JP6750952B2 - 水力発電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、発電機用のロータ支持筐体を、用水路や導水管に容易に配設することのできる水力発電装置に関する。
導水管の中に、長いロータ軸を配設し、ロータ軸に複数のロータを備える発電機は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２０００−９０１２号公報
前記、特許文献１に記載の発明は、長い導水管の内部に、取付金具を介して、前後に複数の発電機を配設しているものである。
この態様では、長い導水管の内部に、発電機を配設することは困難である。
また、多数の発電機が密着するように、導水管内に固定されていると、発電機が水流の抵抗となって、導水管内を流れる水流の流速が低下し、ロータの回転速度が上がらず、発電効率も上がりにくい。
本発明は、発電機用のロータ筐体を横から囲むように、取付環体を設け、取付環体を用水路に吊設するか、長い導水管の中間に連結することができ、容易に水力発電をすることのできる発電装置を提供するものである。
本発明の具体的な内容は、次の通りである。
（１） 前後端部に導水管を接続するための外向フランジを備えた、前後の長さの短い短寸支持環体の内部に配設した水平のロータ支持筐体は、前部に突出するロータを短寸支持環体の前方へ突出させるとともに、後部から垂直に立ち上がる保持管を、前記短寸支持環体の上部を貫通させて上面に突出させて固定し、前記保持管の上面には発電機を配設し、前記ロータ支持筐体内に配設されたロータ軸と連係する伝動軸を前記発電機と連係させて、前記保持管内に配設した水力発電装置。
（２） 前記保持管は横断面を前縁部分が厚く後縁にかけて細くした筒体とし、上面に形成された外向フランジを介して補助保持管を連結し、ロータ軸の回転力を発電機に伝動する伝動軸の上端は保持管の上端から突出させて、上部の補助保持管内に配設される補助伝動軸と連結具を介して連結させる前記（1）に記載の水力発電装置。
（３） 前記短寸支持環体の外向フランジは、定間隔にボルト孔が開孔されて、短寸支持環体を水路の梁桁に固定する吊設具を前記ボルト孔にボルトを介して固定する前記（1）または（2）に記載の水力発電装置。
（４） 前記短寸支持環体を、前後に外向フランジを有する前後の導水管の間に、短寸支持環体に固定されているロータの方を上流側として、外向フランジ同士の連結により連結する前記（1）〜（3）のいずれかに記載の水力発電装置。
（５） 前記ロータのロータ軸は、短寸支持環体の中心よりも下方向へ寄った位置に配設される前記（1）〜（4）のいずれかに記載の水力発電装置。
本発明によると、次のような効果が奏せられる。
前記（1）に記載の発明の水力発電装置は、ロータ支持筐体を保持管をもって短寸支持環体の内部に一体に固定して、短寸支持環体から突出する保持管に発電機を配設してあるので、これで１個の発電装置となっている。短寸支持環体には、用水路や導水管等の水路に、この発電装置を簡単に取付けるための外向フランジが形成されている。
この短寸支持環体の外向フランジは、同径の導水管に連結することができるとともに、管径の異なる導水管を連結するための、前後の径の異なる中継管を介して、管径の異なる導水管と連結することができる。
例えば、前後の導水管の間に、ロータ支持筐体を水平として、短寸支持環体の外向フランジを前後の導水管に連結すると、導水管の中を通過する流水によって、ロータ支持筐体のロータを回転させて発電することができる。
あるいは、外向フランジに吊設具を固定して、用水路に架設する梁桁に吊設することによって、用水路に発電機を容易に配設することができる。
前記（2）に記載の発明においては、保持管は筒体としてあるので、内部に、ロータの回転力を発電機に伝動する伝動軸を配設することができる。その上面に、補助の保持体を連結することができるので、用水路の水面が低くても、ロータ支持筐体を、用水路に架設した梁桁から、水中に容易に吊設することができる。
前記（3）に記載の発明は、短寸支持環体の外向フランジは、短寸支持環体の前後に形成した外向フランジであり、定間隔にボルト孔が開設されているので、このフランジに吊設具の下部の固定具をボルト留めして、その上部を用水路に架設した梁桁に吊設することによって、用水路に発電装置を容易に配設することができる。
また、前後の導水管の間に短寸支持環体を配し、短寸支持環体の外向フランジを導水管の外向フランジとボルトで連結させることができる。
前記（4）に記載の発明は、水路として長い導水管が利用され、前後に外向フランジを有する前後の導水管の間に短寸支持環体を配し、外向フランジをボルト結合させると、水源から導水する導水管内を流動する流水によって、ロータは回転し発電させることができる。
前記（5）に記載の発明においては、ロータ軸が短寸支持環体の中心よりも下方向へ寄った位置に配設されているので、保持管の前面に水流が当って流速を低下させることに対して、短寸支持環体内におけるロータ支持筐体よりも上の流水容積を、下の流水容積と同じにすることによって、ロータに対する水流量を均等にすることができる。また水路における水量が減少した時に低位の水流を活用することができる。
本発明の一実施形態の側面図である。 図１における水力発電装置の使用例１の正面図である。 図１における保持管のIII−III線端面図である。 図１における支柱のIV−IV線断面図である。 図１におけるブレードの最大弦長部の横断平面図である。 本発明の水力発電装置の使用例２の側面図である。 本発明の水力発電装置の使用例３の側面図である。 本発明の水力発電装置の使用例４の側面図である。
以下本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１及び図２において、本発明の水力発電装置１は、例えば水源から水を引く導水管21と同じ直径で、長さの短い短寸支持環体２の内部に、ロータ３を備えた水平のロータ支持筐体４が、垂直の保持管５によって一体に固定されている。
またロータ支持筐体４の下面には、短寸支持環体２の下部内壁面の間に、前後に長い支持板12が固定されている。保持管５は、図３に横断面を示すように、平面視略魚形の中空体で、内部に伝動軸８が配設され、図１に示すように上下の軸受５Ｂ、５Ｃで回転可能に支持されている。
前記支持板12は、図４に示すように平面視で魚形とされている。保持管５も支持板１２も、これに当たる水流は、コアンダ効果により高速で通過する。
短寸支持環体２の前後の周面に、取付部である外向フランジ２Ａ、２Ｂが突設されて、外向フランジ２Ａ、２Ｂに、導水管12と連結可能に、ボルト孔２Ｃが定間隔に前後に貫通形成されている。
保持管５の上部には、外向フランジ５Ａ、６Ａを介して、補助保持管６が連結され、その上面に発電機11が設置される。
この補助保持管６は、水路Ｒの水面が低い時などに使用されるもので、不要なら補助保持管６は使用されない。
ロータ支持筐体４の内部には、水平のロータ軸７が配設され、その前端にロータ３が装着されている。ロータ３のハブ３Ａの周面に、複数の揚力型ブレード３Ｂ（以下単にブレードという）が放射方向へ向けて装着されている。ブレード３Ｂの先端は前方へ向けて傾斜された傾斜部３Ｃとされている。
ロータ軸７の後端部と保持管５内の伝動軸８の下端部は、傘歯車７Ａ、８Ａからなる伝動手段によって連係されている。伝動軸８の上端は、保持管５部分において、連結具10を介して補助伝動軸９と連結され、その上端部は発電機11の主軸と連結されている。保持管５の下に配設された軸受筐体４の下面に、前後方向に長い板状の支持板12が固定されている。
ブレード３Ｂの先端部は、前方向へ35度〜45度ほど傾斜する傾斜部３Ｃとされている。ブレード３Ｂは、翼根部から翼端へ向かって、弦長を次第に広くされ、最大弦長は回転半径の35〜50％とされて、遠心部における受水面積が大とされている。傾斜部３Ｃは、最大弦長部３Ｄを基点として、上流方向へ傾斜されている。
ブレード３Ｂの厚さは、側面視で翼根から翼端へかけて平行で、最大厚さは図５に横断面を示すように、弦長の25〜35％とされている。35％を超えると、抵抗が大となり、かつ正面３Ｅと背面３Ｆに沿う流水の速度差が大となり、回転効率が低下する。また25％以下では、背面３Ｆに沿って通過する水流の速度と、それによる反作用も小さく、回転効率も高まりにくい。
ブレード３Ｂが回転すると、背面３Ｆの大きな膨らみにより、これに沿って流れる水流は、正面３Ｅに沿って通過する水流よりも高速となって流れ、反作用としてブレード３Ｂの回転速度が高まる。
図２は、水力発電装置１を、農業用の水路Ｒに使用した状態を示す正面図である。水路Ｒの水面上に架設した梁桁13に、補助保持管６の上端の外向フランジ６Ｂを吊掛けて固定してある。
また短寸支持環体２の前後の外向フランジ２Ａ、２Ｂに、吊設具14の下部の固定具14Ａをボルト14Ｂなどにより固定し、吊設具14の上部の固定具14Ｃは、梁桁13に固定してある。
これによって、支持環体２は、前後の外向フランジ２Ａ、２Ｂに固定された吊設材14によって、梁桁13に固定されるので、ロータ３に水圧がかかっても動くことなく強固に固定される。
図６は、短寸支持環体２の前面に、導水管15を外向フランジ２Ａ、15Ａ同士の連結により固定した使用例を示す。この導水管15を後向きにして、後部のフランジ２Ｂにも取付けることができる。それにより、ロータ支持筐体４の付近を隘路とすることができる。
図７は、水力発電装置１を、落差のある場所に使用する態様を示す側面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。これは、小滝や崖における水の落差を利用するものである。
崖地1６の低地16Ａに支持枠体17を設けて、ロータ３を上向きとし水力発電装置１を固定する。その短寸支持環体２の上方に、導水管18をそれぞれ外向フランジ２Ａ、18Ａを介して連結する。
導水管18の上部は、固定材19で崖地16に固定する。その導水管18の上部の管口を、導水路20に臨設させる。導水路20は、別の水源から導水管18で引くものでもよいし、小川を利用するものでもよい。
これによって、流量が小さくても、落差のある流水を、導水管18で水力発電装置１へ導水することができ、導水管18の管径が小さくても、落差により発電効率を高いものとすることができる。
図８は、水源から目的地まで長い距離に導水する導水管21、22に使用した状態を示す側面図である。前例と同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
導水管21は、例えば、1本の長さが10ｍで、数ｋｍも連結されている。管の直径は、例えば70ｃｍである。
導水管21は、場所さえ適合すれば、何ｋｍでも長く配設できるので、本発明の水力発電装置１を、長い導水管21の、例えば10ｍ毎に配設するとして、導水管21が１ｋｍ連なっているとするなら、100基配設することができる。
例えば500Ｗの小型発電機11であっても、100基設置することが出来れば、50ｋＷの安定した発電が可能な発電設備となる。
この場合、導水管21は自然の地形に合わせて曲がり、高低差があっても、水源からは下り勾配であるので、流速に変化がなくても、上流よりも下流では水の重力がかかるため、各発電機による発電効率は下流の方が高くなる。
前後に配置された水力発電装置１の、ロータ３の間隔が10ｍ離れると、前方に位置するロータ３の回転による乱流が、後方に位置するロータ３に影響しなくなる。勾配が強いという地理的条件があれば、水の重力を利用することができるので、前後のロータ３、３間の距離を短縮することができる。
導水管21と短寸支持環体２との連結は、図８に示すように、それぞれの外向フランジ２Ａ、21Ａをボルトにより連結する。短寸支持環体２の直径よりも、導水管22の直径が大きい場合には、図８の右側に示すように、前後の直径の異なった中継環23を使用することによって、管径が異なっていても連結させることができる。
前記ロータ支持筐体４は、内部のロータ軸７の位置を、図１における短寸支持環体２の中心よりも少し下方向へ位置して配設することが好ましい。
すなわち図１に示すように、ロータ支持筐体４は、保持管５によって支持されているので、水流は保持管５の前面の面積によって抵抗を受けるためである。
ロータ軸７が短寸支持環体２の中心よりも下方向へ寄った位置に配設されているので、保持管５の前面に水流が当たって流速を低下させることに対して、短寸支持環体内におけるロータ支持筐体４より上の流水容積を下の流水容積と同じにすることによって、ロータに対する水流量を均等にすることができる。また水路における水量が減少した時に低位の水流を活用することができる。
ロータ軸７を、短寸支持環体２の中心よりも下方向へ下げることによって、ロータ支持筐体４の上面と、短寸支持環体２の内側上壁面との間の、水流の容積を大とすることができ、保持管５に当たる水の抵抗を緩和させて、流通をよくすることができる。
なお、短寸支持環体２の外向フランジ２Ａ、２Ｂが示されているが、例えば、印籠継手（faucet joint）、その他公知の連結方法を使用することができる。図１において、保持管５は垂直とされているが、勾配の強い場所においては、保持管５を水平態にして連結することができる。
本発明は、水源から水を引く、既設ないし未設の導水管に連結して、発電用のロータを、容易に配設することのできる水力発電装置であり、また用水路に容易に配設し、水路の水を効率良く利用して発電施設とすることができる。
１．水力発電装置
２．短寸支持環体
２Ａ、２Ｂ．外向フランジ
２Ｃ．ボルト孔
３．ロータ
３Ａ．ハブ
３Ｂ．揚力型ブレード
３Ｃ．傾斜部
３Ｄ．最大弦長部
３Ｅ．正面
３Ｆ．背面
４．ロータ支持筐体
５．保持管
５Ａ．外向フランジ
６．補助保持管
６Ａ．外向フランジ
７．ロータ軸
７Ａ．傘歯車
８．伝動軸
８Ａ．傘歯車
９．補助伝動軸
10．連結具
11．発電機
12．支持板
13．梁桁
14．吊設具
14Ａ．固定具
14Ｂ．ボルト
14Ｃ．固定具
15．導水管
15Ａ．外向フランジ
16．崖地
17．支持枠
18．導水管
18Ａ．外向フランジ
19．固定材
20．水路
21、22．導水管
21Ａ、22Ａ．外向フランジ
23．中継環
23Ａ、23Ｂ．外向フランジ
Ｒ．水路
Ｗ．水面

Claims (5)

  1. 前後端部に導水管を接続するための外向フランジを備えた、前後の長さの短い短寸支持環体の内部に配設した水平のロータ支持筐体は、前部に突出するロータを短寸支持環体の前方へ突出させるとともに、後部から垂直に立ち上がる保持管を、前記短寸支持環体の上部を貫通させて上面に突出させて固定し、前記保持管の上面には発電機を配設し、前記ロータ支持筐体内に配設されたロータ軸と連係する伝動軸を前記発電機と連係させて、前記保持管内に配設したことを特徴とする水力発電装置。
  2. 前記保持管は横断面を前縁部分が厚く後縁にかけて細くした筒体とし、上面に形成された外向フランジを介して補助保持管を連結し、ロータ軸の回転力を発電機に伝動する伝動軸の上端は保持管の上端から突出させて、上部の補助保持管内に配設される補助伝動軸と連結具を介して連結させることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。
  3. 前記短寸支持環体の外向きフランジは、定間隔にボルト孔が開孔されて、短寸支持環体を水路の梁桁に固定する吊設具を前記ボルト孔にボルトを介して固定することを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置。
  4. 前記短寸支持環体を、前後に外向フランジを有する前後の導水管の間に、短寸支持環体に固定されているロータの方を上流側として、外向フランジ同士の連結により連結することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の水力発電装置。
  5. 前記ロータのロータ軸は、短寸支持環体の中心よりも下方向へ寄った位置に配設されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の水力発電装置。
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