JP6937033B2 - 水力発電装置 - Google Patents

Description

この発明は、比較的落差や水の流量が少ない河川や用水路等に設置される小形の水力発電装置に関する。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、中心軸が垂直に設けられ内側を水が上方から下方に向かって通過する流水管（取水胴、水絞り外筒、水絞りドラム及び下部水圧管）を備え、流水管内に、流水管の中心軸の周りに放射状に設置され、水流の角度を変化させる複数の固定ガイド板を備え、複数の固定ガイド板の下方に、自己の回転軸を流水管の中心軸と同軸に配された水車（回転スクリュウ）が設置された水力発電装置があった。この水力発電装置は、用水路等の落差を利用し、流水管の内側を自然落下する水流を受けて水車が回転し、水車に連結された発電機で発電するものである。水車は、回転筒部の側周面に螺旋形のブレードが複数延設されたものであり、複数の固定ガイド板に案内された水流を複数のブレードに受けて回転する。

また、特許文献２に開示されているように、中心軸が横向きに設けられ内側を水が通過する外側ケーシングを備え、外側ケーシングの内側に、自己の回転軸を外側ケーシングの中心軸と同軸に配された水車（水車ランナー）が設置されたチュープラ水車があった。このチュープラ水車は、用水路等を流れる水の中に設置され、外側ケーシングの内側に自然に流れ込む水流を受けて水車が回転し、水車に連結された発電機で発電するというものである。水車は、ランナーボスの側周面に複数のブレード（水車羽根）が取り付けられたものである。このチュープラ水車の場合、ブレードの端部が水車羽根角度調節機構を介して支持され、作業者が水車羽根角度調整軸を回動させる操作を行うことによって、ブレードのリード角（開放ピッチ角度）を変更できるものである。

再公表ＷＯ２０１０／１４３７０９号公報 特開２０１７−１８６９５１号公報

河川や農業用水路等は、季節や天候によって水の流量が変化する。したがって、水車の保護や回転効率が低下しないようにするため、水の流量に合わせてブレードのリード角を変更することが好ましい。

しかし、特許文献１の水力発電装置の場合、水車のブレードは、回転筒部に対して固定されているので、ブレードのリード角を可変調節することはできない。

一方、特許文献２のチュープラ水車の場合、水車羽根角度調節機構及び水車羽根角度調整軸を備え、作業者が操作することによってブレードのリード角を可変調節することができる。しかし、この水車羽根角度調節機構は、傘歯歯車等の複数の部材を組み合わせた複雑な構造であり、強い水流を受けるブレードをしっかり支持するためには、高価な部材を使用して高い剛性を確保しなくてはならない。したがって、装置全体としてコストアップが大きく、メンテナンスも面倒である。

この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、構造がシンプルで、水車のブレードのリード角を作業者が容易に変更することができる水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、回転筒部の側周面に外向きに取り付けられた複数のブレードに水流を受けて回転する水車と、前記回転筒部に連結され、前記水車の回転運動を受けて発電を行う発電機とを備え、前記ブレードには、水流を受けるブレード本体とブレード側取り付け部とが設けられ、前記ブレード側取り付け部には、表面側に前記ブレード本体の端部が固定された取り付け板と、前記取り付け板の周囲に形成されたブレード側ネジ穴とが設けられ、前記回転筒部は、側周面の複数箇所に回転筒部側取り付け部が設けられ、前記回転筒部側取り付け部には、受け面と、前記受け面の周囲に形成された複数の回転筒部側ネジ穴とが設けられ、前記各回転筒部側ネジ穴は、前記回転筒部の中心から同心円上に位置し、前記ブレードが前記回転筒部に取り付けられた状態で、前記取り付け板の裏面が前記受け面に当接し、前記ブレード側ネジ穴が前記複数の回転筒部側ネジ穴の中のどれかに重なって相互にネジ止めされ、前記取り付け板が前記受け面に固定されている水力発電装置である。

前記取り付け板の裏面側に、円柱状の軸ピンが突設され、前記受け面の内側には、円形断面の軸ピン差し込み穴が設けられ、前記受け面の複数の回転筒部側ネジ穴は、前記軸ピン差し込み穴の周りに所定のピッチで均等間隔に配置されていることが好ましい。

また、中心軸が垂直に設けられ、内側を水流が上方から下方に向かって通過する流水管と、前記流水管内に、前記中心軸の周りに放射状に設置され、前記水流の角度を変化させる複数の固定ガイド板とを備え、前記水車は、自己の回転軸を前記中心軸と同軸にして前記複数の固定ガイド板の下方に設置され、前記複数の固定ガイド板によって案内された水流を受けて回転し、前記流水管には、作業者が出入りするための作業用出入口が設けられ、前記複数の固定ガイド板の中の特定の固定ガイド板は着脱可能であり、前記特定の固定ガイド板を取り外すことによって、作業者が前記複数の固定ガイド板の上に載った状態で、前記ブレードのリード角を変更できる構成にしてもよい。この場合、前記流水管には、設置される水路の落差に対応して設けられる高さ調節用導水管が、垂直方向に連結して取り付けられる構成であることが好ましい。

この発明の水力発電装置によれば、水車のブレードのリード角を作業者が容易に変更することができるので、水の流量が変化しても水車の回転効率を高く維持することができる。しかも、リード角を可変調節するための機構が従来よりもシンプルなので、装置全体のコストアップを最小限に抑えることができ、メンテナンスも容易である。

この発明の一実施形態の水力発電装置を示す縦断面図である。 この実施形態の水力発電装置の水絞り部を示す平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）である。 この実施形態の水力発電装置の水車及び下部水圧管を示す平面図（ａ）、縦断面図（ｂ）である。 図３の水車を構成するブレードを拡大した正面図（ａ）、平面図（ｂ）である。 図４のブレードを構成するブレード本体を示す平面図（ａ）、ブレード側取り付け部を示す正面図及び右側面図（ｂ）である。 図３の水車を構成する回転筒部を拡大した正面図（ａ）、平面図（ｂ）である。 ブレード側取り付け部を回転筒部側取り付け部に固定した状態を示す拡大断面図である。 この実施形態の水力発電装置の他の例を示す縦断面図である。

以下、この発明の水力発電装置の一実施形態について図面に基づいて説明する。この実施形態の水力発電装置１０は、図１に示すように、農業用の水路等である用水路ＹＳの段差部に設置される。図１には示していないが、この段差部には、用水路ＹＳの形状に合わせて組み立てられた垂直方向に長い略矩形の架台フレームが設置され、水力発電装置１０は、架台フレームに固定されて設置されている。

架台フレームの上方には、横向きに開口した取水口部１２が設けられ、取水口部１２に高さ調節用導水管１４が取り付けられている。高さ調節用導水管１４は、取水口部１２に連通し、落差Ｈに対応した略矩形断面の流路を垂直方向に形成している。高さ調節用導水管１４の上端部には、高さ調節用導水管１４内に充満した水が排出されるオーバーフロー排出口１４ａが設けられ、下端部寄りの側方部分は、取水口部１２と反対側が開口し、流水管の一部である取水胴１６に連通している。なお、流水管は、取水胴１６と、後述する水絞り外筒２２、水絞りドラム２４及び下部水圧管２８とで構成される。

取水胴１６は、円筒状に形成され、側方部分及び下端部が開口し、側方部分の開口に、高さ調節用導水管１２の下端部寄りの開口が取り付けられて互いに連通している。取水胴１６の中心軸はほぼ垂直であり、内側を水流が上方から下方に向かって通過する。また、取水胴１６の、高さ調節導水管１４と反対側の側方部分に作業用出入口１８が設けられ、開閉扉１８ａで閉じられている。

取水胴１６の下端部の開口には、水絞り部２０が同軸に固定されている。水絞り部２０は、円錐台状の水絞り外筒２２を備え、その上端の大径部が取水胴１６の下端部に取り付けられて互いに連通している。水絞り外筒２２の中心軸はほぼ垂直であり、内側を水流が上方から下方に向かって通過する。水絞り外筒２２の内側には、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、上端部が狭くなった円筒状の水絞りドラム２４が設けられている。水絞り外筒２２及び水絞りドラム２４は、流水管を通過する水流を、後述する水車３０のブレード本体３６の上面に向けて案内する。

水絞り外筒２２と水絞りドラム２４との間の空間には、複数の固定ガイド板２６が取り付けられている。固定ガイド板２６は、中心軸周りに放射状に配置された９枚の板体であり、水絞り外筒２２と水絞りドラム２４との間の空間をほぼ等間隔な９区画に区切っている。固定ガイド板２６は、流水管を通過する水流の角度を変化させるための部材であり、水流が下方へ向かって時計周りに進むように傾斜して取り付けられている。この傾斜角度は、後述する水車３０のブレード本体３６に対して９０度前後の角度で交差するように設定されている。また、９枚の固定ガイド板２６の中の固定ガイド板２６ｘは、着脱可能に取り付けられている。

水絞り外筒２２の下端の小径部には、円筒状の下部水圧管２８が同軸に取り付けられて互いに連通し、下部水圧管２８の内側に水車３０が設けられている。下部水圧管２８の中心軸はほぼ垂直であり、内側を水流が上方から下方に向かって通過する。水車３０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、回転筒部３２の側周面に外向きに４枚のブレード３４を取り付けたものであり、固定ガイド板２６の下方に配置され、回転筒部３２の回転軸が流水管の中心軸と同軸になるように支持されている。回転筒部３２の直径は、水絞りドラム２４の下端部の直径よりも少し小さい。

ブレード３４は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、水流を受けるブレード本体３６とブレード側取り付け部３８とを備えている。ブレード本体３６は、図５（ａ）に示すように、略扇形の板で、円弧状になった内側の端縁に、溶接部３６ａが延設されている。ブレード側取り付け部３８は、図５（ｂ）に示すように、表面側にブレード本体３６の端部が固定される円板形の取り付け板３８ａを有し、取り付け板３８ａの裏面側の中央部に円柱状の軸ピン３８ｂが突設され、取り付け板３８ａの、軸ピン３８ｂのから少し離れた位置にブレード側ネジ穴３８ｃが貫通形成されている。また、取り付け板３８ａの表面には、中央部を直径方向に横切る溶接溝３８ｄが形成され、軸ピン３８ｂの側周面には、ネジ山（図示せず)が形成されている。いる。ブレード本体３８は、溶接部３６ａが溶接溝３８ｄの中に差し込まれて溶接され、ブレード側取り付け部３８に固定される。

回転筒部３２は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、外筒体３２ａと、外筒体３２ａの内側に同軸に配置された内筒体３２ｂと、外筒体３２ａと内筒体３２ｂとを相互に連結固定する複数の梁３２ｃとを備えている。外筒体３２ａの側周面の４箇所には、回転筒部側取り付け部４０を形成するための金具３２ｄが一体に溶接されている。また、外筒部３２ａの下端部は、下方から水が侵入するのを防止する底板３２ｅで閉じられている。

回転筒部側取り付け部４０は、外筒体３２ａの側周面の一部を浅く凹ませた位置にある外筒体３２ａの側周面の一部を浅く凹ませた位置にある平坦な受け面４０ａと、受け面４０ａの中央部に形成された円形断面の軸ピン差し込み穴４０ｂと、受け面４０ａの、軸ピン差し込み穴４０ｂの周りに形成された複数の回転筒部側ネジ穴４０ｃとで構成されている。各回転筒部側ネジ穴４０ｃは、軸ピン差し込み穴４０ｂとの間隔が互いに等しく、軸ピン差し込み穴４０ｂの周りに所定のピッチで均等間隔に配置されている。

ブレード３４を回転筒部３２に取り付ける時は、例えば、軸ピン３８ｂを軸ピン差し込み穴４０ｂに差し込んで係合させ、取り付け板３８ａの裏面を受け面４０ａに当接させる。そして、ブレード本体３６を軸ピン３８ｂ周りに回転させることによってリード角を調節し、ブレード側ネジ穴３８ｃが複数の回転筒部側ネジ穴４０ｃの中のどれか重なる位置に保持して相互にネジ止めすることにより、取り付け板３８ａを受け面４０ａに固定する。そして、図７に示すように、受け面４０ａの裏側に突出している軸ピン３８ｂに、バネ座金Ｂｚを通してナットＮｔを螺合させ、しっかりと締め付けて固定する。さらに、ナットＮｔが緩むのを確実に防止するため、割ピンＷｐを装着する。このような作業を行って４枚のブレード３４を取り付けると、図３（ａ）、（ｂ）に示す水車３０の組み立て状態になる。

水車３０の回転筒部３２の内筒体３２ｂの内側には、水車３０の回転軸となるシャフト４２が一体に取り付けられている。図１に示すように、シャフト４２の、回転筒部３２から上方に突出する部分は、水絞りドラム２４の上端の狭い開口に回転可能に挿通され、上端部４２ａがカップリング４４に連結されている。さらに、カップリング４４は増速機４６に連結され、増速機４６から別のシャフト４８が上方に延出して設けられ、シャフト４８は別のカップリング５０を経て発電機５２に連結されている。

水車３０の下方には、円筒状の軸受け取り付け部材５４及び軸受け５６が設置されており、シャフト４２の、回転筒部３２から下方に突出する下端部４２ｂが、軸受け５６によって回転可能に支持されている。

次に、この実施形態の水力発電装置１０の設置方法及び動作を説明する。水力発電装置１０が取り付けられるのは、一対の側壁部で両岸が保護された用水路ＹＳの、上流側の第一底部Ｓｏから下流側の深い第二底部（図示せず）に至るほぼ垂直な段差部であり、一定の落差Ｈがある箇所である。ここでの落差Ｈは、上流側の第一底部Ｓｏから下流側の水面Ｓｍまでの距離を言う。図示しない架台フレームは、段差部の縦壁に接触するように配置され、土台部が第二底部に設置される。そして、水力発電装置１０は、高さ調節用導水管１４の上端の取水口部１２が、第一底部Ｓｏ側に向けてセットされる。

用水路ＹＳの第一底部Ｓｏを流れてきた水は、取水口部１２から流入し、高さ調節用導水管１４をほぼ垂直に落下し、取水胴１６の中へ流れ込む。その後、取水胴１６の下端から流出すると、水絞り部２０の水絞り外筒２２及び水絞りドラム２４の間の流路を通過し、固定ガイド板２６により流れの方向が規制されて固定ガイド板２６の下端部から流れ落ち、水車３０のブレード本体３６の上面に衝突する。そして、ブレード本体３６が押され、水車３０が回転筒部３２を中心に、上方から見て時計回りに回転する。

水絞り部２０を通過する水は、水絞り外筒２２及び水絞りドラム２４により流路が絞られるので、水の流速が増す。また、固定ガイド板２６によって９箇所に分流して４枚のブレード本体３６にほぼ均等に流れ落ち、しかもブレード本体３６の上面にほぼ垂直に衝突するように案内される。したがって、水流が水車３０を効果的に回転させ、水流のエネルギーが効率よく回転エネルギーに変換される。そして、この回転エネルギーがシャフト４２を介して発電機５２に伝達され、発電が行われる。

上記のように、河川や農業用水路等は季節や天候によって水の流量が変化する。したがって、水車３０の回転効率を高く維持するため、適宜のタイミングで、水の流量に合わせてブレード本体３６のリード角を変更する作業を行う。

ブレード本体３６のリード角を変更する作業は、水力発電装置１０の取水口部１２を閉鎖して水が流れ込むのを遮断した後、作業者が作業用出入口１８から取水胴１６の中に入り、複数の固定ガイド板２６の上に載って行う。まず、着脱可能な固定可動板２６ｘを取り外して水車３０の上方に作業用の開口を形成する。そして、この作業用の開口を利用して、４枚のブレード本体３６のリード角を変更する作業を行う。

リード角を変更する時は、ブレード側ネジ穴３８ｃと回転筒部側ネジ穴４０ｃとのネジ止めを解除し、軸ピン３８ｂと軸ピン差し込み穴４０ｂとを係合させたまま、ブレード本体３６を軸ピン３８ｂ周りに回転させる。そして、リード角を適切な角度に変更して、ブレード側ネジ穴３８ｃが複数の回転筒部側ネジ穴４０ｃの中のどれかと重なる位置に保持し、再び相互にネジ止めして取り付け板３０ａを受け面４０ａに固定する。例えば、回転筒部側ネジ穴４０ｃの数を３個とし、軸ピン差し込み穴４０ｂの周りの垂直上方から水平方向の９０度の範囲で均等間隔に配置すれば、リード角を４５度刻みで可変調節することができる。

この作業を４枚のブレード３４に対して順番に行い、全ての作業が終了すると、固定可動板２６ｘを元のように取り付けて作業用の開口を塞ぎ、作業用出入口１８から取水胴１６の外に出て開閉扉１８ａを閉鎖する。そして、取水口部１２を開放すれば、発電を再開することができる。

以上説明したように、水力発電装置１０によれば、水車３０のブレード３４（ブレード本体３６）のリード角を作業者が容易に変更することができるので、水の流量が変化しても水車３０の回転効率を高く維持することができる。しかも、リード角を可変調節するための機構が従来よりもシンプルなので、装置全体のコストアップを最小限に抑えることができ、メンテナンスも容易である。また、高さ調節用導水管１４により、設置する用水路ＹＳの落差Ｈに応じて、適切な状態で取り付けることができる。

なお、この発明の水力発電装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、水力発電装置１０の場合、取水胴１６、水絞り外筒２２、水絞りドラム２４及び下部水圧管２８を組み合わせることによって流水管が構成されているが、流水管は、水を水車３０のブレード３４に向けて適切に案内できるものであればよく、上記と異なる部材を組み合わせた構成にしてもよい。また、水車のブレードのリード角を変更する時に使用する作業用出入口１８は、取水胴１６の側方部分とは異なる位置に設けてもよい。

水車に設ける回転筒部側取り付け部及びブレード側取り付け部の構造は、ブレード本体のリード角を上記の要領で変更できるものであれば、他の構造に変更することができる。例えば、回転筒部側ネジ穴の数やブレード側ネジ穴の数は、リード角調節の刻みや互いの固定強度等を考慮して適宜変更することができる。また、軸ピン差し込み穴の内部に軸受けを設け、軸ピン差し込み穴に軸ピンが差し込まれた時、軸受けを介して互いに係合する構造にしてもよく、これによって、ブレード本体を軸ピン周りに回転させる時の作業者の負担を軽減することができる。また、作業が可能であれば、軸ピン及び軸ピン差し込み穴を省略してもよい。

水車のブレード及び回転筒部の構造は、上記のような使用方法が可能であれば、自由に変更することができる。例えば、回転筒部は、上記回転筒部３２のように内部を中空にして軽量化することが好ましいが、内部が埋まった円柱状に形成してもよい。また、ブレードの数は適宜変更することができ、ブレード本体の形状についても、平坦な形状にしてもよいし、平板をくの字に湾曲させた形状にしてもよいし、特許文献１に開示されたブレードのように曲面形状にしてもよい。

固定ガイド板の数や形状は、水の流れを適した方向に向けることができるものであれば自由に変更することができる。また、着脱可能にする固定ガイド板の数は、リード角を変更する時の作業性を考慮して２個以上にしてもよい。

水力発電装置１０の構成は、用水路ＹＳの段差部の落差Ｈが大きい場合に適しているが、落差Ｈが小さい時は、図６に示す水力発電装置５８のような、よりシンプルな構成にすることができる。水力発電装置５８は、水力発電装置１０から高さ調節用導水管１４を省略したものであり、用水路ＹＳの第一底部Ｓｏを流れてきた水が取水口部１２から取水胴１６の中に直接流れ込むことになるが、それ以降の動作は同じであり、水力発電装置１０と同様の効果が得られる。

１０，５８ 水力発電装置
１４ 高さ調節用導水管
１６ 取水胴（流水管）
１８ 作業用入口
２２ 水絞り外筒（流水管）
２４ 水絞りドラム（流水管）
２６，２６ｘ 固定ガイド板
２８ 下部水圧管（流水管）
３０ 水車
３２ 回転筒部
３４ ブレード
３６ ブレード本体
３８ ブレード側取り付け部
３８ａ 取り付け板
３８ｂ 軸ピン
３８ｃ ブレード側ネジ穴
４０ 回転筒部側取り付け部
４０ａ 受け面
４０ｂ 軸ピン差し込み穴
４０ｃ 回転筒部側ネジ穴
４２，４８ シャフト（回転軸）
５２ 発電機
Ｈ 落差

Claims (3)

1. 回転筒部の側周面に外向きに取り付けられた複数のブレードに水流を受けて回転する水車と、前記回転筒部に連結され、前記水車の回転運動を受けて発電を行う発電機とを備え、
   前記ブレードには、水流を受けるブレード本体とブレード側取り付け部とが設けられ、前記ブレード側取り付け部には、表面側に前記ブレード本体の端部が固定された取り付け板と、前記取り付け板の周囲に形成されたブレード側ネジ穴とが設けられ、
   前記回転筒部は、側周面の複数箇所に回転筒部側取り付け部が設けられ、前記回転筒部側取り付け部には、受け面と、前記受け面の周囲に形成された複数の回転筒部側ネジ穴とが設けられ、前記各回転筒部側ネジ穴は、前記回転筒部の中心から同心円上に位置し、
   前記ブレードが前記回転筒部に取り付けられた状態で、前記取り付け板の裏面が前記受け面に当接し、前記ブレード側ネジ穴が前記複数の回転筒部側ネジ穴の中のどれかに重なって相互にネジ止めされ、前記取り付け板が前記受け面に固定され、
   中心軸が垂直に設けられ、内側を水流が上方から下方に向かって通過する流水管と、前記流水管内に、前記中心軸の周りに放射状に設置され、前記水流の角度を変化させる複数の固定ガイド板とを備え、
   前記水車は、自己の回転軸を前記中心軸と同軸にして前記複数の固定ガイド板の下方に設置され、前記複数の固定ガイド板によって案内された水流を受けて回転し、
   前記流水管には、作業用出入口が設けられ、前記複数の固定ガイド板の中の特定の固定ガイド板は着脱可能であり、前記特定の固定ガイド板を取り外すことによって、作業者が前記ブレードのリード角を変更可能に設けられたことを特徴とする水力発電装置。
2. 前記取り付け板の裏面側に、円柱状の軸ピンが突設され、前記受け面の内側には、円形断面の軸ピン差し込み穴が設けられ、
   前記受け面の複数の回転筒部側ネジ穴は、前記軸ピン差し込み穴の周りに所定のピッチで均等間隔に配置されている請求項１記載の水力発電装置。
3. 前記流水管には、設置される水路の落差に対応して設けられる高さ調節用導水管が、垂直方向に連結して取り付けられる請求項１記載の水力発電装置。

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