JP6196468B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、水力発電装置に関し、より詳細には、小規模水力発電装置に関する。

従来、上下水道・小河川・農業用水路・工場排水・ダム放出水などの高低差のある水路に設置されて、水路の落差を利用して発電する小規模水力発電装置が知られている。ここで小規模水力発電とは、これまで顧みられなかった未利用の水力エネルギーを使って小規模な発電（例えば、１０００ｋＷ以下）を行うことをいう。小規模水力発電が可能な上下水道や高低差のある河川水などの未利用の水力資源が莫大に存在すること、この水力資源を再生可能であること、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の地産地消が実現できることなどの理由で、小規模水力発電が近年特に注目されている。

上記のような小規模水力発電を行う装置の一形態として、本願の出願人は、水路に介挿された円筒状のケーシングと、ケーシングに内装されたランナと、ランナの外周側に設けられたリング状の発電機とを備えた水力発電装置を従来から提案しており、その研究開発を行っている（特許文献１、参照）。この水力発電装置は、ランナに遊挿されたボスと、ランナの上流側においてボスの外周とケーシングの内壁との間に配置された複数の案内羽根（ガイドベーン）とを備えており、ボスと案内羽根でランナを効率よく回転させるように流水を案内するように構成されている。

特開２００６−１８９０１４号公報

上記のような小規模な水力発電装置が、屋外の水源と繋がっている水路中に設けられる場合には、流水に落ち葉や小枝などの固体ゴミが同伴していることがある。これらのゴミが案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）に詰まって、流水を滞らせ、発電効率を低下させるという問題が生じている。特に大雨の後や季節の変わり目などには流水に同伴するゴミの量が多く、案内羽根周辺に詰まったゴミを取り除くためのメンテナンス作業を頻繁に行わねばならない。なお、案内羽根周辺にゴミが詰まらないようにするために、案内羽根の上流側でゴミをフィルタ分離することは容易に想到できるが、この場合にはフィルタを掃除または交換するためのメンテナンス作業を頻繁に行わねばならない。水力発電装置のメンテナンス作業を行う際には、上流からの流水を止めたり、装置をバイパスさせて下流側へ流したりせねばならず、膨大な作業を伴うこととなる。さらに、小規模水力発電装置は、山間部などの人間が立ち入ることの難しい場所への設置も想定されており、メンテナンスの頻度はより少ないことが望ましい。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、水力発電装置であって、案内羽根周辺にゴミが詰まることを防止し、案内羽根周辺に詰まったゴミをメンテナンス作業を行わずに取り除くことのできるものを提案する。

発明者らは、案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）にはゴミが詰まることがあるが、ランナに設けられたランナ羽根周辺（例えば、隣り合うランナ羽根の間隙やランナ羽根とボスの間）にはゴミが詰まらないということを、経験的に知得した。ケーシング内へ流水が軸方向に流れ込むため、ケーシングに固定された案内羽根には一定の向き（軸方向と同じ向き）の水が流れ込む。これに対し、ランナ羽根には、案内羽根の作用により軸方向から傾いた向きの流水が作用し、さらに、自身が回転することからその周辺の水の流れが変化する。以上のことから、発明者らは、固定された案内羽根に作用する流水の向きが一定であるため、案内羽根周辺に一度詰まったゴミはそこから動くことができず、その詰まったゴミが流路を狭め、詰まったゴミに更に他のゴミが堆積していくという現象が生じていると推察した。そこで、本発明に係る水力発電装置では、案内羽根に作用する流水の向きを軸方向から傾けるとともに、流水の向きに変化を与える構成を備えることによって、案内羽根周辺にゴミが詰まることを防止できるようにしている。

本発明の一態様に係る水力発電装置は、水車軸を中心とした円筒形状の流路を有し、該流路を水が軸方向に流れるように構成されたケーシングと、
前記ケーシング内において前記水車軸を中心として環状に並べられた複数のランナ羽根を有するランナと、
前記ランナに設けられて該ランナと一体的に回転する回転子と、
前記ケーシング内に設けられ且つ当該ケーシングに対して相対的に位置固定された固定ボスと、
前記ケーシング又は前記固定ボスに前記回転子と対向するように設けられた固定子と、
前記ランナの上流側において前記固定ボスの外周側に設けられた複数の案内羽根と、
前記複数の案内羽根よりも上流側に設けられた複数の回転羽根と、
前記ケーシング内の前記固定ボスよりも上流側に、前記水車軸を中心として回転する回転軸体とを備えており、
前記複数の回転羽根が前記回転軸体の周囲に設けられているものである。なお、上記において固定子はケーシングに直接的又は間接的に設けられたものを含み、例えば、固定子はケーシングに直接的に設けられていてもよいし、固定子はケーシングに固定された固定ボスなどの部材に設けられていてもよい。

上記構成によれば、複数の案内羽根よりも上流側に設けられた回転羽根の作用により、案内羽根に流れ込む流水の向きが軸方向から傾き、また、流水の密度が変化して流水の向きが変化する。このような流水の向きの変化により、案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）に詰まろうとするゴミが流れ出て、案内羽根周辺にゴミが詰まることを防止できる。

上記水力発電装置において、前記回転軸体は、前記固定ボスの上流側端面と前記軸方向に対向する下流側端面を有し、前記回転軸体の下流側端面と前記固定ボスの上流側端面に、軸及び軸受から成る支承部と、互いに反発しあう磁石とが設けられていることが望ましい。

本発明は上記水力発電装置において、前記回転羽根と前記案内羽根の前記軸方向の距離が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であるものである。ここで、前記回転羽根が前記案内羽根の上流側端辺と平行な下流側端辺を有することが望ましい。

上記構成によれば、回転羽根で案内羽根の上流部に詰まっているゴミを掻き出すことができる。よって、案内羽根の上流部に詰まろうとしているゴミを、メンテナンス作業を行わずに取り除くことができる。

本発明の別の一態様に係る水力発電装置は、
水車軸を中心とした円筒形状の流路を有し、該流路を水が軸方向に流れるように構成されたケーシングと、
前記ケーシング内において前記水車軸を中心として環状に並べられた複数のランナ羽根を有するランナと、
前記ランナに設けられて該ランナと一体的に回転する回転子と、
前記ケーシング内に設けられ且つ当該ケーシングに対して相対的に位置固定された固定ボスと、
前記ケーシング又は前記固定ボスに前記回転子と対向するように設けられた固定子と、
前記ランナの上流側において前記固定ボスの外周側に設けられた複数の案内羽根と、
前記複数の案内羽根よりも上流側に設けられた複数の回転羽根とを備え、
前記回転羽根が、前記ランナ羽根と比較して小さい前記水車軸に対する傾きを有するものである。なお、ここで、「傾き」とは傾きの大きさ（絶対値）を言う。

上記構成によれば、流水が回転羽根に当接して回転羽根を回転させることによる、流水のエネルギー損失を抑えることができる。

本発明によれば、複数の案内羽根よりも上流側に設けられた回転羽根の作用により、案内羽根に流れ込む流水の向きに変化を与えることができる。これにより、案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）にゴミが詰まることを防止できる。

本発明の一実施形態に係る水力発電装置の一部切り欠き斜視図である。 水力発電装置の軸方向断面図である。 水車と発電機の構成を説明する概念的断面図である。 固定ボスと回転軸体に設けられた支承部を説明する軸方向断面図である。 回転羽根の変形例を説明する水力発電装置の軸方向断面図である。

次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る水力発電装置の一部切り欠き斜視図、図２は水力発電装置の軸方向断面図、図３は水車と発電機の構成を説明する概念的断面図である。

図１〜３に示すように、本発明の実施の形態に係る水力発電装置１０は、流水のエネル
ギーを機械エネルギーに変換する水車４と、機械エネルギーを電気に変換する発電機１と、水車４と発電機１を収容するケーシング５とを備えている。水力発電装置１０は仮想の水車軸Ｈを有しており、以下では、水車軸Ｈと平行な方向を軸方向といい、水車軸Ｈと直交する方向を径方向という。

まず、ケーシング５について説明する。ケーシング５は、上流ケーシング５ａと、下流ケーシング５ｃと、上流ケーシング５ａと下流ケーシング５ｃの間に設けられたステータケーシング５ｂとを備えている。上流ケーシング５ａとステータケーシング５ｂ、ステータケーシング５ｂと下流ケーシング５ｃは、それぞれ締結具により締結されて、ケーシング５が一体的に形作られている。ケーシング５は、水車軸Ｈを中心とする円筒形状の流路を有しており、この流路を水が軸方向に流れるように構成されている。上流ケーシング５ａは、水力発電装置１０の上流側の水路を形成している配管と接続されて、水路からの流水をケーシング５内の水車４へと導いている。また、下流ケーシング５ｃは、水力発電装置１０の下流側の水路を形成している配管と接続されて、水車４を回して発電に利用された後の流水を下流側の水路へ戻している。このようにして、水力発電装置１０は、配管等により形成された水路に介装されて使用される。

次に、発電機１について説明する。発電機１は、電機子２と、界磁３４とを備えている。本実施の形態に係る発電機１では、電機子２が固定子（ステータ）であり、界磁３４が回転子（ロータ）である。電機子２は、電機子鉄心（積層コア）２１と、電機子鉄心２１に巻かれた電機子コイル２２とを備えている。電機子鉄心２１は、軸方向に複数積層された円環薄板状のコア部材で構成されている。この電機子２は、電機子コイル２２に電流を流したときに電機子鉄心２１から発生する磁束の向きが径方向と直交する向きとなるように、ステータケーシング５ｂに収容されている。ステータケーシング５ｂは、円環形状を有する中空部材であって、内部に電機子２が収容される環状空間１３を有している。ステータケーシング５ｂの、界磁３４と対向している内周面には、環状開口１３ａが設けられている。この環状開口１３ａは環状の封止部材（キャン）１５で封止されている。本実施の形態に係る封止部材１５は、絶縁性と耐水性を有し且つ渦電流損の非常に小さい材料で製作された、鍔付きの円環状をした薄肉の帯である。封止部材１５は、その鍔で電機子鉄心２１の内周側を挟み込んでおり、Ｏリングなどのシール部品を介して環状開口１３ａに水密的に固定されている。このようにしてステータケーシング５ｂの環状空間１３は水密性を有する密閉空間となっている。

界磁３４は、流水の作用により回転するランナ３の周囲に設けられており、ランナ３と一体的に水車軸Ｈを中心として回転する。本実施の形態において、界磁３４は永久磁石であり、磁石強度の強い希土類磁石などが用いられている。ランナ３は、水車軸Ｈを中心とする環状のランナベース３７と、複数のランナ羽根（ランナベーン）３１とで構成されている。ランナベース３７は、上流ケーシング５ａや下流ケーシング５ｃの内径とほぼ等しい内径を有し、上流ケーシング５ａと下流ケーシング５ｃの間の距離よりも小さい幅（軸方向長さ）を有している。ランナベース３７の外周側には、界磁３４の保持部３７１である突条が形成されている。保持部３７１には複数の界磁３４が保持されており、複数の界磁３４は水車軸Ｈを中心とする同一円周上に配置されている。複数の界磁３４の内周側には、磁束の通路となるヨーク３３が形成されている。また、複数の界磁３４の外周側には、界磁３４の飛散と水濡れを防止するために、薄肉の合成樹脂リング３５が嵌装されている。界磁３４の外周側に設けられた合成樹脂リング３５と、電機子鉄心２１の内周側に設けられた封止部材１５は、所定の微小間隙（ギャップ）を置いて対向している。なお、磁束密度を高めるために、合成樹脂リング３５と封止部材１５の肉厚を小さくし、両者の間隙を狭くすることにより、界磁３４と電機子鉄心２１が可能な限り接近するように配置されることが好ましい。

ランナベース３７は、界磁３４と電機子鉄心２１が対向した状態で、水車軸Ｈを中心として回転するように、水潤滑式軸受１１を介してケーシング５に支承されている。水潤滑式軸受１１は、ランナベース３７を上流側から支持する第１軸受部材１１ａと、ランナベース３７を下流側から支持する第２軸受部材１１ｂと、軸受部材１１ａ，１１ｂとランナベース３７の間隙に潤滑剤としての水を供給するための水供給機構１６で構成されている。第１軸受部材１１ａと第２軸受部材１１ｂはいずれも水車軸Ｈを中心とする環状体である。第１軸受部材１１ａは、上流ケーシング５ａの下流側のフランジとステータケーシング５ｂの内周面に図示しない弾性部材を介して弾性的に支持されている。また、第２軸受部材１１ｂは下流ケーシング５ｃの上流側のフランジとステータケーシング５ｂの内周面に図示しない弾性部材を介して弾性的に支持されている。軸受部材１１ａ，１１ｂの内周面はセラミック塗装が施されており、軸受部材１１ａ，１１ｂはランナベース３７の外周面を水膜を介して支持するラジアル軸受として機能している。さらに、軸受部材１１ａ，１１ｂの対向しあう面にもセラミック塗装が施されており、軸受部材１１ａ，１１ｂはランナベース３７の保持部３７１を水膜を介して支持するスラスト軸受として機能している。水供給機構１６は、上流ケーシング５ａに設けられた分岐ノズル１６ａと、第２軸受部材１１ｂ近傍に設けられた給水ノズル１６ｂと、分岐ノズル１６ａと給水ノズル１６ｂとの間を繋ぐ図示しない配管とから構成されている。水供給機構１６では、上流ケーシング５ａの流水が分岐ノズル１６ａへ流入し、この水が給水ノズル１６ｂから第２軸受部材１１ｂ近傍へ吐出されて、軸受部材１１ａ，１１ｂとランナベース３７の界面を潤滑する水膜を形成している。

複数のランナ羽根３１は、ランナベース３７の内周側で水車軸Ｈを中心として環状に並べられて、環状翼列を形成している。各ランナ羽根３１の外周側は、ランナベース３７の内周面に固定されている。ランナ羽根３１は軸流型であり、ランナ羽根３１が流水の力を受けると周方向に分力を発生して、ランナ３が回転する。ランナ３が回転すると、界磁３４が形成する磁界が回転して電機子鉄心２１に磁束変化を与える。これに伴って電機子コイル２２に発生する誘導電流が、電機子コイル２２と接続された図示しない導線を通じて外部へ取り出される。

続いて、水車４について説明する。水車４は、上記ランナ３と、ランナ羽根３１の内周側を軸方向に通されたボス４１（固定ボス）と、ランナ３の上流側においてボス４１の周囲に設けられた複数の案内羽根４２と、複数の案内羽根４２よりも上流側に設けられた複数の回転羽根４４とを備えている。ランナ３は、水車４の回転部分の要素で、流水のエネルギーを機械エネルギーに変換するものである。ボス４１は、ケーシング５内の流水をケーシング５の内壁方向に集めて、流速を増加させるためのものである。複数の案内羽根４２は、ランナ３を効率良く回転させるために、ランナ羽根３１に当たる流水の流量を調整したり、流水の向きをランナ羽根３１の傾きに適合するよう案内したりするものである。複数の回転羽根４４は、案内羽根４２に作用する流水の向きを軸方向から傾けるとともに、流水の向きに変化を与えるためのものである。

ボス４１は、ランナ３の内周側（複数のランナ羽根３１の内周側）に挿通されている。複数のランナ羽根３１の内周側端３１ａとボス４１の外周面との間には、これらが接触しないように、所定の間隙が設けられている。ボス４１は、上流ケーシング５ａから下流ケーシング５ｃに亘る軸方向の長さを有しており、ボス４１の径方向中心を水車軸Ｈが通るようにケーシング５に対して位置が固定されている。

ボス４１の外周とケーシング５の内壁との間であって、ランナ３（複数のランナ羽根３１）よりも上流側に、複数の案内羽根（ガイドベーン）４２が設けられている。複数の案内羽根４２は、水車軸Ｈを中心とする同一円周上に所定間隔で配置されている。本実施の形態においては、６〜８枚の案内羽根４２が、ボス４１の外周側（径方向外側）で、等間隔の環状翼列を成している。各案内羽根４２の内周側はボス４１の外周面と近接し、同じく外周側はケーシング５の内壁面と近接している。案内羽根４２は、水車軸Ｈを基準としてランナ羽根３１の傾きと逆方向に傾いている。案内羽根４２は、傾きが可変な可動羽根であって、図示しない案内羽根操作機構により複数の案内羽根４２の開度が連動して変化するように構成されている。なお、案内羽根操作機構は案内羽根４２の傾きを連続的に又は段階的に変化させるように構成されている。本実施形態に係る案内羽根４２は、所定流量を超える大流量時には水車軸Ｈに対して−５度傾き、所定流量以下の小流量時には水車軸Ｈに対して−２６度傾くように、傾きが調節される。

複数の案内羽根４２よりも上流側に、水車軸Ｈを中心として回転する複数の回転羽根４４が配置されている。複数の回転羽根４４の傾きの向きは、ランナ羽根３１と案内羽根４２のうちいずれの傾きの向きと同じであっても構わない。複数の回転羽根４４は、水車軸Ｈを中心として回転する回転軸体４６の周囲に固定されている。回転軸体４６の上流側は流水をスムースにケーシング５の内壁へ向けて移動させるように半球状に形成されている。一方、回転軸体４６の下流側端面４６ａは、ボス４１の上流側端面４１ａと対向している。回転軸体４６の下流側端面４６ａの外径は、ボス４１の上流側端面４１ａの外径と略等しく、回転軸体４６の外周面とボス４１の外周面との間にゴミが挟まるような径方向の段差は存在しない。

図４は固定ボス４１と回転軸体４６に設けられた支承部１４を説明する軸方向断面図である。図４に示すように、固定ボス４１の上流側端面４１ａと回転軸体４６の下流側端面４６ａには、軸（支持軸１４ｂ）および軸受（軸受部１４ａ）からなる支承部１４が設けられている。回転軸体４６の下流側端面４６ａには、水車軸Ｈと重複する位置に円形穴状の軸受部１４ａが設けられている。一方、ボス４１の上流側端面４１ａには、水車軸Ｈと重複する位置に支持軸１４ｂが突設されている。この支持軸１４ｂは、回転軸体４６の軸受部１４ａに遊挿されている。支持軸１４ｂと軸受部１４ａの摺動面には、これらの間に生じる摩擦を軽減するために、摩擦の小さい樹脂材やセラミック材などの塗膜が形成されている。さらに、軸受部１４ａと支持軸１４ｂとの間は、水で潤滑されている。支持軸１４ｂは注水パイプ５２の一部として構成されており、注水パイプ５２の内部には潤滑水の供給通路５１が設けられている。本実施の形態に係る注水パイプ５２は、ボス４１よりも下流側に位置する基部５２ｂと、ボス４１の内部を水車軸Ｈと重複して貫く軸部５２ａとで構成されている。この軸部５２ａと基部５２ｂは一体的に接続されており、内部に一続きの供給通路５１が設けられている。この供給通路５１の入口５１ａは、前述の水供給機構１６の給水ノズル１６ｂと接続されており（図２、参照）、水供給機構１６によって供給通路５１へ水が供給される。一方、供給通路５１の出口５１ｂは、軸受部１４ａ内に開口しており、この出口５１ｂから軸受部１４ａと支持軸１４ｂとの間に潤滑水が注入される。以上の構成の支承部１４により、回転軸体４６は水車軸Ｈを中心として回動可能に上流ケーシング５ａ内に保持されている。なお、本実施の形態では、軸受部１４ａを回転軸体４６に支持軸１４ｂをボス４１にそれぞれ設けているが、軸受部１４ａをボス４１に支持軸１４ｂを回転軸体４６にそれぞれ設けてもかまわない。

さらに、回転軸体４６の下流側端面４６ａには、水車軸Ｈを中心として環状に配置された複数の永久磁石４７が埋設されている。一方、ボス４１の上流側端面４１ａには、回転軸体４６に設けられた永久磁石４７と対応するように配置された複数の永久磁石４９が埋設されている。永久磁石４７と永久磁石４９は異なる極を有している。そして、永久磁石４７と永久磁石４９が反発しあう結果、回転軸体４６の下流側端面４６ａとボス４１の上流側端面４１ａとが十分に近接し且つ離間した状態が維持される。ここで、永久磁石４７と永久磁石４９の磁力の強さは、回転軸体４６の下流側端面４６ａとボス４１の上流側端面４１ａとの間隙が、これらが接触しないが、これらの間にゴミ（例えば、落ち葉）が詰まらないような大きさ（例えば、５ｍｍ以下）となるように決められている。

回転羽根４４の下流側端辺４４ａは、案内羽根４２の上流側端辺４２ａと略平行となるように形成され、回転羽根４４の下流側端辺４４ａと案内羽根４２の上流側端辺４２ａとの間に所定の間隙ｔが設けられている。間隙ｔの大きさは、回転羽根４４と案内羽根４２とが接触しないように、０よりも大きい値であって、安全性を見込めば０．１ｍｍ以上の値である。また、間隙ｔの大きさは、隣り合う案内羽根４２の間やボス４１と案内羽根４２の間に挟まろうとするゴミ（例えば、落ち葉）を掻き出すことができるように、５ｍｍ以下であることが望ましい。このように、回転羽根４４の下流側端辺４４ａと案内羽根４２の上流側端辺４２ａは十分に近接している。

複数の回転羽根４４は、流水の作用により複数の案内羽根４２の上流側で回転する。これにより、案内羽根４２へ作用する流水の向きが軸方向から傾き、さらに、流水の密度が変化するので流水の向きや速度が変化する。このような流水の向きの変化により、案内羽根４２の上流部周辺（例えば、隣り合う案内羽根４２の間隙や案内羽根４２とボス４１の間）に詰まろうとするゴミが流水で流し出される。また、案内羽根４２の上流部周辺にゴミが詰まっていたとしても、ゴミは回転する複数の回転羽根４４により掻き出されて流水中に流し出される。このようにして、案内羽根４２の上流部を通過して下流側へ流れ出たゴミは、回転するランナ羽根３１で粉砕されたり、水潤滑式軸受１１の軸受部材１１ａ，１１ｂとランナベース３７との間で粉砕されたりして、流水とともに下流側へ排出される。以上の通り、複数の回転羽根４４の作用により、案内羽根４２周辺にゴミが詰まることを防止できる。さらに、仮に案内羽根４２周辺にゴミが詰まったとしても、複数の回転羽根４４の作用により、特別なメンテナンス作業を要することなくゴミ詰まりを解消することができる。

なお、複数の回転羽根４４は、ランナ３と比較して極めて低速で回転する。このため、回転羽根４４の水車軸Ｈに対する傾き（翼角）は、ランナ羽根３１の水車軸Ｈに対する傾きと比較して小さい。ここで、「傾き」とは、傾きの大きさ（絶対値）のことである。回転羽根４４とランナ羽根３１は、水車軸Ｈに対する傾きの向きが互いに異なることがあるので、水車軸Ｈに対する回転羽根４４の傾きとランナ羽根３１の傾きは各々の絶対値で比較することとする。回転羽根４４の回転速度は辛うじて回っている程度で足りるため、回転羽根４４の水車軸Ｈに対する傾きは０より大きく、回転羽根４４の回転の初動トルクが得られる程度の大きさであれば十分である。このように複数の回転羽根４４が可能な範囲で低速で回転することにより、流水エネルギーの損失を抑えることができる。同様の観点で、回転羽根４４の数は２以上４以下であることが望ましい。

〔変形例１〕
上記実施の形態では、複数の回転羽根４４は、ボス４１の上流側に設けられた回転軸体４６の周囲に設けられている。このような構成とすることにより、より少ない部品点数、より簡易な構造、且つより小さな占有空間で、水力発電装置１０に複数の回転羽根４４を備えることができる。ただし、複数の回転羽根４４は、例えば、以下に説明するような態様で水力発電装置１０に設けられていてもよい。

図５は回転羽根４４の変形例を説明する水力発電装置の軸方向断面図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。図５に示すように、ケーシング５内において、複数の案内羽根４２の上流側に複数の回転羽根４４が設けられている。複数の回転羽根４４の傾きの向きは、ランナ羽根３１と案内羽根４２のうちいずれの傾きの向きと同じであっても構わない。

複数の回転羽根４４は、水車軸Ｈを中心として回転する環状体６３の内周側に固定されている。環状体６３は、水潤滑式軸受６１を介してケーシング５（上流ケーシング５ａ）に支承されている。水潤滑式軸受６１は、環状体６３に掛かる軸方向（スラスト方向）および径方向（ラジアル方向）の荷重をケーシング５に支持させるためのものである。水潤滑式軸受６１は、環状体６３を上流側から支持する第１軸受部材６１ａと、環状体６３を下流側から支持する第２軸受部材６１ｂと、軸受部材６１ａ，６１ｂと環状体６３の間隙に潤滑剤としての水を供給するための水供給機構１６で構成されている。第１軸受部材６１ａと第２軸受部材６１ｂはいずれも水車軸Ｈを中心とする環状体である。第１軸受部材６１ａと第２軸受部材６１ｂは、上流ケーシング５ａに形成された軸受収容部６２に弾性部材を介して弾性的に支持されている。軸受部材６１ａ，６１ｂの内周面はセラミック塗装が施されており、軸受部材６１ａ，６１ｂは環状体６３の外周面を水膜を介して支持するラジアル軸受として機能している。さらに、軸受部材６１ａ，６１ｂの対向しあう面にもセラミック塗装が施されており、軸受部材６１ａ，６１ｂは環状体６３を水膜を介して支持するスラスト軸受として機能している。水供給機構１６は、上流ケーシング５ａに設けられた分岐ノズル１６ａと、第２軸受部材６１ｂ近傍に設けられた給水ノズル１６ｃと、分岐ノズル１６ａと給水ノズル１６ｃとの間を繋ぐ図示しない配管とから構成されている。水供給機構１６では、上流ケーシング５ａの流水が分岐ノズル１６ａへ流入し、この水が給水ノズル１６ｃから第２軸受部材６１ｂ近傍へ吐出されて、軸受部材６１ａ，６１ｂと環状体６３の界面を潤滑する水膜を形成している。

以上に説明した本発明の実施形態およびその変形例に係る水力発電装置１０において、電機子２と界磁３４から成る発電機１は別の態様を採ってもよい。例えば、界磁３４を水車４の上流側面に設け、この界磁３４と対向するように電機子２をボス４１に設けて、発電機１を構成することもできる。

１ 発電機
２ 電機子（固定子）
２１ 電機子鉄心
２２ 電機子コイル
３ ランナ
４ 水車
５ ケーシング
１０ 水力発電装置
１１ 水潤滑式軸受
１３ 環状空間
１３ａ 環状開口
１４ 支承部
１５ 封止部材
１６ 水供給機構
１６ａ 分岐ノズル
１６ｂ，ｃ 給水ノズル
３１ ランナ羽根
３３ ヨーク
３４ 界磁（回転子）
３５ 合成樹脂リング
３７ ランナベース
４１ ボス（固定ボス）
４２ 案内羽根
４４ 回転羽根
４６ 回転軸体
４７，４９ 永久磁石
５１ 供給通路
５２ 注水パイプ
６１ 水潤滑式軸受
６２ 軸受収容部
６３ 環状体

Claims (5)

1. 水車軸を中心とした円筒形状の流路を有し、該流路を水が軸方向に流れるように構成されたケーシングと、
   前記ケーシング内において前記水車軸を中心として環状に並べられた複数のランナ羽根を有するランナと、
   前記ランナに設けられて該ランナと一体的に回転する回転子と、
   前記ケーシング内に設けられ且つ当該ケーシングに対して相対的に位置固定された固定ボスと、
   前記ケーシング又は前記固定ボスに前記回転子と対向するように設けられた固定子と、
   前記ランナの上流側において前記固定ボスの外周側に設けられた複数の案内羽根と、
   前記複数の案内羽根よりも上流側に設けられた複数の回転羽根と、
   前記ケーシング内の前記固定ボスよりも上流側に、前記水車軸を中心として回転する回転軸体とを備えており、
   前記複数の回転羽根が前記回転軸体の周囲に設けられている、
   水力発電装置。
2. 前記回転軸体は、前記固定ボスの上流側端面と前記軸方向に対向する下流側端面を有し、
   前記回転軸体の下流側端面と前記固定ボスの上流側端面に、軸及び軸受から成る支承部と、互いに反発しあう永久磁石とが設けられている、請求項１に記載の水力発電装置。
3. 前記回転羽根と前記案内羽根の前記軸方向の距離が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、
   請求項１又は２に記載の水力発電装置。
4. 前記回転羽根が前記案内羽根の上流側端辺と平行な下流側端辺を有する、請求項３に記載の水力発電装置。
5. 水車軸を中心とした円筒形状の流路を有し、該流路を水が軸方向に流れるように構成されたケーシングと、
   前記ケーシング内において前記水車軸を中心として環状に並べられた複数のランナ羽根を有するランナと、
   前記ランナに設けられて該ランナと一体的に回転する回転子と、
   前記ケーシング内に設けられ且つ当該ケーシングに対して相対的に位置固定された固定ボスと、
   前記ケーシング又は前記固定ボスに前記回転子と対向するように設けられた固定子と、
   前記ランナの上流側において前記固定ボスの外周側に設けられた複数の案内羽根と、
   前記複数の案内羽根よりも上流側に設けられた複数の回転羽根とを備え、
   前記回転羽根が、前記ランナ羽根と比較して小さい前記水車軸に対する傾きを有する、
   水力発電装置。

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