WO2019044063A1 - 水力発電装置のダクト及び水力発電装置 - Google Patents

水力発電装置のダクト及び水力発電装置 Download PDF

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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the present invention relates to a duct disposed at the front of a rotor in a hydroelectric generator, and a hydroelectric generator including the duct.
  • the rotor of the water turbine is disposed in a long duct, and the front end of the duct has a large diameter in the form of a trumpet tube, but it passes even if the front end has a large diameter. It does not mean that the amount of water to be
  • the present invention rotates the water flow passing through the inside of the duct by forming a spiral groove on the inner peripheral surface of the duct, thereby accelerating the running water and applying the rotational force of the water to the rotor blade.
  • the present invention takes the following technical measures in order to solve the problems.
  • the specific contents are as follows.
  • the inner diameter of the duct disposed on the front side of the rotor blade of the water turbine is gradually reduced in diameter from the front end to the rear end, and for rotating the passing water flow around the inner wall of the duct.
  • the inner diameter of the duct is gradually reduced from the front to the rear, and a plurality of spiral grooves are formed in the inner wall of the pipe.
  • the flow of water entering the is gradually increased in pressure and passes by rotating in a fixed direction by the spiral groove.
  • the rotating water flow is from the rear end of the inner wall surface of the duct to the front surface of the forward inclined portion of the rotor blade. The rotor's rotational efficiency is enhanced by the rotational force and water pressure of the water flow.
  • the spiral groove is composed of a plurality of circumferentially inclined steps provided on the inner wall of the duct, the water flow swirls along the spiral groove; Pass while rotating efficiently.
  • the spiral groove is composed of a plurality of ridges arranged at regular intervals in the circumferential direction on the inner circumferential surface of the duct, it passes through the duct.
  • the water stream passes while rotating along the plurality of ridges, and strikes the front of the forwardly inclined portion of the rotor blade to efficiently rotate it.
  • the spiral groove is composed of a plurality of concave streaks arranged at regular intervals on the inner circumferential surface of the duct, the water flow passing through the duct is It passes while rotating along a plurality of concave streaks, and strikes the front face of the forward inclined portion of the rotor blade to efficiently rotate it.
  • the outward flange for coupling with the outward flange provided at the front end of the pipe body in which the rotor is disposed is formed on the rear end outer peripheral surface of the duct.
  • the water flow passing in the duct is passed while rotating by the spiral groove formed on the inner circumferential surface of the pipe, and the water pressure and the rotational force are in front of the rotor blades in the pipe connected to the rear. It strikes the front of the directional ramp and efficiently rotates it to increase power generation efficiency.
  • the water flows into the rear pipe while rotating along the spiral groove inside the duct and rotates to the front of the inclined portion of the rotor blade of the rotor installed therein.
  • the rotor blades can be rotated efficiently, and power generation efficiency can be enhanced.
  • FIG. 2 is a side view of a state in which a rotor is disposed at the rear of a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG.
  • FIG. 7 is a front view of another embodiment of the duct of the present invention.
  • FIG. 7 is a front view of yet another embodiment of the duct of the present invention.
  • It is a vertical side view of a hydraulic power unit provided with a duct of the present invention.
  • It is a schematic plan view which shows the relationship between the direction of the spiral of a duct, and a drag type
  • the duct 1 of the hydraulic power generation device is circular in a front view, and the inner diameter of the front end 1A is slightly larger than the inner diameter of the rear end 1B in a side view.
  • the difference between the front and rear diameters is sufficient if the inner wall is inclined about 2 ° with respect to the axis and inclined in the centripetal direction, but a bottleneck is formed at the inner rear edge, and the rear end 1B is widely opened. Flow through the water at high speed.
  • a plurality of axially twisting spiral grooves 2, 2 for rotating around an axis parallel to the passing water flow are provided at regular intervals and with rotation of the rotor blade 7 Are stepped with a step in the direction of accelerating the speed.
  • FIG. 2 showing a cross section taken along the line II-II in FIG. 1 and FIG. 1, a number of spiral grooves 2A inclined so as to become deeper from the direction of the front end 1A to the right in the direction of the rear end 1B The water flow along this spiral groove 2 is left-handed when viewed from the front.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • the spiral groove 2 is formed on the inner wall surface of the duct 1 and the inner diameter of the rear portion 1B is smaller than the inner diameter of the front portion 1A, the passing water flow along the spiral groove 2 is caused by the Coanda effect It travels at high speed along the concavities and convexities of the spiral groove 2, and becomes a rotating water flow and a high pressure.
  • the extension line of the inner wall surface of the duct 1 is adapted to face the front surface of the forward inclined portion 7A of the rotor blade 7. Therefore, the water flow rotating and discharging along the inner wall surface of the duct 1 strikes the front surface of the forward inclined portion 7A which is the centrifugal portion of the rotor blade 7 and rotates the blade 7.
  • the rotor 3 of the water turbine is disposed on the axis line immediately after the rear end 1 ⁇ / b> B of the duct 1 with a slight gap.
  • the rotor shaft 4 of the rotor 3 is supported by a bearing housing 5, and the bearing housing 5 is suspended by a suspension rod 6 suspended in a water frame and suspended from a suspension frame (not shown).
  • a generator (not shown) is connected to the upper end surface of the hanging rod 6.
  • a plurality of rotor blades 7 are fixed to the circumferential surface of the hub 3A fixed to the front end of the rotor shaft 4, and the wing tip thereof is a forward inclined portion 7A.
  • the rear end portion 1B of the inner wall surface of the duct 1 is set to a position facing the front surface of the forward inclined portion 7A of the rotor blade 7, and the water discharged from the rear end portion 1B of the inner wall surface of the duct 1
  • a water flow which strikes the front face of the front edge of the inclined portion 1A in an oblique direction and passes at high speed along the surface of the rotor blade 7 by the Coanda effect rotates the rotor blade 7 efficiently as a counteraction.
  • the flow of water passing through the duct 1 strikes the front surface of the forward inclined portion 7A of the rotor blade 7 while rotating leftward along the spiral groove 2 of the inner circumferential surface,
  • the water pressure and the rotational flow generated by the spiral groove 2 apply a strong rotational force in the rotational direction to the front surface of the forward inclined portion 7A which is the centrifugal portion of the rotor blade 7. Therefore, the rotor blades 7 rotate efficiently, and the power generation efficiency is enhanced.
  • the entire water flow passing through the duct 1 is not rotated in the pipe by the spiral groove 2, but is directed along the spiral groove 2 so that only the outer flow along the inner wall circumferential surface However, the flow direction is changed to hit the front surface of the forward inclined portion 7A of the rotor blade 7.
  • FIG. 4 is a front view of a duct 1 with a helical groove of another form of the invention.
  • the same members as in the previous example are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the width of the groove 2B of each spiral groove 2 may be constant, or the grooves 2B with large and small widths may be alternately formed.
  • FIG. 5 is a front view of the duct showing another shape of the spiral groove.
  • the same members as in the previous example are given the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • each of the ridges 2C may be the same or may be alternately formed with a large and small width. Similar to the spiral groove 2 in FIG. 1, the spiral groove 2 rotates the water flow along the inner circumferential surface of the water flow passing along the inner wall surface of the duct 1.
  • the direction of inclination of the spiral groove 2 is, as shown in FIG. 7, opposite to the rotational direction with respect to the lift type rotor blade 7, that is, the water flow is the front edge 7B of the rotor blade 7 in FIG. From the direction to the front, the Coanda effect increases the rotational efficiency due to the reaction of the fluid passing along the surface of the blade 7. Further, as shown in FIG. 8, the characteristics of the drag-type blade 8 are made use of by making the water flow hit from the diagonally rear direction of the trailing edge 8B.
  • FIG. 6 is a vertical step side view showing another embodiment in which an outward flange 2D is formed on the rear end outer peripheral surface of the duct 1.
  • the rear surface of the outward flange 2D is brought into contact with the front surface of the outward flange 9A formed on the front outer surface of the tube 9 in which the rotor is installed.
  • the rear end portion of the inner peripheral surface of the duct 1 is disposed to face the front surface of the forward inclined portion 7A of the rotor blade 7, whereby the hydroelectric generator 10 is formed.

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Abstract

本発明は、ロータブレードの前部に配設されるダクトの内壁周面に、水流を回転させるためのらせん状の溝を施条した、水力発電装置のダクトを提供することを目的としている。　水車のロータブレードの前部に配設されるダクト１の内径を、前部から後部へかけて次第に小径とするとともに、ダクトの内壁周面に、通過する水流を回転させるための複数条のらせん状の溝２を形成し、かつ内壁面を後端部がロータブレード７の前向傾斜部７Ａの前面と対向させてある。

Description

水力発電装置のダクト及び水力発電装置
　本発明は、水力発電装置におけるロータの前部に配設されるダクトと、そのダクトを備える水力発電装置に関する。
　水車ロータの前部にダクトを配設することは、例えば特許文献１に記載されている。
特開２０１０－１１２１９４号公報
　特許文献１に記載の発明は、長寸のダクト内に、水車のロータを配設したものであり、ダクトの前端をラッパ管状に大径としてあるが、前端が大径であっても、通過する水量が大量になる訳では無い。
　本発明は、ダクトの内壁周面にらせん状の溝を形成することによって、ダクトの内部を通過する水流を回転させて、流水を早くするとともに、水の回転する力を、ロータブレードに当てて、回転効率を高めるようにした水力発電装置のダクトと、そのダクトを備える水力発電装置を提供するものである。
　本発明は、前記課題を解決するために、次のような技術的手段を講じた。具体的な内容は次の通りである。
　（１）水車のロータブレードの前側に配設されているダクトの内径を、前端部から後端部へかけて次第に小径とするとともに、ダクトの内壁周面に、通過する水流を回転させるための、複数条のらせん状の溝を形成し、かつ内壁面の後端部を、ロータブレードの経方向先端に設けた前向傾斜部の前面と対向させてある水力発電装置のダクト。
　（２）前記らせん状の溝の旋条方向は、水流が揚力型ロータブレードの回転方向と逆向きに当たるように形成されている前記（1）に記載の水力発電装置のダクト。
　（３）前記らせん状の溝は、ダクトの内壁に設けた周方向に傾斜する複数の段差からなっている前記（1）または（2）に記載の水力発電装置のダクト。
　（４）前記らせん状の溝は、ダクトの内周面に周方向に定間隔をもって配設されている複数の凸条からなっている前記（1）または（2）に記載の水力発電装置のダクト。
　（５）前記らせん状の溝は、ダクトの内周面に、周方向に一定間隔で配設されている複数の凹条から成っている前記（1）または（2）に記載の水力発電装置のダクト。
　（６）前記ダクトの後端外周面に、内部にロータを配した管体の前端に設けた外向フランジと結合するための外向フランジを形成してある前記（1）～（5）のいずれかに記載の水力発電装置のダクト。
　（７）前記６に記載のダクトの後端部に形成された外向きフランジと、内部に発電機のロータを備える管体の前部の外周面に形成されている外向フランジとを結合させて一体化させ、かつダクトの内周面の後端部を、ロータブレードの傾斜部の前面と対向させてなる水力発電装置。
　本発明によると、次のような効果が奏せられる。
　前記（１）に記載の発明においては、ダクトの内径を、前部から後部へかけて次第に小径とするとともに、管内壁面に複数条のらせん状の溝を形成しているので、水路においてダクト内に入る水流は、次第に圧力が高まり、かつらせん状の溝によって、一定方向に回転しながら通過する。
　またダクトの後端部が、ロータブレードの前向き傾斜部の前面と対向するようになっているので、回転する水流が、ダクトの内壁面の後端部から、ロータブレードの前向傾斜部の前面に当たると、その水流の回転力と水圧によって、ロータブレードの回転効率は高められる。
　前記（２）に記載の発明においては、ダクト内のらせん状の溝の旋条の方向は、揚力型ロータブレードの逆回転方向に従っているので、ダクトを通過する水流は、らせん状の溝に沿って回転しながら吐出し、その回転力を、ロータブレードにおける前向傾斜部の前縁の前面に伝えるので、水の流速とらせん状の溝による回転力とによって、ロータは効率よく回転する。
　前記（３）に記載の発明においては、らせん状の溝は、ダクトの内壁に設けた周方向に傾斜する複数の段差からなっているので、水流は、らせん状の溝に沿って旋回し、効率の良い回転をしながら通過する。
　前記（４）に記載の発明においては、らせん状の溝は、ダクトの内周面に周方向に定間隔をもって配設されている複数の凸条からなっているので、ダクトの中を通過する水流は、複数の凸条に沿って回転しながら通過し、ロータブレードの前向傾斜部の前面に当り、これを効率良く回転させる。
　前記（５）に記載の発明においては、らせん状の溝は、ダクトの内周面に一定間隔で配設されている複数の凹条からなっているので、ダクトの中を通過する水流は、複数の凹条に沿って回転しながら通過し、ロータブレードの前向傾斜部の前面に当り、これを効率よく回転させる。
　前記（６）に記載の発明においては、内部にロータを配設した管体の前端に設けた外向フランジと結合するための外向フランジが、ダクトの後端外周面に形成されているので、両方を結合すると、ダクト内を通過する水流が、管内周面に形成されたらせん状の溝によって回転しながら通過し、水圧と回転力とが、後部に結合されている管体内のロータブレードの前向傾斜部の前面に当り、これを効率よく回転させ、発電効率を高める。
　前記（７）に記載の発明においては、ダクトの内部をらせん状の溝に沿って回転しながら後部の管体に入り、内設されているロータのロータブレードにおける傾斜部の前面に回転する水流があたるので、効率良くロータブレードを回転させることができ、発電効率が高められる。
本発明のダクトの一実施形態を示す正面図である。 図１におけるII－II線断面図の後方に、ロータを配設した状態の側面図である。 図２におけるIII－III線断面図である。 本発明のダクトの別の実施形態を示す正面図である。 本発明のダクトの更に別の実施形態を示す正面図である。 本発明のダクトを備える水力発電装置の縦断側面図である。 ダクトの旋条の向きと揚力型ロータブレードの関係を示す概略平面図である。 ダクトの旋条の向きと抗力型ロータブレードの関係を示す概略平面図である。
　本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
　図１において、水力発電装置のダクト１は、正面視においては、円形をなし、側面視においては、前端部１Ａの内径が、後端部１Ｂの内径よりもやや大きくなっている。
　この前後の直径の差は、軸心線に対して内壁面が２°程度、求心方向へ傾斜する程度で十分であるが、内部後縁において隘路が形成されて、後端部１Ｂは大きく開いていて水流を高速で通過させる。
　ダクト１の内周面には、通過水流と平行をなす軸線まわりに回転させるための、複数の軸線方向に捩回するらせん状の溝２、２が、一定間隔に、かつロータブレード７の回転を増速させる方向へ向けて、段差を付けて施条されている。
　図１及び図１におけるII－II線断面を示す図２においては、前端部１Ａ方向から後端部１Ｂ方向の右方向へ向かって深くなるように傾斜する多数の螺旋溝２Ａが、帯状に形成されており、このらせん状の溝２に沿う水流は前方から見て左廻りとなる。図３は図２におけるIII－III線断面図で、内径が小となっているので落差があると水圧が高まり高速となる。
　ダクト１の内壁面にらせん状の溝２を形成してあり、かつ、後部１Ｂの内径が前部１Ａの内径よりも小であるため、らせん状の溝２に沿う通過水流は、コアンダ効果によってらせん状の溝２の凹凸に沿って高速となって進み、回転水流となるとともに、高圧となる。
　ダクト１の内壁面の延長線は、ロータブレード７の前向傾斜部７Ａの前面と対面するようになっている。そのため、ダクト１の内壁面に沿って回転しつつ排出される水流は、ロータブレード７の遠心部分である前向傾斜部７Ａの前面に当たり、ブレード７を回転させる。
　図２に示すように、ダクト１の後端１Ｂの直後の軸線上には、若干の間隔を設けて、水車のロータ３が配設されている。ロータ３のロータ軸４は、軸受筐体５に支持されており、軸受筐体５は、水路に架設されている、図示しない吊枠体に垂設された吊杆６によって吊設される。吊杆６の上端面には、図示しない発電機が連結されている。
　ロータ軸４の前端部に固定されているハブ３Ａの周面に、複数のロータブレード７が固定されており、その翼端は、前向傾斜部７Ａとされている。
　ダクト１の内壁面の後端部１Ｂは、ロータブレード７の前向傾斜部７Ａの前面に対面する位置に設定されて、ダクト１の内壁面の後端部１Ｂから吐出する水流は、前向傾斜部１Ａの前縁の前面に斜め方向から当り、ロータブレード７の表面に沿ってコアンダ効果により高速で通過する水流は、反作用としてロータブレード７を効率良く回転させるようになっている。
　図２に示すように、ダクト１内を通過する水流は、内周面のらせん状の溝２に沿って左廻りの回転をしながら、ロータブレード７の前向傾斜部７Ａの前面に当り、その水圧とらせん状の溝２によって生起された回転流は、ロータブレード７の遠心部となる前向傾斜部７Ａの前面に、回転方向への強い回転力を与える。そのためロータブレード７は効率良く回転し、発電効率は高められる。
　すなわち、ダクト１内を通過する水流の全体が、らせん状の溝２によって管内で回転させられるのではなく、らせん状の溝２に沿って向きが変えられて、内壁周面に沿う外側流のみが、流れの向きが変えられて、ロータブレード７の前向傾斜部７Ａの前面に当ることとなる。
　図４は、本発明の別の形状のらせん状の溝を備えるダクト１の正面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。
　ダクト１の内周面に、正面視左廻り状に傾斜する凹条２Ｂからなるらせん状の溝２が形成されている。
　各らせん状の溝２の凹条２Ｂの幅は一定でもよく、または大小の幅の凹条２Ｂを交互に形成してもよい。このらせん状の溝２により、図１のらせん状の溝２と同じく、管内を通過する水流の、らせん状の溝２に沿う部分は、コアンダ効果によって回転させられることとなる。
　図５は、らせん状の溝の別の形状を示すダクトの正面図である。前例と同じ部材には、同じ符号を付して説明を省略する。
　ダクト１の内周面において、正面視で左廻り状に傾斜する放射状の凸条２Ｃからなるらせん状の溝２が形成されている。
　各凸条２Ｃの幅は同じでもよいし、大小の幅のものを交互に形成してもよい。このらせん状の溝２により、図１のらせん状の溝２と同様に、ダクト１の内壁面に沿って通過する水流の、内周面に沿う部分の水流は回転させられることとなる。
　なお、らせん状の溝２の傾斜の方向は、図７に示すように揚力型ロータブレード７に対しては、その回転方向の逆向きとして、すなわち水流が図７におけるロータブレード７の前縁７Ｂ方向から前面に当たるようにすると、コアンダ効果によってブレード７の表面に沿って通過する流体の反作用によって、回転効率が高まる。
　また抗力型ブレード８に対しては、図８に示すように、後縁８Ｂの斜後方向から水流が当たるようにすることにより、抗力型ブレードの特徴が活かされる。
　図６は、ダクト１の後端外周面に、外向フランジ２Ｄを形成した別の実施態様を示す縦段側面図である。外向フランジ２Ｄの後面には、前記ロータを内設した管体９の前部外示有面に形成された外向フランジ９Ａの前面と当接させて結合させる。この場合ダクト１の内周面の後端部は、ロータブレード７の前向傾斜部７Ａの前面に対向するように配設され、これによって水力発電装置１０が形成される。
　ダクト１の内周面に、軸線方向を向く複数のらせん状の溝２が形成されているので、この内部を通過する水流は、らせん状の溝２に沿って回転しながら通過し、この水流の水圧と回転力がロータブレード７に当たると、ロータは効率良く回転をするので、水力発電装置に効果的に利用することができる。
１．ダクト
１Ａ．前端部
１Ｂ．後端部
２．らせん状の溝
２Ａ．螺旋溝
２Ｂ．凹条
２Ｃ．凸条
２Ｄ．外向フランジ
３．ロータ
３Ａ．ハブ
４．ロータ軸
５．軸受筐体
６．吊杆
７．揚力型ロータブレード
７Ａ．前向傾斜部
７Ｂ．前縁
７Ｃ．後縁
８．抗力型ロータブレード
８Ａ．前縁
８Ｂ．後縁
９．管体
９Ａ．外向フランジ
１０．水力発電装置

Claims (7)

  1. 　水車のロータブレードの前側に配設されるダクトの内径を、前端部から後端部へかけて次第に小径とするとともに、ダクトの内壁周面に、通過する水流を回転させるための、複数条のらせん状の溝を形成し、かつ内壁面の後端部をロータブレードの経方向先端に設けた前向傾斜部の前面と対向させるようにされてなることを特徴とする水力発電装置のダクト。
  2. 　前記らせん状の溝の旋条方向は、旋条に沿う水流が揚力型ロータブレードの斜前方向から当たるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の水力発電装置のダクト。
  3. 　前記らせん状の溝は、ダクトの内壁に設けた周方向に傾斜する複数の段差面からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置のダクト。
  4. 　前記らせん状の溝は、ダクトの内周面に周方向に一定間隔をもって配設される複数の凸条からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置のダクト。
  5. 　前記らせん状の溝は、ダクトの内周面の周方向に、一定間隔で配設されている複数の凹条からなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の水力発電装置のダクト。
  6. 　前記ダクトの後端外周面に、内部にロータを配した管体の前端に設けた外向フランジと結合するための外向フランジを形成してあることを特徴とする請求項１～５のいずれかに記載の水力発電装置のダクト。
  7. 　前記請求項６に記載のダクトの後端部に形成された外向きフランジと、内部に発電機のロータを備える管体の前部の外周面に形成されている外向フランジとを結合させて一体化させ、かつダクトの内周面の後端部を、ロータブレードの傾斜部の前面と対向させてあることを特徴とする水力発電装置。
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