WO2019092983A1 - 垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニット、垂直軸型水力発電用ブレード - Google Patents

垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニット、垂直軸型水力発電用ブレード Download PDF

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vertical axis
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vertical
hydroelectric power
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智士 平田
勇樹 林
智幸 会田
関　和市
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Thk株式会社
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    • 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
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • 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 vertical axis hydroelectric generator, a vertical axis hydraulic power unit, and a blade for vertical axis hydroelectric power generation.
  • the dust flowing in the waterway is accumulated on the water wheel due to the characteristics of the water wheel, so a dust removal device and a large maintenance cost are also required. That is, in the conventional hydroelectric power generation apparatus, there are factors that hinder the spread from the viewpoint of economic rationality, such as requiring a large initial cost and a maintenance cost.
  • the vertical shaft type hydroelectric power generator includes a generator for generating electric power by receiving a rotational driving force from a water flow, a vertical rotation shaft which is rotatably connected to the generator and vertically suspended. And a plurality of blades disposed at substantially equal angular intervals along a circumferential direction around a vertical rotation axis, wherein the plurality of blades are disposed in a direction perpendicular to the water flow Therefore, it has the merit that the dust removal apparatus required in the prior art and the large maintenance cost become unnecessary.
  • the airfoil shape conventionally used for wind power generation has a sharp edge shape with a pointed trailing edge of the airfoil shape in order to obtain high output, but such a rear edge consisting of such a sharp edge shape
  • a blade-shaped blade having an edge is used for hydroelectric power generation
  • the strength of the trailing edge portion is insufficient to cause breakage, and the output efficiency may be reduced.
  • the blade performance is changed if it is attempted to obtain a strength that can withstand the load from the water flow by simply changing the shape of the trailing edge portion of the airfoil shape by thickening. In this case, the output efficiency may be reduced.
  • the present invention has been made in view of the problems existing in the above-described prior art, and the object thereof is to receive a large load from water flow by optimizing the shape of an airfoil that constitutes a blade.
  • a vertical axis type that can be used for hydroelectric power generation with high efficiency and stability, by creating an airfoil shape that maintains high performance while achieving high output while eliminating strength deficiency at the trailing edge, even when used for hydroelectric power generation
  • a vertical axis type hydroelectric generator comprises a generator for generating electric power by receiving a rotational driving force from a water flow, and a vertical rotation installed vertically suspended from the generator while being rotatably connected to the generator. And a plurality of blades disposed at substantially equal angular intervals along the circumferential direction around the vertical rotation axis, the plurality of blades being formed extending in the vertical direction and having a cross section
  • a vertical axis type hydroelectric power device formed as a straight wing having a wing shape, wherein the trailing edge of the wing shape is formed in an arc shape having a curvature.
  • the vertical axis type hydroelectric power generation unit has the above-mentioned vertical axis type hydroelectric power generating apparatus, the support body which supports at the time of fixed installation of the said vertical axis type hydraulic power generating apparatus, and the bridge part connected to the said support body.
  • the vertical axis type hydroelectric power generation unit can be realized in which the bridge portion is fixedly installed to a base portion provided at an installation location.
  • the vertical shaft type hydroelectric power generation blade is rotatably connected to a generator that generates electric power by receiving a rotational driving force from a water flow, and the generator, and is vertically suspended. And a plurality of blades disposed at substantially equal angular intervals along the circumferential direction around the vertical rotation axis, the plurality of blades being formed extending in the vertical direction And a blade for vertical shaft type hydroelectric power generation used for a vertical shaft type hydroelectric power unit formed as a straight blade whose cross-sectional shape is a blade shape, and an arc shape having a trailing edge of the blade shape having a curvature. It is characterized by being formed by
  • New vertical axis hydroelectric generator, vertical axis hydroelectric unit, and blades for vertical axis hydroelectric power generation that creates an airfoil shape that maintains the performance of the wing that can obtain power output and that can be used for hydropower generation with high efficiency and stability Can be provided.
  • FIG. 1 is an external perspective view showing the entire configuration of a vertical axis type hydroelectric power generation unit according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a figure which illustrates the wing shape shape conventionally used by wind power generation etc.
  • FIG. 3 is a view showing an airfoil shape that constitutes a cross-sectional shape of a blade that can be effectively applied to the vertical axis hydroelectric power generation device according to the present embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the design concept of the airfoil shape according to the present embodiment shown in FIG. 3, and a section (a) in the diagram is the entire cross section of the airfoil shape according to the present embodiment.
  • the figure shows the shape, and the sectional view (b) shows an enlarged cross section of the main part in which a portion surrounded by a two-dot chain line shown by a symbol ⁇ in the sectional view (a) is enlarged.
  • FIG. 1 is an external appearance perspective view which shows the whole structure of the vertical axis
  • the vertical axis type hydroelectric generator 10 is a device that generates electric power by rotating the water wheel 11 constituted by the blades 13 by a water flow and transmitting the rotational movement to the generator 50.
  • the vertical axis type hydroelectric generator 10 As a specific configuration, as shown in FIG. 1, in the vertical axis type hydroelectric generator 10 according to this embodiment, the water wheel 11 rotated by the water flow, the vertical rotation shaft 20 on which the water wheel 11 is installed, and the vertical It has a bearing support portion 30 provided with a bearing that rotatably supports the rotating shaft 20, and a generator 50 that generates electric power by the rotational driving force of the vertical rotating shaft 20.
  • vertical axis type hydroelectric equipment 10 concerning this embodiment is installed, for example in a canal.
  • a support 60 for supporting the water wheel 11 and the vertical rotation shaft 20 as rotating members and for fixing and installing the vertical shaft type hydraulic power generation device 10 is the vertical rotation shaft 20 or It is installed so as to surround the bearing support portion 30, and to this support body 60, a bridge portion 61 which is bridged over an irrigation channel or the like is connected.
  • the support 60 and the bridge portion 61 are fixedly installed, for example, to the base portions 62 provided on both sides of the canal, whereby the installation of the vertical axis type hydroelectric power generation unit 100 according to the present embodiment is performed. There is.
  • the water wheel 11 illustrated in FIG. 1 is one in which a plurality of blades 13 constituting the water wheel are disposed at substantially equal angular intervals along the circumferential direction around the vertical rotation axis 20, and in FIG. The case where the blade 13 is installed is illustrated.
  • Each of the three blades 13 is configured to have an external shape that is substantially U-shaped, and is installed such that the substantially U-shaped open portion faces the vertical rotation axis 20.
  • a substantially U-shaped longitudinal rod portion is formed extending in the vertical direction, and its cross-sectional shape is formed as a straight wing having a wing shape.
  • a vertically extending substantially U-shaped vertical rod portion formed as a straight wing in this manner functions as a blade portion of the water wheel 11. That is, as shown in FIG.
  • three blades 13 are disposed in the water to receive a force (water thrust force) from a water flow, thereby forming a straight line having a wing shape.
  • a blade 12 as a wing receives a water flow to generate lift, and rotates about a center (vertical rotation axis 20) of the water wheel 11 as a central axis.
  • the vertical rotation shaft 20 is a member in which the three blades 13 are installed on the lower end side and receives rotational force generated by the action of the blades 13 to perform rotational movement.
  • the vertical rotation shaft 20 and the three blades 13 are securely fastened and fixed by known fastening means such as, for example, bolts and nuts.
  • the vertical rotation shaft 20 is rotatably supported by a bearing provided on the bearing support portion 30.
  • the rotation of the vertical rotation shaft 20 is supported by the bearing support portion 30 and transmitted to the generator 50, which causes the generator 50 to generate electric power.
  • the generator 50 which concerns on this embodiment is installed so that the input shaft (not shown) with which the generator 50 is equipped may become coaxial with the vertical rotating shaft 20.
  • the input shaft (not shown) of the generator 50 is disposed coaxially with the vertical rotation shaft 20. It does not have to be done. Then, the generated electric power is transmitted to the power consumption place, the storage means, etc. by the power transmission means (not shown).
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an airfoil shape conventionally used in wind power generation and the like.
  • the airfoil shape in the figure (a) in Fig. 2 is defined by the NACA (National Advisory Committee for Aeronautics), the predecessor of NASA (National Aeronautics and Space Administration).
  • the wing shape of NACA 0018 is shown, and the wing shape of the part (b) of Fig. 2 shows the wing shape of" TWT 12013-05-BA642 "developed by Tokai University.
  • These conventional wing shapes can exhibit efficient lift characteristics in wind power generation.
  • FIG. 3 is a view showing a wing shape X which constitutes the cross-sectional shape of the blade 13 which can be effectively applied to the vertical shaft type hydraulic power generation device 10 according to the present embodiment.
  • the airfoil shape X constituting the cross-sectional shape of the blade 13 according to the present embodiment is formed by an arc shape 13 a in which the trailing edge of the airfoil shape X has a curvature.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the design concept of the airfoil shape according to the present embodiment shown in FIG. 3, and a part (a) in the diagram is the airfoil shape according to the present embodiment.
  • the whole cross-sectional shape is shown, and the figure (b) shows the principal part expanded cross section which expanded the location enclosed with the dashed-two dotted line shown with code
  • FIG. 4 a portion indicated by a broken line shows a conventional airfoil shape Y having a sharp edge shape in which an end portion of a trailing edge Ya is sharp, and a portion indicated by a solid line is an airfoil shape X according to the present embodiment. Is shown.
  • the inventors of the present invention are in the vicinity of the trailing edge portion of the conventional airfoil shape Y. The shape is not changed except for the portion, and the shape is changed only in the vicinity of the trailing edge Ya portion of the conventional airfoil shape Y as shown in the figure (b).
  • the airfoil shape X according to the present embodiment is a reference airfoil shape Y having a shape in which the trailing edge Ya is pointed (ie, prior art And assuming the “TWT 12013-05-BA 642” airfoil developed by Tokai University, the trailing edge of the reference airfoil shape Y with a pointed arc shape 13a with a curvature
  • a connecting line segment (upper connecting line segment 13b and lower connecting line segment) which is disposed in contact with Ya and connects the arc end of the circular arc shape 13a and the curves Yb and Yc forming the front of the rear edge of the reference wing shape Y 13c) was arranged.
  • the trailing edge of the airfoil shape X according to this embodiment is constituted by the arc shape 13a having a constant curvature R, and the chord length of the airfoil shape is C, R ⁇ 1.5% C
  • the design condition of the arc shape 13a is a design condition obtained based on the result of intensive research conducted by the inventors, and the strength of the trailing edge Ya is insufficient when used for hydropower generation by verification experiments by the inventors.
  • the airfoil shape X maintains the wing performance that can obtain high output while eliminating the That is, when the curvature R of the trailing edge becomes larger than 1.5% C, vortices are generated in the water flow flowing on the surface of the airfoil shape X, the water blocking area behind the airfoil shape X is expanded, etc. Due to reasons, wing performance is reduced.
  • connecting line segment including the upper connecting line segment 13b and the lower connecting line segment 13c
  • a curve Yb that forms the front of the rear edge Ya of the reference airfoil shape Y on the opposite rear edge side that is the front side of the connecting line segment.
  • Each of them is configured to be tangentially connected to Yc.
  • the rear side of the connecting line segment consisting of the upper connecting line segment 13b and the lower connecting line segment 13c is tangentially connected to the arc end of the arc shape 13a.
  • the wing shape X is to lighten the region surrounded by the arc shape 13a, the upper connecting line segment 13b and the lower connecting line segment 13c with respect to the reference wing shape Y according to the prior art.
  • the arc shape 13a and the upper connecting line segment 13b and the lower connecting line segment 13c, the curve Yb and the upper connecting line segment 13b, and the curved line Yc and the lower connecting line segment 13c are tangent to each other. Because of the connected shape, it is possible to satisfy the design output characteristics required for the blade 13 without disturbing the water flow flowing near the trailing edge of the airfoil shape X.
  • a curve Yb forming the front edge of the trailing edge Ya of the reference airfoil shape Y as shown in FIG. 4 (b).
  • Yc where the tangent connection point is point A, and the connection point tangent to the arc end of the arc shape 13a is point B, a line combining curves having a continuous change of curvature from point A to point B While being configured as a minute, the continuous curvature change is configured to be a large curvature toward a small curvature from point A to point B.
  • a blade 13 adopting the airfoil shape X according to the present embodiment created based on the design concept described above is created, and installed in the above-described vertical axis type hydroelectric generator 10 to carry out a demonstration experiment to perform actual power generation
  • the airfoil shape X according to the present embodiment, even when used for hydroelectric power generation that receives a large load from water, a blade that can obtain high output while eliminating lack of strength at the trailing edge Since the performance can be maintained, it is possible to provide a vertical axis type hydroelectric generator 10, a vertical axis type hydroelectric power unit 100 and a blade 13 for vertical axis type hydroelectric power generation which can be used for hydropower generation with high efficiency and stability. It has become.
  • the airfoil shape X which concerns on this embodiment was created based on the design thought mentioned above, the airfoil used for the demonstration experiment installed and carried out to the above-mentioned vertical axis type hydraulic power unit 10 was carried out.
  • the wing shape is obtained for the circular arc shape 13a according to the present embodiment having a constant curvature R from the relation of manufacturing errors which are inevitable in manufacturing.
  • C be the chord length of 0.5% C ⁇ R ⁇ 1.5% C
  • the shape condition of the arc shape 13a according to the present embodiment may be any condition that satisfies the condition range of the above inequality.
  • This is an experimental result suitable for mass production of the blade 13 having the airfoil shape X according to the present embodiment, and the present invention is practical because there are few restrictions in manufacturing the arc shape 13a. It shows that it can be effectively used in industry.
  • the wing shape “TWT 12013-05-BA642” developed by Tokai University according to the present invention is designed and manufactured as the reference wing shape Y is illustrated and described.
  • the scope of application of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and any known airfoil can be designed as a reference airfoil shape.
  • the arc shape applicable to the present invention has the constant curvature R
  • the shape is not limited to that, and includes, for example, an arc shape having a curved shape such as an oval or an oval. According to the inventors of the present invention, it is confirmed that the same effects as those of the above-described embodiment can be obtained even in the case of an airfoil shape having a trailing edge adopting a circular arc shape composed of a curved shape such as oval or oval. It is done.

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Abstract

垂直軸型水力発電装置１０は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機５０と、発電機５０に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸２０と、垂直回転軸２０の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレード１３と、を備え、複数のブレード１３が、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状Ｘからなる直線翼として形成される発電装置であり、翼型形状Ｘの後縁が曲率を持った円弧形状１３ａで形成されている。このように、ブレードを構成する翼型形状の最適化を図ることで、水流から大きな荷重を受けることとなる水力発電に用いる場合であっても、後縁の強度不足を解消しつつ高出力が得られる翼性能を維持した翼型形状を得ることができる。

Description

垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニット、垂直軸型水力発電用ブレード
　本発明は、垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニットおよび垂直軸型水力発電用ブレードに関するものである。
　従来から、水車が備えるブレードを水流によって回転運動させ、この回転運動を発電機に伝達することで電力を発生させる水力発電装置が知られている。従来の小型の水力発電装置には、水路を堰き止めて発電する「落差式」や、水流の抗力で発電する「サボニウス型」の水車が多く用いられてきた（例えば、下記特許文献１参照）。しかし、これらの水車を既存の水路に設置しようとする場合には、水路から水が溢れ出ないようにするための大掛かりな水路改造工事等が必要となるため、水力発電装置の設置場所には多くの制約が存在していた。また、水車の特性上、水路を流れるゴミが水車に堆積してしまうため、除塵装置と多額のメンテナンス費用も必要となる。つまり、従来の水力発電装置には、多大な初期コストと維持コストが必要となるなど、経済合理性の観点からその普及を阻害する要因が存在していた。
　上述した従来の水力発電装置に存在する課題を解決する手法として、近年、揚力特性を利用した垂直軸型水力発電装置の実現が検討されている。この垂直軸型水力発電装置は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、この垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、を備える装置であって、複数のブレードが水流に対して垂直方向に配置された形式を有することから、従来技術で必要であった除塵装置や多額のメンテナンス費用が不要となるメリットを備えるものである。
特開２００３－１０６２４７号公報
　しかしながら、垂直軸型水力発電装置が想定する垂直方向に配置される従来のブレードは、風力発電には多く用いられているが、水力発電装置への普及は進んでいないのが現状である。なぜなら、風車に利用される風（空気）とは異なり、水車に利用される水流（水）は、空気の約８００倍の密度を持つため、ブレードに定常的に加わる水流からの荷重が非常に大きくなるという課題が存在しており、発明者らの実証研究によっても、従来から風力発電に用いられている翼型形状から成るブレードを単に水力発電に利用すると、ブレードの破損が発生してしまうことが確認されている。
　特に、従来から風力発電に用いられている翼型形状は、高出力を得るために翼型形状の後縁が尖ったシャープエッジ形状を有するものであるが、このようなシャープエッジ形状から成る後縁を有する翼型形状のブレードを水力発電に用いると、後縁部分の強度が不足して破損が生じ、かえって出力効率を落としてしまう虞が存在していた。一方、水力発電に対応するために翼型形状の後縁部分の形状を単に肉厚化するなどして変更し、水流からの荷重に耐え得る強度を得ようとすると、翼性能が変化してしまい、この場合もかえって出力効率を落としてしまう可能性があった。
　本発明は、上述した従来技術に存在する課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、ブレードを構成する翼型形状の最適化を図ることで、水流から大きな荷重を受けることとなる水力発電に用いる場合であっても、後縁の強度不足を解消しつつ高出力が得られる翼性能を維持した翼型形状を創出し、高効率で安定して水力発電に利用できる垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニットおよび垂直軸型水力発電用ブレードを提供することにある。
　本発明に係る垂直軸型水力発電装置は、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、前記発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、前記垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、を備え、前記複数のブレードが、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成される垂直軸型水力発電装置であって、前記翼型形状の後縁が曲率を持った円弧形状で形成されることを特徴とするものである。
　また、本発明では、上記の垂直軸型水力発電装置と、前記垂直軸型水力発電装置の固定設置の際に支持を行う支持体と、前記支持体に接続されるブリッジ部と、を有し、前記ブリッジ部が、設置箇所に設けられた基礎部に対して固定設置されることで取り付けが行われることを特徴とする垂直軸型水力発電ユニットを実現することができる。
　さらに、本発明に係る垂直軸型水力発電用ブレードは、水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、前記発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、前記垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、を備え、前記複数のブレードが、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成される垂直軸型水力発電装置に用いられる垂直軸型水力発電用ブレードであって、前記翼型形状の後縁が曲率を持った円弧形状で形成されることを特徴とするものである。
　本発明によれば、ブレードを構成する翼型形状の最適化を図ることで、水流から大きな荷重を受けることとなる水力発電に用いる場合であっても、後縁の強度不足を解消しつつ高出力が得られる翼性能を維持した翼型形状を創出し、高効率で安定して水力発電に利用できる新たな垂直軸型水力発電装置、垂直軸型水力発電ユニットおよび垂直軸型水力発電用ブレードを提供することができる。
図１は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニットの全体構成を示す外観斜視図である。 図２は、従来から風力発電等で用いられていた翼型形状を例示する図である。 図３は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置に対して有効に適用可能なブレードの横断面形状を構成する翼型形状を示す図である。 図４は、図３で示した本実施形態に係る翼型形状の設計思想について説明するための図であり、図中の分図（ａ）が本実施形態に係る翼型形状の全体の断面形状を示し、分図（ｂ）が分図（ａ）における符号αで示す二点鎖線で囲まれた箇所を拡大した要部拡大断面を示している。
　以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
　まず、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００の全体構成例について説明を行う。ここで、図１は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニットの全体構成を示す外観斜視図である。
　本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は、ブレード１３によって構成される水車１１を水流によって回転運動させ、当該回転運動を発電機５０に伝達することで電力を発生させる装置である。具体的な構成としては、図１にて示すように、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は、水流により回転する水車１１と、水車１１が設置される垂直回転軸２０と、垂直回転軸２０を回転可能に支持する軸受を備える軸受サポート部３０と、垂直回転軸２０の回転駆動力により電力を発生する発電機５０と、を有して構成される。そして、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０は、例えば用水路に設置される。
　また、垂直軸型水力発電ユニット１００としては、回転部材である水車１１や垂直回転軸２０を支持し、垂直軸型水力発電装置１０の固定設置を行うための支持体６０が垂直回転軸２０や軸受サポート部３０を取り囲むように設置されており、この支持体６０には、用水路等に架け渡されるブリッジ部６１が接続されている。支持体６０とブリッジ部６１とが、例えば用水路の両岸に設けられた基礎部６２に対して固定設置されることで、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００の設置が行われている。
　図１で例示する水車１１は、当該水車を構成する複数のブレード１３が垂直回転軸２０の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設されたものであり、図１では３枚のブレード１３が設置された場合が例示されている。これら３枚のブレード１３は、それぞれが略コ字形からなる外観形状を有して構成されており、略コ字形の開放部が垂直回転軸２０に対して向くように設置されている。また、略コ字形の縦棒部が鉛直方向に延びて形成されるとともに、その横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成されている。このように直線翼として形成される鉛直方向に延びた略コ字形の縦棒部が、水車１１の羽根部として機能する。すなわち、本実施形態に係る水車１１は、図１に示すように、３枚のブレード１３が水中に配置されて水流からの力（水のスラスト力）を受けることで、翼型形状からなる直線翼としてのブレード１２が水流を受けて揚力を発生し、水車１１の中心（垂直回転軸２０）を中心軸として回転するようになっている。
　垂直回転軸２０は、上述したように、その下端側に３枚のブレード１３が設置され、ブレード１３の作用によって発生する回転力を受けることで、回転運動する部材である。垂直回転軸２０と３枚のブレード１３とは、例えばボルトおよびナット等のような公知の締結手段によって、確実に締結固定がなされている。そして、垂直回転軸２０は、軸受サポート部３０に備えられる軸受により回転可能に支持される。
　垂直回転軸２０の回転は、軸受サポート部３０によって支持され、発電機５０に伝達され、発電機５０が電力を発生させることとなる。なお、本実施形態に係る発電機５０は、発電機５０の備える不図示の入力軸が、垂直回転軸２０と同軸となるように設置されている。ただし、発電機５０と垂直回転軸２０とが遊星歯車や減速器を使用して接続される形態の場合には、発電機５０の備える不図示の入力軸は、垂直回転軸２０と同軸で配置されていなくとも良い。そして、発電された電力は、不図示の送電手段によって、電力消費地や蓄電手段等へと送電される。
　以上、本実施形態に係る垂直軸型水力発電ユニット１００の全体構成例についての説明を行った。次に、上述した垂直軸型水力発電ユニット１００に基づき、発明者らが新たに創案した翼型形状について説明する。なお、以下で説明する発明者らによる創案発明の内容は、十分な出力特性を確保しながらも、ブレード１３に定常的に加わる水流からの非常に大きな荷重に耐えることができる、従来にはない垂直軸型水力発電装置１０および垂直軸型水力発電ユニット１００を得るために、発明者らが初めて着想して検討し、得られた成果である。
　まず、図２は、従来から風力発電等で用いられていた翼型形状を例示する図である。図２中の分図（ａ）の翼型形状は、ＮＡＳＡ（アメリカ航空宇宙局：National Aeronautics and Space Administration）の前身であるＮＡＣＡ（アメリカ航空諮問委員会：National Advisory Committee for Aeronautics）が定義した「ＮＡＣＡ００１８」なる翼型を示しており、図２中の分図（ｂ）の翼型形状は、東海大学で開発された「ＴＷＴ１２０１３－０５－ＢＡ６４２」なる翼型を示している。これら従来の翼型形状は、風力発電においては効率よい揚力特性を発揮し得るものである。そして、これら図２で示す従来の翼型形状は、いずれも後縁端部が尖ったシャープエッジ形状を有するものであるが、このようなシャープエッジ形状を採用している理由は、騒音の低減と高い揚抗比を確保するためである。また、風力発電における従来からの知見として、翼型形状の強度を上げるために安易に後縁の厚みを増やしてしまうと、大幅に出力が落ちてしまうことが経験的に知られていた。そこで、この種の技術分野では、図２で示すような後縁端部が尖ったシャープエッジ形状を有する翼型形状を用いることが一般的であった。
　しかしながら、本発明者らが行った実証実験等の研究によって、図２で示すような後縁端部が尖ったシャープエッジ形状を有する翼型形状を水力発電に用いた場合には、シャープエッジ形状からなる翼型形状の後縁部分が破損してしまうことが確認された。このような知見に基づき、発明者らは、水力発電においても有効に用いることのできる新たな翼型形状の開発を行うこととし、水流から大きな荷重を受けることとなる水力発電に用いる場合であっても、後縁の強度不足を解消しつつ高出力が得られる翼性能を維持した翼型形状を創出し、具体的に実現するに至った。本発明者らが完成させた新たな翼型形状を図３に示す。ここで、図３は、本実施形態に係る垂直軸型水力発電装置１０に対して有効に適用可能なブレード１３の横断面形状を構成する翼型形状Ｘを示す図である。
　図３で示すように、本実施形態に係るブレード１３の横断面形状を構成する翼型形状Ｘは、当該翼型形状Ｘの後縁が曲率を持った円弧形状１３ａで形成されている。このような翼型形状Ｘを横断面形状とする直線翼から成るブレード１３を複数用意し、そのような複数のブレード１３によって構成される水車１１によって垂直軸型水力発電装置１０を構成することで、ブレード１３が破損することなく、また、従来の翼型形状と比べて出力特性を落とすことのない水力発電装置が得られることが、発明者らの検証実験によって確認されている。
　そこで次に、図４を用いて、図３で示した本実施形態に係る翼型形状Ｘの設計思想についての説明を行う。ここで、図４は、図３で示した本実施形態に係る翼型形状の設計思想について説明するための図であり、図中の分図（ａ）が本実施形態に係る翼型形状の全体の断面形状を示し、分図（ｂ）が分図（ａ）における符号αで示す二点鎖線で囲まれた箇所を拡大した要部拡大断面を示している。
　図４において、破線で示す箇所が、後縁Ｙａの端部が尖ったシャープエッジ形状を有する従来の翼型形状Ｙを示しており、実線で示す箇所が、本実施形態に係る翼型形状Ｘを示している。図４における破線で示された翼型形状Ｙと実線で示された翼型形状Ｘとの重なりからも明らかであるが、本発明者らは、従来の翼型形状Ｙの後縁部分の近傍箇所以外は形状変更をせず、分図（ｂ）で示すように、従来の翼型形状Ｙの後縁Ｙａ部分の近傍箇所のみの形状変更を行っている。
　本実施形態に係る翼型形状Ｘの具体的な設計思想としては、まず、本実施形態に係る翼型形状Ｘは、後縁Ｙａが尖った形状を有する基準翼型形状Ｙ（すなわち、従来技術に係る翼型形状であって、東海大学で開発された「ＴＷＴ１２０１３－０５－ＢＡ６４２」なる翼型）を想定した上で、曲率を持った円弧形状１３ａを基準翼型形状Ｙの尖った後縁Ｙａに接するように配置し、この円弧形状１３ａの円弧端部と基準翼型形状Ｙの後縁前方を形成する曲線Ｙｂ，Ｙｃとをつなぐ接続線分（上方接続線分１３ｂおよび下方接続線分１３ｃ）を配置することで構成した。
　円弧形状１３ａについては、本実施形態に係る翼型形状Ｘの後縁が一定の曲率Ｒからなる円弧形状１３ａによって構成されるとともに、翼型形状の翼弦長をＣとしたときに、
　Ｒ≦１．５％Ｃ
なる不等式が成り立つように構成した。この円弧形状１３ａの設計条件については、発明者らが鋭意研究した結果に基づき得られた設計条件であり、発明者らによる検証実験によって、水力発電に用いた場合に、後縁Ｙａの強度不足を解消しつつ高出力が得られる翼性能を維持した翼型形状Ｘであることが確認されている。すなわち、後縁の曲率Ｒが１．５％Ｃより大きくなると、翼型形状Ｘの表面を流れる水流に渦が発生したり、翼型形状Ｘ後方での止水域が拡大したりすること等の理由によって、翼性能が低下する。
　また、上方接続線分１３ｂおよび下方接続線分１３ｃからなる接続線分について、接続線分の前方側である反後縁側は、基準翼型形状Ｙの後縁Ｙａの前方を形成する曲線Ｙｂ，Ｙｃに対してそれぞれ接線接続するように構成されている。一方、上方接続線分１３ｂおよび下方接続線分１３ｃからなる接続線分の後方側は、円弧形状１３ａの円弧端部と接線接続するように構成されている。つまり、本実施形態に係る翼型形状Ｘは、従来技術に係る基準翼型形状Ｙに対して円弧形状１３ａと上方接続線分１３ｂおよび下方接続線分１３ｃとで囲まれた領域を肉付けすることで構成されているが、これら円弧形状１３ａと上方接続線分１３ｂおよび下方接続線分１３ｃ、曲線Ｙｂと上方接続線分１３ｂ、曲線Ｙｃと下方接続線分１３ｃは、各線分同士が接線方向でつながった形状を有しているので、翼型形状Ｘの後縁近傍を流れる水流を乱すことがなく、ブレード１３に求められる設計上の出力特性を満足することが可能となっている。
　さらに、上方接続線分１３ｂおよび下方接続線分１３ｃからなる接続線分については、図４中の分図（ｂ）で示すように、基準翼型形状Ｙの後縁Ｙａ前方を形成する曲線Ｙｂ，Ｙｃと接線接続する箇所をＡ点、円弧形状１３ａの円弧端部と接線接続する箇所をＢ点としたときに、Ａ点からＢ点に向かって連続した曲率変化を有する曲線を組み合わせた線分として構成されるとともに、連続した曲率変化がＡ点からＢ点に向かって曲率大から曲率小となるように構成されている。このような形状を採用することで、出力特性を維持しながらも、強度を向上させた翼型形状Ｘが実現されている。
　以上説明した設計思想に基づき作成された本実施形態に係る翼型形状Ｘを採用したブレード１３を作成し、上述した垂直軸型水力発電装置１０に設置して実際の発電を行う実証実験を行ったところ、翼型形状Ｘの後縁が破損することはなく、しかも、従来技術に係る翼型形状（基準翼型形状Ｙ）と同等以上の出力特性を発揮できることが発明者らによって確認されている。すなわち、本実施形態に係る翼型形状Ｘによれば、水流から大きな荷重を受けることとなる水力発電に用いた場合であっても、後縁の強度不足を解消しつつ高出力が得られる翼性能を維持することができるので、高効率で安定して水力発電に利用できる垂直軸型水力発電装置１０と垂直軸型水力発電ユニット１００および垂直軸型水力発電用ブレード１３を提供することが可能となっている。
　なお、本実施形態に係る翼型形状Ｘは、上述した設計思想に基づき作成されたものであるが、上記した垂直軸型水力発電装置１０に設置して行われた実証実験に用いた翼型形状Ｘを、発明者らが精密測定器を用いて形状確認したところ、製造上不可避となる製造誤差の関係から、一定の曲率Ｒからなる本実施形態に係る円弧形状１３ａについては、翼型形状の翼弦長をＣとしたときに、
　０．５％Ｃ≦Ｒ≦１．５％Ｃ
なる不等式が成り立つように構成されていたことが明らかとなった。つまり、本実施形態に係る円弧形状１３ａの形状条件については、上記不等式の条件範囲を満たすものであればよいことが確認できた。このことは、本実施形態に係る翼型形状Ｘを有するブレード１３を量産化する上でも好適な実験結果であり、円弧形状１３ａを製造する上での制約が少ないことから、本発明が現実の産業上も有効に利用可能であることを示している。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。
　例えば、上述した実施形態では、本発明に係る翼型形状が東海大学で開発された「ＴＷＴ１２０１３－０５－ＢＡ６４２」なる翼型を基準翼型形状Ｙとして設計・製造された場合を例示して説明したが、本発明の適用範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、あらゆる公知の翼型を基準翼型形状としても設計可能である。
　また、上述した実施形態では、翼型形状Ｘの後縁が一定の曲率Ｒからなる円弧形状１３ａによって構成される場合を例示したが、本発明に適用可能な円弧形状は一定の曲率Ｒを持つものには限られず、例えば、楕円形や長円形といった曲線形状から成る円弧形状も含まれる。楕円形や長円形といった曲線形状から成る円弧形状を採用した後縁を有する翼型形状であっても、上述した実施形態と同様の作用効果を得られることが、本発明者らの研究によって確認されている。
　その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
　１０　垂直軸型水力発電装置、１１　水車、１３　ブレード、１３ａ　円弧形状、１３ｂ　上方接続線分、１３ｃ　下方接線線分、２０　垂直回転軸、３０　軸受サポート部、５０　発電機、６０　支持体、６１　ブリッジ部、６２　基礎部、１００　垂直軸型水力発電ユニット、Ｘ　（本実施形態に係る）翼型形状、Ｙ　基準翼型形状（従来技術に係る翼型形状）、Ｙａ　（基準翼型形状の）後縁、Ｙｂ，Ｙｃ　曲線。

Claims (7)

  1. 　水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、
    　前記発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、
    　前記垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、
    　を備え、
    　前記複数のブレードが、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成される垂直軸型水力発電装置であって、
    　前記翼型形状の後縁が曲率を持った円弧形状で形成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
  2. 　請求項１に記載の垂直軸型水力発電装置において、
    　前記翼型形状は、
    　後縁が尖った形状を有する基準翼型形状を想定した上で、
    　曲率を持った円弧形状を前記基準翼型形状の尖った後縁に接するように配置し、
    　前記円弧形状の円弧端部と前記基準翼型形状の後縁前方を形成する曲線とをつなぐ接続線分を配置することで構成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
  3. 　請求項２に記載の垂直軸型水力発電装置において、
    　前記接続線分は、
    　前記基準翼型形状の後縁前方を形成する曲線と接線接続する箇所をＡ点、
    　前記円弧形状の円弧端部と接線接続する箇所をＢ点としたときに、
    　Ａ点からＢ点に向かって連続した曲率変化を有する曲線を組み合わせた線分として構成されるとともに、連続した曲率変化が曲率大から曲率小となるように構成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の垂直軸型水力発電装置において、
    　前記翼型形状の後縁が一定の曲率Ｒからなる円弧形状によって構成されるとともに、
    　前記翼型形状の翼弦長をＣとしたときに、
    　Ｒ≦１．５％Ｃ
    　なる不等式が成り立つように構成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
  5. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の垂直軸型水力発電装置において、
    　前記翼型形状の後縁が一定の曲率Ｒからなる円弧形状によって構成されるとともに、
    　前記翼型形状の翼弦長をＣとしたときに、
    　０．５％Ｃ≦Ｒ≦１．５％Ｃ
    　なる不等式が成り立つように構成されることを特徴とする垂直軸型水力発電装置。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の垂直軸型水力発電装置と、
    　前記垂直軸型水力発電装置の固定設置の際に支持を行う支持体と、
    　前記支持体に接続されるブリッジ部と、
    　を有し、
    　前記ブリッジ部が、設置箇所に設けられた基礎部に対して固定設置されることで取り付けが行われることを特徴とする垂直軸型水力発電ユニット。
  7. 　水流からの回転駆動力を受けて電力を発生する発電機と、
    　前記発電機に回転自在に連結されるとともに、鉛直方向に垂下設置される垂直回転軸と、
    　前記垂直回転軸の周囲を円周方向に沿って略等角度間隔で配設された複数のブレードと、
    　を備え、
    　前記複数のブレードが、鉛直方向に延びて形成されるとともに横断面形状が翼型形状からなる直線翼として形成される垂直軸型水力発電装置に用いられる垂直軸型水力発電用ブレードであって、
    　前記翼型形状の後縁が曲率を持った円弧形状で形成されることを特徴とする垂直軸型水力発電用ブレード。
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