WO2019189107A1

WO2019189107A1 - 水車および小水力発電機

Info

Publication number: WO2019189107A1
Application number: PCT/JP2019/012734
Authority: WO
Inventors: 知美後藤; 近藤　博光; 浩氣向井
Original assignee: Ntn株式会社
Priority date: 2018-03-27
Filing date: 2019-03-26
Publication date: 2019-10-03
Also published as: JP2019173597A

Abstract

水車（１）は、複数枚の羽根（５ａ）が放射状に等間隔で設けられた水車翼（５）を有し、水路（３）の流れ方向に水車翼（５）の回転中心軸（Ｏ）を沿わせて設置される。各羽根（５ａ）の正面形状は、根元から先端に掛けて末広がり形状である。水車翼（５）の正面側における径方向の中心部に、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて水路（３）の水車翼外周部の流速を上昇させる流速調整部品（１２）を設ける。

Description

水車および小水力発電機

関連出願

　本出願は、２０１８年３月２７日出願の特願２０１８－０６０２００の優先権を主張するものであり、それらの全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

　この発明は、用水路等の水路に設置される小規模な水車、およびこの水車を備えた小水力発電機に関する。

　従来、用水路等の水路の流れ等を用いて発電する小規模な発電機を有している小水力発電機が提案されている。
　水力発電システムは、水流のエネルギーを回転エネルギーに変換する水車、回転エネルギーを電気エネルギーに変える発電機、必要に応じて、水車の回転速度を増速して発電機に伝達する増速機、発電機を制御する制御装置から成る。
　水車のエネルギー変換効率は、水力発電の重要な課題であり、特に流速が時間的に変化しない用水路では環境条件（流速、水位）が限られており、その中で高効率化するために、例えば、エネルギー変換効率を向上させる水車の導水ダクトを提供するものがある（例えば特許文献１）。

特開２０１７－２５８３１号公報

　上記従来技術は、高くなる水圧を利用することのできる水車の導水ダクトを配設し、高効率化を図ろうとしている。具体的には、ダクト内形状を工夫し、コアンダ効果によって高流速を生じさせ、隘路効果を増大させている。
　しかしながら、このようなダクトを設置するためには、（１）用水路の水源を閉塞し、（２）ダクトを水路底面に固定し、その後、（３）水車がダクトの中央になるように調整配置する必要が有る等、設置に手間がかかる。特に水源を閉塞することは、技術的課題の他に、関係機関（例えば、水利組合）との調整を要し、容易ではない。

　なお、図９，１０は、提案例に係る水力発電機を示す。水車翼５は、放射状に並ぶ複数枚の羽根５ａを有し、水流のエネルギーで回転する。水車翼５は、ギヤボックス７で構成される増速機を介して、３相交流の発電機２に結合されており、水車翼５の水流抵抗の軽減効果のあるスピナ１５を配置している。

　この発明は、上記課題を解消するものであり、既存の水路から効率良く回転エネルギーを得ることができる水車、および効率良く発電電力が得られる小水力発電機を提供することを目的とする。

　この発明の水車は、複数枚の羽根が放射状に等間隔で設けられた水車翼を有し、水路の流れ方向に前記水車翼の回転中心軸を沿わせて設置される水車であって、
　前記水車翼の正面側における径方向の中心部に、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて前記水路の水車翼外周部の流速を上昇させる流速調整部品を有することを特徴とする。

　水車翼を用水路に投入すると、水車翼が堰として作用し、水車翼の上流側の水位が上昇すると共に、流速が減少する。しかし、水路断面の流速分布の傾向は維持される。そこで、この発明は、水車翼の正面側における径方向の中心部に、水車翼中心部の水流抵抗を増加させる流速調整部品を設けている。この水車翼中心部の水流抵抗を増加させる流速調整部品を設けたことで、前記水路の水車翼外周部の流速が上昇する。水車翼外周部の流速が上昇することで、水車翼のトルクが増大し、既存の水路から効率良く回転エネルギーを得ることができる。このため、既存の水路で、導水ダクトの増設等による設置の手間がかからずに、高効率な水車となる。この水車を水力発電機に用いる場合は、発電の高効率化が達成される。
　なお、前記流速調整部品は、水路抵抗の低減や水車翼中心部の保護に用いられるスピナとは異なり、水流抵抗を増加させる形状、大きさの部品である。

　前記流速調整部品は、例えば、正面形状が円形であって、直径が前記水車翼の直径に対して１７％を超え、８５パーセント未満とされる。
　流速調整部品をこのように水車翼の直径に対して１７％を超える大きさとすることで、従来のスピナとは異なり、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて前記水路の水車翼外周部の流速を上昇させる機能が得られる。流速調整部品の直径が大きすぎると、水車翼の外周部で水流を受ける面積が減り、却って回転エネルギーが低下するが、８５パーセント未満であれば、流速調整部品を設けたことによる回転エネルギー増加の効果が得られる。

　前記水車翼は、前記各羽根の正面形状が、根元から先端に掛けて末広がり形状であってもよい。
　水車翼の各羽根が先端側へ末広がり形状であると、水車翼外周部の流速が増加することと相まって、より効率良く回転エネルギーを得ることができる。

　前記流速調整部品は、例えば、前記水車翼に対し、軸受を介して相対回転自在に支持されていてもよい。
　流速調整部品を水車翼に対し回転自在として、静止状態を維持させることで、流速分布を乱さず、水車翼外周部の水流の流速がより一層向上し、さらに回転エネルギーの増加の効果が得られる。

　前記水車翼は、前記各羽根の先端にウイングレットを有していてもよい。
　ウイングレットが設けられていると、羽根の先端の渦損失を抑制する効果が得られ、より一層、回転エネルギー増加の効果が得られる。

　前記流速調整部品の具体的形状は、前記水車翼中心部の水流抵抗を増加させて前記水路の水車翼外周部の流速を上昇させる作用が得られる形状であればよいが、例えば、水路上流側に突出する山形であって、頂き部が平面であってもよい。
　このように頂き部を平面形状とすることで、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて水路の水車翼外周部の流速を上昇させる作用が、より効果的に得られる。

　この発明において、前記流速調整部品の材質は、例えば、繊維強化プラスチックであってもよい。
　繊維強化プラスチック製であると、軽量で強度にも優れる。

　この発明において、前記流速調整部品は、金属製であってもよい。ただし、前記流速調整部品と接する部品である接触部品、例えば水車翼や固定用ボルトが、前記流速調整部品とは異種の金属製である場合は、前記流速調整部品および前記接触部品のいずれか一方が、耐食処理されていることが好ましい。これにより、異種金属の接触部に水が介在することによる電食が防止される。

　この発明の水車において、前記水車翼の前記回転中心軸が水平であってもよい。この発明の水車は、水平軸型である場合に、その水車翼の外周部の流速を高める作用が、より効果的に得られる。

　この発明の小水力発電機は、この発明の上記いずれかの構成の水車と、この水車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを有する。
　この構成の水力発電機によると、この発明の水車により効率良く回転エネルギーが得られるため、既存の水路から効率良く発電電力が得られる。

　請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

　この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明からより明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきでない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の部品番号は、同一部分を示す。
この発明の第１の実施形態に係る小水力発電機の正面図である。同小水力発電機の側面図である。流速調整部品を設置しない場合における水路断面の流速分布の説明図である。流速調整部品を設置した場合における水路断面の流速分布の説明図である。この発明の第２の実施形態に係る小水力発電機における水車翼の正面図である。同水車翼の側面図である。この発明の第３の実施形態に係る小水力発電機における水車翼の正面図である。同水車翼の側面である。同水車翼の一部破断側面図である。提案例に係る小水力発電機の正面図である。同提案例に係る小水力発電機の側面図である。

　この発明の第１の実施形態を、図１ないし図３Ｂと共に説明する。図１は、小水力発電機の全体の正面図である。この小水力発電機は、水車１と発電機２とでなる。水車１は、水路３に設置される架台４と、この架台４に支持された水車翼５とを有する。

　水路３は、上面が開口した農業用や工業用等の用水路であり、両側の側壁３ａ，３ａがコンクリート製等の水路壁とされている。底壁３ｂは、コンクリート製または地盤表層とされている。
　架台４は、架台本体４ａが、水路３の両側の側壁３ａ，３ａ間に掛け渡して設置され、架台本体４ａの中央台部４ｂ上に前記発電機２が設置されている。発電機２は、同期型または誘導型等の３相または単相の交流発電機である。

　水車翼５は、複数枚（図示の例では５枚）の羽根５ａが放射状に等間隔で設けられ、水路３の流れ方向Ａ（図２）に回転中心軸Ｏを沿わせて設置される。回転中心軸Ｏは、例えば水平とされる。水車翼５は、架台本体４ａの幅方向の中央から垂下させた支柱６の下端に、図２のように、ギヤボックス７を介して設置されている。
　水車翼５の中心に、水車翼５と一体に回転する主軸８が設けられ、ギヤボックス７内に設けられた軸受（図示せず）により主軸８を両持ち状に回転自在に支持している。これにより水車翼５がギヤボックス７および支柱６を介して架台本体４ａに支持されている。主軸８の回転は、ギヤボックス７内のベベルギヤ等のギヤ列、および支柱６内の伝達軸９を介して発電機２に伝達される。発電機２の入力軸２ａと前記伝達軸９とは、カップリング１０で連結されている。ギヤボックス７は、例えば増速機を構成する。

　図１に示すように、水車翼５は、各羽根５ａの正面形状が、根元から先端に掛けて末広がり形状であり、各羽根５ａの先端には、正面側に折れ曲がる形状のウイングレット５ａａが設けられている。また、水車翼５の正面側における径方向の中心部に、流速調整部品１２が設けられている。

　流速調整部品１２は、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて水路３の水車翼外周部の流速を上昇させる機能を持つ部品である。流速調整部品１２は、この実施形態では、水車翼５に固定されている。
　流速調整部品１２は、この実施形態では、正面視で回転中心軸Ｏを中心とする円形であって、図２のように回転中心軸Ｏの位置が最も水路上流側に突出する山形とされている。すなわち、頂部付近がなだらかとなる曲線の平面図形を回転中心軸Ｏ回りに回転させた回転体形状とされている。
　流速調整部品１２の直径Ｄ１は、水車翼５の直径Ｄ０の１７％を超え、８５％未満であることが好ましく、図１の例では３６％とされている。

　流速調整部品１２は、例えば、繊維強化プラスチック製、または鋼，アルミニウム，アルミ合金等の金属製とされるが、流速調整部品１２と、これに接触する接触部品（例えば前記水車翼５および主軸８）とが異種の金属製とされる場合は、流速調整部品１２と前記接触部品のいずれか一方に耐食処理を施すことが好ましい。前記耐食処理としては、例えば、流速調整部品１２がアルミ合金製の場合、ＳＵＳ３０４製ボルトを介して前記部品が水車翼５に固定されるが、この組合せでは流速調整部品１２に陽極酸化皮膜（アルマイト皮膜）が適用できる。

　この構成の小水力発電機によると、流速調整部品１２により水路３における水車翼５の外周部の流速を速め、かつ根元から先端にかけて末広がり形状の羽根５ａの形状により、水車翼中心から離れた水車翼先端に水流の力を集める。また、各羽根５ａの先端のウイングレット５ａａにより、羽根５a先端の渦損失を抑制するため、水流を効率良く水車翼５の回転に変換できる。これらの結果、発電トルクが上昇し、発電電力が高められる。

　具体的に上記作用を説明する。水車１の水車翼５を水路３に投入すると、水車翼５が堰として作用し、水車翼５の上流側の水位が上昇すると共に、流速が減少する。しかし、水路３の断面の流速分布の傾向は維持される。
　そこで、この実施形態は、水車翼５の正面側における径方向の中心部に、図１０の提案例の水流抵抗低減用のスピナ１５に代えて、水車翼中心部の水流抵抗を増加させる流速調整部品１２を設けている。このような流速調整部品１２を設けたことで、水路３の水車翼外周部の流速が上昇する。
　図で概略的に示すと、通常では用水路等の水路３内の流速分布は、水路幅方向の中央における、水面Ｓから下方の位置（底面Ｂから高さＨの位置）（図３Ａの速度分布曲線ａ参照）の流速が最も速く、これは実際の水路で計測した結果からも検証されている。この状況に対して、流速調整部品１２を配置すると、水車翼中心部の流速が低下するが、水路３の断面の全体の流量は維持されるため、図３Ｂの速度分布曲線ｂのように水車翼外周部の流速が上昇する。
　このように水車翼外周部の流速が上昇することで、水車翼５のトルクが増大し、既存の水路３から効率良く回転エネルギーを得ることができる。また、各羽根５ａが先端側へ向かっての末広がり形状であるため、水車翼外周部の流速が増加することと相まって、より効率良く回転エネルギーを得ることができる。このため、既存の水路３で、導水ダクトの増設等による設置の手間がかからずに、高効率な水車１となる。この水車１を水力発電機に用いる場合は、発電電力の高効率化が達成される。
　なお、前記流速調整部品１２は、図９，１０の提案例における流水抵抗の低減や水車翼中心部の保護に用いられるスピナ１５とは異なり、水流抵抗を増加させる形状の部品であるため、上記の水車翼外周部の流速増加の作用が得られる。

　図４，５は、第２の実施形態を示す。この実施形態は、流速調整部品１２の直径Ｄ１を大きくし、水車翼５の直径Ｄ０の７０％としている。流速調整部品１２の流路方向高さは、図１の実施形態と同じである。
　その他の構成は、図１～図３Ｂと共に前述した第１の実施形態と同様である。
　このように流速調整部品１２の直径を大きくすると、流路中心部の流れの抵抗がより大きくなるため、水車翼５の外周部の水流の流速がより速くなり、さらに発電の効率が向上する。

　速調整部品１２の大きさは、直径Ｄ１が水車翼５の直径Ｄ０に対して１７％を超え、８５パーセント未満とすることが好ましい。
　流速調整部品１２をこのように水車翼５の直径Ｄ０に対して１７％を超える大きさとすることで、従来のスピナとは異なり、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて前記水路３の水車翼外周部の流速を上昇させる機能が得られる。流速調整部品１２の直径が大きくなり過ぎると、水車翼５の外周部で水流を受ける面積が減り、却って回転エネルギーが低下するが、８５パーセント未満であれば、流速調整部品を設けたことによる回転エネルギー増加の効果が得られる。

　図８は第３の実施形態を示す。この実施形態では、流速調整部品１２を主軸８に対して軸受１３を介して回転自在に支持し、水車翼５の回転と流速調整部品１２の回転とを切り離すようにしている。また、流速調整部品１２は、水路上流側に突出する山形であって、頂き部１２ａが平面とされている。その他の構成は、図１～図３Ｂと共に前述した第１の実施形態と同様である。
　この構成の場合、水車翼５が回転しても、流速調整部品１２は停止状態を維持することができる。そのため、流速調整部品１２で流速分布を乱さず、水車翼外周部の流速が一層上昇する。また、流速調整部品１２の頂き部１２ａを平面形状としたため、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて水路３の水車翼外周部の流速を上昇させる作用が、より効果的に得られる。これらのため、より高効率な水車１および水力発電機となる。

　以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の請求の範囲から定まるこの発明の範囲内のものと解釈される。

１…水車
２…発電機
３…水路
４…架台
５…水車翼
５ａ…羽根
５ａａ…ウイングレット
７…ギヤボックス
８…主軸
１２…流速調整部品
１５…軸受
Ｏ…回転中心軸

Claims

　複数枚の羽根が放射状に等間隔で設けられた水車翼を有し、水路の流れ方向に前記水車翼の回転中心軸を沿わせて設置される水車であって、
　前記水車翼の正面側における径方向の中心部に、水車翼中心部の水流抵抗を増加させて前記水路の水車翼外周部の流速を上昇させる流速調整部品を有する水車。
　請求項１に記載の水車において、前記流速調整部品の正面形状が円形であって、この流速調整部品の直径が前記水車翼の直径に対して１７％を超え、８５パーセント未満である水車。
　請求項１または請求項２に記載の水車において、前記各羽根の正面形状が、根元から先端に掛けて末広がり形状である水車。
　請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の水車において、前記流速調整部品が、前記水車翼に対し、軸受を介して相対回転自在に支持される水車。
　請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の水車において、前記水車翼が、前記各羽根の先端にウイングレットを有する水車。
　請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の水車において、前記流速調整部品が水路上流側に突出する山形であって、頂き部が平面である水車。
　請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水車において、前記流速調整部品が繊維強化プラスチック製である水車。
　請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の水車において、前記流速調整部品が金属製で、前記流速調整部品と接する部品である接触部品が前記流速調整部品とは異種の金属製であり、前記流速調整部品および前記接触部品のいずれか一方が、耐食処理されている水車。
　請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の水車において、前記水車翼の前記回転中心軸が水平である水車。
　請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の水車と、この水車の回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機とを有する小水力発電機。