JP5331525B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水管から流入する水流でプロペラブレード部材を回転させて発電する水力発電装置に関するものである。

現在、地球上には高低差のある上下水道、河川、農業用水、工場排水などの未使用小水力資源が多く存在しており、それらの落差を利用してダムを造らずに発電を行う小水力発電が注目されている。この小水力発電には、低落差小流量であっても効率よく発電できるリング水車を用いることが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。このリング水車は、コイルが設けられた円環状のステータと、外周に永久磁石が設けられて径方向内側にプロペラブレードが突出した円環状のロータと、ロータの中心軸線上に配置されたボスとを備え、水流によるプロペラブレードの回転により、ロータ内部に埋め込んだ永久磁石が回転し、ステータに設けたコイルに起電力が発生して発電する構成となっている。

特開２００６−１８９０１４号公報（図２） 特開２００８−１４２４６号公報（図７）

しかしながら、特許文献１に開示されたリング水車では、固設されたボスの外周面とプロペラブレードの内周端との間に隙間があるために漏れ流が発生し、ボスの外周面近傍におけるブレード下流の流線角度が理想角度から大きくずれてしまう。そうすると、プロペラブレードと固定ボスとの隙間付近における静圧が局所的に低下し、キャビテーションが発生しやすくなるという問題がある。

また、特許文献２に開示されたリング水車では、分割されたボスの一方がプロペラブレードに一体に設けられているが、ボスは流線型にする必要があるため、プロペラブレードから見て軸線方向に対称形状とならずバランスが悪くなるとともに、回転部分の重量増加によりエネルギー損失が大きくなるという問題もある。

そこで本発明は、キャビテーション発生を防止し、エネルギー効率を向上させることを目的としている。

本発明は前記事情に鑑みてなされたものであり、本発明に係る水力発電装置は、水が通流する水管に接続される水力発電装置であって、前記水管に接続されて流路を形成し、コイルが設けられた円環状のステータと、前記ステータの内周側に配置され、外周に永久磁石が設けられた円環状のロータと、前記ロータの軸線上に配置される固定ボスと、前記固定ボスを前記ステータに接続するガイドベーン部材と、を備え、前記ガイドベーン部材は、前記ステータに固定される外側ベース部と、前記外側ベース部から径方向内方に突出する複数のガイドベーン部と、前記ガイドベーン部の径方向内端に接続された筒状の内側ベース部とを有し、前記固定ボスには、その外周面の一部に環状窪み部が設けられ、前記内側ベース部は、前記固定ボスの前記環状窪み部に嵌合固定され、前記内側ベース部の外周面と、前記固定ボスの前記環状窪み部に隣接する部分の外周面とが、同一円筒面上に位置し、前記ロータには、径方向内側に突出する複数のブレード部と、前記複数のブレード部の径方向内端に接続されたリング部とを有するプロペラブレード部材が設けられ、前記固定ボスには、その外周面の一部に環状凹部が設けられ、前記リング部は、前記固定ボスと隙間をあけた状態で前記環状凹部に配置され、前記リング部の外周面と、前記固定ボスの前記環状凹部に隣接する部分の外周面とが、同一円筒面上に位置し、前記リング部の肉厚は、前記内側ベース部の肉厚よりも大きいことを特徴とする。

前記構成によれば、リング部の外周面と、固定ボスの環状凹部に隣接する部分の外周面とが同一円筒面上にあるため、上流側からプロペラブレード部材に向けて固定ボスの外周面上を流れた水は、リング部の外周面上をスムーズに流れてブレード部に旋回力を付与する。かつ、リング部とブレード部との間には隙間が形成されずに一体に設けられているので、リング部とブレード部との間で漏れ流が発生しない。よって、固定ボスの外周面近傍におけるブレード部の下流の流線角度が理想角度から大きくずれることがなく、局所的な静圧低下によるキャビテーションの発生を防止することができる。また、ブレード部に一体に設けたリング部を環状凹部に配置し、固定ボスとブレード部とを一体化していないので、プロペラブレードのバランスが良好に保たれるとともに、回転部分の重量増加も抑制することができる。以上より、水力発電装置のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

前記リング部の下流端は、前記ブレード部の下流端よりも下流側に突出し、前記ブレード部の下流端と前記リング部の下流端との間の流れ方向の距離は、前記ブレード部の上流端と前記リング部の上流端との間の流れ方向の距離よりも大きくなってもよい。

前記構成によれば、上流からの水がリング部と環状凹部との間の若干の隙間を流れてブレード部の下流域に合流しても、ブレード部の下流端から離れた地点で合流することになるため、ブレード部により形成された流れ場が乱され難くなる。よって、水力発電装置のエネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

前記ロータをラジアル方向及びスラスト方向に支持する水潤滑軸受を更に備え、前記リング部と前記環状凹部との間に形成される隙間は、ラビリンス状に形成され、前記隙間の流路断面積が流れ方向に沿って周期的に変化してもよい。

前記構成によれば、リング部と環状凹部との間に形成される隙間の流路抵抗が増加するため、上流からの水が当該隙間に流入しにくくなる。そうすると、前記同様に、当該隙間を流れてブレード部の下流域に合流する水の流量が減少し、ブレード部により形成された流れ場が乱され難くなる。よって、水力発電装置のエネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

前記リング部の上流側の側端面には、径方向に延びる複数の溝部が形成されてもよい。

前記構成によれば、プロペラブレード部材の回転に伴ってリング部が回転することにより、溝部に存在する水に径方向外側に向かう遠心力が作用する。これにより、リング部の上流側の側端面と環状凹部の側面との隙間に水が流入しにくくなる。そうすると、前記同様に、当該隙間を流れてブレード部の下流域に合流する水の流量が減少し、ブレード部により形成された流れ場が乱され難くなる。よって、水力発電装置のエネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、キャビテーション発生が防止され、エネルギー効率を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係る水力発電装置を示す斜視図である。 図１に示す水力発電装置を示す断面図である。 半径位置ごとにおけるブレード下流の流線角度と理想角度との関係について本発明と従来例とを対比したグラフである。 本発明の第２実施形態に係る水力発電装置を示す断面図である。 本発明の第３実施形態に係る水力発電装置を示す断面図である。 本発明の第４実施形態に係る水力発電装置を示す断面図である。 本発明の第５実施形態に係る水力発電装置を示す断面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る水力発電装置１を示す斜視図である。図２は図１に示す水力発電装置１を示す断面図である。図１及び２に示すように、本実施形態に係る水力発電装置１は、上流側部分である上流側配管部分２と、下流側部分である下流側配管部分３と、これらの中間に配置される発電機本体部分４との三区画から構成されている。水力発電装置１は、上流側配管部分２及び下流側配管部分３の端部を水管９０，９１に連結することで、水管９０，９１内の流路と連通する流路Ｒが形成されている。

上流側配管部分２の内周面には、ガイドベーン部材１１が固定されている。ガイドベーン部材１１は、上流側配管部分２の内周面に固定される筒状の外側ベース部１１ａと、その外側ベース部１１ａから径方向内方に突出する複数のガイドベーン部１１ｂと、それらガイドベーン部１１ｂの径方向内端に接続された筒状の内側ベース部１１ｃとを有している。内側ベース部１１ｃは、流路Ｒの中心軸線上に配置された固定ボス１２に固定されている。固定ボス１２は、略円筒状に形成され、その外周面のガイドベーン部材１１に対向する位置に環状窪み部１２ａが設けられている。ガイドベーン部材１１の内側ベース部１１ｃは、その環状窪み部１２ａに隙間なく嵌合固定されており、内側ベース部１１ｃの外周面と、固定ボス１２の環状窪み部１２ａに隣接する部分の外周面とは、同一円筒面上に位置している。なお、固定ボス１２の上流端面及び下流端面は、水の抵抗を低減すべく弾頭形状に丸められている。

発電機本体部分４は、上流端及び下流端にフランジを有する円筒状のケーシング１３と、そのケーシング１３を覆うカバー１４とを有している。ケーシング１３の上流側フランジは、上流側配管部分２の下流側端部に設けられた下流側フランジと結合され、ケーシング１３の下流側フランジは、下流側配管部分３の上流側端部に設けられた上流側フランジと結合されている。これらケーシング１３等の非回転部材が円環状のステータ１５を構成している。即ち、ステータ１５は、上流側配管部分２及び下流側配管部分３に直列的に連結されて流路Ｒを形成する。ケーシング１３には、ステータコア（積層鉄芯）１６と、そのステータコア１６に巻かれたコイル１７と、ステータコア１６の内周面を覆うキャン１８とが配設されている。

ケーシング１３の内周側には、キャン１８を介してステータコア１６と対向するように円環状のロータ１９が配置されている。ロータ１９は、外周に永久磁石２１が埋設された環状部１９ａと、その環状部１９ａの内周端から上流及び下流方向に突出する鍔部１９ｂとを有している。また、ケーシング１３内には、ロータ１９の環状部１９ａ及び鍔部１９ｂに対向するように水潤滑軸受２２，２３が配置されている。

ロータ１９の内周面には、プロペラブレード部材２４が固定されている。プロペラブレード部材２４は、ロータ１９の内周面に固定されるベース部２４ａと、そのベース部２４ａから径方向内方に突出して軸流型に湾曲する複数のブレード部２４ｂと、それらブレード部２４ｂの径方向内端に接続されたリング部２４ｃとを有している。なお、リング部２４ｃの肉厚は、ガイドベーン部材１１の内側ベース部１１ｃの肉厚よりも大きい。

固定ボス１２は、ロータ１９の軸線上に配置されており、その外周面のリング部２４ｃと対向する部分に環状凹部１２ｂが設けられている。リング部２４ｃは、その環状凹部１２ｂに収容配置されており、環状凹部１２ｂの表面との間で一定厚さの隙間が形成されている。リング部２４ｃの外周面と、固定ボス１２の環状凹部１２ｂに隣接する部分（最大外径部分）の外周面とは、面一となるように同一円筒面上に位置している。

前記のような水力発電装置１は次のように動作する。上流側の水管９０から流れてくる水は、上流側配管部分２の内部を流れて固定ボス１２により管内外周部へ案内され、ガイドベーン部１１ｂによって方向が調整されてからブレード部２４ｂに当たり、プロペラブレード部材２４が回転する。そして、プロペラブレード部材２４の回転によってロータ１９が一体回転し、ロータ１９に固定された永久磁石２１がステータコア１６に対して相対回転することで、コイル１７に起電力が生じる。

その際、リング部２４ｃの外周面と、固定ボス１２の環状凹部１２ｂに隣接する部分の外周面とが同一円筒面上にあるため、上流側からプロペラブレード部材２４に向けて固定ボス１２の外周面上を流れた水は、リング部２４ｃの外周面上をスムーズに流れてブレード部２４ｂに旋回力を付与する。しかも、リング部２４ｃとブレード部２４ｂとの間には隙間が形成されずに一体に設けられているので、リング部２４ｃとブレード部２４ｂとの間で漏れ流が発生しない。さらに、リング部２４ｃと環状凹部１２ｂとの隙間は、クランク状で流路抵抗が大きいため、この隙間を通過する水の流量も少ない。

よって、固定ボス１２の外周面近傍におけるブレード部２４ｂの下流の流線角度が理想角度から大きくずれることがなく、局所的な静圧低下によるキャビテーションの発生を防止することができる。また、ブレード部２４ｂに一体に設けたリング部２４ｃを環状凹部１２ｂに配置し、固定ボス１２とブレード部２４ｂとを一体化していないので、プロペラブレード部材２４のバランスが良好に保たれるとともに、回転部分の重量増加も抑制することができる。以上より、水力発電装置１のエネルギー効率を向上させることが可能となる。

図３は半径位置ごとにおけるブレード部２４ｂの下流の流線角度と理想角度との関係について本発明と従来例とを対比したグラフである。このグラフは、横軸を半径位置（無次元数）、縦軸を流線角度（無次元数）としており、縦軸は理想角度が「１．０」となるように無次元化されている。このグラフのデータは、本発明の水力発電装置１と、従来例（特開２００６−１８９０１４号公報の水力発電装置）とをそれぞれコンピュータシミュレーションにより解析した結果をプロットしたものである。図３によれば、半径位置が小さいところ（ボスの外周面近傍）において、従来例ではブレード下流の流線角度が理想角度から大きくずれているのに対し、本発明ではブレード部２４ｂの下流の流線角度が理想角度に近いことが分かる。

（第２実施形態）
図４は本発明の第２実施形態に係る水力発電装置１０１を示す断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図４に示すように、本実施形態の水力発電装置１０１では、プロペラブレード部材１２４のリング部１２４ｃの下流端が、ブレード部２４ｂの下流端よりも下流側に突出している。詳しくは、ブレード部２４ｂの下流端とリング部１２４ｃの下流端との間の流れ方向の距離は、ブレード部２４ｂの上流端とリング部１２４ｃの上流端との間の流れ方向の距離よりも大きくなっている。リング部１２４ｃが収容配置される固定ボス１１２の環状凹部１１２ｂは、リング部１２４ｃとの間で一定厚さの隙間が形成されるように設けられている。

この構成によれば、上流からの水がリング部１２４ｃと環状凹部１１２ｂとの間の若干の隙間を流れてブレード部２４ｂの下流域に合流しても、ブレード部２４ｂの下流端から離れた地点Ａで合流することになるため、ブレード部２４ｂにより形成された流れ場が乱され難くなる。よって、水力発電装置１０１のエネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

（第３実施形態）
図５は本発明の第３実施形態に係る水力発電装置２０１を示す断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図５に示すように、本実施形態の水力発電装置２０１では、プロペラブレード部材２２４のリング部２２４ｃの内周面に断面視で多数の周溝部２２４ｄが形成されている。これにより、リング部２２４ｃと環状凹部１２ｂとの間に形成される隙間の流路断面積は、流れ方向に沿って周期的に変化することとなる。よって、リング部２２４ｃと環状凹部１２ｂとの間に形成される隙間は、流路抵抗の大きいラビリンス状となる。なお、周溝部２２４ｄは、リング部２２４ｃの内周面に環状溝を多数形成することで構成されてもよいし、螺旋溝を形成することで構成されてもよい。

この構成によれば、リング部２２４ｃと環状凹部１２ｂとの間に形成される隙間の流路抵抗が増加するため、上流からの水がこの隙間に流入しにくくなる。そうすると、この隙間を流れてブレード部２４ｂの下流域に合流する水の流量が減少し、ブレード部２４ｂにより形成された流れ場が乱され難くなる。よって、水力発電装置２０１のエネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。なお、本実施形態では、周溝部２２４ｄをリング部２２４ｃに形成したが、環状凹部１２ｂの表面に形成してもよいし、リング部２２４ｃと環状凹部１２ｂの両方に形成してもよい。

（第４実施形態）
図６は本発明の第４実施形態に係る水力発電装置３０１を示す断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図６に示すように、本実施形態の水力発電装置３０１では、プロペラブレード部材３２４のリング部３２４ｃの上流側の側端面に、径方向に延びる溝部３２４ｅが周方向に間隔をあけて複数形成されている。この溝部３２４ｅは、リング部３２４ｃの上流側の側端面において径方向の内外に貫通するように形成されている。

この構成によれば、プロペラブレード部材３２４の回転に伴ってリング部３２４ｃが回転することにより、溝部３２４ｅに存在する水に径方向外側に向かう遠心力が作用する。これにより、リング部３２４ｃの上流側の側端面と、それに対向する環状凹部１２ｂの側面との間に形成された隙間に水が流入しにくくなる。そうすると、この隙間を流れてブレード部２４ｂの下流域に合流する水の流量が減少し、ブレード部２４ｂにより形成された流れ場が乱され難くなる。よって、水力発電装置３０１のエネルギー効率をさらに向上させることが可能となる。

（第５実施形態）
図７は本発明の第５実施形態に係る水力発電装置４０１を示す断面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付して説明を省略する。図７に示すように、本実施形態の水力発電装置４０１は、第２〜第４実施形態の特徴を全て設けている。具体的には、プロペラブレード部材４２４のリング部４２４ｃは、その下流端がブレード部２４ｂの下流端よりも下流側に突出しており、リング部４２４ｃの内周面に断面視で多数の溝部４２４ｄが形成され、かつ、リング部４２４ｃの上流側の側端面に径方向に延びる溝部４２４ｅが周方向に間隔をあけて複数形成されている。この構成によれば、前述した第２〜第４実施形態の全ての特徴による効果が得られるため、水力発電装置４０１のエネルギー効率が高くなる。

以上のように、本発明に係る水力発電装置は、エネルギー効率が高いという優れた効果を有し、この効果の意義を発揮できる小水力発電設備等に広く適用すると有益である。

１，１０１，２０１，３０１，４０１ 水力発電装置
１２，１１２ 固定ボス
１２ｂ，１１２ｂ 環状凹部
１５ ステータ
１７ コイル
１９ ロータ
２４，１２４，２２４，３２４，４２４ プロペラブレード部材
２４ｂ ブレード部
２４ｃ、１２４ｃ，２２４ｃ，３２４ｃ，４２４ｃ リング部
９０，９１ 水管
２２４ｄ，４２４ｄ 周溝部
３２４ｅ，４２４ｅ 溝部

Claims (4)

1. 水が通流する水管に接続される水力発電装置であって、
   前記水管に接続されて流路を形成し、コイルが設けられた円環状のステータと、
   前記ステータの内周側に配置され、外周に永久磁石が設けられた円環状のロータと、
   前記ロータの軸線上に配置される固定ボスと、
   前記固定ボスを前記ステータに接続するガイドベーン部材と、を備え、
   前記ガイドベーン部材は、前記ステータに固定される外側ベース部と、前記外側ベース部から径方向内方に突出する複数のガイドベーン部と、前記ガイドベーン部の径方向内端に接続された筒状の内側ベース部とを有し、
   前記固定ボスには、その外周面の一部に環状窪み部が設けられ、
   前記内側ベース部は、前記固定ボスの前記環状窪み部に嵌合固定され、
   前記内側ベース部の外周面と、前記固定ボスの前記環状窪み部に隣接する部分の外周面とが、同一円筒面上に位置し、
   前記ロータには、径方向内側に突出する複数のブレード部と、前記複数のブレード部の径方向内端に接続されたリング部とを有するプロペラブレード部材が設けられ、
   前記固定ボスには、その外周面の一部に環状凹部が設けられ、
   前記リング部は、前記固定ボスと隙間をあけた状態で前記環状凹部に配置され、
   前記リング部の外周面と、前記固定ボスの前記環状凹部に隣接する部分の外周面とが、同一円筒面上に位置し、
   前記リング部の肉厚は、前記内側ベース部の肉厚よりも大きいことを特徴とする水力発電装置。
2. 前記リング部の下流端は、前記ブレード部の下流端よりも下流側に突出し、
   前記ブレード部の下流端と前記リング部の下流端との間の流れ方向の距離は、前記ブレード部の上流端と前記リング部の上流端との間の流れ方向の距離よりも大きくなっている請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記ロータをラジアル方向及びスラスト方向に支持する水潤滑軸受を更に備え、
   前記リング部と前記環状凹部との間に形成される隙間は、ラビリンス状に形成され、前記隙間の流路断面積が流れ方向に沿って周期的に変化している請求項１又は２に記載の水力発電装置。
4. 前記リング部の上流側の側端面には、径方向に延びる複数の溝部が形成されている請求項１乃至３のいずれかに記載の水力発電装置。

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