側に撓むように変形し得る。このため、ランナ翼10は、流体力を受けない状態において最適な形状となっていたとしても、この変形によって、効率が最も良くなる姿勢から下流側に撓むように変形し、効率が低下してランナ3の出力が低下し得る。このような流体力による変形を防止するためにはランナ翼10の剛性を高めることが対策として考えられるが、剛性を高めるランナ翼10は、技術的な観点とコストの観点とから製造が困難となり得る。   Unlike the runner 3 that operates in an air current, the runner blade 10 that receives the fluid force from the water stream receives a large fluid force. As a result, the runner blade 10 can be deformed so as to bend downstream by receiving a thrust force while receiving a fluid force from the water flow. For this reason, even if the runner blade 10 has an optimal shape in a state where it is not subjected to fluid force, the deformation causes the runner blade 10 to be deformed so as to bend toward the downstream side from the posture in which the efficiency is the best, and the efficiency is lowered. The output of 3 can be reduced. Increasing the rigidity of the runner blade 10 is considered as a countermeasure in order to prevent such deformation due to fluid force. However, the runner blade 10 that increases the rigidity is difficult to manufacture from the technical and cost viewpoints. obtain.

そこで、本実施の形態では、図11に示すように、ランナ翼10の先端10aが、当該ランナ翼10の基端10bよりも上流側に位置付けられている。ここで、ランナ翼10の基端10bとは、内筒2の外周面付近のランナ翼10の部分を意味し、ランナ翼10の先端10aとは、ランナ翼10の半径方向外側の部分(図11における上部)を意味している。   Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 11, the tip 10 a of the runner blade 10 is positioned upstream of the base end 10 b of the runner blade 10. Here, the base end 10 b of the runner blade 10 means a portion of the runner blade 10 near the outer peripheral surface of the inner cylinder 2, and the tip 10 a of the runner blade 10 is a radially outer portion of the runner blade 10 (see FIG. 11).

図11に示す形態では、ランナ翼10が、ランナ3の回転軸線Xに垂直な垂直面に対して傾斜しており、これによりランナ翼10の先端10aが、ランナ翼10の基端10bより上流側に位置付けられている。ランナ翼10の傾斜している領域は、ランナ翼10の遷移部分13から翼本体部分12にわたっている。そして、上記垂直面とランナ翼10とが、傾斜角θで傾斜していることが示されている。傾斜角θは、水流から流体力を受けた場合(とりわけ定格流速時)に、流体力によって変形してランナ翼10の効率が最も良くなる姿勢(例えば、図11に二点鎖線で示すようにランナ3の回転軸線Xに垂直な姿勢)に近づけられるような角度とすることが望ましい。このため、傾斜角θを過度に大きくすることは、流体力によってランナ翼10の効率が最も良くなる姿勢にまで変形することが難しくなり、好ましくない。より具体的には、傾斜角θは、ランナ翼10の材料や形状によって決まる強度に依存するが、例えば、4.5°〜6.5°程度とすることができる。なお、図11に示すようにランナ翼10を傾斜させる形態は、比較的小型の軸流水車発電装置1に好適に適用できる。   In the form shown in FIG. 11, the runner blade 10 is inclined with respect to a vertical plane perpendicular to the rotation axis X of the runner 3, whereby the tip 10 a of the runner blade 10 is upstream of the base end 10 b of the runner blade 10. Is located on the side. The inclined region of the runner blade 10 extends from the transition portion 13 of the runner blade 10 to the blade body portion 12. It is shown that the vertical plane and the runner blade 10 are inclined at an inclination angle θ. The inclination angle θ is a posture (e.g., as shown by a two-dot chain line in FIG. 11) when the fluid force is received from the water flow (especially at the rated flow velocity) and the runner blade 10 is most efficiently deformed by the fluid force. It is desirable that the angle be close to the rotation axis X of the runner 3. For this reason, excessively increasing the inclination angle θ is not preferable because it is difficult to deform the runner blade 10 to a posture in which the efficiency of the runner blade 10 is best due to the fluid force. More specifically, the inclination angle θ depends on the strength determined by the material and shape of the runner blade 10, but can be, for example, about 4.5 ° to 6.5 °. In addition, as shown in FIG. 11, the form which inclines the runner blade | wing 10 can be applied suitably for the comparatively small-sized axial-flow water turbine generator 1. FIG.

このように本実施の形態によれば、ランナ翼10の先端10aが、当該ランナ翼10の基端10bよりも上流側に位置付けられている。このことにより、水流から流体力を受けて変形した場合にランナ翼10の先端10aを、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができる。すなわち、ランナ翼10のうちランナ3の出力増大に寄与し得る部分である先端を、効率が最も良くなる位置に近づけることができるため、ランナ3の出力を効果的に増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ3から所望の出力を得ることができ、ランナ3の出力を向上させることができる。なお、本実施の形態による上述した効果は、第1の実施の形態とは独立して得ることができる。   As described above, according to the present embodiment, the tip end 10 a of the runner blade 10 is positioned on the upstream side of the base end 10 b of the runner blade 10. This makes it possible to bring the tip 10a of the runner blade 10 closer to a posture in which the efficiency becomes the best when deformed by receiving fluid force from the water flow. That is, the tip of the runner blade 10 that can contribute to the increase in the output of the runner 3 can be brought close to the position where the efficiency is the best, so that the output of the runner 3 can be effectively increased. For this reason, a desired output can be obtained from the runner 3 operating in a water stream, and the output of the runner 3 can be improved. Note that the above-described effects according to the present embodiment can be obtained independently of the first embodiment.

また、本実施の形態によれば、ランナ翼10は、ランナ3の回転軸線Xに垂直な垂直面に対して傾斜している。このことにより、水流から流体力を受けて変形した場合に、ランナ翼10の多くの領域を効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ3の出力をより一層増大させることができる。   Further, according to the present embodiment, the runner blade 10 is inclined with respect to a vertical plane perpendicular to the rotation axis X of the runner 3. This makes it possible to bring many regions of the runner blade 10 closer to a posture where the efficiency becomes the best when the fluid force is deformed from the water flow, and the output of the runner 3 can be further increased.

なお、上述した本実施の形態においては、ランナ翼10の傾斜している領域がランナ翼10の遷移部分13から翼本体部分12にわたっている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、ランナ翼10の傾斜している領域は、ランナ翼10の先端10aから、半径方向内側にランナ3の半径Rの30%の距離までの範囲、すなわち、ランナ翼10のうち先端側の30%の領域であってもよい。この場合、ランナ翼10のうちランナ3の出力増大に寄与し得る領域を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができる。このことにより、ランナ3の出力を効果的に増大させることができる。   In the above-described embodiment, the example in which the inclined region of the runner blade 10 extends from the transition portion 13 of the runner blade 10 to the blade body portion 12 has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, the inclined region of the runner blade 10 is a range from the tip 10a of the runner blade 10 to a distance of 30% of the radius R of the runner 3 radially inward. That is, it may be a 30% region on the tip side of the runner blade 10. In this case, a region of the runner blade 10 that can contribute to an increase in the output of the runner 3 can be brought close to a posture in which the efficiency is best. As a result, the output of the runner 3 can be effectively increased.

また、上述した本実施の形態においては、ランナ翼10が、ランナ3の回転軸線Xに垂直な垂直面に対して傾斜している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば図12示すように、ランナ翼10は湾曲していてもよい。図12に示す形態では、より具体的には、ランナ翼10は下流側に向って凸となるように湾曲し、これにより、ランナ翼10の先端10aが、ランナ翼10の基端10bより上流側に位置付けられている。この場合、水流から流体力を受けて変形した場合に、ランナ翼10の多くの領域を効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ3の出力をより一層増大させることができる。なお、ランナ翼10の湾曲している領域は、上述したランナ翼10の傾斜している領域と同様とすることができ、例えば、ランナ翼10の遷移部分13から翼本体部分12にわたって湾曲させるようにしてもよく、あるいは、ランナ翼10の先端10aから、半径方向内側にランナ3の半径Rの30%の距離までの範囲、すなわち、ランナ翼10のうち先端側の30%の領域としてもよい。なお、図12に示すようにランナ翼10を湾曲させる形態は、比較的大型の軸流水車発電装置1に好適に適用できる。   In the above-described embodiment, the example in which the runner blade 10 is inclined with respect to the vertical plane perpendicular to the rotation axis X of the runner 3 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the runner blade 10 may be curved, for example, as shown in FIG. In the form shown in FIG. 12, more specifically, the runner blade 10 is curved so as to protrude toward the downstream side, whereby the tip 10 a of the runner blade 10 is upstream of the base end 10 b of the runner blade 10. Is located on the side. In this case, when deformed by receiving a fluid force from the water flow, many regions of the runner blade 10 can be brought close to the posture where the efficiency becomes the best, and the output of the runner 3 can be further increased. The curved region of the runner blade 10 can be the same as the inclined region of the runner blade 10 described above. For example, the curved region extends from the transition portion 13 of the runner blade 10 to the blade body portion 12. Alternatively, a range from the tip 10a of the runner blade 10 to a distance of 30% of the radius R of the runner 3 radially inward, that is, a region of 30% on the tip side of the runner blade 10 may be used. . In addition, the form which curves the runner blade | wing 10 as shown in FIG. 12 is applicable suitably for the comparatively large-sized axial-flow water turbine generator 1. FIG.

(第5の実施の形態)
次に、図13乃至図15を用いて、本発明の第5の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。
(Fifth embodiment)
Next, the axial-flow water turbine generator in the 5th Embodiment of this invention is demonstrated using FIG. 13 thru | or FIG.

図13乃至図15に示す第5の実施の形態においては、ランナ翼は、第2の捻り角で形成されており、第2の捻り角が、第1の捻り角の0.8倍以上1.0倍未満である点が主に異なり、他の構成は、図5乃至図7に示す第2の実施の形態と略同一である。なお、図13乃至図15において、図5乃至図7に示す第2の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。   In the fifth embodiment shown in FIGS. 13 to 15, the runner blade is formed with a second twist angle, and the second twist angle is 0.8 times or more the first twist angle 1. The main difference is that it is less than .0 times, and other configurations are substantially the same as those of the second embodiment shown in FIGS. 13 to 15, the same parts as those of the second embodiment shown in FIGS. 5 to 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

水流から流体力を受けるランナ翼10は、気流中で動作するランナ3とは異なり、大きな流体力を受ける。このことにより、ランナ翼10は、水流から流体力を受けている間、捻りトルクを受けて捻り角が大きくなる方向(図13における反時計回り方向)に捻られるように変形し得る。このため、ランナ翼10は、流体力を受けない状態において最適な形状となっていたとしても、この変形によって、効率が最も良くなる姿勢から捻られるように変形し、効率が低下してランナ3の出力が低下し得る。このような流体力による変形を防止するためにはランナ翼10の剛性を高めることが対策として考えられるが、剛性を高めるランナ翼10は、技術的な観点とコストの観点とから製造が困難となり得る。   Unlike the runner 3 that operates in an air current, the runner blade 10 that receives the fluid force from the water stream receives a large fluid force. Accordingly, the runner blade 10 can be deformed so as to be twisted in a direction in which the torsional torque is increased (counterclockwise direction in FIG. 13) while receiving the hydrodynamic force from the water flow. For this reason, even if the runner blade 10 has an optimum shape in a state where it does not receive fluid force, this deformation causes the runner blade 10 to be deformed so as to be twisted from a posture in which the efficiency becomes the best, and the efficiency is lowered to reduce the runner 3. Output can be reduced. Increasing the rigidity of the runner blade 10 is considered as a countermeasure in order to prevent such deformation due to fluid force. However, the runner blade 10 that increases the rigidity is difficult to manufacture from the technical and cost viewpoints. obtain.

そこで、本実施の形態では、図13に示すように、ランナ翼10の翼本体部分12は、第1の捻り角βdesよりも小さい第2の捻り角βdes’で形成されている。言い換えると、ランナ翼10は、半径方向に向って見たときの時計回りの方向に、第1の捻り角βdesの位置から第2の所定の角度捻られて、第2の捻り角βdes’で形成されている。 Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 13, the blade body portion 12 of the runner blade 10 is formed with a second twist angle β des ′ that is smaller than the first twist angle β des . In other words, the runner blade 10 is twisted by a second predetermined angle from the position of the first twist angle β des in the clockwise direction when viewed in the radial direction, and the second twist angle β des. 'Is formed with.

第2の所定の角度は、水流から流体力を受けた場合(とりわけ定格流速時)に、流体力によって変形してランナ翼10の効率が最も良くなる姿勢(例えば、第1の捻り角βdesの姿勢)に近づけられるような角度とすることが望ましい。なお、第2の所定の角度を過度に大きくすることは、流体力によってランナ翼10の効率が最も良くなる姿勢にまで変形することが難しくなり、好ましくない。 The second predetermined angle is a posture (for example, the first twist angle β des ) where the efficiency of the runner blade 10 is improved when the fluid force is received from the water flow (especially at the rated flow velocity) and deformed by the fluid force. It is desirable that the angle be close to the (posture). Note that it is not preferable to excessively increase the second predetermined angle because it becomes difficult to deform the posture of the runner blade 10 to the best by the fluid force.

そこで本実施の形態では、第2の捻り角βdes’が、第1の捻り角βdesの0.8倍以上1.0倍未満となっている。この場合、第2の所定の角度(βdesとβdes’との差)は、0(ゼロ)より大きく、第1の捻り角βdesの20%以下となる。また、この場合、第2の捻り角βdes’は、幾何学的に決定される捻り角理論値optの0.64倍以上1.0倍未満となる。 Therefore, in the present embodiment, the second twist angle β des ′ is 0.8 times or more and less than 1.0 times the first twist angle β des . In this case, the second predetermined angle (difference between β des and β des ′) is greater than 0 (zero) and is 20% or less of the first twist angle β des . In this case, the second twist angle β des ′ is not less than 0.64 times and less than 1.0 times the geometrically determined twist angle theoretical value opt .

ランナ翼10のうち第2の捻り角で形成する領域は、図14に示すように、翼本体部分12の全体にわたり、翼本体部分12の各半径位置が第2の捻り角で形成されていてもよい。そして、図14に示すランナ翼10は、翼本体部分12の各半径位置において、第2の所定の角度を一定にして捻るように形成されている。   As shown in FIG. 14, the region formed by the second twist angle in the runner blade 10 is such that each radial position of the blade body portion 12 is formed at the second twist angle over the entire blade body portion 12. Also good. The runner blade 10 shown in FIG. 14 is formed to be twisted with a second predetermined angle constant at each radial position of the blade body portion 12.

図14に示すランナ翼10は、水流から流体力を受けて変形した場合に、ランナ翼10の多くの領域を効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ3の出力をより一層増大させることができる。そして、水流から流体力を受けた場合に、捻りトルクを受けて捻り角が大きくなる方向(図13、図14における反時計回り方向)に捻られるように変形し、図15に示すような姿勢となる。この図15に示す姿勢が、ランナ翼10の効率が最も良くなる姿勢(例えば、第1の捻り角で形成された姿勢)を示している。   The runner blade 10 shown in FIG. 14 can bring many regions of the runner blade 10 closer to a posture where the efficiency becomes the best when deformed by receiving a fluid force from the water flow, and further increase the output of the runner 3. be able to. Then, when a fluid force is received from the water flow, it is deformed so as to be twisted in a direction in which the twist angle is increased (counterclockwise direction in FIGS. 13 and 14) upon receiving a twist torque, and the posture as shown in FIG. It becomes. The posture shown in FIG. 15 indicates a posture (for example, a posture formed at the first twist angle) in which the efficiency of the runner blade 10 is the best.

このように本実施の形態によれば、ランナ翼10が、第2の捻り角で形成されており、第2の捻り角が、第1の捻り角の0.8倍以上1.0倍未満となっている。このことにより、水流から流体力を受けて変形した場合にランナ翼10を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができる。このため、ランナ3の出力を増大させることができ、水流中で稼動するランナ3から所望の出力を得ることができ、ランナ3の出力を向上させることができる。   Thus, according to the present embodiment, the runner blade 10 is formed with the second twist angle, and the second twist angle is 0.8 times or more and less than 1.0 times the first twist angle. It has become. This makes it possible to bring the runner blade 10 closer to a posture in which the efficiency is best when deformed by receiving fluid force from the water flow. For this reason, the output of the runner 3 can be increased, a desired output can be obtained from the runner 3 operating in the water stream, and the output of the runner 3 can be improved.

なお、上述した本実施の形態においては、ランナ翼10の翼本体部分12の各半径位置において、ランナ翼10が一定の第2の所定の角度で第1の捻り角度から捻られるように形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、第2の所定の角度は半径方向内側に向って徐々に小さくするようにし、翼本体部分12の根元における第2の所定の角度は0と(すなわち、当該根元においては第1の捻り角で形成されるように)してもよい。この場合、ランナ翼10のうちランナ3の出力増大に寄与し得る領域を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ3の出力を効果的に増大させることができる。   In the present embodiment described above, the runner blade 10 is formed to be twisted from the first twist angle at a constant second predetermined angle at each radial position of the blade body portion 12 of the runner blade 10. Explained the example. However, the present invention is not limited to this. For example, the second predetermined angle is gradually decreased inward in the radial direction, and the second predetermined angle at the base of the blade body portion 12 is 0 ( That is, the root may be formed with a first twist angle). In this case, the region of the runner blade 10 that can contribute to the increase in the output of the runner 3 can be brought close to the posture where the efficiency is the best, and the output of the runner 3 can be effectively increased.

また、上述した本実施の形態においては、ランナ翼10のうち第2の捻り角で形成する領域が、翼本体部分12の全体にわたっている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ランナ翼10が第2の捻り角で形成される領域は、ランナ翼10の先端10aから、半径方向内側にランナ3の半径の30%の距離までの範囲、すなわち、ランナ翼10のうち先端側の30%の領域であってもよい。この場合においても、ランナ翼10のうちランナ3の出力増大に寄与し得る領域を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ3の出力を効果的に増大させることができる。さらに言えば、ランナ翼10の少なくとも先端10aが第2の捻り角で形成されていればよい。   Further, in the above-described embodiment, the example in which the region formed by the second twist angle of the runner blade 10 extends over the entire blade body portion 12 has been described. However, the present invention is not limited to this, and the region where the runner blade 10 is formed at the second twist angle is from the tip 10a of the runner blade 10 to a distance of 30% of the radius of the runner 3 radially inward. The range may be 30% of the runner blade 10 on the tip side. Even in this case, the region of the runner blade 10 that can contribute to the increase in the output of the runner 3 can be brought closer to the posture where the efficiency is the best, and the output of the runner 3 can be effectively increased. Furthermore, it is sufficient that at least the tip 10a of the runner blade 10 is formed with the second twist angle.

以上述べた実施の形態によれば、水流中で稼動するランナから所望の出力を得ることができ、ランナの出力を向上させることができる。   According to the embodiment described above, a desired output can be obtained from a runner operating in a water stream, and the output of the runner can be improved.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。     Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof. Moreover, as a matter of course, these embodiments can be partially combined as appropriate within the scope of the present invention.

1 軸流水車発電装置
2 内筒
3 ランナ
4 発電機
10 ランナ翼
10a 先端
10b 基端
11 埋込部分
11a 円筒表面
12 翼本体部分
13 遷移部分
13a 外表面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Axial-flow turbine generator 2 Inner cylinder 3 Runner 4 Generator 10 Runner blade 10a Tip 10b Base end 11 Embedded portion 11a Cylindrical surface 12 Blade body portion 13 Transition portion 13a Outer surface

Claims (9)

筒状体と、
前記筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
前記筒状体に内蔵され、前記ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備え、
前記ランナ翼の翼弦長は、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の1.0倍より大きく、3.0倍以下であることを特徴とする軸流水車発電装置。
A tubular body;
A runner that is rotatably provided in the cylindrical body, has a runner blade, and converts the kinetic energy of the water stream into rotational energy;
A generator that is built in the cylindrical body and converts rotational energy of the runner into electrical energy,
An axial-flow turbine generator according to claim 1, wherein a chord length of the runner blade is greater than 1.0 times and less than 3.0 times a theoretical value of a chord length obtained from a blade element momentum theory.
前記ランナ翼は、第1の捻り角で形成されており、
前記第1の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の0.8倍以上1.0倍未満であることを特徴とする請求項1に記載の軸流水車発電装置。
The runner wing is formed with a first twist angle;
2. The axial-flow turbine generator according to claim 1, wherein the first twist angle is 0.8 times or more and less than 1.0 times a theoretically determined twist angle theoretical value.
前記ランナ翼の少なくとも先端は、第2の捻り角で形成されており、
前記第2の捻り角は、前記第1の捻り角の0.8倍以上1.0倍未満であることを特徴とする請求項2に記載の軸流水車発電装置。
At least the tip of the runner blade is formed with a second twist angle;
The axial flow water turbine generator according to claim 2, wherein the second twist angle is 0.8 times or more and less than 1.0 times the first twist angle.
前記ランナ翼の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の0.64倍以上1.0倍未満あることを特徴とする請求項1に記載の軸流水車発電装置。   The axial flow water turbine generator according to claim 1, wherein the twist angle of the runner blade is 0.64 times or more and less than 1.0 times a theoretically determined twist angle theoretical value. 前記ランナ翼は、前記筒状体内に埋め込まれた円筒表面を有する埋込部分と、前記筒状体の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分と、前記埋込部分と前記翼本体部分との間に設けられ、前記埋込部分の円筒表面から前記翼本体部分の翼型形状に遷移する外表面を有する遷移部分と、を含み、
前記遷移部分の半径方向長さは、前記ランナの半径の25%以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置。
The runner wing includes an embedded portion having a cylindrical surface embedded in the cylindrical body, a wing body portion provided on the radially outer side of the cylindrical body and having an airfoil shape, the embedded portion, and the A transition portion provided between the wing body portion and having an outer surface that transitions from a cylindrical surface of the embedded portion to an airfoil shape of the wing body portion,
The axial flow turbine power generator according to any one of claims 1 to 4, wherein a length in a radial direction of the transition portion is 25% or less of a radius of the runner.
前記ランナ翼の先端は、当該ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置。   The axial flow turbine power generator according to any one of claims 1 to 5, wherein a tip end of the runner blade is positioned upstream of a base end of the runner blade. 筒状体と、
前記筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
前記筒状体に内蔵され、前記ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備え、
前記ランナ翼は、第1の捻り角で形成されており、
前記第1の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の0.8倍以上1.0倍未満であることを特徴とする軸流水車発電装置。
A tubular body;
A runner that is rotatably provided in the cylindrical body, has a runner blade, and converts the kinetic energy of the water stream into rotational energy;
A generator that is built in the cylindrical body and converts rotational energy of the runner into electrical energy,
The runner wing is formed with a first twist angle;
The axial flow water turbine generator according to claim 1, wherein the first twist angle is not less than 0.8 times and less than 1.0 times a theoretically determined twist angle theoretical value.
筒状体と、
前記筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
前記筒状体に内蔵され、前記ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備え、
前記ランナ翼は、前記筒状体内に埋め込まれた円筒表面を有する埋込部分と、前記筒状体の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分と、前記埋込部分と前記翼本体部分との間に設けられ、前記埋込部分の円筒表面から前記翼本体部分の翼型形状に遷移する外表面を有する遷移部分と、を含み、
前記遷移部分の半径方向長さは、前記ランナの半径の25%以下であることを特徴とする軸流水車発電装置。
A tubular body;
A runner that is rotatably provided in the cylindrical body, has a runner blade, and converts the kinetic energy of the water stream into rotational energy;
A generator that is built in the cylindrical body and converts rotational energy of the runner into electrical energy,
The runner wing includes an embedded portion having a cylindrical surface embedded in the cylindrical body, a wing body portion provided on the radially outer side of the cylindrical body and having an airfoil shape, the embedded portion, and the A transition portion provided between the wing body portion and having an outer surface that transitions from a cylindrical surface of the embedded portion to an airfoil shape of the wing body portion,
The axial flow turbine power generator according to claim 1, wherein a radial length of the transition portion is 25% or less of a radius of the runner.
筒状体と、
前記筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
前記筒状体に内蔵され、前記ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備え、
前記ランナ翼の先端は、当該ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられていることを特徴とする軸流水車発電装置。
A tubular body;
A runner that is rotatably provided in the cylindrical body, has a runner blade, and converts the kinetic energy of the water stream into rotational energy;
A generator that is built in the cylindrical body and converts rotational energy of the runner into electrical energy,
The axial flow turbine power generator according to claim 1, wherein a tip end of the runner blade is positioned upstream of a base end of the runner blade.
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