JP2023076362A

JP2023076362A - 垂直軸型螺旋タービン

Info

Publication number: JP2023076362A
Application number: JP2021201215A
Authority: JP
Inventors: 誠友坂; Makoto Tomosaka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-11-22
Filing date: 2021-11-22
Publication date: 2023-06-01

Abstract

【課題】垂直軸型螺旋タービンにおいて、そのタービンのブレードにゴミやチリ等の異物が付着堆積して発電効率が落ちるのを防止し、しかも定期的にタービンを停止してゴミやチリ等の異物清掃を必要とせず、異物が流入してもブレードの回転と共に自然に排出することがタービンのブレードを持つ水力または風力発電用の垂直軸型螺旋タービンを開発する。【解決手段】回転軸と、該回転軸に連結体により固定された複数枚のブレードを有するブレード回転体と、前記回転軸と発電機をつなぐ連結手段を備える垂直軸型螺旋タービンにおいて、前記各ブレードは長手方向に連続する螺旋状であって、前記ブレードはその断面において表面と裏面からなる翼状であり、前記表面には長手方向端部を解放した連続する受け溝を有していることを特徴とする垂直軸型螺旋タービンである。【選択図】図２

Description

本発明は河川や水路等に流れる水の流路内に設置し、その水流が持つ速度エネルギーまたは位置エネルギーをブレードの回転力として運動エネルギーに変換し、その回転力をタービンの軸に伝達して発電を行う水力発電装置、又は、海上や山地等の風の強い場所に設置され、風力が持つ速度エネルギーをブレードの回転力として運動エネルギーに変換し、その回転力をタービンの軸に伝達して発電を行う、水力または風力発電装置における垂直軸型螺旋タービンに関する。

持続可能な開発目標の中に「すべての人々に手頃で信頼でき、持続可能かつ近代的エネルギーへのアクセスを確保する」目標が掲げられている。このクリーンエネルギー提供手段として太陽光発電装置や大型風力発電装置の開発が進められている。

しかし、日本は国土が狭く平坦な土地が少ないため大規模かつ広範囲にわたって太陽光発電パネルを設置する場所は少ない。このため戸建て住宅の屋根やマンションやビルの屋上等狭い場所に小規模な太陽光発電パネルを設置している。また、安定した風力が得られる地域も少なく大型風力発電装置を設置できる場所も多くないのが現状である。そのため、現在、太陽光発電や風力発電が全発電量に占める割合は９％前後に過ぎない。

一方、日本には大小多数の河川が存在し、また、これらを結ぶ水路も多くある。さらには、上下水道も全国に敷設されている。そこで、本装置はこれら河川等の水流が持つ速度エネルギーまたは位置エネルギーを利用した小型の水力発電装置の提案を行うものである。また、本装置は平地等の狭小な場所に設置される小型風力発電装置として使用することも可能である。

水力発電又は風力発電に使用されるタービンには、自然エネルギーである水や風の流れに対して回転軸が平行となる水平軸型タービンと、回転軸が垂直になる垂直軸型タービンがある。

水平軸型タービンは、エネルギー変換効率が垂直軸型タービンよりも高いものの、受風面が風向に対し直交となるように回転軸の方向を合わせて配置せねばならないので全体的に大型になると共に、方向制御機構が必要であり風向きが変わるたびに損失を生じる。このように水平軸型タービンは風向が変わりやすい地域では不利であり、かつ広い設置面積が必要であり、機構そのものが複雑でコスト高になりやすいという短所がある。

一方、垂直軸型タービンは回転軸に直接ブレードが取り付けられるのではなく、円板状の台座や水平方向に伸ばした腕部等（以下、連結体と総称する）に回転軸に対して垂直に複数枚のブレードを取付け、回転軸と同じ方向を翼長とするのが一般的である。その構造により風向きに対する依存性がなくなるため方向制御装置は不要となり、発電機などの重量物を地面近くの下方に配置できる。したがって、水平軸型タービンに比べてシンプルかつ安定性の高い構造とすることができる。また、翼長を縦方向に伸ばしても回転半径は拡大されないので設置面積を小さくすることができる。

しかし、このような垂直軸型タービンは水力又は風力により駆動されるものであるから、水流内または風流内に存在するゴミやチリ等の異物がタービンのブレードに付着堆積して発電効率が落ちるため、定期的にタービンを停止してゴミやチリ等の異物を除去し清掃する必要があった。

この問題を解決するため、先行技術文献１では発電機の円筒部材の先端にストレーナを設けることにより、異物の流入を阻止し、異物が円筒部材の内部を通過できない構造を提案している。しかし、この手段でも人の手により定期的にストレーナの間隙を清掃してゴミ等の異物を除去しなければならない問題点がある。

実用新案登録第３１４３１８９号公報

本発明は垂直軸型螺旋タービンにおいて、そのタービンのブレードにゴミやチリ等の異物が付着堆積して発電効率が落ちることを防止し、しかも定期的にタービンを停止してゴミやチリ等の異物除去清掃を必要とせず、タービンのブレードに異物が流入しても、これを自然に排出することができるタービンのブレードを有する水力または風力発電用の垂直軸型螺旋タービンを提供することを目的としている。

本発明は、回転軸と、該回転軸に連結体により固定された複数枚のブレードを有するブレード回転体と、前記回転軸と発電機をつなぐ連結手段を備える垂直軸型螺旋タービンにおいて、前記各ブレードは長手方向に連続する螺旋状であって、前記ブレードはその断面において表面と裏面からなる翼状であり、前記表面には長手方向端部を解放した連続する受け溝を有していることを特徴とする垂直軸型螺旋タービンである。

本発明によると、揚力型ブレードのブレード回転体を形成する複数枚のブレードの表面に、長手方向に連続しその端部を解放した受け溝を設けてあり、このブレード（翼）が水力又は風力の流れを受け、水力または風力が持つ流体エネルギーを回転軸の回転運動に変換して、この回転を発電機に伝えるものである。この受け溝はブレードの長手方向に連続し端部を解放しているため、ゴミやチリ等の異物を水または風の流れの影響を受けない位置に回転した際にその自重や遠心力により自動的に受け溝の端部から排出するため、ゴミ等の異物除去のためのメンテナンスを行うことなく持続的に効率よい水力または風力発電を行うことができる。

本発明の垂直軸型螺旋タービンの発電装置の主要部を示す概略斜視図である。本発明の垂直軸型螺旋タービンにおけるブレードの詳細を示す斜視図である。

以下、本発明について図を参照にして詳述する。

この実施例の垂直軸型螺旋タービンＴは、図１ａ～ｃに示すように、従来同様、回転軸１と、円盤状又は棒状の連結体２によって回転軸１に固定された複数（本実施例では３枚）の揚力型のブレード３を有するブレード回転体Ａと、このブレード回転体Ａの前記回転軸１に設けた第一プーリー４１と発電機５の発電機軸５１に設けた第二プーリー５３をつなぐベルトや歯車等の連結手段８を備える垂直軸型螺旋タービンである。

この実施例では、ブレード回転体Ｔは回転軸１と、この回転軸１に設けた円盤状の連結体２を介して回転軸１とブレード３を固定している。連結体２は円盤状に限らず回転軸１とブレード３を繋ぐ機能を持つものであれば回転軸に直接ブレード２を固定する棒状等の形状でもよい。また、円盤状の連結体２の場合は中抜き部２１を設けて軽量化をしてもよい。前記連結手段８はプーリーとベルトに限らず歯車等で繋ぎ発電機を駆動させてもよい。

因みに揚力型のブレード３は、従来から知られているようにブレード３の表面Ｈ及び裏面Ｒの先端面後縁７１と前縁７２を結ぶ迎角線は、水平に対して外向きに広がって迎角を示し、この角度はブレードの厚さによって変化する。この縦長ブレード３が回転すると、表面Ｈに沿って通過するコアンダ効果により、高速となって通過する流体は後縁７１で内側に入り、ブレード３を効率良く回転させるものである。

本発明の特徴は、特にブレード回転体Ａにおける複数枚の揚力型ブレード３の形状にあるので図２ａ～ｃを使って詳述する。

ブレード３の形状は螺旋状の翼形状であり長手方向に一定の長さを持って連続している。このブレード３はアルミニウム合金の押出形材を捩り加工して製作しても良いし、ステンレス鋼を曲げ加工して製作してもよく、また、発泡樹脂や合成樹脂でも良く、特にこの構造のものであれば製作方法を限定するものではない。

このブレード３が水流や風流を受け、また、ブレード３に生じる揚力によって回転軸１を回転させるものである。ブレード３の表面（風や水を受ける外表面）Ｈは全体形状が捩じりのついた略円弧上であり、裏面（風や水を受ける内表面）Ｒも同じく全体形状が捩じりのついた略円弧上であるが、表面の曲率が裏面の曲率より小さな断面翼状になっている。

ブレード３の表面Ｈにはブレードの長手方向に連続する受け溝３１を形成してある。この受け溝３１は表面Ｈに形成された第一ブレード誘導壁３２とブレード底面壁３３と表面Ｈの一部である第二ブレード誘導壁３４なり、受け溝３１は断面が表面Ｈ側に開くコ字型形状になっている。また、実施例のように受け溝３１の断面形状はコ字型に特定されるものではなく、多角形形状や円弧状のもの等でもよく、風流や水流を受け止めるブレード表面側に設ける溝であれば良い。受け溝３１は長手方法に連続するブレード３の端面で開放するように形成されている。

ブレード３の裏面Ｒにはブレードの長手方向に連続する延長壁３５を前記底面壁３３に続けて形成してあり、この延長壁３５と前記第二ブレード誘導壁３４の裏面で裏面Ｒ側に開口する裏面溝３６を形成してある。この裏面溝３６の断面形状は鋭角の三角形状になっているが多角形状や円弧形状でもよい。

前記第一ブレード誘導壁３２やブレード底面壁３３、表面Ｈの一部である第二ブレード誘導壁３４、延長壁３５はブレード３全体の強度を保つようブレード３の材質に応じて適切な肉厚を有している。

このように形成した揚力型のブレード３に水力や風力が作用した場合、その力はブレード３に作用し、ブレード回転体Ｔを回転させる力に変換される。これにより回転軸１が回転し、連結手段８を介して発電機軸５１が回転して発電機５を駆動する。

このとき、ブレード３の表面Ｈの受け溝３１内に水流や風流とともに流入した塵やゴミ、砂、埃等の異物は、受け溝３１の開放端部、つまりブレード３の端部から自然に排出される。特に水流や風流の速度が速い場合は排出能力が大きくなる。受け溝３１開口部上面にはメッシュ構造のストレーナを設置するなどして流体エネルギーの損失を少なくしつつ異物の侵入を防ぐなどすると尚良い。

また、ブレード３の裏面溝３６に水流や風流とともに流入した塵やゴミ、砂、埃等の異物も、裏面溝３６の開放端部、つまりブレード３の端部から自然に排出される。

ブレード３自体の形状が長手方向に連続し端部が解放された受け溝３１を有する形状になっているので、ゴミ、塵等の異物がブレード３の回転と共にブレードの受け溝３１が流路となって、これに沿ってゴミ、塵等の異物が流れ端部から自然に排出されるので、ブレード３にゴミ等の異物が付着するなどして回転効率が落ちる恐れがない。また、コストのかかる大きな防塵具を別途設ける必要はなく、ブレード３の回転を停止してその表面を掃除する手間を少なくできる。

１回転軸
２連結体
３ブレード
Ａブレード回転体
５発電機
８連結手段
３１受け溝

Claims

回転軸と、該回転軸に連結体により固定された複数枚のブレードを有するブレード回転体と、前記回転軸と発電機をつなぐ連結手段を備える垂直軸型螺旋タービンにおいて、前記各ブレードは長手方向に連続する螺旋状であって、前記ブレードはその断面において表面と裏面からなる翼状であり、前記表面には長手方向端部を解放した連続する受け溝を有していることを特徴とする垂直軸型螺旋タービン。