JP2021085338A - 円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車 - Google Patents

円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車 Download PDF

Info

Publication number
JP2021085338A
JP2021085338A JP2019213222A JP2019213222A JP2021085338A JP 2021085338 A JP2021085338 A JP 2021085338A JP 2019213222 A JP2019213222 A JP 2019213222A JP 2019213222 A JP2019213222 A JP 2019213222A JP 2021085338 A JP2021085338 A JP 2021085338A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
runner
water
turgo
ring
turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2019213222A
Other languages
English (en)
Inventor
清 國分
Kiyoshi Kokubu
清 國分
裕二 中西
Yuji Nakanishi
裕二 中西
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TANAKA SUIRYOKU KK
Original Assignee
TANAKA SUIRYOKU KK
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TANAKA SUIRYOKU KK filed Critical TANAKA SUIRYOKU KK
Priority to JP2019213222A priority Critical patent/JP2021085338A/ja
Publication of JP2021085338A publication Critical patent/JP2021085338A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

Landscapes

  • Hydraulic Turbines (AREA)

Abstract

【課題】ターゴ水車の作動可能な領域を従来のものよりも拡大する。使用可能なノズルの数を増加させて出力の増加を達成し、同時に設置スペースの縮小を図ることにより、コンパクトで効率を向上する。【解決手段】円環形状の導水管510と、前記円環形状を構成する大円の軸線と同軸上に回転軸540を有するランナ530と、前記円環形状の導水管510から、前記ランナ530のランナ羽根533に向けて、前記ランナ530の回転面の斜め方向から流水を放出する3つのノズル550と、を備える3射式ターゴインパルス水車500。【選択図】図9

Description

本発明は水車本体の外装(ケーシング)の一部に円環形状を採用すると共に、ケーシング内部に設けられた水車のランナに流水を噴射する3つのノズルを有する、3射式ターゴ水車に関するものである。
水力発電は、化石燃料等を使用しないクリーンなエネルギーとして知られており、特に近年は小規模の落差と水量とを利用した小規模水力発電施設の需要が拡大している。
すなわち、水力発電に使用する水は、落差が大きく水量が大きく取れる位置(大規模水力地点)にあるほど大電力の供給に向いている。しかし、このような大規模水力地点における水力発電は、既に開発がなされていることが多く、枯渇が生じている。また、大規模水力地点は、発電所と発電需要地とが相互に遠隔地にあり、送電にコストがかかるという問題もあった。
その一方、発電量は比較的小規模であっても、例えば、農業用水路や水道施設に用いられる水路などの、比較的落差が小さく水量が少ない地点(小規模水力地点)は、未だに多数存在しており、包蔵水力量も大きいと見られており、このような小規模水力地点においては、近隣に自家消費可能な設備が存在する場合が多く、また、系統連結による商用電源への売電も可能な点で有益である。
そのため、近年、こうした農業用水路や水道施設等を利用した、比較的小規模な水力発電施設が増加する傾向にあり、各種の発電用水車が使用されている。
しかし、こうした農業用水路や水道施設に用いられる水路を利用した発電施設では、水車の形式や水質によっては、同じ形式の機種であっても、費用対効果、或いは稼働率にかなりの差が生ずることが判ってきた。
例えば、水道施設に用いられる水路を利用した発電施設では、一般的には、水路内に木っ端や水草などのゴミが流入することはないが、農業用水路を利用した発電施設では、これらが多量に流入する場合があり、これらを除去することを考慮した場合には、費用対効果、或いは稼働率にかなりの差が生ずる場合がある。
更に具体的には、例えば、農業用水路に用いられる水車の形式として、フランシス水車などがよく用いられている。
かかる、フランシス水車は、例えば、特開昭60−81472号公報(特許文献1)に開示されるようなものである。
そして、フランシス水車の一般的な構造は、例えば、図1に示したフランシス水車100のように、水圧管110などから流水が導入される渦巻状のケーシング130と、当該ケーシング130の内側中央に配置され複数の羽根を有する羽根車であるランナ170と、ランナ170の周囲に設けられ、可動な羽根の角度(開度)を変えて渦巻状のケーシング内部からランナに流入する流水の流量を調整するガイドベーン150と、当該ガイドベーン150の周囲に配置されケーシングの補強と流水の整流を行うステーベーン140と、吸い出し管190とからなっている。
そのため、フランシス水車に流入した水は、図2に示したように、ステーベーン140の間を通ってガイドベーン150の間に流入し、図1に示すようなランナ170を回転させてから、吸い出し管190を通って排水管へ流出する。
こうしたフランシス水車を水道施設の管路や農業用水に用いた場合、水道施設を利用した小水力発電設備では水中に木の葉などが混入しないため、安定的な運転が継続され、高い稼働率を維持することが可能である。
その一方、農業用水の場合では、木っ端や水草などのゴミが多量に河川に流れ込むことがよくあり、それらが、水車に流れ込み、しばしば水車のガイドベーンやランナに詰まり、起動渋滞が生じたり、運転中にガイドベーンの動きが鈍くなる等の場合がある。
例えば、図2に示したように、ガイドベーン150は、図示しないガイドベーンサーボモータにより、図中に点線で示した矢印のように稼働することで、開度が調整されるが、当該ガイドベーン150の相互間やガイドベーン150とステーベーン140との間にゴミが入り込み、動作や機能に障害を生ずる場合がある。
また、図示しないガイドベーンサーボモータに過トルクが働き、ガイドベーン操作機構の保護に用いる弱点ピンが折損したりする場合もある。
また、洪水時に多量に土砂が流れ込んで、水車内部の部品に摩耗や損傷が起きることで、部品交換を余儀なくされることなどもある。
そのため、特許文献1に記載されたようなフランシス水車では、流路にガイドベーンやランナが設けられた構造を有していることから、上記のように木っ端などの塵芥が詰まる事例が発生した場合には、水車の手入れや分解が必要となり、稼働率を低下させる大きな要因となっている。
そこで、こうした農業用水路などを利用した、比較的小規模な水力発電施設に使用する水力発電用水車の選定にあたっては、以上のような事態を総合的に考慮する必要がある。
また、比較的小規模な水力発電施設に用いられる水車として、どのようなタイプを選定するかについては、出願人においては、例えば、図3に記載したような水車選定表を用いている。
ここで、図3に記載した水車選定表は、水車の設置見込地点で得られると予測される、水の落差と水量とに基づいて、適用が可能な水車の形式を例示した図である。
図3に示される水車のうち、例えば、図3中に二重丸で示した落差30m、使用水量0.5(m/s)程度の領域Aを仮定し、こうして仮定した領域Aで大きな出力を得ようとする場合には、同図中に鎖線による枠線で示したフランシス水車が考えられる。
当該フランシス水車は、上述したように、水圧管などの管路110内を流れてきた流水が渦巻き状のケーシング130から、ステーベーン140及びガイドベーン150を介してランナ170の外周部から半径方向の内側に向けて流入し、流入した水がランナ170の軸方向から吸出管190方向へ流出する構造を有している。
そして、このようなフランシス水車の比速度Nsは、80〜300の領域であり、一般的には、落差と流量の適用範囲が広く、反動水車の一種として、吸出管に全水頭が利用でき最高効率が高い、という利点を有しているものの、上述したように、構造が複雑で、可動部分が多く、ガイドベーンや、ランナなどに塵芥が詰まる場合があること等から、保守・補修がやや困難という欠点も有している。
また、近年、水圧管の材料としてFRPM(強化プラスチック複合管)や、高密度ポリエチレン管がよく採用されている。また農業用水路は穏やかな勾配であるが故に、落差を得るために水圧管を長くすることがある。これらの条件から、フランシス水車を計画する場合には、まず水撃対策を考慮しなければならない。
しかし、低比速度なフランシス水車になればなるほど、水撃圧の上昇値が高くなり、前述の水圧管の強度が不足し、採用できない場合がある。
また、フランシス水車の場合は、負荷遮断時にランナに流入する水量が変動し、その影響で上流側の水圧管内の流速が変動するので、水圧管内で圧力が上昇し、最悪の場合には、水圧管が破裂することがある。そこで、その対策として、フライホイールや制圧機の設置が行われてきたが、こうした対策は、機器が高価となり不経済であるという問題もあった。
一方、例えば、上記のように仮定した領域Aの近くでは、上記フランシス水車と同様の出力を得るために、フランシス水車よりも落差が高くなること等を条件として、例えば、特開平7−77152号公報(特許文献2)に開示されたような、2射式のターゴインパルス水車(ターゴ水車)の適用が可能である。
かかるターゴ水車は、例えば、一般的には、図4に示したように、概ね、導水管310からの流水(斜線による矢印で示す)を分岐管330に誘導し、分岐管330の先端にあるノズル350からランナ370へ向けて水流を噴射するようになっており、その後、流水は下方から排水として下流側へ放出される構造になっている。なお、ここで、図4は、ターゴ水車におる発電設備の概要を一部透視図を含む斜視図で示したものである。
そして、かかるターゴ水車は、図5(A)に示すように、ランナのバケット面373に垂直な方向から水流を噴射するペルトン水車を改良したものであり、当該ペルトン水車と共に、衝撃水車に分類されている。ここで、図5は、ペルトン水車とターゴ水車とのランナへの水流の噴射状況の違い表示したものであり、図5(A)はペルトン水車の例を示した概念図であり、図5(B)はターゴ水車の例を示した概念図である。
ペルトン水車では、図5(A)に示したように、ランナのバケット面373に対してランナの回転軸(図中の2点鎖線で示す方向)に垂直な方向(接線方向)からノズル350から水を噴射するのに対して、ターゴ水車では、図5(B)に示したように、ランナに対してランナの回転軸(図中の2点鎖線で示す方向)の斜め方向(ランナのディスク面に対して斜め方向)からノズル350で水を噴射し、その衝撃で水車を回転させる構造を有している。
そして、従来のターゴ水車は、比速度Hsは50〜80程度の領域にあり、図6に水車効率曲線を示したように、他の水車と比較して最高効率はやや低いものの、例えば、図7に、ターゴ水車、フランシス水車及びペルトン水車の比較を示したように、一般的には、ペルトン水車より高い回転数が採用出来るため発電機価格が安くなる他、軽負荷特性が優れており、構造が簡素のため、据付けコスト及び保守性の面で優位性を備えており、日常保守を殆ど必要とせず、補修も容易である等の利点を有している。
また、ターゴ水車は、衝動水車であるので、ジェットにより、ランナにトルク伝達させている。すなわち、ランナによる圧力変動は起きない。従って、ニードル弁の開閉時間の調整だけで、水撃圧の抑制ができるので経済的である。
そのため、ターゴ水車の適用可能な領域を拡大して、フランシス水車の領域に近づけることができれば、上記のようなターゴ水車の利点を活用した小規模水力発電への更なる利用が可能である。
そこで、このような観点からターゴ水車を見た場合、従来のターゴ水車は、更に詳細には、例えば、特許文献2に記載されたように、次のような構造及び機能を有している。
図8は、特許文献2で示されるようなターゴ水車において、ランナ周りでノズルがどのように配置されているかを示したものであり、図8(A)は上面図、図8(B)はランナの回転面の下流側から見た場合の正面図である。
図8や図4で示した従来のターゴ水車の例では、上記のように、導水管により水車入口まで導かれた流水は、分岐管330や曲管を通って2つのノズル350へ分配される。そして、かかるノズル350は、水平軸廻りで回転するランナ370に対して、回転軸370Cの上側と下側の2カ所に分配されており、分配された流水は、ノズルで加速され、その噴射口からジェットとなって噴射する。このジェットは、ランナ370に当たり、これに水動力を伝えた後は、放水口に落ちて流れ去る。そして、ランナに伝わった水動力は、機械的動力に変えて水車軸から発電機に伝えられる。
特開昭60−81472号公報 特開平7−77152号公報
従来のターゴ水車は、例えば、上述した特許文献2に記載されたように、ノズルが2つの2射構造となっている。これは、回転軸を水平面と平行にしているランナに対して、上述のように、当該ランナの回転軸を挟んで上側のランナ羽根と下側のランナ羽根に、それぞれ当該ランナの回転軸を挟んだ左右方向から、水平面と平行にノズルにより流水を射出する構造が採用されているためである。
従来のターゴ水車は、上記のように、2つのノズルはランナに対して水平方向から見た場合には左右に配置される構造になっており、また、ケーシングが放水口を兼ねる構造になっている。そのために、従来のターゴ水車では、ケーシングがランナの大きさに対して大きめになっていた。
そして、導水管から2つのノズルへ流水を導く分岐管も、このような大きめのケーシングの周囲に配置されることから、水車全体の設置スペースが広く必要となり、相応の設置コストがかかると共に、設置場所が限定されるという課題があった。
そこで、本発明は、上記課題の解決を図ることを目的としており、ターゴ水車の作動可能な領域を従来のものよりも拡大すると共に、使用可能なノズルの数を増加させて出力の増加を達成し、同時に設置スペースの縮小を図ることにより、コンパクトで効率的なターゴ水車、及び、これを用いる水力発電装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本発明は、円環形状の導水管と、前記円環形状を構成する大円の軸線と同軸上に回転軸を有するランナと、前記円環形状の導水管から、前記ランナのランナ羽根に向けて、前記ランナの回転面の斜め方向から流水を放出する3つのノズルと、を備える3射式ターゴインパルス水車を提供する。
また、上記課題の解決は、前記円環形状の導水管へ接続される入口管は、前記円環形状を構成する大円の接線方向と平行に接続され、前記3つのノズルは、前記円環形状の導水管から相互に等間隔に、前記軸線の方向から見た場合には、前記ランナの回転面の接線方向に平行に前記ランナ羽根の中心に向けて、前記円環形状の導水管の表面から立ち上がる構成を有することにより、或いは、前記円環形状の導水管へ接続される入口管は、前記円環形状を構成する大円の接線方向と平行に接続され、前記3つのノズルは、前記円環形状の導水管から相互に等間隔に、前記軸線の方向から見た場合には、前記ランナの前記ランナ羽根の中心が作る円に向かって螺旋状に、前記円環形状の導水管の表面から、前記入口管から流入する流水の下流側の方向へと傾けて立ち上がる構成を有することにより、さらに効果的に達成される。
また、上記の課題を解決するために本発明は、上記3射式ターゴインパルス水車を用いた水力発電装置であって、前記円環形状の導水管は、前記軸線に沿って、その周囲に形成された円筒形状のケーシングの一部を構成しており、前記円筒形状のケーシングの一方の端面側には前記ランナの回転軸に接続する発電機が設けられ、前記円筒形状のケーシングの他の一方の端面側は開放されていて流水が排出される水力発電装置を提供する。
また、上記の課題を解決は、上記3射式ターゴインパルス水車を用いる水力発電装置であって、前記軸線は鉛直方向に設けられ、前記発電機は前記ランナの上方に設けられる水力発電装置により、更に効果的に達成される。
本発明では、円環形状の導水管を用いたケーシングを採用すると共に、上記円環形状の導水管に配置した3つのノズルによりランナ羽根に向けて流水を噴射して、当該ランナを回転させる構成とした。
そのため、本発明では、円環形状の導水管を用いたケーシングを採用すると共に、ノズルの数を従来の2射から3射にすることで、機器の大きさはそのままで、使用水量を大きく取れることから、高い出力を得ることが可能と成っている。
すなわち、下記(式1)に示される比速度Nsにおいて、ターゴ水車の出力Pはノズル数に比例するため、比速度Nsはノズル数の平方根に比例する。
Figure 2021085338
ここで、上記の式1中、Hは有効落差(m)、Pは水車出力(kW)、Nは回転速度(min−1)を示している。
従来のターゴ水車の比速度Nsは、2射で50〜80mkWの範囲であったが、3射にすることで、60〜100mkWの範囲に拡大され、フランシス水車の領域(80<Ns<300)に達することができる。また、水量に応じてノズル数を変えることができるので、高効率運転が可能となる。
そのため、本発明では、ターゴ水車の比速度と作動可能な領域を従来のものよりも拡大すると共に、コンパクトで効率的なターゴ水車、及び、これを用いる水力発電装置を提供することが可能である。
フランシス水車の例を示す図であり、(A)は正面図、(B)は上面図である。 ガイドベーンとステーベーンの配置例について、これらの一部を回転軸の方向から拡大して示した図である。 使用水量と落差に応じて選択可能な水車を示す水車選定表の一例を示したものであり、このうち鎖線はフランシス水車、一転鎖線はターゴインパルス水車を示している。 従来のターゴ水車の一例を示す斜視図である。 ペルトン水車とターゴ水車とのノズル方向からの入射角度の相違を示す概念図である。 ターゴ水車とフランシス水車とぺルトン水車について、水車効率曲線を示す表である。 各種水車の利点と欠点とを示す比較表である。 従来のターゴ水車のノズルとランナとの関係の一例を示す図面であり、図8(A)は上面図、図8(B)はランナの回転面の下流側から見た場合の正面図である。 本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車の例を示した正面図である。 本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車の例を示した上面図である。 本願において円環形状の各部の呼称を示す説明図である。 図10で示したような上面図において、ランナ530とノズル550とを強調して表示した図である。 ランナの回転軸に対して垂直な方向から、ランナに入射する水流の角度を表示した概念図である。 本発明の第2の実施形態による円環形状の導水管へ流水を入力する入口管の接続構造と、これに応じたノズルの形態との部分の概念を一部透視図を含む斜視図で表した説明図である。 本発明の第2の実施形態において、円環形状の導水管から立ち上がるノズルを構成するニードル導管の構成例を概念的に示した図である。 本発明の第3の実施形態による円環形状の導水管へ流水を入力する入口管の接続構造と、これに応じたノズルの形態との部分の概念を一部透視図を含む斜視図で表した説明図である。 本発明の第3の実施形態による円環形状の導水管と入口管との接続構造を概念的に示した図である。
次に、本発明による3射式ターゴ水車の具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明では、同一の構成要素については、他の形態を採り得るものについても同一の記号を用いる場合があり、重複する説明や構成については、一部省略する場合がある。また、図面に示す各構成要素(及びそれらの接続部を含む)の形状、大きさや相互の比率などは、説明の便宜のために実際のものとは異なる場合もあり、図面の一部については、分かり易くするために表現を省略している場合もある。
最初に本発明の第1の実施形態について説明する。
図9は、本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500の構成例を示した正面図であり、図10は、その上面図である。
本発明による第1の実施形態の例では、3射式ターゴ水車500の主要な構成要素は、円環形状の導水管510と、当該導水管510の円環形状を構成する大円の軸線上に回転軸540が配置されるランナ530と、当該円環形状の導水管510から、ランナ530方向に向けられた3つのノズル550とからなっている。なお、ここで、円環形状を構成する大円とは、図11に示すように、円環形状(トーラス型形状)を1つの小円の外側に回転軸を置いて得られる回転体とした場合に、当該回転軸から小円の中心までの大きさを半径とする円のことを示し、便宜上、当該回転軸を大円の軸線と呼称する。
そして、円環形状の導水管510の入り口に相当する入口管590に対しては、3射式ターゴ水車500の本体への流水の供給を制御するバルブ575を介して、円環形状の導水管510の内部空間内に流水を導入する水圧管570が接続されており、更に、バルブ575と円環形状の導水管510との間には、接続管580が設けられている。
そして、当該接続管580にはドレン管581が設けられていて、そこには、運転休止時などに円環形状の導水管510の内部等の水を抜水する為のバルブ585が配置されている。
また、更に、図9で示したように、本第1の実施形態の場合には、円環形状の導水管510を構成する大円の軸線に沿った、ランナ530の回転軸540は、鉛直線上に設けられており、当該円環形状の導水管510は、円筒形状のケーシング520の一部となっている。
そして、当該円筒形状のケーシング520を構成する円筒の一方の端である上側の端面には、発電機600が設けられており、当該発電機600には、軸継手545を介して、下方に配置されたランナ530の回転軸540が接続されている。
また、当該円筒形状のケーシング520を構成する円筒の他の一方の端である下側の端面は開放されており、3射式ターゴ水車500に流入した流水の排水を行うようになっている。
上記本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500の構成要素のうち、円環形状の導水管510は、水圧管570から入口管590を介して流入された流水をノズル550に導くものである。
そのため、本第1の実施形態では、かかる円環形状の導水管510は、3射式ターゴ水車500を構成するケーシングの一部として、上述した円筒形状のケーシング520と組み合わされて一体となっている。
なお、図10で示す本実施形態の例では、円環形状の導水管510が円筒形状のケーシング520の一部として、その壁面に埋設して形成されているが、円環形状の導水管510と円筒形状のケーシング520とを一体化するための構成については、これに限らない構成を採用することが可能である。
そのため、例えば、円筒形状のケーシング520の外周を取り巻くように円環形状の導水管510を構成して、当該円環形状の導水管510からノズル550が当該円筒形状のケーシング520の内部に突出するような構成を採用したものでも構わない。
また、円環形状の導水管510に対しては、かかる円環形状の導水管510の内部に流水を導くための入口管570が設けられており、これには更に水圧管570が接続されている。
かかる水圧管570は水源から供給された水を導くものであるが、かかる水圧管570からの流水を円環形状の導水管510の内部に導く水圧管570は、後述する他の実施形態によるものとは異なり、円環形状の導水管510を構成する大円の作る平面に対して平行に接続されており、且つ、かかる大円の中心方向に向けて接続されている。
また、円環形状の導水管510には、当該円環形状の導水管510から、円環形状の作る大円の内側下方方向に向けて、相互に等間隔に、ランナ530に向けて、3つのノズル550が設けられている。
かかる、ノズル550は、基本的な構造は、一般的なターゴ水車に用いられるものと同様であり、ニードル軸551と、その先端に取り付けられた紡錘形状を有するニードルチップとが、ノズル端面556からの操作に応じて、ガイド軸受554に支えられながら、ニードル導管553内を前後に移動するようになっている。
そして、そうしたニードル軸551の移動により、当該ニードル軸551の先端部に設けられた紡錘形状を有するニードルチップ552とノズルの噴出口555との隙間が構成する開口の大きさ(開口度)を変えて、流水の流量を制御するようになっている。
なお、本発明においては、ノズル550は、円環形状の導水管510を構成する円環のうち小円部分を貫通するように構成され、大円の内側方向にノズルの噴出口555が設けられていて、その対面側にノズル端面556が設けられ、ニードル軸551の操作は、かかるノズル端面556側から、手動や電動若しくは油圧などにより行うように構成されている。
また、一般的なターゴ水車では、ノズルの噴出口に、一定の場合に水流がランナに及ぶことを防ぐデフレクタを設ける場合もあるが、本第1の実施形態では、小水力発電向けを考慮した構造の簡素化のために特に設けていない(但し、設けることも可能である)。なお、図7に記載した図表においては、ターゴ水車においては、デフレクタにより水圧上昇率が抑制され、余水路の省略が可能である旨が記載されているが、本発明では、上記ノズルの開口度の調整により同様の効果を得ることが可能である。
また、ノズル550からのランナ530への流水の射出は、図12及び図13を参照すると、次のようになっている。
ここで、図12は、図10で示したような上面図において、ランナ530とノズル550とを強調して表示した図であり、図13は、ランナの回転軸540に対して垂直な方向から、ランナ530に入射する水流の角度を表示した、概念図である。
なお、本発明におけるランナ530は、一般的なターゴ水車に用いられるものを用いることが可能であり、当該ランナ530は、ランナの回転軸540の周囲に、複数のランナ羽根(バケット)533が配置された構成が採用されている。そして、ノズル550から噴射された流水がランナ羽根533にあたり、これによりランナの回転軸540が回転するように構成されている。
そのため、本発明の第1の実施形態によるノズル550からのランナ530への流水の射出は、ランナの回転軸540に沿った方向から見た場合には、図12に示すように、ランナ530の作る回転面の接線方向に平行であって、更に、当該ランナ530を構成するランナ羽根533の中心の作る円533cの方向に向けて行われる。
また、同じく、図13に示すように、ランナの回転軸540に対して垂直な方向から、ランナ530に入射する水流の角度を見た場合には、流水はランナ530に対して、角度φを採るように構成されている。
かかる角度φについては、特に限定を設けるものではなく、一般的なターゴ水車では、理論上15度程度にすると水車効率が最も高くなるが、経済性やランナ530の大きさ等を考慮して、15〜25度等の大きさを選択することも可能である。
以上のように、ノズル550からのランナ530へ流水を射出させたい方向に併せて、本発明による第1の実施形態では、ノズル550も、ランナ530の回転面の接線方向に平行にランナ羽根533の中心に向けて、円環形状の導水管510の表面から立ち上がる構成を有しており、ランナの回転軸540に対して垂直な方向から見た場合には、円環形状の導水管510の大円の内側から、下方方向に設けられたランナ530に向けて立ち上がる構成を有している。
また、上記本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500においては、ランナの回転軸540を鉛直方向に設けると共に、当該3射式ターゴ水車500のケーシングの上方に発電機600を接続して、水力発電装置を構成している。
そのため、本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500においては円環形状の導水管510により水車内に導いた流水を、ノズル550を用いることにより下方にあるランナ530に重力の作用を加えて流出させ、そのまま下方から排水させることが可能であり、ランナ530からの出力は、上方に設けた発電機600により取り出すことが可能である。したがって、本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500では、従来型のターゴ水車に比べて、出力の増大を図ると共に、装置全体をコンパクトにまとめることも可能である。
なお、上記本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500においては、軸線は鉛直方向に設けられていたが、必ずしもこれに限らずに、設置場所等の諸条件に応じて、水平方向、或いは、水平に対して傾斜をつけた方向に設ける形態を採用することも可能であり、これは後述する第2の実施形態、或いは、第3の実施形態についても同様である。
また、図9には図示しないが、円筒形状のケーシング520の側面部分に適宜点検口を設けて、ランナ530等の点検ができるように構成することも可能である。
次に、本発明の第2の実施形態による3射式ターゴ水車について説明する。
本発明の第2の実施形態による3射式ターゴ水車は、基本的な構成は、上述した本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500と同様であるが、図14に示すように、円環形状の導水管510へ流水を入力する入口管590の接続構造と、これに応じたノズル550の形態とが異なっている。
ここで、図14は、本発明の第2の実施形態による円環形状の導水管510へ流水を入力する入口管590の接続構造と、これに応じたノズル550の形態との部分について、一部透視図を含む斜視図で表したものである。
本発明の第2の実施形態による円環形状の導水管510は、上記第1の実施形態によるものと基本的には同様であるが、当該円環形状の導水管510に接続されて流水が導入される入口管590との接続構造が異なっている。
すなわち、本発明の第2の実施形態においては、入口管590は、円環形状の導水管510を構成する大円の接線方向と平行な方向から接続されていると共に、当該大円が作る平面に平行に接続されている。そのため、本発明による第2の実施形態では、入口管590を介した水圧管570からの流水の流入が更に円滑に行われるように構成されている。
また、同じく本発明の第2の実施形態においては、上記のように入口管590を配置したことに併せて、ノズル550を構成するニードル導管553の構成にも変更を加えたニードル導管553Aを採用している。
当該ニードル導管553Aは、基本的な機能はニードル導管553と同様であるが、その形態が異なっている。
すなわち、当該ニードル導管553Aは、ランナの回転軸540の軸線に沿った方向から見た場合には、円環形状の導水管510を構成する大円の内側に向けた表面から、当該ランナ530を構成するランナ羽根の中心が作る円533cに向かって螺旋状に、入口管590から流入する流水の下流側の方向へと傾けて立ち上がる構成を有している。また、当該軸線に垂直な方向から見た場合には当該大円の作る面からは、ランナ羽根の中心が作る円533cに向かって螺旋状に、下方方向に延伸して構成されている。
そのため、円環形状の導水管510からノズル550内に流入した流水は、図15に点線で示したように、ノズル550のニードル導管553Aの内部では、流入された流水の流れが出来るだけ妨げられないように形成された螺旋形の流路を辿り、ノズル550の噴出口555を出た後は、ランナ530の回転面の接線方向に平行に、直線状に噴射して、ランナ羽根の中心が作る円533cに向けて射出される。なお、ここで、図15は、円環形状の導水管510から立ち上がるノズル550を構成するニードル導管553Aの構成例を概念的に示した図であり、図中の点線は、流水の経路を概略的に示したものである。
したがって、本発明による第2の実施形態では、入口管590から円環形状の導水管510に流入する流水を更に効果的にノズル550から流出させることが可能である。
次に、本発明の第3の実施形態による3射式ターゴ水車について説明する。
本発明の第3の実施形態による3射式ターゴ水車は、基本的な構成は、上述した本発明の第1の実施形態による3射式ターゴ水車500と同様であり、ノズル550のニードル導管553Aの形態は、第2の実施形態と基本的には同様である。しかし、本発明の第3の実施形態による3射式ターゴ水車においては、図16及び図17に示すように、円環形状の導水管510へ流水を流入する入口管590の接続構造が更に異なっている。
ここで、図16は、本発明の第3の実施形態による円環形状の導水管510へ流水を流入する入口管590の接続構造と、これに応じたノズル550の形態との部分について、その概念を一部透視図を含む斜視図で表した説明図である。また、図17は、本発明の第3の実施形態による円環形状の導水管510と入口管590との接続構造を概念的に示した図である。
すなわち、本発明の第3の実施形態においては、更に具体的には、入口管590は、円環形状の導水管510を構成する大円の接線方向と平行な方向から接続されていることに加えて、図16及び図17に示すように、当該大円が構成する平面に対して、傾斜を設けて接続されて、上方にある入口管から下方にある円環形状の導水管510へ流水が流れ込む構造となっている。
そのため、本発明による第3の実施形態では、入口管590を介した水圧管570からの流水の流入が更に円滑に行われるように構成されていると共に、円環形状の導水管510を構成する大円の内側下方に向けて傾斜して構成されているノズル550を構成するニードル導管553Aと同様に、円環形状の導水管510を構成する大円に対して傾斜を設けて接続されていることから、更に円滑に、ランナ530に向けた流水の噴射を行うことが可能である。
また、このように、入口管590と円環形状の導水管510との接続を傾斜を設けてどのような位置でも取付可能な形状とし、真下や真上あるいは傾斜した立地(山岳部の法面)でも据付可能としたことで、土木工事が簡略となり、コスト低減となる。
以上のように、本発明によれば、円環形状の導水管を用いたケーシングを採用すると共に、ノズルの数を従来の2射から3射にすることで、機器の大きさはそのままで、使用水量を大きく取れることから、高い出力を得ることが可能と成っている。
そして、本発明では更に、入口管590と円環形状の導水管510との接続構造、及び、円環形状の導水管510から立ち上がるノズル550の形態の構造を、流入された流水の流れが出来るだけ妨げられないように形成することで、水車の効率を高めている。
そのため、本発明では、ターゴ水車の比速度と作動可能な領域を従来のものよりも拡大すると共に、コンパクトで効率的なターゴ水車、及び、これを用いる水力発電装置を提供することが可能である。
なお、上述した実施形態は本発明による構成を例示したものであり、本発明の趣旨の範囲で、更に異なる構成を採用することも可能である。
そのため、例えば、上記の実施形態による3射式ターゴ水車、及び、これを用いる水力発電装置においては、軸継手と発電機の間等に変速機等を設ける構成を採用したり、上記円環形状の導水管を当該円環形状を構成する大円が水平面、或いは垂直面上に配置されるように、若しくは、これらの面に対して傾斜して配置されるように構成したりすることも可能である。
また、上記各実施形態において、3つのノズル550は、円環形状の導水管510から立ち上がる構成になっているが、入口管590と円環形状の導水管510との傾きや、入口管590からの流れ方向から見た距離等に応じて、ノズル550の立ち上がる傾きを、3つのノズル550それぞれについて個別に最適化して設けることも可能である。
510 円環形状の導水管
520 円筒形状のケーシング
530 ランナ
533 ランナ羽根
533c ランナ羽根の中心が作る円
540 ランナの回転軸
545 軸継手
550 ノズル
551 ニードル軸
552 ニードルチップ
553 553A ニードル導管
554 ガイド軸受
555 噴出口
556 ノズル端面
570 水圧管
575 バルブ
580 接続管
581 ドレン管
585 バルブ
590 入口管
600 発電機

Claims (5)

  1. 円環形状の導水管と、
    前記円環形状を構成する大円の軸線と同軸上に回転軸を有するランナと、
    前記円環形状の導水管から、前記ランナのランナ羽根に向けて、前記ランナの回転面の斜め方向から流水を放出する3つのノズルと、を備える3射式ターゴインパルス水車。
  2. 前記円環形状の導水管へ接続される入口管は、前記円環形状を構成する大円の接線方向と平行に接続され、
    前記3つのノズルは、前記円環形状の導水管から相互に等間隔に、前記軸線の方向から見た場合には、前記ランナの回転面の接線方向に平行に前記ランナ羽根の中心に向けて、前記円環形状の導水管の表面から立ち上がる構成を有する請求項1に記載の3射式ターゴインパルス水車。
  3. 前記円環形状の導水管へ接続される入口管は、前記円環形状を構成する大円の接線方向と平行に接続され、
    前記3つのノズルは、前記円環形状の導水管から相互に等間隔に、前記軸線の方向から見た場合には、前記ランナの前記ランナ羽根の中心が作る円に向かって螺旋状に、前記円環形状の導水管の表面から、前記入口管から流入する流水の下流側の方向へと傾けて立ち上がる構成を有する請求項1に記載の3射式ターゴインパルス水車。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の3射式ターゴインパルス水車を用いた水力発電装置であって、
    前記円環形状の導水管は、前記軸線に沿って、その周囲に形成された円筒形状のケーシングの一部を構成しており、前記円筒形状のケーシングの一方の端面側には前記ランナの回転軸に接続する発電機が設けられ、前記円筒形状のケーシングの他の一方の端面側は開放されていて流水が排出される、水力発電装置。
  5. 請求項4に記載の3射式ターゴインパルス水車を用いる水力発電装置であって、
    前記軸線は鉛直方向に設けられ、前記発電機は前記ランナの上方に設けられる水力発電装置。
JP2019213222A 2019-11-26 2019-11-26 円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車 Pending JP2021085338A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019213222A JP2021085338A (ja) 2019-11-26 2019-11-26 円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019213222A JP2021085338A (ja) 2019-11-26 2019-11-26 円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2021085338A true JP2021085338A (ja) 2021-06-03

Family

ID=76088105

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019213222A Pending JP2021085338A (ja) 2019-11-26 2019-11-26 円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2021085338A (ja)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2606211C2 (ru) Установка для преобразования потока текучей среды в энергию
RU2684855C2 (ru) Устройство для производства электроэнергии и система, включающая такое устройство
EP2027388B1 (en) Liquid control jet during part load operation in a hydraulic turbine
US11952976B2 (en) Hydraulic turbine
US7645115B2 (en) System, method, and apparatus for a power producing linear fluid impulse machine
JP6508361B2 (ja) 河川用水力発電装置
JP6049749B2 (ja) タービン装置
CA2278707C (en) Helical penstock
CN112943505A (zh) 一种汇流绕射法及汇流绕射发电机
JP2021085338A (ja) 円環型ケーシングを用いた3射式ターゴ水車
Halder et al. Efficient hydroenergy conversion technologies, challenges, and policy implication
CN108488021A (zh) 摩天轮水轮机发电装置
WO2011005215A1 (en) Hydroelectric inflow dam system
KR101320636B1 (ko) 유수관용 수력발전장치
CN107304745B (zh) 潮流能发电装置及其导流罩
Ani et al. Design and construction of a pelton wheel turbine for power generation
Chan Design calculation of penstock and nozzle for 5kW Pelton turbine micro hydropower plant
Brookshier Hydropower technology
KR102637470B1 (ko) 양식장 배출수의 유량과 수두에 따라 수차시스템의 안내깃과 베인의 각도변경이 가능한 조립식 소수력발전용 임펠러 시스템
TWI468586B (zh) 水力發電裝置
KR102145589B1 (ko) 배관용 발전장치
CN101871415A (zh) 万能全效发电动力机
WO2018067076A1 (en) Water diversion with multiple pipes and rotationally symmetric hydro turbine with multiple inlets
NWE et al. Hydraulic Speed Control System of Cross-Flow Turbine
Cazzago et al. Low and very low head SHPP: Where is the efficiency hiding? Overview on several case studies