JPH0754112B2 - 水 車 - Google Patents

水 車

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JPH0754112B2
JPH0754112B2 JP60249912A JP24991285A JPH0754112B2 JP H0754112 B2 JPH0754112 B2 JP H0754112B2 JP 60249912 A JP60249912 A JP 60249912A JP 24991285 A JP24991285 A JP 24991285A JP H0754112 B2 JPH0754112 B2 JP H0754112B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は流体で動作するタービンに関し、特に水流中に
一部又は全体を入れられた際に水の汲み上げ，発電その
他の働きをする水車に関するが、これに限られるもので
はない。
従来の技術とその問題点 多くの利用分野にわたって流体の流れのエネルギを利用
することが望ましい。例えば、農業分野では貯水及び／
又は用水のため水をより高い位置へ汲み上げるよう流れ
のエネルギを利用する必要がある。特に遠隔地において
は発電を行なうことが望まれる。
従来水車は流れ又は川での水流のエネルギを利用するの
に用いられてきた。通常かかる水車は特に緩やかな流れ
においては非常に限定された非効率的な働きしかしない
という欠点を有する。役に立つ水車速度及び出力レベル
を得るには急速な流れ又は水車を駆動するに足る落差が
得られるようダムを建設することが必要である。
風車は水を汲み上げるものとして公知であるが風が利用
可能かどうかは予測ができず、また所望時に充分でない
ことがある。風車は水車の原理で動作し通常微弱な風で
は効率的でない。
川又は潮流等の水流中で動作し耐久性を有するよう経済
的に製造するのに適する非常に効率的な水車が望まれて
いた。また低流速においても比較的大きな出力を出すタ
ービンが必要とされていた。また多くの利用分野で水流
とともに流れる草等の異物があっても水車が動作するこ
とが重要である。
問題点を解決するための手段 本発明によれば軸に沿い延在し軸方向基部に向かうに従
い半径方向の寸法が増大する中央本体部と、中央本体部
の周囲で離間し間に水路ができるよう中央本体部に結合
され各々は中央本体周囲の中間部に位置する前縁から上
記基部の周囲部に隣接して位置する後縁まで延在する複
数のブレードとからなり、各ブレードはブレードの前縁
から後縁部分へ半径方向寸法が増大しピッチが減少し、
隣り合うブレード間の各水路は下流に向うに従い広が
り、上記基部は水が軸方向本体部に沿い基部へ流れる際
タービンが回転し基部の下流にあって基部に隣り合う軸
近くの領域に比較的低圧の部分が水中に生じるよう構成
されることを特徴とする水車が提供される。
中央本体部は円錐形であるのが好ましい。
少数の比較的大なる表面積を有するブレードを使用する
のが好ましい。例えば５乃至12枚、最も好ましくは９枚
の等間隔に離間するブレードが中央本体部周囲に設けら
れる。各ブレードの後縁は基部に隣接して位置し１つ置
いた隣りのブレードの前縁との略同一の軸方向平面上に
ある。つまり各ブレードは隣りのブレードと周方向約50
％重なり合う。
各ブレードはブレードの中点で軸方向平面に対し約45゜
の角をなす。
各ブレードの前縁は中央本体部に沿った中途部分に位置
するのが好ましい。
中央本体部は中空であり、複数の対向するシリンダ及び
例えば位置可変クランクピン等のシリンダ内のピストン
行程を可変する手段を有するクランク軸に接続された対
応するピストンからなる容積式ポンプを収納するのが有
利である。変行程式ダイヤフラムポンプを使用すること
もできる。発電機を本体部内に収納することもできる。
実施例 第１図に示す如くタービンは軸18を有し頂部19から軸18
に垂直な横断方向に平坦な基部21へと延在する円錐形中
央本体20を有する。本体20に離間した９枚の湾曲ブレー
ド22の組が取り付けられている。
円錐形本体の底角Ａは約65゜であり、これと他の構成的
な特徴とが汲み合わさって多用途の高効率タービンがで
きる。各ブレード22は前縁23から後縁24へ延在するに従
い半径方向寸法が徐々に増大する。前縁23は中央本体20
に沿った略中央部に位置し、後縁24は基部21の平面上に
位置する。第１図に示す必須ではない補強棒25は最下ブ
レードの後縁24のみに固定され取り付けられた基部の一
部を横断して延在する。
各ブレード及び円錐形本体20は金属薄板から経済的に製
造され、第２図に示す如く単純な幾何学形状が用いられ
る。効率を増大させるため各ブレードをエアーフォイル
形とすることもできるが、かかる形状では費用がよけい
にかかる。第２図に最も良く示されている如く９枚のブ
レードを有する好ましい実施例においては、円錐形本体
は約154゜の扇形から製造される。製造をたすけるよう
にこの扇形はそれぞれ17.11゜の９個の扇形に分割され
る。各ブレードは円錐形本体に沿い周方向本体の周りを
２つの扇形を占める分だけ延在する。従ってあるブレー
ドは隣りのブレードに対し50％重なり合う。第２図は平
坦にした場合の各ブレード22の形状を示す。ブレードは
Ｌ等の湾曲路に沿って円錐形本体に衝接固定される縁部
22Aを有する。図示の実施例ではブレードのピッチは基
部21に向うに従い減少する。ブレードは、前縁23を通る
軸方向平面内の円錐形本体上の線に対し約34゜の角度を
なしてブレード前縁23から延在しはじめ、弧Ａで表わさ
れる前縁と基部21との中間位置へ至る際にはピッチは約
45゜まで減少し、その後さらに減少していく。各ブレー
ドの後縁22Bは円錐本体20の基部の直径に対し相当な高
さを有する。
典型的な実施例では、第１図に大文字Ｘで示す基部21の
直径は60cmであり、Ｙで示すブレードの後縁22Bの高さ
は約20cmである。この実施例では水車の全直径は約1mで
あり、タービンの長さもの好ましくは1mつまりその全直
径と同じである。この実施例では底角は65゜である。
管状支持部材26は円錐形本体の頂部19から前方へ延在
し、例えば円錐形本体内に設置される発電機又は水ポン
プへの接続を収納する。
タービン上のブレードの正確な数，形状及び円錐系本体
に対する比率は変更しうるが、第１図及び第２図を参照
して説明した構成によれば比較的低速の流れで使用する
のに特に適する高効率タービンが得られる。例えば全直
径が1mの場合にはピーク負荷速度と水流の流速との略直
線的な関係がある。例えば毎秒1mの流れでは約24rpmの
タービンの速度が得られる。
またタービンはパワー発生に関し比較的に効率的であ
る。説明のため1mのタービンについての例を次に示す。流 速 パワー（ワット表示） 0.5m/s 12.3 1m/s 98 2m/s 785 3m/s 2650 また隣り合うブレード間に形成される水路が広がるとい
うタービンの形状により高効率であっても水流により運
ばれる草及び漂流物につき自己浄化作用が本質的に得ら
れる。本発明の実施例は融通性があり、安価に製造し
え、保守の必要が少なく、信頼性があり設置，保守及び
操作に熟練を要しない。
本発明の一実施例の性能を示す別の例として、全直径1.
5mのタービンを0.15m/s（0.5k.p.h）の非常に低速の流
れで使用した場合、タービン本体内に設けられた水ポン
プを用いて、揚水高さ18.2mで吐出し量毎分13.6リット
ルが得られた。
本発明の実施例は多くの異なる方法で利用されるが、以
下第３図及び第４図を参照して説明するものは特に有利
かつ有用である。第３図に示す略図は、カタマラン浮子
35に取り付けられた水車34の一実施例を示す。この実施
例は説明用で、水車は第１図及び第２図に示すよりも実
際は多くのブレードを有する。
カタマラン浮子は軸支ピン37を介して取り付けられた支
持棒36を有し、棒に水車34の一端が載置される。
漂流物偏向スケッグ38はカタマラン浮子の浮子の間に設
けられ支持36に接続される。支持36はケーブル39につな
がり、ケーブル39が矢印Ｘ方向に引かれると組立体は回
動し水車34及びスケッグは保守及び移動用の点線で示さ
れる位置まで上動する。スケッグは移動のため取り外さ
れて38で示す如く水平に固定される。
より安価で簡便な構成としては、浅い角度で設置された
回動軸に水面上で軸支されるようポンプ，発電機又は圧
縮器等の回転負荷を駆動する水車34を設けてもよい。
第４図に示された設置の実施例を参照するに、第３図と
対応する部分には同一の参照番号を使用する。この実施
例では水車34は一部切り取られて示されている。水車34
は、排出管41に接続され係留ケーブル43に支持さる水ポ
ンプ40を収納する。浮子はケーブル39が支持されるガン
トリ44を含む。
カタマランの外殻は、カタマランに自己心出し効果が生
じるよう上流端を下流端よりも離すようにして僅かに広
がる。各外殻は、この心出し効果を高め収束トンネルと
して働いてタービン上の水流速度を増大させるよう（点
線で示す）センタボード42を有する。
第５図の実施例では、各シリンダ45内で往復動するよう
配設された対向する２組のピストンを有する別形式の水
ポンプ40Aを組み込まれている。ピストンは共に回転す
るようタービン基部21に連結されたクランクシャフト46
に各連接棒を介して連結される。ポンプの先端は取り付
け管25に取り付けられる。
タービン本体の基部には開口が設けられ網目で覆われて
いる。水は砂又は他の粒子を運び、それらの粒子は51で
示す如く円錐形本体後部の内側に堆積する。この問題を
解決するよう幾つかのブレードに沿って半径方向外方へ
延在する小管52がこの砂を排出するため設けられる。水
車本体が（第３図を参照して説明した如く）水から引き
上げられる際水車本体の排水のため小孔53が頂部近く堅
固なインフィル33のすぐ下流に設けられる。
水の入口の別の好ましい構成は第５図に点線で示す如く
頂部19近くの網目で覆われた一連の入口孔54である。砂
は管52を通り後端から効果的に排出される。
第６図及び第７図はともに回転するよう本体内部に固設
された内設交流発電機とともに用いられる水車を示す。
太陽歯車61は取り付け棒25に固定され発電するよう交流
発電機60を駆動する遊星歯車64と相互作用をするよう配
設される。交流発電機は、取り付け棒25の中心を通る電
力ケーブルにより電力を送るようスリップリング63を介
して電力ケーブル62に接続される。
水車は中立浮力が得られるような装置に取り付けられて
もよい。この装置は水車内に設けられた膨張式浮き袋の
形式としうる。浮き袋は水車が水面直下の流れの中に留
まるよう充分に膨張させられる。水車は固定した取り付
け棒25に回動可能に取り付けられまた漂流して行かない
よう係留される。浮子は必要でない。第８図において取
り付けケーブル70は川を横断するよう木等の２つの固定
物間にわたされ、水車34の列はケーブルにつながれ水車
本体内のポンプ等の回転ラインを駆動する。
発明の効果 中央の本体部及びブレードの形状によって、流れの速度
に限定される従来の水車におけるよりはるかに大なる典
型的回転速度が得られる。これはブレードでのベンチュ
リ効果によると考えられる。水の速度は中央本体部に沿
って流れ水車を回転するようブレードに当たる際に増大
する。水は中央本体部が急に途切れることつまり大なる
平坦基部により生じる水車直後の低圧領域に吸い込まれ
るためブレード間にできる水路を加速しながら通る。こ
の加速によりブレード背部に比較的低圧の領域が形成さ
れ、これが高い効率の生むのを助けると考えられる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例である水車の側面図、第２図
は水車本体及びブレードの構成図、第３図はカタマラン
浮子に取り付けられた水車の略側面図、第４図は水車を
取り付ける浮子の実用的な形式を示す側面図、第５図は
ポンプを組み込んだ第４図の水車の断面図、第６図は３
つの内設発電機を組み込んだ水車の側断面図、第７図は
第６図の水車の横断面図、第８図は川を横断して設けら
れた中立浮力を利用する実施例を示す図である。 18……軸、19……頂部、20……中央本体、21……基部、
22……ブレード、22A……縁部、22B……後縁、23……前
縁、24……後縁、25……補強棒，取り付け棒、26……管
状支持部材、33……インフィル、34……水車、35……浮
子、36……支持棒、37……軸支ピン、38……偏向スケッ
グ、39……ケーブル、40,40A……水ポンプ、41……排出
管、42……センタボード、43……係留ケーブル、44……
ガントリ、45……シリンダ、46……クランクシャフト、
51……粒子、52……小管、53……小孔、54……入口孔、
60……交流発電機、61……太陽歯車、62……電力ケーブ
ル、63……スリップリング、64……遊星歯車、70……取
り付けケーブル、Ｌ……湾曲路、Ｘ……基部の直径、Ｙ
……ブレード後縁の高さ。

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】軸に沿い延在し軸方向基部に向かうに従い
    半径方向の寸法が増大する中央本体部と； 流れる水流に実質的に浸されたタービンをその軸を流れ
    と実質的に整列させて取付ける手段と； 中央本体部の周囲で離間し間に水路ができるよう中央本
    体部に結合され各々は中央本体周囲の中間部に位置し、
    各々中央本体部から円滑に導き、それにより該水の流れ
    に混入した固形物が偏向される前縁から、該基部の周囲
    部に隣接して位置する後縁まで延在し、その前縁から後
    縁部分へ半径方向寸法が増大しピッチが減少する複数の
    ブレードと、 下流に向うに従い広がる隣り合うブレード間の各水路と
    よりなり、 該基部は水が軸方向に本体部に沿い基部へ流れる際ター
    ビンが回転し基部の下流にあって基部に隣り合う軸近く
    の領域に比較的低圧の部分が水中に生じるよう構成した
    ことを特徴とする水車。
  2. 【請求項２】該基部は軸に対し略垂直に延在することを
    特徴とする請求項１記載の水車。
  3. 【請求項３】中央本体部は円錐形であることを特徴とす
    る特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の水車。
  4. 【請求項４】中央本体部の周囲に５枚乃至12枚のブレー
    ドが等間隔に設けられていることを特徴とする請求項１
    乃至３のいずれか１項記載の水車。
  5. 【請求項５】各ブレードの後縁は基部に隣接して位置
    し、１つ置いた隣りのブレードの前縁と略同一の軸方向
    平面上にあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
    か一項記載の水車。
  6. 【請求項６】各ブレードは前縁において前縁を通る軸方
    向平面に対し鋭角をなしブレードの中点で軸方向平面に
    対し約45゜の角をなすことを特徴とする請求項１項乃至
    ５のいずれか一項記載の水車。
  7. 【請求項７】約９枚の該ブレードがあることを特徴とす
    る請求項１乃至６のいずれか一項記載の水車。
  8. 【請求項８】後縁部における各ブレードの半径方向寸法
    は水車全体の直径の10％乃至40％の範囲にあることを特
    徴とする請求項１乃至７のいずれか一項記載の水車。
  9. 【請求項９】各ブレードの半径方向寸法は、水車全体の
    直径の約20％であり、各ブレードの半径方向寸法は前縁
    から後縁に向って徐々に増大することを特徴とする請求
    項１項乃至８のいずれか一項記載の水車。
  10. 【請求項１０】各ブレードの前縁は中央本体部に沿った
    略中点に位置することを特徴とする請求項１乃至９のい
    ずれか一項記載の水車。
  11. 【請求項１１】各ブレードの付け根と中央本体部との間
    の交線は、ブレードが略半径方向外方へ延出してできる
    曲線に沿い延在することを特徴とする請求項１乃至10の
    いずれか一項記載の水車。
  12. 【請求項１２】中央本体部は円錐形であり、円錐形の壁
    と円錐形の軸に略垂直な基部との間の角は約65゜である
    ことを特徴とする請求項１乃至11のいずれか一項記載の
    水車。
  13. 【請求項１３】各該ブレードの前縁は各該前縁で水への
    別れる激しい方向変化を避けるようブレードに入る水の
    流れに浅い角度で配置されることを特徴とする請求項１
    乃至12のいずれか一項記載の水車。
  14. 【請求項１４】中央本体部内に設けられ中央本体部の回
    転により駆動されるよう連結されるポンプからなり、中
    央本体部には水の入口が設けられることを特徴とする請
    求項１乃至13のいずれか一項記載の水車。
  15. 【請求項１５】ポンプは複数の対向するシリンダと、ク
    ランクシャフトに連結された対応するピストン又は複数
    のダイヤフラムと、シリンダ内のピストンの行程を変化
    させるか又はダイヤフラムの行程を変化させる手段とか
    らなることを特徴とする容積式ポンプであることを特徴
    とする請求項14記載の水車。
  16. 【請求項１６】水流からの粒子状物質をポンプから排出
    するよう少なくとも１本の導管が基部に隣り合う中央本
    体部の内部から隣り合うブレードの後縁に又は後縁に隣
    り合って位置する排出点へ半径方向外方に延在すること
    を特徴とする請求項14又は15記載の水車。
  17. 【請求項１７】浮子と組み合わさって第１及び第２の位
    置をとるよう浮子に取り付けられ、第１の位置で水車は
    運送しうるよう浮子の上に位置し第２の位置で水車は水
    流中で動作するよう浮子の下に位置することを特徴とす
    る請求項１項乃至16のいずれか一項記載の水車。
  18. 【請求項１８】中立浮力手段を有することを特徴とする
    請求項１乃至17のいずれか一項記載の水車。
  19. 【請求項１９】流れる水流に関連して固定さるべく用い
    られる浮力支持と、水の流れに混入した固形物を偏向さ
    せ推す中央本体部の上流の浮力支持に取付けられる堅い
    偏向手段とを含むことを特徴とする請求項１乃至18のう
    ちのいずれか一項記載の水車。
  20. 【請求項２０】回転負荷を駆動するよう連結された請求
    項19記載の水車を１又は複数個水中で取り付ける取り付
    け手段からなる水車装置。
  21. 【請求項２１】（ａ）軸に沿い延在し、入口案内鼻部及
    び軸方向に沿い基部に向かう入口部から半径方向寸法が
    増大する環状面とを有する円錐形中央本体部と、 （ｂ）中央本体部の周囲で離間し間に水路ができるよう
    中央本体部に結合され各々は中央本体周囲の実質的に中
    間部に位置する前縁と該基部の周囲に隣接して位置し、
    １つ置いた隣りのブレードの同じ軸方向面にある後縁と
    を有し、前縁から後縁部分へ半径方向寸法が増大しピッ
    チが減少する複数のブレードと、 （ｃ）下流に向うに従い広がる隣り合うブレード間の各
    水路と、 （ｄ）該基部は、軸に実質的に垂直に延在し、タービン
    が用いられる時、軸近くの領域において基部に隣ってそ
    の下流の比較的低圧の部分を水中に生じる横方向壁構造
    を有し、 （ｅ）（１）軸方向と共面である環状面上のラインと、
    （２）横方向壁構造との間の角度は略65゜であり、それ
    により本体部に沿う実質的な軸方向流れを可能にし、そ
    れによりより優れている軸方向流れタービンを生じる水
    車装置。
  22. 【請求項２２】（ａ）軸に沿い延在し、軸方向に沿い基
    部に向い入口部から半径方向寸法が増大する環状面を有
    する円錐形中央本体部と、 （ｂ）中央本体部の周囲で離間し間に水路ができるよう
    中央本体部に結合され、各々は中央本体周囲の中間部に
    位置する前縁から延在し、該基部の周囲部に隣接して位
    置する後縁を有し、その前縁から後縁部分へ半径方向寸
    法が増大しピッチが減少する複数のブレードと、 （ｃ）下流に向うに従い広がる隣り合うブレード間の各
    水路とよりなり、 （ｄ）該基部は、タービンが用いられる時、基部に隣っ
    てその下流にあって軸近くの領域に比較的低圧の部分を
    水中に生じる横方向壁構造を有し、 （ｅ）円錐形本体部に沿って、部分的にその回りに延在
    する伸長ブレードは取付けラインに沿って本体部に取付
    けられ、ブレードの中点を通る軸方向面への取付けのラ
    インの中点での角度は略45゜であり、ブレードのその前
    縁を通る軸方向面での角度は略45゜より大きくなく、
    （１）軸方向と共面である環状面上のラインと、（２）
    横方向壁構造との間の角度は略65゜であり、それにより
    本体部に沿う実質的軸方向流れを可能にし、各ブレード
    の後縁は基部に隣接して位置し、１つ置いた隣りのブレ
    ードの前縁と実質的に同じ軸方向面にある水車装置。
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