JP6423207B2 - 水力発電装置及び水力発電装置の組立方法 - Google Patents

Description

本発明は、水流により電力を発生させる水力発電装置と、その組立方法に関するものである。

従来から、水車が備えるブレードを水流によって回転運動させ、この回転運動を発電機に伝達することで電力を発生させる水力発電装置が知られている。この種の水力発電装置には、ペルトン水車やフランシス水車、プロペラ水車等の種々の形式が存在しており、水車を設置する場所の地形等に合わせた水車が採用されている。例えば、低落差である河川や海などには、プロペラ水車が設置されている。下記特許文献１には、河川に設置される、水平軸を中心とする円周上に２枚以上の水平直線翼が配置された水力発電装置が開示されている。

特開２００８−１９０３９６号公報

しかしながら、河川や海などに設置されるプロペラ水車は重量が重たく、水車を組立・設置するためには、大型の重機が必要であった。そのため、水車の設置場所は、大型の重機を搬入することができる場所に限られてしまい、組立・設置コストが高くなってしまうという課題があった。

また、例えば山間部のように足場が悪い場所であっても、容易に組立・設置をすることができる水車の実現が望まれていた。

そこで、本発明は上述した課題の存在に鑑みて成されたものであり、その目的は、大型の重機を使用することなく、容易に組立・設置することができる水力発電装置と、その組立方法を提供することにある。

本発明に係る水力発電装置は、水流により回転するブレードと、前記ブレードの回転に伴って回転する軸体と、前記軸体を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部と、前記軸体の回転駆動力により電力を発生する発電機と、を有する水力発電装置であって、少なくとも前記ブレード、前記軸体、前記軸受サポート部、及び前記発電機のそれぞれがモジュール化されたユニットとして構成され、前記軸受サポート部は、中空軸と、前記中空軸と前記軸体とを摩擦締結する摩擦締結手段と、を備えることを特徴とするものである。

なお、本明細書における「モジュール化されたユニット」とは、水力発電装置１００が持つ機能を分割し、モジュール化したものを指している。すなわち、少なくとも前記ブレード、前記軸体、前記軸受サポート部、及び前記発電機のそれぞれが「モジュール化されたユニット」であり、これら分割されたユニットを単に組み立てるだけで、水力発電装置１００という製品装置が細かな調整作業等を行うことなく好適に完成するように構成されている。

また、本発明に係る水力発電装置の組立方法は、水流により回転するブレードと、前記ブレードの回転に伴って回転する軸体と、前記軸体を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部と、前記軸体の回転駆動力により電力を発生する発電機と、を有する水力発電装置の組立方法であって、少なくとも前記ブレード、前記軸体、前記軸受サポート部、及び前記発電機のそれぞれがモジュール化されたユニットとして構成されており、前記軸受サポート部が有する中空軸に対して前記軸体を圧入し、前記軸体の端部に前記軸受サポート部が嵌合された状態とする工程と、前記軸体及び前記軸受サポート部に摩擦締結手段を嵌合し、前記軸受サポート部が有する前記中空軸と前記軸体とを摩擦締結する工程と、組立てられた前記軸受サポート部及び前記軸体の上部に前記発電機を設置するとともに、前記軸受サポート部及び前記軸体の下部に前記ブレードを設置する工程と、を含む工程を実行することを特徴とするものである。

本発明によれば、大型の重機を使用することなく、容易に組立・設置することができる水力発電装置と、その組立方法を提供することができる。

本実施形態に係る水力発電装置の全体の構成例を示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置のブレードを示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置の軸体を示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置の軸受サポート部を示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置の摩擦締結手段を示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置の発電機を示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置のカップリングを示す図である。 本実施形態に係る水力発電装置のアダプタを示す図である。 本実施形態に係る軸体と軸受サポート部との組立方法を説明するための図であり、図中の分図（ａ）は、軸体及び軸受サポート部を示す図であり、図中の分図（ｂ）は、軸受サポート部に軸体を圧入した状態を示す図である。 本実施形態に係る軸体を軸受サポート部に対して相対的に引き上げるための治具を説明するための図であり、図中の分図（ａ）は、軸受サポート部に治具を設置した状態を示す図であり、図中の分図（ｂ）は、治具に第一ボルトを挿入した状態を示す図であり、図中の分図（ｃ）は、第一ボルトによって軸体を軸受サポート部に対して相対的に引き上げた状態を示す図であり、図中の分図（ｄ）は、治具に第二ボルトを挿入した状態を示す図であり、図中の分図（ｅ）は、第二ボルトによって軸体を軸受サポート部に対して相対的に引き上げた状態を示す図である。 本実施形態に係る軸体と軸受サポート部とを組立てた状態を示す図である。 本実施形態に係る摩擦締結手段の中空軸への固定を説明するための要部拡大図である。 本実施形態に係る摩擦締結手段によって中空軸と軸体とが摩擦締結された状態を示す図であり、図中の分図（ａ）は、中空軸及び軸体の全体を示す図であり、図中の分図（ｂ）は、中空軸及び軸体の一部拡大図である。 モジュール化されたユニットの組立方法を説明するための図であり、図中の分図（ａ）は、モジュール化されたユニットを示す図であり、図中の分図（ｂ）は、すべてのユニットを組み立てることで、完成した水力発電装置を示す図である。 ブレードの第一の変形例を示す図である。 ブレードの第二の変形例を示す図である。 ブレードの第三の変形例を示す図であり、図中の分図(ａ)は、ブレードの第三の変形例の全体を示す図であり、図中の分図(ｂ)は、ブレード構成部材を示す図である。 ブレードの第四の変形例を示す図である。 ブレードの第五の変形例を示す図である。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

まず、図１〜図８を用いて、本実施形態に係る水力発電装置１００の構成例について、説明する。ここで、図１は、本実施形態に係る水力発電装置の全体の構成例を示す図であり、図２は、本実施形態に係る水力発電装置のブレードを示す図である。また、図３は、本実施形態に係る水力発電装置の軸体を示す図であり、図４は、本実施形態に係る水力発電装置の軸受サポート部を示す図である。さらに、図５は、本実施形態に係る水力発電装置の摩擦締結手段を示す図であり、図６は、本実施形態に係る水力発電装置の発電機を示す図である。そして、図７は、本実施形態に係る水力発電装置のカップリングを示す図であり、図８は、本実施形態に係る水力発電装置のアダプタを示す図である。

図１に示すように、本実施形態に係る水力発電装置１００は、水流により回転するブレード１０と、ブレード１０の回転に伴って回転する軸体２０と、軸体２０を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部３０と、軸体２０の回転駆動力により電力を発生する発電機５０と、を有して構成される。そして、本実施形態に係る水力発電装置１００は、例えば用水路Ｃに設置される。

本実施形態に係るブレード１０は、図１及び図２に示すように、例えば、円盤形状をした一対の板部１１と、一対の板部１１を接続する複数の羽根部１３と、を備え、一対の板部１１と複数の羽根部１３とが一体構造となるように構成される。

板部１１は、２枚の板材１２，１２から構成される。本実施形態に係る羽根部１３は、略コの字形状に形成されるとともにコーナー部分に面取りされた曲線形状部Ｒを有している。複数の羽根部１３の両端には、羽根部１３と一対の板部１１とを一体構造とするために、板部１１の円盤形状の円周に合うように固定部１５が形成されている。固定部１５は、２枚の板材１２，１２によって挟み込まれ、例えばボルトによって２枚の板材１２，１２の間に接合されるようになっている。そして、本実施形態に係るブレード１０は、略コの字形状に一体形成された羽根部１３及び固定部１５をブレード構成部材１７としている。

以上のように、本実施形態に係るブレード１０は、ブレード構成部材１７の両端、すなわち固定部１５のそれぞれを、２枚の板材１２，１２からなる板部１１によって挟み込み、例えばボルト等によって固定して接合されているので、複数の羽根部１３と一対の板部１１とは、分離不能な状態で一体構造とされている。また、本実施形態に係るブレード１０は、略コの字形状に一体形成されたブレード構成部材１７を組み合わせて形成された、かご型構造となっており、一対の板部１１と羽根部１３とでブレード１０の強度を維持することができるようになっている。したがって、本実施形態に係るブレード１０によれば、従来技術では必須であったブレード１０の回転中心軸であるとともにブレード１０の強度を維持するための回転軸を、ブレード１０に取付ける必要がなくなることとなる。よって、本実施形態に係るブレード１０によれば、ブレード１０に必要な強度を維持しながらもブレード全体の軽量化を実現することが可能となっている。

さらに、本実施形態に係るブレード１０は、水力発電装置１００におけるモジュール化されたユニットの１つとして構成される。ブレード１０がモジュール化されたユニットとして構成されるとともにブレード１０の軽量化の実現によって、水力発電装置１００の運搬・組立が容易となる。したがって、例えば山間部など、水力発電装置１００の設置場所へのアクセスが悪く、従来の水力発電装置では組立・設置が困難であった場所でも、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、容易に水力発電装置１００の組立・設置を行うことができるようになる。

そして、ブレード１０は、図１に示すように、水中に配置され、水流により羽根部１３が推力を受け、ブレード１０の中心（板部１１の中心）を中心軸Ａとして回転するようになっている。

軸体２０は、その下端がブレード１０の上端と接続されることで、ブレード１０の回転に伴って回転するユニットである。軸体２０は、ブレード１０の中心軸Ａと回転中心軸とが同軸となるように設置され、例えばボルト及びナットによってブレード１０と締結される。そして、軸体２０は、後述する軸受サポート部３０に備えられる軸受３１，３２により回転可能に支持される。なお、軸体２０の端部には、後述するカップリング５１と接続するためのキー溝２１と、後述する組立・設置の際に使用するボルトを挿入するためのネジ孔２２とが形成されている。

軸受サポート部３０は、図１に示すように、軸体２０を回転可能に支持する軸受３１，３２を備えるユニットである。本実施形態に係る軸受サポート部３０は、軸受３１，３２と、中空軸３３と、中空軸３３と軸体２０とを摩擦締結する摩擦締結手段３９と、を備えてモジュール化されたユニットとして構成される。そして、軸受サポート部３０は、軸受サポート部３０を支持する支持板６０の上面に配置される。支持板６０は、図１に示すように、用水路Ｃの両岸の間に架け渡されて、水力発電装置１００と軸受サポート部３０とを支持する。

本実施形態に係る軸受３１，３２には、図４に示すように、ラジアル軸受３１，３１とアンギュラ玉軸受３２，３２とが用いられている。ラジアル軸受３１，３１は、ラジアル荷重を受けることができ、軸体２０を支持することができる。一方、アンギュラ玉軸受３２，３２は、ラジアル荷重及びアキシャル荷重を支持することができるように構成されている。本実施形態に係る水力発電装置１００において、ブレード１０の荷重が集中して掛かる箇所に、アンギュラ玉軸受３２を配置することによって、ラジアル荷重及びアキシャル荷重を支持することができるとともに大きな荷重に耐えられるようになっている。つまり、本実施形態に係る水力発電装置１００は、外部荷重に対して理想的な部材配置がなされているので、水力発電装置１００は、軽量化をしても水力発電装置１００の強度の維持が可能となっている。

また、軸体２０に、中空軸３３を嵌合させることによって、ブレード１０の中心軸Ａと軸体２０の回転中心軸と軸受サポート部３０（中空軸３３）の中心軸とが同軸となるように構成されている。したがって、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、軸体２０と軸受サポート部３０とを微調整を行うことなく容易に組み立てることができるようになっている。

図１に示すように、本実施形態に係る水力発電装置１００において、ブレード１０の荷重が集中して掛かる部分Ｘの嵌め合い寸法については、軸体２０と中空軸３３とを締り嵌め（又は止り嵌め）とし、それ以外の部分Ｙの嵌め合い寸法については、軸体２０と中空軸３３とを隙間嵌めとしている。ここで、締り嵌めとは、穴と軸との間に締め代のある嵌合をいい、隙間嵌めとは、穴と軸との間に隙間のある嵌合をいい、止り嵌めとは、隙間嵌めと締り嵌めとの中間で、公差によって隙間又は締め代ができる嵌合をいう。すなわち、締り嵌めとは、中空軸３３の軸径よりも軸体２０の軸径の方が小さく形成されて嵌合されていることをいい、隙間嵌めとは、中空軸３３の軸径よりも軸体２０の軸径の方が大きく形成されて嵌合されていることをいい、止り嵌めとは、それらの中間をいう。Ｘ部分では、軸体２０と中空軸３３とが締り嵌め又は止り嵌めとなっていることにより軸体２０と軸受サポート部３０とが固定されるようになっている。また、Ｙ部分では、軸体２０と中空軸３３との間に隙間を有して嵌合されているので、後述する摩擦締結手段３９によって摩擦締結される。そして、本実施形態に係る中空軸３３の端部には、後述する摩擦締結手段３９を嵌合可能とするスリット３４と（図１２参照）、摩擦締結手段３９を固定するためのネジ孔３５が形成されている。

本実施形態に係る軸受サポート部３０は、軸受３１，３２と中空軸３３とがハウジング３７によって保持されるとともに、図５に示された摩擦締結手段３９が中空軸３３に固定される。

摩擦締結手段３９は、中空軸３３と軸体２０とを摩擦締結するためのものである。図５に示すように、摩擦締結手段３９には、ネジを挿入するためのネジ孔４０が形成される。摩擦締結手段３９は、中空軸３３に設置される端部に向けて断面楔形状に形成される突出部３９ａが、中空軸３３の端部に形成されたスリット３４に差込まれ（図１２参照）、さらに、ネジ孔４０に挿入されたネジがネジ孔３５に締結され、中空軸３３に固定される。そして、中空軸３３に固定された摩擦締結手段３９は、中空軸３３と、図１のＹで示した部分の軸体２０（中空軸３３と隙間嵌めを有して嵌合される軸体２０）とを、前記突出部３９ａの作用によって得られる摩擦力に基づき、摩擦締結するように構成されている。

軸体２０の回転は、軸受サポート部３０によって支持され、発電機５０に伝達され、発電機５０が電力を発生させることとなる。本実施形態に係る発電機５０は、軸体２０の回転駆動力を発電機５０の駆動軸５３に伝達するためのカップリング５１と、軸体２０の回転駆動力により回転する駆動軸５３と、駆動軸５３の回転を増速させる増速装置５５と、軸受サポート部３０と発電機５０とを接合するアダプタ５７と、を含んでモジュール化されたユニットとして構成される。

カップリング５１は、軸体２０の回転駆動力を発電機５０の駆動軸５３に伝達するためのものである。カップリング５１は、軸体２０に形成されたキー溝２１と、発電機５０の駆動軸５３に形成されたキー溝５４とを連結結合することで、軸体２０の回転駆動力を発電機５０の駆動軸５３に伝達し、発電機５０の駆動軸５３を回転させることができるようになっている。

増速装置５５は、駆動軸５３の回転を増速させるためのものである。増速装置５５には、例えば遊星歯車装置を用いることができる。

アダプタ５７は、軸受サポート部３０と発電機５０とを接合するためのものである。アダプタ５７は、図１に示すように、軸受サポート部３０と発電機５０との間に配置されるとともに、その内部にカップリング５１と増速装置５５とが収容されるケーシングとして機能する部材である。

発電機５０は、カップリング５１によって軸体２０からの回転駆動力が駆動軸５３に伝達され、増速装置５５によって駆動軸５３の回転を増速させて、電力を発生させることとなる。なお、発電機５０は、カップリング５１及びアダプタ５７によって、ブレード１０及び軸体２０と同軸となるように設置される。

そして、本実施形態に係る水力発電装置１００は、少なくともブレード１０、軸体２０、軸受サポート部３０、及び発電機５０のそれぞれをモジュール化されたユニットとして構成し（図２〜図８参照）、すべてのユニットを組み立てることで、図１に示すような水力発電装置１００が、微調整等を行うことなく完成させることができる。

したがって、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、モジュール化されたユニットごとに設置場所に運搬することができるため、大型の重機を使用する必要がなく、水力発電装置１００の設置場所が大型の重機を搬入することができる場所に限定されてしまうという従来の課題を解決することができる。また、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、組立工数を減らすことができ、迅速に組立・設置することができ、設置コストの削減効果が得られることとなる。さらに、本実施形態に係る水力発電装置１００は、水力発電装置１００の設置場所にて、ブレード１０、軸体２０、軸受サポート部３０、及び発電機５０を同軸とするための微調整を行う必要がない。従来の水力発電装置は、装置が組み上がった状態で設置現場に持ち込むため、移動の際の振動等により当該設置現場にて水力発電装置の微調整作業を行う必要があった。よって、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、従来技術に比べて設置工事の際の作業を簡略化することができる。また例えば、ブレード１０、軸体２０、軸受サポート部３０、または発電機５０のいずれかに不具合が生じた場合があったとしても、そのユニットを取り外して、メンテナンスを行うことができるので、高いロバスト性を有する水力発電装置１００を提供することができる。

以上、本実施形態に係る水力発電装置１００の全体の構成例について、説明した。次に、本実施形態に係る水力発電装置１００の組立方法の例について、図９〜図１４を用いて、説明する。ここで、図９は、本実施形態に係る軸体と軸受サポート部との組立方法を説明するための図であり、図中の分図（ａ）は、軸体及び軸受サポート部を示す図であり、図中の分図（ｂ）は、軸受サポート部に軸体を圧入した状態を示す図である。図１０は、本実施形態に係る軸体を軸受サポート部に対して相対的に引き上げるための治具を説明するための図であり、図中の分図（ａ）は、軸受サポート部に治具を設置した状態を示す図であり、図中の分図（ｂ）は、治具に第一ボルトを挿入した状態を示す図であり、図中の分図（ｃ）は、第一ボルトによって軸体を軸受サポート部に対して相対的に引き上げた状態を示す図であり、図中の分図（ｄ）は、治具に第二ボルトを挿入した状態を示す図であり、図中の分図（ｅ）は、第二ボルトによって軸体を軸受サポート部に対して相対的に引き上げた状態を示す図である。図１１は、本実施形態に係る軸体と軸受サポート部とを組立てた状態を示す図である。図１２は、本実施形態に係る摩擦締結手段の中空軸への固定を説明するための要部拡大図である。図１３は、本実施形態に係る摩擦締結手段によって中空軸と軸体とが摩擦締結された状態を示す図であり、図中の分図（ａ）は、中空軸及び軸体の全体を示す図であり、図中の分図（ｂ）は、中空軸及び軸体の一部拡大図である。図１４は、モジュール化されたユニットの組立方法を説明するための図であり、図中の分図（ａ）は、モジュール化されたユニットを示す図であり、図中の分図（ｂ）は、すべてのユニットを組み立てることで、完成した水力発電装置を示す図である。

まず、本実施形態に係る水力発電装置１００の組立は、図９の分図（ａ）に係る軸受サポート部３０に対して軸体２０を圧入し、図９の分図（ｂ）に示すように、軸体２０の端部に軸受サポート部３０が嵌合された状態とする。そして、図１０に示すように、軸体２０を軸受サポート部３０内に引き上げるための治具４１によって軸体２０を中空軸３３に対して相対的に引き上げていくこととなる。

本実施形態に係る治具４１は、鍔を有した円筒形状となっている。図１０の分図（ａ）に示すように、治具４１は、中空軸３３の端部に形成されたネジ孔３５にボルトを挿入することによって中空軸３３に固定設置される。そして、図１０の分図（ｂ）に示すように、治具４１のネジ孔４２及び軸体２０のネジ孔２２に、軸体２０を引き上げるための第一ボルト４３が挿入される。第一ボルト４３は、図１０の分図（ｂ）に示すように、軸体２０のネジ孔２２に僅かに挿入したときに、第一ボルト４３の頭が治具４１によって軸体２０の軸方向に動かないように軸方向での移動が規制されるとともに、軸体２０のネジ孔２２に対して、図１０の分図（ｂ）の両矢印で示された符号αの距離分短くなっている。したがって、図１０の分図（ｂ）の状態から更に第一ボルト４３を締付けることにより、第一ボルト４３の頭が軸方向に移動規制された第一ボルト４３は、図１０の分図（ｂ）の両矢印で示された距離分軸体２０のネジ孔２２にねじ込まれることによって、軸体２０が、中空軸３３に対して相対的に引き上げられる。そして、第一ボルト４３が軸体２０のネジ孔２２の底面に到達すると、図１０の分図（ｃ）に示された状態となる。

図１０の分図（ｃ）の状態となったら、第一ボルト４３は治具４１及び軸体２０から外される。そして、図１０の分図（ｄ）に示すように、治具４１のネジ孔４２及び軸体２０のネジ孔２２に、第一ボルト４３により引き上げられた軸体２０をさらに引き上げるための第二ボルト４５が挿入される。この第二ボルト４５は、第一ボルト４３よりも長さの短いボルトである。第二ボルト４５は、第一ボルト４３と同様に、軸体２０のネジ孔２２に僅かに挿入したときに、第二ボルト４５の頭が治具４１によって軸体２０の軸方向に動かないように移動規制されているとともに、軸体２０のネジ孔２２に対して、図１０の分図（ｄ）の両矢印で示された符号βの距離分短くなっている。したがって、図１０の分図（ｄ）の状態から更に第二ボルト４５を締付けることにより、第二ボルト４５は、図１０の分図（ｄ）の両矢印で示された距離分軸体２０のネジ孔２２にねじ込まれることによって、軸体２０が中空軸３３に対して相対的に引き上げられる。そして、第二ボルト４５が軸体２０のネジ孔２２の底面に到達すると、図１０の分図（ｅ）に示された状態となる。

さらに、軸体２０と軸受サポート部３０とが所望の位置となるまで、上述したように、適切な治具４１とボルトを用いて軸体２０を中空軸３３に対して相対的に引き上げて、軸体２０と軸受サポート部３０とを嵌合し、図１１に示された状態とする。

図１１に示すように、所望の位置となった軸体２０及び軸受サポート部３０に、図５に示された摩擦締結手段３９を嵌合していく。図１２に示すように、中空軸３３の端部には、摩擦締結手段３９を嵌合するためのスリット３４が形成されている。一方、摩擦締結手段３９は、中空軸３３に設置される端部に向けて断面形状が楔形状の突出部３９ａが形成されている。図１２に示すように、スリット３４に対して摩擦締結手段３９の突出部３９ａを挿入し、ネジ孔４０に挿入されたネジがネジ孔３５に締結され、摩擦締結手段３９と中空軸３３とは固定される。すると、図１３に示すように、中空軸３３に固定された摩擦締結手段３９は、前記突出部３９ａの作用によって得られる摩擦力に基づき、中空軸３３と軸体２０とを摩擦締結できる。

また、本実施形態において、軸体２０と中空軸３３とは、複数の嵌め合い寸法を有して嵌合される。図１に示すように、本実施形態に係る水力発電装置１００において、ブレード１０の荷重が集中して掛かる部分Ｘの嵌め合い寸法については、軸体２０と中空軸３３とを締り嵌め又は止り嵌めとし、それ以外の部分Ｙの嵌め合い寸法については、軸体２０と中空軸３３とを隙間嵌めとしている。

本実施形態に係る水力発電装置１００は、隙間嵌めを有して嵌合されていることによって軸受サポート部３０の中空軸３３内に軸体２０を好適に圧入することができるようになっている。すなわち、隙間嵌めの部分Ｙは、容易に軸受サポート部３０の中空軸３３内に軸体２０を挿入することができ、締り嵌め又は止り嵌めの部分Ｘにおいて軸受サポート部３０の中空軸３３内に軸体２０を圧入するように構成される。また、本実施形態に係る水力発電装置１００は、締り嵌め（止り嵌め）を有して嵌合されていることによって軸受サポート部３０の中空軸３３内に軸体２０を固定することができるようになっているとともに、水流による荷重に耐えることができるようになっている。

このような構成により、軸受サポート部３０と軸体２０とは容易に組立をすることができるようになっている。また、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、軸体２０と軸受サポート部３０の中空軸３３との嵌合の位置は、嵌め合い寸法を変更することによって任意に調整することができる。さらに、本実施形態に係る水力発電装置１００は、中空軸３３と軸体２０とを、締り嵌め又は止り嵌めの嵌め合い寸法により固定し、中空軸３３と軸体２０とが隙間嵌めとされている部分Ｙを摩擦締結手段３９により摩擦締結するという構成を採用している。したがって、軸体２０と中空軸３３との嵌め合い寸法や嵌め合いの位置を変更することによって、様々な長さの軸体２０を容易に設置することが可能である。したがって、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、所望の長さを有する軸体２０を用いることができる。

次に、組立てられた軸受サポート部３０及び軸体２０と、モジュール化されたユニットとして構成されたブレード１０と、モジュール化されたユニットとして構成された発電機５０と、を組立てる。図１４の分図（ａ）に示すように、軸体２０及び軸受サポート部３０の上部に発電機５０を設置し、軸体２０及び軸受サポート部３０の下部にブレード１０を設置する。

発電機５０については、軸体２０の先端に、カップリング５１を含む発電機５０を設置することにより組立てられる。まず、カップリング５１によって軸体２０に形成されたキー溝２１と、発電機５０の駆動軸５３に形成されたキー溝５４と、を結合する。これによって、軸体２０の回転駆動力を発電機５０の駆動軸５３に伝達し、発電機５０の駆動軸５３を回転させることができる。そして、発電機５０と軸受サポート部３０との間に、カップリング５１及び増速装置５５を収容するようにアダプタ５７を設置する。

ブレード１０については、ブレード１０の中心軸Ａと軸体２０の回転中心軸とが同軸となるように配置され、例えばボルト及びナットによって軸体２０と締結される。

このように、ブレード１０、軸体２０、軸受サポート部３０、及び発電機５０のそれぞれをモジュール化されたユニットとして構成し、すべてのユニットを組み立てることで完成した水力発電装置１００は、例えば河川などに設置されることとなる。

本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、モジュール化されたユニットごとに設置場所に運搬することができるため、大型の重機を使用する必要がなく、水力発電装置１００の設置場所が大型の重機を搬入することができる場所に限定されてしまうという従来の課題を解決することができるようになる。また、本実施形態に係る水力発電装置１００は、予めモジュール化されたユニットとして形成されたユニットを組立てることで完成するため、組立工数を減らすことができ、迅速に組立・設置することができる。さらに、水力発電装置１００の設置場所にて、ブレード１０、軸体２０、軸受サポート部３０、及び発電機５０を同軸とするための微調整を行う必要がないので、例えば山間部のように足場が悪い場所であっても、容易に組立・設置をすることができる。また、本実施形態に係る水力発電装置１００によれば、大型の重機を必要としないとともに迅速かつ容易に組立・設置することができるので、組立・設置コストを安価にすることができる。さらに、例えばブレード１０、軸体２０、軸受サポート部３０、または発電機５０のいずれかに不具合が生じた場合があったとしても、そのユニットを取り外して、メンテナンスを行うことができるので、高いロバスト性を有する水力発電装置１００を提供することができる。

以上、本実施形態に係る水力発電装置１００の組立方法の例について、説明した。次に、ブレード１０の変形例について、図１５〜図１９を用いて、説明する。ここで、図１５は、ブレードの第一の変形例を示す図であり、図１６は、ブレードの第二の変形例を示す図である。また、図１７は、ブレードの第三の変形例を示す図であり、図中の分図(ａ)は、ブレードの第三の変形例の全体を示す図であり、図中の分図(ｂ)は、ブレード構成部材を示す図である。図１８は、ブレードの第四の変形例を示す図であり、図１９は、ブレードの第五の変形例を示す図である。なお、上述した実施形態と同一又は類似する構成については、同一符号を付して、説明を省略する場合がある。

[ブレードの第一の変形例]
第一の変形例に係るブレード１１０は、図１５に示すように、円盤形状をした一対の板部１１１と、一対の板部１１１を接続する５枚の羽根部１１３と、を備え、一対の板部１１１と５枚の羽根部１１３とが一体構造となっている。

第一の変形例に係る羽根部１１３は、略コの字形状に形成されるとともにコーナー部分に曲線形状部Ｒを有している。５枚の羽根部１１３は、一対の板部１１１の周方向に均等の間隔を有するように配置される。羽根部１１３の両端には、羽根部１１３と一対の板部１１１とを一体構造とするために、板部１１１の円盤形状に合わせた固定部１１５が形成されている。第一の変形例に係るブレード１１０は、略コの字形状に一体形成された羽根部１１３及び固定部１１５をブレード構成部材１１７としている。

第一の変形例に係るブレード１１０は、ブレード構成部材１１７の両端、すなわち固定部１１５のそれぞれを、２枚の板材１１２，１１２からなる板部１１１によって挟み込み、例えばボルト等によって固定して接合することにより、５枚の羽根部１１３と一対の板部１１１は一体構造とされる。そして、第一の変形例に係るブレード１１０は、略コの字形状に形成されたブレード構成部材１１７を組み合わせて形成されたかご型構造となっており、一対の板部１１１と羽根部１１３とでブレード１１０の強度を維持している。

[ブレードの第二の変形例]
第二の変形例に係るブレード２１０は、図１６に示すように、円盤形状をした一対の板部２１１と、一対の板部２１１を接続する３枚の羽根部２１３と、一対の板部２１１の中心部を接続する回転軸２１９と、を備え、一対の板部２１１と３枚の羽根部２１３と回転軸２１９とが一体構造となっている。

回転軸２１９は、例えばＦＲＰなどの軽量部材で形成されるとともに、上側の板部２１１の下側の板材２１２と下側の板部２１１の上側の板材２１２(内側の板材２１２)の間に一体として形成される。

第二の変形例に係る羽根部２１３は、略コの字形状に形成されるとともにコーナー部分に曲線形状部Ｒを有している。３枚の羽根部２１３は、一対の板部２１１の周方向に均等の間隔を有するように配置される。羽根部２１３の両端には、上述した場合と同様に、羽根部２１３と一対の板部２１１とを一体構造とするために、板部２１１の円盤形状に合わせた固定部２１５が形成されている。第二の変形例に係るブレード２１０は、略コの字形状に一体形成された羽根部２１３及び固定部２１５をブレード構成部材２１７としている。

第二の変形例に係るブレード２１０は、回転軸２１９と一体形成された上側の板部２１１の下側の板材２１２ａ及び下側の板部２１１の上側の板材２１２ｂの外方に、羽根部２１３及び固定部２１５を有するブレード構成部材２１７を配置し、外側の板材２１２(上側の板部２１１の上側の板材２１２ｃと下側の板部２１１の下側の板材２１２ｄ)によって挟み込み、例えばボルト等によって固定して接合することにより、３枚の羽根部２１３と一対の板部２１１は一体構造とされる。そして、第二の変形例に係るブレード２１０は、略コの字形状に形成されたブレード構成部材２１７を組み合わせて形成されたかご型構造となっており、羽根部２１３と回転軸２１９とで、ブレード２１０の強度を確保している。

[ブレードの第三の変形例]
第三の変形例に係るブレード３１０は、図１７の分図(ａ)に示すように、円盤形状をした一対の板部３１１と、一対の板部３１１を接続する３枚の羽根部３１３と、一対の板部３１１の中心部を接続する回転軸３１９と、を備え、一対の板部３１１と３枚の羽根部３１３と回転軸３１９とが一体構造となっている。

第三の変形例に係るブレード３１０は、図１７の分図(ｂ)に示すように、枠型形状のブレード構成部材３１７を組み合わせて形成される。この枠型形状をしたブレード構成部材３１７は、羽根部３１３と回転軸３１９を、回転軸３１９の中心から回転軸３１９の軸方向に３分の１分割した回転軸分割体３１９’とで構成されている。したがって、３つのブレード構成部材３１７を組み合わせることにより、３枚の羽根部３１３と回転軸３１９が完成する。そして、この状態から回転軸３１９の両端に対して、一対の板部３１１をそれぞれ接続することで、第三の変形例に係るブレード３１０が完成する。なお、第三の変形例に係るブレード３１０を構成する各部材については、例えばボルトによって固定して接合される。

第三の変形例に係るブレード３１０は、枠型形状のブレード構成部材３１７を組み合わせて形成された枠組み構造となっており、枠型形状のブレード構成部材３１７により羽根部３１７の強度を高めるとともに枠型形状の１辺を回転軸３１９の一部として用いることによって、ブレード３１０の強度を確保している。

[ブレードの第四の変形例]
第四の変形例に係るブレード４１０は、図１８に示すように、円盤形状をした一対の板部４１１と、一対の板部４１１を接続する５枚の羽根部４１３と、を備え、一対の板部４１１と５枚の羽根部４１３とが一体構造となっている。

第四の変形例に係る羽根部４１３は、曲線形状部Ｒと直線形状部Ｓとから構成される。５枚の羽根部４１３は、一対の板部４１１の周方向に均等の間隔を有するように配置される。羽根部４１３の曲線形状部Ｒの両端には、羽根部４１３と一対の板部４１１とを一体構造とするために、板部４１１の円盤形状に合わせた固定部４１５が形成されている。第四の変形例に係るブレード４１０は、一体形成された羽根部４１３及び固定部４１５をブレード構成部材４１７としている。

第四の変形例に係るブレード４１０は、ブレード構成部材４１７の両端、すなわち固定部４１５のそれぞれを、２枚の板材４１２，４１２からなる板部４１１によって挟み込み、例えばボルト等によって固定して接合することにより、５枚の羽根部４１３と一対の板部４１１は一体構造とされる。そして、第四の変形例に係るブレード４１０は、略コの字形状に形成された５つのブレード構成部材４１７を組み合わせて形成されたかご型構造となっており、一対の板部４１１と羽根部４１３とでブレード４１０の強度を維持している。なお、第四の変形例に係る羽根部４１３は、曲線形状部Ｒと直線形状部Ｓとから構成されているため、羽根部４１３の曲線形状部Ｒに隣接して板部４１１が配置される構造となっている。すなわち、第四の変形例に係る羽根部４１３は、板部４１１と曲線形状部Ｒとで連結されており、第一の変形例に係る羽根部１１３とは異なり、板部４１１と直線形状部Ｓとで連結されていない。

[ブレードの第五の変形例]
第五の変形例に係るブレード５１０は、図１９に示すように、円盤形状をした一対の板部５１１と、一対の板部５１１を接続する５枚の羽根部５１３と、を備え、一対の板部５１１と５枚の羽根部５１３とが一体構造となっている。

第五の変形例に係る羽根部５１３は、直線形状部Ｓから構成される。５枚の羽根部５１３は、一対の板部５１１の周方向に均等の間隔を有するように配置される。羽根部５１３の両端には、羽根部５１３と一対の板部５１１とを一体構造とするために、不図示のネジ孔が形成されており、このネジ孔が第五の変形例に係る固定部５１５として機能する。第五の変形例に係るブレード５１０は、直線形状に一体形成された羽根部５１３及び固定部５１５をブレード構成部材５１７としている。

第五の変形例に係るブレード５１０は、ブレード構成部材５１７の両端、すなわち固定部５１５のそれぞれを、２枚の板材５１２，５１２からなる板部５１１に対して、例えばボルト等によって固定して接合することにより、５枚の羽根部５１３と一対の板部５１１は一体構造とされる。そして、第五の変形例に係るブレード５１０は、直線形状に形成されたブレード構成部材５１７と、一対の板部５１１とを組み合わせて形成されたかご型構造となっており、一対の板部５１１と羽根部５１３とでブレード５１０の強度を維持している。なお、第五の変形例に係る羽根部５１３は、直線形状部Ｓから構成されており、板部５１１と羽根部５１３とが略９０°で接合されている。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。

例えば、羽根部(１３，１１３，２１３，３１３，４１３，５１３)の枚数は任意に変更することができる。

また、例えば、本実施形態に係る摩擦締結手段３９は、中空軸３３とは別に形成されるとともに中空軸３３に固定されているが、中空軸３３に対して摩擦締結手段３９を形成してもよい。

さらに、本実施形態に係る発電機５０は、軸体２０の上方に設置され、直列接続されているが、例えば、軸体２０の先端部及び発電機５０の駆動軸５３の先端部に、それぞれプーリを設置し、例えばタイミングベルトなどを介してプーリを接続させ、軸体２０と発電機５０とを平行に配置し、並列接続とすることができる。

その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

１００ 水力発電装置、１０，１１０，２１０，３１０，４１０，５１０ ブレード、１１，１１１，２１１，３１１，４１１，５１１ 板部、１２，２１２，３１２，４１２，５１２ 板材、１３，１１３，２１３，３１３，４１３，５１３ 羽根部、１５，１１５，２１５，３１５，４１５，５１５ 固定部、１７，１１７，２１７，３１７，４１７，５１７ ブレード構成部材、２１９，３１９ 回転軸、２０ 軸体、２１ （軸体の）キー溝、２２ （軸体の）ネジ孔、３０ 軸受サポート部、３１ ラジアル軸受、３２ アンギュラ軸受、３３ 中空軸、３４ スリット、３５ （中空軸の）ネジ孔、３７ハウジング、３９ 摩擦締結手段、３９ａ 突出部、４０ （摩擦締結手段の）ネジ孔、４１ 治具、４２ （治具の）ネジ孔、４３ 第一ボルト、４５ 第二ボルト、５０ 発電機、５１ カップリング、５３ 駆動軸、５４ （駆動軸の）キー溝、５５ 増速装置、５７ アダプタ、６０ 支持板、Ｃ 用水路、Ａ 中心軸、Ｒ 曲線形状部、Ｓ 直線形状部。

Claims (4)

1. 水流により回転するブレードと、
   前記ブレードの回転に伴って回転する軸体と、
   前記軸体を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部と、
   前記軸体の回転駆動力により電力を発生する発電機と、
   を有する水力発電装置において、
   少なくとも前記ブレード、前記軸体、前記軸受サポート部、及び前記発電機のそれぞれがモジュール化されたユニットとして構成され、
   前記軸受サポート部は、
   中空軸と、
   前記中空軸と前記軸体とを摩擦締結する摩擦締結手段と、
   を備えることを特徴とする水力発電装置。
2. 請求項１に記載の水力発電装置において、
   前記中空軸と前記軸体とは、複数の嵌め合い寸法を有して嵌合されることを特徴とする水力発電装置。
3. 請求項１又は２に記載の水力発電装置において、
   前記ブレードは、
   円盤形状をした一対の板部と、
   前記一対の板部を接続する複数の羽根部と、
   を備え、
   前記一対の板部と前記複数の羽根部とが一体構造となっていることを特徴とする水力発電装置。
4. 水流により回転するブレードと、
   前記ブレードの回転に伴って回転する軸体と、
   前記軸体を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部と、
   前記軸体の回転駆動力により電力を発生する発電機と、
   を有する水力発電装置の組立方法であって、
   少なくとも前記ブレード、前記軸体、前記軸受サポート部、及び前記発電機のそれぞれがモジュール化されたユニットとして構成されており、
   前記軸受サポート部が有する中空軸に対して前記軸体を圧入し、前記軸体の端部に前記軸受サポート部が嵌合された状態とする工程と、
   前記軸体及び前記軸受サポート部に摩擦締結手段を嵌合し、前記軸受サポート部が有する前記中空軸と前記軸体とを摩擦締結する工程と、
   組立てられた前記軸受サポート部及び前記軸体の上部に前記発電機を設置するとともに、前記軸受サポート部及び前記軸体の下部に前記ブレードを設置する工程と、
   を含む工程を実行することを特徴とする水力発電装置の組立方法。

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