JP6464492B2 - Small hydro turbine - Google Patents
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Description
本発明は、河川流水のエネルギー密度を上げる誘導ダクトに接続して使用する水車として、より広範囲な設置条件の小水力発電に適応する水車を提供する。 The present invention provides a water turbine adapted to small hydropower generation in a wider range of installation conditions as a water turbine used by being connected to an induction duct that increases the energy density of river water.
特開2015−169204の小水力発電装置で採用した簡易水車は、上半分を開放したダクトスプーンの中に水車ランナーを落とし込んで使用する構造であったが、この構造では河川の段差(落差)が低く、或いは河川水の流速が遅い場合には有効であっても段差が高くなり或いは流速が早くなった場合,即ち誘導ダクトの吐出圧が高くなった場合には水車ランナーとそれを包含するダクトスプーンとのわずかな隙間から高圧水の漏れが多くなり、誘導ダクトの吐出水を有効に利用できない問題があった。
また、誘導ダクトの吐出圧が高くなり水車ランナーの回転数が上昇するとランナーブレードに排水が汲み揚げられてブレード間に排水が溜まってしまい、結果的に水車効率の低下を招く問題があった。The simple water turbine employed in the small hydroelectric generator disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-169204 has a structure in which a water turbine runner is dropped into a duct spoon with the upper half opened, but in this structure there is a level difference (fall) in the river. If the flow rate is low or the flow rate of the river water is slow, the level difference becomes high or the flow rate becomes high, that is, if the discharge pressure of the induction duct becomes high, the turbine runner and the duct containing it. There was a problem that high-pressure water leaked from a slight gap with the spoon, and the discharge water from the induction duct could not be used effectively.
Further, when the discharge pressure of the induction duct is increased and the rotation speed of the turbine runner is increased, the drainage is pumped up by the runner blade and the drainage is accumulated between the blades. As a result, the turbine efficiency is lowered.
特開2015−169204小水力発電装置で採用した簡易水車の使用範囲をさらに拡大し、多種多様な河川条件に適応する水車の開発を課題とする。An object of the present invention is to further expand the range of use of a simple water turbine adopted in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-169204, and to develop a water turbine adapted to various river conditions.
水車ランナーと当該水車ランナーを軸方向の両側から抑え込むエンクロージャ型の水車ブラケットとの間にランナー室の圧力を封じるラビリンス構造を有し、且つ水車ブラケットの軸貫通部に軸封水装置を設けた事を特徴とする横軸型の小水力発電用水車It has a labyrinth structure that seals the pressure in the runner chamber between the turbine runner and the enclosure type turbine turbine bracket that holds the turbine runner from both sides in the axial direction, and a shaft seal water device is provided at the shaft penetration of the turbine turbine bracket. Horizontal axis type small hydroelectric turbine
請求項1に記載の水車で、水車ランナー室に流水変向板及び流水抑制板を有し、高圧流水を効率よくランナーブレードに作用させる構造を有する横軸型の小水力発電用水車2. The water turbine according to
水車軸を有するランナードラムと流水を受けるブレード数枚とから成る水車で、ブレードのランナードラム付け根部分とブレード間に汲み上げられる水車排水をスムースに落下させる為の排水孔を設けたブレードとランナードラムから成る横軸型の小水力発電用水車It is a water wheel consisting of a runner drum having a water wheel shaft and several blades that receive flowing water. From the blade and runner drum provided with drain holes for smoothly dropping the water drainage of the water wheel pumped between the blade runner drum root and the blade. A horizontal axis type small hydroelectric turbine
請求項3に記載の水車ランナーのブレード間に水車の排水が汲み上げ難い構造とする為に、水車ランナーを軸方向(側面)から見て、ランナードラムに取付けられるブレードの内周端より反回転方向にθの遅れ角度を有してブレードの外周端を取付けたランナーブレードを有する横軸型の小水力発電用水車In order to make it difficult for water turbine water to be pumped between the blades of the turbine runner according to
河川水のエネルギー密度を高めた誘導ダクトから吐出される高圧水が流入する水車をエンクローズドし、水車ランナーと水車ブラケットとの間にラビリンス構造及び水車ブラケットの軸貫通部に軸封水装置を設け、且つその高圧流水を効果的にランナーブレードに作用させる装置として流水変向板及び流水抑制板を設けた構造で、水車の効率増加が見込める。
また、ランナーブレードの付け根(ブレード内周端)に排水孔を設けた事でブレード間に汲み揚げられる排水を容易に振り落すことができ、ランナーのより高速運転が可能となる。
また、ブレードの外周端をブレードの内周端からランナーの反回転方向にθの遅れ角度を以って取付けることにより、水車排水がブレードに汲み揚げられ難い形状となる為ランナーの高速運転及び効率増加が見込める。 尚、この遅れ角度は、ある範囲で水車ランナーの回転速度に比例した値とする。
これらの特徴を持った小水力発電用水車は、高段差(落差)の河川から高流速の河川に至るまで広範囲な設置条件を持つ河川に適用される。Encloses the turbine in which high-pressure water discharged from the induction duct that increases the energy density of river water flows in, and provides a labyrinth structure between the turbine runner and the turbine bracket and a shaft seal water device in the shaft penetration of the turbine bracket In addition, with the structure in which the flowing water diverting plate and the flowing water suppressing plate are provided as a device that effectively causes the high-pressure flowing water to act on the runner blade, an increase in the efficiency of the water turbine can be expected.
Further, by providing a drainage hole at the root of the runner blade (blade inner peripheral end), the drainage pumped between the blades can be easily shaken off, and the runner can be operated at a higher speed.
In addition, by attaching the outer peripheral edge of the blade from the inner peripheral edge of the blade with a delay angle of θ in the counter-rotating direction of the runner, the turbine drainage becomes difficult to be pumped to the blade, so the runner's high speed operation and efficiency An increase is expected. This delay angle is a value proportional to the rotational speed of the turbine runner within a certain range.
Small hydroelectric turbines with these characteristics are applied to rivers with a wide range of installation conditions, from rivers with high steps (heads) to rivers with high flow velocities.
本発明の小水力発電用水車は、特開2015−169204で採用した簡易水車の実施例として用いられるもので、小河川の段差を利用して段差上流部と段差下流部とに河川流水のエネルギー密度を高める誘導ダクトを掛け、段差下流の狭搾出口に本発明の小水力発電用水車を接続して用いる。 当該小水力発電用水車と誘導ダクトとは接続されて一体化し、河川の両岸に渡された上下移動可能な井桁状の渡し架台に取付けられた懸垂架台に設置され、河川の水位に応じて水車出力が最大となる任意の位置に上下移動できることを特徴とする。 無論本川脇に発電用水車専用の水路を作り、水車を固定して専用水路の水位を調整する方法もあるが、この方法では土木費がかさみ、「安価な発電装置の提供」の趣旨を逸脱する為、ここでは例外の案件とした。
以下、実施例を図面に基づいて説明する。The water turbine for small hydropower generation of the present invention is used as an example of a simple water turbine adopted in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2015-169204, and uses the step of a small river to energize river water to the upstream and downstream of the step. The induction duct which raises a density is hung, and the water turbine for small hydropower generation of this invention is connected and used for the narrowing exit downstream of a level | step difference. The small hydropower turbine and the induction duct are connected and integrated, and are installed on a suspension platform attached to a cross-girder-shaped transfer platform that can be moved up and down on both banks of the river, depending on the water level of the river It is possible to move up and down to an arbitrary position where the turbine output is maximized. Of course, there is also a method of adjusting the water level of the exclusive waterway by creating a waterway dedicated to the power generation waterwheel on the side of the main river, but this method increases the cost of civil engineering, and deviates from the idea of `` providing an inexpensive power generator '' In order to do this, it was an exception.
Embodiments will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明の小水力発電用水車を構成する水車ランナー図である。
(図1−a)は、水車ランナーの正面図である。 ブレード4の内周端(ランナードラムへの取付端)に汲み上げた排水を容易に落下させる為の排水孔6を設け、ブレードによる汲み揚げ水をいち早く落下させ、ランナーの高速回転を可能にした構造である。
(図1−b)で水車ランナーの回転が速くなると水車排水の一部を汲み揚げて、ランナードラム5とブレード4間とに囲まれた空間に排水を溜めてしまい、水車効率を低下させる。 その為、本考案はランナーブレードの取付け位置を内周端9より反回転方向にθ角度遅らせた位置にブレードの外周端8を取付けることにより、ブレードの内周端9が軸水平線に来ても汲み上げ水が溜まり難い構造とした。 尚このブレード外周端の取付け角度7は、水車ランナーの回転速度に応じて大きくする。
(図1−c)は、ラビリンス構造を判り易く拡大した図である。
ランナーリング2の凸部とブラケットリング10の凹部とは接触することなく組み合わされて1対のラビリンス構造を形成する。
また水車ブラケット19のランナー主軸1の貫通部には軸封水装置13を設けることによって水車ランナー室の高圧水は封じられ、ほぼその全量をランナーブレードに作用する構造である。FIG. 1 is a water wheel runner diagram that constitutes a small hydroelectric turbine of the present invention.
(FIG. 1-a) is a front view of a water turbine runner. A drain hole 6 is provided in the inner peripheral end of the blade 4 (attachment end to the runner drum) for easily dropping the drained water, and the pumped water is quickly dropped by the blade, enabling the runner to rotate at high speed. It is.
When the rotation of the water turbine runner becomes faster in FIG. 1-b, a part of the water turbine drainage is pumped up, and the water drainage is accumulated in the space surrounded by the space between the runner drum 5 and the blade 4, thereby reducing the turbine efficiency. Therefore, the present invention attaches the outer peripheral end 8 of the blade to the position where the mounting position of the runner blade is delayed by θ angle in the counter-rotating direction from the inner peripheral end 9, so that the inner peripheral end 9 of the blade comes to the horizontal axis. The structure is such that the pumped-up water does not collect easily. Note that the attachment angle 7 of the outer peripheral edge of the blade is increased according to the rotational speed of the turbine runner.
(FIG. 1-c) is an enlarged view of the labyrinth structure in an easily understandable manner.
The convex portion of the
Further, by providing a shaft sealing
図2は、小水力発電用水車の正面図と側面の断面図である。
(図2−a)は水車の接続フランジ14側から見た正面図で、ラビリンスの取付け位置15及び軸封水装置13の取付け位置を示す。
ランナーリングの凸部とブラケットリングの凹部とを組み合わせて一対と成すラビリンス構造と軸封水装置は、水車ランナー室20に流入した高圧水のほぼ全量をランナーブレードに作用させる効果がある。 尚このラビリンス構造は、水車ランナー室20の水圧によって2対,3対と凹凸のラビリンス構造を増すことになる。
また固定されたブラケットの軸貫通部にはグランドパッキンやメカニカルシール等の軸封水装置13を設け、ランナー主軸のブラケット貫通部からの高圧水の漏れを防ぐ構造とした。 これらラビリンス構造と軸封水装置によって、水車のランナー室20に流入する高圧水のほぼ全量を有効に利用することができる。
(図2−b)の流水変向板16は、接続フランジ14から流入する高圧水をできるだけ多くのランナーブレードに作用させるための装置で、例えば図6の小水力発電用水車の用法図の(図6−b)に示す高段差の河川に用いる場合、この流水変向板はランナー外周部に沿って長くし、より多くのランナーブレードに高圧流水を作用させる効果がある。
また流水抑制板17は、ランナーブレードの外周端間の寸法より長い幅とし、水車ランナー室20に流入した高圧水が反回転方向に作用するのを抑制する効果がある。FIG. 2 is a front view and a side sectional view of a water turbine for small hydropower generation.
(FIG. 2-a) is the front view seen from the
The labyrinth structure and the shaft seal water device, which are formed by combining the convex portion of the runner ring and the concave portion of the bracket ring, have an effect of causing almost all of the high-pressure water flowing into the
Further, a shaft
The flowing water
The flowing
図3は、河川流水のエネルギー密度を高める誘導ダクトの図である。
広口の取水口25と狭搾の吐出口とを耐圧板26のダクトで結び、設置河川の状況によってその長さと取水口,吐出口のサイズが変わる。 取水口には小動物や子供等の浸入を防ぐ防護柵22を設け、ダクト内部には河川流水を効率よく吐出口へ導く為の整流板27を設けた。 本考案では、整流板を1枚としているが、誘導ダクトのサイズによって2枚,3枚とすることができる。FIG. 3 is a diagram of an induction duct that increases the energy density of river water.
The
図4は、小水力発電装置を設置した側面概要図である。
河川流水のエネルギー密度を高める誘導ダクトとその狭搾された吐出口の接続フランジ24に小水力発電用水車の接続フランジ14とをボルト止めして一体と成し、それらをダクト吊りボルト37,懸垂架台34及び渡し架台33等で、固定し、洪水時にあっても冠水しない高さに発電機を取付け、水車の主軸と発電機の主軸との間に増速装置を設けた構造である。 本考案では、水車の回転数と発電機が要求する回転数とにかなりの乖離がある為にその中間に増速装置を設けたが、その乖離が許容範囲に在る場合は、増速装置を省くことがある。FIG. 4 is a schematic side view in which a small hydroelectric generator is installed.
The connecting
図5は、小水力発電装置を設置した平面概要図である。
先ず河川流水は、ゴミ除けスクリーンGにより河川水の自然ゴミや生活ゴミ等を捕獲し、誘導ダクト取水口内への浸入を防ぐ。 ゴミ除けスクリーンGを通過した河川水は誘導ダクト28へ流入し、水圧と流速とを増して当該水車の入口である接続フランジ14に導かれる。FIG. 5 is a schematic plan view in which a small hydroelectric generator is installed.
First, the river water captures natural and domestic waste of river water by the dust screen G to prevent entry into the intake duct intake. The river water that has passed through the dust screen G flows into the
当該水車の接続フランジ14に流入した高圧水流は、水車のラビリンス構造と軸封水装置によってランナー室に封じられ、且つその流速方向を流水変向板16及び流水抑制板17等で、ほぼその全量を効果的にランナーブレードに作用させる構造である。 高圧水のエネルギーを水車ランナーに伝達し終えた河川水は当該水車の排水口から段差下流の河川に戻される。The high-pressure water flow that has flowed into the connecting
台風,大雨等一時的な増水に対して、段差上流水位が誘導ダクトの取水口天端以下であればその増水エネルギーの大半は水車の回転力として消滅し、残りはゴミ吐き出し口38より段差下流へ放流される。 一時的増水がさらに増して誘導ダクトの取水口天端を超えた場合、河川の増水は誘導ダクトの平面形状が絞られた構造になっている為、その大半は水車までの途中で段差下流の水面に落下してしまう。(図4及び図5) If the water level upstream of the step is below the top of the intake duct inlet for temporary water increases such as typhoons and heavy rains, most of the water increase energy will disappear as the rotational force of the turbine, and the rest will be downstream from the
河川水の豊水期及び渇水期等河川水位の長期的変化に対しては、誘導ダクトと当該水車,増速機,発電機等主要機器を支持している井桁状の渡し架台を油圧ジャッキやスクリュウジャッキ,連接棒,操作ハンドル装置等で上下移動させ、任意の高さに設置することができる。 In response to long-term changes in river water levels such as during the flooding and drought periods of river water, hydraulic girder jacks and screws are installed with induction ducts and well-shaped crossovers that support major equipment such as water turbines, gearboxes, and generators. It can be moved up and down with a jack, connecting rod, operation handle device, etc., and installed at an arbitrary height.
小河川に設置して使用する小水力発電装置は、その設置条件が余りに多種多様である為、幾つも運転条件を設定し、極めて狭い条件下での運転を余儀なくされる。
本発明の小水力発電用水車は、そうした設置条件を少しでも和らげ、より多くの小河川に適用する地産地消型の発電装置として小河川の持っている潜在エネルギーの活用をめざすものである。
町中にあっては防犯灯の電源として、農村地帯にあっては、電照栽培用の電源や電気柵の電源として、また電動工具用バッテリーやEV車の充電用として利用することが想定される。Small hydroelectric power generators installed in small rivers are used in a wide variety of conditions, so that many operating conditions are set, and operation is extremely limited.
The water turbine for small hydropower generation of the present invention aims to utilize the potential energy possessed by a small river as a local production for local consumption type power generation device that can be applied to a larger number of small rivers.
It is expected to be used as a power source for crime prevention lights in towns, as a power source for electric lighting and electric fences in rural areas, and as a battery for electric tools and EV cars. The
(図1)
1 ランナー主軸
2 ランナーリング
3 ランナー側板
4 ランナーブレード
5 ランナードラム
6 ブレード排水孔
7 ブレード外周端の取付け角度
8 ブレード外周端
9 ブレード内周端
10 ブラケットリング
11 ブラケット固定ボルト
12 水車カバー
13 軸封水装置
(図2)
14 接続フランジ
15 ラビリンス
16 流水変向板
17 流水抑制板
18 水車排水口
19 水車ブラケット
20 水車ランナー室
(図3)
21 ワイヤーフック
22 防護柵
23 引掛けアングル
24 吐出口フランジ
25 取水口
26 耐圧板
27 整流板
(図4)
28 誘導ダクト
29 吊りワイヤー
30 小水力発電用水車
31 増速機
32 発電機
33 渡し架台
34 懸垂架台
35 リードボルト
36 ダクト吊り架台
37 ダクト吊りボルト
38 ゴミ吐き出し口
(図4)(図5)
A 段差上流川底
B 河川段差
C 段差下流川底
D 護岸
E 河川護岸天端
F 上流水面
G ゴミ除けスクリーン
H 落差
K 下流水面
S 流水方向
R 回転方向
θ 遅れ角(Figure 1)
DESCRIPTION OF
14
21
28 Induction duct 29
A Step upstream riverbed B River step C Step downstream riverbed D Revetment E River revetment crest F Upstream surface G Waste screen H Head K Downstream surface S Flow direction R Rotation direction θ Delay angle
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