JP3208827U - 水力発電装置の水車ケーシング - Google Patents

Abstract

【課題】開渠水路内設置に好適な、高効率で流水の運動エネルギーを電気エネルギーへ変換することができる水力発電装置の水車ケーシングを提供する。【解決手段】内部に回転水車翼２と発電機６が設置され、流水入口部が縮小管１であり、流水出口部が拡大管９であり、前記縮小管１と前記拡大管９の間に直管８を有し、流水出口断面積が流水入口断面積の２倍から４倍である水車ケーシングを用いることにより、課題を解決する。【選択図】図１

Description

本考案は、流水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電装置に関する。

従来の多くの水力発電装置は、遊水池の水又は河川を堰き止めて得られた水が有する位置エネルギーを電気エネルギーに変換する発電を行っている。

しかし、流水が有する流れの運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電は、発電量に対して装置コストが高い経済的理由からほとんど行われていなかった。このため、発電に適した急流がある開渠水路においては、今日まで、実用的な水力発電は行われていなかった。

本考案が解決する課題は、経済的理由を解決し、開渠水路内の流水の運動エネルギー利用に適した実用的な水力発電装置を提供することにある。

開渠水路内においても経済的で実用的な水力発電装置を提供する課題は、流水が有する運動エネルギーの電気エネルギーへの変換効率（＝発電効率、以下発電効率と記す）が高い水力発電装置を提供することで解決される。

この発電効率が高い水力発電装置を提供することは、水力発電装置の水車ケーシングの流水出口断面積を流水入口断面積の約３倍にすることにより達成される。

本考案によって、流水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する経済的で実用的な水力発電装置を提供できる効果が得られ、その結果、開渠水路等に設置する経済的で実用的な水力発電装置を提供できる効果が得られる。

この開渠水路の設置に適した水力発電装置の提供は、緊急時やキャンプ等における一時的な使用に適した発電装置を提供できる効果が得られる。

第１の本考案の一実施例になる水車ケーシングを有する水力発電装置の構成を示す概略図。（実施例１） 第２の本考案の一実施例になる水車ケーシング内部を示す概略図。（実施例２） 第３の本考案の一実施例になる水車ケーシングを有する水力発電装置の構成を示す概略図。（実施例３）

以下、図面を参照して本考案の実施の形態について説明する。図１は、第１の本考案の一実施例による水車ケーシングを有する水力発電装置の構成を示す概略図である。この水力発電装置は、主に、縮小管１、回転水車翼２、継手４、増速機５、発電機６、増速機／発電機ケーシング７、直管８、拡大管９から構成される。水車ケーシングは縮小管１、直管８、拡大管９から構成される。回転水車翼２、継手４、増速機５、発電機６、増速機／発電機ケーシング７は、水車ケーシング内に設置される。

本考案では、拡大管９の出口断面積Ａｏは、縮小管１の入口断面積Ａｉの２倍から４倍にする。このとき、直管８の断面積は、限定しない。

流水ｆは縮小管１から入り、直管８を経て、拡大管９から排出さる。流水ｆは、回転水車翼２を回転させる。

水力学上の計算では、出口断面積Ａｏが入口断面積Ａｉの３倍のとき、発電効率が最も高くなるが、２倍から４倍であればよく、そのときの発電効率は、それぞれ、２倍のときは３倍の発電効率の９５％、４倍のときは３倍の発電効率の９９％である。

流水の流れにおける摩擦損失を無視するとき、水力学の計算では、流水の運動エネルギーから得られる電気エネルギーＰｗは、水車ケーシングの入口ｉと出口ｏにおける流水の運動エネルギーの差で決まり、式（１）で表すことができる。このとき、流水の流量を回転水車翼の位置における流速Ｕｍ及び断面積Ａｍを用いて表すと、電気エネルギーＰｗの式（１）は式（２）のように書き替えることができ、さらに、この回転水車翼の位置における流速Ｕｍをケーシング入口流速Ｕｉ及びケーシング出口流速Ｕｏに置き換えると、式（３）のように書き替えることができる。

電気エネルギーＰｗが最大値になるときの条件は、式（３）をケーシング出口流速Ｕｏで微分し、微分した式＝０にして導くことができる。入口流速Ｕｉが出口流速Ｕｏの３倍のとき、電気エネルギーＰｗが最大値になる。入口流速Ｕｉが出口流速Ｕｏの３倍は、拡大管９の出口断面積Ａｏが縮小管１の入口断面積Ａｉの３倍のときである

このときの発電効率ηは、流水の運動エネルギーから得られる電気エネルギーＰｗを運動エネルギーで割った値で得られ、式（６）で与えられる。

式（６）を用いると、入口流速Ｕｉが出口流速Ｕｏの２倍、３倍、４倍のとき、発電効率ηは、それぞれ、５６．３％、５９．３％、５８．６％になる。

Ｕｉ＝２・Ｕｏのとき、発電効率η＝５６．３％（５９．３％の９５％）。Ｕｉ＝３・Ｕｏのとき、発電効率η＝５９．３％。Ｕｉ＝４・Ｕｏのとき、発電効率η＝５８．６％（５９．３％の９９％）。

本考案になる水力発電装置は、水車ケーシングの軸方向が水路内の流れ方向と一致するように設置される。

この図１の水力発電装置においては、回転水車翼２によって流水ｆに周方向の流れが生じる。この周方向の流れは、回転水車翼２を通過後に可能な限り早く縮小する必要がある。この周方向の流れを縮小することができないときは、流水ｆ内の摩擦損失によって上記した発電効率が得られなくなる。

図２は、第２の本考案の一実施例による水車ケーシング内部を示す概略図である。水車ケーシング内の回転水車翼２の下流側に固定案内翼３を設置する。これにより、流水ｆの周方向の流れを縮小することが可能になり、流水ｆ内の摩擦損失を抑制することができるので、発電効率を高く維持できるようになる。

第１及び第２の考案の水車ケーシングを採用した水力発電装置を開渠水路内等に設置すると、流水ｆの流れは、つぎのようになる。水路内の流水ｆは、縮小管１の入口から水車ケーシング内に入る。水車ケーシング内に入った流水ｆは、縮小管１内で流速を上昇させた後、回転水車翼２に供給され、回転水車翼２を回転させ、自らは周方向の流れが加わった旋回流となる。旋回流となった流水ｆは、固定案内翼３に供給され、周方向の流れを縮小した軸方向のみと見なされる流れに変わり、拡大管９に供給される。拡大管９において、流水ｆは流速を低下させた後、出口から水路内に戻される。

回転水車翼２の回転運動は、非接触又は接触の継手４を介して、増速機／発電機ケーシング７内の増速機５を回転させ、この増速機５とつながっている発電機６を駆動させ、発電する。発電機６で発生した電気は、水力発電装置外に送電される。

本考案の一実施例の水力発電装置における水車ケーシング８の寸法は、縮小管１の入口内径が２００ミリメートル、出口内径が１５０ミリメートル、直管８の内径が１５０ミリメートル、拡大管９の入口内径が１５０ミリメートル、出口内径が３５０ミリメートルである。全長は１２００ミリメートルである。

この寸法の水車ケーシング８を有する水力発電装置を、流速が毎秒１メートル、傾斜３０度の開渠水路に設置したところ、この水力発電装置は４０ワットの電力を発生した。

図３は、段差がある水路底ｂ２に設置するに好適な第３の本考案の一実施例による水車ケーシングを有する水力発電装置の構成を示す概略図である。この水力発電装置の水車ケーシングは、水路底ｂ２に沿って、縮小管１と拡大管９の間を１１、１２、１３の直管、１４、１５のエルボで繋いでいる。回転水車翼２、発電機６等は、実施例１と同様に、ケーシング内に有する。

本考案の実施例３では、実施例１と同様に、拡大管９の出口断面積Ａｏは、縮小管１の入口断面積Ａｉの２倍から４倍にする。

本考案の実施例３の効果は、実施例１と同様に、流水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する経済的で実用的な水力発電装置を提供できる効果が得られ、その結果、段差のある開渠水路等に設置する経済的で実用的な水力発電装置を提供できる効果が得られる。

１ 縮小管
２ 回転水車翼
３ 固定案内翼
４ 継手
５ 増速機
６ 発電機
７ 増速機／発電機ケーシング
８、１１、１２，１３ 直管
９ 拡大管
１０ 回転軸
１４、１５ エルボ
ｉ 流水入口
ｏ 流水出口
ｓ 水面
ｂ１、ｂ２ 水路底
ｆ 流水

Claims (2)

1. 内部に回転水車翼及び発電機を有し、流水入口部が縮小管であり、流水出口部が拡大管であり、前記縮小管と前記拡大管の間に直管を有し、前記拡大管の出口断面積が前記縮小管の入口断面積の２倍から４倍であることを特徴とする水力発電装置の水車ケーシング。
2. 上記回転水車翼の下流側に固定案内翼を有することを特徴とする請求項１記載の水力発電装置の水車ケーシング。

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