JPH09144642A - Underwater reverse oscillating wing axial-flow turbine for wave activated generation - Google Patents

Underwater reverse oscillating wing axial-flow turbine for wave activated generation

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JPH09144642A
JPH09144642A JP7335631A JP33563195A JPH09144642A JP H09144642 A JPH09144642 A JP H09144642A JP 7335631 A JP7335631 A JP 7335631A JP 33563195 A JP33563195 A JP 33563195A JP H09144642 A JPH09144642 A JP H09144642A
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JP
Japan
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turbine
blade
generator
water flow
angle
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JP7335631A
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Japanese (ja)
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Shinichi Miyae
伸一 宮江
Yoshio Matsui
良雄 松井
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Individual
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To set a structure having a contraction flow part under the sea level, convert a vertically moving wave force energy into a reciprocating water flow passing the contraction flow part, and reversely oscillate a wing synchronously with the period of this reciprocating water flow, thereby rotating a spindle in one direction to drive a generator. SOLUTION: In this underwater reverse oscillating wing axial-flow turbine for wave activated generation, a funnel-shaped structure 2 having a contraction flow part under the sea level is set on the sea level by a float body 3 to convert a vertically moving wave force energy into a reciprocating water flow 4 passing the contraction flow part. A rotating spindle 7 is rotated in one direction by an axial-flow turbine 6 having a moving blade 5 reversely oscillating synchronously with the period of the reciprocating water flow 4 to generate power by a generator 8.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、海洋の波浪を往復
水流に変換して(一次変換)、この往復水流の周期に同
期して反転揺動する動翼を備えて,タービン回転軸が往
復水流の流れの方向に拘らず一方向に回転して発電機を
駆動する(二次変換)波力発電用水中反転揺動翼軸流タ
ービンに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention converts a ocean wave into a reciprocating water flow (primary conversion), and is equipped with a moving blade that reciprocally swings in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow. The present invention relates to an underwater reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation that drives a generator by rotating in one direction regardless of the flow direction of water flow (secondary conversion).

【0002】[0002]

【従来の技術】海洋の波浪エネルギーを機械エネルギー
に変換する方法は多数提案されているが、その多くは波
浪エネルギーを一旦往復水流に変換し、その動きで往復
空気流を発生させてから空気タービンを駆動する方法で
ある。その例として、往復空気流を切替弁によって一方
向の空気流に変換して、固定ピッチの空気タービンを駆
動する方法がある。この方法では空気タービン本体の効
率はかなり良いが、往復空気流を一方向の空気流に変換
するために、切替弁や複雑な空気室を設ける必要があ
る。また、往復空気流の中で一方向に回転する衝動ター
ビンやウエールズタービンがあり注目されている。一
方、海洋の波浪エネルギーを往復水流に変換し、直接水
中タービンを駆動する方法もある。その例として、往復
水流の中で一方向に回転する横断流タービンが考案され
ているが、往復水流に同期して回転数が変化し出力も変
動する。
2. Description of the Related Art Many methods for converting ocean wave energy into mechanical energy have been proposed. However, most of them convert the wave energy into a reciprocating water flow and then generate a reciprocating air flow before the air turbine. Is a method of driving. As an example, there is a method of converting a reciprocating air flow into a one-way air flow by a switching valve to drive a fixed pitch air turbine. With this method, the efficiency of the air turbine main body is quite good, but it is necessary to provide a switching valve and a complicated air chamber in order to convert the reciprocating air flow into a one-way air flow. In addition, there are impulse turbines and wales turbines that rotate in one direction in the reciprocating airflow, and are attracting attention. On the other hand, there is also a method of converting ocean wave energy into a reciprocating water flow and directly driving an underwater turbine. As an example, a cross-flow turbine that rotates in one direction in a reciprocating water flow has been devised, but the rotational speed changes and the output also changes in synchronization with the reciprocating water flow.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】海洋の波浪エネルギー
を機械エネルギーに変換する際には、水の密度が空気の
密度の約800倍であることから、波浪エネルギーを空
気流に変換するよりも、往復水流から水中タービンで直
接エネルギー変換する方が大きな出力が得られる。しか
し、水は非圧縮性流体であるためタービン動翼に作用す
る抵抗は空気タービンより非常に大きく、ウエールズタ
ービンのような方式は採用できない。また、往復水流中
で固定翼水中タービンを駆動する方式では、タービンの
回転数、回転方向が加速、減速、反転を繰り返すために
十分なタービン効率が得られない。そこで本発明は、往
復水流の周期に同期して反転揺動するタービン翼を備え
て、往復水流の流れの方向に拘らず一方向に回転する波
力発電用水中反転揺動翼軸流タービンの提供を目的とす
るものである。
When converting ocean wave energy into mechanical energy, since the density of water is about 800 times the density of air, it is preferable to convert wave energy into air flow. Larger output can be obtained by directly converting energy from the reciprocating water flow with an underwater turbine. However, since water is an incompressible fluid, the resistance acting on the turbine rotor blade is much larger than that of the air turbine, and a method like the Wales turbine cannot be adopted. Further, in the method of driving a fixed-blade underwater turbine in a reciprocating water flow, sufficient turbine efficiency cannot be obtained because the rotational speed and rotational direction of the turbine repeat acceleration, deceleration, and reversal. Accordingly, the present invention provides a submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation, which includes turbine blades that reversely oscillate in synchronism with the cycle of reciprocating water flow and rotates in one direction regardless of the flow direction of the reciprocating water flow. It is intended to be provided.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は上下動する波浪
を往復水流に変換し、往復水流中で一定方向に回転する
波力発電用の水中反転揺動翼軸流タービンを開発するた
めに、以下の手段を講じたものである。タービン動翼に
流入する相対速度の流入角度、すなわち迎角αを常に適
当な値にするために、往復水流の周期に同期して翼の取
付角度が反転揺動する動翼を備えた。これにより、動翼
は往復水流の流れの方向に拘らず一方向に回転して発電
機を駆動するような手段を講じた請求項1に記載の波力
発電用水中反転揺動翼軸流タービン。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is intended to develop an underwater reversing oscillating blade axial flow turbine for converting a vertically moving wave into a reciprocating water flow and rotating in a constant direction in the reciprocating water flow for wave power generation. , The following measures have been taken. In order to keep the inflow angle of the relative velocity flowing into the turbine rotor blade, that is, the angle of attack α, always at an appropriate value, the rotor blade was equipped with a rotor blade in which the mounting angle of the blade was reversed and oscillated in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 1, wherein the moving blade is rotated in one direction to drive the generator regardless of the direction of the reciprocating water flow. .

【0005】波浪は周期的に変動するため、往復水流の
速度も周期的に変動する。このため、タービンへの入力
も周期的に変動し、回転軸出力も周期的に変動するた
め、直流発電機で変動する電力を得ることができる。さ
らに一定回転数で回転制御された誘導交流発電機を駆動
することもできる。この場合は、タービン出力軸と発電
機軸との間にワンウェークラッチを設ける。ワンウェー
クラッチは、タービン回転数が発電機の同期回転数より
低くなる場合に両軸の結合が解除されるように取り付け
る。往復水流の速度が大きい期間で、タービンが誘導形
交流発電機へ大きなトルクを伝達する場合には、ワンウ
ェークラッチは結合状態となり、タービンは誘導形交流
発電機によって制御された同期回転数で回転し一定周波
数の発電を行う。一方、往復水流の速度が遅い期間で、
タービンが誘導形交流発電機の回転数より低い回転数で
回転するような場合には、ワンウェークラッチによって
発電機への動力伝達が遮断されることにより、タービン
は誘導形交流発電機にトルクを付与せず、誘導形交流発
電機は電力回線からの僅かな受電によって誘導電動機と
して作用して一定回転数での回転を維持する。これらの
手段により、常に発電機の回転数を一定回転数に保ち一
定周波数での交流発電を行って、電力回線への直接送電
を行う手段を講じた請求項2に記載の波力発電用水中反
転揺動翼軸流タービン。
Since the waves fluctuate periodically, the velocity of the reciprocating water flow also fluctuates periodically. Therefore, the input to the turbine also fluctuates periodically, and the output of the rotating shaft also fluctuates periodically, so that the fluctuating electric power can be obtained by the DC generator. Further, it is possible to drive an induction AC generator whose rotation is controlled at a constant rotation speed. In this case, a one-way clutch is provided between the turbine output shaft and the generator shaft. The one-way clutch is installed so that the two shafts are disengaged when the turbine speed becomes lower than the synchronous speed of the generator. When the turbine transmits a large torque to the induction AC generator during a period when the speed of the reciprocating water flow is high, the one-way clutch becomes engaged and the turbine rotates at the synchronous speed controlled by the induction AC generator. Generates power at a constant frequency. On the other hand, in the period when the speed of the reciprocating water flow is slow,
If the turbine rotates at a lower speed than the induction AC generator, the one-way clutch cuts off the power transmission to the generator, and the turbine applies torque to the induction AC generator. Instead, the induction AC generator acts as an induction motor by receiving a small amount of power from the power line and maintains rotation at a constant rotation speed. The underwater for wave power generation according to claim 2, wherein a means for directly transmitting power to a power line is provided by means of these means for constantly maintaining the rotation speed of the generator at a constant rotation speed and performing AC power generation at a constant frequency. Inverted oscillating blade axial flow turbine.

【0006】本タービンの動翼は反転揺動するので翼に
作用する力の方向も反転するため、動翼には捩れのない
対称翼を用いねばならず、動翼の取付角度は半径方向全
ての位置で同一となる。そして軸流速度v分布が半径
方向に一定の場合には、動翼のハブ側半径位置では周方
向速度vが小さいため、迎角αが大きくなって失速状
態になり、一方、動翼のチップ側半径位置では周方向速
度vが大きいため、迎角αが小さくなり負となる状態
も生ずる。このような状態を回避し、各半径での翼素に
作用する迎角αを改善するために以下の手段を講じた。
ボス比を大きくして半径方向の翼の周速度差を小さくす
るとともに、半径方向の軸速度分布を半径に大略比例さ
せる方法として、動翼の前後に円筒状の案内装置を設け
て、ハブ側半径からチップ側半径までの全半径にわたっ
て動翼が最適迎え角で作用するような手段を講じた請求
項3に記載の波力発電用水中反転揺動翼軸流タービン。
Since the moving blades of this turbine reversely oscillate, the direction of the force acting on the blades also reverses. Therefore, it is necessary to use symmetric blades without twists for the moving blades. It becomes the same at the position of. When the axial flow velocity v f distribution is constant in the radial direction, the circumferential velocity v u is small at the hub-side radial position of the moving blade, so the angle of attack α increases and the stall condition occurs. Since the circumferential velocity v u is large at the tip-side radius position, the angle of attack α becomes small and a negative state occurs. The following measures were taken in order to avoid such a state and improve the attack angle α acting on the blade element at each radius.
As a method of increasing the boss ratio to reduce the circumferential velocity difference of the blade in the radial direction and making the axial velocity distribution in the radial direction approximately proportional to the radius, a cylindrical guide device is provided in front of and behind the moving blade to set the hub side. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 3, wherein means are provided so that the moving blade operates at an optimum angle of attack over the entire radius from the radius to the tip side radius.

【0007】各半径における動翼の性能改善の方法とし
て、動翼の前後に動翼の回転方向に自由に回転するワン
ウェークラッチで保持された案内羽根を設けて、動翼入
口では、ハブ側半径からチップ側半径までの全半径にわ
たって動翼が最適迎え角で作用するように入口絶対速度
に動翼の回転方向への予旋回を与える。一方、動翼出口
では流出絶対速度が案内羽根入口背面に衝突して案内羽
根には動翼の回転方向への力が作用するので、ワンウェ
ークラッチによって動翼の回転方向へ自由に回転できる
ような手段を講じた請求項4に記載の波力発電用水中反
転揺動翼軸流タービン。
As a method of improving the performance of the moving blade at each radius, guide vanes held by a one-way clutch that freely rotates in the rotating direction of the moving blade are provided before and after the moving blade, and the hub side radius is set at the moving blade inlet. The absolute inlet velocity is given a pre-swirl in the direction of rotation of the blade so that the blade acts at the optimum angle of attack over the entire radius from the tip to the tip side radius. On the other hand, at the outlet of the moving blade, the outflow absolute velocity collides with the back surface of the inlet of the guide blade, and the force in the rotating direction of the moving blade acts on the guide blade, so that the one-way clutch can freely rotate in the rotating direction of the moving blade. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 4, wherein measures are taken.

【0008】各半径における動翼の性能改善の方法とし
て、動翼を平均半径付近で内径側と外径側に分割して、
内径側の部分の揺動角に対して外径側の部分の揺動角を
小さくする構造にすることにより、各部分が最適迎え角
で作用するような捩れ型動翼とすることでタービン性能
を向上させる手段を講じた請求項5に記載の波力発電用
水中反転揺動翼軸流タービン。
As a method for improving the performance of the moving blade at each radius, the moving blade is divided into an inner diameter side and an outer diameter side in the vicinity of the average radius,
Turbine performance is improved by making the swinging angle of the outer diameter side smaller than the swinging angle of the inner diameter side to create a twisted rotor blade where each part acts at the optimum angle of attack. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 5, wherein a means for improving the above is taken.

【0009】本タービンは反転揺動するので、動翼に
は、そり(キャンバー)のない対称翼を用いるため、動
翼の性能はそり(キャンバー)のある翼よりも劣る。そ
こで翼性能を向上させるために、往復水流の周期に同期
して反転揺動するタービン翼の、翼弦の前半部と後半部
を分割して、翼弦の前半部の揺動角に対して翼弦の後半
部の揺動角を小さくする構造にした屈曲翼とすることで
翼性能を向上させる手段を講じた請求項6に記載の波力
発電用水中反転揺動翼軸流タービン。
Since this turbine swings in the reverse direction, since the blades are symmetrical blades without camber, the blade performance is inferior to that with blades with camber. Therefore, in order to improve blade performance, the first half and the second half of the chord of a turbine blade that reverses and oscillates in synchronism with the cycle of the reciprocating water flow are divided, and the swing angle of the first half of the chord is compared. 7. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 6, wherein a means for improving blade performance is provided by forming a bent blade having a structure in which the swing angle of the latter half of the chord is reduced.

【0010】[0010]

【発明の実施の形態】海洋の波浪エネルギーを往復水流
に変換する方法には様々な方式が考えられる。図1
(a)は海面下に縮流部1を設けた漏斗状の構造物2を
浮体3によって海面上に半没水状態に設置した例で、波
浪によって上下する海面と、構造物内部の水面とのヘッ
ド差によって、縮流部1に波浪の周期に同期した往復水
流4を発生させる。この往復水流4の周期に同期して反
転揺動する動翼5を備えた軸流タービン6によってター
ビン出力軸7を一定方向に回転させて発電機8によって
発電を行う。動翼5の揺動機構は、発電機上部に設けた
翼揺動制御機構9によって中空のタービン出力軸7内の
揺動制御軸10をタービン出力軸7に対して相対的に揺
動させるように構成されている。一定回転数に制御され
た誘導交流発電機を用いて直接交流発電を行う場合に
は、タービン出力軸7と発電機8の軸をワンウェークラ
ッチ11で接続する。図1(b)は防波堤12などに設
置した例で、防波堤12内に設けた縮流部に往復水流4
を発生させ、本タービンで発電を行う一例である。
Various methods are conceivable as a method for converting ocean wave energy into a reciprocating water flow. FIG.
(A) is an example in which a funnel-shaped structure 2 provided with a constricted portion 1 below the sea surface is installed in a semi-submerged state above the sea surface by a floating body 3. The sea surface moves up and down by waves and the water surface inside the structure. The head difference causes the reciprocating water flow 4 to be generated in the contracting section 1 in synchronization with the wave cycle. The turbine output shaft 7 is rotated in a certain direction by the axial flow turbine 6 having the moving blades 5 which are inverted and oscillated in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow 4, and the generator 8 generates electric power. The oscillating mechanism of the moving blade 5 is configured to oscillate the oscillating control shaft 10 in the hollow turbine output shaft 7 relative to the turbine output shaft 7 by the wing oscillating control mechanism 9 provided on the upper part of the generator. Is configured. In the case of directly performing AC power generation using an induction AC power generator controlled to a constant rotation speed, the one-way clutch 11 connects the turbine output shaft 7 and the power generator 8 shaft. FIG. 1B shows an example of installation on the breakwater 12 or the like, in which the reciprocating water flow 4 is applied to the contraction part provided in the breakwater 12.
Is generated and electric power is generated by this turbine.

【0011】往復水流によって一方向に回転する軸流タ
ービンの作動原理について説明する。図2は軸流タービ
ン動翼5の平均半径γにおける翼素に作用する力を示
したもので、翼素5が周方向速度uで回転している場合
に、下方向から流速vの水流が流れていると、翼素に
対して相対速度wが作用することになり、翼素に最適な
迎角αを与えるためには翼の取付角を+θとせねばなら
ない。この際翼素にはwに垂直方向に揚力L、w方向に
抗力Dが作用し、揚力Lと抗力Dの合力Rは、周方向回
転力Fと軸方向推力Fに分解でき、Fがタービン
を一方向に回転させる力になる。ここで、往復水流v
の大きさは周期的に(ほぼ正弦状に)変動するので、動
翼5対する相対速度wと翼弦との角度、すなわち迎角α
を適切な角度にするために、動翼の取付角度θを往復水
流に同期して反転揺動させなければならない。図3は往
復水流1周期の間に動翼5が反転揺動する様子を示した
ものである。往復水流の周期に同期して動翼5の揺動角
度θを反転揺動させることにより、タービンを一方向に
回転させることが可能となる。
The operating principle of the axial turbine that rotates in one direction by the reciprocating water flow will be described. FIG. 2 shows the force acting on the blade element at the average radius γ m of the axial flow turbine rotor blade 5. When the blade element 5 is rotating at the circumferential velocity u, the flow velocity v f is changed from the lower direction. When the water flow is flowing, the relative velocity w acts on the blade element, and the blade mounting angle must be + θ in order to give the blade element an optimum attack angle α. At this time, a lift force L acts on the blade element in a direction perpendicular to w and a drag force D acts in a w direction, and a resultant force R of the lift force L and the drag force D can be decomposed into a circumferential rotational force F u and an axial thrust F f. u becomes the force to rotate the turbine in one direction. Where the reciprocating water flow v f
Since the magnitude of fluctuates periodically (almost sinusoidally), the angle between the relative velocity w of the moving blade 5 and the chord, that is, the angle of attack α
In order to adjust the angle to an appropriate angle, the blade mounting angle θ must be inverted and oscillated in synchronization with the reciprocating water flow. FIG. 3 shows a state in which the moving blade 5 reversely swings during one cycle of reciprocating water flow. The turbine can be rotated in one direction by reversing and swinging the swing angle θ of the moving blade 5 in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow.

【0012】図4はタービン本体の断面図である。動翼
5には翼揺動軸15が固定され、回転ハブ13に対して
揺動回転が可能となっており、さらに回転ハブ13内で
ベベルギア16に固定されている。回転ハブ13は軸支
持ボス14にベアリングで支えられており、回転ハブ1
3に固定された中空のタービン出力軸7によって回転ハ
ブ13の回転を発電機8に伝達する。一方、動翼揺動制
御軸10は、タービン出力軸7の中を貫通して下端に取
り付けられた、ベベルギア16’を介して揺動制御モー
ター17の揺動運動を動翼5に伝達する。揺動制御モー
ター17はタービン出力軸7と共に回転し、動翼揺動制
御軸10をターピン出力軸7に対して相対的に揺動回転
させる。これらの機構により、往復水流4の周期に同期
して動翼5を反転揺動させることが可能となっている。
図5(a)はリンク機構を用いた動翼の揺動機構を示す
斜視図、(b)は断面図である。動翼揺動制御軸10は
タービン出力軸7に対して相対的に上下運動可能となっ
ており、動翼揺動制御軸10を揺動制御ピストン(油圧
ピストンなど)21で上下方向に動かすことにより、ク
ロスヘッド20、リンク19を介して動翼5を反転揺動
させることが可能となっている。
FIG. 4 is a sectional view of the turbine body. A blade swing shaft 15 is fixed to the moving blade 5 so that the blade 5 can swing and rotate with respect to the rotary hub 13, and is further fixed to a bevel gear 16 in the rotary hub 13. The rotating hub 13 is supported by bearings on the shaft support boss 14, and the rotating hub 1
The rotation of the rotary hub 13 is transmitted to the generator 8 by the hollow turbine output shaft 7 fixed to the shaft 3. On the other hand, the rotor blade rocking control shaft 10 transmits the rocking motion of the rocking control motor 17 to the rotor blade 5 through the bevel gear 16 ′, which penetrates the turbine output shaft 7 and is attached to the lower end. The swing control motor 17 rotates together with the turbine output shaft 7, and swings and rotates the moving blade swing control shaft 10 relative to the turpin output shaft 7. With these mechanisms, it is possible to reversely swing the moving blade 5 in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow 4.
5A is a perspective view showing a swinging mechanism of a moving blade using a link mechanism, and FIG. 5B is a sectional view. The moving blade rocking control shaft 10 is vertically movable relative to the turbine output shaft 7, and the moving blade rocking control shaft 10 is moved vertically by a rocking control piston (hydraulic piston, etc.) 21. As a result, it is possible to reversely swing the moving blade 5 via the crosshead 20 and the link 19.

【0013】図6は動翼5のハブ側半径γ、平均半径
γ、チップ側半径γにおける翼素に作用する速度三
角形を示す。本タービン6の動翼5は反転揺動するた
め、動翼5には捩れのない対称翼を使用せざるを得な
い。そのため、軸流速度vが半径方向に一定の場合に
は、平均半径γで最適迎角αとなるように揺動角度
θを設定しても、ハブ側半径γでは周方向速度u
遅いため、迎角αが大きくなって失速状態になり、一
方、チップ側半径γは周方向速度uが大きいため迎
角αが小さく、あるいは負となって回転方向と逆方向
に回転力が作用する状態も起こり得る。このような状態
を回避し、各半径での翼素に作用する迎角αを改善する
ために以下の方法が考えられる。
FIG. 6 shows velocity triangles acting on the blade element at the hub-side radius γ h , the average radius γ m , and the tip-side radius γ t of the rotor blade 5. Since the rotor blades 5 of the turbine 6 reversely oscillate, it is unavoidable to use a twist-free symmetrical blade for the rotor blades 5. Therefore, when the axial flow velocity v f is constant in the radial direction, even if the swing angle θ is set so that the optimum attack angle α 0 is obtained at the average radius γ m , the circumferential velocity at the hub side radius γ h is set. since u h is slow, becomes stall state angle of attack alpha h increases, whereas the chip-side radius gamma t is the rotational direction is circumferential velocity u t is large attack angle alpha t is small, or negative A state in which the rotational force acts in the opposite direction may occur. In order to avoid such a state and improve the attack angle α acting on the blade element at each radius, the following method can be considered.

【0014】図7(a)は軸流速度vの半径方向分布
を半径に比例させた場合であり、ハブ側半径γからチ
ップ側半径γまでの全ての半径位置で最適迎角α
なる。このような半径に比例した軸流速度分布を実現す
るには、図7(b)に示すように動翼5の前後に数個の
円筒状の案内装置22を設ける方法があり、同図右の斜
視図のような速度分布が形成される。案内装置22の両
端の直径比や案内装置22相互の直径比は、軸流速度v
の半径方向分布が半径にほぼ比例するように選定され
る。さらに別の例として、図7(c)のように支持ボス
14を縮流部の外側まで延長する方法や、図7(d)の
ようにボス比を大きくして半径方向の周方向速度差を小
さくする方法が考えられる。
FIG. 7A shows the case where the radial distribution of the axial flow velocity v f is made proportional to the radius, and the optimum elevation angle α is obtained at all radial positions from the hub side radius γ h to the tip side radius γ t. It becomes 0 . In order to realize such an axial flow velocity distribution proportional to the radius, there is a method of providing several cylindrical guide devices 22 before and after the moving blade 5 as shown in FIG. The velocity distribution is formed as shown in the perspective view of FIG. The diameter ratio at both ends of the guide device 22 and the diameter ratio between the guide devices 22 are determined by the axial velocity v
The radial distribution of f is chosen to be approximately proportional to the radius. As still another example, as shown in FIG. 7C, a method of extending the support boss 14 to the outside of the contraction portion, or as shown in FIG. A possible method is to reduce.

【0015】各半径における動翼5の性能改善の別の手
法として、図8(a)に示すように軸流速度vを一定
として動翼5に流入する絶対速度vを、動翼5の回転
方向への適切な予旋回を与えることによって、動翼5の
ハブ側半径γからチップ側半径γの全ての半径位置
において最適迎角αとすることができる。したがっ
て、動翼5の前後に動翼5の回転方向にのみ回転できる
ようなワンウェークラッチで保持された案内羽根を設け
て、案内羽根の流入角度を軸方向(vの方向)とし、
流出角度は図の下方向からの水流に対して図8(b)ハ
ブ側半径γ、(c)平均半径γ、(d)チップ側半
径γにおける速度線図で示すように、それぞれの出口
角を(b)α1h、(c)α1m、(d)α1tとすれ
ばよいことになる。しかし動翼5からの絶対流出角は
(b)α2h、(c)α2m、(d)α2tとなり、平
均半径γにおいて(c)α2m≒α1mとなるように
しても、ハブ側で(b)α2h<α1h、チップ側で
(d)α2t>α1tとなって案内羽根の角度に沿わな
くなり衝突成分が生ずることになる。ことにチップ側
(d)における衝突成分は大きく(Δvut≫0)な
り、案内羽根に動翼の回転方向への回転力が生ずるの
で、ワンウェークラッチによって動翼の回転方向へ自由
に回転できるようにして衝突によるエネルギー損失を回
避する構成になっている。
As another method of improving the performance of the rotor blade 5 at each radius, as shown in FIG. 8A, the absolute velocity v 1 flowing into the rotor blade 5 with a constant axial flow velocity v f is calculated as follows. By giving an appropriate pre-rotation in the rotation direction of, the optimum attack angle α 0 can be obtained at all radial positions of the rotor blade 5 from the hub side radius γ h to the tip side radius γ t . Therefore, guide vanes held by a one-way clutch that can rotate only in the rotating direction of the moving blade 5 are provided before and after the moving blade 5, and the inflow angle of the guide blade is set to the axial direction (direction of v f ),
As shown in the velocity diagram in FIG. 8 (b) hub side radius γ h , (c) average radius γ m , and (d) tip side radius γ t, the outflow angle is as shown in FIG. The exit angles of (b) α 1h , (c) α 1m , and (d) α 1t should be set. However, the absolute outflow angle from the rotor blade 5 is (b) α 2h , (c) α 2m , (d) α 2t , and even if (c) α 2m ≈ α 1m at the average radius γ m , the hub Since (b) α 2h1h on the side and (d) α 2t > α 1t on the tip side, the collision component is generated because the angle does not follow the guide vane angle. In particular, the collision component on the tip side (d) becomes large (Δv ut >> 0), and a rotational force in the rotating direction of the moving blade is generated in the guide blade, so that the one-way clutch can freely rotate in the rotating direction of the moving blade. It is designed to avoid energy loss due to collision.

【0016】各半径における動翼5の性能改善の別の手
法として、図9(a)は動翼を平均半径付近で内径側2
4と外径側24’に分割して、内径側の部分24の揺動
角に対して外径側の部分24’の揺動角を小さくした捩
れ型動翼24、24’を採用した場合であり、動翼は両
方の部分とも図9(b)のように最適迎角αとなる。
捩れ型動翼の機構例を図9(c)に示す。内径側動翼2
4と外径側動翼24’はそれぞれ同軸揺動軸26、2
6’を介して2組のベベルギヤ25、25’によって揺
動する。2組のベベルギア25、25’のギア比を適当
に組み合わせることで、内径側動翼24の揺動角度に対
して外径側動翼24’の揺動角度を小さく揺動させるこ
とが可能となる。同様の揺動は図5のリンク機構によっ
ても達成できる。
As another method for improving the performance of the moving blade 5 at each radius, FIG. 9 (a) shows that the moving blade has an inner diameter 2 near the average radius.
4 and the outer diameter side 24 ', and the twist type moving blades 24, 24' are adopted in which the swing angle of the outer diameter side portion 24 'is smaller than the swing angle of the inner diameter side portion 24. Thus, both portions of the moving blade have the optimum angle of attack α 0 as shown in FIG. 9B.
An example of the mechanism of the twisted rotor blade is shown in FIG. 9 (c). Inner diameter rotor blade 2
4 and the outer diameter side rotor blade 24 'are coaxial swing shafts 26, 2 respectively.
It swings by two sets of bevel gears 25 and 25 'through 6'. By appropriately combining the gear ratios of the two sets of bevel gears 25 and 25 ′, it is possible to make the swing angle of the outer diameter side moving blade 24 ′ smaller than the swing angle of the inner diameter side moving blade 24. Become. Similar swing can be achieved by the link mechanism of FIG.

【0017】本タービンは反転揺動するので、動翼に
は、そり(キャンバー)のない対称翼を用いるため、動
翼の性能はそり(キャンバー)のある翼よりも劣る。そ
こで図10(a)のように往復水流の周期に同期して反
転揺動するタービン翼の翼弦の前半部27と後半部2
7’を分割して、翼弦の前半部27の揺動角に対して翼
弦の後半部27’の揺動角を小さくする構造にした屈曲
翼27,27’とすることで翼性能を向上させることが
できる。翼の前半部27はベベルギヤ25、後半部2
7’はベベルギヤ25’にそれぞれ連結された揺動軸2
6、26’によって蝶番のように屈曲変形する。
Since this turbine swings in the reverse direction, since the blades are symmetrical blades without camber, the blade performance is inferior to that of blades with camber. Therefore, as shown in FIG. 10A, the first half 27 and the second half 2 of the chord of the turbine blade that reversely oscillates in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow.
7 ′ is divided into bending blades 27, 27 ′ having a structure in which the swing angle of the latter half portion 27 ′ of the chord is smaller than the swing angle of the front half portion 27 of the chord. Can be improved. The first half 27 of the wing is the bevel gear 25, the second half 2
7'is a swing shaft 2 connected to a bevel gear 25 '.
6,26 'bends and deforms like a hinge.

【実施例】【Example】

【0018】本発明のOf the present invention

【請求項1】に記載の波力発電用水中反転揺動翼軸流タ
ービンの実施例を以下に示す。図11は実験装置全体図
である。蛇腹28を利用してタービン6が設置された縮
流部1に往復水流を発生させる。液面が大気圧に開放さ
れた上部タンク29の上部に揺動制御機構9を設け、動
翼5の反転揺動制御やタービン発生動力を測定した。タ
ンク水面の上下方向変位を液面変位計で検出し、動翼の
反転揺動制御の基準に用いた。図12はタービン本体の
詳細図である。動翼5の反転揺動機構は図4で例示した
ベベルギアを用いる方法を採用しており、支持ボス14
は数本のステー31を用いて透明樹脂で製作したケーシ
ングに固定支持されている。タービン出力軸7および動
翼揺動制御軸10は、タンク29上部の揺動制御機構9
に結合されている。
1. An embodiment of the underwater reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 1 is shown below. FIG. 11 is an overall view of the experimental apparatus. Using the bellows 28, a reciprocating water flow is generated in the contracting section 1 in which the turbine 6 is installed. The swing control mechanism 9 was provided above the upper tank 29 whose liquid surface was opened to the atmospheric pressure, and the reverse swing control of the moving blade 5 and the turbine-generated power were measured. The vertical displacement of the water surface of the tank was detected by a liquid surface displacement gauge and used as a reference for the reverse swing control of the moving blade. FIG. 12 is a detailed view of the turbine body. The reversing swing mechanism of the moving blade 5 adopts the method of using the bevel gear illustrated in FIG.
Is fixedly supported by a casing made of transparent resin using several stays 31. The turbine output shaft 7 and the rotor blade swing control shaft 10 are the swing control mechanism 9 above the tank 29.
Is joined to.

【0019】図13(a)は一定トルク負荷運転時の揺
動制御機構9の実験装置概略図である。タービン出力軸
7に固定されて回転する円盤上に設置した揺動制御モー
ター17で、揺動制御軸10をタービン出力軸7に対し
て相対的に揺動回転させ、動翼5を反転揺動させる機構
になっている。揺動制御モーター17の操作は、無線操
縦装置で行い、タービン回転数はスリット円板35とフ
ォトカプラ36で測定した。タービン出力軸7に固定し
た摩擦円筒33に巻き付けたワイヤーの滑り摩擦によ
り、タービン6にほぼ一定トルクの負荷が掛けられる。
ワイヤーには重錘32で荷重を掛け、回転反力をロード
セル34で測定しタービン出力を算出している。さらに
動翼前後の圧力差ΔPと流量からタービンへの入力を算
出している。図13(b)は実験結果の一例である。横
軸は時間tを往復水流の周期Tで無次元化した値を示
し、縦軸は、それぞれ回転数N、タービントルクT、動
翼前後の圧力差ΔP、タービン出力Lを示す。図中の
実線は動翼の最大揺動角度θ=30°、破線はθ
45°の場合である。t/Tが前半の期間は水流が下
から上へ向かう流れであり、後半の期間は水流が上から
下へ向かう流れである。本タービンでは回転数Nは往復
水流の向きや大きさに拘らず動翼は一方向に回転し、タ
ービン出力Lは、往復水流から常に正のエネルギーを
得ていることが立証された。
FIG. 13 (a) is a schematic view of the experimental apparatus of the swing control mechanism 9 during a constant torque load operation. A swing control motor 17 installed on a rotating disk fixed to the turbine output shaft 7 swings and rotates the swing control shaft 10 relative to the turbine output shaft 7, and reversely swings the moving blade 5. It is a mechanism to let. The operation of the swing control motor 17 was performed by the radio control device, and the turbine rotation speed was measured by the slit disk 35 and the photocoupler 36. Due to the sliding friction of the wire wound around the friction cylinder 33 fixed to the turbine output shaft 7, the turbine 6 is loaded with a substantially constant torque.
The weight is applied to the wire by the weight 32, and the rotational reaction force is measured by the load cell 34 to calculate the turbine output. Further, the input to the turbine is calculated from the pressure difference ΔP before and after the moving blade and the flow rate. FIG. 13B shows an example of the experimental result. The abscissa represents a value obtained by making the time t dimensionless by the cycle T c of the reciprocating water flow, and the ordinate represents the rotation speed N, the turbine torque T, the pressure difference ΔP before and after the moving blade, and the turbine output L t , respectively. The solid line in the figure is the maximum swing angle of the rotor blade θ 0 = 30 °, and the broken line is θ 0 =
This is the case of 45 °. In the first half of t / T c, the water flow is from bottom to top, and in the second half, the water flow is from top to bottom. In this turbine, the rotating blade N rotates in one direction regardless of the direction and size of the reciprocating water flow, and it has been proved that the turbine output L t always obtains positive energy from the reciprocating water flow.

【0020】本発明のOf the present invention

【請求項2】に記載のタービン出力軸回転数を一定に保
って運転する場合の実施例を以下に示す。図14はタン
ク上部に設置した揺動制御機構と動力測定部の概略図で
ある。タービン出力軸7は伝達ギア37を介してワンウ
ェークラッチ11の一端につながれ、ワンウェイクラッ
チ11の他端は調速モーター38の回転軸に結合されて
いる。調速モーター38は商用周波数に同期した一定回
転数で回転するように制御されている。タービン出力軸
7の回転数が調速モーター38の同期回転数より低くな
った期間には、ワンウェークラッチ11がフリーな状態
となって、タービン出力軸7とモーター軸との動力伝導
は遮断され、調速モーター38は僅かな電力を消費して
同期回転数でモーターとして回転する機構になってい
る。タービン出力は、調速モーター38に作用する反動
トルクをロードセル34で測定して算出している。この
トルクが正の期間にはモーターは発電機として作動して
いることになる。
2. An embodiment in which the turbine output shaft speed described in claim 2 is maintained constant is shown below. FIG. 14 is a schematic diagram of a swing control mechanism and a power measuring unit installed on the upper part of the tank. The turbine output shaft 7 is connected to one end of the one-way clutch 11 via a transmission gear 37, and the other end of the one-way clutch 11 is connected to a rotating shaft of a speed control motor 38. The speed control motor 38 is controlled so as to rotate at a constant rotation speed in synchronization with the commercial frequency. During a period in which the rotation speed of the turbine output shaft 7 becomes lower than the synchronous rotation speed of the speed control motor 38, the one-way clutch 11 is in a free state, and the power transmission between the turbine output shaft 7 and the motor shaft is cut off. The speed control motor 38 consumes a small amount of electric power and rotates as a motor at a synchronous rotation speed. The turbine output is calculated by measuring the reaction torque acting on the speed control motor 38 with the load cell 34. During the period when this torque is positive, the motor is operating as a generator.

【0021】[0021]

【発明の効果】本発明では、往復水流に変換された海洋
の波浪エネルギーを、往復水流の周期に同期して反転揺
動する動翼を備えたタービンによって、一方向に回転す
る機械的エネルギーに変換し、発電機を駆動して発電を
行う波力発電用水中反転揺動翼軸流タービンを提供す
る。本タービンによって直流発電機を駆動することがで
きるが、さらに、タービン出力軸と発電機軸の間にワン
ウェークラッチを設けて、一定回転数に制御された誘導
交流発電機を駆動することにより、常に一定周波数の交
流発電を行うことができ、電力回線への直接送電も可能
となる。これについては、実験例に示した実験装置によ
って確認している。また、
According to the present invention, ocean wave energy converted into a reciprocating water flow is converted into mechanical energy that rotates in one direction by a turbine equipped with a blade that reciprocally swings in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow. Provided is an underwater reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation, which converts and drives a generator to generate electric power. The DC generator can be driven by this turbine.In addition, a one-way clutch is installed between the turbine output shaft and the generator shaft to drive the induction AC generator controlled at a constant number of revolutions, so that it is always constant. It is possible to generate alternating-current power with a frequency, and to directly transmit power to the power line. This is confirmed by the experimental apparatus shown in the experimental example. Also,

【請求項3】〜3.

【請求項6】の構成により、タービン本体の性能を向上
させることが可能である。タービン個々の発電電力は往
復水流の周期に同期して変動するが、本タービンを数台
並列に系統化することにより発電電力は平準化され、波
力発電所の総合出力としては、ほぼ定常な交流発電出力
を得ることが期待される。
According to the structure of claim 6, the performance of the turbine body can be improved. The power generated by each turbine fluctuates in synchronization with the cycle of the reciprocating water flow, but the power generated by several turbines in parallel is leveled, and the total output of the wave power plant is almost constant. It is expected to obtain AC power output.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の第1実施例および第2実施例を示す
本水中タービンの全体図である。
FIG. 1 is an overall view of the present submersible turbine showing a first embodiment and a second embodiment of the present invention.

【図2】 動翼の翼素に作用する速度と流体力を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a velocity and a fluid force acting on a blade element of a moving blade.

【図3】 軸流速度と翼揺動角との関係を示す図であ
る。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between an axial flow velocity and a blade swing angle.

【図4】 ベベルギヤを用いたタービン翼揺動機構の断
面図である。
FIG. 4 is a sectional view of a turbine blade oscillating mechanism using a bevel gear.

【図5】 リンク機構を用いた揺動方法を示す斜視図と
断面図である。
5A and 5B are a perspective view and a sectional view showing a swinging method using a link mechanism.

【図6】 動翼に作用する速度三角形を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a velocity triangle acting on a rotor blade.

【図7】 本発明の第3実施例を示す軸流速度分布制御
用案内装置の断面図と斜視図である。
FIG. 7 is a sectional view and a perspective view of an axial flow velocity distribution control guide device showing a third embodiment of the present invention.

【図8】 本発明の第4実施例を示す案内羽根の作動を
示す図である。
FIG. 8 is a view showing the operation of the guide vanes showing the fourth embodiment of the present invention.

【図9】 本発明の第5実施例を示す捩れ型動翼の作動
図と断面図である。
FIG. 9 is an operational view and a cross-sectional view of a twisted moving blade showing a fifth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第6実施例を示す屈曲翼の作動図と
断面図である。
FIG. 10 is an operation view and a cross-sectional view of a bent blade showing a sixth embodiment of the present invention.

【図11】タービン実験装置全体図である。FIG. 11 is an overall view of a turbine experimental device.

【図12】タービン本体とケーシングの断面図である。FIG. 12 is a sectional view of a turbine body and a casing.

【図13】揺動制御機構と動力測定装置の斜視図および
実験結果を示す図である。
13A and 13B are a perspective view of a swing control mechanism and a power measuring device, and a diagram showing experimental results.

【図14】ワンウェークラッチの設置を示す断面図であ
る。
FIG. 14 is a cross-sectional view showing the installation of a one-way clutch.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 縮流部 2 漏斗状構造物 4 往復水流 5 動翼 6 軸流タービン 7 タービン出力軸 8 発電機 9 揺動制御機構 10 翼揺動制御軸 11 ワンウェイクラッチ 22 軸流速度分布制御用案内 23 予旋回発生用案内羽根 24 捩れ型動翼 27 屈曲型動翼 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Contraction part 2 Funnel structure 4 Reciprocating water flow 5 Blade 6 Axial flow turbine 7 Turbine output shaft 8 Generator 9 Swing control mechanism 10 Blade swing control shaft 11 One-way clutch 22 Guide for axial flow velocity distribution control 23 Pre Guide blade for swirling 24 Twisting blade 27 Bending blade

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 海面下に縮流部を設けた構造物を設置
し,海洋の波動に同期して縮流部を通過する往復水流を
発生させ,この往復水流の周期に同期して反転揺動する
動翼を備えて,タービン回転軸が往復水流の流れの方向
に拘らず一方向に回転して発電機を駆動する波力発電用
水中反転揺動翼軸流タービン。
1. A structure provided with a contraction section below the sea surface is installed to generate a reciprocating water flow passing through the contraction section in synchronism with the waves of the ocean. A submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation, which has a moving rotor blade and drives the generator by rotating the turbine rotating shaft in one direction regardless of the direction of reciprocating water flow.
【請求項2】 商用周波数で制御された一定回転数で回
転する誘導交流発電機を駆動する場合には、タービン回
転主軸(出力軸)と発電機軸との間にワンウェークラッ
チを設け、タービンのトルクが正の期間には発電機を駆
動して発電を行い、タービンのトルクが負となる期間、
すなわちタービンの回転数が発電機の回転数より遅くな
る期間ではトルクの伝達をワンウェークラッチによって
遮断することによって、誘導交流発電機の回転数を常に
一定回転数に保持するような動力伝達装置を備えたこと
を特徴とする請求項1に記載の波力発電用水中反転揺動
翼軸流タービン。
2. When driving an induction AC generator that rotates at a constant rotation speed controlled at a commercial frequency, a one-way clutch is provided between the turbine rotating main shaft (output shaft) and the generator shaft, and the turbine torque is set. Is a positive period during which the generator is driven to generate electricity and the turbine torque is negative,
That is, in the period in which the rotation speed of the turbine becomes slower than the rotation speed of the generator, the transmission of torque is interrupted by the one-way clutch to provide a power transmission device that always keeps the rotation speed of the induction AC generator at a constant rotation speed. The underwater reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 1, wherein
【請求項3】 対象翼で半径方向に捩れのない反転揺動
するタービン動翼が、ハブ側から外径までの全半径にわ
たって最適迎え角で作用するようにボス比を大きくして
半径方向の翼の周速度差を小さくするとともに、タービ
ン動翼の前後のケーシング絞り部に半径に比例した軸速
度分布を形成するような円筒状の案内を設けたことを特
徴とする請求項1、2に記載の波力発電用水中反転揺動
翼軸流タービン。
3. The boss ratio is increased so that the turbine blade, which is the target blade and which swings in the reverse direction without torsion in the radial direction, operates at the optimum angle of attack over the entire radius from the hub side to the outer diameter. A cylindrical guide for reducing the peripheral speed difference of the blades and for providing an axial speed distribution proportional to the radius in the casing throttle portions before and after the turbine rotor blade. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation described.
【請求項4】 タービン動翼前後にワンウェークラッチ
で保持された案内羽根を設けてタービン動翼の入口では
絶対速度が動翼の全半径にわたって最適迎え角で作用す
るように回転方向に予旋回を与え、タービン動翼の出口
では流出絶対速度が案内羽根の背面に衝突するのでワン
ウェークラッチで保持された案内羽根がタービンの回転
方向へ空転できるようにしたことを特徴とする請求項1
ないし3に記載の波力発電用水中反転揺動翼軸流タービ
ン。
4. A guide vane held by a one-way clutch is provided in front of and behind the turbine rotor blade, and at the inlet of the turbine rotor blade, a pre-swirl is performed in the rotation direction so that the absolute velocity acts at the optimum attack angle over the entire radius of the rotor blade. The guide vane held by the one-way clutch is allowed to idle in the rotational direction of the turbine because the absolute flow velocity collides with the back face of the guide vane at the outlet of the turbine blade.
An underwater reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to any one of 1 to 3 above.
【請求項5】 動翼を平均半径付近で内径側と外径側に
分割して、内径側の部分の揺動角に対して外径側の部分
の揺動角を小さくする構造にすることにより、各部分が
最適迎え角で作用するような捩れ型動翼とすることでタ
ービン性能を向上させた請求項1ないし4に記載の波力
発電用水中反転揺動翼軸流タービン。
5. A structure in which a moving blade is divided into an inner diameter side and an outer diameter side in the vicinity of an average radius, and the swing angle of the outer diameter side portion is smaller than the swing angle of the inner diameter side portion. 5. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to claim 1, wherein the turbine performance is improved by forming a twisted rotor blade such that each portion acts at an optimum angle of attack.
【請求項6】 往復水流の周期に同期して反転揺動する
タービン翼の、翼弦の前半部と後半部を分割して、翼弦
の前半部の揺動角に対して翼弦の後半部の揺動角を小さ
くする構造にした屈曲翼とすることで翼性能を向上させ
ることを特徴とする請求項1ないし4に記載の波力発電
用水中反転揺動翼軸流タービン。
6. A first half and a second half of a chord of a turbine blade that reverse-oscillates in synchronism with the cycle of a reciprocating water flow are divided, and the latter half of the chord is relative to the swing angle of the first half of the chord. The submerged reversing oscillating blade axial flow turbine for wave power generation according to any one of claims 1 to 4, wherein the blade performance is improved by using a bent blade having a structure in which a swing angle of a portion is reduced.
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