JP5785930B2 - クロスフロー水車の羽根車、クロスフロー水車並びに発電設備 - Google Patents

Description

本発明は、クロスフロー水車の羽根車、その羽根車を用いるクロスフロー水車、及びそのクロスフロー水車を用いる発電設備に関する。

クロスフロー水車の羽根車としては、一対の側板を左右に対向させて配置し、両側板の中心に対して回転軸を貫通させ、回転軸に対して半径方向に間隔をあけて複数枚の羽根を、回転軸の円周方向に間隔をあけた状態で取り囲むように配置し、これら羽根を対向する側板の間に架設するものが、特許文献１に開示されている。

この羽根車を用いるクロスフロー水車は、農業用水路等の水路の上段側水路と下段側水路との境界部である落差部の下流側に前記した羽根車を、その回転軸の軸長方向を水流方向に対して交差する方向（より詳しくは直交する方向）に向けて配置し、回転軸の両端部を回転可能に支持させるものである。

このクロスフロー水車の作動原理では、水は羽根車の羽根の上方から落下して隣り合う羽根と羽根の間を通過して回転軸側の空間に落下し、再度、隣り合う羽根と羽根の間を通過して落下することにより、羽根車が回転するようになっている。そして、この羽根車の回転を利用して発電することが試みられている。

また、前記クロスフロー水車は、通常であれば必要とされるケーシングを有しないものである。因みに、通常のクロスフロー水車は、羽根車の周りにケーシングが取り囲むように配置されており、そのクロスフロー水車よりも上流側にスクリーンが設置されている。このスクリーンは、水と一緒に流れてくるビニール片等のゴミがケーシングに絡まることによる、作動不能や発電効率の低下を防止することを目的としている。そして、このようなゴミがケーシングに詰まらないようにするために、ケーシング自体を無くしたのが前記したクロスフロー水車である。

特開２００６−５２６９１号公報

しかしながら、前記したクロスフロー水車では、ゴミが羽根車の羽根に引っ掛かることがある。そうすると、回転し難くなり、発電効率が低下することになった。

本発明は、上記実情を考慮したもので、ゴミが羽根にできるだけ引っ掛からないようになる羽根車を提供することを目的とする。また、その羽根車を用いたクロスフロー水車、並びに発電設備を提供することを目的とする。

本発明者は、前記した羽根車に限らず従来の羽根車は、その羽根の両端が側板に固定されていることに着目した。側板があるから、ゴミが羽根に絡み付いて離れなくなるのではないかと本発明者は考えた。本発明は、このような着目と思想に基づいてなされたものである。

本発明のクロスフロー水車の羽根車は、回転軸の軸長方向の中間部に中板を鍔状に突出し、複数枚の羽根を回転軸の半径方向に間隔をあけると共に回転軸に対して略放射状に延長する状態で配置し、これら複数枚の羽根を中板の半径方向外周部の両面から回転軸の軸長方向へ片持ち支持する状態で突出してあることを特徴とする

羽根に対するゴミの絡まりをより効果的に防止するには、次のようにすることが望ましい。すなわち、羽根については、略放射状に延長する幅が、中板から遠ざかるにつれて狭く形成されていることが望ましい。

また、水流による羽根の回転効率を向上するには次のようにすることが望ましい。すなわち、羽根は断面円弧状であって、中板に対して固定される前記した複数枚の羽根は、全体として渦巻状であることが望ましい。

本発明のクロスフロー水車は、前記した羽根車と、羽根車を支持するフレームとを備え、フレームは、門型であって、羽根車の回転軸の両端部を回転可能に支持する一対の支柱と、両支柱を連結する連結部材とから構成されており、支柱と羽根車の羽根との間に間隔が形成されていることを特徴とする。

また、クロスフロー水車は、次のようにすることが望ましい。すなわち、フレームの上部に発電機を固定し、回転軸の一端部と発電機の駆動軸との間に回転軸の回転を伝達する回転伝達機構部を備えることが望ましい。

本発明の発電設備は、前記したクロスフロー水車と、水をクロスフロー水車に導く導水設備とを含み、導水設備は、上方に通過させる水を案内する導流ゲートと、導流ゲートを揺動可能に支持する軸支部と、軸支部を前後方向に調整可能に支持する前後位置調整機構部と、導流ゲートの揺動端側の支持高さを調整する支持高調整機構部とを有することを特徴とする。

本発明の羽根車によれば、中板に対して羽根を片持ち支持する構造なので、ビニール片等のゴミが羽根に絡み付いてきたとしても、そのゴミが水流の勢いを利用して羽根の開放端側（中板から離れている方の端部）に導かれて、羽根から抜け外れる。

また、羽根については、中板の半径方向の中央側から外周側へ延伸する幅を、中板から遠ざかるにつれて狭くしてあるので、羽根に絡み付いてきたゴミが水流の勢いを利用して開放端側に向かうにつれて抜け外れ易くなる。

更に、羽根を断面円弧状とし、中板に固定された全ての羽根が渦巻状となっていれば、水流による羽根の回転効率が向上する。

本発明のクロスフロー水車によれば、羽根車とフレームとが一体となっているので設置し易く、しかもフレームの一対の支柱と羽根車の羽根との間に間隔が形成されているので、この間隔からゴミが排出される。

また、フレームの上部に発電機を固定してあれば、発電機が水流によって濡れ難くなり、故障し難くなる。

本発明の発電設備によれば、軸支部によって揺動可能に支持された導流ゲートの前後位置及び支持高さ位置を調整可能であるので、水路の水量に対応させて所望の位置から水を羽根車の羽根に導くことが可能となり、発電効率の良いものとなる。

（ａ）〜（ｄ）図は、本発明の羽根車の一例を示す側面図、一部切欠正面図、Ａ−Ａ線断面図、斜視図である。 （ａ）、（ｂ）図は、羽根車の羽根の側面図、正面図である。 クロスフロー水車を設置する直前の状況を示す側面図である。 クロスフロー水車の設置状況を示す側面図である。 図３のＡ−Ａ線断面に相当する、クロスフロー水車を設置する直前の状況を示す正面図である。 クロスフロー水車を設置する直前の状況を示す正面図である。 本発明の発電設備の一例について導流ゲートの支持構造を拡大して示す側面図である。 本発明の発電設備の一例について使用状態を示す側面図である。 発電設備の平面図である。 （Ａ）（Ｂ）図は、流量14.1（L/sec）の場合の羽根枚数と発電効率との関係を示す表、グラフである。 （Ａ）（Ｂ）図は、流量9.6（L/sec）の場合の羽根枚数と発電効率との関係を示す表、グラフである。

図１には本発明のクロスフロー水車の羽根車１の一例が示されている。羽根車１は、回転軸１１と、回転軸１１の軸長方向の中間部から鍔状に突出する中板１２と、中板１２の軸長方向の両面に固定される複数枚の羽根１３、１３、・・・を主として構成される。以下、回転軸１１、中板１２、羽根１３について詳述する。

回転軸１１は、その軸長方向の両端部をそれより中央側部分に比べて直径の小さな段付き軸としてある。また、回転軸１１の長さは、その軸長方向の両端部が羽根１３よりも外側に突出する長さである。

また、中板１２は、円盤状であって、その中心部には回転軸１１の端部を貫通させる貫通孔１２ａを有する。

このような中板１２に対して固定された複数枚の羽根１３、１３、・・・は、正面方向から見ると、中板１２の半径方向外周部の両面から回転軸１１の軸長方向へ片持ち支持する状態で突出している。しかも、回転軸１１の軸長方向から見ると、これら複数枚の羽根１３は、回転軸１１に対してその半径方向に間隔をあけると共に、回転軸１１を中心にして等角度おきに略放射状に延長する状態（より詳しく言えば渦巻き状態）で配置されている。

羽根１３は、回転軸１１の軸長方向から見ると、前述したように略放射状、言い換えれば中板１２の半径方向の中央側から外周側へ延長する断面を有する板材である。図示の例では、円弧状の断面を有する板材であって、元々は軸長方向に長い長方形の平板を円弧状に湾曲させた板材である。より詳しく言えば、羽根１３は、長方形の平板を一方の短辺から他方の短辺に向かって斜めに切断し、その切断によって形成された台形状の平板を、その短辺が円弧状に膨らむように湾曲させた板材である。

従って、図２に示すように、羽根１３は、断面円弧状の板材であって、円弧状に湾曲している一対の短辺が平行な形状となっており、これら一対の短辺の円弧長には差が付いている。この円弧長が長い方の短辺側の端部が中板１２に固定する方の端部であり、円弧長が短い方の短辺側の端部が中板１２から遠い方の端部となる。このため、羽根１３の円弧長の幅（略放射状に延長する幅）が中板１２から遠ざかるにつれて狭くなる。

図３〜図６には、本発明のクロスフロー水車１００の一例が示されている。クロスフロー水車１００は、前記した羽根車１と、羽根車１を回転可能に支持するフレーム２とを主として含むものである。また、図示の例では、フレーム２に固定された発電機３と、回転伝達機構部４とを含むものである。

フレーム２は、羽根車１の回転軸１１の両端部を回転可能に支持する一対の支柱２１、２１と、羽根車１とは反対側において両支柱２１、２１を連結する連結部材２２とを備えている。また、図５に示すように各支柱２１と回転軸１１の端部との間には軸受２３が介在している。より詳しく言えば、各支柱２１は、角筒形状であって、角筒を構成する内壁には回転軸１１の端部を挿通する抜穴（図示省略）が形成されており、その内壁の内面に軸受２３が固定されている。そして、各軸受２３に回転軸１１の端部を支持させることによって、羽根車１が一対の軸受２３、２３によって回転可能に支持される。また、羽根車１と、その両側に位置する一対の支柱２１、２１との間には間隔２４があいており、この間隔２４からゴミが通過可能となっている。

このような一対の支柱２１、２１の上部間に連結部材２２が架設され、連結部材２２に対して発電機３が固定されている。そして、この発電機３に回転軸１１の回転を伝達するのが回転伝達機構部４である。

回転伝達機構部４は、回転軸１１の一端部に連結される第１の変向機構部４１と、発電機３の駆動軸３１の一端部に連結される第２の変向機構部４２と、第１の変向機構部４１と第２の変向機構部４２とに連結される従動軸４３とを備えている。第１の変向機構部４１が支柱２１の下部外面に固定されており、水平方向に延長する回転軸１１の回転を、鉛直方向に延長する従動軸４３の回転に変向する。また、第２の変向機構部４２がフレーム２の連結部材２２の上側に固定されており、従動軸４３の回転を水平方向に延長する発電機３の駆動軸３１の回転に変向する。より詳しく言えば、この例では、第１、第２の変向機構部４１、４２にはマイタギヤボックスが用いられているものとする。そして、第１の変向機構部４１については、一対の傘歯車の直交する軸のうち一方を回転軸１１に連結し、他方を従動軸４３の下端部に連結している。同様に、第２の変向機構部４２については、一対の傘歯車の直交する軸のうち一方を従動軸４３の上端部に連結し、他方を発電機３の駆動軸３１に連結している。

上記したクロスフロー水車１００において、フレーム２における連結部材２２の前後面には左右に間隔をおいてブラケット２５が前後方向に突出して形成されており、各ブラケット２５には吊り下げ部としての抜穴２５ａが形成されている。

また、このクロスフロー水車１００と、クロスフロー水車１００に水を導く導水設備５とを含めて、本発明の発電設備が構築される。図示の例の発電設備では、クロスフロー水車１００を水路７に取り付ける取付設備６を含むものとなっている。

取付設備６は、一対の支柱２１、２１をそれぞれ案内するガイド６１を主として構成される。一方のガイド６１は、案内する支柱２１の外側に回転伝達機構部４が配置されていない関係上、平面視してコの字状に形成されている。他方のガイド６１は、案内する支柱２１の外側に回転伝達機構部４が配置されている関係上、前後から支柱２１を案内するように形成されている。

このような取付設備６を水路７の上段側水路７１と下段側水路７２との境界部である落差部７３の下流側に固定する。より詳しく言えば、落差部７３の下流側における幅方向に対向する側壁７４の一方には、前記したコの字状のガイド６１を、そのコの字の開口方向が水路７の幅方向中央側を向くように固定する。また、側壁７４の他方は、それ自体がコの字状に開口する形状となっており、その側壁７４の開口部分に前記した他方のガイド６１を、固定する。従って、一対のガイド６１、６１については、上方から支柱２１を受け入れ可能に開口している。因みに、図３、図９に示すように、一対の側壁７４、７４は、一対のガイド６１、６１を固定する箇所に対して底側（下側）及び下流側に、内向壁７５を水路幅が狭くなるように突出している。この内向壁７５の内面には側部保護板７６が固定されている。

このように固定された取付設備６に対し、クロスフロー水車１００を以下のようにして取り付ける。まず、クロスフロー水車１００のブラケット２５の抜穴２５ａに対してクレーンのフックから吊るしたロープを引っ掛けてクロスフロー水車１００を吊り上げる。そのまま、クロスフロー水車１００をガイド６１の上方から下降させて、クロスフロー水車１００の支柱２１をガイド６１の内側に挿入する。最後に、一対のガイド６１、６１に対してその離間方向にクロスフロー水車１００が移動しないように位置決めして固定することにより、クロスフロー水車１００が水路７に設置される。このとき、クロスフロー水車１００は、羽根１３の開放端側においては、支柱２１だけでなく、側部保護板７６との間に、間隔２４があいている。

また、導水設備５は、クロスフロー水車１００に対し水を導く導流ゲート５１と、導流ゲート５１の設置位置を水の進行方向に沿って調整可能に案内する前後位置調整機構部５２と、導流ゲート５１を前後位置調整機構部５２に対して揺動可能に支持する軸支部５３と、導流ゲート５１の揺動端の支持高さ位置を決める支持高調整機構部５４とを含むものである。

導流ゲート５１は図７に示すように、縦横に組まれた骨組部５１ａと、骨組部５１ａの上に固定されるゲートプレート５１ｂと、骨組部５１ａにおける水路幅方向の側面に固定される側方プレート５１ｃを主として構成される。また、ゲートプレート５１ｂは、図９に示すように羽根車１の左右の羽根１３の両端間の長さよりも長いものである。そして、ゲートプレート５１ｂの上には、その横幅方向に間隔をあけて一対の導流プレート５１ｄ、５１ｄが、起立している。これら導流プレート５１ｄ、５１ｄは、水の通過幅を羽根１３に向かって狭くする方向に沿って延長するように固定されている。

前後位置調整機構部５２は、導流ゲート５１の横幅方向（水路幅方向）の両側に設置されるものである。各前後位置調整機構部５２は、周知である、レール部材５２ａと、レール部材５２ａに沿って直線往復移動可能に案内されるスライダ５２ｂとの他に、スライダ５２ｂを移動させるネジ機構部５２ｃとを主として有する。

ネジ機構部５２ｃは、図７に示すようにレール部材５２ａの一端部に固定される支持リング５２ｄと、支持リング５２ｄの貫通方向（レール部材５２ａの延長方向）の両面に配置される一対の緩み止めナット５２ｅ、５２ｅと、支持リング５２ｄ及び一対の緩み止めナット５２ｅ、５２ｅに螺挿されるボルト５２ｆとから構成される。

この前後位置調整機構部５２は、上段側水路７１の水路幅方向の両側にそれぞれ配置され、各前後位置調整機構部５２のレール部材５２ａが上段側水路７１の上面に固定される。そして、各前後位置調整機構部５２のボルト５２ｆを回すと、ボルト５２ｆの先端でスライダ５２ｂが押され、スライダ５２ｂの位置が移動する。図示の例では、スライダ５２ｂにはレール部材５２ａの延長方向に長い長孔が形成されており、レール部材５２ａには雌ネジ穴が形成されている。そして、スライダ５２ｂの上方からボルト５２ｇがレール部材５２ａの長孔を経て雌ネジ穴にねじ込まれることにより、スライダ５２ｂがレール部材５２ａに対して固定される。

軸支部５３は、スライダ５２ｂに固定される支持プレート５３ａと、支持プレート５３ａに対して導流ゲート５１の一端部を軸支する軸支ピン５３ｂとから構成される。この軸支部５３は、水路幅方向に離間して固定された一対の前後位置調整機構部５２、５２に対応してそれぞれ配置され、各前後位置調整機構部５２のスライダ５２ｂに対して各軸支部５３の支持プレート５３ａが起立する状態で固定される。そして、水路幅方向の両側に固定された一対の支持プレート５３ａ、５３ａに対してその内側に導流ゲート５１の一端部を配置し、導流ゲート５１の一端部における水路幅方向の両側を各支持プレート５３ａに軸支ピン５３ｂで止めることによって、導流ゲート５１が軸支ピン５３ｂを支点として揺動可能に支持される。

また、支持高調整機構部５４は、水路７の側壁７４に立設する架台５４ａと、架台５４ａの上部に固定するウィンチ５４ｂとから構成される。このウィンチ５４ｂの巻き胴５４ｃに巻きかけられたロープ５４ｄの先端部が、導流ゲート５１の揺動端側に固定される。図示の例では、ウィンチ５４ｂは手動式であり、そのハンドル５４ｅを回すことにより、導流ゲート５１の揺動端の支持高さが変更する。

また、上段側水路７１は、導流ゲート５１の設置箇所の直ぐ上流側に、その水路幅方向に亘って段差上に盛り上がる隆起部７１ａを備えている。そして、隆起部７１ａと導流ゲート５１との間には水密部５５が設けられている。

水密部５５は、一対の前後位置調整機構部５２のスライダ５２ｂに対して架設する第１の補助プレート５５ａと、起立する第１の補助プレート５５ａの上端であってその水路幅方向に亘って下流側に延長して設けられる第２の補助プレート５５ｂと、第２の補助プレート５５ｂの上であってその水路幅方向に亘って上流側の隆起部７１ａの上に載置するまで延長して設けられる第３の補助プレート５５ｃと、第２の補助プレート５５ｂと導流ゲート５１の軸支側の端部との上に水路幅方向に亘って延長する状態で固定される水密ゴム５５ｄとによって構成される。

この水密ゴム５５ｄは、前後位置調整機構部５２によるスライダ（導流ゲート）５２ｂが前側（上流側）に移動した際には大きく湾曲し、後側（下流側）に移動した際には緩やかに湾曲するようになる。このようなことを配慮して、水密ゴム５５ｄの水流方向の全長が設定される。

前記した本発明の発電設備の一例は、支持高調整機構部５４によるロープの巻き具合を調整することによって、羽根車１の羽根１３の適切な高さ位置に水が当たるようにし、前後位置調整機構部５２によるボルト５２ｆの捻じ込み具合を調整することによって、羽根車１の羽根１３の適切な前後位置に水が当たるようにする。

羽根車１の上部に衝突した水は、円周方向に隣り合う羽根１３同士の間を通過して回転軸１１に向かって落下し、再度、その下側に位置する羽根１３同士の間を通過して流れ落ちる。この際に、水と一緒に流れ込んできたビニール片等のゴミは、たった今述べた水の流れと一緒になって羽根１３同士の間を通過したり、羽根１３の開放端側に導かれて羽根１３と支柱２１との間隔２４、或いは羽根１３と側部保護板７６との間隔２４を通過したりして、羽根１３に絡むことがなくなる。

前記した本発明の発電設備の一例に使用するクロスフロー水車の羽根車について、羽根枚数と、発電出力との関係を調べた。ここでの羽根枚数とは、回転軸に対して等角度おきに羽根を設けることを前提とした上で、１つの羽根車１に使用する羽根の総数である。具体的には、羽根枚数を１２枚から２４枚まで４枚ずつ増やした場合に発電出力がどのように変化するかを、羽根車に向かって流れる流水量を変えて調べた。図１０には、流水量が14.1（L/sec）の場合の結果が、図１１には流水量が9.6（L/sec）の場合の結果が示されている。いずれの場合も、羽根枚数を２０枚とする場合に、最大の発電出力を得られることが示されている。

本発明は前記した例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、回転伝達機構部４は、マイタギヤボックスからなる変向機構部や、従動軸等が用いられていたが、これに限らず、チェーン、スプロケットによって羽根車１の回転を発電機３の駆動軸３１に伝えるものであっても良い。

１羽根車
１１回転軸
１２中板
１２ａ貫通孔
１３羽根
２フレーム
２１支柱
２２連結部材
２３軸受
２４間隔
２５ブラケット
２５ａ抜穴
３発電機
３１駆動軸
４回転伝達機構部
４１第１の変向機構部
４２第２の変向機構部
４３従動軸
５導水設備
５１導流ゲート
５１ａ骨組部
５１ｂゲートプレート
５１ｃ側方プレート
５１ｄ導流プレート
５２前後位置調整機構部
５２ａレール部材
５２ｂスライダ
５２ｃネジ機構部
５２ｄ支持リング
５２ｅ緩み止めナット
５２ｆボルト
５２ｇボルト
５３軸支部
５３ａ支持プレート
５３ｂ軸支ピン
５４支持高調整機構部
５４ａ架台
５４ｂウィンチ
５４ｃ巻き胴
５４ｄロープ
５４ｅハンドル
５５水密部
５５ａ第１の補助プレート
５５ｂ第２の補助プレート
５５ｃ第３の補助プレート
５５ｄ水密ゴム
６取付設備
６１ガイド
７水路
７１上段側水路
７１ａ隆起部
７２下段側水路
７３落差部
７４側壁
７５内向壁
７６側部保護板
１００クロスフロー水車

Claims (6)

1. 回転軸の軸長方向の中間部に中板を鍔状に突出し、複数枚の羽根を回転軸の半径方向に間隔をあけると共に回転軸に対して略放射状に延長する状態で配置し、これら複数枚の羽根を中板の半径方向外周部の両面から回転軸の軸長方向へ片持ち支持する状態で突出してあることを特徴とするクロスフロー水車の羽根車。
2. 羽根については、略放射状に延長する幅が、中板から遠ざかるにつれて狭く形成されていることを特徴とする請求項１に記載のクロスフロー水車の羽根車。
3. 羽根は断面円弧状であって、
   中板に対して固定される前記した複数枚の羽根は、全体として渦巻状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のクロスフロー水車の羽根車。
4. 請求項１〜３の何れかに記載のクロスフロー水車の羽根車と、羽根車を支持するフレームとを備え、
   フレームは、門型であって、羽根車の回転軸の両端部を回転可能に支持する一対の支柱と、両支柱を連結する連結部材とから構成されており、支柱と羽根車の羽根との間に間隔が形成されていることを特徴とするクロスフロー水車。
5. フレームの上部に発電機を固定し、
   回転軸の一端部と発電機の駆動軸との間に回転軸の回転を伝達する回転伝達機構部を備えることを特徴とする請求項４記載のクロスフロー水車。
6. 請求項４又は５記載のクロスフロー水車と、水をクロスフロー水車に導く導水設備とを含み、
   導水設備は、上方に通過させる水を案内する導流ゲートと、導流ゲートを揺動可能に支持する軸支部と、軸支部を前後方向に調整可能に支持する前後位置調整機構部と、導流ゲートの揺動端側の支持高さを調整する支持高調整機構部とを有することを特徴とする発電設備。

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