JPH01130067A - 対称翼形を有するラジアルタービンおよびそれを用いた波力発電装置 - Google Patents

対称翼形を有するラジアルタービンおよびそれを用いた波力発電装置

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JPH01130067A
JPH01130067A JP62284105A JP28410587A JPH01130067A JP H01130067 A JPH01130067 A JP H01130067A JP 62284105 A JP62284105 A JP 62284105A JP 28410587 A JP28410587 A JP 28410587A JP H01130067 A JPH01130067 A JP H01130067A
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JP
Japan
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turbine
rotor hub
air chamber
guide
power generation
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JP62284105A
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English (en)
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Kenji Kaneko
賢二 金子
Toshiaki Setoguchi
俊明 瀬戸口
Masahiro Inoue
雅弘 井上
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Saga University NUC
Original Assignee
Saga University NUC
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Publication date
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2250/00Geometry
    • F05B2250/30Arrangement of components
    • F05B2250/33Arrangement of components symmetrical
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Landscapes

  • Other Liquid Machine Or Engine Such As Wave Power Use (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、波浪の有するエネルギーを機械的な回転運動
に変換する装置、より具体的には、対称翼型をしたブレ
ードを有するラジアルタービンおよびこのタービンを用
いた波力発電装置に関するものである。
(従来の技術) 四方を海で囲まれ、また石炭・石油などの化石燃料資源
の少ない我国において、海洋エネルギーの有効利用は、
エネルギー供給源の多様化に向けて解決しなければなら
ない技術的課題の一つである。
温度差、波浪、潮汐、海流、濃度差、そして生物などの
各海洋エネルギーの中、波浪エネルギーを利用するもの
としては、波の上下運動を空気圧力に変換し、この変換
により生ずる空気流でタービンを回転させる装置があり
、その一つに対称翼型ブレードを有するタービン(以下
ウェルズタービンと言う)を用いた波力発電装置がある
この装置は、第4図に模式的に示すように、波の上下運
動を空気圧力に変換する空気室1と、この変換により生
ずる空気流を外方又は空気室内方に導くガイド2と、ガ
イド2内に配設されたタービン3と、発電機を内蔵した
発電ユニット4とを具え、発電ユニットを図示しない軸
を介してタービン3に連結している。
たとえば、空気室1内の海面が図中矢印Aで示すように
上昇すると、空気室1内の空気は圧縮されガイド2を介
して空気室外方に流出する。この時、ガイド2を流れる
空気流れによって、対称翼型をしたタービンブレード5
には、第5図(a)に示したように、揚力りと抗力りと
が発生する。これ。
ら揚力と抗力とは、タービンブレード5の弦長方向の力
と、この力に直角な方向の力とに分かれて作用し、ブレ
ードの弦長方向の力の合力が、タービンを回転させるべ
く作用する。なお、ここでαは迎え角であり、空気流れ
とブレードとがなす角度をあられしている。
一方、空気室1内の海面が図中矢印Bで示すように下降
すると、空気室1内の圧力がその外方の圧力に比べて低
下するので、外方の空気がガイド2を介して空気室内に
流入することになる。その流れの方向は、海面が上昇す
る場合のそれとは逆向きであるが、ブレードの翼壁が対
称であるため、ブ1/−ドの弦方向に作用する力の方向
は、空気流れの方向に拘わらず一定であり、弦長方向に
直角な力だけがその方向を変化させることとなる。それ
ゆえ、ウェルズタービンは、作動流体の往復動流れに対
しその回転方向が常に一定であるので、とくに波力発電
に適したタービンと言える。
(発明が解決しようとする問題点) しかしながら、第5図(b)に模式的に示したように、
タービンブレード5をロータハブ6の周囲に等間隔でハ
ブの軸線方向に交差させて固着した構成の従来のウェル
ズタービンは、ロータハブ6の軸線方向、すなわち出力
軸7の延在方向に比較的大きな軸力を受けるので、ター
ビンの出力軸を回転可能に支持する軸受部には、作動流
体の往復流れに対応して作用方向の反転する軸力が交互
に作用することとなる。このため出力軸を支持する軸受
、ひいては発電ユニットおよびその連結部が短時間で損
傷すると言う問題があった。しかもタービンブレードに
作用する作動流体の流れ方向と、タービンの出力軸の方
向とが一敗する、いわゆる軸流式であるため、発電ユニ
ットを含めたその設置構造が複雑になることが避けられ
ないと言う問題があった。
本発明はこのような問題点を解決すべくなされたもので
あり、タービンの軸線方向に作用するノコがほとんど生
起されることがなく、また設置構造を簡潔なものとする
ことができるタービンおよび波力発電装置を提供するこ
とをその目的とする。
(問題点を解決するための手段) この目的を達成するため本発明ラジアルタービンは、出
力軸に固着されたロータハブと、ロータハブに等間隔を
なしてそれぞれ一端が固着されロータハブの回転軸線に
平行に離間して延在する対称翼型をした複数のタービン
ブレードとを具えてなる。
また本発明波力発電装置は、水面との間に空間を形成し
水面の上下運動に関連した往復空気流れを生起する空気
室と、空気室上部に起立して設けられた鉛直部分および
この鉛直部分に接続されその周囲に半径方向外方に延在
させた水平部分を有し生起された空気流れを導くガイド
と、ガイドの水平部分に収容されるラジアルタービンと
、ラジアルタービンに連結される発電ユニットとを具え
、そのラジアルタービンは、回転軸線がガイドの鉛直部
分の長手軸線方向に共軸なロータハブと、ロータハブに
ほぼ等間隔をなしてそれぞれ一端が固着されロータハブ
の回転軸線に離間して平行に延在する対称翼型をした複
数のタービンブレードとを具備してなる。
(作 用) タービンブレードには、それに作用する作動流体の流れ
により、揚力と抗力とが発生し、タービンブレードの弦
長方向に作用するそれらの力の成分はタービンを出力軸
の軸線まわりに回転させるべく作用する。一方、各ター
ビンブレードにはその弦長方向に直交する方向にそれら
揚力および抗力との成分が作用することになるが、その
方向は出力軸の軸線方向ではなく、またタービンブレー
ドがロータハブの周縁部に等間隔で固着されているから
、それぞれのタービンブレードに作用する弦長方向に直
交する方向の力の合力は実質的に零となる。それゆえ、
このラジアルタービンによればロータハブの回転軸線方
向に軸力が作用することがなく、したがってタービンの
出力軸を回転自在に支持する軸受が短期間で損傷するこ
とがなく、その支持が容易となるので設置構造をN潔な
ものとすることができる。
また、この波力発電装置では、空気室にて生起された空
気流れが、ガイドの鉛直部分を介してその水平部分に導
かれ、水平部分に収納したラジアルタービンに作用し、
それに直接又は間接に連結された発電ユニットを起動す
る。それゆえ、ラジアルタービンをガイドの水平部分に
設置することができるので、ガイドの鉛直部分に設置す
る場合に比べてタービンの設置構造における設計の自由
度が大きく、上記ウェルズタービンと相まってその設置
構造がより簡潔なものとなる。
(実施例) 以下図面を参照して本発明ラジアルタービンおよびそれ
を用いた波力発電装置の好適な実施例について詳述する
第1図は本発明ラジアルタービンの一実施例を示す斜視
図である。なお節略のため、第4図および第5図に示す
部分と同等の部分は、それと同一符号で示す。
対称翼型をした同一形状寸法の複数枚のタービンブレー
ド5の一端を、円板状のロータハブ6の一端面側の周縁
部にロータハブの回転軸線Xに関して対称に固着する。
それゆえ各タービンブレードは、ロータハブの回転軸線
に平行に離間して延在することとなる。一方、ロータハ
ブの他端面には、回転軸線Xに共軸に出力軸7を固着す
る。勿論、この出力軸7は、必要であればタービンブレ
ードの延在する側に配設しても良く、この実施例に限定
されるものではない。なお、ロータハブには、バランス
ホール8をロータの周方向に貫通して設けることが好ま
しく、その作用については後述する。
次に本発明ラジアルタービンの作動について説明する。
ラジアルタービン内方から外方に作動流体が図中矢印A
で示すように流出するとする。この時作動流体の流れが
タービンブレードに対しである範囲の角度αで作用する
と、各タービンブレード5には空気力、すなわち揚力お
よび抗力が作用することになる。それら力の総和をFと
すると、タービンブレードはその接線方向にF sin
αで、法線方向にF cosαで表わされる力を受ける
ことになり、各タービンブレードに作用する接線方向の
力は、出力軸7まわりのモーメント、つまりトルクであ
るからタービンを回転させることとなる。
これに対し各タービンブレード5には、法線方向にF 
cosαで表わされる力を受けることになるが、ラジア
ルタービン全体として見れば、タービンブレードがロー
タハブに等間隔で固着されていることを考慮するとそれ
ら力の和は実質的に零となる。しかも各タービンブレー
ドに作用する空気力は、タービンの出力軸7の方向にそ
の成分を持つことがなく、したがって軸力が問題となる
ことはない。
第2図は、上述したラジアルタービンを具備する波力発
電装置を示す実施例であり、lは空気室を、2はガイド
を、3は本発明ラジアルタービンを、そして4は発電ユ
ニットをぞれぞれ示している。
空気室1は一端が海底又は湖底に固着された缶体であり
、その上部は水面との間に空間Sを形成する。空間Sに
連通させて空気室1の上部には、ガイド2が取付けられ
ている。このガイド2は、空気室の上部に起立させて設
けた筒状体よりなる鉛直部分2aと、鉛直部分の上端部
に取付けられ鉛直部分の長手、軸線に交差さして延在す
る水平部分2bとを具備し、空気室l内の水面の上下運
動に伴う空間Sの容積の変動に起因して生起された空気
流れを導くものである。本実施例では、このガイドの水
平部分2bを、鉛直部分2aに中間部を開口させて固着
した下板部材8と、下坂部材2の周方向に一定間隔を置
いて配設された複数の支柱10を介して下板部材2に平
行に離間して配設された下坂部材12とで構成する。下
板部材8には、その周方向に環状の収容凹部14が全周
に亘って設けられている。一方、上板部材12には、ガ
イド2の筒状をした鉛直部分2aに共軸に、第1図に示
すラジアルタービン3が適当な軸受およびシール手段1
6を介して回転自在に支持されている。
このラジアルタービン3の各タービンブレード5の自由
端部は、下坂部材18の環状収容凹部14内に収容され
、一方そのロータハブ6は、上板部材12に形成した凹
所18に少なくともその一部が収容される。そしてター
ビン3の出力軸7は、適当なカップリング手段(図示せ
ず)を介して既知の発電ユニット4に連結されている。
次にこの波力発電装置の作動について説明する。
第2図において、空気室lの空間Sにおける空気は、矢
印A方向への水面の上昇に伴なって圧縮され、ガイド2
を介して外方に導かれる空気流れとなる。この空気流れ
は、ガイド2の水平部分2bに達したならば、その流れ
の方向を約90”変化させ、ラジアルタービン3の各タ
ービンブレード5に作用する。この結果、各タービンブ
レード5には、空気流れの方向に作用する抗力と、空気
流れに直交する方向に作用する揚力とが作用する。それ
ら揚力および抗力のタービンブレードの弦長方向の合力
は、タービンを回転させるべく作用し、一方その弦長方
向に直交する方向、すなわちガイドの水平部分2bの延
在方向に作用するそれら揚力および抗力の分力は、各タ
ービンブレードがロータハブの回転軸線に関して軸対称
に配設されているため、各ブレードに作用するその分力
の合力は零となり、ラジアルタービンに作用するその分
力は全体的にバランスすることになる。しかも、第1図
に示したように、ラジアルタービン3のロータハブ6に
は、その回転軸線方向に延在させて設けたバランスホー
ル8が設けてあり、それらホールを通過する空気の流れ
の一部によりロータハブ6と水平部分2bとの間で圧力
差が生じることがなく、したがってロータハブ6は、そ
の出力軸方向に不所望の力を受けることがない。
なお、上述の説明においては、水面が図中矢印Aで示す
方向に上昇する場合について説明したが、水面が下降す
る場合、つまり矢印Bで示す方向に運動する場合であっ
ても、その弦長方向に直交する方向の力が空気流れの方
向が反転することに起因して逆向きとなる点を除き、上
述した説明と何等異なることがないので、ここではその
場合についての説明を省略する。
ところで、本発明ラジアルタービンを用いた第2図に示
す波力発電装置では、空気室内の水面の昇降運動により
生起される空気流れによりタービンを駆動するものであ
るため、空気流れの速度が一定ではなく、空気流量が変
動することから、恒常的な作動条件で運転する場合に比
べてタービン効率が劣ることが避けられない。なおここ
でタービン効率ηは T ・ ω で定義される値であり、Tはタービンに生起されたトル
クを、ωはタービンの角速度を、ΔPはタービンの前後
の差圧を、そしてQはタービンを通過する空気の流量で
ある。
一方、トルクTが、第5図(a)に図示したところから
明らかなようにタービンブレード5に対する空気流れW
のなす角度、すなわち迎え角αに依存するので、タービ
ンを通過する空気流れの流量の変動に拘らず、トルクT
が最大となるよう迎え角αを調整すれば良い。ここでタ
ービンブレードの先端における弦長方向の空気流れの速
度成分をU、その方向に直交する方向の空気流れの速度
成分をVとずれば、α= tan−’(V/U)となる
。したがってタービンの回転数が一定であるとすれば、
弦長方向の空気流れの速度成分Uも一定となるので、ブ
レードの弦長方向に直交する方向の空気流れの速度成分
■を調整することにより、迎え角αを最適とすることが
でき、ひいてはタービン効率を向上させることができる
そこで本発明ラジアルタービンを適用した他の波力発電
装置では、第3図に示すように、ガイド2の水平部分2
bの開口部0における面積Sを、そこを通過する空気量
Qの変動に応じて可変とし、空気流ff1Qを流路面積
Sで除した値で与えられる空気流れの速度成分■が常に
最適値となるよう構成する。
具体的には、タービンブレード5の自由端部を収容する
ガイドの水平部分2bの環状収容凹部14の側壁14a
を、ガイドの鉛直部分2aに平行に空気室1方向に延在
させる一方、空気室lの上面に支持ブラケット16を環
状収容凹部14に対抗させて鉛直部分2aの周囲に配設
し、支持ブラケット16の自由端部を環状収容凹部の側
壁14の自由端部に挿入する。支持ブラケト16には、
鉛直方向に図示しない案内溝が設けてあり、各案内溝は
環状収容凹部を延在させた側壁14aの自由端に設けた
連結ビン18を収容する。
収容凹部を延在させた側壁14に離間してその外方にア
クチュエータとしての、たとえば復動型の油圧シリンダ
ー20を配置する。油圧シリンダー20の本体部分は空
気室1に固着されており、一方シリンダーの出力軸20
aは、ガイドの水平部分2aに連結されている。この油
圧シリンダー20は、制御手段22により図示しない操
作圧力源からの圧油の給排が制御されるが、その制御は
本実施例では空気室1内の圧力変動を感知する感知手段
24からの検知信号に対応して行なわれる。なお、ガイ
ド2の水平部分2bの下板部材8は、その鉛直部分に摺
動可能に装着され、水平部分2bの上板部材12、つま
り出力軸側部分は、図示しない支柱を介して空気室1の
上面に固定されている。
次にこの発電装置の作動について説明する。水面が矢印
Aで示す方向に上昇するに伴ない漸次圧縮される空気室
1内の空気は、ガイド2の鉛直部分2aを経て水平部分
2bに導かれてタービンブレード5に作用し、それらが
取付けられているロータハブ5、ひいては出力軸7を回
転させる。
一方、空気室1内の空気の圧力変動を感知する検知手段
24は、その圧力変動に対応する出力信号を制御手段2
2に送る。制御手段22は、検知手段からの出力信号の
大きさに対応して、図示しない圧油供給源からの圧油の
油圧シリンダー20への供給を制御する。すなわち油圧
シリンダー20は、空気室1内の圧力変動に応じて作動
し、ガイド2の水平部分2bの下側部分を不動の上側部
分に対して接近又は離間さ・せ、水平部分2bにおける
開口部0の流路面積を変化させる。具体的には空気室1
内の圧力が上昇し開口部0を通過する空気量が増大する
時には、油圧シリンダー20の出力軸を収縮させて水平
部分2bの下側部分を引き下げることにより、開口部の
面積を増大させ、−力水面の矢印B方向への運動に伴な
って空気室1内の圧力が低下し開口部0を通過する空気
量が減少する時には、水平部分の下側部分をその上方部
分に接近させるべく押し上げることにより、開口部の面
積を減少させる。その結果、空気流量Qを流路面積Sで
除した値で与えられる空気流れの速度成分■を、空気室
1内の圧力変動に拘らず一定値に維持することができる
ので、タービンブレードに常に適切な迎え角で空気流れ
を作用させることができる。なお、本発電装置では、ア
クチュエータとして油圧シリンダーを用いたがこれに限
定されるものではなく、電気式又は空気圧式のアクチュ
エータを用いることができる。
(発明の効果) 以上詳述したように、この発明によれば、タービンブレ
ードをロータハブにその回転軸線方向に平行に離間させ
て配置する構成としたので、作動流体の流れに起因する
軸力がタービンに作用することがなく、したがってター
ビンの出力軸を回転可能に支持する軸受が軸力を受ける
ことがないので長期間に亘り使用することができる。そ
の上、従来のいわゆる軸流式のウェルズタービンに比べ
、その設置構造が簡潔な発電装置を得るなど数多くの利
点を有している。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明ラジアルタービンを示す斜視図、 第2図は、第1図に示すラジアルタービンを用いた発電
装置を示す断面図、 第3図は、第1図に示すラジアルタービンを用いた他の
発電装置を一部破断して示す図、第4図は、従来のウェ
ルズタービンを用いた発電装置を示す断面図、 第5図(a)は、従来のウェルズタービンを示す斜視図
であり 第5図(b)は、タービンブレードに作用する空気力を
示す模式図である。 1・・・空気室       2・・・ガイド2a・・
・鉛直部分      2b・・・水平部分3.10・
・・タービン    4・・・発電ユニット5・・・タ
ービンブレード  6・・・ロータハブ7・・・出力軸
       8・・・バランスホール11・・・軸受
およびシール部 14・・・環状凹部14a・・・側壁
       16・・・支持ブラケット18・・・連
結ピン      20・・・油圧シリンダー20a・
・・出力軸      22・・・制御手段24・・・
検知手段 第2図 第3図 第4図 第5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、出力軸に固着されたロータハブと、ロータハブに等
    間隔をなしてそれぞれ一端が固着されロータハブの回転
    軸線に平行に離間して延在する対称翼型をした複数のタ
    ービンブレードとを具えてなることを特徴とする対称翼
    形を有するラジアルタービン。 2、水面との間に空間を形成し水面の上下運動に関連し
    た往復空気流れを生起する空気室と、空気室上部に起立
    して設けられた鉛直部分およびこの鉛直部分に接続され
    その周囲に半径方向外方に延在させた水平部分を有し生
    起された空気流れを導くガイドと、ガイドの水平部分に
    収容されるラジアルタービンと、ラジアルタービンに連
    結される発電ユニットとを具え、そのラジアルタービン
    は、回転軸線がガイドの鉛直部分の長手軸線方向に共軸
    なロータハブと、ロータハブに等間隔をなしてそれぞれ
    一端が固着されロータハブの回転軸線に離間して平行に
    延在する対称翼型をした複数のタービンブレードとを具
    備してなることを特徴とする対称翼形を有するラジアル
    タービンを用いた波力発電装置。 3、特許請求の範囲第2項記載の発電装置において、ガ
    イドの水平部分は、空気室から離間した側に配置され空
    気室に対して不動の上板部材と、ガイドの鉛直部分にそ
    の長手軸線方向に相対連動可能に装着されタービンブレ
    ードの自由端部を収容する環状収容凹部を有する下板部
    材とを有し、さらに、空気室および下板部材間に配設さ
    れ下板部材を空気室に接近又は離間させるアクチュエー
    タと、空気室内の圧力変動を検知する圧力検知手段と、
    圧力検知手段からの出力信号に基づいてアクチュエータ
    の作動を制御する制御手段とを具えてなる対称翼形を有
    するラジアルタービンを用いた波力発電装置。
JP62284105A 1987-11-12 1987-11-12 対称翼形を有するラジアルタービンおよびそれを用いた波力発電装置 Pending JPH01130067A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016194593A1 (ja) * 2015-05-29 2016-12-08 Ntn株式会社 エアタービン駆動スピンドル

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JPS58220973A (ja) * 1982-06-17 1983-12-22 Mitsubishi Electric Corp 往復流中で同一方向に回転するタ−ビン装置

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