JP5805555B2 - らせん水車 - Google Patents

Description

本発明は、らせん水車に関し、特に、発電機を内部に収容するらせん水車に関する。

一般的には、大規模なダムを建設して数ＭＷ〜数千ＭＷの大電力を発生させる水力発電が知られている。このような大規模な水力発電以外にも、比較的小落差あるいは小水量の水流を利用して１００ｋＷ以下の発電を行なう小水力発電がある。小水力発電用の水車には、大型の水力発電と同様のペルトン水車、フランシス水車またはカプラン水車を小型化した水車が用いられる。その他、中規模以下の水力発電に適したクロスフロー水車またはバルブ水車などが用いられる。これらの水車を用いた水力発電では、閉鎖された水路を設けて水流を水車に導く必要がある。

一方、発電規模はさらに小さくなるが、農業用水路のような開水路に設置するタイプの水車として上掛け水車、下掛け水車、らせん水車などがある。特に下掛け水車とらせん水車を用いれば、１ｍ前後、あるいは１ｍ以下の低落差で発電が可能となる。

特開２００９−２２１８８２号公報（特許文献１）、特開２００７−１５４８６２号公報（特許文献２）、特開昭６３−５７８７４号公報（特許文献３）、大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報（特許文献４）は、らせん水車に関する技術を開示する。

特開２００９−２２１８８２号公報 特開２００７−１５４８６２号公報 特開昭６３−５７８７４号公報 大正１４年実用新案出願公告第９３５６号公報

例えば、特開２００９−２２１８８２号公報の図１に示されるように、らせん水車を用いた水力発電装置は、発電機と、らせん水車からの駆動力を発電機に伝達するためのシャフトおよび増速機とを備える。したがって、水力発電装置を設置する際には、らせん水車を設置する場所に加えて、発電機、シャフトおよび増速機を設置する場所を確保する必要がある。特に通常の発電機や増速機は水没を想定した設計とはなっていないため水面より上方に設置する必要があり、水車本体とこれらの機器を連結するシャフトは十分に長くなければならない。しかしながら、らせん水車を用いた水力発電装置は、農業用水路のような狭い空間に設置することが想定されているため、水力発電装置を小さく構成することが望ましい。

上記の事項を考慮して、本願の発明者は、らせん翼を保持する中空軸内部に発電機を内蔵したらせん水車を考案した。このようならせん水車では、中空軸の中心を貫通する固定軸を、らせん水車の外部のフレームに取り付けることによって、らせん水車がフレームにより支持される。らせん翼が水流を受けることにより、中空軸は、固定軸を中心に回転する。中空軸の回転により、固定軸に支持されたアウターロータ型発電機のロータが回転せしめられる。

ところが、中空軸の内部に発電機を内蔵すると、中空軸は、発電機を収めるのに十分な直径を有さなければならない。したがって、発電機を中空軸の内部に設けた場合、発電機を中空軸の外部に設けた場合に比べて、中空軸の直径が大きくなり、フレームと中空軸との間の隙間が小さくなり得る。その結果、水の出口など、水が流れる空間が小さくなり、抵抗が増し得る。よって、水の流速が落ち、発電効率が低下し得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、発電効率が良いらせん水車を提供することである。

ある実施例において、らせん水車は、らせん翼と、内部に発電機が設けられ、外周にらせん翼が設けられ、上流から下流に向かう水流によって回転し、らせん翼が設けられた部位において、下流ほど直径が減少するように形成された中空軸とを備える。

この構成によると、水の出口付近では、中空軸の断面積が小さくされる。そのため、水が流れる空間の断面積を大きくできる。よって、水に対する抵抗を下げ、流速の低下量を小さくできる。その結果、発電効率が良いらせん水車を提供できる。

別の実施例において、中空軸は、らせん翼の１ピッチ以上の部位において、直径が減少するように形成される。

この構成によると、らせん翼の１ピッチ以上の部位において直径を小さくし、水に対する抵抗を下げることができる。

さらに別の実施例において、中空軸は、発電機よりも下流の部位において、直径が減少するように形成される。

この構成によると、発電機を収容する必要がない部位において直径を小さくし、水に対する抵抗を下げることができる。

さらに別の実施例において、中空軸の直径は、段階的に減少する。
この構成によると、中空軸の直径を、下流ほど段階的に減少させて、水に対する抵抗を下げることができる。

さらに別の実施例において、中空軸の直径は、連続的に減少する。
この構成によると、中空軸の外周を連続する曲面とすることにより、らせん翼と中空軸との接合を容易にできる。

水力発電装置の概略構成図である。 らせん水車の断面図を示す図である。 変速機のスケルトン図である。 らせん水車を上流側から見た側面図である。 らせん水車を下流側から見た側面図である。 らせん水車の変形例１を示す図である。 らせん水車の変形例２を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、水力発電装置１０は、らせん水車１２と、らせん水車を囲うフレーム１４とを備える。らせん水車１２は、フレーム１４内で回転する。らせん水車１２の回転によって得られた電力は、導線１６を介して例えばインバータ１８に伝えられる。インバータ１８は、電流を整流し、照明等の電気機器に電力を供給する。

らせん水車１２は、１０〜２０度程度の適度な傾斜を有する開放水路に設置される。らせん水車１２は、軸心程度まで水没するように設置される。水面が中空軸の上端より高い位置にある場合、水が軸を乗り越えるために抵抗となる一方、水面が軸心よりも著しく低いと、らせん水車１２が受ける有効な水量が減少するため十分な発電量が得られないためである。傾斜がほとんどない水路にらせん水車１２を設置する場合は、軸をフレームの底面に対して１０〜２０度程度傾斜させてもよい。

図２を参照して、らせん水車１２についてさらに説明する。らせん水車１２は、固定軸２０と、らせん翼３０と、中空軸３２と、発電機４０と、変速機５０とを備える。

固定軸２０は、回転不能にフレーム１４に固定され、中空軸３２を軸方向に貫通する。らせん翼３０は、中空軸３２の外周面に設けられる。中空軸３２は、円筒状の外径を有する。中空軸３２は、上流から下流に向かう水流をらせん翼３０が受けることによって回転するように、固定軸２０により回転可能に支持される。固定軸２０と中空軸３２との間には、中空軸３２の上流側端部、中間部および下流側端部のそれぞれにおいて、軸受３４，３５，３６が設けられる。軸受３４，３６は、一例として、片側接触シール付軸受である。シールが外側になるように、軸受３４，３６が設けられる。なお、軸受の種類は片側接触シール付軸受に限定されない。シールを軸受の両側に設けてもよい。その他の種類の軸受を設けてもよい。

中空軸３２の上流側端部の開口は、蓋部材３７により封止される。同様に、中空軸３２の下流側端部の開口は、蓋部材３８により封止される。

発電機４０は、中空軸３２の内部に設けられる。発電機４０は、固定軸２０に回転可能に支持され、かつ変速機５０の出力側に連結されたロータ４２と、固定軸２０に固定されたステータ４４とを含む。発電機４０は、アウターロータ型の発電機である。発電機４０は、ロータ４２が回転することにより発電する。発電機４０により発生された電力は、導線１６を介してインバータ１８に供給される。

変速機５０は、中空軸３２の内部において、中空軸３２の上流側端部と発電機４０との間に設けられ、中空軸３２からの駆動力を発電機４０のロータ４２に伝達する。変速機５０の入力側は、中空軸３２に連結される。本実施の形態において、変速機５０の変速比は１よりも小さい。すなわち、変速機５０は、中空軸３２の回転速度を増速して発電機４０に伝達する。変速比は１以上であってもよい。また、変速比は変更可能であってもよい。変速比を変更可能にすれば、たとえば水量の変化に起因してらせん水車１２の回転速度が変化しても、最も効率のよい速度で発電機４０を駆動することができる。

本実施の形態に係る水力発電装置１０においては、発電機４０と変速機５０とが中空軸３２の内部に収められているため、水力発電装置１０の大きさを、中空軸の大きさと同等にできる。特に、水力発電装置１０の長さを、中空軸の長さと同等にできる。その結果、水力発電装置１０を小型化できる。

また、中空軸３２を支持する軸と、発電機４０を支持する軸とに共通の固定軸２０が用いられるため、水力発電装置１０の構成を簡素化できる。

図３を参照して、変速機５０についてさらに説明する。変速機５０は、第１遊星歯車５１と、第２遊星歯車５２とを含む。第１遊星歯車５１のサンギヤ５１Ｓならびに第２遊星歯車５２のサンギヤ５２Ｓは、固定軸２０に回転不能に固定される。第１遊星歯車５１のキャリア５１Ｃは、中空軸３２に連結される。第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒは、第２遊星歯車５２のキャリア５２Ｃに連結される。第２遊星歯車５２のリングギヤ５２Ｒは、発電機４０のロータ４２に連結される。

複数の遊星歯車を設けることにより、中空軸３２の回転速度を大きく増速または減速させることができる。なお、第２遊星歯車５２を設けずに、第１遊星歯車５１のみを設け、第１遊星歯車５１のリングギヤ５１Ｒを発電機４０のロータ４２に連結するようにしてもよい。また、３つ以上の遊星歯車を図３に示す構成と同様の態様で連結するようにしてもよい。

遊星歯車を用いて変速機５０を構成することにより、変速機５０の軸心と中空軸３２の軸心とを同じにできる。そのため、らせん水車１２の外径を大きくしなくても、中空軸３２の内部に変速機５０を収めることができる。したがって、水力発電装置１０を小型化できる。

なお、遊星歯車の代わりに、トラクションドライブを用いて変速機５０を構成してもよい。この場合、複数のトラクションドライブを繋いで変速機５０を構成してもよい。滑らかな回転を特徴とするトラクションドライブを用いることにより、回転振動を低減できる。

図２に戻って、本実施の形態において、中空軸３２は、らせん翼３０が設けられた部位（らせん翼３０の上流側端部から下流側端部までの部位）において、下流ほど直径（外径）が減少するように形成される。

図２に示す例では、らせん翼３０の下流側端部から、らせん翼３０のピッチ１つ分までの範囲において、その範囲よりも上流側の部位よりも直径が減少するように、中空軸３２が形成される。本実施の形態においては、らせん翼３０の下流側端部から、中空軸３２の下流側端部までの部位（図２において軸受３６の外周と当接する部位）においても、直径が減少される。

図２に示す例では、直径が段階的に（不連続に）減少される。らせん翼３０の下流側端部から、らせん翼３０のピッチ１つ分よりも長い範囲において、直径が減少するように、中空軸３２を形成してもよい。

図４に、らせん水車１２を上流側から見た（図１において矢印Ａで示す方向）側面図を示し、図５に、らせん水車１２を下流側から見た（図１において矢印Ｂで示す方向）側面図を示す。図４，５においては、簡略化のためらせん翼３０を省略し、フレーム１４と中空軸３２のみを示す。図４と図５との対比から明らかなように、直径（外径）が短くされた部位においては、フレーム１４と中空軸３２との隙間、すなわち水が流れる空間が増大する。したがって、水の出口付近では、水に対する抵抗を下げ、流速の低下量を小さくできる。よって、発電効率を向上できる。

［変形例１］
図６を参照して、変形例１について説明する。変形例１は、前述の実施例と比較して、直径が連続的に減少される点で相違する。図６に示す例では、発電機４０の下流側端部に設けられた軸受３５から、らせん翼３０の下流側端部までの範囲において、その範囲よりも上流側の部位より直径（外径）が減少するように中空軸３２が形成される。このようにすれば、らせん翼３０と中空軸３２との接合を容易にできる。

［変形例２］
図７を参照して、変形例２について説明する。変形例２は、前述の実施例と比較して、発電機４０よりも下流の部位において直径（外径）が減少される点で相違する。図７に示す例では、発電機４０の下流側端部に設けられた軸受３５よりも下流の部位の直径が、それよりも上流の部位の直径よりも小さくされる。このようにすれば、水の一部が中空軸３２を乗り越える際の抵抗を低減することもできる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 水力発電装置、１２ らせん水車、１４ フレーム、１６ 導線、１８ インバータ、２０ 固定軸、３０ らせん翼、３２ 中空軸、３４，３５，３６ 軸受、３７，３８ 蓋部材、４０ 発電機、４２ ロータ、４４ ステータ、５０ 変速機、５１，５２ 遊星歯車、５１Ｃ，５２Ｃ キャリア、５１Ｓ，５２Ｓ サンギヤ、５１Ｒ，５２Ｒ リングギヤ。

Claims (5)

1. らせん翼と、
   内部に発電機が設けられ、外周に前記らせん翼が設けられ、上流から下流に向かう水流によって回転し、前記らせん翼が設けられた部位において、下流ほど直径が減少するように形成された中空軸とを備える、らせん水車。
2. 前記中空軸は、前記らせん翼の１ピッチ以上の部位において、直径が減少するように形成される、請求項１に記載のらせん水車。
3. 前記中空軸は、前記発電機よりも下流の部位において、直径が減少するように形成される、請求項１に記載のらせん水車。
4. 前記中空軸の直径は、段階的に減少する、請求項１〜３のいずれかに記載のらせん水車。
5. 前記中空軸の直径は、連続的に減少する、請求項１〜３のいずれかに記載のらせん水車。

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