JP6425157B2 - 衝動型ハイドロタービン - Google Patents

Description

本発明は、水の落差エネルギーまたは流水の運動エネルギーから回転動力を得る機関に関するものである。

現在主流であるフランシス水車は主に反動作用を利用し他の水車の中で、最適な負荷運転では最も効率が良く適用落差は３０から５００ｍ、水量は０．１から２０００立方ｍ／ｓ程度で、比速度は基準単位を（ｍ，ｋＷ，ｒｐｍ）とした場合５０から３５０で、実績が一番多いが、小規模プラントでは、タービン主翼、ガイドベーン等にて水流を分断する個所や延べ長さが多く、細長状や薄幕状の丈夫な塵芥類が絡み付き異常振動、騒音の発生、効率と出力低下や、最悪の場合制御不能に陥り、緊急停止を生じさせることが有る。

ペルトン水車並びにターゴインパルス水車は衝動作用を利用する水車で、小負荷から定格負荷まで効率が安定して高く、ニードルバルブの制御により負荷追随並びに水量追随運転に適しており、適用落差は９０から２０００ｍ、水量は０．０５から２０立方ｍ／ｓ程度で、比速度は基準単位を（ｍ，ｋＷ，ｒｐｍ）とした場合８から６０（６射式）で、インパルスジェットを複数設けることで水量をその数分大きくすることが可能で、設置実績が二番めに多く、水流を分断する個所が少なく塵芥が絡み付きにくくメンテナンス労力は少なくてすむが、回転に伴う高速ジェット水流を受けるランナバケットが順次移動することによる騒音と衝撃力が０から１００％へと変化する繰返しのため金属疲労による損傷を抑さえる対策が必要である。

クロスフロー水車はベルトン水車と同じ衝動水車で羽が軸に平行で水流は直角方向に流れ一度羽列の内側に進み、後に反対方向より流出する構造で、平行な羽の長さに比例した水量を処理できるため大量の水を処理でき、適用落差は２．５から２００ｍ、水量は０．０４から１３立方ｍ／ｓ程度で、比速度は基準単位を（ｍ，ｋＷ，ｒｐｍ）とした場合８から５５で、回転羽より流出させる際に高落差の高速水流では乱流となり損失抵抗が大きくなり、他の衝動水車と同様に水撃の繰り返しによる騒音対策と、強固な羽列としたいが内部水流腔を確保するため高強度設計が困難で大形設備には不向きである。

プロベラ水車は水流が羽に当たり曲げられることにより発生する反動力を利用する水車で、小負荷から定格負荷まで羽の角度を変化させることにより効率を安定して高く維持することが可能で、負荷追随並びに水量追随運転も出来、適用落差は１から１００ｍ、水量は０．１から６０００立方ｍ／ｓ程度まで製作可能で、比速度は基準単位を（ｍ，ｋＷ，ｒｐｍ）とした場合１００から９００で、塵芥が絡み付きにくい構造形態を取ることでメンテナンス労力を抑さえることが出来るが、羽の角度を正確に変化させる機構と制御が複雑になり小型のものは実験機が多い。

：ＵＳ−８６１Ａ号特許広報 ：ＵＳ−２５９９Ａ号特許広報 ：ＵＳ−２３３６９２号特許広報 ：ＵＳ−４０９８６５号特許広報 ：ＤＥ−３４７２７１Ｃ号特許広報 ：ＪＰ−１７６０７５１号特許広報 ：ＪＰ−４８４５５５０号特許広報 ：ＪＰ−２００２−０００４３１号出願公開 ：ＪＰ−２０１３−００７３７６号出願公開

ｂｙ Ｒ．Ｗ．Ｓｈｏｒｔｒｉｄｇｅ「Ｆｒａｎｃｉｓ ａｎｄ Ｈｉｓ Ｔｒｂｉｎｅ」 Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９８９年歴史書 新エネルギー財団編「中小水力発電技術に関する実務研修会第１回水力発電所の建設計画」１９９４年資料 日本機械学会編「機械工学便覧 基礎編 α４流体工学、応用システム編 γ２流体機械」２００８年版 ターボ機械協会編「ハイドロタービン」２００７年版

現在主流である石油石炭系化石エネルギーは地球環境に多大な負荷を生じさせその対策で自然エネルギー利用に転換することが急務であり、未開発の無数に存在する河川等において、そのエネルギーの活用が有望視されているが、その対応対象は大自然であり、採算性と保守面や住居地域での騒音対策などの環境面等で困難な問題が多く普及が進まないのが現状である。

第一点は、規模が小さい水車では、自然な湖沼や河川等から取水する場合、流れ来る塵芥類を完全に排除することは困難で細長状や薄幕状の丈夫な塵芥が絡み、騒音の発生と更には緊急停止の発生によるメンテナンス労力や運転停止の期間の増大など課題になっていた。

第二点は、ダム等の大容量貯水設備を持たない小規模の水路式発電設備の場合、負荷追随運転やトラブルによる緊急停止並びに運転再開による水車水量の変化に応じて河川からの取水量や放流水を随時勝手に変更することは元河川の水量や水速を急激に変え遊泳者や釣り人並びに他の利水者に危害を与える可能性が高く、尚且つウォーターハンマー現象により水路や制御弁等に過大な圧力変動を与え破壊損傷の原因となり避けなければならない。

第三点は、更に河川流量は降雨降雪により増加し日々刻々と自然に任せ減少する等、天候に左右され大きく変化し、河川維持水量を確保しつつ保有エネルギーを最大限活用するには、大幅な水量変化にも安定して対応できる水量追随運転が容易な水車が求められる。

第四点は、耐久性と環境騒音問題であるが、高価な素材で堅ろうに製作すれば重量も増え建設費が増大し、建設費を抑さえようとすればメンテナンス費用が増大することになり、衝動水車特有の各ランナブレーが受ける回転に伴う衝撃エネルギーの変化は大きく騒音としても無視できず、従来の水車ではこれら全てを克服することは困難であった。

第一の課題である塵芥が絡む水流を分断する箇所を少なくし水流と共に自浄作用により流下させ、第二の課題である負荷追随運転並びに緊急停止用にタービン内に水車ランナーを迂回するバイパス流路を構築し、第三の課題である安定した広範囲に渉る高効率な特性を維持させるよう回転円盤状内向放射渦水流を用い、回転動力へとエネルギー変換を果たすに従い流速を低下させつつ整流を維持するハイドロタービンの開発で水量追随運転を行い、第四の課題である従来の衝動水車に見られた衝撃作用のランナーの回転に伴う繰り返しを無くし金属疲労と騒音対策に特別考慮する事無く建設費を抑さえつつ耐久性を上げ省力省資源化した構成とする。

塵芥が絡む水流を分断する個所や延べ長さを皆無にし水流と共に自浄作用により流下させ、負荷追随運転並びに緊急停止用に水車ランナーを迂回するバイパス流路を構築し、安定した広範囲に渉る高効率を維持する安全安心なハイドロタービンの発明で自然界に残された埋蔵水力エネルギーの開発が急速に進む。

図１は本発明であるハイドロタービンの中心軸を含む断面、ランナーの側面、中心軸に直角面を断面とする主要構成図である。 図２はランナーブレードの拡大詳細図で、ブレードの各断面位置により滑らかに曲線を描いていることを示す説明図である。 図３は本タービンの主弁ならびに副弁を制御することより水流を制御し稼動状況を変化させる説明図である。 図４はランナブレード上の水流の様子を示す説明図である。 図５は本発明であるハイドロタービンの構成要素の変更により仕様変更が可能なことを示す説明図ある。 図６は横軸ハイドロタービンにも対応可能なことを示す説明図ある。 図７はハイドロタービン内の各場所での渦流によるエネルギー変換を示す概念図ある。 図８はタービンブレードに作用する回転円盤状内向放射渦流によるエネルギー変換諸元を考査する基本概念図ある。

従来のフランシス水車と同じ螺旋管よりランナに向け、渦流を回転方向へ流入させる形は似ているが、フランシス水車の場合、主に圧力水をランナに作用させるが、本発明では導水管より導かれた受入元圧力水流を螺旋管に流入する前に、渦流速調整可動門にて水流断面積を絞りそのエネルギーの約半分を速度運動エネルギーに変換し螺旋管内に半圧力半運動エネルギー保有渦流として蓄え、螺旋管のランナ側の放射口上流側円筒基材と放射口環形弁基材側の間に主要制御弁としてランナ軸芯を共通芯にランナを囲むように放射口上流側円筒基材に環形主弁摺動機構を介し更に環形主弁水密機構によりランナ軸方向に平行に自在に摺動する環形主弁と更に隣接して主弁と同様な環形副弁を螺旋管のランナ側の放射口下流側円筒基材に環形副弁摺動アームと環形副弁摺動機構を介して設け、全負荷時水流は環形副弁と放射口環形弁基材側の弁構成を完全に閉塞し環形主弁と環形副弁との開口寸法を最大設定流量に合わせ其の隙間から全運動慣性エネルギーに変換して回転円盤状内向放射渦水流をランナブレード放射渦流受口に向け放射しランナ回転力発生ブレード水流とし水量追随運転をする。

尚、フランシス水車で用いられている可変ガイドベーンは塵芥の絡まり防止のため設けず、部分負荷時水流は全負荷時水流の状況による二つの環形弁の摺動設定位置から、環形副弁を部分負荷時に必要な回転円盤状内向放射渦水流のエネルギー流量となるよう環形主弁の方向へスライドさせ開口寸法を狭くすることに依り必要エネルギーを確保すると同時に環形副弁と放射口環形弁基材側の弁構成部が反対に同じ移動量で部分開状態となりエネルギー保有逃し放出水流が放出され、導水路の水量、即ち水路式発電プラントの取水量を変化させることなく安全に広範囲に負荷追随の部分負荷運転に移行する均衡制御運転が可能になり、更に緊急停止時の急激動作の場合には同様に導水路のウォーターハンマー現象を防止する緊急回避ダンパー機能を併せ持ち、小水力発電に欠かせない多機能を備えた回転円盤状内向放射渦水流を放射するハイドロタービンの外郭部を構成する。

ランナブレード放射渦流受口に達した全運動慣性エネルギー取得回転円盤状内向放射渦水流は軸芯を共有する環形主弁から放射し、全ブレードに同時に均一に切れ目なく連続的に作用する為、水量と負荷の変動による反作用に起因る変動を除き、衝動型タービン特有のランナ回転による衝撃力の繰返しが無くなり騒音と金属疲労による損壊を抑え、更に、急激な反射挙動をしないようにランナクラウンに強固に支持されたランナブレード上で全運動慣性エネルギーから機械的動力に徐々に変換する整流を形成するように水流とブレード関で動体移動方向と遠心力の相関バランスをとり順次水速を落としランナー回転エネルギーに変換移行させるように滑らかに曲線を描くランナクラウンとブレードは水量の変化に対しても整流を維持し高効率を維持する効果を上げる。

フランシス水車で用いられるバント構造は塵芥が絡み付く原因となるため採用せず、回転遠心力によるブレード外への水流の飛散を防止するランナブレード水流溢止めリブを設け、回転前後のリブ間は塵芥がそのリブに絡まった状態で下流側へ水流と共に自然排除されるように一定の間隔を保持し、放射渦流を最初に受け各ブレードに水流を分断分配するランナブレード放射渦流受口は塵芥が絡み付く場所であるが、放射渦流の進入方向と分断刃先の成す角を１２０度程度と下流側へ斜角にすることで渦流の揺らぎに応じ徐々に下流側に移動し、遂にランナブレード水流放出門に達しブレード上の水流と共に自然排除される様に考案改良したランナブレードを配設したターピンランナを用いる。尚、ランナブレード水流溢止めリブはブレードの滑らかな曲線と、強固なタービンクラウンの滑らかな曲線とが相俟って、ブレードの構造強度の向上に貢献する。

実施例について図面と表と数式並びにグラフを用いて明示するが発明に関する主要な部分以外は、当然有るべきもの並びに既知のものは幾分省略して記述している。
図１にて、導水管より導かれた受入元圧力水流９ａは螺旋管１に流入する前に渦流速調整可動門１ａ部にて水流断面積を絞りそのエネルギーの約半分を速度運動エネルギーに変換し螺旋管１内に半圧力半運動エネルギー保有渦流として蓄え、螺旋管のランナ側の放射口上流側円筒基材１ｂと放射口環形弁基材側１ｄの間に主要制御弁としてランナ軸方向に平行に自在に摺動する環形主弁２と更に主弁２と同様な環形副弁３を隣接して設け、各それぞれの相互間隔を制御変更することによりランナブレード６に回転円盤状内向放射渦水流９ｃを全運動慣性エネルギーに変換して放射しランナ回転力発生ブレード水流とし、安全で安定した回転と導水路のウォーターハンマー を防止する安定した流速を維持するためエネルギー保有逃し放出水流の量を自在に制御できるように構成している。

尚、２個の環型弁について、主弁２は環形主弁摺動機構２ａを介し更に環形主弁水密機構２ｂを具備し放射口上流側円筒基材１ｂに、環形副弁３も環形副弁摺動アーム３ｂと環形副弁摺動機構３ａを介して主弁２とランナ軸芯を共通軸芯に平行に自在に精密に摺動するように螺旋管のランナ側の放射口下流側円筒基材１ｃに依存するように配設している。

ランナ側面図ではランナブレード６がランナクラウン５に整然と強固に取付られ、ランナシャフト４にハブと固定キーを介し確実に回転エネルギーを発電機等の水車負荷８に伝達する様子を立体的に現しており、ランナブレード放射渦流受口６ａ、ランナブレード水流溢止めリブ６ｂ、ランナブレード水流放出門６ｃの、位置構成並びに形状を考察し得るように明示している。

Ｂ−ｂ断面図では螺旋管１の螺旋中心軸と放射口上流側円筒基材１ｂ並びに環形主弁２の中心軸位置と、ランナシャフト４並びにランナクラウン５の中心軸位置を共有し、ランナクラウン５にランナブレード６を軸芯を基点にランナ径の規模に応じ２０枚程度以上を塵芥が絡み付かないように回転方向に等間隔で整然と詰めて配置している様子を表しており、更に受入元圧力水流９ａの螺旋管１に流入する前に渦流速調整可動門１ａの配設状況を示している。

図２にて、ランナブレードの形状の詳細を上流側より順次下流側へその断面位置の透視図を用いて示しておりランナークラウン５に強固に支持されたランナブレード６が、ブレード上の整流を確保するため滑らかに湾曲しながら下流側のランナブレード水流放出門６ｃに移動するに従い更に回転方向とは逆方向に湾曲を強めている状況を示しており、更に効率向上の為のランナ回転による遠心力でブレード上の整流が外側へ飛出す現象を抑えるランナブレード水流溢止めリブ６ｂを備えている様子を示している。

図３にて、本発明の特徴であるハイドロタービンの水流の４態を軸芯を含む断面図により示しており、全負荷時水流は環形副弁３と放射口環形弁基材側１ｄの弁構成を完全に閉塞し、環形主弁２と環形副弁３との開度を最大設定流量に合わせ其の隙間から回転円盤状内向放射渦水流９ｃをランナブレード放射渦流受口６ａに向け全運動慣性エネルギーに変換して放射し、ランナ回転力発生ブレード水流９として滑らかに湾曲するランナブレード６に水量の変化に影響されず整流を維持し機械的回転力に順次変換しつつランナブレード水流放出門６ｃに至りランナへ回転エネルギー変換後の放出水流９ｅとして排出する様子を示す。

部分負荷時水流は全負荷時水流の状況による環形弁の摺動設定位置から、環形副弁３を部分負荷時に必要な回転円盤状内向放射渦水流９ｃのエネルギー流量となるように環形副弁３を環形主弁２の方向へスライドさせその開口寸法Ｌｃを狭くすることに依り必要エネルギーを確保すると同時に環形副弁３と放射口環形弁基材側１ｄの弁構成部開口寸法Ｌｄが当然同じ距離移動し部分開状態となりエネルギー保有逃し放出水流９ｄが放出され導水路の水量、即ち水路式発電プラントの取水量や放流水を変化させることなく安全に負荷追随の部分負荷運転が自在に出来、水路式小水力発電で欠かせないハイドロタービン均衡制御運転を容易に可能としたことを示している。

無負荷遮断停止時水流は部分負荷時水流の状況による環形弁の摺動設定位置から、環形副弁３を更に環形主弁２の方向へスライドさせ環形主弁２との隙間を密閉することで回転円盤状内向放射渦水流９ｃの流量が皆無となると同時に環形副弁３と放射口環形弁基材側１ｄの弁構成部が同じ寸法で全開状態となり、エネルギー保有逃し放出水流９ｄが放出され導水路の水量、即ち水路式発電プラントの取水量を変化させることなく安全に無負荷に続きランナの停止にまで移行することができることを示している。

全水流停止時は無負荷時水流の状況による環形弁の摺動設定位置から、環形副弁３と環形主弁２を密閉したまま同時に放射口環形弁基材側１ｄ方向へ徐々にスライドさせることで回転円盤状内向放射渦水流９ｃの流量が皆無の状態を保ちつつ環形副弁３と放射口環形弁基材側１ｄの弁構成部も密閉状態となり導水路から螺旋管の全域で水流を停止しさせることができる。尚この操作は取水河川等の取水量の変更を伴う為、安全を確認しつつ慎重に行わなければならない。

図４にて、本発明の特徴であるハイドロタービンのリブが付いたランナブレード６の上をその湾曲に沿って回転円盤状内向放射渦水流９ｃがランナブレード放射渦流受口６ａにより各ブレードに分割され全運動慣性エネルギーから、ランナ回転力発生ブレード水流９としてランナクラウン５並びにランナブレード水流溢止めリブ６ｂに案内されながら滑らかに湾曲するランナブレード６に水量の変化に影響されず整流を維持し機械的回転力に順次変換しつつ流速低下のため流水断面積を徐々に大きくしながらランナブレード水流放出門６ｃに至りランナへ回転エネルギー変換後の放出水流９ｅとして放出する様子を、上流断面をＩ−ｉにて、中流断面をＪ−ｊにて、下流断面をＫ−ｋにて、１片のブレードを例にとり負荷変動による効率変化を少なくする効果があることを詳細に示している。尚、ランナブレード放射渦流受口６ａは放射渦流の進入方向に対し１２０度程度の斜角を設けることで水流の揺らぎにより塵芥が徐々に移動し遂にランナブレード水流溢止めリブ６ｂに絡みながらブレード上水流と共に自然に流下排除されるように工夫されていることを示す。

図５は、本発明の特徴であるハイドロタービンの、基本的バリエーションの２種を表している。高落差用のタービンに導入する場合での、ランナブレード６の形状の変更の様子を示しており、ランナブレード放射渦流受口６ａは共通であるが高速で高衝撃な高運動慣性エネルギー水流から、ランナ回転力発生ブレード水流９としてランナクラウン５並びにランナブレード水流溢止めリブ６ｂに案内されながら滑らかに湾曲するランナブレード６に整流を維持し機械的回転力に順次変換しつつ低速で低運動慣性エネルギー水流となり流路断面積が更に大きく必要となることからランナブレード水流放出門６ｃの幅の割合を大きくし其の回転直径Ｌｂを大きくすることで回転エネルギー変換後の放出水流９ｅの大容量化に対応することを示している。

２種目の部分負荷運転が必要無く系統連系による売電目的の発電プラントは、水量追随運転のみ必要で、取水量を定常に保つハイドロタービン均衡制御運転が不要で、取水可能量による定常運転となり関係機関の了解が得られれば均衡制御用環形副弁３を省略したプラントの建設が可能となりそのハイドロタービンの運転時と停止時の水流の様子を、均衡制御省略型タービン運転時と同停止時として現している。

図６は、前述までは本発明の特徴であるハイドロタービンの軸方向が縦型のみ可能な表現になっているが、標準型の供給が安定している横軸ベアリングの普及で一般商用小型発電設備は横軸型が多く、保守管理等の作業性の理由も相俟って横軸型タービンにも放出水ハウジング７を設けることで、プラント設置用構造体上面７ａの規模が大きくなり螺旋管１の軸方向への膨らみを止める構造体の大きさも無視できなくなるが、小規模発電プラントの場合その方が総コスト的に有利であり、対応可能であることを示している。

図７は、タービン内部の渦流を概念的に示したもので、導水管より導かれた受入元圧力水流９ａは螺旋管１に流入する前に渦流速調整可動門１ａ部にて水流断面積を絞りそのエネルギーの約半分を速度運動エネルギーに変換し螺旋管１内に半圧力半運動エネルギー保有渦流９ｂとして蓄え、螺旋管のランナ側の放射口上流側円筒基材１ｂを通過し環形主弁２から全運動慣性エネルギーに変換して回転円盤状内向放射渦水流９ｃを放射し、ランナブレード放射渦流受口６ａにより各ブレードに分割され全運動慣性エネルギーから、ランナ回転力発生ブレード水流９としてランナクラウン５並びにランナブレード水流溢止めリブ６ｂに案内されながら滑らかに湾曲するランナブレード６に整流を維持し機械的回転力に順次変換しつつランナブレード水流放出門６ｃに至りランナの回転エネルギーへと変換し目的を達成することを示している。尚、矢印による表現では塗りつぶしの矢印では略、圧力水流である事を示し、中白矢印は半圧力半運動エネルギー保有渦流であることを、単純棒矢印は其の大きさにより運動エネルギーが徐々に消滅しランナの回転エネルギーへと変換していく状況を現している。

図８は部分拡大図で、環形主弁２と環形副弁３との隙間から回転円盤状内向放射渦水流９ｃを放射する開口寸法Ｌｃを、環形副弁３と放射口環形弁基材側１ｄとの隙間からエネルギー保有逃し放出水流９ｄを放出する弁構成部開口寸法Ｌｄの配設を明記し、本衝動型ハイドロタービン設計に必要な環形主弁２と環形副弁３の開口寸法Ｌｃ部から放射された全運動慣性エネルギーに変換後の回転円盤状内向放射渦水流９ｃの流速をＶとし放射点から軸芯方向（半径線）との成す角をθとすると其の回転速度成分はＶω（Ｖ×ｓｉｎθ）で表わされ、放射水量分の流速はＶｕ（Ｖ×ｃｏｓθ）で表わされ、環形主弁２の内径をＬａとし円周率をπとすると理論放射エネルギー量ＰｖはＬａ×π×Ｌｃ×Ｖｕ×Ｖ×Ｖ÷２となり、本発明の特徴である基本諸元の設定考査を表わしている。

本発明のハイドロタービンの特徴である設計例を以下に示す。先ず、用いる符号と単位の詳細については表１にて明記する。

数１にて設定水路有効落差Ｈにおける理論放出回転円盤状内向放射渦水流９ｃの放射流速Ｖを１−１欄で求め、１−２欄でランナの回転数Ｎを求める。尚、枠内の列に関し隣接する行に配置された符号と数値はそりぞれ対応するように配慮している。

１秒間に全ランナブレードに作用する水量Ｑを数２にて求め、其の設定例値点Ａ（円内）、他の設定例値点Ｂ（円内）の位置が、表２の横軸に流量を、縦軸に有効落差にて表した適合水車例のどの位置に相当するかを明示した。尚、点Ａ並びに点Ｂは数３、数４で全て共通の設定例値であり各同じポイントである。

タービン出力Ｐを数３にて求める。

本ハイドロタービンの特徴的比速度Ｎｓを前記計算結果例より数４にて求める。

本タービンの比速度は、基準単位を（ｍ，ｋＷ，ｒｐｍ）とした場合、環形主弁２と環形副弁３の開口寸法（隙間幅）Ｌｃにより変化し、ｋｃは環形主弁２の内径をＬａとした場合の開口比ｋｃ＝Ｌｃ／Ｌａで比速度の基本原則である相似則定数であり、本計算例により其の最大開口比ｋｃを５％とした場合に比速度Ｎｓは６３と求められた。尚この数値は実測値を元にしたものではないが、実証値として概ね最大で７０から最小で１０程度となり得る。

表２（グラフ）にて、本タービンの特徴的な拘束運転特性曲線の例を示す。横軸に無拘束単位回転速度Ｎｒに対する拘束運転による実回転速度Ｎの割合すなわちＮ／Ｎｒを、縦軸に単位水量Ｑｒに対する制御弁調節（ｋｃの制御）によるランナブレードに作用させる水量Ｑの割合すなわちＱ／Ｑｒをとり任意の設定同一効率点を結び本タービンの効率（η）曲線をグラフ化したものの一例であり実測値を元にしたものではないが、ペルトン水車の特性に似た曲線となるが、水量Ｑを絞り螺旋管内の半圧力半運動エネルギー保有渦流９ｂの流速が低下するに従い構造上、主弁より放射する方向と放射点における半径線との成す角θ（図８参照）が少なくなり回転力を発生させる回転速度成分Ｖω（Ｖ×ｓｉｎθ）が小さくなるため回転力は低下し其の部分をηｆ曲線として点線で示したが、其の低下分を補うために図７に示す渦流速調整可動門１ａを絞り渦流９ｂの放射流速に対する回転流速割合を高めることで改善させ実線表示の曲線としたことを示している。

表３（グラフ）は各種資料を調査して基本的な水車の適合例と、各種シュミレーション計算を元に本発明の衝動型ハイドロタービンの適合性を考察し実線にて表示した。従来のフランシス水車ならびにペルトン水車の適合領域で部分的に採用可能であり、クロスフロー水車ならびにターゴ水車の適合領域で略全面的に採用可能である。

表４（グラフ）は、収益力の弱い小水力発電における、本願タービンと従来の実績あるタービンの建設事業における２０年間のキャッシュフローを容易に判別可能なように２年ごとに集計し２０年後迄を想定される全てを考慮しシュミレーションした結果をグラフ化したものである。ａは保守と騒音対策が容易な本願ハイドロタービンを採用した場合のもので、ｂは特定な条件では効率が良く実績も有るが保守と騒音対策に配慮が必要な従来のハイドロタービンを採用した例である。

横軸に建設完了日からシュミレーション期間の年数を、縦軸に全流動資金を設定し、点線の折れ線グラフＭｋは建設資金と減価償却による設備更新のための積立資金の推移を、実線の折れ線グラフＭｌは建設資金の出資者への配当金額の累計を示し、バック側の積上げ帯グラフでＭａはＡ社（例）への電力販売収入金額を、ＭｂはＢ社（例）への電力販売収入金額、ＭｃはＣ社（例）への電力販売収入金額を示しており積上げ総額が売上げ総額に当たる。フロント側の積上げ棒グラフでＭｄは各種補償金・権利金・資産課税金等の費用を、Ｍｅはプラント運転人件費、Ｍｆはプラント運転雑費、Ｍｇはプラント保守修繕費、Ｍｈは出資者配当金、Ｍｉは所得税金等、Ｍｊは減価償却費を示しており、ＭｅからＭｊ迄の積上げ総額が、費用の総額に当たり、積上げ帯グラフの上限より突出していると赤字決算を意味する。このような３種混合グラフにより評価することで、一目瞭然に運営内容が把握できる。

本グラフによれば、ａは保守と騒音対策が容易な本願ハイドロタービンを採用した場合のもので出資者配当金の累計総額Ｍｌは２年毎の売上合計の２倍程となっているが、ｂは従来のハイドロタービンを採用したもので特定な条件では効率が良く実績も有るが保守による運転休止日数が多く高効率の割には全売上収入が伸びず更なる努力が必要とされ、ａは順調に運営成績を上げていることが容易に見て取れる。尚、本シュミレーションは相似的な比較例を示したものでありプラント規模や現場状況により変化するため仔細な表示文字や金額については縮小しており判別可能な表記を用いていない。

本発明を最も活用できる形態は、今後普及が期待される小水力発電プラント等で解決しなければならない課題を克服しており少水時から豊水時まで効率良く、軽負荷時から定格負荷ならびに緊急停止しにも安全安心に容易に対応可能で、騒音やメンテナンス労力が少なく今後の水力発電ブラントの動力源として拡大導入できる。

１ 螺旋管
１ａ 渦流速調整可動門
１ｂ 放射口上流側円筒基材
１ｃ 放射口下流側円筒基材
１ｄ 放射口環形弁基材側
２ 環形主弁
２ａ 環形主弁摺動機構
２ｂ 環形主弁水密機構
３ 環形副弁
３ａ 環形副弁摺動機構
３ｂ 環形副弁摺動アーム
４ ランナシャフト
５ ランナクラウン
６ ランナブレード
６ａ ランナブレード放射渦流受口
６ｂ ランナブレード水流溢止めリブ
６ｃ ランナブレード水流放出門
７ 放出水ハウジング
７ａ プラント設置用構造体上面
８ 発電機等の水車負荷
９ ランナ回転力発生ブレード水流
９ａ 受入元圧力水流
９ｂ 半圧力半運動エネルギー保有渦流
９ｃ 回転円盤状内向放射渦水流
９ｄ エネルギー保有逃し放出水流
９ｅ 回転エネルギー変換後の放出水流
９ｆ 主副の制御弁を全閉し水流停止状態の全圧力エネルギー水
９ｇ 所用エネルギー変換を終了した放流水
Ｌａ 環形主弁２の内径（回転円盤状内向放射渦水流の直径）
Ｌｂ ランナブレード水流放出門６ｃの回転直径
Ｌｃ 環形主弁(２)と環形副弁（３）との開口（隙間）寸法（回転円盤状内向放射渦水流の厚さ）
Ｌｄ 環形副弁（３）と放射口環形弁基材側（１ｄ）の弁構成部（エネルギー保有水逃し放出弁）開口寸法
Ｖ 回転円盤状内向放射渦水流９ｃの流速
Ｖｕ 回転円盤状内向放射渦水流９ｃの放射水量分の流速成分
Ｖω 回転円盤状内向放射渦水流９ｃの回転速度成分
θ 回転円盤状内向放射渦水流９ｃの放射方向と放射点から軸芯方向（半径線）との成す角

Claims (2)

1. 導水管より導かれた受入元圧力水流（９ａ）を螺旋管（１）に流入する前に、渦流速調整可動門（１ａ）にて水流断面積を絞りそのエネルギーの約半分を速度運動エネルギーに変換し螺旋管内に半圧力半運動エネルギー保有渦流（９ｂ）として蓄え、螺旋管のランナ側の放射口上流側円筒基材（１ｂ）と放射口環形弁基材側（１ｄ）の間に主要制御弁としてランナ軸芯を共通芯にランナを囲むように放射口上流側円筒基材（１ｂ）に環形主弁摺動機構（２ａ）を介し更に環形主弁水密機構（２ｂ）によりランナ軸方向に平行に自在に摺動する環形主弁（２）と更に隣接して主弁と同様な環形副弁（３）を螺旋管のランナ側の放射口下流側円筒基材（１ｃ）に環形副弁摺動アーム（３ｂ）と環形副弁摺動機構（３ａ）を介して設け、全負荷時水流は環形副弁（３）と放射口環形弁基材側（１ｄ）の弁構成を完全に閉塞し環形主弁（２）と環形副弁（３）との開口寸法（Ｌｃ）を最大設定流量に合わせ其の隙間から全運動慣性エネルギーに変換して回転円盤状内向放射渦水流（９ｃ）をランナブレード放射渦流受口（６ａ）に向け放射しランナ回転力発生ブレード水流（９）とすることで水量追随運転を容易にし、部分負荷時水流は全負荷時水流の状況による二つの環形弁の摺動設定位置から、環形副弁（３）を部分負荷時に必要な回転円盤状内向放射渦水流（９ｃ）のエネルギー流量となるよう環形主弁(２)の方向へスライドさせ開口寸法（Ｌｃ）を狭くすることに依り必要エネルギーを確保すると同時に環形副弁（３）と放射口環形弁基材側（１ｄ）の弁構成部開口寸法（Ｌｄ）が反対に同じ移動量で部分開状態となりエネルギー保有逃し放出水流（９ｄ）が放出され、導水路の水量、即ち水路式発電プラントの取水量や放流水を変化させることなく広範囲に負荷追随の部分負荷運転に移行する均衡制御運転が可能になり、更に緊急停止時の急激動作の場合には同様に導水路のウォーターハンマー現象を防止する緊急回避ダンパー機能を併せ持つ様に考案改良配設し、小水力発電に欠かせない多機能を備えた回転円盤状内向放射渦水流（９ｃ）を放射することを特徴とする衝動型ハイドロタービン。
2. 前記ランナブレード放射渦流受口（６ａ）に達した全運動慣性エネルギー取得回転円盤状内向放射渦水流（９ｃ）は軸芯を共有する環形主弁（２）から放射し、全ブレードに同時に均一に切れ目なく連続的に作用する為、水量と負荷の変動による反作用に起因る変動を除き、衝動型タービン特有のランナ回転による衝撃力の繰返しが無くなり騒音と金属疲労による損壊を抑え、更に、急激な反射挙動をしないようにランナクラウン（５）に強固に支持されたランナブレード上で全運動慣性エネルギーから機械的動力に徐々に変換する整流を形成するように水流とブレード関で動体移動方向と遠心力の相関バランスをとり順次水速を落としランナー回転エネルギーに変換移行させるように滑らかに曲線を描くランナクラウンとブレードは水量の変化に対しても整流を維持し高効率を維持する効果を上げ、フランシス水車で用いられるバント構造は塵芥が絡み付く原因となるため採用せず、回転遠心力によるブレード外への水流の飛散を防止するランナブレード水流溢止めリブ（６ｂ）を設け、回転前後のリブ間は塵芥がそのリブに絡まった状態で下流側へ水流と共に自然排除されるように一定の間隔を保持し、放射渦流を最初に受け各ブレードに水流を分断分配するランナブレード放射渦流受口（６ａ）は塵芥が絡み付く場所であるが、放射渦流の進入方向と分断刃先の成す角を１２０度程度と下流側へ斜角にすることで渦流の揺らぎに応じ徐々に下流側に移動し、遂にランナブレード水流放出門（６ｃ）に達しブレード上の水流と共に自然排除される様に考案改良配設し、小水力発電に欠かせない多機能を備えたランナブレードを装着したことを特徴とする請求項１に記載の衝動型ハイドロタービン。

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