JP5084890B2 - 流速流量調節型超低落差水車の構造 - Google Patents

Description

本発明は超低落差水車の構造に関し、より詳しくは、流水の速度エネルギーを電気エネルギーに変換する超低落差流体動力学（Ｈｙｄｒｏ−ｋｉｎｅｔｉｃ）（流体内で流体粒子が運動をするときの水の力学的な性質をいい、水の運動エネルギーを用いるという意味。）タービンにおいて流速に応じて流量を調節して水車の効率および出力特性を向上させることができるようにした流速流量調節型超低落差水車の構造に関する。

一般的に、河川水や潮水などの流水力を用いる超低落差水車は、ダムを設置して落差を用いる一般水力や潮力用水車とは異なり、ダムなどのように水をためておく大きな構造物を用いずに水車の一部分またはすべてが水中に沈んでいる状態で、水が流れる力である流水力によって回転するようになっている。このとき、前記水車の出力は水車部分の流入面積に比例し、流速の３乗に比例するという特徴がある。

前記水車は通常、流入水の流れ方向と水車軸の方向が平行な水平軸方式と、流入水の流れ方向と垂直である垂直軸方式とに大別することができ、流水力を最大に用いることができるように流体との摩擦を最小化しなければならず、同時に流速や流量の増減または波高および水位の高低に適切に対応できなければならない。

しかしながら、従来の超低落差水車は、流速や流量の変化、水位の変化によって流量および流速を変化させることができるいずれの構成も設けられておらず、水位および流量・流速の変化がひどい地域では使用に制約があった。

すなわち、流速が設計範囲よりも小さい場合には水車が適正回転数に至ることができずに稼動がなされず、反対に流速が大きい場合には過度な回転によって稼動することができなかった。

また、特定の回転数で回転するように設計する場合にも、最適効率を有する流速よりも大きいか小さい流速では水車の効率が大きく低下した。さらに、水位および流量流速の変化がひどい地域に設置しても、流速および流量の頻繁な変化によって水車に無理を与え、容易に破損するという問題点と共に、均一な電力が得られないという短所があった。

特開２００２−３０３２３９号公報 特開平０７−０１８３９９号公報

本発明は、上述したような従来の問題点を解決するために案出されたものであって、水位および流量、流速の変化がひどい地域でも能動的な対応が可能であり、常に一定の流量および流速を維持して水車の効率および運転の特性を向上させて均一な電力が得られるようにする、流速流量調節型超低落差水車の構造を提供することを目的とする。

すなわち、流入流速が速いときは流入断面を減らし、流入流速が遅いときには流入断面を増やすことにより、水車部では常に一定の流速および流量を維持して均一な電力を得ることができる。

本発明の目的および長所は以下で詳細に説明され、後述する実施形態によってより具体化される。また、本発明の目的および長所は、特許請求の範囲に記載されている手段およびこれらの組み合わせによって実現することができる。

上述した目的を達成するために、本発明は、海洋、河川、人工水路などの低水深地域に設置されるものであって、地盤に固定設置される支持部；前記支持部と結合して水の運動エネルギーの伝達を受けて電気エネルギーを生産することができる水車部；および前記水車部の上部に結合して水の流速および流量を調節し、水密構造からなり、流圧の供給によって選択的に回転する流量調節部が設けられた浮遊部材；を含む、流速流量調節型超低落差水車の構造を提供する。

また、本発明は、川や海などの大水深地域に設置されるものであって、水の運動エネルギーの伝達を受けて電気エネルギーを生産することができる水車部；前記水車部の水平方向の両終端に結合して水の流速および流量を調節し、水密構造からなり、流圧の供給によって選択的に回転する流量調節部が設けられた一対の浮遊部材；および前記一対の浮遊部材の下部に設置されて浮遊部材を固定するための固定部材；を含む、流速流量調節型超低落差水車の構造を提供する。

また、本発明において、前記支持部は、多数のパイル杭打によって固定設置されることを特徴とする。

また、本発明において、前記水車部は、前記支持部と浮遊部材の間に設置され、一対の側壁と前記側壁を連結する連結部材からなる水車固定台；前記一対の側壁の間に両終端が回転可能に設置されて流速によって回転する回転軸；前記回転軸の外周面を囲むように形成される多数の回転羽根；および前記回転軸と連結して回転軸の回転力の伝達を受けて電気エネルギーを生産し、前記一対の側壁のうちのいずれか１つに設置される発電機；からなることを特徴とする。

また、本発明において、前記浮遊部材は、水が流入しない水密構造であり、一側が前記水車部と固定結合し、その内部に流圧ポンプが設けられ、一端に内側に陥没する結合部が形成された本体；および前記本体の結合部に回転可能に結合し、前記流圧ポンプから供給される流圧によって選択的に回転する流量調節部；からなることを特徴とする。

また、本発明において、前記流量調節部は扇形状で形成され、その内角が１３５゜であることを特徴とする。

また、本発明において、前記流量調節部の一側外周面には外周面に沿ってＯリング溝が形成されており、このＯリング溝にＯリングが挿嵌されることを特徴とする。

また、本発明において、前記浮遊部材は、周辺水の流れを円滑に誘導して全体的な抵抗を減らすことができるように流線形で形成されることを特徴とする。

また、本発明において、前記固定部材は、前記浮遊部材の下部に連結する多数のワイヤ；および前記ワイヤと結合して前記浮遊部材を固定させ、海底の底面に固定設置されるアンカー；からなることを特徴とする。

したがって、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造は、潮位や水位の変化に応じて変化する流入流速および流量の変化に能動的に対応する水車であって、水車の効率が向上すると共に常に均一な電力確保が可能であり、水をためておく大きい規模のダムなどを設置しないため、設置時に自然を大きく破損せずに容易に設置が可能であって、親環境的であるという長所がある。

また、流入水の全体流速範囲が広くても水車部では流速の変化範囲が小さいため、単純な固定比率の増速機と単純な発電機を採択することができて経済的であるという利点があり、必要によっては流入面積を大きくし水車部を小さくして運営することもできるため、水車の大きさを減らすことができるという長所がある。

また、必要によっては流量調節部の作動によって水車部に流入する水を防ぐこともできるため、修理などのために水車を停止しようとするときにも別途の水門が必要ないという長所がある。

本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造を低水深地域に設置した様子を概略的に示す側面図である。 図１の正面図である。 本発明に用いられた浮遊部材を概略的に分解した分解斜視図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車が作動する状態を概略的に示す作動図である。 本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造の他の実施形態を概略的に示す斜視図である。 図５の平面図である。 図５の正面図である。

以下、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造の構成および作用効果を、好ましい実施形態と添付の図面を参照しながらより詳しく説明する。

図１は本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造を低水深地域に設置した様子を概略的に示す側面図であり、図２は図１の正面図であり、図３は本発明に用いられた浮遊部材を概略的に分解した分解斜視図であり、図４ａ〜図４ｃは本発明に係る流速流量調節型超低落差水車が作動する状態を概略的に示す作動図である。

本発明は発電所の取排水路、産業施設の人工水路、低水深の河川、流速が速い海洋に適用可能な超低落差流体動力学（流体内で流体粒子が運動をするときの水の力学的な性質）水車であって、水中に設置されて水の流速によって回転するようにしたものであり、低水深に設置される水車と大水深に設置される水車とに大別される。

添付の図１〜図３は、取排水路および河川のような低水深地域に設置される低水深型水車を概略的に示すものであり、支持部１１０、水車部１２０、および本体１４０と流量調節部１５０を含む浮遊部材１３０からなる。

支持部１１０は、図１に示すように、低水深の底面の水中地盤に水平に固定設置されるものであり、地盤にパイル１１２杭打によって堅固に付着される。

このとき、前記支持部１１０は多様な形状で形成することができるが、流れ水域周辺水の円滑な流れを形成するようにすることにより、流速に影響を与えないように流線形で形成することが好ましい。

また、地盤に対して前記支持部１１０が堅く付着されるようにするパイル１１２は多数でなされ、前記支持部１１０の下部に一定の間隔を置いて設置されるものであり、構造的な安全性を確保できるように形成され、腐食に強い材質の金属や鉄筋コンクリートからなる。

水車部１２０は前記支持部１１０の上部に設置されて流速によって回転するものであり、前記支持部１１０と後述する本体の間に設置され、図１および図２に示すように、水車固定台１２２、回転軸１２４、回転羽根１２６、および発電機１２８からなり、水の運動エネルギーの伝達を受けて電気エネルギーを生産できるように形成される。

水車固定台１２２は前記支持部１１０と浮遊部材１３０の本体１４０の間に設置されるものであり、一対の側壁１２２ａと、前記側壁１２２ａを連結する連結部材１２２ｂとで構成され、流入する水が円滑に排出されるようにすることにより、水の流れに影響を与えないようにする。

回転軸１２４は前記水車固定台１２２の一対の側壁１２２ａの間に両終端が回転可能に設置されて流速によって回転するものであり、図２に示すように、ローラーベアリング１２４ａおよびトラストベアリング１２４ｂを備え、流れる水によって回転軸が円滑に回転するようにすると共に、水車による軸力、振動、あるいは波浪などの外部自然条件などに対しても安定に維持されるようにすることが好ましい。ここで、前記ローラーベアリング１２４ａおよびトラストベアリング１２４ｂは公知の技術であるため、詳しい説明は省略する。

また、本発明では前記回転軸１２４を円型棒の形状で形成しているが、場合によっては後述する回転羽根１２６を堅固に支持することができ、流速によって円滑に回転することができる構成であれば、四角・八角などその形状に制限を置かない。

回転羽根１２６は前記回転軸１２４の外周面を囲むように形成されるものであり、具体的に多数の回転羽根１２６が螺旋形で囲まれるように形成される。このとき、前記回転羽根１２６は断面がブレード形状で、流れる流体によって揚力が発生して回転する構造であり、前記回転羽根１２６は多数の連結スポーク１２７によって前記回転軸１２４に固定設置され、連結スポーク１２７は流速に対する抵抗が少ないようにブレード構造や小さい断面を維持することが好ましい。

また、前記回転羽根１２６は少なくとも３つ以上で多数が設置され、流速および流量によって長さ、傾斜角度、直径、または個数を相違させることができる。

発電機１２８は前記回転軸１２４と連結し、回転軸１２４の回転力の伝達を受けて電気エネルギーを生産するものであり、前記一対の側壁１２２ａのうちのいずれか１つに設置される。

したがって、上述したような構成からなる水車部１２０は、水の流れによって回転羽根１２６と結合した回転軸１２４が回転して回転力を発生させ、この回転力を前記回転軸１２４と結合した発電機１２８に伝達することによって電気エネルギーを生産するようになる。

一方、前記水車部１２０の上部には本体１４０および流量調節部１５０からなる浮遊部材１３０が設けられる。

前記本体１４０は水が流入しない水密構造であり、前記水車部１２０の水車固定台１２２と固定結合して堅固に支持されるように形成され、その内部には流圧ポンプ１４２が設けられる。

また、前記本体１４０の流水流入側の一端には扇形状に陥没するように結合部１４４が形成され、この結合部１４４の一側にヒンジ孔１４４ａが形成される。すなわち、前記本体１４０の一端が開放するように形成され、内側に扇形状の結合部１４４が陥没するように形成され、開放した本体１４０の一側にヒンジ孔１４４ａが設けられた構造であり、前記流圧ポンプ１４２から発生する流圧が供給されるように形成される。

流量調節部１５０は前記本体１４０の結合部１４４に一側が結合し、前記流圧ポンプ１４２から供給される流圧によって回転するものであり、前記結合部１４４と対応する扇形状で形成され、一側が前記結合部１４４に形成されたヒンジ孔１４４ａにヒンジ結合する。

このとき、前記流量調節部１５０の一側外周面には外周面に沿ってＯリング溝１５２が形成されており、このＯリング溝１５２にＯリング１５４が挿嵌された構造であり、前記本体１４０との結合時に結合部１４４内に水が流入することを防ぐと共に、流圧ポンプ１４２から供給される流圧が本体１４０外部に流出することを防ぐことができるようにする。

このように構成された本体１４０および流量調節部１５０からなる浮遊部材１３０は、図４ａ〜図４ｂに示すように、前記本体１４０に流量調節部１５０が結合した状態で、前記水車部１２０に流入する流速が設計範囲以上に増加すれば、流圧ポンプ１４２によって前記本体１４０の結合部１４４内に流圧を供給し、前記流量調節部１５０が図４ｂに示すように回転するようにすることによって流量および水車部流速を減らし、流入部の流速が設計範囲以下に減少すれば、流圧ポンプ１４２から供給された流圧を回収して図４ｃに示すように流量調節部１５０が回転するようにすることによって多くの流量が水車部１２０に流入するようにして流速を増加させることにより、水車部１２０に流入する流速の全体流速範囲において均一な水車部１２０の回転力が得られるようにする。

ここで、本発明では前記流量調節部１５０を扇形状で形成し、その内角を１３５°の角度で形成して、水車部１２０に流入する水の量を効果的に制御することにより、前記水車部１２０が均一な流速を維持できるようにすることが好ましい。

したがって、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造は、落差が存在しない低水深型河川でも常に均一な出力の電力を生産することができると共に、水をためておく大きい規模のダムなどを設置しないためその設置が容易であり、自然を大きく破損せずに効果的に電力を生産することができるという長所がある。

一方、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造による他の実施形態として、川や海のような大水深地域では、図５〜図７に示すように、空洞構造（物体内に何もない空の構造）の本体２４０および流量調節部２５０からなる一対の浮遊部材２３０を備えて水平に位置させた後、この浮遊部材２３０を連結する水車部２２０を設置して電気を生産することもできる。

このときには、前記浮遊部材２３０が水平方向に設置された状態で水車部２２０が前記一対の浮遊部材２３０の間に設置され、発電機２２８は、図６および図７に示すように、前記一対の浮遊部材２３０のうちのいずれか１つの浮遊部材２３０、好ましくは本体２４０の内側に設置されるようにする。

また、前記浮遊部材２３０が水によって押し流されることを防ぐことができるように固定部材２６０が設けられ、前記固定部材は海底にアンカー２７０を用いて固定させた後、アンカー２７０と浮遊部材２３０を金属材ワイヤ２８０を用いて連結することにより、海流によって流されることを防ぐ。

また、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造は流線形の構造であって、周辺水の流れを円滑に誘導して全体的な抵抗を減らすと共に、放流水出口部（水車部を通過した流水が流れ出る部分）で周辺水の流速が速い状態を維持し、放流水の排出が円滑でないときに発生し得る効率減少を予防することができるという長所がある。

以上、本発明の実施形態を基準として詳しく説明したが、本発明の権利範囲はこれに限定されるものではなく、本発明の実施形態と実質的に均等である範囲まで含まれる。

また、上述した説明に示されているように、本発明に係る流速流量調節型超低落差水車の構造の技術は極めて単純ではあるが、その技術的効果は非常に大きいという点においても、本発明の技術的長所は極めて明確であるといえる。

１１０ ・・・支持部
１１２ ・・・パイル
１２０、２２０ ・・・水車部
１２２ ・・・水車固定台
１２２ａ ・・・側壁
１２２ｂ ・・・連結部材
１２４ ・・・回転軸
１２４ａ ・・・ローラーベアリング
１２４ｂ ・・・トラストベアリング
１２６ ・・・回転羽根
１２７ ・・・連結スポーク
１２８、２２８ ・・・発電機
１３０、２３０ ・・・浮遊部材
１４０、２４０ ・・・本体
１４２ ・・・流圧ポンプ
１４４ ・・・結合部
１４４ａ ・・・ヒンジ孔
１５０、２５０ ・・・流量調節部
１５２ ・・・Ｏリング溝
１５４ ・・・Ｏリング
２６０ ・・・固定部材
２７０ ・・・アンカー
２８０ ・・・ワイヤ

Claims (9)

1. 海洋、河川、人工水路などの低水深地域に設置されるものであって、
   地盤に固定設置される支持部；
   前記支持部と結合して水の運動エネルギーの伝達を受けて電気エネルギーを生産することができる水車部；および
   前記水車部の上部に結合して水の流速および流量を調節し、水密構造からなり、流圧の供給によって選択的に回転する流量調節部が設けられた浮遊部材；
   を含む、流速流量調節型超低落差水車の構造。
2. 川、海などの大水深地域に設置されるものであって、
   水の運動エネルギーの伝達を受けて電気エネルギーを生産することができる水車部；
   前記水車部の水平方向の両終端に結合して水の流速および流量を調節し、水密構造からなり、流圧の供給によって選択的に回転する流量調節部が設けられた一対の浮遊部材；および
   前記一対の浮遊部材の下部に設置されて浮遊部材を固定させるための固定部材；
   を含む、流速流量調節型超低落差水車の構造。
3. 前記支持部は多数のパイル杭打によって固定設置されることを特徴とする、請求項１に記載の流速流量調節型超低落差水車の構造。
4. 前記水車部は、
   前記支持部と浮遊部材の間に設置され、一対の側壁と前記側壁を連結する連結部材からなる水車固定台；
   前記一対の側壁の間に両終端が回転可能に設置されて流速によって回転する回転軸；
   前記回転軸の外周面を囲むように形成される多数の回転羽根；および
   前記回転軸と連結して回転軸の回転力の伝達を受けて電気エネルギーを生産し、前記一対の側壁のうちのいずれか１つに設置される発電機；
   からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の流速流量調節型超低落差水車の構造。
5. 前記浮遊部材は、
   水が流入しない水密構造であり、一側が前記水車部と固定結合し、その内部に流圧ポンプが設けられ、一端に内側に陥没する結合部が形成された本体；および
   前記本体の結合部に回転可能に結合し、前記流圧ポンプから供給される流圧によって選択的に回転する流量調節部；
   からなることを特徴とする、請求項１または２に記載の流速流量調節型超低落差水車の構造。
6. 前記流量調節部は扇形状で形成され、その内角が１３５゜であることを特徴とする、請求項１または２に記載の流速流量調節型超低落差水車の構造。
7. 前記流量調節部の一側外周面には外周面に沿ってＯリング溝が形成されており、このＯリング溝にＯリングが挿嵌されることを特徴とする、請求項６に記載の流速流量調節型超低落差水車の構造。
8. 前記浮遊部材は、周辺水の流れを円滑に誘導して全体的な抵抗を減らすように流線形で形成されることを特徴とする、請求項１または２に記載の流速流量調節型超低落差水車の構造。
9. 前記固定部材は、
   前記浮遊部材の下部に連結する多数のワイヤ；および
   前記ワイヤと結合して前記浮遊部材を固定させ、海底の底面に固定設置されるアンカー；
   からなることを特徴とする、請求項２に記載の流速流量超絶型超低落差水車の構造。