JP6158019B2

JP6158019B2 - 軸流水車発電装置

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Publication number: JP6158019B2
Application number: JP2013201117A
Authority: JP
Inventors: 久保　幸一; 幸一久保; 一幸中村; 中村　高紀; 高紀中村; 典男大竹; 安雄加幡
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2013-09-27
Filing date: 2013-09-27
Publication date: 2017-07-05
Anticipated expiration: 2033-09-27
Also published as: JP2015068197A

Description

本発明は翼効率の損失を極力抑えた軸流水車発電用に関する。

近年、発電時に温室効果ガスを排出しないクリーンなエネルギ源として、風力発電や水流発電をはじめとするさまざまな発電手法が提案されている。黒潮等に代表される海流のエネルギを利用する海流発電もそれらの中のひとつであり、積極的に研究開発がなされている。海流発電に用いられる軸流水車発電装置の発電出力は、水の運動エネルギを回転エネルギに変換するランナの軸端出力と変換効率の積で表される。軸端出力は次式で表され、高翼効率で直径の大きい翼を採用すると大出力が得られる。
軸端出力＝（１／２）×密度×（流速）^３×翼効率×π×(翼直径／２)^２

翼効率には、ベッツ限界と呼ばれる理論限界（１６／２７＝０．５９２５）が存在する。実際には、（１）翼後流による損失（２）翼断面の抵抗による損失（３）翼端渦による損失によって、翼効率は０．５程度となる。

（１）〜（３）のうち、（１）翼後流による損失は、角運動量保存則より、回転トルクを小さくする（回転速度を速くする）ことで抑制することができる。一方、（２）翼断面の抵抗による損失は、回転速度が速くなると、翼に作用する抗力が大きくなり、大きくなる傾向となる。このように、（１）及び（２）は相反するため、両立させることが難しい。しかし、（３）については、翼先端、後縁の形状に着目することで低減させることができる。そのため、風車翼では、翼端形状を変更して翼効率損失を低減する方法や、ウイングレットを装着して翼効率損失を低減する方法が提案されている。

特開２０１２−９２６６０号公報特開２０１２−１８０７７０号公報

しかしながら、作動流体が水と空気では物性が大幅に異なることに加えて、運転状況も全く異なるために、これら風車での翼効率損失の低減策が海流発電に直接適用できない。
本発明の解決しようとする課題は、ランナにおける翼効率損失を極力抑えることで発電効率を向上させる軸流水車発電装置を提供することである。

実施形態に係る軸流水車発電装置は、発電機と、水流の運動エネルギを回転エネルギに変換して前記発電機の駆動力を発生させるランナを備えるタービン翼と、前記ランナの発生した駆動力を前記発電機に伝達する回転軸とを備え、前記ランナは、翼弦長が翼素運動量理論により求められる前記タービン翼の回転中心から各半径位置での翼弦長の最適値となるように構成された第１の翼領域と、前記第１の翼領域よりも翼先端側に位置し、翼弦長が翼素運動量理論により求められる前記タービン翼の回転中心から各半径位置での翼弦長の最適値よりも小さくなるように構成された第２の翼領域とからなり、前記第２の翼領域の開始位置は、前記タービン翼の回転中心から前記ランナの翼先端までの距離Ｒに対して、０．７５Ｒ〜０．９０Ｒの範囲にあることを特徴とする。

第１の実施の形態に係る軸流水車発電装置の概略構成図である。第１の実施の形態に係る軸流水車発電装置の構造を示す概略構成図である。第１の実施の形態のランナを概略的に示す平面図である。図３のランナにおけるＡ−Ａ断面図である。従来のランナを概略的に示す平面図である。第２の実施の形態のランナを概略的に示す平面図である。第３の実施の形態のランナを概略的に示す平面図である。第４の実施の形態のランナを概略的に示す平面図である。図８のランナにおけるＡ−Ａ断面図である。第５の実施の形態のランナを概略的に示す平面図である。第６の実施の形態のランナを概略的に示す平面図である。第６の実施の形態のランナを概略的に示す側面図である。第６の実施の形態の整流板の一例を概略的に示す斜視図である。第７の実施の形態のランナを概略的に示す正面図である。第７の実施の形態のランナを概略的に示す側面図である。

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。各図において、共通する機能を有する構成要素には同一の符号を付して示し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態の軸流水車発電装置１０，２０を示す概略構成図である。本実施形態の軸流水車発電装置１０，２０は海中１４に設置されるプロペラ型の海流発電（又は潮流発電）システムであり、図１に示すように例えば一対で用いられる。軸流水車発電装置１０，２０は、連結部材１１によって互いが連結されており、さらに係留ロープ１２を介して例えば水深２００ｍを超える海底１３にアンカ（係留）されている。

図２は、第１の実施の形態の軸流水車発電装置１０，２０の構造を示す概略的構成図である。図２に示すように、一対の軸流水車発電装置１０，２０は、それぞれ内筒２と、複数のランナ３と、ランナ３を支持するボス４とを備えている。内筒２、ランナ３及びボス４は、海水に対しての耐腐食性の高い材料や、耐腐食性の高い塗料をコーティングした材料を用いて構成されている。

内筒２は、水密構造を有している。図２に示すように、内筒２の内部には、回転軸６に連設された発電機５や変速機構６ｂなどが内蔵（収容）されている。また、内筒２は、所定の浮力を有している。ここで、一対の軸流水車装置１０、２０の各々が備えるランナ３が逆方向に回転するとともに同等の推力を発生させる。そのため、軸流水車装置１０，２０の互いの相対位置はほとんど変わらず維持される。

図２に示すように、ボス４は、ランナ３の基端部側を支持する支持部としての機能を有する。また、ボス４は、内筒２と同様に水密構造を有しており、ボス４の中心には回転軸６が貫設されている。回転軸６の一端部側は、内筒２内の変速機構６ｂに連結され、回転軸６の他端部側は、ハブ６ａを介してボス４本体に固定されている。つまり、ランナ３は、その基端部側がボス４（ハブ６ａ）を介して回転軸６に一体的に固定されており、水流を受けると回転軸６（ボス４）と共に一体となって回転する。

回転軸６の動力（駆動力）は、内筒２内の発電機５に伝達される。具体的には、回転軸６の回転は、変速機構６ｂによって減速又は増速され、変速機構６ｂと発電機５との間の伝達軸６ｃを介して発電機５側に伝達される。

ランナ３は、水平軸揚力型のランナであり、軸流水車発電装置１０、２０ごとに例えば２つ又は３つずつ設けられている。例えばランナ３が３つの場合、個々のランナ３は、それぞれの基端部側がボス４（回転軸６）の軸まわりに１２０°の間隔をおいて各々固定され、タービン翼を構成している。また、回転軸６が一定の方向に回転する回転力をランナ３のそれぞれから得られるように、個々のランナ３は、圧力面（正圧面）及び負圧面のそれぞれが一定の向きにそろう形状に形成されている。

タービン翼においてランナ３は、図２に示すように、水流（海流）Ｆ１から得た運動エネルギを回転エネルギに変換する。一方、ランナ３と共に一体となって回転する回転軸６は、変換された回転エネルギを、変速機構６ｂ、伝達軸６ｃを介して内筒２内の発電機５に伝達し、発電機５は、この回転エネルギを用いて発電を行う。

次に、ランナ３の特徴的構成について図３及び図４を参照して説明する。図３は、第１の実施の形態のランナ３を概略的に示す平面図であり、図４は、図３に示すランナ３のＡ−Ａ断面図である。図３に示す第１の実施の形態のランナ３は、タービン翼の回転中心３０を始点として、翼先端３１までの距離がＲである。ランナ３は、図４に示すように、翼断面形状が流線形に構成されている。図４に示すランナにおいて、符号３２は前縁、符号３３は後縁を示し、符号３４は負圧面、符号３５は圧力面を示す。なお、ランナ３は、図４では中実状の構造として示すが、重量を低減するために、中空状に構成されていてもよい。

第１の実施の形態のランナ３は、翼基端部（翼根元）側に位置し、タービン翼の回転中心３０から半径位置ｒでの翼弦長Ｃ_１（ｒ）が翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値となるように構成された第１の翼領域３ａと、第１の翼領域よりも翼先端３１側に位置し、翼弦長Ｃ_２（ｒ）が翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値よりも小さくなるように構成された第２の翼領域３ｂとからなる。ランナ３は、第１の翼領域では翼基端部側から翼先端３１に向かうにつれてＣ_１（ｒ）が略一定の減少率ｄＣ_１（ｒ）／ｄｒで減少し、第２の翼領域３ｂの開始位置Ｒ１から翼弦長の減少率ｄＣ_２（ｒ）／ｄｒがｄＣ_１（ｒ）／ｄｒよりも大きくなり、Ｃ_２（ｒ）が略一定のｄＣ_２（ｒ）／ｄｒで減少する形に構成されている。

ここで、比較のために図５を参照して従来のランナ３０７について説明する。図５は、従来のランナ３０７を概略的に示す平面図である。図５に示す従来のランナ３０７は、翼断面が流線形に形成されている。また、ランナ３０７の各半径位置ｒでの翼弦長Ｃ（ｒ）は、翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値となるように構成され、その翼基端部側から翼先端３１に向かうにつれて翼弦長が略一定の減少率で減少する形状となっている。

ランナ３０７で構成されるタービン翼における翼効率損失の要因として、翼端渦の発生がある。翼先端３１近傍では、負圧面３４と圧力面３５の圧力差によって圧力面３５側から負圧面３４側へ巻き込む流れ（吹き下ろし）が生じ、これにより翼端渦が発生する。この翼端渦がランナ３０７近傍での水流（海流）Ｆ１の流れ方向を局所的に変化させることで誘導抵抗が発生して翼効率損失となる。また、翼先端３１付近の後縁３３からその後方に発生するカルマン渦も翼効率損失の要因であり、さらにカルマン渦と翼端渦との相互干渉が翼効率損失を増大させる。

これに対し、図３に示す第１の実施の形態のランナ３においては、第１の翼領域３ａでは翼弦長の最適値を保つことで、第１の翼領域３ａにおける翼効率を保つとともに、第２の翼領域３ｂにおいて翼弦長の最適値よりもＣ_２（ｒ）を小さくすることで翼素が発生する揚力を小さくして翼負荷を低減する。翼負荷は圧力面３５と負圧面３４の圧力差と等しいので、翼端渦の発生が抑えられる。

回転中心３０から第２の翼領域３ｂの開始位置までの距離Ｒ１は、Ｒ１／Ｒが０．７５〜０．９の範囲にあることが好ましく、０．８５〜０．９の範囲にあることが好ましい。これにより第１の翼領域３ａにおける翼効率を保ちつつ、翼端渦の発生による翼効率損失を低減することができる。

また、ランナ３は、第２の翼領域３ｂにおける前縁３２及び後縁３３が先端に向けて段階的に折れ曲がった折れ線状又は翼先端３１に向けてすぼんだ曲線状に構成され、ｄＣ_２（ｒ）／ｄｒが、第２の翼領域３ｂの開始位置Ｒ１から翼先端３１側に向けて段階的に又は徐々に大きくなるよう構成されることが好ましい。これにより、第２の翼領域３ｂにおける翼素が発生する揚力が極めて小さくされるので、翼端渦の発生がさらに抑制される。

このように、第１の実施の形態の軸流水車発電装置１０，２０では、ランナ３における翼端渦の発生を抑制することで翼効率損失が低減される。さらに、翼端渦の発生が抑えられることで、翼端渦とカルマン渦の相互干渉が抑えられ、翼効率損失がより抑えられる。したがって、軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることができる。

次に、第２〜第７の実施の形態に係る軸流水車発電装置についてそれぞれ図面を参照して説明する。第２〜第７の実施の形態に係る軸流水車発電装置は、第１の実施の形態の軸流水車発電装置１０，２０において、ランナ３の形状が異なる以外は第１の実施の形態の軸流水車発電装置１０，２０と同様である。したがって、各々の実施の形態におけるランナについてそれぞれ詳細に説明し、その他の構成については第１の実施の形態と同様であるので重複する説明を省略する。また、ランナに関しても、第１の実施の形態の構成部分と同一の構成部分については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

（第２の実施の形態）
図６を参照して第２の実施の形態のランナ３０１について説明する。図６は第２の実施の形態のランナ３０１の概略構成図である。図６に示すランナ３０１は、第２の翼領域３ｂにおいて、後縁３３が全ての半径位置で直線的に接続されて形成されるとともに前縁３２が後縁３３に近づくことで、翼弦長Ｃ_２（ｒ）が翼先端３１に向けて減少するよう構成されている。すなわち、ランナ３０１は、その平面形状が第２の翼領域３ｂの開始位置Ｒ２から翼先端３１に向かって、後縁３３が略直線状であり、前縁３２が翼の内側に中心を持つ円又は楕円の弧を描く形状として形成されている。ランナ３０１において、タービン翼の回転中心３０から第２の翼領域３ｂの開始位置までの距離Ｒ２は、第１の実施の形態におけるＲ１よりも大きいことが好ましく、Ｒ２／Ｒは０．８５〜０．９の範囲であることがより好ましい。これにより第１の翼領域３ａにおける翼効率を保ちつつ、翼端渦の発生による翼効率損失を低減することができる。

第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、Ｃ_２（ｒ）が各半径位置ｒにおける翼弦長の最適値よりも小さくされていることで翼端渦の発生が抑制される。また、ランナ３０１はその翼断面形状が、後縁３３側が鋭角に尖った形状となっているため、ランナ３０１の第２の翼領域３ｂにおいて、前縁３２が後縁３３に近づくように形成されることで、後縁３３側の翼断面形状がそのまま維持され、成形性を向上させる。

（第３の実施の形態）
次に、図７を参照して第３の実施の形態のランナ３０２について説明する。図７は第３の実施の形態のランナ３０２の概略構成図である。図７に示すランナ３０２は、第２の翼領域３ｂにおいて、前縁３２が全ての半径位置で直線的に接続されて形成されるとともに後縁３３が前縁３２に近づくことでＣ_２（ｒ）が翼先端３１に向けて減少するよう構成されている。すなわち、ランナ３０２は、その平面形状が第２の翼領域３ｂの開始位置Ｒ３から、翼先端３１に向けて、前縁３２が略直線状であり、後縁３３が翼の内側に中心を持つ円又は楕円の弧を描く形状として形成されている。ランナ３０２において、タービン翼の回転中心３０から第２の翼領域３ｂの開始位置までの距離Ｒ３は、第１の実施の形態におけるＲ１と同等の大きさ又はＲ１より大きくすることができ、Ｒ３／Ｒは０．８５〜０．９の範囲であることがより好ましい。これにより第１の翼領域３ａにおける翼効率を保ちつつ、翼端渦の発生による翼効率損失を低減することができる。

第３の実施の形態のランナ３０２は、第１の実施の形態と同様に、第２の翼領域３ｂでのＣ_２（ｒ）が翼素運動量理論により求められる翼弦長の最適値よりも小さくされている。そのため、ランナ３０２の翼先端３１近傍における翼端渦の発生が抑制される。さらに、ランナ３０２は、後縁３３が前縁３２に近づく形で構成されているため、翼端渦の発生中心が水流の上流側へ遠ざけられる。そのため、翼端渦の発生中心と、カルマン渦の発生中心が遠ざけられ、翼端渦とカルマン渦との相互干渉が抑えられる。したがって、翼効率損失を大幅に低減することが可能である。したがって本実施形態によれば、軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図８及び図９を参照して第４の実施の形態のランナ３０３について説明する。図８は、第４の実施の形態のランナ３０３を概略的に示す平面図である。図９は、図８に示すランナ３０３の任意の半径位置ｒにおけるＡ−Ａ断面図である。

図８に示すランナ３０３は、タービン翼の回転中心３０から翼先端３１までの距離がＲであり、翼断面形状が流線形に構成されている。ランナ３０３のタービン翼の回転中心３０から各半径位置ｒでの翼弦長Ｃ（ｒ）は、翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値となるように構成され、その翼基端部側から翼先端３１に向かうにつれて翼弦長Ｃ（ｒ）が略一定の減少率で減少する形状となっている。ランナ３０３は、図９では中実状の構造として示すが、重量を低減するために、中空状に構成されていてもよい。

図９に示すように、本実施形態のランナ３０３は、各半径位置ｒにおける翼素の後縁３３側が非対称なエッジ形状とされている。ランナ３０３において、エッジ形状は、ランナ３０３の翼先端３１近傍における渦の発生を抑制する渦抑制構造として機能する。当該エッジ形状は、ランナ３０３の後縁３３側を負圧面３４が圧力面３５より長くなるようにして形成された翼端面のエッジ面３６を備えている。エッジ面３６は、エッジ面３６及び負圧面３４との交点における負圧面３４の接線ｔとエッジ面３６とが鋭角をなすように形成されている。ランナ３０３において、エッジ面３６は、ランナ３０３のタービン翼の全半径位置に形成されていてもよく、一部の半径位置に形成されていてもよい。カルマン渦と翼端渦の干渉を抑えるために、エッジ面３６は、タービン翼の回転中心からの距離Ｒ４が、Ｒ４／Ｒが０．３〜１．０となる範囲に形成されていることが好ましい。エッジ面３６は、カルマン渦の発生を抑える点から、接線ｔとエッジ面３６とのなす角α＝３０〜６０°となるように形成されることが好ましい。

本実施形態のランナ３０３では、後縁３３が非対称なエッジ形状であることで、後縁３３からのカルマン渦の発生が抑えられ、カルマン渦による翼効率損失が抑えられる。さらに、カルマン渦の発生が抑えられることでカルマン渦と翼端渦との相互干渉による翼効率損失が低減される効果もある。

なお、ランナ３０３の平面形状は第１〜３の実施の形態と同様の構成としてもよく、これにより、翼効率損失を大幅に低減することができる。したがって本実施形態によれば、軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることが可能である。

(第５の実施の形態)
次に、図１０を参照して第５の実施の形態のランナ３０４について説明する。図１０は第５の実施の形態に係るランナ３０４を概略的に示す平面図である。図１０に示すランナ３０４は、タービン翼の回転中心３０から翼先端３１までの距離がＲであり、翼断面形状が流線形に構成されている。ランナ３０４のタービン翼の回転中心３０から各半径位置ｒでの翼弦長Ｃ（ｒ）は、翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値となるように構成され、その翼基端部から翼先端３１に向かうにつれて翼弦長Ｃ（ｒ）が略一定の減少率で減少する形状となっている。また、ランナ３０４は、翼先端３１付近に曲がり部３７を有している。曲がり部３７は、ランナ３０４の翼先端３１近傍における渦の発生を抑制する渦抑制構造として機能する。

曲がり部３７は、例えば従来のランナ３０７の翼先端３１近傍を水流上流方向へ曲成することで形成される。回転中心３０から曲がり部３７の開始位置までの距離Ｒ５は、Ｒ５／Ｒが０．７５〜０．９の範囲にあることが好ましく、０．８５〜０．９の範囲にあることがより好ましい。これにより、吹き下ろしを抑制することができるため、タービン翼の発電効率を向上させることができる。また、曲がり部３７における翼弦長は曲がり部３７の開始位置から翼先端３１まで略一定であってもよく、減少していてもよい。

また、翼端渦の発生を抑える観点から、曲がり角β＝５〜４０°であることが好ましい。ここで、曲がり角βとは、翼基端部の断面における翼弦線の中心及び曲がり部３７の開始位置の断面における翼弦線の中心とを結ぶ線と、曲がり部３７の開始位置の断面における翼弦線の中心及び翼先端３１の断面における翼弦線の中心とを結ぶ線のなす角のうち鋭角の方を指す。

第５の実施の形態のランナ３０４は、曲がり部３７を有することで、翼端渦の発生位置を水流の上流側へ遠ざけることができる。したがって、翼端渦とカルマン渦との相互干渉が抑制され、翼効率損失が低減される。また、曲がり部３７が吹き下ろしを抑止するので、吹き下ろしによる誘導抵抗の発生が抑えられ、翼効率損失が低減される。

なお、ランナ３０４の平面形状は第１〜３の実施の形態と同様の構成としてもよく、これにより、翼効率損失を大幅に低減することが可能である。したがって本実施形態によれば、軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることが可能である。

（第６の実施の形態）
次に図１１及び図１２を参照して第６の実施の形態のランナ３０５について説明する。図１１は、第６の実施の形態のランナ３０５を概略的に示す平面図である。図１２は、図１１に示すランナ３０５を概略的に示す側面図である。

第６の実施の形態に係るランナ３０５は、タービン翼の回転中心３０から翼先端３１までの距離がＲであり、翼断面形状が流線形に構成されている。ランナ３０５のタービン翼の回転中心３０から各半径位置ｒでの翼弦長Ｃ（ｒ）は、翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値となるように構成され、その翼基端部から翼先端３１に向かうにつれて翼弦長Ｃ（ｒ）が略一定の減少率で減少する形状となっている。

第６の実施の形態に係るランナ３０５は、翼先端３１に吹き下ろしを抑制する整流板３８を備えている。整流板３８は、ランナ３０５の翼先端３１近傍における渦の発生を抑制する渦抑制構造として機能する。整流板３８は、適切な厚みを有する板状や翼形状などの形状であり、ランナ３０５の翼端面の外側から翼先端３１に接合されている。整流板３８は、負圧面３４側及び圧力面３５側、前縁３２側及び後縁３３側に所定の長さで突き出して設けられている。また、例えば、整流板３８は、ランナ３０５と整流板３８との接合位置における整流板３８の板面がランナ３０５の翼基端及び翼先端３１の断面におけるそれぞれの翼弦線の中心同士を結んだ線と略直交するように設けられている。整流板３８は、例えばランナ３０５を構成する材料と同じ材料で形成される。

図１３は本実施形態における整流板３８の一例を概略的に示す斜視図である。整流板３８の形状は特に限定されないが、整流板３８における抗力の発生を抑えるため、図１３に示すように断面形状が例えば流線形を有する翼型形状であることが好ましい。この場合、整流板３８は、ランナ３０５の回転方向に前縁３８１が位置するように設けられる。また、整流板３８の後縁３８２付近は、カルマン渦の発生を抑制するために、負圧面３８４側が圧力面３８５側より長い非対称なエッジ形状とされていることが好ましい。整流板３８の大きさとしては、吹き下ろしを抑えられる大きさであれば特に限定されないが、翼幅線３８３の長さを、ランナ３０５の最大翼厚の２〜４倍とすることが好ましい。これにより、吹き下ろしを抑制することができるため、タービン翼の発電効率を向上させることができる。なお、翼幅線３８３は、整流板３８の両翼端の断面における翼弦線の中心同士を結んだ線として定義される。また、整流板３８は、翼幅線３８３の中心が、ランナ３０５の翼基端及び翼先端３１のそれぞれの断面における翼弦線の中心同士を結んだ線の延長上に位置するように設けられることが好ましい。なお、整流板３８の厚み及び翼弦長は、所望の翼効率に応じて適宜設計することができる。

本実施形態のランナ３０５においては、整流板３８により吹き下ろしが抑制される。そのため吹き下ろしによる誘導抵抗の発生が抑えられ、翼効率損失が低減される。さらに、整流板３８が圧力面３５側にも設けられているので、翼端渦の発生位置が水流上流側へ遠ざけられる。そのため、翼端渦とカルマン渦の相互干渉に因る翼効率損失が抑えられる。

なお、ランナ３０５の平面形状は第１〜３の実施の形態と同様の構成としてもよく、これにより、翼効率損失を大幅に低減することが可能である。したがって本実施形態によれば、軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることが可能である。

（第７の実施の形態）
次に、図１４及び図１５を参照して第７の実施の形態に係るランナ３０６について説明する。

図１４は第７の実施の形態に係るランナ３０６を概略的に示す平面図である。図１５は、図１４に示すランナ３０６を概略的に示す側面図である。なお、図１４では３つのランナを例示しているが、ランナの数はこれに限定されない。

ランナ３０６は、タービン回転中心３０から翼先端３１までの距離がＲであり、翼断面形状が流線形に構成されている。ランナ３０６のタービン翼の回転中心３０から各半径位置ｒでの翼弦長Ｃ（ｒ）は、翼素運動量理論により求められる各半径位置ｒでの翼弦長の最適値となるように構成され、その翼基端部から翼先端３１に向かうにつれて翼弦長Ｃ（ｒ）が略一定の減少率で減少する形状となっている。

ランナ３０６は、それぞれの翼先端３１を内接した円筒３９を備えている。円筒３９は、ランナ３０６の翼先端３１近傍における渦の発生を抑制する渦抑制構造として機能する。円筒３９は例えばランナ３０６を構成する材料と同じ材料で形成される。円筒３９の長さ方向及び半径方向の厚みはそれぞれランナ３０６の翼先端３１近傍における吹き下ろしを抑制することのできる大きさであれば特に限定されず、軸流水車発電装置１０，２０の態様に応じて適宜設計すればよい。例えば、吹き下ろしを抑制する点から、円筒３９の長さ方向の厚みはランナ３０６の翼先端３１における翼弦長と略同一か若干大きく形成されていることが好ましい。

ランナ３０６では、円筒３９により各ランナの翼先端３１付近における吹き下ろしが抑制される。そのため、吹き下ろしによる誘導抵抗の発生が抑えられ、翼効率損失が低減される。

なお、ランナ３０６の平面形状は第１〜３の実施の形態と同様の構成としてもよく、これにより、翼効率損失を大幅に低減することができる。このように、本実施形態によれば軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることが可能である。

以上、説明した実施形態によれば、翼効率損失を抑えることで、軸流水車発電装置１０，２０における発電効率を向上させることが可能である。
る。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０，２０…軸流水車発電装置、３，３０１〜３０７…ランナ、３ａ…第１の翼領域、３ｂ…第２の翼領域、４…ボス、５…発電機、６…回転軸、６ａ…ハブ、６ｂ…変速機構、６ｃ…伝達軸、７…発電機、１１…連結部材、１２…係留ロープ、１３…海底、１４…海中、３０…タービン翼の回転中心、３１…翼先端、３２，３８１…前縁、３３，３８２…後縁、３４，３８４…負圧面、３５，３８５…圧力面、３６…エッジ面、３７…曲がり部、３８…整流板、３９…円筒、３８３…翼幅線、α…曲がり角、β…エッジ角、Ｃ，Ｃ_１，Ｃ_２…翼弦長、Ｒ…タービン翼の回転中心から翼先端までの距離、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５…タービン翼の回転中心からの距離。

Claims

発電機と、
水流の運動エネルギを回転エネルギに変換して前記発電機の駆動力を発生させるランナを備えるタービン翼と、
前記ランナの発生した駆動力を前記発電機に伝達する回転軸と
を備える軸流水車発電装置であって、
前記ランナは、
翼弦長が翼素運動量理論により求められる前記タービン翼の回転中心から各半径位置での翼弦長の最適値となるように構成された第１の翼領域と、
前記第１の翼領域よりも翼先端側に位置し、翼弦長が翼素運動量理論により求められる前記タービン翼の回転中心から各半径位置での翼弦長の最適値よりも小さくなるように構成された第２の翼領域と
を備え、
前記第２の翼領域の開始位置は、前記タービン翼の回転中心から前記ランナの翼先端までの距離Ｒに対して、０．７５Ｒ〜０．９０Ｒの範囲にあることを特徴とする軸流水車発電装置。
前記第２の翼領域において、翼先端に行くに伴い、前記ランナの前縁が後縁に近づいて翼弦長が減少することを特徴とする請求項１記載の軸流水車発電装置。
前記第２の翼領域において、翼先端に行くに伴い、前記ランナの後縁が前縁に近づいて翼弦長が減少することを特徴とする請求項１又は２記載の軸流水車発電装置。
前記ランナは、前記ランナの翼先端近傍における渦の発生を抑制する渦抑制構造を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の軸流水車発電装置。
前記渦抑制構造は、前記ランナの後縁部において負圧面を圧力面より長くして形成される翼端面のエッジ面を備えた構造、前記ランナの翼先端近傍が水流上流方向へ傾けて形成される曲がり部、前記ランナの翼先端に備えられた整流板又は前記ランナの翼先端を内接した円筒のうち１つ以上であることを特徴とする請求項４記載の軸流水車発電装置。