JP6835944B1 - ペルトン水車発電機、および、ハウジング - Google Patents

Abstract

【課題】ハウジングを介して伝搬される騒音を低減させる。【解決手段】実施形態に係るペルトン水車発電機は、発電機とバケットと射出装置とハウジングと防音材とを備える。バケットは、発電機の回転軸に支持されている。射出装置は、バケットに向けて水を射出する。発電機は、バケットの回転に伴って回転軸が回転し、発電する。ハウジングは、バケットと射出装置を収容する。ハウジングは、防音材で覆われている。【選択図】図６

Description

本発明は、ペルトン水車発電機、および、ハウジングに関する。

ペルトン水車発電機は、ニードル弁から射出されるジェット水を、ディスクに取り付けられたバケットに衝突させることによりディスクを回転させ、ディスクに接続されている回転軸を介して、発電機を動作させることにより発電する。一般的に、ペルトン水車発電機は、ジェット水が衝突するバケットやディスク、回転軸の一部がハウジングで覆われている。

ハウジング内では、ニードル弁から射出されたジェット水がバケットに衝突する音、バケットに衝突した後の飛散水がハウジングの内壁に衝突する音、バケット等の回転体の風切り音が発生する。ハウジング内で発生した音は、ハウジング周囲や放水路出口での大きな騒音の要因となる。

このような騒音を低減するために、放水路内にラバーカーテンが設けられた水車発電機が開示されている。しかし、ハウジング内で発生した音は、放水路内を伝搬するだけでなく、ハウジングを介してハウジングの周囲に伝搬される。したがって、放水路内にラバーカーテンを設けただけでは、騒音対策として不十分である。

特開２００８−０３８４０４号公報

本発明は、上述の事情の下になされたもので、ハウジングを介して伝搬される騒音を低減させることを目的とする。

上記課題を解決するため、実施形態に係るペルトン水車発電機は、発電機とバケットと射出装置とハウジングとリブと複数の防音材とを備える。バケットは、発電機の回転軸に支持されている。射出装置は、バケットに向けて水を射出する。発電機は、バケットの回転に伴って回転軸が回転し、発電する。ハウジングは、バケットと射出装置を収容する。リブは、ハウジングの側面においてはハウジングの外表面を高さ方向および外周方向に複数の矩形状の領域に区分し、ハウジングの上面においてはハウジングの外表面を幅方向および奥行き方向に複数の矩形状の領域に区分する。複数個の防音材は、 複数の矩形状の領域の内、対応して実装される領域とほぼ同等の大きさを有し、対応する領域に実装されてハウジングを覆う。

実施形態１に係るペルトン水車発電機の構成図である。 実施形態１に係るハウジングの斜視図である。 実施形態１に係るハウジングの展開斜視図である。 実施形態１に係る防音材を省略したハウジングの展開斜視図である。 実施形態１に係るハウジングの部分拡大図である。 実施形態１に係るハウジングの部分断面図である。 実施形態１に係るペルトン水車発電機の動作について説明するための図である。 実施形態２に係るハウジングの部分断面図である。 実施形態３に係るハウジングの部分断面図である。

以下、実施形態に係るペルトン水車発電機について、図を参照して説明する。ここでは、横軸型ペルトン水車発電機を例にして説明する。説明には、適宜、相互に直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸からなるＸＹＺ座標系を用いる。

（実施形態１）
図１は、実施形態に係るペルトン水車発電機１の構成図である。図１に示されるように、ペルトン水車発電機１は、発電機２、水車機構４、射出装置７、デフレクタ８、ハウジング１０を有している。発電機２の回転軸３、水車機構４、射出装置７、デフレクタ８は、ハウジング１０に収容されている。

水車機構４は、ディスク５とディスク５の周囲に設けられた複数のバケット６からなる。バケット６は、ジェット水を受けてディスク５に回転力を与える部品である。バケット６は、ジェット水を受ける凹部を有し、ジェット水を受けて矢印Ｂの方向に回転する。ディスク５は、バケットの回転に伴って矢印Ｂの方向に回転する。ディスク５は、発電機２の回転軸３に固定されている。発電機２の回転軸３は、ディスク５の回転に伴って矢印Ｂの方向に回転する。

射出装置７は、バケット６に向けてジェット水を射出する装置である。図１に示される例では、２個の射出装置７が設けられているが、射出装置７の数は限定されない。射出装置７の一端にはニードル弁７ａが設けられ、他端には水を供給する配管（図示略）が接続されている。配管の先には貯水槽（図示略）が配置されている。貯水槽は、射出装置７よりも高い位置に配置されている。ニードル弁７ａは、射出するジェット水の量を調整するための弁である。

デフレクタ８は、射出されたジェット水の方向を変えるための部品である。デフレクタ８は、射出装置７のニードル弁７ａの近傍に設けられており、制御装置（図示略）の指示に基づいて矢印Ｃの方向に回動する。

図２は、ハウジング１０の斜視図である。ハウジング１０は、水車機構４や射出装置７を収容し、水車機構４等に衝突して飛散した水を排出口に導くとともに、ジェット水の衝突音等を遮蔽する容器である。図３は、ハウジング１０の展開斜視図である。図３に示されるように、ハウジング１０は、ハウジング本体３０と、ハウジング本体３０に取り付けられるハウジングカバー２０を有している。

ハウジング本体３０は、内部が中空で上方が開口した容体である。ハウジング本体３０は、第１ケーシング３１と、第１ケーシング３１の側面に整列して設けられる複数の遮音材４０と、第１ケーシング３１の上面の一部に設けられる複数の遮音材４０を有している。また、ハウジングカバー２０は、内部が中空で下方が開口する容体である。ハウジングカバー２０は、第２ケーシング２１と、この第２ケーシング２１の側面および上面に整列して設けられる複数の遮音材４０を有している。

図４は、ハウジング本体３０を構成する第１ケーシング３１と、ハウジングカバー２０を構成する第２ケーシング２１を示す図である。第１ケーシング３１は、内部が中空で上方に開口３１ｂが形成された鉄製の容体である。第１ケーシング３１の中央部には、発電機２が設置される床面に固定されるフランジ部３１ａが形成されている。また、第１ケーシング３１のＹ軸方向の側壁には、＋Ｙ側の面に開口３１ｂに連絡するＵ字状の開口６６、−Ｙ側の面に開口３１ｂに連絡するＵ字状の開口６７、が形成されている。そして、＋Ｘ側の側面には、射出装置７を貫通する円形の開口６２，６３がフランジ部３１ａを介して上下に隣接して設けられている。図１を参照するとわかるように、第１ケーシング３１の底面には、排水口としての開口６４が形成されている。第１ケーシング３１では、底面の大部分が開口６４となっている。

第１ケーシング３１は、鉄板を接続することにより形成する。

図４に示されるように、第１ケーシング３１の４つの側面には、Ｚ軸に沿った複数のリブ５０が、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に設けられている。また、Ｘ軸又はＹ軸に沿った複数のリブ５０が、Ｚ軸方向に設けられている。第１ケーシング３１の上面には、Ｘ軸方向に沿ったリブ５０とＹ軸方向に沿ったリブ５０が複数設けられている。更に、第１ケーシング３１では、開口６６および開口６７の外縁に沿って、リブ５０が形成されている。

第１ケーシング３１のリブ５０は、第１ケーシング３１の表面を複数の矩形状の領域に区分する。リブ５０は、鉄板からなる。リブ５０は、例えば、第１ケーシング３１の表面に溶接されることで、第１ケーシング３１に取り付けられる。

第２ケーシング２１は、内部が中空で下方が開口する鉄製の容体である。第２ケーシング２１の下端部には、第１ケーシング３１の上面に固定されるフランジ部２１ａが形成されている。第２ケーシング２１も、第１ケーシング３１と同様に、鉄板を接続することにより形成する。

第２ケーシング２１の４つの側面には、Ｚ軸に沿った複数のリブ５０が、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に設けられている。第２ケーシング２１の上面には、Ｘ軸又はＹ軸に平行な複数のリブ５０が設けられている。第２ケーシング２１のリブ５０は、第２ケーシング２１の表面を複数の矩形状の領域に区分する。第２ケーシング２１のリブ５０も、鉄板からなる。リブ５０は、例えば、第２ケーシング２１の表面に溶接されることで、第２ケーシング２１に取り付けられる。

図３に示されるように、第１ケーシング３１および第２ケーシング２１では、リブ５０によって区分された領域に、遮音材４０が実装される。図５は、図２の矢印Ａに示されるハウジング１０の部分拡大図である。図５に示されるように、遮音材４０は、リブ５０によって区分された領域とほぼ同等の大きさである。

図６は、図５に示されるハウジング１０のＡＡ断面を示す断面図である。図６に示されるように、遮音材４０は、防音材４２と保護板４１からなる。

防音材４２には、例えば、日本コンクリート工業の剛体多孔質吸音材「ポアセル」を使用する。剛体多孔質吸音材は、気泡の入ったコンクリート素材であり、吸音性に優れ、加工が容易である。防音材４２は、ハウジング１０の表面に接着剤で貼り付けられている。接着剤は、衝撃に強く、振動を吸収可能な弾力性のある接着剤が好ましい。具体的には、接着剤は、硬化後にゴム状弾性体を形成する接着剤（弾性接着剤）が好ましい。防音材４２とリブ５０との間には、露結水が流れる隙間４３が形成されている。

防音材４２の上面は、鉄製の保護板４１で覆われている。保護板４１の厚さは、２ｍｍ程度である。保護板４１は、弾力性のある接着剤で防音材４２に貼り付けられている。さらに、保護板４１は、リブ５０と保護板４１との間に隙間ができないように、リブ５０と保護板４１との隙間をコーキング４６で埋める処理がなされている。

また、図５および図６に示されるように、リブ５０の適所には、リブ５０で区切られた矩形状の空間に溜まった結露水を逃がすための排出口５１が設けられている。排出口５１は、第１ケーシング３１および第２ケーシング２１を形成する鉄板とリブ５０とが接する位置に設けられている。排出口５１は、隣接する矩形状の空間を接続している。

上述のように構成されるハウジング本体３０とハウジングカバー２０は、回転軸３に取り付けられた水車機構４を、開口３１ｂを介して、ハウジング本体３０へ搬入した後に、一体化される。これにより、ハウジング１０が完成する。この状態のときには、回転軸３が、＋Ｙ側の面に形成されている開口６６から外部へ突出した状態になる。

次に、ペルトン水車発電機１の動作について説明する。図１は、発電機２が負荷に電力を供給しているときのデフレクタ８の位置を示している。なお、図１は、ペルトン水車発電機１の構成図であるので、図１に示されるハウジング１０の形状は図２等に示すハウジング１０の形状を示すものではない。デフレクタ８は、ニードル弁７ａから射出されたジェット水がバケット６に当たる角度に回動されている。

貯水槽（図示略）から射出装置７に向かって落下した水は、ニードル弁７ａからジェット水となって射出される。ニードル弁７ａは、射出するジェット水の量を調整するための弁である。ジェット水は、図１に示される矢印Ａの方向に射出される。ニードル弁７ａから射出されたジェット水は、矢印Ａの方向に射出され、バケット６にあたる。バケット６は、ジェット水の力をディスク５に伝え、ディスク５を矢印Ｂの方向に回転させる。発電機２の回転軸３は、ディスク５の回転に伴って矢印Ｂの方向に回転する。発電機２は、回転軸３の回転により発電する。ジェット水は、バケット６に衝突して飛散し、最終的に開口６４からペルトン水車発電機１の外に排出される。

図７は、例えば、発電機２が負荷に電力を供給していないとき、発電機２の回転軸３の回転速度を低下させる場合のペルトン水車発電機１の動作について説明するための図である。デフレクタ８は、ニードル弁７ａから射出されたジェット水がバケット６に当たらない角度に回動されている。ニードル弁７ａから射出されたジェット水は、デフレクタ８によって遮断され、バケット６にあたらない。バケット６は、ジェット水の力をディスク５を介して回転軸３に伝達しないので、発電機２が負荷に電力を供給していないときでも、回転軸３は、想定する回転速度を超えて回転しない。デフレクタ８によって進行方向をかえられたジェット水は、ハウジング１０の内壁等に衝突し、最終的に開口６４からペルトン水車発電機１の外に排出される。

また、リブ５０で囲われた矩形状の空間に滞留する結露水は、排出口５１を通って、リブ５０で囲われた矩形状の隣接する空間に流れ、最終的には、ハウジング１０の外に排出される。

次に、実施形態に係るペルトン水車発電機１の防音効果について説明する。ハウジング１０内では、ニードル弁７ａから射出されたジェット水がバケット６に衝突する音、バケット６に衝突した後の飛散水がハウジング１０の内壁に衝突する音、バケット６等の回転体の風切り音、が発生する。図７に示されるように、デフレクタ８によってハウジング１０の内壁に当たるジェット水の量が増えると、ジェット水がハウジング１０の内壁に衝突する音がさらに大きくなる。これらの音は、ハウジング１０を形成する鉄板の振動を介してハウジング１０の周囲に伝搬する。しかし、実施形態に係るペルトン水車発電機１では、図６に示されるように、ハウジング１０の表面が防音材４２で覆われている。多孔質吸音材で形成された防音材４２はハウジング１０の振動に起因する音を吸収するので、ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音は低減される。

また、ハウジング１０の表面にリブ５０を設けることにより、ハウジング１０の剛性を高くすることができる。ハウジング１０の剛性を高くすることにより、ジェット水や飛散水がハウジング１０の内壁に当たった際のハウジング１０を形成する鉄板の振動を小さくすることができる。ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音は、ハウジング１０の表面にリブ５０を設けることにより低減される。

さらに、実施形態に係るペルトン水車発電機１では、図６に示されるように、防音材４２を保護板４１で覆っている。防音材４２を通過した空気の振動は、防音材４２の表面に設けた金属製の保護板４１で吸収される。これにより、ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音は、さらに低減される。

また、リブ５０と保護板４１との隙間をコーキング４６で埋めている。ハウジング１０の振動に起因する空気の振動（音）は、リブ５０と保護板４１との間に隙間がないので、保護板４１を介さないで周囲に伝搬することはない。これにより、ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音は、保護板４１によって低減される。

また、第１ケーシング３１もしくは第２ケーシング２１と防音材４２、および、防音材４２と保護板４１を、弾力性のある接着剤で固定している。第１ケーシング３１もしくは第２ケーシング２１および保護板４１の振動は、弾力性のある接着剤に吸収されるので、ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音はさらに低減される。

上述したように、実施形態に係るペルトン水車発電機１は、ハウジング１０の表面が防音材４２で覆われている。これにより、ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音を低減することができる。巡視や軽微なメンテナンスは、水車を駆動したままで行われるため、水車の騒音が大きい過酷な環境下で行われる。ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音を低減することにより、メンテナンス等の作業環境を改善することができる。

また、上述したように、ハウジング１０の表面にリブ５０を設けること、防音材４２を保護板４１で覆うこと、リブ５０と保護板４１との隙間をコーキングで埋めること、防音材４２とハウジング１０の表面および防音材４２と保護板４１とを弾力性のある接着剤で固定することにより、ペルトン水車発電機１の周囲に伝搬される騒音をさらに低減することができる。

また、ハウジング１０の表面には、ハウジング１０の表面を複数の矩形状の空間に区切るリブ５０が設けられている。防音材４２および保護板４１は、リブ５０とハウジング１０で囲われた棚状の空間に実装されているので、防音材４２および保護板４１がハウジング１０の表面から脱落しにくい。

また、防音材４２は、リブ５０で区切られた矩形状の空間それぞれに分かれて実装されているので、全ての防音材４２が一時に損傷したり脱落することはない。防音材４２それぞれの大きさは、数百平方センチメートル程度である。したがって、防音材４２を交換する作業を短時間で終えることができる。

また、ハウジング１０は、リブ５０で囲われた矩形状の空間に滞留する水を排出する排出口５１を有している。リブ５０で囲われた矩形状の空間に滞留した水は、腐食の要因になる。排出口５１を設けることにより、リブ５０で囲われた矩形状の空間に滞留する水をペルトン水車発電機１の外に排出し、腐食を防止することができる。また、水が凍結して膨張すると、防音材４２や保護板４１を損傷する恐れがある。防音材４２や保護板４１の損傷は、防音効果の低減をもたらす恐れがある。排出口５１を設けることにより、防音材４２や保護板４１の損傷を防止することができる。

なお、上記の説明では、ペルトン水車発電機の回転軸が水平方向に配置されている横軸型ペルトン水車発電機について説明したが、回転軸が垂直方向に配置され、ハウジング全体が埋設されていない縦軸型ペルトン水車発電機にも、本実施形態に係るハウジングを適用することができる。

また、上記の説明では、防音材４２に日本コンクリート工業の剛体多孔質吸音材「ポアセル」を使用する場合について説明したが、防音材４２はこれに限定されない。防音材４２に使用する素材は、吸音性、撥水性、耐水性に優れた素材が好ましい。防音材４２の厚さは、使用する素材の吸音特性に応じて決める。防音材４２の厚さに応じて、リブ５０の高さを決める。

また、上記の説明では、防音材の一例として吸音材を用いる場合について説明したが、市販の遮音シートを吸音材と組み合わせて使用してもよい。

また、上記の説明では、保護板４１が鉄である場合について説明したが、これに限定されない。保護板４１に使用する素材は、防音材４２の脱落を防止するとともに、防音材４２を通過した空気の振動を吸収できる素材であればよい。例えば、硬質プラスチック、ゴム等の樹脂を使用することもできる。

（実施形態２）
実施形態１では、保護板４１とリブ５０との隙間をコーキング４６で埋める場合について説明した。実施形態２では、保護板４１をリブ５０に固定する方法について説明する。具体的には、防音材４２をハウジング１０の表面に接着剤で固定し、保護板４１を防音材４２に接着剤で固定する。そして、図８に４６ｂで示されるように、保護板４１をリブ５０に溶接する。

保護板４１をリブ５０に溶接することにより、保護板４１はリブ５０により強固に固定される。これにより、例えば、ペルトン水車発電機１の運搬中に強い振動が加わっても、防音材４２および保護板４１の脱落を防止することができる。

（実施形態３）
実施形態３に係るハウジング１０では、保護板４１を防音材４２に接着剤で固定しない。保護板４１は、図９に示されるように、ハウジング１０の表面にボルト４６ｃとナット４６ｄで取り付けられる。

具体的には、リブ５０で囲われた矩形状の空間ごとに、ハウジング１０の表面に１本もしくは複数本のボルト４６ｃを溶接する。防音材４２および保護板４１には、ボルト４６ｃを貫通させる穴を設ける。リブ５０で囲われた矩形状の空間ごとに、防音材４２および保護板４１をボルト４６ｃに通す。このとき、防音材４２をハウジング１０の表面に接着剤で固定しない。また、保護板４１を防音材４２に接着剤で固定しない。次に、ナット４６ｄで保護板４１を防音材４２に締め付けて固定する。さらに、リブ５０と保護板４１との隙間をなくすようにコーキング４６で隙間を埋める。

防音材４２を交換する際、保護板４１が防音材４２に接着剤で固定されていると、防音材４２から保護板４１を剥がす作業に時間を要する。また、防音材４２がハウジング１０の表面に接着剤で固定されていると、ハウジング１０の表面から防音材４２を剥がす作業に時間を要する。実施形態３に係るハウジング１０では、接着剤を使用しないで、防音材４２および保護板４１をハウジング１０にボルト４６ｃとナット４６ｄで固定するので、防音材４２および保護板４１を交換する作業時間を短縮することができる。

なお、保護板４１とナット４６ｄとの間に、平板状の座金を介在させてもよい。座金と保護板４１とが接する面積を、ナット４６ｄと保護板４１とが接する面積よりも大きくする。これにより、保護板４１を座金で均一に押圧することができる。

以上、本発明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しうるものであり、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。これらの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。

１…ペルトン水車発電機
２…発電機
３…回転軸
４…水車機構
５…ディスク
６…バケット
７…射出装置
７ａ…ニードル弁
８…デフレクタ
１０…ハウジング
２０…ハウジングカバー
２１…第２ケーシング
３０…ハウジング本体
３１…第１ケーシング
４０…遮音材
４１…保護板
４２…防音材
４３…隙間
４６…コーキング
４６ｂ…溶接
４６ｃ…ボルト
４６ｄ…ナット
５０…リブ
５１…排出口
６２，６３，６４，６６，６７…開口

Claims (10)

1. 発電機と、
   前記発電機の回転軸に支持されたバケットと、
   前記バケットに向けて水を射出する射出装置と、
   前記バケットと前記射出装置を収容するハウジングと、
   前記ハウジングの側面においては前記ハウジングの外表面を高さ方向および外周方向に複数の矩形状の領域に区分し、前記ハウジングの上面においては前記ハウジングの外表面を幅方向および奥行き方向に複数の矩形状の領域に区分するリブと、
   前記複数の矩形状の領域の内、対応して実装される領域とほぼ同等の大きさを有し、対応する領域に実装されて前記ハウジングを覆う複数個の防音材と、
   を備えるペルトン水車発電機。
2. 前記リブは、前記防音材の厚さより高く形成され、
   前記防音材は、前記ハウジングの外表面に接して実装されている、
   請求項１に記載のペルトン水車発電機。
3. 前記リブには、前記リブで囲われた矩形状の空間に滞留する水を排出する排出口が設けられている、
   請求項２に記載のペルトン水車発電機。
4. 前記防音材は、多孔質吸音材で形成されている、
   請求項１から３の何れか一項に記載のペルトン水車発電機。
5. 前記防音材は、保護板で覆われている、
   請求項１から４の何れか一項に記載のペルトン水車発電機。
6. 前記リブと前記保護板との間の隙間がコーキングで埋められている、
   請求項５に記載のペルトン水車発電機。
7. 前記保護板は、弾力性のある接着剤で前記防音材の表面に取り付けられている、
   請求項５又は６に記載のペルトン水車発電機。
8. 前記保護板は、溶接により前記リブに取り付けられている、
   請求項５から７の何れか一項に記載のペルトン水車発電機。
9. 前記保護板は、ボルトとナットを用いて前記防音材の表面に取り付けられている、
   請求項５又は６に記載のペルトン水車発電機。
10. 水車発電機の回転軸に支持されたバケットを覆うケーシングと、
    前記ケーシングの側面においては前記ケーシングの外表面を高さ方向および外周方向に複数の矩形状の領域に区分し、前記ケーシングの上面においては前記ケーシングの外表面を幅方向および奥行き方向に複数の矩形状の領域に区分するリブと、
    前記複数の矩形状の領域の内、対応して実装される領域とほぼ同等の大きさを有し、対応する領域に実装されて前記ハウジングを覆う複数個の防音材と、
    を備えるハウジング。

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