JP5759618B2 - Hydroelectric generator - Google Patents
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Description
本発明は、水路(多くの場合、水管)に装着されて使用される水力発電装置に関する。 The present invention relates to a hydroelectric generator that is used by being attached to a water channel (in many cases, a water pipe).
特許文献1に開示されているように、水車の外側に発電機部分をリング状に配置した構造となっており、ダムを造らずに、高低差のある上下水道、小河川、農業用水路、及び工場排水路などの水路に装着されて使用される水力発電装置が開発されている。この水力発電装置は、山間部など既設発電所からの送電線の設置が困難な場所でのエネルギー地産地消を実現する手段の一つとして注目されている。
As disclosed in
図11は、特許文献1に開示された水力発電装置の構造を示す断面図である。電機子鉄心305bに巻かれた電機子コイル305aを備えた円環状の固定子306が、上流側配管310と下流側配管312とが係合された管路の外周を取り囲むように設けられている。また、円環状の固定子306の外周を取り囲むように、電機子コイル305aの発熱を冷却するための冷却機構315が設けられている。また、外周に永久磁石304が貼付され且つ内周に該内周より径方向内側に突出するプロペラブレードを備えた円環状の回転子(ランナ)303が、固定子306の内側で回転可能となるように設けられている。また、上流側配管310と下流側配管312とが係合されたケーシングの軸心上には、上流側配管310の内壁側に水流を案内するボス302が固設されている。また、回転子303に入る水流を回転子303のプロペラブレードの傾きに適合する方向に案内するガイドベーン301が、ボス302の外周面と上流側配管310の内壁との間に設けられている。また、永久磁石304が設置された回転子303の外周中央部の円環の側面と対向するように水潤滑軸受307a,307bが設けられている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing the structure of the hydroelectric generator disclosed in
図11に示す従来の水力発電装置を、断面積の大きい水路に装着して使用する場合には、外周に永久磁石304が貼付された回転子303の直径を必然的に大きくする必要があった。また、この場合、図12に示すように、回転子303の外周曲面に貼付される永久磁石304の使用量が増加するとともに、回転子303の外周から径方向外側に沿って階層的に設けられる水潤滑軸受307a,307b、電機子コイル305aを備えた固定子306、及び冷却機構315についても大型化する必要があった。
When the conventional hydroelectric generator shown in FIG. 11 is used in a water channel having a large cross-sectional area, the diameter of the
ところで、水力発電装置の発電容量は一般的に「K(比例定数)×流速2×流量」によって表される。このため、高揚程(高流速)且つ小流量の水路(つまり高流速と小流量との関係で断面積が小さい水路)に装着される水力発電装置の発電容量と、低揚程(低流速)且つ大流量の水路(つまり低流速と大流量との関係で断面積が大きい水路)に装着される水力発電装置の発電容量とがあまり変わらない場合がある。この場合において、水力発電装置が装着される水路を、高揚程且つ小流量の水路から低揚程且つ大流量の水路に変更するとき、発電機部分の大きさまでを変更する必要がない。しかしながら、図11に示す従来の水力発電装置の場合、適用される水路の断面積の増加に応じて、回転子の大型化(大口径化)のみならず、回転子の外周から径方向に沿って階層化された構造(水潤滑軸受307a,307b、固定子306、及び冷却機構315)をも大型化(大口径化)する必要があった。By the way, the power generation capacity of the hydroelectric generator is generally represented by “K (proportional constant) × flow velocity 2 × flow rate”. For this reason, the power generation capacity of the hydroelectric generator installed in a high head (high flow velocity) and a small flow channel (that is, a channel having a small cross-sectional area due to the high flow velocity and small flow rate), a low head (low flow velocity) and In some cases, the power generation capacity of the hydroelectric generator installed in a large flow rate channel (that is, a channel having a large cross-sectional area due to the low flow rate and the large flow rate) is not much different. In this case, it is not necessary to change the size of the generator portion when the water channel in which the hydroelectric generator is mounted is changed from a high head and small flow channel to a low head and large flow channel. However, in the case of the conventional hydroelectric generator shown in FIG. 11, not only the rotor is increased in size (larger diameter) but also from the outer periphery of the rotor along the radial direction in accordance with an increase in the cross-sectional area of the applied water channel. In addition, the hierarchized structure (water-lubricated
このように、発電容量と比べると断面積が大きいといえる低揚程且つ大流量などの水路に従来の水力発電装置を適用する場合には、回転子のみならず装置全体を大型化せざるを得ず、生産性や経済性が低いという課題があった。 As described above, when the conventional hydroelectric generator is applied to a water channel having a low head and a large flow rate, which can be said to have a large cross-sectional area compared to the power generation capacity, the entire apparatus must be enlarged as well as the rotor. However, there was a problem that productivity and economy were low.
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、その目的は、適用対象とする水路の諸元(流速、流量、断面積など)に応じて生産性、経済性及び小型化の観点から適した構造を有した水力発電装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems, and its purpose is to improve productivity, economy, and miniaturization according to the specifications (flow velocity, flow rate, cross-sectional area, etc.) of the water channel to be applied. An object of the present invention is to provide a hydroelectric generator having a structure suitable from the viewpoint of the above.
前記の課題を解決するために、本発明のある形態に係る水路に装着されて使用される水力発電装置は、前記水路に装着される上流側配管及び下流側配管と、前記上流側配管と前記下流側配管との間に挟装されるランナケーシングと、前記ランナケーシングの軸心方向に配置されるボスと、前記ランナケーシング内に前記ランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナと、を備え、前記ボスは回転ボスと少なくとも1つの固定ボスとに分割され、前記回転ボスは前記ランナに嵌合され、前記少なくとも1つの固定ボスは前記回転ボスに対して前記ランナケーシングの軸心方向に所定間隔を隔てて固定配置され、前記少なくとも1つの固定ボスには電機子が設置され、前記回転ボスには前記少なくとも1つの固定ボスの電機子と対向するように永久磁石界磁又は電磁石界磁が設置されている、ものである。 In order to solve the above-described problems, a hydroelectric power generation device used by being attached to a water channel according to an embodiment of the present invention includes an upstream pipe and a downstream pipe attached to the water channel, the upstream pipe, and the A runner casing sandwiched between the downstream pipe, a boss disposed in the axial direction of the runner casing, and a runner casing accommodated in the runner casing so as to be rotatable about the axis of the runner casing. The boss is divided into a rotating boss and at least one fixed boss, the rotating boss is fitted to the runner, and the at least one fixed boss is in the runner casing with respect to the rotating boss. The at least one fixed boss is provided with an armature, and the rotary boss is provided with an electric power of the at least one fixed boss. Permanent magnet field 磁又 to face the child electromagnet magnetic field is provided, is intended.
前記構成によれば、例えば発電機の永久磁石界磁を設置した回転ボスをランナに嵌合させ、且つ回転ボスとは別体の少なくとも1つの固定ボスに発電機の電機子を設置した構造となる。この場合、ランナと発電機部分(回転ボス,固定ボス)とが独立して設計/製作可能となり、これに伴い水路の諸元(流量、流速、断面積など)に応じて生産性、経済性及び小型化の観点から適した規模を実現した水力発電装置を提供することができる。 According to the above configuration, for example, a structure in which a rotating boss in which a permanent magnet field of a generator is installed is fitted to a runner, and an armature of the generator is installed in at least one fixed boss separate from the rotating boss; Become. In this case, the runner and generator part (rotating boss, fixed boss) can be designed / manufactured independently, and along with this, the productivity and economics according to the specifications of the water channel (flow rate, flow velocity, cross-sectional area, etc.) In addition, it is possible to provide a hydroelectric power generator that achieves a suitable scale from the viewpoint of miniaturization.
例えば、ランナの直径に関わらず発電機の容量を決定することができ、従来の水力発電装置では導入が困難であった低揚程(低流速)且つ大流量の水路(断面積が大きい水路)に対してランナのみを大型化した設計が可能となる。より詳しく説明すると、水力発電装置の発電容量は一般的に「K(比例定数)×流速2×流量」で表されるため、高揚程(高流速)且つ小流量の水路(断面積が小さい水路)に装着される水力発電装置の発電容量と、低揚程(低流速)且つ大流量の水路(断面積が大きい水路)に装着される水力発電装置の発電容量とがあまり変わらない場合がある。この場合において、断面積の大きい水路を適用対象とするときに、発電機部分の大きさまでを変更する必要がない。しかしながら、従来の水力発電装置の構造の場合、ランナの大型化(大口径化)のみならず発電機部分をも大型化(大口径化)する必要があった。これに対し、ランナと発電機部分とが独立して設計/製作可能であるので、発電機部分を大型化せずにランナのみを大型化すれば済むこととなる。For example, the capacity of the generator can be determined regardless of the diameter of the runner, and it is difficult to introduce a conventional hydroelectric generator into a low head (low flow rate) and a large flow rate water channel (a channel with a large cross-sectional area). On the other hand, it is possible to design a larger runner only. More specifically, since the power generation capacity of a hydroelectric power generation device is generally expressed by “K (proportional constant) × flow velocity 2 × flow rate”, a water channel with a high head (high flow velocity) and a small flow rate (a water channel with a small cross-sectional area). ) And the power generation capacity of the hydroelectric generator attached to the low head (low flow velocity) and high flow rate waterway (waterway having a large cross-sectional area) may not be much different. In this case, it is not necessary to change the size of the generator portion when a channel having a large cross-sectional area is applied. However, in the case of the structure of the conventional hydroelectric generator, it is necessary to increase not only the runner size (larger diameter) but also the generator portion (larger diameter). On the other hand, since the runner and the generator portion can be designed / manufactured independently, it is only necessary to enlarge the runner without enlarging the generator portion.
逆に、低揚程且つ大流量の水路(断面積が大きい水路)から高揚程且つ小流量の水路(断面積が小さい水路)に適用対象を変更するときに、水力発電装置の発電容量があまり変わらない場合がある。この場合において、ランナと発電機部分とが独立して設計/製作可能であるので、発電機部分の大きさを変えずにランナのみを小型化すれば済むこととなる。 Conversely, when changing the application target from a low-lift and large-flow channel (a channel with a large cross-sectional area) to a high-lift and small-flow channel (a channel with a small cross-sectional area), the power generation capacity of the hydroelectric generator changes significantly. There may not be. In this case, since the runner and the generator portion can be designed / manufactured independently, it is only necessary to downsize the runner without changing the size of the generator portion.
また、ランナから発電機部分の着脱が容易な構造であるため、水力発電装置の製造工程が簡素化されるとともに、水力発電装置のメンテナンス性が向上することとなる。 In addition, since the generator portion can be easily attached to and detached from the runner, the manufacturing process of the hydroelectric generator is simplified and the maintainability of the hydroelectric generator is improved.
また、発電機部分の設置場所がランナからボスに変更されているが、ランナの形状は従来の水力発電装置の構造からあえて変更する必要はない。このため、例えば、ランナの完全非接触、低振動、低騒音、及びオイルレスなどの特徴を具備した従来の水潤滑軸受の構造をそのまま継承することができる。 Moreover, although the installation location of the generator portion is changed from the runner to the boss, the shape of the runner does not need to be changed from the structure of the conventional hydroelectric generator. For this reason, for example, the structure of a conventional water-lubricated bearing having features such as complete non-contact of the runner, low vibration, low noise, and oillessness can be inherited as it is.
また、ランナよりもランナケーシングの軸心側に位置づけられた回転ボス及び固定ボスに発電機部分が設置されることにより、該発電機部分が発電時に水路の水流にさらされることになるので、従来の水力発電装置のような水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の冷却機構を設けなくて済む。さらに、従来の水力発電装置のように水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の発電機の固定子を設けなくて済む。 In addition, since the generator part is installed on the rotating boss and the fixed boss located on the axial center side of the runner casing with respect to the runner, the generator part is exposed to the water flow in the water channel during power generation. It is not necessary to provide a cooling mechanism of a scale corresponding to the diameter of the water channel so as to surround the outer periphery of the water channel such as the hydroelectric power generation apparatus. Further, it is not necessary to provide a generator stator having a scale corresponding to the diameter of the water channel so as to surround the outer periphery of the water channel as in the conventional hydroelectric generator.
また、従来の水力発電装置の場合、ランナの外周曲面に重量のある永久磁石が貼付されているので、ランナの慣性モーメントが大きく、ランナの始動/停止に多くのエネルギーが必要であった。また、回転の際の遠心力によってランナの外周曲面から永久磁石が外れやすかった。これに対し、ランナよりもランナケーシングの軸心側に位置づけられた回転ボス及び固定ボスに発電機部分が設置されることにより、ランナの慣性モーメントが小さくて済むので、ランナの始動/停止に必要なエネルギーが抑えられる。 Further, in the case of the conventional hydroelectric generator, since a heavy permanent magnet is attached to the outer peripheral curved surface of the runner, the inertial moment of the runner is large, and a lot of energy is required to start / stop the runner. In addition, the permanent magnet was easily detached from the outer peripheral curved surface of the runner due to the centrifugal force during rotation. On the other hand, since the generator part is installed on the rotating boss and the fixed boss located on the axial center side of the runner casing with respect to the runner, the moment of inertia of the runner can be reduced, so it is necessary to start / stop the runner. Energy is suppressed.
また、ランナよりもランナケーシングの軸心側に位置づけられた回転ボスに永久磁石界磁を設置する工程は、従来の水力発電装置のようにランナの外周曲面に永久磁石を貼付する工程と比べると容易である。つまり、従来の水力発電装置の場合、ランナの製作後に永久磁石を貼付する必要があった。これに対し、ランナに電機子が設置された回転ボスを嵌合させる構造とすることにより、ランナの製作を待たずに、発電機部分を独立して設計/製作することが可能である。 In addition, the process of installing the permanent magnet field on the rotating boss located on the axial center side of the runner casing relative to the runner is compared to the process of attaching the permanent magnet to the outer peripheral curved surface of the runner as in the conventional hydroelectric generator. Easy. That is, in the case of a conventional hydroelectric power generation device, it is necessary to attach a permanent magnet after the runner is manufactured. On the other hand, by adopting a structure in which a rotating boss having an armature installed on the runner is fitted, the generator portion can be designed / manufactured independently without waiting for the runner to be produced.
前記水力発電装置において、前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管に固定される1ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される1ユニットの回転ボスとに分割され、前記1ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記電機子が設置された前記1ユニットの固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、としてもよい。 In the hydroelectric power generation device, one unit is fixed, which includes a guide vane fixed to an inner wall of the upstream pipe, and the boss is fixed to the upstream pipe along the axial center direction of the runner casing. The one unit fixed boss in which the permanent magnet field is installed and the armature is installed in the one unit rotating boss. May be fixed to the surface of the guide vane on the axial center side of the upstream pipe.
前記構成によれば、上流側配管にはガイドベーンが通常固設されているため、上流側配管にこのガイドベーンを介して電機子が設置された固定ボスを固設した方が、水力発電装置の構成が簡素化される。具体的には、ガイドベーンの内部に電力ケーブルを挿入しておくことにより、固定ボスに設置された電機子に生じた起電力が前述の電力ケーブルを介して水路の外部に取り出すことが可能となる。 According to the above configuration, since the guide vane is usually fixed to the upstream pipe, the hydroelectric generator is more preferably fixed to the fixed boss in which the armature is installed via the guide vane on the upstream pipe. The configuration is simplified. Specifically, by inserting a power cable inside the guide vane, the electromotive force generated in the armature installed on the fixed boss can be taken out of the water channel via the power cable. Become.
前記水力発電装置において、前記上流側配管の内壁に固設されたガイドベーンを有し、前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される2ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される1ユニットの回転ボスとに分割され、前記1ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記2ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置された一方の固定ボスは、前記下流側配管の内壁に固設され、前記2ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置されない他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、としてもよい。 The hydroelectric generator has a guide vane fixed to an inner wall of the upstream pipe, and the boss is fixed to the upstream pipe and the downstream pipe along the axial center direction of the runner casing. 2 units of fixed bosses and 1 unit of rotating bosses fitted to the runner. The one unit of rotating bosses is provided with the permanent magnet field, One fixed boss where the armature is installed is fixed to the inner wall of the downstream pipe, and the other fixed boss where the armature is not installed is the shaft of the upstream pipe. It is good also as being fixed to the surface of the guide vane on the center side.
前記水力発電装置において、前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される2ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される1ユニットの回転ボスとに分割され、前記1ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、前記2ユニットの固定ボスの双方に前記電機子が設置される、としてもよい。 In the hydroelectric generator, the boss is fitted in the runner with two fixed bosses fixed to the upstream side pipe and the downstream side pipe along the axial direction of the runner casing. The permanent magnet field may be installed on the rotating boss of the one unit, and the armature may be installed on both of the fixed bosses of the two units.
前記構成によれば、上流側配管及び下流側配管に固設された2ユニットの固定ボス双方に電機子を設置するため、発電容量をより大きくすることが可能となる。 According to the said structure, since an armature is installed in both fixed boss | hubs of 2 units fixedly installed in the upstream piping and downstream piping, it becomes possible to enlarge electric power generation capacity more.
前記水力発電装置において前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される2ユニットの固定ボスと前記ランナに嵌合される1ユニットの回転ボスとに分割され、前記2ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、界磁調整器と、前記界磁調整器から出力される交流電力を送電する送電コイルとが設置され、前記1ユニットの回転ボスには、前記送電コイルと対向配置される受電コイルと、前記受電コイルにおいて受電された交流電力を整流する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により励磁される電磁石界磁と、が設置され、前記2ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスには、前記電磁石界磁と対向配置されるように前記電機子が設置される、ものである。 In the hydroelectric generator, the boss is rotated along the axial direction of the runner casing by two unit fixed bosses fixed to the upstream side pipe and the downstream side pipe and one unit rotation fitted to the runner. A field adjuster and a power transmission coil for transmitting AC power output from the field adjuster are installed on one of the fixed bosses of the two units. The rotating boss of the unit includes a power receiving coil disposed opposite to the power transmitting coil, a rectifier that rectifies AC power received in the power receiving coil, and an electromagnetic field that is excited by DC power output from the rectifier. , And the armature is installed on the other fixed boss of the two units so as to face the electromagnet field.
前記構成によれば、永久磁石界磁式ではなく電磁石界磁式の同期発電機の構造となるため、発電容量を増加する場合に、電磁石と比べると高価な永久磁石を使用しなくて済む。また、界磁調整によって力率の改善が可能となり、発電効率が向上する。 According to the above-described configuration, the structure of the synchronous generator of the electromagnetic field type is used instead of the permanent magnet field type. Therefore, when the power generation capacity is increased, it is not necessary to use an expensive permanent magnet as compared with the electromagnet. Further, the power factor can be improved by adjusting the magnetic field, and the power generation efficiency is improved.
本発明によれば、適用対象とする水路の諸元(流速、流量、断面積など)に応じて生産性、経済性及び小型化の観点から適した構造を有した水力発電装置を提供することができる。 According to the present invention, a hydroelectric generator having a structure suitable from the viewpoint of productivity, economy, and miniaturization according to the specifications (flow velocity, flow rate, cross-sectional area, etc.) of a water channel to be applied is provided. Can do.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and redundant description thereof is omitted.
(実施の形態1)
図1は本発明の実施の形態1に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図2は図1に示す水力発電装置の回転子(後述のランナ5及び回転ボス4b)の構造を模式的に示す図である。図3は図1に示す水力発電装置の固定子(後述の固定ボス4a)に設置される電機子の設置例を示す図である。図4は図1に示す水力発電装置の回転子に設置される永久磁石界磁の設置例を示す図である。(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration example of a hydroelectric generator that is used in a water channel according to
図1に示す水力発電装置100は、水路(図5参照)に装着される上流側配管1及び下流側配管2と、上流側配管1と下流側配管2との間に挟装されるランナケーシング3と、ランナケーシング3の軸心方向に配置され、上流側配管1の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボス(4a,4b)と、ランナケーシング3内にランナケーシング3の軸心周りに回転可能となるように収容される、円形状の開口部(図2参照)を有したランナ5と、上流側配管1の内壁に固設されたガイドベーン6とを備えている。なお、ランナ5の径方向内側から突出した複数のプロペラブレード(図示せず)が配設されており、ガイドベーン6はランナ5の複数のプロペラブレードの傾きに適合する方向に水流を案内する役割を果たす。
1 includes a runner casing that is sandwiched between an
図1に示すように、流線形状のボス(4a,4b)は、ランナケーシング3の軸心方向に、上流側配管1に固定される1ユニットのボス(以下、固定ボスと呼ぶ)4aとランナ5の円形状の開口部(図2参照)に嵌合される1ユニットのボス(以下、回転ボスと呼ぶ)4bとに二分割されている。そして、固定ボス4aには電機子70(電機子コイル7a,電機子鉄心7b)が設置され、回転ボス4bには電機子70と対向配置されるよう複数の磁極を有した永久磁石界磁80(永久磁石8,積層電磁鋼板9)が設置される。具体的には、固定ボス4aは上流側配管1の軸心側にあるガイドベーン6の面に固設されており、これにより、固定ボス4aは上流側配管1の内壁にガイドベーン6を介して固設された状態となっている。また、回転ボス4bは、図2に示すように、ランナ5の円形状の開口部5aに嵌合されることにより、ランナ5と一体となって回転可能となっている。
As shown in FIG. 1, streamlined bosses (4 a, 4 b) are one unit boss (hereinafter referred to as a fixed boss) 4 a fixed to the
図3には固定ボス4aにおける電機子70を成す電機子コイル7a及び電機子鉄心7bの設置例が示されている。なお、図3の中では、電機子コイル7a及び電機子鉄心7bの設置例の一つとして、ドーム形状の固定ボス4aの外周側面から見た配置と固定ボス4aの円形状の断面から見た配置とが破線により対応付られている。固定ボス4aの円形状の断面には、複数(例えば6個)の電機子コイル7aが該円形状の断面の円周方向に沿って等間隔(例えば60度間隔)に離れて設置されている。また、電機子コイル7aが巻かれた電機子鉄心7bの平面形状は円形状である。なお、図3の中では、平面形状が円形状である電機子鉄心7b及び電機子コイル7aの設置例を示す図の両隣の箇所には、平面形状が扇形状又は長方形状である電機子鉄心7b及び電機子コイル7aの固定ボス4aの断面から見た設置例が示されている。なお、電機子コイル7a及び電機子鉄心7bの個数は仕様によって決定されるため、上記のように例示した個数に限られない。また、電機子70は、電機子鉄心7bの外周に電機子コイル7aが巻回された形態に限定されず、電機子鉄心7bが無い空心の電機子コイル7aの形態等であってもよい。
FIG. 3 shows an installation example of the
図4には回転ボス4bにおける永久磁石界磁80を成す永久磁石8の設置例が示されている。なお、図4の中では、永久磁石8の設置例の一つとして、ドーム形状の回転ボス4bの外周側面から見た配置と回転ボス4bの円形状の断面から見た配置とが破線により対応付られている。回転ボス4bの円形状の断面から見て回転ボス4bの内部には複数の磁極を形成した永久磁石8が埋設されている。なお、回転ボス4bの断面から見て内側にある永久磁石8の両平面には複数の円環状の電磁鋼板を積層して形成された積層電磁鋼板9が貼付されている。永久磁石8の磁極による類型としては、2組のN極/S極が磁極毎に空隙を設けて分離配置された4極型である。この他、図4の中では、1組のN極/S極が空隙を設けて分離配置された2極型、4組のN極/S極が磁極毎に空隙を設けて分離配置された8極型、又は4組のN極/S極が磁極毎に空隙を設けずにリング状に連続配置されたリング型形状が示されている。また、円状の積層電磁鋼板9の場合として、4組の扇状のN極/S極が磁極毎に空隙を設けずに積層電磁鋼板9の円周方向に沿って連続配置された円柱型形状も示されている。なお、極数は仕様によって決定されるので、上記のように例示した極数に限られない。
FIG. 4 shows an installation example of the
また、図1に示す水力発電装置100は、ランナ5の外周部に水潤滑軸受30a,30bを備えている。水潤滑軸受30a,30bは、水路を流れる水を利用して潤滑された軸受であり、ランナ5の完全非接触、低振動、低騒音、及びオイルレスなどの特徴を具備している。なお、ランナ5の外周部の形状によって水潤滑軸受30a,30bは従来の構造をそのまま継承することができる。
Further, the
図6は、図1に示す水潤滑軸受周辺の構造を詳細に表した水力発電装置の要部断面図である。図6に示すように、水潤滑軸受30a,30bは、ランナ5の外周曲面の中央部が円環形状5bとなっている場合の軸受構造である。水潤滑軸受30a,30bは水供給配管111を介して上流側配管1に設けられた取水口112と結合されており、水潤滑軸受30a,30bは上流側配管1の取水口112から水供給配管111を介して水路内に流れる水流の一部を取り込んでいる。なお、上流側配管1の取水口112には金網から成るフィルタ110が設置されており、フィルタ110はゴミなどの粒子を排除する役割を果たしている。水潤滑軸受30a,30bは、円環形状5bの上流側及び下流側の両側面に対向配置されており、円環形状5bの上流側及び下流側の両側面に対するスラスト軸受として機能する。また、ランナ5の外周曲面の中央部以外の部位は、ランナ5の外周中央部の円環形状5bよりもランナ5の軸心からの径が短い円環形状5cとなっている。水潤滑軸受30a,30bは、円環形状5cの外周曲面に対向配置されており、円環形状5cの外周面に対するラジアル軸受としても機能する。なお、水潤滑軸受30a,30bのランナ5の円環形状5bとの摺動面にはセラミックが溶射されている。この他に、水潤滑軸受30a,30bはセラミックソリッドで形成されてもよい。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the main part of the hydroelectric power generation apparatus showing in detail the structure around the water-lubricated bearing shown in FIG. As shown in FIG. 6, the water-lubricated
以上説明した構造を備えた水力発電装置100は、発電機の永久磁石界磁80(永久磁石8,積層電磁鋼板9)を設置した回転ボス4bをランナ5の円形状の開口部5aに嵌合させ、且つ回転ボス4bとは別体の固定ボス4aに発電機の電機子70(電機子コイル7a,電機子鉄心7b)を設置した構造を採用している。このため、ランナ5と発電機部分(回転ボス4b,固定ボス4a)とが独立して設計/製作可能となり、これに伴い生産性が向上することとなる。
In the
例えば、ランナ5の直径に関わらず発電容量を決定することができ、従来の水力発電装置では導入が困難であった低揚程(低流速)且つ大流量の水路(つまり低流速と大流量との関係で断面積の大きい水路)への適用にもランナ5のみを大型化した設計/製作が可能となる。図5を参照しながら、より詳しく説明すると、水力発電装置の発電容量は「K(比例定数)×流速2×流量」で表されるため、高揚程(高流速)且つ小流量の水路(つまり高流速と小流量との関係で断面積の小さい水路)200aに装着される水力発電装置の発電容量と、低揚程(低流速)且つ大流量の水路(断面積が大きい水路)200bに装着される水力発電装置の発電容量とがあまり変わらない場合がある。この場合において、高揚程且つ小流量の水路(断面積が小さい水路)から低揚程且つ大流量の水路(断面積が大きい水路)に適用対象を変更するときに、水力発電装置の発電機部分の大きさまで変更する必要がない。しかしながら、図11及び図12に示す従来の水力発電装置の場合、水路の断面積の増大に伴い、ランナ303の大型化(大口径化)のみならず発電機部分(306)も大型化(大口径化)する必要があった。これに対し、以上説明した構造を備えた水力発電装置100の場合、ランナ5と発電機部分(回転ボス4b,固定ボス4a)とが独立して設計/製作可能であるので、適用される水路の断面積に応じてランナ5のみを大型化すれば済む。For example, the power generation capacity can be determined regardless of the diameter of the
逆に、低揚程且つ大流量の水路(断面積が大きい水路)から高揚程且つ小流量の水路(断面積が小さい水路)に適用対象を変更するときに、水力発電装置の発電容量があまり変わらない場合がある。この場合において、ランナ5と発電機部分(回転ボス4b,固定ボス4a)とが独立して設計/製作可能であるので、発電機部分の大きさを変えずにランナ5のみを小型化すれば済む。
Conversely, when changing the application target from a low-lift and large-flow channel (a channel with a large cross-sectional area) to a high-lift and small-flow channel (a channel with a small cross-sectional area), the power generation capacity of the hydroelectric generator changes significantly. There may not be. In this case, since the
なお、低揚程且つ小流量の水路(断面積が小さい水路)の場合、ランナ5と発電機部分とをともに小型化すればよいが、ランナ5と発電機部分とが独立して設計/製作可能であるので、十分な発電容量を得るために発電機部分のみを大型化することができる。
In addition, in the case of a low-lift and small-flow channel (channel with a small cross-sectional area), both the
また、ランナ5から発電機部分の着脱が容易なため、水力発電装置の製造工程が簡素化されるとともに、水力発電装置のメンテナンス性が向上することとなる。
Further, since the generator portion can be easily attached to and detached from the
また、発電機部分の設置場所がランナ5から回転ボス4b及び固定ボス4a内に変更されてはいるものの、ランナ5の形状は従来の水力発電装置の構造からあえて変更する必要はない。したがって、例えば、ランナ5の完全非接触、低振動、低騒音、及びオイルレスなどの特徴を具備した従来の水力発電装置の水潤滑軸受の構造(図11及び図12の307a,307bを参照)をそのまま継承することができる。
Moreover, although the installation location of the generator portion is changed from the
また、ランナ5よりもランナケーシング3の軸心側に位置づけられた回転ボス4b及び固定ボス4aに発電機部分が設置されることにより、発電時に該発電機部分が水路内の水流に常にさらされるので、図11及び図12に示す従来の水力発電装置のように、水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の冷却機構315を設けなくて済む。さらに、図11及び図12に示す従来の水力発電装置のように水路の外周を取り囲むように水路の直径に応じた規模の発電機の固定子306を設けなくて済む。
Further, since the generator portion is installed on the rotating
また、図11及び図12に示す従来の水力発電装置の場合、ランナ303の外周曲面に重量のある永久磁石304が貼付されているので、ランナ303の慣性モーメントが大きく、ランナ303の始動/停止に多くのエネルギーが必要であった。また、遠心力によってランナ303の外周曲面から永久磁石304が外れやすかった。これに対し、水力発電装置100の場合、ランナ5よりもランナケーシング3の軸心側に位置づけられた回転ボス4b及び固定ボス4aの内部に発電機部分が設置されることにより、ランナ5の慣性モーメントが小さくて済むので、ランナ5の始動/停止に必要なエネルギーが抑えられる。
Further, in the case of the conventional hydroelectric generator shown in FIGS. 11 and 12, since the heavy
また、ランナ5よりもランナケーシング3の軸心側に位置づけられた回転ボス4bに永久磁石界磁80を設置する工程は、図11及び図12に示す従来の水力発電装置のようにランナ303の外周曲面に永久磁石304を貼付する工程と比べると容易である。つまり、図11及び図12に示す従来の水力発電装置の場合、ランナ303の製作後に永久磁石304を貼付する必要があった。これに対し、ランナ5の円形状の開口部5aに永久磁石界磁80が設置された回転ボス4bを嵌合させる構造を採用したことにより、ランナ5の製作を待たずに、発電機部分を独立して設計/製作することが可能となる。
The step of installing the
また、上流側配管1にはガイドベーン6が一般的に固設されているため、上流側配管1にガイドベーン6を介して電機子70(電機子コイル7a、電機子鉄心7b)が設置された固定ボス4aを固設した方が、水力発電装置100の設備が簡素化されることとなる。具体的には、ガイドベーン6に固定ボス4aの電機子70と電気的に接続された電気配線が取り込まれるようにし、且つこの電気配線がガイドベーン6を介して上流側配管1の外部に取り出されるように、ガイドベーン6内には電気配線用の配線孔が設けられている。
Further, since the
なお、本発明の実施の形態1の比較形態として、ボス内に、ボスの軸心方向に配置された回転軸と、この回転軸とともに回転する永久磁石付き回転子と、この回転子の外周に空隙を設けて配置された電機子コイル付き固定子とを設けた形態が挙げられる。この比較形態は、本発明の実施の形態1と比べると、ボス内に発電機部分(回転子、固定子)が設けられる点は同じではあるが、ボス内に回転軸用の軸受が必要となる。その場合、ボス回転軸周囲からの漏水により発電機が水にさらされない様にシールする必要がある。また、ボスの軸心を貫通するように回転軸が設けられているため、ボスを複数に分割したとしても、分割後の複数のボスは同一の回転軸上に連設された状態となる。したがって、回転ボスのみが回転する本発明の実施の形態1の構造と比べると、慣性モーメントが大きくなり、回転子の始動/停止に多くのエネルギーを消費するといえる。
As a comparative form of
(実施の形態2)
図7は本発明の実施の形態2に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図1に示す実施の形態1に係る水力発電装置100と相違する点は、ランナケーシング3の軸心方向に配置され、上流側配管1の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボスが、ドーム形状の2ユニットの固定ボス(4a,4c)と円柱形状の1ユニットの回転ボス4bとに三分割された点と、2ユニットの固定ボス(4a,4c)のうち電機子70(電機子コイル7a、電機子鉄心7b)が設置された一方の固定ボス4cは下流側配管2の内壁に固設され、2ユニットの固定ボス(4a,4c)のうち電機子70(電機子コイル7a、電機子鉄心7b)が設置されない他方の固定ボス4aは、上流側配管1の軸心側にあるガイドベーン6aの面に固設される点とである。言い換えると、図1に示す実施の形態1に係る水力発電装置100の場合では、上流側配管1にガイドベーン6を介して固設された固定ボス4aに電機子70が設置され、電機子70に生じた起電力はガイドベーン6を介して上流側配管1の外部から取り出される。これに対し、図7に示す実施の形態2に係る水力発電装置101の場合、下流側配管2にボス固定部材6bを介して固設された固定ボス4cに電機子70が設置され、電機子70に生じた起電力はボス固定部材6bを介して下流側配管2の外部から取り出される。(Embodiment 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration example of a hydroelectric generator that is used in a water channel according to
その他の構成は、実施の形態1に係る水力発電装置100と同様であるため、それらの説明を省略する。
The other configuration is the same as that of the hydroelectric
(実施の形態3)
図8は本発明の実施の形態3に係る水力発電装置の構成例を示す断面図である。図7に示す実施の形態2に係る水力発電装置101と相違する点は、2ユニットの固定ボス(4a,4c)の双方に、電機子コイル7a及び電機子鉄心7bから成る電機子(70a,70b)が設置された点である。言い換えると、図7に示す実施の形態2に係る水力発電装置101の場合、下流側配管2にボス固定部材6bを介して固設された固定ボス4cの電機子70から発電電力を取り出すようにしている。これに対し、図8に示す実施の形態3に係る水力発電装置102の場合、下流側配管2にボス固定部材6bを介して固設された固定ボス4cの電機子70bから発電電力を取り出すとともに、上流側配管1にガイドベーン6aを介して固設された固定ボス4aの電機子70aから発電電力を取り出すようにしている。(Embodiment 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration example of the hydroelectric generator according to
回転ボス4bには、上流側の固定ボス4aの電機子70aと対向配置される永久磁石8及び積層電磁鋼板9から成る永久磁石界磁80aと、下流側の固定ボス4cの電機子70bと対向配置される永久磁石8及び積層電磁鋼板9から成る永久磁石界磁80bと、が設置されている。つまり、円柱形状の回転ボス4bの円形状の2つの断面のうち上流側の断面には電機子70aと対向配置される複数磁極の永久磁石界磁80aが設置され、下流側の断面には電機子70bと対向配置される複数磁極の永久磁石界磁80bが設置される。なお、永久磁石界磁80a及び永久磁石界磁80bの永久磁石8としては図4に示す種々の設置例を採用することができる。なお、円柱形状の回転ボス4bの上流側及び下流側それぞれに永久磁石界磁80a,80bが設置される他に、複数の電磁鋼板を積層した電磁鋼板積層体の中央部に永久磁石を配置して成る永久磁石界磁を使用してもよい。つまり、回転ボス4bの上流側の電機子70a及び下流側の電機子70bそれぞれに対する発電機の界磁極を、電磁鋼板積層体の中央部の永久磁石により共通化することができる。これにより、生産性及び経済性がさらに向上するとともに、小型化が容易となる。
The rotating
その他の構成は実施の形態1に係る水力発電装置100及び実施の形態2に係る水力発電装置101と同様であるためそれらの説明を省略する。
Since other configurations are the same as those of the
以上説明した構造の水力発電装置102によれば、上流側配管1及び下流側配管2に固設された2ユニットの固定ボス(4a,4c)の双方に電機子(70a,70b)を設置しているので、発電容量をより大きくすることが可能となる。
According to the
(実施の形態4)
図9は本発明の実施の形態4に係る水路に装着されて使用される水力発電装置の構成例を示す断面図である。図10は、図9に示す水力発電装置の2ユニットの固定ボス及び1ユニットの回転ボス内の構成例を示すブロック図である。(Embodiment 4)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a configuration example of a hydroelectric generator that is used in a water channel according to Embodiment 4 of the present invention. FIG. 10 is a block diagram illustrating a configuration example in the two-unit fixed boss and the one-unit rotary boss of the hydroelectric generator shown in FIG. 9.
図9に示す水力発電装置103は、図7に示す実施の形態2に係る水力発電装置101と図8に示す実施の形態3に係る水力発電装置102と同様に、ランナケーシング3の軸心方向に配置され、上流側配管1の内壁方向に水流を案内して流速を増加させる流線形状のボスが、2ユニットの固定ボス(4a,4c)と1ユニットの回転ボス4bとに三分割されている。但し、図7に示す水力発電装置101及び図8に示す水力発電装置102は永久磁石界磁80を使用しているのに対し、図9に示す水力発電装置103は電磁石界磁14を使用している点が相違している。
The
具体的には、2ユニットの固定ボス(4a,4c)のうち一方の固定ボス4aには、界磁調整器10と、界磁調整器10から出力される交流電力を送電する送電コイル(誘導コイル)11とが設置されている。また、回転ボス4bには、送電コイル11と対向配置される受電コイル(誘導コイル)12と、受電コイル12において受電された交流電力を整流する整流器13と、整流器13から出力される直流電力により励磁される界磁鉄心に巻かれた界磁コイルから成る電磁石界磁14と、が設置されている。また、2ユニットの固定ボス(4a,4c)のうち他方の固定ボス4cには、電磁石界磁14と対向配置されるように電機子鉄心に巻かれた電機子コイルから成る電機子15が設置されている。
Specifically, one of the two units of fixed bosses (4a, 4c) has a
つまり、送電コイル11は界磁調整器10から出力された交流電力により電磁界を発生し、受電コイル12は送電コイル11により発生した電磁界を電磁誘導で受電する。これにより、受電コイル12には誘導起電力が発生する。この誘導起電力は整流器13により直流電力に整流されて電磁石界磁14に供給される。電磁石界磁14は電磁石として機能し回転ボス4bとともにランナケーシング3の軸心周りに回転するので、電機子15に起電力を生じさせる。
That is, the
以上説明した構造の水力発電装置103によれば、永久磁石界磁式の同期発電機の構造ではなく電磁石界磁式の同期発電機の構造となっているため、高価な永久磁石を使用しなくて済む。さらに、界磁調整によって力率の改善が可能となり、発電効率が向上する。
According to the
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。 From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.
本発明は、ダムを造らずに、上下水道、小河川、農業用水路、及び工場排水路などの発電用途として特に利用されていない高低差のある水路、特に低揚程且つ大流量の水路に装着されて使用される水力発電装置にとって有益である。 The present invention is not installed in a dam, but is installed in a water channel with a difference in height, particularly a low head and a large flow channel that is not particularly used for power generation such as water and sewage, small rivers, agricultural water channels, and industrial drainage channels. This is useful for hydropower generators used in the future.
1…上流側配管
2…下流側配管
3…ランナケーシング
4a,4c…固定ボス
4b…回転ボス
5…ランナ
5a…開口部
5b,5c…円環形状
10…界磁調整器
100,101,102,103…水力発電装置
110…フィルタ
111…水供給配管
112…取水口
11…送電コイル
12…受電コイル
13…整流器
14…電磁石界磁
15…電機子
200a,200b…水路
30a,30b…水潤滑軸受
6,6a…ガイドベーン
6b…ボス固定部材
70,70a,70b…電機子
7a…電機子コイル
7b…電機子鉄心
80…永久磁石界磁
8…永久磁石
9…積層電磁鋼板DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記水路に装着される上流側配管及び下流側配管と、
前記上流側配管と前記下流側配管との間に挟装されるランナケーシングと、
前記ランナケーシングの軸心方向に配置されるボスと、
前記ランナケーシング内に前記ランナケーシングの軸心周りに回転可能となるように収容されるランナと、
を備え、
前記ボスは回転ボスと少なくとも1つの固定ボスとに分割され、
前記回転ボスは前記ランナに嵌合され、
前記少なくとも1つの固定ボスは前記回転ボスに対して前記ランナケーシングの軸心方向に所定間隔を隔てて固定配置され、
前記固定ボス及び前記回転ボスは、それらの軸方向で互いに対向する円盤状の端部を有し、
前記少なくとも1つの固定ボスの前記端部には電機子が設置され、
前記回転ボスには前記少なくとも1つの固定ボスの電機子と対向するように、前記回転ボスの前記端部に永久磁石界磁又は電磁石界磁が設置されている、
水力発電装置。 In a hydroelectric power generation device that is used in a waterway,
An upstream pipe and a downstream pipe attached to the water channel;
A runner casing sandwiched between the upstream pipe and the downstream pipe;
A boss arranged in the axial direction of the runner casing;
A runner accommodated in the runner casing so as to be rotatable around an axis of the runner casing;
With
The boss is divided into a rotating boss and at least one fixed boss;
The rotating boss is fitted to the runner;
The at least one fixed boss is fixedly arranged at a predetermined interval in the axial direction of the runner casing with respect to the rotating boss,
The fixed boss and the rotating boss have disk-shaped ends facing each other in their axial directions,
An armature is installed at the end of the at least one fixed boss,
The rotating boss is provided with a permanent magnet field or an electromagnet field at the end of the rotating boss so as to face the armature of the at least one fixed boss.
Hydroelectric generator.
前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管に固定される1ユニットの前記固定ボスと前記ランナに嵌合される1ユニットの前記回転ボスとに分割され、
前記1ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記電機子が設置された前記1ユニットの固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、請求項1に記載の水力発電装置。A guide vane fixed to the inner wall of the upstream pipe;
The boss is divided along the axial center direction of the runner casing into one unit of the fixed boss fixed to the upstream pipe and one unit of the rotating boss fitted to the runner.
The permanent magnet field is installed on the rotating boss of the one unit,
The hydroelectric generator according to claim 1, wherein the fixed boss of the one unit on which the armature is installed is fixed to a surface of the guide vane on the axial center side of the upstream pipe.
前記ボスが、前記ランナケーシングの軸心方向に沿って、前記上流側配管及び前記下流側配管に固定される2ユニットの前記固定ボスと前記ランナに嵌合される1ユニットの前記回転ボスとに分割され、
前記1ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記2ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置された一方の固定ボスは、前記下流側配管の内壁に固設され、
前記2ユニットの固定ボスのうち前記電機子が設置されない他方の固定ボスは、前記上流側配管の軸心側にある前記ガイドベーンの面に固設される、請求項1に記載の水力発電装置。A guide vane fixed to the inner wall of the upstream pipe;
The two bosses fixed to the upstream pipe and the downstream pipe along the axial direction of the runner casing and the one unit rotary boss fitted to the runner. Divided,
The permanent magnet field is installed on the rotating boss of the one unit,
One fixed boss where the armature is installed among the fixed bosses of the two units is fixed to the inner wall of the downstream pipe,
2. The hydroelectric generator according to claim 1, wherein the other fixed boss of the two units that is not provided with the armature is fixed to the surface of the guide vane on the axial center side of the upstream pipe. .
前記1ユニットの回転ボスには、前記永久磁石界磁が設置され、
前記2ユニットの固定ボスの双方に前記電機子が設置される、請求項1に記載の水力発電装置。The two bosses fixed to the upstream pipe and the downstream pipe along the axial direction of the runner casing and the one unit rotary boss fitted to the runner. Divided,
The permanent magnet field is installed on the rotating boss of the one unit,
The hydroelectric generator according to claim 1, wherein the armature is installed on both of the two unit fixed bosses.
前記2ユニットの固定ボスのうち一方の固定ボスには、界磁調整器と、前記界磁調整器から出力される交流電力を送電する送電コイルとが設置され、
前記1ユニットの回転ボスには、前記送電コイルと対向配置される受電コイルと、前記受電コイルにおいて受電された交流電力を整流する整流器と、前記整流器から出力される直流電力により励磁される前記電磁石界磁と、が設置され、
前記2ユニットの固定ボスのうち他方の固定ボスには、前記電磁石界磁と対向配置されるように前記電機子が設置される、請求項1に記載の水力発電装置。The two bosses fixed to the upstream pipe and the downstream pipe along the axial direction of the runner casing and the one unit rotary boss fitted to the runner. Divided,
One fixed boss of the two unit fixed bosses is provided with a field regulator and a power transmission coil for transmitting AC power output from the field regulator,
The rotating boss of the one unit includes a power receiving coil disposed opposite to the power transmitting coil, a rectifier that rectifies AC power received by the power receiving coil, and the electromagnet that is excited by DC power output from the rectifier. Field, and
2. The hydraulic power generation apparatus according to claim 1, wherein the armature is installed on the other fixed boss of the two units of the fixed boss so as to be opposed to the electromagnet field.
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