JPS59231177A - 下掛水車 - Google Patents

下掛水車

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JPS59231177A
JPS59231177A JP58104278A JP10427883A JPS59231177A JP S59231177 A JPS59231177 A JP S59231177A JP 58104278 A JP58104278 A JP 58104278A JP 10427883 A JP10427883 A JP 10427883A JP S59231177 A JPS59231177 A JP S59231177A
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JP
Japan
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blade
water
impeller
blades
waterwheel
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JP58104278A
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English (en)
Inventor
Tadashi Tagami
田上 正
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00Other machines or engines
    • F03B17/06Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • F03B17/062Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction
    • F03B17/063Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head" with rotation axis substantially at right angle to flow direction the flow engaging parts having no movement relative to the rotor during its rotation
    • 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
    • Y02E10/20Hydro energy

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】 この発明は、安定度の高い濃密な自然エネルギーであり
、総体的にエネルギー不足地に多く見られる河川や導水
路の急流部に潜在する未利用小水力を、効率良く動力に
転換し、小型発電機や揚水ポンプなど地域エネルギーの
小需要に引当て得る。高性能な近代的下掛水車を提供せ
んとするものである。
下掛水車とは、古くから農山村などの動力として使われ
ていた旧式水車のうち、流水が羽根車の下部の羽根に当
り羽根車を0す方式を言l/)、第1図は、説明用とし
て一般的な下掛水車の羽根車の要点のみを図示した簡略
断面図である。
羽根車の外周は、2枚のリング状側板1と、この間に等
間隔で放射状に配置した多数の平板状羽根2よりなり、
等角度で放射状に配置した等長多数のスポーク4にて水
車軸3に組付けられている。
5は羽根車の下部を浸漬し流れる水流の水面であり、矢
印は水流の方向を表している。
したがって、羽根車下部の全部あるいは一部が流水中に
ある羽根は夫々、羽根車の回転による羽根と水流との相
対速度に応じた動圧を受けることになり、羽根車はこれ
らの動圧が軸3に作用するトルクで回される。
しかしながら、このような従来の下掛水車ではその性能
がいまひとつ満足のいく十分なものであるとはいえなか
った。
この発明は、下掛水車の性能を従来・以上に高めること
を目的としてなされたもので、その特徴とするところは
、下掛水車の羽根の断面を翼型とし、回転に伴う羽根の
位置により、水力を羽根の動圧としてのみならず、揚抗
力としても利用するようにしたことにある。
以下、この発明をさらに詳細に説明する。
第2図は、本発明を適用した新型下掛水車の羽根車(以
下単に新型羽根車と称す)の説明用として、その要点の
みを図示した簡略断面図であるが、第1図との重要な相
違点は、平板状の羽根2が翼壁断面の羽根6に代った点
で、それ以外は第1図の説明をそのまま適用出来るので
省略し、羽根6に関する流体力学」二の説明に移る。
新型羽根車は回転する羽根6の位置により、水力を羽根
の動圧としてのみならず、揚抗力としても利用する関係
で、流水中にある羽根のうち水流に直面し動圧をうける
軸3より上流の羽根の作用のみに依存する在来の羽根車
と異り、羽根車内を通過する水流により下流の羽根に生
ずる揚抗力をも併せて利用し性能向上を図っている点に
特長があり、またこれにより羽根車を通過する水流の流
速低下も改善され、下流の水力回復距離も短縮される結
果、同一水路により多くの下掛水車を設置することが出
来る。
第3図(A)CB)は羽根6に用いる方向性のない置型
例であり、(A)は」二面7が曲面、下面8が平面状、
(B)は上面9、下面1oとも曲面状の置型であり、夫
々の置型の縁11.12および13.14は何れも丸み
を持ち、水流が剥離しにくい様配慮しである。また(A
)(B)何れも中心線15に関し左右対称形であるため
、左右何れの縁が上流に向いても性能曲線は同一となる
関係上、方向性のない置型と称した次第である。
第3図(C)は航空機などに用いられる置型の1例で、
中心線15に関し左右対称でなく、置型の向きに依り性
能は異る。
新型羽根車の羽根に対する水流は、羽根車の回転による
羽根の位置で異り、」二流側は羽根車の外側から内側へ
、下流側は羽根車の内側より外側へ向って流れる関係で
、新型羽根車の羽根の置型としては方向性のない置型(
A)、(B)が一般的であるが、上流側、あるいは下流
側の揚抗力を大きく採った方が出力増大に結びつく場合
は置型(C)の如き方向性のある置型を用いることも出
来る。
第4図は流水中で回転する新型羽根車の羽根6の揚抗力
に関し翼素理論に基づいた説明用として軸3より上流に
ある羽根6に関し、要点のみ図示した簡略図であり、第
5図は同様に軸3より下流にある羽根6に関するもので
ある。この場合1図示の符合は次の意味で用いている。
■=合成流速 Um:水流の平均流速 UOT :羽根車の回転による羽根の外側縁の切線速度 UOV:UOT(7)垂直分速度=UOTCO3βUO
)I:UQTの水平分速度=UorsinβC:羽根翼
型の弦長 R:羽根半型 β:羽根中心と軸3を結ぶ線が水面となす角度θ:羽根
取付角 a:合成流と水面となす角度 UIT:羽根車の回転による羽根の内側縁の切線速度 UIV:UITの垂直分速度=UITCO5βUIH:
UOTの水平分速度=U1 rsinβα:置型の迎角
=β−a+θ そこで、第4図の上流の羽根6に関しては、Ump =
Um−UOHとすれば、 V= (Ump2+Uov2)’ tan a=Uov/UmHよりaを計算しα=β−a
+θよりαが得られる。
他方、第5図の下流に於ける羽根6の場合は、水流に羽
根の前線はR−Cの位置になるので−C UIT=UOTX  − の関係となる。
U m R= U m −U I H V= (UmR2+U1 v2)’ tan a=U1 v/UmRよりaを求めα=β−a
−θが求められる。
第6図は置型の性能曲線の1例であり、この性能曲線は
置型により変るが傾向としては同じである。
この様にして求めたβとαとの関係をもとに、水車に使
用している翼壁の性能曲線より揚力係数02、効力係数
Cxを求め、次式によりスポークに直角な切線分力係数
CTを計算する。
Cr=Czcos a+cxsin txそして、軸3
に作用する羽根のトルクをTとすれγ ば、T=−CTFV2r g γ:水の質量 g:重力の加速度 F:羽根の面積 r:軸3より羽根のCT作用点までの半径となり、Tを
夫々の羽根について求め、合計すれば揚抗力を利用する
羽根の総トルクが得られる。
次にCT=Oよりαを求めβを求めると、羽根車の外周
の角度βの位置が羽根車の吃水上限となり、これ以上水
車を流水中に沈めてもCT<Oの羽根が増加するだけで
、羽根車の出力は減少する。
CT=Oの位M(吃水上限)は翼壁の種類、流速、羽根
車回転数に依り変化しβが12°〜22°の範囲となる
が、出力最大の回転数より22°前後の吃水が良い。
翼壁は迎角αの増加と共にCz、Cxも増加するがαが
一定角度を超えるとCzのみ急激に減少する。
これは翼の上面の流れが剥離し失速状態となるためで、
羽根の位置をβで表すと、おおむね45°となり、水流
を羽根の揚抗力として利用出来る範囲は、22°≦β≦
45°となる。
β〉45°即ち、羽根が失速点を通過した後は、翼壁の
如何にかかわらず流体力学上は流水中の平板羽根と等し
く、動圧利用となり在来の羽根車と流水の関係になる。
したがって、β〉45°に於ける羽根のトルクに関する
説明は省略する。
この様な次第で、新型羽根車は回転に依る羽根の位置に
より揚抗力による効果と、動圧による効果が自動的に切
替り、全体としては両効果を同時にfJl用し、性能向
」二を図った羽根車となっている。
水流の上層部、即ちβ≦45°の範囲の水流は前述の如
く夫々の羽根が翼壁として作用するため、その抵抗は第
6図の翼型性能曲線の抗力係数Cxにもとづくもので、
平板に比べ小さく、流速低下量も在来の羽根車に比べ少
ない。
次に新型羽根車の実施例について述べる。
第7図(D)は新型羽根車を1連で使用する場合、(E
)は2連、(F)は3連の羽根車の例であり、以下回連
でも同様の思想で増加することが出来る。
説明の都合で羽根車の羽根数を8枚とすれば、軸3を中
心とし、隣接の羽根となす角度は360’+8=45°
、12枚では300となる。
2連目の羽根車の羽根数も同じであり、羽根車を2連あ
るいは3連とした場合各連の羽根を一直線に配置しても
良いが2連目の羽根車の羽根の取45゜ 付を軸3を中心に8枚の場合は□=22.5’、30’ 12枚の場合は□=15°回した位置、即ち1連目の羽
根の中間に2連目がある様にまた、45゜ 3連の場合は8枚の場合は□=15°、1230゜ 枚の場合は□=10°回した位置に2連目の羽根、さら
に同じ角度回した位置に3連目の羽根を取付けると、次
の如き長所のある羽根車となる。
羽根車のトルクは流水中に於ける羽根の位置で若干変化
する関係上、水車1回転につき羽根の数と同数だけ変動
し、羽根車の回転数を毎秒n回転とすると8枚羽根の羽
根車のトルクの変動数は8n、12枚では12nとなる
翼型断面の羽根の間隔を狭め、枚数を増加すると振動数
は羽根数と比例して増大し、トルク変動の振巾は逆比例
して減少するが、羽根の流体力学的特性は相互干渉に依
り低下し、トルクは減少すまた、羽根の強度、剛性、組
立、修理、清掃などの面でも問題が多くなり、羽根数の
増加には限界がある。
羽根車を第2図のリング状側板1、スポーク4と同様な
構造の隔板16で2等分、あるいは3等分し、羽根の取
付を前述の如く配分すると、羽根の間隔を狭めることな
く、トルク変動数は2倍あるいは3倍になり、変動の振
巾は減少し、羽根車の回転は円滑になり、ひいては発電
電力の質も向上する。
また羽根のlJは1/2または1/3となり、強度、剛
性も大幅に増大する。
リング状側板1、スポーク4の構造を隔板16を含め円
板状とすれば、2連、3連の羽根車内を流れる水流の相
互干渉の防止に効果がある。
下掛水車の問題点の1つに使用する水流の水位が季節や
降水量に依り変化することであり、在来の下掛水車は上
流に設けた堰の開閉、あるいは水車軸の軸受部の昇降を
行い羽根車の吃水量を調整しているが、酎えざる注意と
手間がかかる。
第8図は流水面を滑走し、水深の変化に関係なく常に羽
根車の吃水量を一定に保持する水面滑走水車(実願昭5
4−122722号、実開昭56−39869号)の羽
根車として新型羽根車を取付けた実施例の要点のみ図示
した簡易断面図であって、流水は常に滑走板17の下面
に接して流れ、羽根車を所要の吃水で回す。19は発電
機で羽根車軸3で回される。18は保護板、20は電線
、21はけん引索であり、羽根車の吃水量調整を行う必
要は全くない。
第9図は農業用水ダムや渓流段差部などに設置し、羽根
車に一定水深の流れを供給する定深型導水溝に新型羽根
車を組合わせた実施例の要点のみ図示した簡略図であり
、在来の水車の如き羽根車の吃水量を調整する手間が省
ける。 すなわち、農業用ダム22に設けた取水孔23
に取付けた水平導水溝24およびこれと一体に接続する
傾斜導水溝25により、ダムの貯蔵水は加速されながら
流山し、傾到導水溝に設置した羽根車を回す。
しかしながら貯蔵水は流出に当り、水平導水溝24の両
側に設けられている排水孔26と、上下に調整可能な阻
止板27により水面位置は一定に調整され、残余の水量
は排水孔26より導水溝外に排出され、羽根車は常に一
定した吃水量が保たれる。28は導水溝25を保持する
支柱である。
渓流段差部に設置する場合はダム22の代わりに周辺の
岩石などを利用し溝型導水溝に所要の水量の流入を図る
点が変るだけで、導水溝は変らない。
小水力の利用は今まで未利用であったエネルギーを活用
するわけであり、羽根車の効率以外の関連設備は水の利
用率よりも設備、操作の簡易化に主体を置く方が現実的
である。定深型導水溝の排水孔より排出した余剰水量は
水車として利用しないだけで消失するわけではなく、下
流に於いて本流に合流させる事は容易である。
以上の説明かられかるとおり、この発明の下掛水車によ
れば、従来の水掛水車よりもさらに出力性能の向上をは
かることができ、羽根車を通過する水流の流速低下も改
善され、同一水路により多くの下掛水車を設置すること
ができるなどの従来にない非常に優れた効果がもたらさ
れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は一般的下掛水車羽根車の簡略断面図、第2図は
新型羽根車の簡略断面図、第3図(A)(B)は方向性
のない翼型例、第3図(G)は方向性のある翼型例、第
4図は新型羽根車の軸より上流の羽根に関し、流体力学
特性の説明用として要点のみ図示した簡略図、第5図は
同じく軸より下流の羽根に関し同様説明のため要点のみ
図示した簡略図、第6図は翼型性能曲線の1例、第7図
(D)はl連、(E)は2連、(F)は3連の羽根車の
斜視図、第8図は水面滑走型水車に使用した実施例、第
9図は定深型水溝と組合わせた実施例である。 1・・・リング状側板、2・・・羽根、3・・・軸、4
・・・スポーク、5・・・水面、6・・・翼型羽根、7
・・・翼型A上面、8・・・質請A下面、9・・・質請
B上面、10・・・翼型B下面、11・・・翼型A左縁
、12・・・翼型A右縁、13・・・質請B左縁、14
・・・質請B右縁、15・・・大型中心線、16・・・
隔板、17・・・滑走板、18・・・保護板、19・・
・発電機、20・・・電線、21・・・けん引索、22
・・・ダム、23・・・取水孔、24・・・水平導水溝
、25・・・傾斜導水溝、26・・・排水孔、27・・
・阻止板、28・・・支社。 特許出願人  1)上    正 代理人弁理士  小  塩     豊453− 手系売補正書(自発) 昭和58年07月07日 特許庁長官  若杉 和夫 殿 1、事件の表示 昭和58年特許願第104278号 2、発明の名称 下掛水車 3、補正をする者 本件との関係  特許出願人 住所 神奈川県横浜市金沢区富岡町2680の25氏名
    1) 上   正 4゜代理人 住所 〒105  東京都港区西新橋二丁目6番1号第
2菊家ビル3階 電話03(591)2221(代表)
6、補正により増加する発明の数 7、補正の対象 図面 8、補正の内容

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)下掛水車の羽根の断面を翼型とし、回転に伴う羽
    根の位置により、水力を羽根の動圧としてのみならず、
    揚抗力としても利用することを特徴とする下掛水車。
JP58104278A 1983-06-13 1983-06-13 下掛水車 Pending JPS59231177A (ja)

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JP58104278A JPS59231177A (ja) 1983-06-13 1983-06-13 下掛水車

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JP58104278A JPS59231177A (ja) 1983-06-13 1983-06-13 下掛水車

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