JP7356098B2

JP7356098B2 - 水力発電装置

Info

Publication number: JP7356098B2
Application number: JP2019036025A
Authority: JP
Inventors: 昭一郎飯尾; 陽行村越; 悠理成田; 明塩崎; 健介鈴木
Original assignee: Shinshu University NUC; Sinfonia Technology Co Ltd
Current assignee: Shinshu University NUC; Sinfonia Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2023-10-04
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: JP2020139469A

Description

特許法第３０条第２項適用１．日本機械学会［Ｎｏ１８７－１］北陸信越支部第５５期総会・講演会講演論文集Ｅ０１２発行日平成３０年３月３日２．集会名ターボ機械協会第１回水力エネルギー分科会開催日平成３０年５月２５日３．集会名グランド再生可能エネルギー２０１８国際会議開催日平成３０年６月２１日４．集会名ピコ水力発電研究会第２回技術情報交流会開催日平成３０年１１月１６日

本発明は、農業用水路等の水の流れを利用して発電可能な小型の水力発電装置に関する。

近年、農業用水路等の水の流れを利用して発電可能な小型の水力発電装置の開発が進められている。このような水力発電装置では、高落差は望めないため、低落差（例えば２ｍ程度）の場合でも効率的に発電ができるように種々の工夫が試みられている。例えば、特許文献１の水力発電装置では、水の流れによって回転する回転スクリュウの上流側に固定スクリュウが設けられており、固定スクリュウの取付角度を適切に調整することにより、発電効率の向上が図られている。

特許第４５５８０５５号公報

特許文献１の水力発電装置では、回転スクリュウ（以下、ランナーと言う）とランナーが収容されているケーシングとの干渉を防ぐため、ランナーの翼端とケーシングの内壁面との間には隙間が設けられている。この隙間を通る水の流れは、ランナーの回転に寄与しないため、その分、ランナーのトルクが低下し、ひいては発電効率が低下する。もちろん、隙間をできるだけ狭くすれば、隙間から漏れる水の流れを減らし、発電効率の低下を抑えることはできる。しかしながら、ランナーやケーシングの加工精度や組付精度を考慮すると、隙間を狭めるのにも限界があった。

上記課題を鑑みて、本発明は、ランナーとケーシングとの間の隙間を狭めなくても発電効率を向上させることが可能な水力発電装置を提供することを目的とする。

本発明は、水が流れる円筒空間を有するケーシングと、前記円筒空間に配置されたランナーとを備え、前記円筒空間を流れる水によって前記ランナーを回転させることで発電を行う水力発電装置であって、前記ケーシングの内壁面には環状溝が形成されており、前記ランナーの翼端が前記環状溝内又は前記環状溝の開口面上に位置するように、前記ランナーが配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、ランナーの翼端が、ケーシングの内壁面に形成された環状溝内、又は、環状溝の開口面上に位置しているので、ケーシングの軸方向から見たとき、ケーシング内の円筒空間はランナーで占められており、略全ての水の流れがランナーによって受けられる。このため、ランナーが発生させるトルクを増大させることができ、発電効率を向上させることができる。また、ランナーの翼端と環状溝の周面との間には、ランナーとケーシングとの干渉を防ぐために隙間を設ける必要があるが、この隙間は環状溝内に存在するので、隙間の大きさにかかわらず、上述のように略全ての水の流れをランナーに受けさせることができる。したがって、本発明によれば、ランナーとケーシングとの間の隙間を狭めなくても発電効率を向上させることが可能となる。

本発明において、前記ランナーの外周を覆う円筒状のリング部材が、前記ランナーと一体回転可能に前記ランナーに取り付けられているとさらによい。

ケーシングに環状溝を設けた場合、環状溝内で水の淀みが生じ、この淀みをランナーが撹拌することによる撹拌損失によって、発電効率の向上が妨げられるおそれがある。そこで、ランナーの外周をリング部材で覆うことで、ランナーによる淀みの撹拌を抑えることができ、撹拌損失を抑制することができる。その結果、発電効率をより向上させることが可能となる。

本発明において、前記ケーシングが軸方向において複数に分割可能に構成されているとさらによい。

本発明では、ランナーの翼端が環状溝内又は環状溝の開口面上に位置していることから、ランナーの外径がケーシングの内径と同じかそれ以上となるので、ランナーをケーシング内に配置するのが困難である。そこで、上述のように、ケーシングを軸方向に分割できるようにしておけば、ケーシングを分解した状態でランナーを位置決めし、その後ケーシングを組み立てることで、ランナーをケーシング内に容易に配置することができる。

本実施形態に係る水力発電装置を水路に設置した状態を示す図である。（ａ）ランナー周辺の断面図と（ｂ）ａ図のＢ－Ｂ断面における断面図である。環状溝の有無によるエネルギー変換効率の違いを示すグラフである。リング部材が取り付けられたランナーの平面図である。（ａ）リング部材が取り付けられていないランナーの拡大断面図と（ｂ）リング部材が取り付けられたランナーの拡大断面図である。リング部材の有無によるエネルギー変換効率の違いを示すグラフである。ケーシングの変形例を示す図である。ケーシングの変形例を示す図である。従来の水力発電装置における（ａ）ランナー周辺の断面図と（ｂ）ａ図のＢ－Ｂ断面における断面図である。

（水力発電装置の全体構成）
本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。図１は、本実施形態に係る水力発電装置を水路に設置した状態を示す図である。本実施形態の水力発電装置１は、農業用水路等の水の流れを利用して発電可能な小型の水力発電装置であり、例えば２ｍ前後の低落差でも利用可能なものである。水力発電装置１が設置される水路１００は、第１流路１０１と、第１流路１０１よりも低い位置にある第２流路１０２と、第１流路１０１と第２流路１０２との間に形成される段差部１０３と、を有する。水力発電装置１は、段差部１０３に沿って配置される。以下の説明では、図１に示す方向を適宜参照する。

水力発電装置１は、直方体状に組まれた架台フレーム２に、各機器や各部品が取り付けられた構成を有する。架台フレーム２は、複数の縦フレーム２ａと、複数の横フレーム２ｂとが組み合わされて構成される。架台フレーム２の上方には、発電機１０が配置されている。

架台フレーム２の上部には、架台フレーム２から右方に突出するように取水管３が取り付けられている。取水管３は、第１流路１０１の底に配置されており、第１流路１０１を流れる水を取り込む。架台フレーム２内の上部には、上下方向に延びる円筒状の導水管４が配置される。導水管４には取水管３が接続されており、取水管３から取り込まれた水は導水管４へと導かれる。導水管４は、中心部に上下方向に延びる貫通孔４ａが形成されており、水平断面が円環状となっている。この貫通孔４ａには、後述の回転軸１４が挿通される。導水管４の下端部は、下側に向かって小径となる逆円錐台状となっており、流路が狭められている。導水管４の下端には、上下方向に延びる円筒空間を有するケーシング５が接続される。さらに、ケーシング５の下端には、左下方に向かって湾曲した排水管６が接続される。このような構成により、第１流路１０１を流れる水が、取水管３、導水管４、ケーシング５内の円筒空間、排水管６を通って、第２流路１０２へと排出される。

ケーシング５内の円筒空間には、ガイドベーン１１、ランナー１２、及び、整流部材１３が配置されている。図２のａ図は、ランナー１２周辺の断面図であり、図２のｂ図は、ａ図のＢ－Ｂ断面における断面図である。図２のａ図に示すように、ガイドベーン１１は、円筒状の筒部１１ａと、筒部１１ａの外周面から径方向外側に延びる複数のベーン部１１ｂとを有する。ガイドベーン１１は、導水管４又はケーシング５に固定されている。ガイドベーン１１は、上方から流れ落ちてくる水を、複数のベーン部１１ｂによって旋回成分を付与しつつランナー１２に供給する。複数のベーン部１１ｂは、ランナー１２が発生させるトルクが最大となるよう、その形状等が決められている。

ガイドベーン１１の下方には、ランナー１２が配置される。ランナー１２は、円筒状のボス部１２ａと、ボス部１２ａの外周面から径方向外側に延びる複数の羽根部１２ｂとを有する。ランナーには羽根部の角度が可変に構成されたものもあるが、本実施形態のランナー１２においては、羽根部１２ｂはボス部１２ａと一体形成されており、羽根部１２ｂの角度は不変である。ランナー１２は、ガイドベーン１１によって旋回成分を付与された水を複数の羽根部１２ｂで受けることで回転推力を得て回転する。

ランナー１２の中心部、すなわち、ボス部１２ａの中心部には、上下方向に延びる回転軸１４の下端部が挿通された状態で固定されている。回転軸１４は、ガイドベーン１１の筒部１１ａに配置された軸受１５によって、回転自在に支持されている。回転軸１４の上端部は、発電機１０の回転子（図示省略）にカップリング等を介して連結されている。ケーシング５内の円筒空間を上（上流）から下（下流）に向かって流れる水の作用によってランナー１２が回転すると、回転軸１４がランナー１２とともに回転する。そして、回転軸１４が回転することによって、発電機１０が作動し、水力発電が行われる。

ランナー１２の下端には、下側に向かって小径となる逆円錐状の整流部材１３が取り付けられている。整流部材１３は、ランナー１２の下流側において流路を徐々に拡大させるように機能することで、水の流れが乱れることを抑えている。

（発電効率を向上させるための構成）
図９のａ図は、従来の水力発電装置におけるランナー１２周辺の断面図であり、図９のｂ図は、ａ図のＢ－Ｂ断面における断面図である。図９では、本実施形態と共通する部材については同じ符号を付している。図９に示すように、従来の水力発電装置では、ケーシング５の内壁面５ａが段差等のない平滑面となっている。そして、ランナー１２がケーシング５と干渉することを防止するため、ランナー１２（羽根部１２ｂ）の翼端（最も径方向外側の端）とケーシング５の内壁面５ａとの間に隙間Ｇ３が設けられている。隙間Ｇ３を通る水の流れは、ランナー１２の回転に寄与しないため、その分、ランナー１２のトルクが低下し、ひいては発電効率が低下していた。もちろん、隙間Ｇ３をできるだけ狭くすれば、隙間Ｇ３から漏れる水の流れを減らし、発電効率の低下を抑えることはできる。しかしながら、ランナー１２やケーシング５の加工精度や組付精度を考慮すると、隙間Ｇ３を狭めるのにも限界があった。

そこで、本実施形態では、図２のａ図に示すように、ケーシング５の内壁面５ａに環状溝５ｂを形成し、ランナー１２（羽根部１２ｂ）の翼端が環状溝５ｂ内に位置するように、ランナー１２を配置している。つまり、ランナー１２の外径が、ケーシング５の内壁面５ａの径より大きく、且つ、環状溝５ｂの周面の径よりも小さくなるようにしている。こうすることで、図２のｂ図に示すように、ランナー１２の羽根部１２ｂはケーシング５の内壁面５ａよりも径方向外側まで延びていることになり、ケーシング５の軸方向（上下方向）から見たとき、ケーシング５内の円筒空間はランナー１２で占められる。したがって、略全ての水の流れがランナー１２によって受けられ、ランナー１２が発生させるトルクを増大させることができるので、発電効率を向上させることができる。

このような構成の場合でも、ランナー１２とケーシング５との干渉を防ぐため、ランナー１２の翼端と環状溝５ｂの周面との間に隙間Ｇ１を確保する必要がある。しかしながら、図２のａ図から明らかなように、この隙間Ｇ１は環状溝５ｂ内に存在するため、水を漏れなくランナー１２で受けるために隙間Ｇ１を狭める必要性はない。したがって、隙間Ｇ１をある程度余裕を持って確保しても発電効率の向上が見込め、ランナー１２やケーシング５の加工精度や組付精度を上げなくても発電効率を向上させることができる。

本実施形態の水力発電装置１において、どの程度発電効率を向上させることができるかを実験した。図３は、環状溝５ｂの有無によるエネルギー変換効率の違いを示すグラフである。図３の「環状溝なし」とは、環状溝のない従来の水力発電装置（図９参照）を示しており、実験では隙間Ｇ３を０．３ｍｍとした。一方、「環状溝あり」とは、本実施形態（図２参照）のように環状溝５ｂを設け、環状溝５ｂ内にランナー１２の翼端を配置させた場合を示す。実験では環状溝５ｂの深さを１ｍｍとし、ランナー１２の翼端と環状溝５ｂの周面との間の隙間Ｇ１を０．３ｍｍとした。図３のグラフの横軸の「周速比」とは、ランナー１２の翼端の回転速度が水の軸方向の速度の何倍であるかを示している。一般的に、周速比がある値のときにエネルギー変換効率（発電効率）がピークとなることが知られている。

図３に示す実験結果から明らかなように、実験を行った周速比の全域において、本実施形態の水力発電装置１のエネルギー変換効率は、環状溝のない従来の水力発電装置を上回った。つまり、ランナー１２の翼端が環状溝５ｂ内に位置するようにランナー１２を配置することで、ランナー１２が発生させるトルクを増大させることができ、ひいては発電効率を向上させることができることが実証された。

ところで、本実施形態のように、ランナー１２の外径がケーシング５の内径（内壁面５ａの径）よりも大きい場合、円筒状のケーシング５内にランナー１２を配置することは困難である。そこで、本実施形態では、図２のａ図に示すように、ケーシング５を軸方向において上側の第１部分５Ａと下側の第２部分５Ｂとに分割可能に構成している。分割面の軸方向における位置は、環状溝５ｂ内とされている。第１部分５Ａの下端部及び第２部分５Ｂの上端部のそれぞれには、径方向外側に突出するフランジ５ｄが設けられている。そして、第１部分５Ａのフランジ５ｄと第２部分５Ｂのフランジ５ｄとを突き合わせた状態で、ボルト等によって固定することで、ケーシング５が組み立てられる。このような構成であれば、ケーシング５を第１部分５Ａ及び第２部分５Ｂに分解すれば、ランナー１２をケーシング５の内部に容易に配置することができる。

（ランナーの変形例）
図３に示した実験結果では、環状溝５ｂを設けることによって、エネルギー変換効率が顕著に向上することが認められたが、環状溝５ｂの深さを５ｍｍと深くした場合、期待したようなエネルギー変換効率の向上が見られなかった。その原因を、本願発明者らは次のように推測した。つまり、環状溝５ｂが深くなると環状溝５ｂ内で水の淀みが生じやすくなり、この淀みをランナー１２が撹拌することによって撹拌損失が生じ、エネルギー変換効率の向上が妨げられると推測した。そして、このような推測のもと、ランナー１２の外周をリング部材で覆うという対策を見出した。

図４は、リング部材１６が取り付けられたランナー１２（以下、リング付きランナー１２と言う）の平面図である。リング部材１６は、複数の羽根部１２ｂの外周を覆う円筒状の部材である。リング部材１６の軸方向の寸法は、羽根部１２ｂの軸方向の寸法と略同じである（図５のｂ図参照）。リング部材１６は、複数の羽根部１２ｂに取り付けられており、ランナー１２と一体回転する。このように、複数の羽根部１２ｂをリング部材１６で覆うことによって、複数の羽根部１２ｂが環状溝５ｂ内で淀んでいる水を撹拌してしまうことを抑えることができる。

リング付きランナー１２を採用することで、どの程度発電効率を向上させることができるかを実験した。図５のａ図は、リング部材１６が取り付けられていないランナー１２（以下、リングなしランナー１２と言う）の拡大断面図であり、図５のｂ図は、リング付きランナー１２の拡大断面図である。また、図６は、リング部材１６の有無によるエネルギー変換効率の違いを示すグラフである。図６の「リングなし」とは、図５のａ図に示すリングなしランナー１２を用いた場合を示しており、実験では環状溝５ｂの深さを５ｍｍとし、ランナー１２の翼端と環状溝５ｂの周面との間の隙間Ｇ１を０．３ｍｍとした。一方、「リングあり」とは、図５のｂ図に示すリング付きランナー１２を用いた場合を示しており、実験では環状溝５ｂの深さを５ｍｍとし、リング部材１６の外周面と環状溝５ｂの周面との間の隙間Ｇ２を０．３ｍｍとした。

図６に示す実験結果から明らかなように、実験を行った周速比の全域において、リング付きランナー１２を用いた場合のエネルギー変換効率は、リングなしランナー１２を用いた場合を上回った。この結果より、リング付きランナー１２では、複数の羽根部１２ｂの外周がリング部材１６で覆われていることで、複数の羽根部１２ｂが環状溝５ｂ内に淀んでいる水を撹拌することによる撹拌損失を抑え、ランナー１２が発生させるトルクを増大させることができ、ひいては発電効率を向上させることができることが実証された。

（効果）
本実施形態に係る水力発電装置１は、ランナー１２を収容するケーシング５の内壁面５ａに環状溝５ｂが形成されており、ランナー１２の翼端が環状溝５ｂ内に位置するように、ランナー１２が配置されている。つまり、ケーシング５の軸方向から見たとき、ケーシング５内の円筒空間はランナー１２で占められており、略全ての水の流れがランナー１２によって受けられる。このため、ランナー１２が発生させるトルクを増大させることができ、発電効率を向上させることができる。また、ランナー１２の翼端と環状溝５ｂの周面との間には、ランナー１２とケーシング５との干渉を防ぐために隙間Ｇ１を設ける必要があるが、この隙間Ｇ１は環状溝５ｂ内に存在するので、隙間Ｇ１の大きさにかかわらず、上述のように略全ての水の流れをランナー１２に受けさせることができる。したがって、ランナー１２とケーシング５との間の隙間Ｇ１を狭めなくても発電効率を向上させることが可能となる。

本実施形態では、ケーシング５が軸方向において複数に分割可能に構成されている。このため、ケーシング５を分解した状態でランナー１２を位置決めし、その後ケーシング５を組み立てることで、ランナー１２をケーシング５内に容易に配置することができる。

本実施形態の変形例では、ランナー１２の外周を覆う円筒状のリング部材１６が、ランナー１２と一体回転可能にランナー１２に取り付けられている。このため、ランナー１２による環状溝５ｂ内の淀みの撹拌を抑えることができ、撹拌損失を抑制することができる。その結果、より効果的に発電効率を向上させることが可能となる。

（他の実施形態）
上記実施形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。

上記実施形態では、ランナー１２の翼端が環状溝５ｂ内に位置するように、ランナー１２が配置されているものとした。しかしながら、ランナー１２の翼端が環状溝５ｂ内に位置することは必須ではなく、ランナー１２の翼端が環状溝５ｂの開口面５ｃ（図２のａ図参照）上に位置しても、同じ効果を得ることが可能である。つまり、ランナー１２の外径がケーシング５の内径（内壁面５ａの径）と同じでもよい。

上記実施形態では、軸方向において環状溝５ｂ内に位置する分割面にて、ケーシング５を第１部分５Ａと第２部分５Ｂとに分割可能に構成した。しかしながら、ケーシング５の分割の態様はこれに限定されるものではない。例えば、図７に示すように、環状溝５ｂの両端面を含む位置にて、ケーシング５を第１部分５Ｃと第２部分５Ｄと第３部分５Ｅとに分割可能に構成してもよい。こうすれば、各部分５Ｃ～５Ｅの内周面に段差がないように構成することができるので、各部分５Ｃ～５Ｅの加工が容易となる。

さらに、図８に示すように、ケーシング５を周方向に複数に分割可能に構成してもよい。本変形例では、ケーシング５を半円筒状の第１部分５Ｆと第２部分５Ｇとに分割可能に構成している。第１部分５Ｆ及び第２部分５Ｇのそれぞれには、周方向の両端に径方向外側に突出するフランジ５ｅが設けられている。そして、第１部分５Ｆのフランジ５ｅと第２部分５Ｇのフランジ５ｅとを突き合わせた状態で、ボルト等によって固定することで、ケーシング５が組み立てられる。このような構成でも、ケーシング５を第１部分５Ｆ及び第２部分５Ｇに分解することで、ランナー１２をケーシング５の内部に容易に配置することができる。ただし、組立時におけるケーシング５の内面の円筒形状の精度確保や接続部における水封の容易性を考慮すると、上記実施形態のように軸方向に分割するほうが有利である。

また、ケーシング５を分割しなくともランナー１２をケーシング５内に配置できるのであれば、ケーシング５を分割可能に構成することは必須ではない。例えば、ランナー１２を複数の部品に分解できるように構成することで、ランナー１２をケーシング５内に配置できるようにしてもよい。

上記実施形態では、発電効率を向上させるためにガイドベーン１１や整流部材１３を設けるものとしたが、これらの部材を省略することも可能である。

１：水力発電装置
５：ケーシング
５ａ：内壁面
５ｂ：環状溝
５ｃ：開口面
１２：ランナー
１６：リング部材

Claims

水が流れる円筒空間を有するケーシングと、前記円筒空間に配置されたランナーとを備え、前記円筒空間を流れる水によって前記ランナーを回転させることで発電を行う水力発電装置であって、
前記ケーシングの内壁面には環状溝が形成されており、
前記ランナーの翼端が前記環状溝内に位置するように、前記ランナーが配置されており、
前記ケーシングが軸方向において複数に分割可能に構成されており、分割面の前記軸方向における位置は、前記環状溝内又は前記環状溝の両端面を含む位置であることを特徴とする水力発電装置。
前記ランナーの外周を覆う円筒状のリング部材が、前記ランナーと一体回転可能に前記ランナーに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置。