JP4080656B2

JP4080656B2 - オルソプタ水車

Info

Publication number: JP4080656B2
Application number: JP2000006467A
Authority: JP
Inventors: 幸丸清水; デュピイロジャ
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2000-01-14
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2020-01-14
Also published as: JP2001193624A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オルソプタ水車に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風力を利用して回転させるための翼車としてオルソプタ構造は、２０年以上も前にヨーロッパで発明されていた。しかし、水車用としては考えておらず、また使うとしても流体の性質が異なるために、そのままの構造では効率が悪く実用化できない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者等は、オルソプタ風車の基本構造を利用しながら、水車としての効率を向上できるオルソプタ水車について鋭意、研究を進めた結果、水車としても十分な効率を得ることができるオルソプタ水車の開発に成功した。
本発明によるオルソプタ水車を利用することで、水深の浅い中小河川、農業水路等において小規模発電を可能とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明が採用した技術解決手段は、
水流の方向とオルソプタ水車の回転方向が同じ側の水路の壁面がブレード側に突出するように形成されている水路内にオルソプタ水車を配置し、前記水車は、前記水路の自由表面に対して、オルソプタ水車のシャフトを垂直に配置してあり、前記シャフトに固定された２枚のブレード保持板と、この保持板間に軸支され自転可能な２〜４枚のブレードと、前記シャフトの回転により前記ブレードに回転力を付与する伝動機構を備えており、前記ブレードは所定のアスペクト比を備え、また前記シャフトは発電機の入力軸に結合され、さらに前記シャフトとブレードとの回転比はブレードの枚数によって一義的に規定されるべく構成されていることを特徴とするオルソプタ水車である。
また、前記ブレードのアスペクト比ＡＲは２．４４であることを特徴とするオルソプタ水車である。
また、前記オルソプタ水車のブレードは平板または楕円型であることを特徴とするオルソプタ水車である。
また、前記伝動機構はチェーン伝動機構であり、前記チェーン伝動機構にはチェーンの張りを得るためにスプリング付きアジャストローラを配置したことを特徴とするオルソプタ水車である。
【０００５】
【実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明すると、図１は本実施形態に係るオルソプタ水車の平面図、図２は正面図、図３は側面図であり、図３のみが水路内に本オルソプタ水車配置し、さらにこのオルソプタ水車に発電機を取り付けた状態の図となっている。
【０００６】
図１〜図３において、１はオルソプタ水車のシャフトであり、このオルソプタ水車はシャフト１に固定された２枚のブレード保持板２Ａ、２Ｂと、この保持板２Ａ、２Ｂ間に軸支されている２枚のブレード３、４と、このブレード３、４に回転力を付与する伝動機構５を備えており、ブレード３、４の軸６、７がブレード保持板２Ａ、２Ｂに回転自在に軸支され、ブレード保持板２Ａ、２Ｂに対してブレード３、４が自転できる構成となっている。また２枚のブレード３、４は図１に示すようにシャフト１に対して点対称の位置においてブレード保持板２Ａ、２Ｂに取り付けられている。
【０００７】
図２において、２枚のブレード３、４（説明の都合上、ブレード３を第１ブレード、ブレード４を第２ブレードとする）の内、第１ブレード３の回転軸６には第１スプロケット８が、さらに第２ブレード４の回転軸７には第２スプロケット９および第３スプロケット１０が設けられており、さらにシャフト１には前記第３スプロケット１０に対応する位置に伝動スプロケット１３が設けられている。
図１に示すように伝動スプロケット１３と、第３スプロケット１０、および保持板等の適宜箇所に設けた張力維持用のアジャストローラ１６との周囲にはそれらを巻回するようにチェーン１２が取り付けられ、また、第１スプロケット８、第２スプロケット９、および保持板等の適宜位置に設けたアジャストローラ１４、１５の周囲にはそれらを巻回するようにチェーン１１が取り付けられている。なお、上記各アジャストローラ１４、１５、１６は水車の場合には大きな力が作用するため、チェーンの伸びを考慮してスプリング付調整ギヤ備えたものとし、複数個（たとえば３個以上）配置することによって正確で耐久性のある水車とすることが望ましい。
【０００８】
また、オルソプタ水車のシャフト１には図３に示すように、ギヤ１７を介して発電機１８の回転軸に連結されている。なお、発電機構は従来と同様であり、本発明の特徴ではないので詳細な説明は省略する。
【０００９】
オルソプタ水車は、図３に示すように流路９内に垂直方向に配置された場合、水路内の水流がブレード３、４に当たり、その作用によってブレード３、４を保持している保持板２Ａ、２Ｂをシャフトと一体に回転する。この保持板２Ａ、２Ｂとシャフト１の回転により上述したギヤ１７、トルク計２０等の機構を介して発電機１８を作動させることができる。また、このとき、シャフト１の回転によりシャフト１と第２ブレード４との間に巻回したチェーン１２によって第２ブレード４が保持板に対して自転し、さらにこの第２ブレードにチェーン１１で連結されている第１ブレードも自転し、各ブレードの水流に対する角度がシャフトの回転によって時々刻々、変化してゆく。このブレードの角度の変化によって、水流のエネルギを水車のトルクとして効率的に取り込むことができる。
【００１０】
また、本例では、第１、第２ブレード３、４の回転角は第１、第２スプロケット８、９とチェーン１１、第３スプロケット、伝動スプロケット１３、チェーン１２により連動して制御されており、本例では、シャフト１と第２ブレード４の回転軸に設けた第３スプロケット１０との比は１：２、また第１スプロケット８と第２スプロケット９との比は１：１で構成されており、これにより、水車のシャフトが１回転すると、各ブレードは１／２回転するように回転角が制御される。また、第１ブレード３と第２ブレード４とは本例では初期位置において図４に示すように互いに直角になるように配置され、シャフト１が一回転すると、第１、第２ブレードは各々ブレードの軸６、７回りに１８０°回転することになる。上記回転に伴う、ブレードの回転軌跡を図４に示す。水流方向にブレードが垂直になる位置を初期位置（水車回転角φ＝０）とする。
【００１１】
上記実施形態ではブレードが２枚のオルソプタ水車について説明したが、ブレードを図５に示すように２枚〜４枚とすることもでき、さらにブレードの枚数を増やすことも可能である。そして図５に示すように、ブレードが３枚の場合には１２０°間隔でブレードを配置し、また４枚の場合には９０°間隔でブレードを配置する。ブレードが３枚、または４枚の場合には、前述した各ブレードの初期位置は、図５に示す状態となり、２枚のブレードの場合と同様に回転角はチェーンとスプロケットとによって制御することができる。
【００１２】
以上の構成からなるオルソプタ水車を水路に取り付けた状態を説明する。
図６は水路に対して３枚のブレードを有する水車を取り付けた状態の平面図、図７は同側面図である。水車は回転軸１が流れの自由表面に対して垂直に取り付けられ、水流の作用によって水車が回転する構成となっている。また、水路側は、オルソプタ水車のブレード部分において図６に示すように水流の方向と水車の回転方向が同じ側の壁面がブレード側に突出２０するように形成する。図６、７のようにシャフト１を自由表面に対して垂直に取り付けた場合には水路の水流の自由表面が低下した場合でも、十分な回転トルクを得ることができ、流量変化を伴う低流量、極低落差でも十分に使用が可能である。また、壁面を前述のように突出２０させることで高い効率を得ることができる。
また、上記例ではオルソプタ水車を水路に対して垂直に取り付けた場合であるが、流れに対して横軸（流れの自由表面と平行）に取り付けても水車として同様に機能させることが可能である。
【００１３】
次に、オルソプタ水車の性能について説明すると、
図８はオルソプタ水車の水車効率Ｃｐと周速比λとの関係およびトルク係数ＣT と周速比λの関係を示す。最高効率Ｃｐは０．６（６０％）を示す。
図９、図１０、図１１はブレード枚数が２枚、３枚および４枚における最高効率と流速および最適周速比の関係を示す。各図において、ブレードのアスペクト比は３種類に変化させた。効率が最も大きくなるのはアスペクト比ＡＲ＝２．４４、ブレード枚数３枚あるいは４枚で０．５８〜０．６、５８％から６０％に達する。
【００１４】
図１２はブレード枚数を変化させた場合の最高効率と流速および最適周速比の関係を示す。
図１３、図１４は開放型水路にオルソプタ水車を用いた場合、ブレード枚数が３枚および４枚に於ける水車効率Ｃｐと周速比λの関係を示す。開放型水路に用いた場合においても最高０．６５（６５％）にも達し、水深が変わっても、極端に効率が悪くならない。
【００１５】
以上本発明に係わる実施形態について説明したが、ブレードを自転させる伝動方式はチェーンに限定することはなく、他の伝動機構、ベルト、歯車など滑りのない種々の方法を採用することができる。また、ブレードの枚数は使用条件に合わせて増減することができる。さらに、オルソプタ水車を水路に対して適宜調整機構等により必要に応じて上方、下方に位置を替えることができるようにすることも可能である。
さらに本発明はその精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいかなる形でも実施できる。そのため、前述の実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず限定的に解釈してはならない。
【００１６】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように本発明によれば、オルソプタ水車を利用することで、水深の浅い中小河川、農業水路等において小規模発電を可能とすることができる、等の優れた効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に係るオルソプタ水車の平面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】水路内に本オルソプタ水車配置した状態の側面図である。
【図４】オルソプタ水車のブレードの回転軌跡図である。
【図５】オルソプタ水車のブレードが２枚〜４枚の平面図である。
【図６】水路に対して３枚のブレードを有する水車を取り付けた状態の平面図である。
【図７】図６の側面図である。
【図８】オルソプタ水車の水車効率Ｃｐと周速比λとの関係およびトルク係数ＣT と周速比λの関係を示す図である。
【図９】ブレードのアスペクト比を変えた場合のブレード枚数が２枚における最高効率と流速および最適周速比の関係を示す図である。
【図１０】ブレードのアスペクト比を変えた場合のブレード枚数が３枚における最高効率と流速および最適周速比の関係を示す図である。
【図１１】ブレードのアスペクト比を変えた場合のブレード枚数が４枚における最高効率と流速および最適周速比の関係を示す図である。
【図１２】ブレード枚数を変化させた場合の最高効率と流速および最適周速比の関係を示す図である。
【図１３】開放型水路にオルソプタ水車を用いた場合、水路水深が変化した場合のブレード枚数が３枚に於ける水車効率Ｃｐと周速比λの関係およびトルク係数Ｃ_Tと周速比λの関係を示す図である。
【図１４】開放型水路にオルソプタ水車を用いた場合、水路水深が変化した場合のブレード枚数が４枚に於ける水車効率Ｃｐと周速比λの関係およびトルク係数Ｃ_Tと周速比λとの関係を示す図である。
【符号の説明】
１シャフト
２Ａ、２Ｂブレード保持板
３、４ブレード
５伝動機構
６、７回転軸
８、９スプロケット
１０スプロケット
１１、１２チェーン
１３伝動スプロケット
１４、１５、１６アジャストローラ
１７ギヤ
１８発電機

Claims

水流の方向とオルソプタ水車の回転方向が同じ側の水路の壁面がブレード側に突出するように形成されている水路内にオルソプタ水車を配置し、前記水車は、前記水路の自由表面に対して、オルソプタ水車のシャフトを垂直に配置してあり、前記シャフトに固定された２枚のブレード保持板と、この保持板間に軸支され自転可能な２〜４枚のブレードと、前記シャフトの回転により前記ブレードに回転力を付与する伝動機構を備えており、前記ブレードは所定のアスペクト比を備え、また前記シャフトは発電機の入力軸に結合され、さらに前記シャフトとブレードとの回転比はブレードの枚数によって一義的に規定されるべく構成されていることを特徴とするオルソプタ水車。
前記ブレードのアスペクト比ＡＲは２．４４であることを特徴とする請求項１に記載のオルソプタ水車。
前記オルソプタ水車のブレードは平板または楕円型であることを特徴とする請求項１または２に記載のオルソプタ水車。
前記伝動機構はチェーン伝動機構であり、前記チェーン伝動機構にはチェーンの張りを得るためにスプリング付きアジャストローラを配置したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のオルソプタ水車。