JP6077295B2 - 動力変換機 - Google Patents

Description

この発明は、流水の力を回転力に変換して発電機などを駆動させる動力変換機に関し、係留式水力発電装置に好適に利用されうる。

水力発電は、水資源の豊富な我が国において無限に近い国産エネルギーを生み出すもので、騒音や有害な廃棄物を出すこともないなど、多くの利点を有している。このうち、河川や用水路に係留した状態で発電する水力発電措置は、設置のために大がかりな土木工事を要せず、水位の変化にも自然に対応することから、種々提案されている。

提案されている係留式水力発電装置の多くは、流水の力を回転力に変換するタービン（羽根車）の回転軸が水の流れに対して直交しているものである（特許文献１−３）。一方、回転軸が水の流れに平行して設けられ、複数の羽根が放射状に取り付けられた羽根車を軸方向に複数連結したものも提案されている（特許文献４）。

特開平１１−２０８５７６号公報 特開２０００−６４９３９号公報 特開２００３−２８６９３５号公報 特開２０１２−１３２３８６号公報

しかし、特許文献１−３に開示されたものは、タービンが単一であるから、回転トルクが小さくエネルギー変換効率に乏しい。一方、特許文献４に開示されたものは、回転軸を完全に水没させた状態で稼働させるので、軸と軸受けとの間に水が浸入してきて壊れやすいし、羽根が肉厚であるので加工コストが高い。
それ故、この発明の課題は、エネルギー変換効率及び耐久性に優れた係留式動力変換機を安価に提供することにある。

その課題を解決するために、この発明の動力変換機は、
自身に作用する浮力によって水面に浮くことができ係留可能な船体と、回転軸と、１又は２以上のタービンとを備える動力変換機において、
前記回転軸が、前記船体が係留状態にあるときに水の流れに平行し且つ水上に位置するように船体に固定されており、
前記タービンが、板材からなる前ホイル、後ホイル及び複数の羽根を備え、
前ホイル及び後ホイルが各々、回転軸の周囲から径方向に広がるボス、及び前記羽根と同数でボスから放射状ないしマルチスパイラル状に延びるアームを有するとともに、相対的に上流側及び下流側で互いに対向するよう前記ボスを介して前記回転軸に取り付けられており、
各羽根の第一の主面が第一の端部付近で前ホイルのいずれかのアームに、第二の主面が第二の端部付近で後ホイルのいずれかのアームに支持され且つ固定されており、
前記船体を流水上に浮かせたとき、前記回転軸より下位にある羽根が水没することを特徴とする。

この発明の動力変換機によれば、前記船体を流水上で係留させると、回転軸より下位にある羽根が水没する。水没した羽根は、流水の圧力を受けて旋回しながら水を後方に送る。通過した流水は、タービンが複数設置されている場合、後続のタービン羽根の旋回に再び寄与する。回転軸は水上にあるので、軸受けやその周辺に流水が浸入してくることはない。また、羽根及び両ホイルがいずれも板材からなるので、加工しやすい。前後のホイルのアームで羽根が支持され固定されているので、前後のホイルのアームと羽根とが互いに補強し合う関係となる。そのため、いずれも板材からなるにもかかわらず、流水中で形状を維持するのに十分な強度を有する。前ホイル、後ホイル及び羽根の材質は、同種でも異種でもよい。

前記各羽根は、好ましくは回転軸に対して３０〜６０度、特に好ましくは４５度の角度をなしている。羽根がこの範囲の角度をなしているときに、水の力が高い効率で回転力に変換されるからである。羽根をこのように傾け且つ必要な機械的強度をもたせるために、適切な羽根とホイルの組み合わせは、前ホイルの各アームが先端部で時計方向に曲がった鉤形をなし且つ下流側に山折りされ、後ホイルの各アームが先端部で反時計方向に曲がった鉤形をなし且つ上流側に谷折りされ、前記各羽根の支持及び固定がこれらの先端部にてなされているものである。

前記各羽根としては、直線状の３辺と円弧状の１辺とで囲まれる方形をなし、回転軸方向から見たとき、前記円弧状の１辺が回転軸を中心とする円周線と重なる形状のものが好ましい。ほぼ方形をなしているので、板材をほとんど余すところ無く有効に利用することができるし、円弧状の１辺が外側に位置するように取り付けることで、少ない抵抗で羽根を旋回させることができるからである。

羽根が前記のように円弧状の１辺を有する場合、前記船体が、回転軸に垂直な断面視で、前記円周線と同心で、前記円周線の下半部と微小な間隙を介して対向する半円状の樋を有するのが好ましい。これにより羽根が水中にある障害物と衝突するのを避けることができるからである。
このように樋を設けるために適切な船体は、前記浮力を生じさせるために内部に空間を有する２以上のフロートと、フロート同士を間隔を開けて互いに連結するとともに前記回転軸を固定するフレームとを有するものである。この場合、樋はフロート及びフレームのどちらに支持されても良く、いずれにしても２つのフロートの間に設置することで全体のバランスを保ちやすくなる。

前記樋を有する船体においては樋内に流水を案内する取水ガイドを更に有するとよい。好ましい取水ガイドは、前記樋に連なるとともに、樋から遠ざかるにつれて漸増する幅を有するものである。広幅の取水口から流入した水の流速が、幅の漸減に伴って増速され、タービンの回転トルクを増すからである。

前記フロートは、その内部空間が複数のタンクに仕切られており、各タンクに個別にバラスト水を注入可能であるとよい。バラスト水を各タンクに個別に注入することで、喫水線を望ましい位置にすることができるとともに、全体のバランスもとりやすくなるからである。

この発明の動力変換機によれば、回転軸が水上にあって、軸受けやその周辺に流水が浸入してくることはないので耐久性に優れている。また、羽根及び両ホイルがいずれも板材からなっていて加工しやすいので、製作コストが低くて済む。そして、１つの回転軸にタービンを複数設置することができるので、個々のタービンが小さくても大きな回転力を得ることができる。

実施形態の動力変換機と発電機とを組み合わせた水力発電装置の斜視図である。 実施形態の動力変換機に用いられるタービンの斜視図である。 上記水力発電装置の正面図である。 同じく右側面図である。 同じく上記水力発電装置の天板を取り外した状態の平面図である。 上記水力発電装置の使用状態を示す正面図である。

図に示すように、この実施形態の水力発電装置１は、船体２と、回転軸３と、４つのタービン４と、発電機５とを備え、流水の勢いによってタービン４が回転し、その回転運動を回転軸３に掛けられたタイミングベルト５ａ、及び増速ユニット５ｂを介して発電機５に伝達し、発電するものである。
船体２は、平面視で先端部がテーパになっている他は細長い中空直方体状の一対のフロート６、６と、これらのフロート６、６を間隔を開けて連結するとともに回転軸３その他の構成要素を搭載するフレーム７と、半割円筒状の樋８と、取水ガイド９とからなる。

フロート６の内部は、４つのタンクに液密に仕切られていて、図略の注水口より個別に注水可能にされている。フロート６の先端面及び後端面には、係留ロープを留めるフック６ａが取り付けられており、河川、水路、下水道などにて係留されている状態ではフロート６、６に作用する浮力によって装置１全体が水面に浮くと共に流水は両フロート６、６間を通過する。フロート６の下面には、安定性を増すための板状のヒレ６ｂが長寸方向に設けられている。

フレーム７は、フロート６、６の側面にそれぞれ固定された２本の側ビーム（符号省略）と、これらのビームの前端、中央及び後端を連結する３本の連結ビーム７ａ、７ｂ、７ｃと、これらの５本組のビーム群の４隅に立てられた４本のマスト（符号省略）と、これらの４本のマストの上端を連結する４本のビーム（符号省略）と、上面全体を覆う天板（符号省略）とからなる。増速ユニット５ｂ及び発電機５は、天板上に搭載されている。

回転軸３は、前記３本の連結ビーム上の中間位置に搭載され固定されている。４つのタービン４は、２つが連結ビーム７ａ、７ｂ間に、残り２つが連結ビーム７ｂ、７ｃ間に位置するように回転軸３に縦列に取り付けられている。各タービン４は、いずれもＳＵＳ３０４鋼板製の前ホイル４１、後ホイル４２及び８枚の羽根４３からなる。前ホイル４１と後ホイル４２は、同形同大で一方が他方を反転した配置になっている。ホイル４１は、回転軸３の周囲から径方向に広がるボス４１ａ、及びボス４１ａから延びる８本のアーム４１ｂを有する。アーム４１ｂは、８本全体としては正面視で中心から遠ざかるにつれて時計方向に変位するマルチスパイラル状をなしている。

各アーム４１ｂを個別に見ると、中心を通過しない直線に沿ってボス４１ａから離れ、続いて円弧を描きながら直角方向に曲がって再び直線状に延びる鉤形をなしている。そして、直角方向に曲がって再び直線状に延び始める位置にて前ホイル４１のアームは４５度に山折り、後ホイル４２のアームは４５度に谷折りされることにより、羽根４３を固定するための先端部を形成している。

山折りされた先端部と対応する谷折りされた先端部とは、板厚分だけ厚み方向にずれている他は同一平面上にあり、一方の先端部と羽根４３の第一の主面とが２個所でボルト締めされ、他方の先端部と羽根４３の第二の主面とが２個所でボルト締めされることにより、羽根４３が前後から挟み持ちされて安定して４５度の配置をとっている。羽根４３は、直線状の３辺と円弧状の１辺とで囲まれる方形をなし、円弧状の１辺と対向する直線状の辺に沿って前記ボルト締めされていて、回転軸方向から見たとき、前記円弧状の１辺が回転軸３を中心とする円周線と重なるように加工されている。この円周線は、次に述べる樋８の内周面と微小間隙を介して対向する。

樋８は、フロート６、６の間で前記連結ビームに固定されており、正面視手前の開口が流水の入口、後端の開口が出口となっている。取水ガイド９は、樋８の入口に連ねて取り付けられており、上面が前方に向かうにつれて下降するとともにフロート６、６の先端部内側面に倣って広がる形状を有している。

水力発電装置１を使用するときは、係留状態でフロート６、６のタンクにバラスト水を注入し、回転軸３が水面と平行になり且ついずれの位相にあるアーム４１ｂも水没することなく最下位にある羽根４３の水没面積が最大となるように各タンクの注水量を調整するすると、水没した羽根４３は、流水の圧力を受けて旋回しながら水を後方に送る。

羽根４３が回転軸３に対して４５度に傾いているので、水の力があまり無駄になることなく回転力に変換される。また、羽根４３が８枚取り付けられているので、１つの羽根４３が水面から脱する際には、後続の羽根４３の水没面積が最大に達しており、更にその後の羽根４３が水に浸かり始める。このため、いずれかの羽根４３が連続して水の力を受けることができ、しかも通過した流水は、後続のタービン羽根の旋回に再び寄与するので、強い回転力を生じる。

そして、取水ガイド９によって広範囲から集められた流水が樋８内に収束するので、流速が増し、一層強い回転力を生じる。例えば図６に示すハッチング部分が樋８内に流入した水の断面、樋８の半径を３５ｃｍとすると、ハッチング部分の円弧に対応する中心角は約９０度であるから、ハッチング部分の面積は｛（３５×３５×π／４）−（３５×３５／２）｝＝３５０ｃｍ²となる。一方、取水ガイド９の入口の最大幅は１００ｃｍ、取水ガイド９の先端部の深さは１２．８ｃｍとなり、取水ガイド９の入口にあって桶８内集められようとする水の断面積は、１２．８×１００＝１２８０ｃｍ²となり、取水ガイド９を通過する間に流速が１２８０／３５０＝３．６５倍に増すこととなる。

水力発電装置１においては回転軸３は水上にあるので、軸受けやその周辺に流水が浸入してくることはない。また、羽根４３及び両ホイル４１、４２がいずれも板材からなるので、加工しやすい。このようにタービン４は、全体が板材からなるにもかかわらず、前後のホイルのアーム４１、４２と羽根４３とが互いに補強し合う構造をとっているので、流水中で形状を維持するのに十分な強度を有する。尚、フック６ａが前後に設けられているので、１個所の係留位置から複数の水力発電装置１を水の流れ方向に連結して使用することも可能である。

１ 水力発電装置
２ 船体
３ 回転軸
４ タービン
４１、４２ ホイル
４３ 羽根
５ 発電機
６ フロート
７ フレーム
８ 樋
９ 取水ガイド

Claims (9)

1. 自身に作用する浮力によって水面に浮くことができ係留可能な船体と、回転軸と、１又は２以上のタービンとを備える動力変換機において、
   前記回転軸が、前記船体が係留状態にあるときに水の流れに平行し且つ水上に位置するように船体に固定されており、
   前記タービンが、板材からなる前ホイル、後ホイル及び複数の羽根を備え、
   前ホイル及び後ホイルが各々、回転軸の周囲から径方向に広がるボス、及び前記羽根と同数でボスから放射状ないしマルチスパイラル状に延びるアームを有するとともに、相対的に上流側及び下流側で互いに対向するよう前記ボスを介して前記回転軸に取り付けられており、
   各羽根の第一の主面が第一の端部付近で前ホイルのいずれかのアームに、第二の主面が第二の端部付近で後ホイルのいずれかのアームに支持され且つ固定されており、
   前記船体を流水上に浮かせたとき、前記回転軸より下位にある羽根が水没することを特徴とする動力変換機。
2. 前記各羽根が回転軸に対して３０〜６０度の角度をなしている請求項１に記載の動力変換機。
3. 前記前ホイルの各アームが先端部で時計方向に曲がった鉤形をなし且つ下流側に山折りされ、後ホイルの各アームが先端部で反時計方向に曲がった鉤形をなし且つ上流側に谷折りされており、前記各羽根の支持及び固定がこれらの先端部にてなされている請求項１に記載の動力変換機。
4. 前記各羽根が直線状の３辺と円弧状の１辺とで囲まれる方形をなし、回転軸方向から見たとき、前記円弧状の１辺が回転軸を中心とする円周線と重なる請求項１に記載の動力変換機。
5. 前記船体が、回転軸に垂直な断面視で、前記円周線と同心で、前記円周線の下半部と微小な間隙を介して対向する半円状の樋を有する請求項４に記載の動力変換機。
6. 前記船体が、前記浮力を生じさせるために内部に空間を有する２以上のフロートと、フロート同士を間隔を開けて互いに連結するとともに前記回転軸を固定するフレームとを有し、前記樋が２つのフロートの間に設置されている請求項５に記載の動力変換機。
7. 前記船体が、前記樋内に流水を案内する取水ガイドを更に有し、取水ガイドが前記樋に連なるとともに、樋から遠ざかるにつれて漸増する幅を有する請求項５又は６に記載の動力変換機。
8. 前記フロートは、その内部空間が複数のタンクに仕切られており、各タンクに個別にバラスト水を注入可能である請求項６の動力変換機。
9. 請求項１−８のいずれかに記載の動力変換機と発電機とを組み合わせた水力発電装置。

Images