JP6488111B2 - 軸流水車発電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施の形態は、軸流水車発電装置に関する。

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ー源として、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ー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。

このような発電装置は、海流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する水平軸揚力型ランナを備えている。一般的にランナの軸端における出力は次式で表され、高効率で直径の大きい翼を採用する場合には大きな出力が得られる。
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。この値を算出する際には考慮されないが、実際の翼では、（１）翼の後流における損失、（２）翼断面の抵抗による損失、（３）翼端渦による損失等が生じることが多く、これらの損失を考慮すると翼効率は０．５程度となる。

欧州特許出願公開第１１５２１４８号明細書

しかしながら、このような水平軸揚力型ランナを水流中で稼動する場合には、水流中で稼動することが原因となって翼効率が低下し、上述した翼効率を得ることが困難になる。このため、水流中で稼動するランナの効率の低下を抑制して、所望する出力を得ることができるランナの開発が望まれる。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、水流中で稼動するランナから所望の出力を得ることができ、ランナの出力を向上させることができる軸流水車発電装置を提供することを目的とする。

実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼の翼弦長は、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の１．０倍より大きく、３．０倍以下となっている。

また、実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼は、第１の捻り角で形成されており、第１の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の０．８倍以上１．０倍未満となっている。

また、実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼は、筒状体内に埋め込まれた円筒表面を有する埋込部分と、筒状体の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分と、埋込部分と翼本体部分との間に設けられ、埋込部分の円筒表面から前記翼本体部分の翼型形状に遷移する外表面を有する遷移部分と、を含んでいる。遷移部分の半径方向長さは、ランナの半径の２５％以下となっている。

さらに、実施の形態による軸流水車発電装置は、筒状体と、筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、筒状体に内蔵され、ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備えている。ランナ翼の先端は、当該ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられている。

図１は、第１の実施の形態において、軸流水車発電装置を示す概略図である。 図２は、上流側から見た図１のランナ翼を示す図である。 図３は、図２のＡ−Ａ線断面図である。 図４は、第１の実施の形態におけるランナ翼の作用を説明するためのグラフである。 図５は、第２の実施の形態において、上流側から見たランナ翼と各半径位置におけるランナ翼の断面とを示す図である。 図６は、図５のランナ翼を示す、図３と同様の断面図である。 図７は、第２の実施の形態におけるランナ翼の作用を説明するためのグラフである。 図８は、第３の実施の形態において、上流側から見たランナ翼を示す図である。 図９は、図８のＢ矢視図である。 図１０は、第３の実施の形態におけるランナ翼の作用を説明するためのグラフである。 図１１は、第４の実施の形態において、側方から見たランナ翼を示す図である。 図１２は、図１１の変形例を示す図である。 図１３は、第５の実施の形態において、ランナ翼を示す、図３と同様の断面図である。 図１４は、停止時における図１３のランナ翼の形状を示す、図９と同様の図である。 図１５は、図１４のランナ翼の運転時における形状を示す図である。

以下、図面を参照して実施の形態について説明する。

（第１の実施の形態）
まず、図１乃至図４を用いて、本発明の第１の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。軸流水車発電装置は、さまざまな発電手法に適用することが可能であるが、例えば、海中に設置されて海流発電（または潮流発電）に好適に適用することができる。

図１に示すように、軸流水車発電装置１は、ナセルとも称される内筒（筒状体）２と、内筒２に回転自在に設けられ、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナ３と、内筒２に内蔵され、ランナ３の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機４と、を備えている。このうちランナ３は、水流の主流方向に沿う回転軸線Ｘを中心に回転する水平軸揚力型ランナとして構成されている。図１に示すＲは、ランナ３の半径（翼半径）を示している。発電機４は、内筒２に内蔵された連結軸５を介してランナ３に連結されている。これにより、ランナ３の回転が連結軸５を介して発電機４に伝達され、発電機４が、ランナ３の回転により発電を行うように構成されている。軸流水車発電装置１を海流発電に適用する場合には、図１に示すように、内筒２は、係留ロープＲを介して海底Ｂにアンカ（係留）される。

ランナ３は、周方向に互いに離間した複数のランナ翼１０を有している。図２に示すように、各ランナ翼１０は、内筒２に埋め込まれた埋込部分１１と、内筒２の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分１２と、埋込部分１１と翼本体部分１２との間に設けられた遷移部分１３と、を含んでいる。このうち埋込部分１１は、半径方向に延びる軸を中心として形成された円筒表面１１ａを有しており、ランナ翼１０は当該軸を中心に回動可能になっている（ピッチコントロール機能）。このようにして、本実施の形態によるランナ翼１０は、非常時にランナ翼１０に付加される流体力を軽減するためにランナ翼１０を回動可能になっている（フェザリング機能）。また、埋込部分１１が円筒表面１１ａを有していることにより、内筒２との取合い構造の簡素化を図っている。なお、埋込部分１１、遷移部分１３および翼本体部分１２を含むランナ翼１０は、中実状に形成されていることが好ましいが、ランナ翼１０としての所望の強度を確保可能であれば、中空状に形成されていてもよい。

翼本体部分１２は、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換する主要な部分を意味する。より具体的には、翼本体部分１２は、各半径位置における翼型の輪郭が相似形をなして漸次変化するように形成されている。翼型の輪郭は、各半径位置において互いに相似形をなすように形成されていてもよく、あるいは、翼本体部分１２を半径方向に複数の領域に分割して、各領域における翼型の輪郭が互いに相似形をなすように形成されていてもよい。

遷移部分１３は、埋込部分１１の円筒表面１１ａから翼本体部分１２の翼型形状に遷移する外表面１３ａを有している。このようにして、遷移部分１３は、埋込部分１１から翼本体部分１２に向って漸次変形し、埋込部分１１の円筒表面１１ａと翼本体部分１２の外表面１３ａとを、滑らかに連続する形状で接続している。

図３に、半径方向内側に向って見たときの、ある半径位置におけるランナ翼１０の断面を示す。ここには、ランナ翼１０に流入する流れの速度ベクトルも示されている。ｕはランナ３の周速度、ｖは水流の絶対速度、ｗは、周速度ｕと絶対速度ｖとを合成した相対速度を示している。

ランナ翼１０の翼弦長（コード長）は、図３に示すように、ランナ翼１０の前端と後端との距離を示しており、前端と後端とを結ぶ翼弦線Ｌ_Ｃと、水流の相対速度ｗで示すベクトルとがなす角度が迎え角αとなる。この迎え角αを所望の角度とするために、ランナ翼１０は、ランナ３の回転軸線Ｘに対して捻り角βで捻られている。なお、ランナ翼１０は、翼弦長が半径方向外側に向って一定の割合で減少するように形成されることが一般的である。

ところで、風車に代表されるような気流中で動作する水平軸揚力型ランナは、所定の周速比（ランナの周速度／無限遠方流速）に対して所定の最適翼弦長を持ち、両者の間には、質素運動量理論によって下記の関係があるとされている（例えば、牛山泉著、「風力エネルギーの基礎」、第１版、オーム社、２００５年７月）。
Ｃ_ｏｐｔ／Ｒ×λ^２×Ｃ_Ｌｄｅｓ×ｒ／Ｒ≒１６／９×π／ｎ・・・（１）

ここで、Ｃ_ｏｐｔは最適な翼弦長、Ｒはランナ３の半径（ランナ直径の１／２）、λは設計周速比、Ｃ_Ｌｄｅｓは設計揚力係数、ｒはランナ３の任意の半径位置、ｎは翼枚数を示している。なお、設計揚力係数は、翼型（翼断面形状）の揚抗比（揚力／抗力）が最大となる迎え角における揚力係数であり、選定する翼型とレイノルズ数Ｒｅで決まる。レイノルズ数Ｒｅは、各半径位置における相対流入速度をｗ、翼弦長をＣ_ｏｐｔ、密度をρ、粘性係数をμとしたときに、次式で表される。
Ｒｅ＝ρ×ｗ×Ｃ_ｏｐｔ／μ・・・（２）

定格流速と定格回転速度が定まれば、各半径位置における翼弦長理論値（Ｃ_ｏｐｔ）は、上述した式（１）を用いて翼素運動量理論により求めることができる。しかしながら、水中で動作する水平軸揚力型ランナでは、気流中で動作する風車と比較して流速が遅く、ランナ３の回転速度も遅くなる。このため、風車用に開発された同程度の大きさの高性能翼型を水車に使用する場合、レイノルズ数Ｒｅが低くなる。一般的に、翼型の性能は、レイノルズ数Ｒｅが大きくなるにつれて向上する傾向にあるが、レイノルズ数Ｒｅが１０^５を境にクリティカルな性能変化を示す場合が多く、ランナ３の各半径位置においてレイノルズ数Ｒｅが１０^５を下回る箇所が多ければ、所望の性能を満たすことが困難になる。

水車のランナ３の出力を向上させるためには、より高性能な翼型を用いるか、あるいは翼弦長を長くすることが効果的と考えられる。しかしながら、前者に飛躍的な性能向上を求めることは困難である。一方、後者はランナ翼１０に作用する力を大きくすることができるため出力向上が期待できる。しかしながら、翼弦長を極端に増大させると、翼弦長の増大を起因とする抗力が増大するため、ランナ３の回転数が低下する。加えて、ランナ翼１０に作用する流体力（揚力と抗力）が増大するが、増大した流体力に耐えるためにランナ翼１０を高強度化した場合には、製作上の問題や、コスト増を招く懸念が生じる。

そこで本実施の形態では、ランナ翼１０の翼本体部分１２の翼弦長を、各半径位置において、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の１．０倍より大きく、３．０倍以下としている。すなわち、翼弦長を翼弦長理論値の１．０倍より大きくすることにより、ランナ翼１０の翼本体部分１２に作用する水流の流体力を大きくすることができ、ランナ３の出力向上を図ることができる。一方、翼弦長を翼弦長理論値の３．０倍以下とすることにより、翼弦長の増大を起因とする流体力の増大によってランナ３の回転数が低下することを抑制できるとともに、製作性の確保やコスト増の回避を図っている。

図４に、翼弦長とランナ３の出力との関係を示す。図４の横軸は翼弦長（Ｃ_ｄｅｓ）／翼弦長理論値（Ｃ_ｏｐｔ）を示し、縦軸は出力（Ｐ_ｄｅｓ）／定格出力（Ｐ_{ｒａｔｅｄ}）を示している。図４には、比較として気流中で稼動した場合の翼弦長とランナ３の出力との関係が破線で示されているが、この場合には、図示されているように、翼弦長が翼弦長理論値となる場合（翼弦長／翼弦長理論値＝１となる場合）に、ランナ３の出力が最も高くなることがかわる。

これに対して本実施の形態の軸流水車発電装置１では、図４の実線で示すように、翼弦長／翼弦長理論値が１．０よりも大きく３．０以下となる範囲において、ランナ３の出力を定格出力の６０％以上とすることができる。この場合、翼素運動量理論を水車に適用したことによるランナ３の出力の低下分を補うことができる。また、翼弦長／翼弦長理論値が２．２以上２．５以下となる範囲において、ランナ３の出力を定格出力にほぼ等しくすることができ、ランナ３の出力をより一層向上させることができる。図４に示す例では、翼弦長／翼弦長理論値が、２．３前後となる場合にランナ３の出力が最も高くなっている。

このように本実施の形態によれば、ランナ翼１０の翼弦長が、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の１．０倍より大きく、３．０倍以下となっている。このことにより、翼素運動量理論から求まる気流中での稼動の場合に最適な翼弦長理論値から、水流中で稼動するランナ翼１０として好適な翼弦長を得ることができ、ランナ３の出力を増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ３から所望の出力を得ることができ、ランナ３の出力を向上させることができる。

（第２の実施の形態）
次に、図５乃至図７を用いて、本発明の第２の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図５乃至図７に示す第２の実施の形態においては、ランナ翼は、第１の捻り角で形成されており、第１の捻り角が、幾何学的に求まる捻り角理論値の０．８倍以上１．０倍未満である点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５乃至図７において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図５には、図２と同様に上流側から見たランナ翼１０が上側に示されており、そのランナ翼１０の各半径位置における断面が下側に示されている。ランナ翼１０の断面は、ここでは、半径方向外側に向って見たときの断面として示されており、ランナ翼１０の捻り角βが各半径位置において異なる様子が示されている。

一般的に、ランナ翼１０の捻り角βは、半径方向外側に向って見たとき（すなわち図５に示す状態）の反時計回りの方向に、半径方向外側に向うにつれて徐々に捻られて、徐々に小さくなっている。言い換えると、捻り角βは、半径方向内側に向って見たときの時計回りの方向に徐々に捻られている。

このようなランナ翼１０の捻り角βは、各半径位置において所望の抑え角α（図３参照）が得られるように決定され、より具体的には、定格流速と定格回転数によって幾何学的に決定される。以下に、幾何学的に捻り角βを決定する方法についてより詳細に説明する。

ランナ翼１０に流入する流れの絶対速度ｖと相対速度をｗとがなす角度γは、以下のように表される。
ｔａｎγ＝（３×ｒ×λ）／（２×Ｒ）・・・（３）
ここで、ｒはランナ３の任意の半径位置、Ｒはランナ３の半径（ランナ直径の１／２）であり、λは設計周速比であって、ランナ３の角速度をωとすると、以下のように表される。
λ＝（ω×Ｒ）／ｖ・・・（４）

式（３）により得られたγを用いると、捻り角βは以下のように表され、これにより、ランナ翼１０の捻り角βが幾何学的に決定される。
β＝９０°−γ−α・・・（５）

しかしながら、水流中で動作する水平軸揚力型ランナでは、上述したように、気流中で動作する風車と比較して流速が遅く、ランナ３の回転速度も遅くなる。このため、風車用に開発された同程度の大きさの高性能翼型を水流中で動作させる場合であっても、レイノルズ数Ｒｅが低くなり、所望のランナ３の出力が得られない傾向にある。

水車のランナ３の出力を向上させるためには、定格回転速度よりも大きな周速比を設定して高速でランナ３を回転させることにより、レイノルズ数Ｒｅを大きくすることが効果的と考えられる。しかしながら、周速比を極端に増大させると、翼に作用する抗力が増大するため、ランナ３の回転数が低下し、トルク不足となって出力が低下し得る。

そこで本実施の形態では、図６に示すように、ランナ翼１０の翼本体部分１２は、各半径位置において、第１の捻り角β_ｄｅｓで形成されており、第１の捻り角β_ｄｅｓが、幾何学的に決定される捻り角理論値β_ｏｐｔの０．８倍以上１．０倍未満となっている。言い換えると、ランナ翼１０は、半径方向内側に向って見たときの時計回りの方向に、捻り角理論値β_ｏｐｔの位置から所定の角度捻られて、第１の捻り角β_ｄｅｓで形成されている。ここでの所定の角度（β_ｏｐｔとβ_ｄｅｓとの差）は、０（ゼロ）より大きく、捻り角理論値β_ｏｐｔの２０％以下となっている。

第１の捻り角β_ｄｅｓを捻り角理論値β_ｏｐｔの１．０倍未満とすることにより、周速比を大きくし、ランナ３の出力向上を図ることができる。一方、第１の捻り角β_ｄｅｓを捻り角理論値β_ｏｐｔの０．８倍以上とすることにより、周速比の増大を起因とする抗力が増大してランナ３の回転数が低下することを抑制できる。

図７に、捻り角とランナ３の出力との関係を示す。図７の横軸は捻り角（β_ｄｅｓ）／捻り角理論値（β_ｏｐｔ）を示し、縦軸は出力（Ｐ_ｄｅｓ）／定格出力（Ｐ_{ｒａｔｅｄ}）を示している。図７に示されているように、捻り角／捻り角理論値が０．８以上１．０未満となる範囲でランナ３の出力を高めることができる。この場合、水車に適用したことによるランナ３の出力の低下分を補うことができる。図７に示す例では、捻り角／捻り角理論値が、０．９前後となる場合にランナ３の出力が最も高くなっている。

このように本実施の形態によれば、ランナ翼１０が、第１の捻り角で形成されており、第１の捻り角が、幾何学的に求まる捻り角理論値の０．８倍以上１．０倍未満となっている。このことにより、幾何学的に求まる気流中での稼動の場合に最適な捻り角理論値から、水流中で稼動するランナ翼１０として好適な捻り角を得ることができ、ランナ３の出力を増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ３から所望の出力を得ることができ、ランナ３の出力を向上させることができる。なお、本実施の形態による上述した効果は、第１の実施の形態とは独立して得ることができる。

（第３の実施の形態）
次に、図８乃至図１０を用いて、本発明の第３の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図８乃至図１０に示す第３の実施の形態においては、ランナ翼の遷移部分の半径方向長さが、ランナの半径の２５％以下である点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８乃至図１０において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

図８に示すように、遷移部分１３の外表面１３ａは、埋込部分１１から翼本体部分１２に向って漸次変形し、埋込部分１１の円筒表面１１ａと翼本体部分１２の翼型形状とを滑らかに連続する形状となっている。図９には、図８においてランナ翼１０の先端１０ａ（図１１参照）から半径方向内側に向って見たときのランナ翼１０の翼型形状が示されている。ここでは、種々の半径位置におけるランナ翼１０の輪郭が示されており、このうち二点鎖線で示されている輪郭が各半径位置における翼本体部分１２の輪郭を示し、実線で示されている輪郭が各半径位置における遷移部分１３の輪郭を示している。図８および図９に示すように、遷移部分１３は、埋込部分１１と翼本体部分１２とを滑らかに連続的に接続している。なお、図８の縦線は、図９に示す輪郭線と対応しており、図９に示す輪郭線の半径方向位置を示している。また、図８は、図９を紙面の上方から見た図になっている。

本実施の形態においては、図８に示すように、遷移部分１３の半径方向長さＬは、ランナ３の半径Ｒの２５％以下となっている。すなわち、遷移部分１３の半径方向長さＬ_Ｔは、所定の範囲で形成することができるが、長さＬ_Ｔの上限値は、ランナ３の半径Ｒの２５％とすることが好適である。一方、遷移部分１３の半径方向長さＬ_Ｔの下限値は、遷移部分１３の製造性によって定められる。より具体的には、遷移部分１３は、円筒表面１１ａを有する埋込部分１１と、翼型形状を有する翼本体部分１２とを接続するために３次元的に複雑な形状となり得るが、遷移部分１３の半径方向長さＬ_Ｔを過度に小さくすると、複雑な形状の遷移部分１３を製造することが困難になる。このため、遷移部分１３の下限値は、製造性を確保できれば、特に限られることはない。例えば、製造性を確保できれば、遷移部分１３の長さは０より大きい範囲で実現可能であるが、より好適には、製造性によって下限値が定められる。

図１０に、遷移部分１３の半径方向長さとランナ３の出力との関係を示す。図９の横軸は遷移部分１３の半径方向長さ（Ｌ_Ｔ）／ランナ３の半径（Ｒ）を示し、縦軸は出力（Ｐ_ｄｅｓ）／定格出力（Ｐ_{ｒａｔｅｄ}）を示している。図１０に示されているように、遷移部分１３の半径方向長さが小さくなるに従ってランナ３の出力が高められることが示されている。そして、遷移部分１３の半径方向長さ／ランナ３の半径が２５％以下となる範囲では、２５％より大きい範囲よりも、出力／定格出力の上昇の程度が小さくなっている。このことにより、遷移部分１３の半径方向長さ／ランナ３の半径が２５％以下となる範囲において、ランナ３の出力を効果的に高めることができる。

また、遷移部分１３の半径方向長さが小さくなるにつれて、出力の上昇の程度は小さくなっている。一方、遷移部分１３の半径方向長さが小さくなるにつれて、遷移部分１３の製造性が低下する。これにより、遷移部分１３の半径方向長さがある程度小さくなれば、出力の上昇という効果よりも、製造性の困難さが増すという影響が大きくなり得る。このため、遷移部分１３の半径方向長さは、過度に小さくならないことが好ましいと言える。例えば、製造性の点で、繊維部分１３の半径方向長さ／ランナ３の半径が１０％以上であることが好ましい。

以上により、遷移部分１３の半径方向長さ／ランナ３の半径は２５％以下とすることにより、ランナ３の出力を効果的に高めると共に、製造性が低下することを抑制できる。

このように本実施の形態によれば、ランナ翼１０の遷移部分１３の半径方向長さが、ランナ３の半径の２５％以下となっている。このことにより、翼本体部分１２の長さを確保して水流の運動エネルギーから変換される回転エネルギーを高めることができ、ランナ３の出力を増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ３から所望の出力を得ることができ、ランナ３の出力を向上させることができる。なお、本実施の形態による上述した効果は、第１の実施の形態とは独立して得ることができる。

（第４の実施の形態）
次に、図１１を用いて、本発明の第４の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図１１に示す第４の実施の形態においては、ランナ翼の先端が、ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図１１において、図１乃至図４に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

水流から流体力を受けるランナ翼１０は、気流中で動作するランナ３とは異なり、大きな流体力を受ける。このことにより、ランナ翼１０は、水流から流体力を受けている間、スラスト力を受けて下流側に撓むように変形し得る。このため、ランナ翼１０は、流体力を受けない状態において最適な形状となっていたとしても、この変形によって、効率が最も良くなる姿勢から下流側に撓むように変形し、効率が低下してランナ３の出力が低下し得る。このような流体力による変形を防止するためにはランナ翼１０の剛性を高めることが対策として考えられるが、剛性を高めるランナ翼１０は、技術的な観点とコストの観点とから製造が困難となり得る。

そこで、本実施の形態では、図１１に示すように、ランナ翼１０の先端１０ａが、当該ランナ翼１０の基端１０ｂよりも上流側に位置付けられている。ここで、ランナ翼１０の基端１０ｂとは、内筒２の外周面付近のランナ翼１０の部分を意味し、ランナ翼１０の先端１０ａとは、ランナ翼１０の半径方向外側の部分（図１１における上部）を意味している。

図１１に示す形態では、ランナ翼１０が、ランナ３の回転軸線Ｘに垂直な垂直面に対して傾斜しており、これによりランナ翼１０の先端１０ａが、ランナ翼１０の基端１０ｂより上流側に位置付けられている。ランナ翼１０の傾斜している領域は、ランナ翼１０の遷移部分１３から翼本体部分１２にわたっている。そして、上記垂直面とランナ翼１０とが、傾斜角θで傾斜していることが示されている。傾斜角θは、水流から流体力を受けた場合（とりわけ定格流速時）に、流体力によって変形してランナ翼１０の効率が最も良くなる姿勢（例えば、図１１に二点鎖線で示すようにランナ３の回転軸線Ｘに垂直な姿勢）に近づけられるような角度とすることが望ましい。このため、傾斜角θを過度に大きくすることは、流体力によってランナ翼１０の効率が最も良くなる姿勢にまで変形することが難しくなり、好ましくない。より具体的には、傾斜角θは、ランナ翼１０の材料や形状によって決まる強度に依存するが、例えば、４．５°〜６．５°程度とすることができる。なお、図１１に示すようにランナ翼１０を傾斜させる形態は、比較的小型の軸流水車発電装置１に好適に適用できる。

このように本実施の形態によれば、ランナ翼１０の先端１０ａが、当該ランナ翼１０の基端１０ｂよりも上流側に位置付けられている。このことにより、水流から流体力を受けて変形した場合にランナ翼１０の先端１０ａを、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができる。すなわち、ランナ翼１０のうちランナ３の出力増大に寄与し得る部分である先端を、効率が最も良くなる位置に近づけることができるため、ランナ３の出力を効果的に増大させることができる。このため、水流中で稼動するランナ３から所望の出力を得ることができ、ランナ３の出力を向上させることができる。なお、本実施の形態による上述した効果は、第１の実施の形態とは独立して得ることができる。

また、本実施の形態によれば、ランナ翼１０は、ランナ３の回転軸線Ｘに垂直な垂直面に対して傾斜している。このことにより、水流から流体力を受けて変形した場合に、ランナ翼１０の多くの領域を効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ３の出力をより一層増大させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、ランナ翼１０の傾斜している領域がランナ翼１０の遷移部分１３から翼本体部分１２にわたっている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、ランナ翼１０の傾斜している領域は、ランナ翼１０の先端１０ａから、半径方向内側にランナ３の半径Ｒの３０％の距離までの範囲、すなわち、ランナ翼１０のうち先端側の３０％の領域であってもよい。この場合、ランナ翼１０のうちランナ３の出力増大に寄与し得る領域を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができる。このことにより、ランナ３の出力を効果的に増大させることができる。

また、上述した本実施の形態においては、ランナ翼１０が、ランナ３の回転軸線Ｘに垂直な垂直面に対して傾斜している例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば図１２示すように、ランナ翼１０は湾曲していてもよい。図１２に示す形態では、より具体的には、ランナ翼１０は下流側に向って凸となるように湾曲し、これにより、ランナ翼１０の先端１０ａが、ランナ翼１０の基端１０ｂより上流側に位置付けられている。この場合、水流から流体力を受けて変形した場合に、ランナ翼１０の多くの領域を効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ３の出力をより一層増大させることができる。なお、ランナ翼１０の湾曲している領域は、上述したランナ翼１０の傾斜している領域と同様とすることができ、例えば、ランナ翼１０の遷移部分１３から翼本体部分１２にわたって湾曲させるようにしてもよく、あるいは、ランナ翼１０の先端１０ａから、半径方向内側にランナ３の半径Ｒの３０％の距離までの範囲、すなわち、ランナ翼１０のうち先端側の３０％の領域としてもよい。なお、図１２に示すようにランナ翼１０を湾曲させる形態は、比較的大型の軸流水車発電装置１に好適に適用できる。

（第５の実施の形態）
次に、図１３乃至図１５を用いて、本発明の第５の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

図１３乃至図１５に示す第５の実施の形態においては、ランナ翼は、第２の捻り角で形成されており、第２の捻り角が、第１の捻り角の０．８倍以上１．０倍未満である点が主に異なり、他の構成は、図５乃至図７に示す第２の実施の形態と略同一である。なお、図１３乃至図１５において、図５乃至図７に示す第２の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

水流から流体力を受けるランナ翼１０は、気流中で動作するランナ３とは異なり、大きな流体力を受ける。このことにより、ランナ翼１０は、水流から流体力を受けている間、捻りトルクを受けて捻り角が大きくなる方向（図１３における反時計回り方向）に捻られるように変形し得る。このため、ランナ翼１０は、流体力を受けない状態において最適な形状となっていたとしても、この変形によって、効率が最も良くなる姿勢から捻られるように変形し、効率が低下してランナ３の出力が低下し得る。このような流体力による変形を防止するためにはランナ翼１０の剛性を高めることが対策として考えられるが、剛性を高めるランナ翼１０は、技術的な観点とコストの観点とから製造が困難となり得る。

そこで、本実施の形態では、図１３に示すように、ランナ翼１０の翼本体部分１２は、第１の捻り角β_ｄｅｓよりも小さい第２の捻り角β_ｄｅｓ’で形成されている。言い換えると、ランナ翼１０は、半径方向に向って見たときの時計回りの方向に、第１の捻り角β_ｄｅｓの位置から第２の所定の角度捻られて、第２の捻り角β_ｄｅｓ’で形成されている。

第２の所定の角度は、水流から流体力を受けた場合（とりわけ定格流速時）に、流体力によって変形してランナ翼１０の効率が最も良くなる姿勢（例えば、第１の捻り角β_ｄｅｓの姿勢）に近づけられるような角度とすることが望ましい。なお、第２の所定の角度を過度に大きくすることは、流体力によってランナ翼１０の効率が最も良くなる姿勢にまで変形することが難しくなり、好ましくない。

そこで本実施の形態では、第２の捻り角β_ｄｅｓ’が、第１の捻り角β_ｄｅｓの０．８倍以上１．０倍未満となっている。この場合、第２の所定の角度（β_ｄｅｓとβ_ｄｅｓ’との差）は、０（ゼロ）より大きく、第１の捻り角β_ｄｅｓの２０％以下となる。また、この場合、第２の捻り角β_ｄｅｓ’は、幾何学的に決定される捻り角理論値_ｏｐｔの０．６４倍以上１．０倍未満となる。

ランナ翼１０のうち第２の捻り角で形成する領域は、図１４に示すように、翼本体部分１２の全体にわたり、翼本体部分１２の各半径位置が第２の捻り角で形成されていてもよい。そして、図１４に示すランナ翼１０は、翼本体部分１２の各半径位置において、第２の所定の角度を一定にして捻るように形成されている。

図１４に示すランナ翼１０は、水流から流体力を受けて変形した場合に、ランナ翼１０の多くの領域を効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ３の出力をより一層増大させることができる。そして、水流から流体力を受けた場合に、捻りトルクを受けて捻り角が大きくなる方向（図１３、図１４における反時計回り方向）に捻られるように変形し、図１５に示すような姿勢となる。この図１５に示す姿勢が、ランナ翼１０の効率が最も良くなる姿勢（例えば、第１の捻り角で形成された姿勢）を示している。

このように本実施の形態によれば、ランナ翼１０が、第２の捻り角で形成されており、第２の捻り角が、第１の捻り角の０．８倍以上１．０倍未満となっている。このことにより、水流から流体力を受けて変形した場合にランナ翼１０を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができる。このため、ランナ３の出力を増大させることができ、水流中で稼動するランナ３から所望の出力を得ることができ、ランナ３の出力を向上させることができる。

なお、上述した本実施の形態においては、ランナ翼１０の翼本体部分１２の各半径位置において、ランナ翼１０が一定の第２の所定の角度で第１の捻り角度から捻られるように形成されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、例えば、第２の所定の角度は半径方向内側に向って徐々に小さくするようにし、翼本体部分１２の根元における第２の所定の角度は０と（すなわち、当該根元においては第１の捻り角で形成されるように）してもよい。この場合、ランナ翼１０のうちランナ３の出力増大に寄与し得る領域を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ３の出力を効果的に増大させることができる。

また、上述した本実施の形態においては、ランナ翼１０のうち第２の捻り角で形成する領域が、翼本体部分１２の全体にわたっている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、ランナ翼１０が第２の捻り角で形成される領域は、ランナ翼１０の先端１０ａから、半径方向内側にランナ３の半径の３０％の距離までの範囲、すなわち、ランナ翼１０のうち先端側の３０％の領域であってもよい。この場合においても、ランナ翼１０のうちランナ３の出力増大に寄与し得る領域を、効率が最も良くなる姿勢に近づけることができ、ランナ３の出力を効果的に増大させることができる。さらに言えば、ランナ翼１０の少なくとも先端１０ａが第２の捻り角で形成されていればよい。

以上述べた実施の形態によれば、水流中で稼動するランナから所望の出力を得ることができ、ランナの出力を向上させることができる。

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。また、当然のことながら、本発明の要旨の範囲内で、これらの実施の形態を、部分的に適宜組み合わせることも可能である。

１ 軸流水車発電装置
２ 内筒
３ ランナ
４ 発電機
１０ ランナ翼
１０ａ 先端
１０ｂ 基端
１１ 埋込部分
１１ａ 円筒表面
１２ 翼本体部分
１３ 遷移部分
１３ａ 外表面

Claims (7)

1. 筒状体と、
   前記筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
   前記筒状体に内蔵され、前記ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備え、
   前記ランナ翼の翼弦長は、翼素運動量理論から求まる翼弦長理論値の１．０倍より大きく、３．０倍以下であることを特徴とする軸流水車発電装置。
2. 前記ランナ翼は、第１の捻り角で形成されており、
   前記第１の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の０．８倍以上１．０倍未満であり、
   前記捻り角理論値β _ｏｐｔ は、前記ランナ翼に流入する流れの絶対速度をｖ、前記絶対速度ｖと前記ランナ翼に流入する流れの相対速度とがなす角度をγ、前記ランナの任意の半径位置をｒ、前記ランナの半径をＲ、設計周速比をλ、前記ランナの角速度をω、前記ランナ翼の前端と後端とを結ぶ翼弦線と前記相対速度で示すベクトルとがなす迎え角をαとすると、
   ｔａｎγ＝（３×ｒ×λ）／（２×Ｒ）
   λ＝（ω×Ｒ）／ｖ
   β _ｏｐｔ ＝９０°−γ−α
   で決定されることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装置。
3. 前記ランナ翼の少なくとも先端は、第２の捻り角で形成されており、
   前記第２の捻り角は、前記第１の捻り角の０．８倍以上１．０倍未満であることを特徴とする請求項２に記載の軸流水車発電装置。
4. 前記ランナ翼の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の０．６４倍以上１．０倍未満であり、
   前記捻り角理論値β _ｏｐｔ は、前記ランナ翼に流入する流れの絶対速度をｖ、前記絶対速度ｖと前記ランナ翼に流入する流れの相対速度とがなす角度をγ、前記ランナの任意の半径位置をｒ、前記ランナの半径をＲ、設計周速比をλ、前記ランナの角速度をω、前記ランナ翼の前端と後端とを結ぶ翼弦線と前記相対速度で示すベクトルとがなす迎え角をαとすると、
   ｔａｎγ＝（３×ｒ×λ）／（２×Ｒ）
   λ＝（ω×Ｒ）／ｖ
   β _ｏｐｔ ＝９０°−γ−α
   で決定されることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装置。
5. 前記ランナ翼は、前記筒状体内に埋め込まれた円筒表面を有する埋込部分と、前記筒状体の半径方向外側に設けられ、翼型形状を有する翼本体部分と、前記埋込部分と前記翼本体部分との間に設けられ、前記埋込部分の円筒表面から前記翼本体部分の翼型形状に遷移する外表面を有する遷移部分と、を含み、
   前記遷移部分の半径方向長さは、前記ランナの半径の２５％以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置。
6. 前記ランナ翼の先端は、当該ランナ翼の基端よりも上流側に位置付けられていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の軸流水車発電装置。
7. 筒状体と、
   前記筒状体に回転自在に設けられ、ランナ翼を有し、水流の運動エネルギーを回転エネルギーに変換するランナと、
   前記筒状体に内蔵され、前記ランナの回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機と、を備え、
   前記ランナ翼は、第１の捻り角で形成されており、
   前記第１の捻り角は、幾何学的に決定される捻り角理論値の０．８倍以上１．０倍未満であり、
   前記捻り角理論値β _ｏｐｔ は、前記ランナ翼に流入する流れの絶対速度をｖ、前記絶対速度ｖと前記ランナ翼に流入する流れの相対速度とがなす角度をγ、前記ランナの任意の半径位置をｒ、前記ランナの半径をＲ、設計周速比をλ、前記ランナの角速度をω、前記ランナ翼の前端と後端とを結ぶ翼弦線と前記相対速度で示すベクトルとがなす迎え角をαとすると、
   ｔａｎγ＝（３×ｒ×λ）／（２×Ｒ）
   λ＝（ω×Ｒ）／ｖ
   β _ｏｐｔ ＝９０°−γ−α
   で決定されることを特徴とする軸流水車発電装置。

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