WO2014185057A1 - 水力発電装置 - Google Patents

水力発電装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2014185057A1
WO2014185057A1 PCT/JP2014/002521 JP2014002521W WO2014185057A1 WO 2014185057 A1 WO2014185057 A1 WO 2014185057A1 JP 2014002521 W JP2014002521 W JP 2014002521W WO 2014185057 A1 WO2014185057 A1 WO 2014185057A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
casing
runner
water
hydroelectric generator
upstream
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/002521
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
仁 中山
則昭 徳田
Original Assignee
川崎重工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 川崎重工業株式会社 filed Critical 川崎重工業株式会社
Priority to CN201480025964.XA priority Critical patent/CN105164404B/zh
Publication of WO2014185057A1 publication Critical patent/WO2014185057A1/ja

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F05B2220/7066—Application in combination with an electrical generator via a direct connection, i.e. a gearless transmission
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05B2240/121—Baffles or ribs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/98—Lubrication
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a hydroelectric generator, and more particularly to a small-scale hydroelectric generator.
  • small-scale hydroelectric generators that are installed in waterways with elevation differences such as water and sewage systems, small rivers, agricultural waterways, factory wastewater, and dam discharge water are known.
  • small-scale hydroelectric power generation refers to performing small-scale power generation (for example, 1000 kW or less) using unused hydroelectric energy that has not been considered so far.
  • small-scale hydropower generation has attracted particular attention because it can realize local production and local consumption of energy in difficult places.
  • the hydroelectric generator includes a boss loosely inserted into the runner, and a plurality of guide vanes (guide vanes) disposed between the outer periphery of the boss and the inner wall of the casing on the upstream side of the runner. It is comprised so that flowing water may be guided so that a runner may be efficiently rotated with a guide blade.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and is a hydroelectric power generation device that prevents clogging of dust around the guide vane and removes clogging around the guide vane without performing maintenance work. Suggest what you can do.
  • the inventors may clog the dust around the guide vanes (for example, the gap between adjacent guide vanes or between the guide vanes and the boss), but around the runner vanes provided in the runner (for example, adjacent runner vanes) I learned empirically that there was no clogging in the gap between the runner blades and the boss.
  • the inventors considered the cause of this phenomenon as follows. Since flowing water flows axially into the casing, water in a certain direction (direction parallel to the axial direction) flows into the guide vanes fixed to the casing. On the other hand, the runner blades are subjected to water flowing in the direction inclined from the axial direction due to the action of the guide blades, and further, the flow of water around the runner blades changes due to rotation.
  • the direction of the flowing water acting on the guide vanes is inclined from the axial direction, and the structure that changes the direction of the flowing water is clogged with dust around the guide vanes. To prevent this.
  • the hydroelectric generator according to the present invention is A casing having a cylindrical flow path centered on the water wheel shaft, and configured to allow water to flow axially through the flow path;
  • a runner having a plurality of runner blades arranged annularly around the water wheel shaft in the casing;
  • a rotor provided in the runner and rotating integrally with the runner;
  • a fixed boss provided in the casing and fixed in position relative to the casing;
  • a stator provided on the casing or the fixed boss so as to face the rotor;
  • a plurality of guide vanes provided on the outer peripheral side of the fixed boss on the upstream side of the runner;
  • a plurality of rotating blades provided on the upstream side of the plurality of guide blades.
  • the stator includes those provided directly or indirectly on the casing.
  • the stator may be provided directly on the casing, or the stator may be a fixed boss fixed to the casing. Or the like.
  • the direction of the flowing water flowing into the guide blades is inclined from the axial direction by the action of the rotary blades provided upstream of the plurality of guide blades, and the direction of the flowing water is changed by changing the density of the flowing water. Change.
  • the hydroelectric generator further includes a rotating shaft body that rotates about the water wheel shaft upstream of the fixed boss in the casing, and the plurality of rotating blades are provided around the rotating shaft body. It may be what has been.
  • the rotating shaft body has an upstream end surface of the fixed boss and a downstream end surface facing the axial direction, and a shaft and an upstream end surface of the rotating shaft body and an upstream end surface of the fixed boss It is desirable that a support portion made of a bearing and a magnet repelling each other are provided.
  • the hydroelectric generator further includes an annular body that rotates about the water wheel shaft on the upstream side of the fixed boss in the casing, and the plurality of rotating blades are provided on the annular body. May be.
  • the hydroelectric generator further includes a water-lubricated bearing that allows the casing to support a load applied to the annular body.
  • the axial distance between the rotary blade and the guide blade may be 0.1 mm or more and 5 mm or less.
  • it is desirable that the rotary blade has a downstream side edge parallel to the upstream side edge of the guide blade.
  • the rotating blade may have a smaller inclination with respect to the water wheel shaft than the runner blade.
  • slope refers to the magnitude (absolute value) of the slope.
  • the energy loss of the flowing water due to the rotating water contacting the rotating blades and rotating the rotating blades can be suppressed.
  • the direction of the flowing water flowing into the guide vanes can be changed by the action of the rotary vanes provided upstream of the plurality of guide vanes.
  • the rotary vanes provided upstream of the plurality of guide vanes.
  • FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a hydroelectric generator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an axial cross-sectional view of the hydroelectric generator.
  • FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view illustrating the configuration of the water turbine and the generator.
  • FIG. 4 is an axial cross-sectional view for explaining a support portion provided on the fixed boss and the rotating shaft body.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view in the axial direction of a hydroelectric generator that explains a modification of the rotary blade.
  • FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a hydroelectric generator 10 according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an axial sectional view of the hydroelectric generator 10
  • FIG. 3 illustrates the configuration of a turbine 4 and a generator 1. It is a conceptual sectional view.
  • a hydraulic power generation apparatus 10 includes a water turbine 4 that converts flowing water energy into mechanical energy, a generator 1 that converts mechanical energy into electricity, and a water turbine 4. And a casing 5 for housing the generator 1.
  • the hydroelectric generator 10 has an imaginary water wheel shaft H.
  • a direction parallel to the water wheel shaft H is referred to as an axial direction
  • a direction orthogonal to the water wheel shaft H is referred to as a radial direction.
  • the casing 5 includes an upstream casing 5a, a downstream casing 5c, and a stator casing 5b provided between the upstream casing 5a and the downstream casing 5c.
  • the upstream casing 5a and the stator casing 5b are fastened by a fastener, and the stator casing 5b and the downstream casing 5c are fastened by a fastener, whereby the casing 5 is integrally formed.
  • the casing 5 has a cylindrical flow path centered on the water wheel shaft H, and is configured such that water flows in the axial direction through the flow path.
  • the upstream casing 5 a is connected to a pipe that forms a water channel on the upstream side of the hydroelectric generator 10, and guides running water from the water channel to the water turbine 4 in the casing 5. Further, the downstream casing 5c is connected to a pipe that forms a downstream water channel of the hydroelectric generator 10, and rotates the water wheel 4 to return the running water used for power generation to the downstream water channel.
  • the hydroelectric generator 10 is used by being interposed in a water channel formed by piping or the like.
  • the generator 1 includes an armature 2 and a field magnet 34.
  • the armature 2 is a stator (stator) and the field 34 is a rotor (rotor).
  • the armature 2 includes an armature core (laminated core) 21 and an armature coil 22 wound around the armature core 21.
  • the armature core 21 is composed of an annular thin plate-like core member that is laminated in the axial direction.
  • the armature 2 is accommodated in the stator casing 5b so that the direction of the magnetic flux generated from the armature core 21 when the current flows through the armature coil 22 is perpendicular to the radial direction.
  • the stator casing 5b is a hollow member having an annular shape, and has an annular space 13 in which the armature 2 is accommodated.
  • An annular opening 13a is provided on the inner peripheral surface of the stator casing 5b facing the field 34.
  • the annular opening 13 a is sealed with an annular sealing member (can) 15.
  • the sealing member 15 according to the present embodiment is a thin band with a hooked annular shape made of a material having insulating properties and water resistance and extremely low eddy current loss.
  • the sealing member 15 sandwiches the inner peripheral side of the armature core 21 with the flange, and is fixed in a watertight manner to the annular opening 13a through a seal component such as an O-ring.
  • the annular space 13 of the stator casing 5b is a sealed space having water tightness.
  • the field magnet 34 is provided around the runner 3 that rotates by the action of flowing water, and rotates around the water wheel shaft H integrally with the runner 3.
  • the field magnet 34 is a permanent magnet, and a rare earth magnet having a strong magnet strength is used.
  • the runner 3 includes an annular runner base 37 centered on the water wheel shaft H and a plurality of runner blades (runner vanes) 31.
  • the runner base 37 has an inner diameter substantially equal to the inner diameters of the upstream casing 5a and the downstream casing 5c, and has a width (axial length) smaller than the distance between the upstream casing 5a and the downstream casing 5c.
  • a protrusion that is a holding portion 371 for the field magnet 34 is formed on the outer peripheral side of the runner base 37.
  • the holding portion 371 holds a plurality of field magnets 34, and the plurality of field magnets 34 are arranged on the same circumference around the water wheel shaft H.
  • a yoke 33 serving as a magnetic flux path is formed on the inner peripheral side of the plurality of field magnets 34.
  • a thin synthetic resin ring 35 is fitted on the outer peripheral side of the plurality of field magnets 34 in order to prevent the field magnets 34 from scattering and getting wet.
  • the synthetic resin ring 35 provided on the outer peripheral side of the field magnet 34 and the sealing member 15 provided on the inner peripheral side of the armature core 21 are opposed to each other with a predetermined minute gap (gap).
  • a predetermined minute gap gap
  • the thickness of the synthetic resin ring 35 and the sealing member 15 is reduced, and the gap between the two is reduced so that the field 34 and the armature core 21 are as close as possible.
  • they are arranged.
  • the runner base 37 is supported on the casing 5 via the water-lubricated bearing 11 so as to rotate about the water wheel shaft H in a state where the field magnet 34 and the armature core 21 face each other.
  • the water-lubricated bearing 11 includes a first bearing member 11 a that supports the runner base 37 from the upstream side, a second bearing member 11 b that supports the runner base 37 from the downstream side, and a gap between the bearing members 11 a and 11 b and the runner base 37.
  • a water supply mechanism 16 is provided for supplying water as a lubricant.
  • the first bearing member 11a and the second bearing member 11b are both annular bodies around the water wheel shaft H.
  • the first bearing member 11a is elastically supported via an elastic member (not shown) on the downstream flange of the upstream casing 5a and the inner peripheral surface of the stator casing 5b.
  • the second bearing member 11b is elastically supported via an elastic member (not shown) on the upstream flange of the downstream casing 5c and the inner peripheral surface of the stator casing 5b.
  • the inner peripheral surfaces of the bearing members 11a and 11b are ceramic-coated, and the bearing members 11a and 11b function as radial bearings that support the outer peripheral surface of the runner base 37 via a water film.
  • the water supply mechanism 16 includes a branch nozzle 16a provided in the upstream casing 5a, a water supply nozzle 16b provided in the vicinity of the second bearing member 11b, and a pipe (not shown) that connects the branch nozzle 16a and the water supply nozzle 16b. It is configured.
  • the flowing water in the upstream casing 5a flows into the branch nozzle 16a, and this water is discharged from the water supply nozzle 16b to the vicinity of the second bearing member 11b to lubricate the interface between the bearing members 11a and 11b and the runner base 37. A water film is formed.
  • the plurality of runner blades 31 are arranged in an annular shape around the water wheel shaft H on the inner peripheral side of the runner base 37 to form an annular blade row.
  • the outer peripheral side of each runner blade 31 is fixed to the inner peripheral surface of the runner base 37.
  • the runner blade 31 is an axial flow type, and when the runner blade 31 receives the force of flowing water, a component force is generated in the circumferential direction, and the runner 3 rotates.
  • the magnetic field formed by the field magnet 34 rotates to give a magnetic flux change to the armature core 21.
  • an induced current generated in the armature coil 22 is extracted to the outside through a lead wire (not shown) connected to the armature coil 22.
  • the water wheel 4 includes the runner 3, a boss 41 (fixed boss) passed through the inner peripheral side of the runner blade 31 in the axial direction, and a plurality of guide blades 42 provided around the boss 41 on the upstream side of the runner 3. And a plurality of rotating blades 44 provided on the upstream side of the plurality of guide blades 42.
  • the runner 3 is an element of the rotating part of the water wheel 4 and converts the energy of running water into mechanical energy.
  • the boss 41 collects running water in the casing 5 in the direction of the inner wall of the casing 5 to increase the flow velocity.
  • the plurality of guide blades 42 adjust the flow rate of running water hitting the runner blades 31 and guide the direction of running water to match the inclination of the runner blades 31 in order to efficiently rotate the runner 3.
  • the plurality of rotating blades 44 are intended to incline the direction of flowing water acting on the guide blade 42 from the axial direction and to change the direction of flowing water.
  • the boss 41 is inserted into the inner peripheral side of the runner 3 (the inner peripheral side of the plurality of runner blades 31). A predetermined gap is provided between the inner peripheral end 31a of the plurality of runner blades 31 and the outer peripheral surface of the boss 41 so that they do not come into contact with each other.
  • the boss 41 has an axial length extending from the upstream casing 5 a to the downstream casing 5 c, and the position is fixed with respect to the casing 5 so that the water wheel shaft H passes through the radial center of the boss 41.
  • a plurality of guide vanes (guide vanes) 42 are provided between the outer periphery of the boss 41 and the inner wall of the casing 5 and upstream of the runner 3 (the plurality of runner blades 31).
  • the plurality of guide vanes 42 are arranged at predetermined intervals on the same circumference around the water wheel shaft H.
  • 6 to 8 guide blades 42 form an annular blade row at equal intervals on the outer peripheral side (radially outer side) of the boss 41.
  • the inner peripheral side of each guide blade 42 is close to the outer peripheral surface of the boss 41, and the outer peripheral side is also close to the inner wall surface of the casing 5.
  • the guide blade 42 is inclined in the direction opposite to the inclination of the runner blade 31 with respect to the water wheel axis H.
  • the guide vane 42 is a movable vane having a variable inclination, and is configured such that the opening degree of the plurality of guide vanes 42 is changed in conjunction with a guide vane operating mechanism (not shown).
  • the guide blade operation mechanism is configured to change the inclination of the guide blade 42 continuously or stepwise.
  • the guide vane 42 according to the present embodiment is inclined so that it tilts ⁇ 5 degrees with respect to the water wheel shaft H when the flow rate exceeds a predetermined flow rate, and ⁇ 26 degrees with respect to the water wheel shaft H when the flow rate is less than the predetermined flow rate. Adjusted.
  • a plurality of rotating blades 44 that rotate about the water wheel shaft H are arranged upstream of the plurality of guide blades 42.
  • the direction of inclination of the plurality of rotating blades 44 may be the same as the direction of inclination of either the runner blade 31 or the guide blade 42.
  • the plurality of rotating blades 44 are fixed around a rotating shaft body 46 that rotates about the water wheel shaft H.
  • the upstream side of the rotating shaft 46 is formed in a hemispherical shape so that the flowing water can be smoothly moved toward the inner wall of the casing 5.
  • the downstream end surface 46 a of the rotating shaft body 46 faces the upstream end surface 41 a of the boss 41.
  • the outer diameter of the downstream end surface 46 a of the rotating shaft body 46 is substantially equal to the outer diameter of the upstream end surface 41 a of the boss 41, and dust is sandwiched between the outer peripheral surface of the rotating shaft body 46 and the outer peripheral surface of the boss 41. There is no radial step.
  • FIG. 4 is a sectional view in the axial direction for explaining the support portion 14 provided on the fixed boss 41 and the rotating shaft body 46.
  • the upstream end surface 41a of the fixed boss 41 and the downstream end surface 46a of the rotating shaft body 46 are provided with a support portion 14 including a shaft (support shaft 14b) and a bearing (bearing portion 14a).
  • a circular hole-shaped bearing portion 14 a is provided at a position overlapping the water wheel shaft H.
  • a support shaft 14 b is projected from the upstream end surface 41 a of the boss 41 at a position overlapping the water wheel shaft H.
  • the support shaft 14 b is loosely inserted into the bearing portion 14 a of the rotating shaft body 46.
  • a coating film such as a resin material or a ceramic material with low friction is formed in order to reduce the friction generated between them.
  • the space between the bearing portion 14a and the support shaft 14b is lubricated with water.
  • the support shaft 14 b is configured as a part of the water injection pipe 52, and a lubricating water supply passage 51 is provided inside the water injection pipe 52.
  • the water injection pipe 52 according to the present embodiment includes a base portion 52b located on the downstream side of the boss 41 and a shaft portion 52a that overlaps the water wheel shaft H through the inside of the boss 41.
  • the shaft portion 52a and the base portion 52b are integrally connected, and a continuous supply passage 51 is provided inside.
  • the inlet 51a of the supply passage 51 is connected to the water supply nozzle 16b of the water supply mechanism 16 described above (see FIG. 2), and water is supplied to the supply passage 51 by the water supply mechanism 16.
  • the outlet 51b of the supply passage 51 opens into the bearing portion 14a, and lubricating water is injected from the outlet 51b between the bearing portion 14a and the support shaft 14b.
  • the rotating shaft body 46 is held in the upstream casing 5a so as to be rotatable about the water wheel shaft H by the support portion 14 having the above configuration.
  • the bearing portion 14a is provided on the rotary shaft body 46 and the support shaft 14b is provided on the boss 41.
  • the bearing portion 14a may be provided on the boss 41 and the support shaft 14b may be provided on the rotary shaft body 46. It doesn't matter.
  • a plurality of permanent magnets 47 arranged in an annular shape around the water wheel shaft H are embedded in the downstream end surface 46 a of the rotating shaft body 46.
  • a plurality of permanent magnets 49 are embedded in the upstream end surface 41 a of the boss 41 so as to correspond to the permanent magnets 47 provided on the rotary shaft body 46.
  • the permanent magnet 47 and the permanent magnet 49 have different poles. As a result of the repulsion between the permanent magnet 47 and the permanent magnet 49, the downstream end surface 46 a of the rotating shaft body 46 and the upstream end surface 41 a of the boss 41 are sufficiently close and separated.
  • the strength of the magnetic force of the permanent magnet 47 and the permanent magnet 49 is such that the gap between the downstream end surface 46a of the rotating shaft body 46 and the upstream end surface 41a of the boss 41 does not come into contact with each other. It is determined to have a size (for example, 5 mm or less) that does not clog (for example, fallen leaves).
  • the downstream edge 44a of the rotating blade 44 is formed to be substantially parallel to the upstream edge 42a of the guide blade 42, and the downstream edge 44a of the rotating blade 44 and the upstream edge 42a of the guide blade 42 A predetermined gap t is provided between the two.
  • the size of the gap t is a value larger than 0 so that the rotating blade 44 and the guide blade 42 do not contact each other, and is a value of 0.1 mm or more in view of safety. Further, the size of the gap t is desirably 5 mm or less so that dust (for example, fallen leaves) to be sandwiched between the adjacent guide blades 42 or between the boss 41 and the guide blades 42 can be scraped out. .
  • the downstream side edge 44a of the rotary blade 44 and the upstream side edge 42a of the guide blade 42 are sufficiently close to each other.
  • the plurality of rotating blades 44 rotate upstream of the plurality of guide blades 42 by the action of flowing water.
  • the direction of the flowing water acting on the guide vane 42 is inclined from the axial direction, and the density of the flowing water is changed, so that the direction and speed of the flowing water are changed. Due to such a change in the direction of flowing water, dust that is about to be clogged in the vicinity of the upstream portion of the guide vane 42 (for example, the gap between adjacent guide vanes 42 or between the guide vane 42 and the boss 41) is washed out. Further, even if dust is clogged around the upstream portion of the guide vane 42, the dust is scraped out by a plurality of rotating vanes 44 and is poured into running water.
  • the dust that has passed through the upstream portion of the guide vane 42 and has flowed to the downstream side is crushed by the rotating runner vane 31, or between the bearing members 11 a and 11 b of the water-lubricated bearing 11 and the runner base 37. It is pulverized between them and discharged downstream with running water.
  • the action of the plurality of rotary blades 44 can prevent clogging of dust around the guide blades 42. Furthermore, even if dust is clogged around the guide vane 42, the clogging of dust can be eliminated by the action of the plurality of rotary vanes 44 without requiring special maintenance work.
  • the plurality of rotating blades 44 rotate at an extremely low speed as compared with the runner 3. For this reason, the inclination (blade angle) of the rotary blade 44 with respect to the water wheel axis H is smaller than the inclination of the runner blade 31 with respect to the water wheel axis H.
  • the “tilt” is the magnitude (absolute value) of the tilt. Since the rotating blades 44 and the runner blades 31 may have different inclination directions with respect to the water wheel axis H, the inclinations of the rotating blades 44 and the runner blades 31 with respect to the water wheel shaft H are compared with their absolute values. .
  • the rotation speed of the rotating blade 44 is only required to be slightly rotated, it is sufficient that the inclination of the rotating blade 44 with respect to the water wheel axis H is larger than 0 and is large enough to obtain the initial torque of the rotation of the rotating blade 44. is there. Thus, the loss of flowing water energy can be suppressed by rotating the rotating blades 44 at a low speed within a possible range.
  • the number of the rotating blades 44 is desirably 2 or more and 4 or less.
  • the plurality of rotating blades 44 are provided around the rotating shaft body 46 provided on the upstream side of the boss 41.
  • the hydroelectric generator 10 can be provided with a plurality of rotating blades 44 with a smaller number of parts, a simpler structure, and a smaller occupied space.
  • the plurality of rotating blades 44 may be provided in the hydroelectric generator 10 in the manner described below, for example.
  • FIG. 5 is a sectional view in the axial direction of the hydroelectric generator 10 for explaining a modification of the rotary blade 44.
  • the same or similar members as those in the above-described embodiment may be denoted by the same reference numerals in the drawings, and description thereof may be omitted.
  • a plurality of rotating blades 44 are provided in the casing 5 on the upstream side of the plurality of guide blades 42.
  • the direction of inclination of the plurality of rotating blades 44 may be the same as the direction of inclination of either the runner blade 31 or the guide blade 42.
  • the plurality of rotating blades 44 are fixed to the inner peripheral side of the annular body 63 that rotates about the water wheel shaft H.
  • the annular body 63 is supported on the casing 5 (upstream casing 5a) via a water-lubricated bearing 61.
  • the water-lubricated bearing 61 is for allowing the casing 5 to support loads in the axial direction (thrust direction) and the radial direction (radial direction) applied to the annular body 63.
  • the water-lubricated bearing 61 includes a first bearing member 61 a that supports the annular body 63 from the upstream side, a second bearing member 61 b that supports the annular body 63 from the downstream side, and a gap between the bearing members 61 a and 61 b and the annular body 63.
  • a water supply mechanism 16 is provided for supplying water as a lubricant.
  • Each of the first bearing member 61a and the second bearing member 61b is an annular body centering on the water wheel shaft H.
  • the 1st bearing member 61a and the 2nd bearing member 61b are elastically supported via the elastic member by the bearing accommodating part 62 formed in the upstream casing 5a.
  • the inner peripheral surfaces of the bearing members 61a and 61b are ceramic-coated, and the bearing members 61a and 61b function as radial bearings that support the outer peripheral surface of the annular body 63 via a water film. Further, the surfaces of the bearing members 61a and 61b facing each other are also coated with ceramic, and the bearing members 61a and 61b function as thrust bearings that support the annular body 63 via a water film.
  • the water supply mechanism 16 includes a branch nozzle 16a provided in the upstream casing 5a, a water supply nozzle 16c provided in the vicinity of the second bearing member 61b, and a pipe (not shown) that connects the branch nozzle 16a and the water supply nozzle 16c. It is configured.
  • the flowing water in the upstream casing 5a flows into the branch nozzle 16a, and this water is discharged from the water supply nozzle 16c to the vicinity of the second bearing member 61b to lubricate the interface between the bearing members 61a and 61b and the annular body 63. A water film is formed.
  • the generator 1 including the armature 2 and the field 34 may take another aspect.
  • the generator 1 can be configured by providing the field magnet 34 on the upstream side surface of the water wheel 4 and providing the armature 2 on the boss 41 so as to face the field magnet 34.

Abstract

水力発電装置１０に、ケーシング５と、水車軸Ｈを中心として環状に並べられた複数のランナ羽根３１を有するランナ３と、ケーシング５に相対的に位置固定された固定ボス４１と、ランナ羽根３１の上流側において固定ボス４１の外周側に設けられた複数の案内羽根４２と、複数の案内羽根４２よりも上流側に設けられた複数の回転羽根４４と、ランナ３に設けられた回転子（界磁３４）と、ケーシング５に直接的又は間接的に設けられた固定子（電機子２）とを備える。

Description

水力発電装置
　本発明は、水力発電装置に関し、より詳細には、小規模水力発電装置に関する。
　従来、上下水道・小河川・農業用水路・工場排水・ダム放出水などの高低差のある水路に設置されて、水路の落差を利用して発電する小規模水力発電装置が知られている。ここで小規模水力発電とは、これまで顧みられなかった未利用の水力エネルギーを使って小規模な発電（例えば、１０００ｋＷ以下）を行うことをいう。小規模水力発電が可能な上下水道や高低差のある河川水などの未利用の水力資源が莫大に存在すること、この水力資源を再生可能であること、既設発電所からの送電線の設置が困難な場所でのエネルギーの地産地消が実現できることなどの理由で、近年、小規模水力発電が特に注目されている。
　上記のような小規模水力発電を行う装置の一態様として、本願の出願人は、水路に介挿された円筒状のケーシングと、ケーシングに内装されたランナと、ランナの外周側に設けられたリング状の発電機とを備えた水力発電装置を従来から提案しており、その研究開発を行っている（特許文献１、参照）。この水力発電装置は、ランナに遊挿されたボスと、ランナの上流側においてボスの外周とケーシングの内壁との間に配置された複数の案内羽根（ガイドベーン）とを備えており、ボスと案内羽根でランナを効率よく回転させるように流水を案内するように構成されている。
特開２００６－１８９０１４号公報
　上記のような小規模な水力発電装置が、屋外の水源と繋がっている水路中に設けられる場合には、流水に落ち葉や小枝などの固体ゴミが同伴していることがある。これらのゴミが案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）に詰まって、流水を滞らせ、発電効率を低下させるという問題が生じている。特に大雨の後や季節の変わり目などには流水に同伴するゴミの量が多く、案内羽根周辺に詰まったゴミを取り除くためのメンテナンス作業を頻繁に行わねばならない。なお、案内羽根周辺にゴミが詰まらないようにするために、案内羽根の上流側でゴミをフィルタ分離することは容易に想到できるが、この場合にはフィルタを掃除または交換するためのメンテナンス作業を頻繁に行わねばならない。水力発電装置のメンテナンス作業を行う際には、上流からの流水を止めたり、装置をバイパスさせて下流側へ流したりせねばならず、膨大な作業を伴うこととなる。さらに、小規模水力発電装置は、山間部などの人間が立ち入ることの難しい場所への設置も想定されており、メンテナンスの頻度はより少ないことが望ましい。
　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、水力発電装置であって、案内羽根周辺にゴミが詰まることを防止し、案内羽根周辺に詰まったゴミをメンテナンス作業を行わずに取り除くことのできるものを提案する。
　発明者らは、案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）にはゴミが詰まることがあるが、ランナに設けられたランナ羽根周辺（例えば、隣り合うランナ羽根の間隙やランナ羽根とボスの間）にはゴミが詰まらないということを、経験的に知得した。発明者らは、この現象の原因を以下のように考察した。ケーシング内へ流水が軸方向に流れ込むため、ケーシングに固定された案内羽根には一定の向き（軸方向と平行な向き）の水が流れ込む。これに対し、ランナ羽根には、案内羽根の作用により軸方向から傾いた向きの流水が作用し、さらに、自身が回転することからその周辺の水の流れが変化する。このことから、固定された案内羽根に作用する流水の向きが一定であるため、案内羽根周辺に一度詰まったゴミはそこから動くことができず、その詰まったゴミが流路を狭め、詰まったゴミに更に他のゴミが堆積していくという現象が生じている。
　上記考察に基づいて、本発明に係る水力発電装置では、案内羽根に作用する流水の向きを軸方向から傾けるとともに、流水の向きに変化を与える構成を備えることによって、案内羽根周辺にゴミが詰まることを防止できるようにしている。
　本発明に係る水力発電装置は、
水車軸を中心とした円筒形状の流路を有し、該流路を水が軸方向に流れるように構成されたケーシングと、
前記ケーシング内において前記水車軸を中心として環状に並べられた複数のランナ羽根を有するランナと、
前記ランナに設けられて該ランナと一体的に回転する回転子と、
前記ケーシング内に設けられ且つ当該ケーシングに対して相対的に位置固定された固定ボスと、
前記回転子と対向するように前記ケーシング又は前記固定ボスに設けられた固定子と、
前記ランナの上流側において前記固定ボスの外周側に設けられた複数の案内羽根と、
前記複数の案内羽根よりも上流側に設けられた複数の回転羽根とを備えていることを特徴とするものである。なお、上記において固定子はケーシングに直接的又は間接的に設けられたものを含み、例えば、固定子はケーシングに直接的に設けられていてもよいし、固定子はケーシングに固定された固定ボスなどの部材に設けられていてもよい。
　上記構成によれば、複数の案内羽根よりも上流側に設けられた回転羽根の作用により、案内羽根に流れ込む流水の向きが軸方向から傾き、また、流水の密度が変化して流水の向きが変化する。このような流水の向きの変化により、案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）に詰まろうとするゴミが流れ出て、案内羽根周辺にゴミが詰まることを防止できる。
　上記水力発電装置が、前記ケーシング内の前記固定ボスよりも上流側に、前記水車軸を中心として回転する回転軸体をさらに備えており、前記複数の回転羽根が前記回転軸体の周囲に設けられているものであってよい。ここで、前記回転軸体は、前記固定ボスの上流側端面と前記軸方向に対向する下流側端面を有し、前記回転軸体の下流側端面と前記固定ボスの上流側端面に、軸及び軸受から成る支承部と、互いに反発しあう磁石とが設けられていることが望ましい。
　また、上記水力発電装置が、前記ケーシング内の前記固定ボスよりも上流側に、前記水車軸を中心として回転する環状体をさらに備えており、前記複数の回転羽根が前記環状体に設けられているものであってよい。ここで、上記水力発電装置が、前記環状体にかかる荷重を前記ケーシングに支持させる水潤滑式軸受をさらに備えていることが望ましい。
　上記水力発電装置において、前記回転羽根と前記案内羽根の前記軸方向の距離が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であってよい。ここで、前記回転羽根が前記案内羽根の上流側端辺と平行な下流側端辺を有することが望ましい。
　上記構成によれば、回転羽根で案内羽根の上流部に詰まっているゴミを掻き出すことができる。よって、案内羽根の上流部に詰まろうとしているゴミを、メンテナンス作業を行わずに取り除くことができる。
　上記水力発電装置において、前記回転羽根が、前記ランナ羽根と比較して小さい前記水車軸に対する傾きを有するものであってよい。なお、ここで、「傾き」とは傾きの大きさ（絶対値）を言う。
　上記構成によれば、流水が回転羽根に当接して回転羽根を回転させることによる、流水のエネルギー損失を抑えることができる。
　本発明によれば、複数の案内羽根よりも上流側に設けられた回転羽根の作用により、案内羽根に流れ込む流水の向きに変化を与えることができる。これにより、案内羽根周辺（例えば、隣り合う案内羽根の間隙や案内羽根とボスの間）にゴミが詰まることを防止できる。
図１は、本発明の一実施形態に係る水力発電装置の一部切り欠き斜視図である。 図２は、水力発電装置の軸方向断面図である。 図３は、水車と発電機の構成を説明する概念的断面図である。 図４は、固定ボスと回転軸体に設けられた支承部を説明する軸方向断面図である。 図５は、回転羽根の変形例を説明する水力発電装置の軸方向断面図である。
　次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る水力発電装置１０の一部切り欠き斜視図、図２は水力発電装置１０の軸方向断面図、図３は水車４と発電機１の構成を説明する概念的断面図である。
　図１～３に示すように、本発明の実施の形態に係る水力発電装置１０は、流水のエネルギーを機械エネルギーに変換する水車４と、機械エネルギーを電気に変換する発電機１と、水車４と発電機１を収容するケーシング５とを備えている。水力発電装置１０は仮想の水車軸Ｈを有しており、以下では、水車軸Ｈと平行な方向を軸方向といい、水車軸Ｈと直交する方向を径方向という。
　まず、ケーシング５について説明する。ケーシング５は、上流ケーシング５ａと、下流ケーシング５ｃと、上流ケーシング５ａと下流ケーシング５ｃの間に設けられたステータケーシング５ｂとを備えている。上流ケーシング５ａとステータケーシング５ｂが締結具により締結され、ステータケーシング５ｂと下流ケーシング５ｃとが締結具により締結されることにより、ケーシング５が一体的に形作られている。ケーシング５は、水車軸Ｈを中心とする円筒形状の流路を有しており、この流路を水が軸方向に流れるように構成されている。上流ケーシング５ａは、水力発電装置１０の上流側の水路を形成している配管と接続されて、水路からの流水をケーシング５内の水車４へと導いている。また、下流ケーシング５ｃは、水力発電装置１０の下流側の水路を形成している配管と接続されて、水車４を回して発電に利用された後の流水を下流側の水路へ戻している。このようにして、水力発電装置１０は、配管等により形成された水路に介装されて使用される。
　次に、発電機１について説明する。発電機１は、電機子２と、界磁３４とを備えている。本実施の形態に係る発電機１では、電機子２が固定子（ステータ）であり、界磁３４が回転子（ロータ）である。電機子２は、電機子鉄心（積層コア）２１と、電機子鉄心２１に巻かれた電機子コイル２２とを備えている。電機子鉄心２１は、軸方向に複数積層された円環薄板状のコア部材で構成されている。この電機子２は、電機子コイル２２に電流を流したときに電機子鉄心２１から発生する磁束の向きが径方向と直交する向きとなるように、ステータケーシング５ｂに収容されている。ステータケーシング５ｂは、円環形状を有する中空部材であって、内部に電機子２が収容される環状空間１３を有している。ステータケーシング５ｂの、界磁３４と対向している内周面には、環状開口１３ａが設けられている。この環状開口１３ａは環状の封止部材（キャン）１５で封止されている。本実施の形態に係る封止部材１５は、絶縁性と耐水性を有し且つ渦電流損の非常に小さい材料で製作された、鍔付きの円環状をした薄肉の帯である。封止部材１５は、その鍔で電機子鉄心２１の内周側を挟み込んでおり、Ｏリングなどのシール部品を介して環状開口１３ａに水密的に固定されている。このようにしてステータケーシング５ｂの環状空間１３は水密性を有する密閉空間となっている。
　界磁３４は、流水の作用により回転するランナ３の周囲に設けられており、ランナ３と一体的に水車軸Ｈを中心として回転する。本実施の形態において、界磁３４は永久磁石であり、磁石強度の強い希土類磁石などが用いられている。ランナ３は、水車軸Ｈを中心とする環状のランナベース３７と、複数のランナ羽根（ランナベーン）３１とで構成されている。ランナベース３７は、上流ケーシング５ａや下流ケーシング５ｃの内径とほぼ等しい内径を有し、上流ケーシング５ａと下流ケーシング５ｃの間の距離よりも小さい幅（軸方向長さ）を有している。ランナベース３７の外周側には、界磁３４の保持部３７１である突条が形成されている。保持部３７１には複数の界磁３４が保持されており、複数の界磁３４は水車軸Ｈを中心とする同一円周上に配置されている。複数の界磁３４の内周側には、磁束の通路となるヨーク３３が形成されている。また、複数の界磁３４の外周側には、界磁３４の飛散と水濡れを防止するために、薄肉の合成樹脂リング３５が嵌装されている。界磁３４の外周側に設けられた合成樹脂リング３５と、電機子鉄心２１の内周側に設けられた封止部材１５は、所定の微小間隙（ギャップ）を置いて対向している。なお、磁束密度を高めるために、合成樹脂リング３５と封止部材１５の肉厚を小さくし、両者の間隙を狭くすることにより、界磁３４と電機子鉄心２１が可能な限り接近するように配置されることが好ましい。
　ランナベース３７は、界磁３４と電機子鉄心２１が対向した状態で、水車軸Ｈを中心として回転するように、水潤滑式軸受１１を介してケーシング５に支承されている。水潤滑式軸受１１は、ランナベース３７を上流側から支持する第１軸受部材１１ａと、ランナベース３７を下流側から支持する第２軸受部材１１ｂと、軸受部材１１ａ，１１ｂとランナベース３７の間隙に潤滑剤としての水を供給するための水供給機構１６で構成されている。第１軸受部材１１ａと第２軸受部材１１ｂはいずれも水車軸Ｈを中心とする環状体である。第１軸受部材１１ａは、上流ケーシング５ａの下流側のフランジとステータケーシング５ｂの内周面に図示しない弾性部材を介して弾性的に支持されている。また、第２軸受部材１１ｂは下流ケーシング５ｃの上流側のフランジとステータケーシング５ｂの内周面に図示しない弾性部材を介して弾性的に支持されている。軸受部材１１ａ，１１ｂの内周面はセラミック塗装が施されており、軸受部材１１ａ，１１ｂはランナベース３７の外周面を水膜を介して支持するラジアル軸受として機能している。さらに、軸受部材１１ａ，１１ｂの対向しあう面にもセラミック塗装が施されており、軸受部材１１ａ，１１ｂはランナベース３７の保持部３７１を水膜を介して支持するスラスト軸受として機能している。水供給機構１６は、上流ケーシング５ａに設けられた分岐ノズル１６ａと、第２軸受部材１１ｂ近傍に設けられた給水ノズル１６ｂと、分岐ノズル１６ａと給水ノズル１６ｂとの間を繋ぐ図示しない配管とから構成されている。水供給機構１６では、上流ケーシング５ａの流水が分岐ノズル１６ａへ流入し、この水が給水ノズル１６ｂから第２軸受部材１１ｂ近傍へ吐出されて、軸受部材１１ａ，１１ｂとランナベース３７の界面を潤滑する水膜を形成している。
　複数のランナ羽根３１は、ランナベース３７の内周側で水車軸Ｈを中心として環状に並べられて、環状翼列を形成している。各ランナ羽根３１の外周側は、ランナベース３７の内周面に固定されている。ランナ羽根３１は軸流型であり、ランナ羽根３１が流水の力を受けると周方向に分力を発生して、ランナ３が回転する。ランナ３が回転すると、界磁３４が形成する磁界が回転して電機子鉄心２１に磁束変化を与える。これに伴って電機子コイル２２に発生する誘導電流が、電機子コイル２２と接続された図示しない導線を通じて外部へ取り出される。
　続いて、水車４について説明する。水車４は、上記ランナ３と、ランナ羽根３１の内周側を軸方向に通されたボス４１（固定ボス）と、ランナ３の上流側においてボス４１の周囲に設けられた複数の案内羽根４２と、複数の案内羽根４２よりも上流側に設けられた複数の回転羽根４４とを備えている。ランナ３は、水車４の回転部分の要素で、流水のエネルギーを機械エネルギーに変換するものである。ボス４１は、ケーシング５内の流水をケーシング５の内壁方向に集めて、流速を増加させるためのものである。複数の案内羽根４２は、ランナ３を効率良く回転させるために、ランナ羽根３１に当たる流水の流量を調整したり、流水の向きをランナ羽根３１の傾きに適合するよう案内したりするものである。複数の回転羽根４４は、案内羽根４２に作用する流水の向きを軸方向から傾けるとともに、流水の向きに変化を与えるためのものである。
　ボス４１は、ランナ３の内周側（複数のランナ羽根３１の内周側）に挿通されている。複数のランナ羽根３１の内周側端３１ａとボス４１の外周面との間には、これらが接触しないように、所定の間隙が設けられている。ボス４１は、上流ケーシング５ａから下流ケーシング５ｃに亘る軸方向の長さを有しており、ボス４１の径方向中心を水車軸Ｈが通るようにケーシング５に対して位置が固定されている。
　ボス４１の外周とケーシング５の内壁との間であって、ランナ３（複数のランナ羽根３１）よりも上流側に、複数の案内羽根（ガイドベーン）４２が設けられている。複数の案内羽根４２は、水車軸Ｈを中心とする同一円周上に所定間隔で配置されている。本実施の形態においては、６～８枚の案内羽根４２が、ボス４１の外周側（径方向外側）で、等間隔の環状翼列を成している。各案内羽根４２の内周側はボス４１の外周面と近接し、同じく外周側はケーシング５の内壁面と近接している。案内羽根４２は、水車軸Ｈを基準としてランナ羽根３１の傾きと逆方向に傾いている。案内羽根４２は、傾きが可変な可動羽根であって、図示しない案内羽根操作機構により複数の案内羽根４２の開度が連動して変化するように構成されている。なお、案内羽根操作機構は案内羽根４２の傾きを連続的に又は段階的に変化させるように構成されている。本実施形態に係る案内羽根４２は、所定流量を超える大流量時には水車軸Ｈに対して－５度傾き、所定流量以下の小流量時には水車軸Ｈに対して－２６度傾くように、傾きが調節される。
　複数の案内羽根４２よりも上流側に、水車軸Ｈを中心として回転する複数の回転羽根４４が配置されている。複数の回転羽根４４の傾きの向きは、ランナ羽根３１と案内羽根４２のうちいずれの傾きの向きと同じであっても構わない。複数の回転羽根４４は、水車軸Ｈを中心として回転する回転軸体４６の周囲に固定されている。回転軸体４６の上流側は流水をスムースにケーシング５の内壁へ向けて移動させるように半球状に形成されている。一方、回転軸体４６の下流側端面４６ａは、ボス４１の上流側端面４１ａと対向している。回転軸体４６の下流側端面４６ａの外径は、ボス４１の上流側端面４１ａの外径と略等しく、回転軸体４６の外周面とボス４１の外周面との間にゴミが挟まるような径方向の段差は存在しない。
　図４は固定ボス４１と回転軸体４６に設けられた支承部１４を説明する軸方向断面図である。図４に示すように、固定ボス４１の上流側端面４１ａと回転軸体４６の下流側端面４６ａには、軸（支持軸１４ｂ）および軸受（軸受部１４ａ）からなる支承部１４が設けられている。回転軸体４６の下流側端面４６ａには、水車軸Ｈと重複する位置に円形穴状の軸受部１４ａが設けられている。一方、ボス４１の上流側端面４１ａには、水車軸Ｈと重複する位置に支持軸１４ｂが突設されている。この支持軸１４ｂは、回転軸体４６の軸受部１４ａに遊挿されている。支持軸１４ｂと軸受部１４ａの摺動面には、これらの間に生じる摩擦を軽減するために、摩擦の小さい樹脂材やセラミック材などの塗膜が形成されている。さらに、軸受部１４ａと支持軸１４ｂとの間は、水で潤滑されている。支持軸１４ｂは注水パイプ５２の一部として構成されており、注水パイプ５２の内部には潤滑水の供給通路５１が設けられている。本実施の形態に係る注水パイプ５２は、ボス４１よりも下流側に位置する基部５２ｂと、ボス４１の内部を水車軸Ｈと重複して貫く軸部５２ａとで構成されている。この軸部５２ａと基部５２ｂは一体的に接続されており、内部に一続きの供給通路５１が設けられている。この供給通路５１の入口５１ａは、前述の水供給機構１６の給水ノズル１６ｂと接続されており（図２、参照）、水供給機構１６によって供給通路５１へ水が供給される。一方、供給通路５１の出口５１ｂは、軸受部１４ａ内に開口しており、この出口５１ｂから軸受部１４ａと支持軸１４ｂとの間に潤滑水が注入される。以上の構成の支承部１４により、回転軸体４６は水車軸Ｈを中心として回動可能に上流ケーシング５ａ内に保持されている。なお、本実施の形態では、軸受部１４ａを回転軸体４６に支持軸１４ｂをボス４１にそれぞれ設けているが、軸受部１４ａをボス４１に支持軸１４ｂを回転軸体４６にそれぞれ設けてもかまわない。
　さらに、回転軸体４６の下流側端面４６ａには、水車軸Ｈを中心として環状に配置された複数の永久磁石４７が埋設されている。一方、ボス４１の上流側端面４１ａには、回転軸体４６に設けられた永久磁石４７と対応するように配置された複数の永久磁石４９が埋設されている。永久磁石４７と永久磁石４９は異なる極を有している。そして、永久磁石４７と永久磁石４９が反発しあう結果、回転軸体４６の下流側端面４６ａとボス４１の上流側端面４１ａとが十分に近接し且つ離間した状態が維持される。ここで、永久磁石４７と永久磁石４９の磁力の強さは、回転軸体４６の下流側端面４６ａとボス４１の上流側端面４１ａとの間隙が、これらが接触しないが、これらの間にゴミ（例えば、落ち葉）が詰まらないような大きさ（例えば、５ｍｍ以下）となるように決められている。
　回転羽根４４の下流側端辺４４ａは、案内羽根４２の上流側端辺４２ａと略平行となるように形成され、回転羽根４４の下流側端辺４４ａと案内羽根４２の上流側端辺４２ａとの間に所定の間隙ｔが設けられている。間隙ｔの大きさは、回転羽根４４と案内羽根４２とが接触しないように、０よりも大きい値であって、安全性を見込めば０．１ｍｍ以上の値である。また、間隙ｔの大きさは、隣り合う案内羽根４２の間やボス４１と案内羽根４２の間に挟まろうとするゴミ（例えば、落ち葉）を掻き出すことができるように、５ｍｍ以下であることが望ましい。このように、回転羽根４４の下流側端辺４４ａと案内羽根４２の上流側端辺４２ａは十分に近接している。
　複数の回転羽根４４は、流水の作用により複数の案内羽根４２の上流側で回転する。これにより、案内羽根４２へ作用する流水の向きが軸方向から傾き、さらに、流水の密度が変化するので流水の向きや速度が変化する。このような流水の向きの変化により、案内羽根４２の上流部周辺（例えば、隣り合う案内羽根４２の間隙や案内羽根４２とボス４１の間）に詰まろうとするゴミが流水で流し出される。また、案内羽根４２の上流部周辺にゴミが詰まっていたとしても、ゴミは回転する複数の回転羽根４４により掻き出されて流水中に流し出される。このようにして、案内羽根４２の上流部を通過して下流側へ流れ出たゴミは、回転するランナ羽根３１で粉砕されたり、水潤滑式軸受１１の軸受部材１１ａ，１１ｂとランナベース３７との間で粉砕されたりして、流水とともに下流側へ排出される。以上の通り、複数の回転羽根４４の作用により、案内羽根４２周辺にゴミが詰まることを防止できる。さらに、仮に案内羽根４２周辺にゴミが詰まったとしても、複数の回転羽根４４の作用により、特別なメンテナンス作業を要することなくゴミ詰まりを解消することができる。
　なお、複数の回転羽根４４は、ランナ３と比較して極めて低速で回転する。このため、回転羽根４４の水車軸Ｈに対する傾き（翼角）は、ランナ羽根３１の水車軸Ｈに対する傾きと比較して小さい。ここで、「傾き」とは、傾きの大きさ（絶対値）のことである。回転羽根４４とランナ羽根３１は、水車軸Ｈに対する傾きの向きが互いに異なることがあるので、水車軸Ｈに対する回転羽根４４の傾きとランナ羽根３１の傾きは各々の絶対値で比較することとする。回転羽根４４の回転速度は辛うじて回っている程度で足りるため、回転羽根４４の水車軸Ｈに対する傾きは０より大きく、回転羽根４４の回転の初動トルクが得られる程度の大きさであれば十分である。このように複数の回転羽根４４が可能な範囲で低速で回転することにより、流水エネルギーの損失を抑えることができる。同様の観点で、回転羽根４４の数は２以上４以下であることが望ましい。
〔変形例１〕
　上記実施の形態では、複数の回転羽根４４は、ボス４１の上流側に設けられた回転軸体４６の周囲に設けられている。このような構成とすることにより、より少ない部品点数、より簡易な構造、且つより小さな占有空間で、水力発電装置１０に複数の回転羽根４４を備えることができる。ただし、複数の回転羽根４４は、例えば、以下に説明するような態様で水力発電装置１０に設けられていてもよい。
　図５は回転羽根４４の変形例を説明する水力発電装置１０の軸方向断面図である。なお、本変形例の説明においては、前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する場合がある。図５に示すように、ケーシング５内において、複数の案内羽根４２の上流側に複数の回転羽根４４が設けられている。複数の回転羽根４４の傾きの向きは、ランナ羽根３１と案内羽根４２のうちいずれの傾きの向きと同じであっても構わない。
　複数の回転羽根４４は、水車軸Ｈを中心として回転する環状体６３の内周側に固定されている。環状体６３は、水潤滑式軸受６１を介してケーシング５（上流ケーシング５ａ）に支承されている。水潤滑式軸受６１は、環状体６３に掛かる軸方向（スラスト方向）および径方向（ラジアル方向）の荷重をケーシング５に支持させるためのものである。水潤滑式軸受６１は、環状体６３を上流側から支持する第１軸受部材６１ａと、環状体６３を下流側から支持する第２軸受部材６１ｂと、軸受部材６１ａ，６１ｂと環状体６３の間隙に潤滑剤としての水を供給するための水供給機構１６で構成されている。第１軸受部材６１ａと第２軸受部材６１ｂはいずれも水車軸Ｈを中心とする環状体である。第１軸受部材６１ａと第２軸受部材６１ｂは、上流ケーシング５ａに形成された軸受収容部６２に弾性部材を介して弾性的に支持されている。軸受部材６１ａ，６１ｂの内周面はセラミック塗装が施されており、軸受部材６１ａ，６１ｂは環状体６３の外周面を水膜を介して支持するラジアル軸受として機能している。さらに、軸受部材６１ａ，６１ｂの対向しあう面にもセラミック塗装が施されており、軸受部材６１ａ，６１ｂは環状体６３を水膜を介して支持するスラスト軸受として機能している。水供給機構１６は、上流ケーシング５ａに設けられた分岐ノズル１６ａと、第２軸受部材６１ｂ近傍に設けられた給水ノズル１６ｃと、分岐ノズル１６ａと給水ノズル１６ｃとの間を繋ぐ図示しない配管とから構成されている。水供給機構１６では、上流ケーシング５ａの流水が分岐ノズル１６ａへ流入し、この水が給水ノズル１６ｃから第２軸受部材６１ｂ近傍へ吐出されて、軸受部材６１ａ，６１ｂと環状体６３の界面を潤滑する水膜を形成している。
　以上に説明した本発明の実施形態およびその変形例に係る水力発電装置１０において、電機子２と界磁３４から成る発電機１は別の態様を採ってもよい。例えば、界磁３４を水車４の上流側面に設け、この界磁３４と対向するように電機子２をボス４１に設けて、発電機１を構成することもできる。
　１　発電機
　２　電機子（固定子）
　　２１　電機子鉄心
　　２２　電機子コイル
　３　ランナ
　４　水車
　５　ケーシング
　１０　水力発電装置
　１１　水潤滑式軸受
　１３　環状空間
　１３ａ　環状開口
　１４　支承部
　１５　封止部材
　１６　水供給機構
　　１６ａ　分岐ノズル
　　１６ｂ，ｃ　給水ノズル
　３１　ランナ羽根
　３３　ヨーク
　３４　界磁（回転子）
　３５　合成樹脂リング
　３７　ランナベース
　４１　ボス（固定ボス）
　４２　案内羽根
　４４　回転羽根
　４６　回転軸体
　４７，４９　永久磁石
　５１　供給通路
　５２　注水パイプ
　６１　水潤滑式軸受
　６２　軸受収容部
　６３　環状体
 

Claims (8)

  1. 　水車軸を中心とした円筒形状の流路を有し、該流路を水が軸方向に流れるように構成されたケーシングと、
    　前記ケーシング内において前記水車軸を中心として環状に並べられた複数のランナ羽根を有するランナと、
    　前記ランナに設けられて該ランナと一体的に回転する回転子と、
    　前記ケーシング内に設けられ且つ当該ケーシングに対して相対的に位置固定された固定ボスと、
    　前記回転子と対向するように前記ケーシング又は前記固定ボスに設けられた固定子と、
    　前記ランナの上流側において前記固定ボスの外周側に設けられた複数の案内羽根と、
    　前記複数の案内羽根よりも上流側に設けられた複数の回転羽根とを備えている、
    水力発電装置。
  2. 　前記ケーシング内の前記固定ボスよりも上流側に、前記水車軸を中心として回転する回転軸体をさらに備えており、
    　前記複数の回転羽根が前記回転軸体の周囲に設けられている、請求項１に記載の水力発電装置。
  3. 　前記回転軸体は、前記固定ボスの上流側端面と前記軸方向に対向する下流側端面を有し、
    　前記回転軸体の下流側端面と前記固定ボスの上流側端面に、軸及び軸受から成る支承部と、互いに反発しあう永久磁石とが設けられている、請求項２に記載の水力発電装置。
  4. 　前記ケーシング内の前記固定ボスよりも上流側に、前記水車軸を中心として回転する環状体をさらに備えており、
    　前記複数の回転羽根が前記環状体に設けられている、請求項１に記載の水力発電装置。
  5. 　前記環状体にかかる荷重を前記ケーシングに支持させる水潤滑式軸受をさらに備えている、請求項４に記載の水力発電装置。
  6. 　前記回転羽根と前記案内羽根の前記軸方向の距離が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の水力発電装置。
  7. 　前記回転羽根が前記案内羽根の上流側端辺と平行な下流側端辺を有する、請求項６に記載の水力発電装置。
  8. 　前記回転羽根が、前記ランナ羽根と比較して小さい前記水車軸に対する傾きを有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の水力発電装置。
     
PCT/JP2014/002521 2013-05-15 2014-05-13 水力発電装置 WO2014185057A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201480025964.XA CN105164404B (zh) 2013-05-15 2014-05-13 水力发电装置

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013-102740 2013-05-15
JP2013102740A JP6196468B2 (ja) 2013-05-15 2013-05-15 水力発電装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014185057A1 true WO2014185057A1 (ja) 2014-11-20

Family

ID=51898047

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2014/002521 WO2014185057A1 (ja) 2013-05-15 2014-05-13 水力発電装置

Country Status (3)

Country Link
JP (1) JP6196468B2 (ja)
CN (1) CN105164404B (ja)
WO (1) WO2014185057A1 (ja)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106438166B (zh) * 2016-08-23 2019-11-12 杭州江河水电科技有限公司 全贯流无轴双向洋流发电装置
JP2019002336A (ja) * 2017-06-15 2019-01-10 日本精工株式会社 中空水車及び発電装置
JP7017486B2 (ja) * 2018-08-20 2022-02-08 Ntn株式会社 水力発電装置および発電システム
KR102291395B1 (ko) * 2020-08-06 2021-08-20 한국생산기술연구원 가이드 베인 및 러너를 포함하는 마이크로 수력 터빈 및 이의 설계 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003214309A (ja) * 2002-01-24 2003-07-30 Hitachi Ltd 発電機一体形水車及び電動機一体形ポンプ
JP2007077861A (ja) * 2005-09-13 2007-03-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 人工心臓ポンプ
JP2008014202A (ja) * 2006-07-05 2008-01-24 Kawasaki Heavy Ind Ltd 水力発電装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE298042T1 (de) * 2001-09-17 2005-07-15 Clean Current Power Systems Inc Unterwassermantel-turbine
DE10152712B4 (de) * 2001-10-19 2015-10-15 Aloys Wobben Generator für ein Wasserkraftwerk
WO2008114482A1 (ja) * 2007-03-19 2008-09-25 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha 水力発電装置及びそれを備えた水力発電システム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003214309A (ja) * 2002-01-24 2003-07-30 Hitachi Ltd 発電機一体形水車及び電動機一体形ポンプ
JP2007077861A (ja) * 2005-09-13 2007-03-29 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 人工心臓ポンプ
JP2008014202A (ja) * 2006-07-05 2008-01-24 Kawasaki Heavy Ind Ltd 水力発電装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN105164404B (zh) 2017-08-29
JP6196468B2 (ja) 2017-09-13
JP2014224459A (ja) 2014-12-04
CN105164404A (zh) 2015-12-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4737992B2 (ja) 水力発電装置
KR101405494B1 (ko) 조력발전 터빈
JP4948924B2 (ja) 水力発電機
EP3066335B1 (en) In-pipe turbine and hydro-electric power generation system
JP5439386B2 (ja) フローティングロータを備えた水力発電タービン
KR101642677B1 (ko) 외장형 인라인스크류 소수력발전장치
WO2014185057A1 (ja) 水力発電装置
KR101642676B1 (ko) 내장형 인라인스크류 소수력발전장치
KR20040041680A (ko) 수력발전소의 제너레이터
WO2007086814A1 (fr) Machine électrique pour installations électriques à écoulement de fluide via un tuyau
JP4566583B2 (ja) 発電機一体形水車
JP5809126B2 (ja) マイクロ水力発電機
JP4795144B2 (ja) 水力発電装置
KR101368346B1 (ko) 수력 발전장치
KR20050074360A (ko) 배관에 흐르는 물의 유량과 유속을 보존하는 수력발전장치
KR101772017B1 (ko) 무축 배관형 발전기
JP5696296B1 (ja) 中空羽根車およびそれを用いた発電装置
JP5331525B2 (ja) 水力発電装置
JP6028244B2 (ja) 水車装置、および水力発電装置
AU2013293052A1 (en) An electricity generating device, a fluid pressure reducing device, and a fluid pump
JP2018159275A (ja) 発電装置
KR101264872B1 (ko) 수력 발전용 발전기
JP2017034992A (ja) 水力発電機、及び水中モーター
JP2019002336A (ja) 中空水車及び発電装置
KR20200028260A (ko) 관형 소수력 발전장치

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201480025964.X

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14797416

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: IDP00201508460

Country of ref document: ID

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14797416

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1