WO2020246570A1 - 下掛け水車の羽根車 - Google Patents

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WO2020246570A1
WO2020246570A1 PCT/JP2020/022233 JP2020022233W WO2020246570A1 WO 2020246570 A1 WO2020246570 A1 WO 2020246570A1 JP 2020022233 W JP2020022233 W JP 2020022233W WO 2020246570 A1 WO2020246570 A1 WO 2020246570A1
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WO
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impeller
blade
turbine
blades
underwater turbine
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PCT/JP2020/022233
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English (en)
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Inventor
壮一 佐々木
Original Assignee
国立大学法人長崎大学
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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
    • F03B7/00—Water wheels
    • 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 an impeller that improves the output of a hydroelectric power generation system by a submersible turbine for converting hydraulic energy that has a sufficient flow rate but has almost no head.
  • FIG. 1 shows a conventional top turbine 100 using a head.
  • the shape of the impeller for using the hydraulic energy of ultra-low head is the body force (gravity) of the hydraulic energy.
  • a dogleg-shaped blade was used to hold it.
  • this blade shape is diverted to the impeller of the underwater turbine as it is, there is a drawback that the kinetic energy of the flow cannot be effectively converted and the output is significantly reduced (see Non-Patent Document 1). ).
  • FIG. 2 shows the underwater turbine 200 using a conventional general impeller. It has been clarified that the output of the conventional general underwater turbine 200 decreases on the high peripheral speed ratio side (high rotation speed side) (see Non-Patent Document 2).
  • the conventional blade-mounted micro hydropower system can be used. The inability to convert hydro energy with high efficiency is a real problem.
  • the open type underwater turbine with a head of 2.0 m installed in Tsuru City, Yamanashi Prefecture, which is seen in the case of Non-Patent Document 4, is designed to have 36 blades.
  • the impeller is often composed of about 30 to 40 blades.
  • the number of blades having the maximum output is about 10.
  • the optimum number of blades of the underwater turbine is about eight.
  • the constant output of the underwater turbine in Tsuru City is 8.8 kW, and in order to secure that output, the turbine system must be designed large and its economies of scale must be utilized.
  • Non-Patent Document 5 As a measure for this improvement, in recent years, it has been proposed to use an impeller of an open type cross-flow turbine without a casing as a throw-in type underwater turbine (see Non-Patent Document 5).
  • a cross-flow turbine usually consists of a casing and a circumferential impeller.
  • the impeller of a cross-flow turbine is also composed of 30 to 40 blades, similar to the turbine of Tsuru City. If this immersion type cross-flow turbine is installed as it is in an open channel, there is an advantage that a hydroelectric power generation system can be installed without incidental work on the channel. Further, it is also clarified in Non-Patent Document 5 that the impeller of this cross-flow turbine has its output significantly improved as compared with the closed turbine with the hub side closed because the impeller receives the flow twice due to the once-through effect. Has been done.
  • the problem to be solved is that the hydroelectric energy on the high peripheral speed ratio side cannot be sufficiently recovered in the under-mounted micro hydroelectric power generation system used in rivers with no head.
  • an object of the present invention is to provide an impeller of a submersible turbine capable of improving output on a higher peripheral speed ratio side than a conventional submersible turbine.
  • the present invention aims to improve the output of the turbine on the high peripheral speed ratio side of the underwater turbine.
  • the most important feature is to recover the hydraulic energy of the flow flowing through the impeller with high efficiency by the impeller with a double blade row structure.
  • the first aspect of the present invention is a plurality of rotating bodies attached to a rotating shaft extending in a direction intersecting the water flow of a water channel, and a plurality of rotating bodies provided on the peripheral side of the rotating body and at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the first blade includes a first blade and a plurality of second blades that are on the rotation axis side of the rotating body and are provided at predetermined intervals in the circumferential direction.
  • the blade and the second blade are of a flat plate, relating to an impeller of an underwater turbine.
  • the impeller of the present invention after the mainstream hydraulic energy flowing through the water channel is received by the first blade, the momentum of the wake of the first blade can be received by the second blade, and the torque is increased. be able to. Further, the wake of the first blade can recover the hydraulic energy of the wake of the second blade by the first blade on the downstream side of the second blade by the guidance of the second blade.
  • FIG. 3 shows an example of the configuration of the underwater turbine 10 according to the present embodiment.
  • the submersible turbine 10 as a hydroelectric power generation system according to the present embodiment is a submersible system that can be used even when the water level difference of the waterway 80 is small, and is a throw-in type that can be installed without constructing the headrace itself. It is a water wheel that adopted.
  • the canal 80 includes, for example, rivers, drainage canals, effluent or agricultural canals.
  • the underwater turbine 10 includes an impeller 20, a frame 40, a DC generator 50, and a power conversion device 60.
  • the impeller 20 is an open circumferential impeller having a double blade row structure consisting of a main blade 26 and an auxiliary blade 28.
  • the impeller 20 is rotatably attached to the frame 40 and is installed in the water channel 80 in a state of being submerged by a predetermined depth, and is rotatable by receiving the momentum of the water flow flowing through the water channel 80.
  • the details of the impeller 20 will be described later.
  • the frame 40 is made of, for example, a box-shaped frame and is installed in the water channel 80. Both ends of the rotating shaft 22 provided on the impeller 20 are rotatably attached to the frame 40. It is also possible to provide a known elevating device on the frame 40 and drive the elevating device to raise and lower the impeller 20 supported by the frame 40 according to the water level of the water channel 80.
  • the DC generator 50 is installed on the upper part of the frame 40, for example, and is connected to the rotating shaft 22 of the impeller 20 via the transmission means 70.
  • the transmission means 70 includes a pulley 72 attached to the rotating shaft 22, a pulley 74 provided on the DC generator 50 side, and a belt 76 connecting the pulleys 72 and 74.
  • the DC generator 50 is driven by the rotation of the rotating shaft 22 transmitted from the impeller 20 via the transmitting means 70.
  • the transmission means 70 may transmit the rotational force (power) of the impeller 20 to the DC generator 50 while adjusting the speed increase according to the pulley ratio.
  • the pulley and the belt are not limited to the configuration of the present embodiment.
  • the power conversion device 60 is connected to the DC generator 50, converts the DC power output from the DC generator 50 into AC power, and outputs the power. In this way, in the underwater turbine 10, electric power is generated by colliding the water flow with the main blade 26 and the auxiliary blade 28 of the impeller 20 and converting the momentum of the water flow into the torque (angular momentum) of the impeller 20.
  • FIG. 4A is a plan view of the impeller 20
  • FIG. 4B is a side view of the impeller 20 seen from the upstream side of the water channel 80
  • FIG. 4C is a perspective view of the impeller 20.
  • FIG. 4A shows a state in which the rotating plate 24a on one side is removed.
  • the rotation of the impeller 20 is centered on the rotation shaft 22 of the impeller 20 and the rotation direction in which the impeller 20 is rotated by the water flow is a positive angle.
  • the direction opposite to the direction is a negative angle.
  • the impeller 20 has a rotating shaft 22, a rotating body 24, a main blade 26, and an auxiliary blade 28.
  • the main blade 26 is an example of the first blade
  • the auxiliary blade 28 is an example of the second blade.
  • the rotating shaft 22 extends in a direction intersecting the flow of water flowing through the water channel 80, and in a direction orthogonal to (crossing) in the present embodiment, and each of both ends of the rotating shaft 22 extends to, for example, a frame 40. It is rotatably supported.
  • the rotating body 24 includes a pair of rotating plates 24a and 24b having a circular shape in a plan view.
  • the rotating plates 24a and 24b are arranged so as to face each other at a predetermined interval, and are attached to the rotating shaft 22 so that the plane direction thereof is orthogonal to the rotating shaft 22.
  • the water in the water channel 80 flows in between the rotating plates 24a and 24b from the upstream side (front side) of the impeller 20, passes around the rotating shaft 22, and flows out from the downstream side (rear side) of the impeller 20.
  • a space penetration structure
  • the main blade 26 includes a plurality of main blades 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 26g, 26h (hereinafter, may be referred to as main blades 26a to 26h).
  • the main blades 26a to 26h are made of, for example, flat plates, and are attached to the rotating plates 24a and 24b in a state of being erected with respect to the plate surfaces of the rotating plates 24a and 24b.
  • As the material of the main blades 26a to 26h for example, metal, resin, wood or the like can be used.
  • the main blades 26a to 26h are arranged at predetermined intervals along the virtual circle V1 on the peripheral side of the rotating plates 24a and 24b.
  • the main blades 26a to 26h are arranged at intervals of 45 ° (equal intervals) about the rotation shaft 22.
  • the main blades 26a to 26h When the main blades 26a to 26h are located on the downstream side of the rotating body 24 in water, they receive the momentum of the water flow guided to the downstream side by the auxiliary blades 28 located on the upstream side of the main blades 26a to 26h. Is arranged.
  • the pitch angle ⁇ 1 formed by each plane of the main blades 26a to 26h and the radial direction R of the rotating body 24 is set to, for example, 0 °.
  • the pitch angle ⁇ 1 is not limited to 0 °, and the optimum angle can be appropriately set depending on the number of main blades 26, the submersion depth of the impeller 20, the chord length, and the like.
  • the pitch angle ⁇ 1 is 0 ° or more and 30 ° or less.
  • the auxiliary blade 28 includes a plurality of auxiliary blades 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 28f, 28g, 28h (hereinafter, may be referred to as auxiliary blades 28a to 28h).
  • the auxiliary blades 28a to 28h are made of, for example, flat plates, and are attached to the rotating plates 24a and 24b in a state of standing upright on the plate surfaces of the rotating plates 24a and 24b.
  • As the material of the auxiliary blades 28a to 28h for example, metal, resin, wood or the like can be used.
  • the auxiliary blades 28a to 28h are arranged inside the virtual circles V1 of the rotating plates 24a and 24b and along the virtual circles V2 near the rotating shaft 22 at predetermined intervals.
  • the auxiliary blades 28a to 28h are arranged at 45 ° intervals (equal intervals) about the rotation shaft 22.
  • each of the auxiliary blades 28a to 28h is inclined at a predetermined angle with respect to the plane direction of the corresponding main blades 26a to 26h (the symbols are the same), and each of the auxiliary blades 28a to 28h and the main blades 26a to 26a
  • the pitch angle ⁇ 2 formed with the plane direction of 26h is set to, for example, 45 °.
  • the pitch angle ⁇ 2 is not limited to 45 °, and the optimum angle can be appropriately set depending on the number of auxiliary blades 28, the submersion depth of the impeller 20, the chord length, and the like.
  • the pitch angle ⁇ 2 is 30 ° or more and 60 ° or less.
  • the design is such that the auxiliary blade 28 in the rear stage of the water receives the maximum effect, and the hydraulic power already recovered (decelerated) by the main blade 26 in the front stage. Since the energy is converted into torque by the auxiliary blade 28 in the subsequent stage, it may not be possible to effectively increase the output.
  • FIGS. 5A to 5F are explanatory views of the operation of the underwater turbine 10 according to the present embodiment. In the following FIGS. 5A to 5F, only the impeller 20 constituting the underwater turbine 10 is shown for the sake of clarity.
  • the impeller 20 is installed in the water channel 80 with substantially the lower half of the impeller 20 submerged in water.
  • the angle ⁇ formed by the plane and the horizontal plane of the main blade 26a of the impeller 20 is 0 °.
  • the main blade 26b receives the mainstream momentum (drag) in the water channel 80.
  • the main blade 26c receives the mainstream momentum without being hindered by the main blade 26b on the upstream side.
  • the auxiliary blade 28b also receives the mainstream momentum without being hindered by the main blade 26b on the upstream side.
  • the impeller 20 obtains a counterclockwise rotational force.
  • the impeller 20 rotates counterclockwise, and the angle ⁇ formed by the plane and the horizontal plane of the main blade 26a of the impeller 20 becomes 15 °.
  • the main blade 26b receives the mainstream momentum in the water channel 80.
  • the auxiliary blade 28b located on the downstream side of the main blade 26b receives the momentum of the flow passing between the auxiliary blade 28a and the main blade 26b on the downstream side.
  • the impeller 20 obtains a counterclockwise rotational force.
  • the flow that has passed through the auxiliary blades 28a and 28b on the upstream side of the impeller 20 flows along the planes of the auxiliary blades 28c and the main blades 26d located on the downstream side of the impeller 20. Therefore, the rotational resistance with respect to the impeller 20 becomes small, and the flow flowing through the impeller 20 does not hinder the rotation of the impeller 20.
  • the impeller 20 rotates counterclockwise, and the angle ⁇ formed by the plane and the horizontal plane of the main blade 26a of the impeller 20 becomes 30 °.
  • the main blades 26a and 26b receive the mainstream momentum in the water channel 80.
  • the auxiliary blades 28a and 28b receive the momentum of the flow that collides with the main blades 26a and 26b and passes downstream.
  • the impeller 20 obtains a counterclockwise rotational force.
  • the main blade 26c located on the downstream side of the main blade 26b receives the momentum of the flow generated by the collision (guidance) with the main blade 26b, the auxiliary blade 28b, and the like.
  • the momentum (water energy) of the flow passing through the main blade 26b and the auxiliary blade 28b can be recovered again, and the rotational force of the impeller 20 can be increased.
  • the impeller 20 rotates counterclockwise, and the angle ⁇ formed by the plane and the horizontal plane of the main blade 26a of the impeller 20 becomes 60 °. In this case, it becomes the same as in FIG. 5B, and the impeller 20 obtains a counterclockwise rotational force.
  • the torque of the impeller 20 is received by receiving the hydraulic energy of the mainstream of the water channel 80 by the main blades 26 and then the momentum of the flow passing downstream by the auxiliary blades 28. Can be increased. Further, the flow that has passed through the main blade 26 on the upstream side of the impeller 20 becomes a wake flow by the guidance of the auxiliary blade 28, and the hydraulic energy of the subsequent flow can be recovered again by the main blade 26 on the downstream side. As a result, the output can be improved as compared with the conventional water turbine, and the efficiency on the high peripheral speed ratio side can be improved.
  • the plate surface of the main blade 26 is more upstream than the main stream of the water channel 80. It is orthogonal on the side and can receive a large amount of momentum from the mainstream.
  • the pitch angle ⁇ 1 of the main blade 26 is 0 °
  • the pitch angle ⁇ 2 of the auxiliary blade 28 in the range of 30 ° or more and 60 ° or less, a large momentum can be obtained from the flow passing through the main blade 26. Can receive.
  • the main blade 26 and the auxiliary blade 28 are formed of a flat plate, a large amount of momentum can be received from the mainstream. Further, by forming the impeller 20 with a double blade row structure, in addition to the above effects, dust and foreign matter on the upstream side can be flowed downstream together with the water flow, and problems during rotation of the impeller 20 can be prevented.
  • FIG. 6 shows an external view of a circulating water tank in which the output performance test of the underwater turbine according to this embodiment was carried out.
  • This circulating water tank is a vertical circulation type.
  • a surface accelerator was attached to the circulating water tank in order to suppress the effect of slowing the flow velocity near the water surface.
  • the impeller was driven by two electric motors with an output of 22 kW, and kept the water in the circulating water tank at a constant speed.
  • FIG. 7A is a schematic view of the observation part of the circulating water tank as viewed from above
  • FIG. 7B is a schematic view of the observation part of the circulating water tank as viewed from the side.
  • the dimensions of each part are shown in units of mm.
  • the dimensions of the observation unit are 2.0 m in width, 1.0 m in water depth, and 6.0 m in length.
  • the impeller of the underwater turbine is a turbine with a diameter of 500 mm and a turbine width of 250 mm, and is installed in the center of the observation section of the circulating water tank in the width direction, 1.5 m downstream from the wave control plate (not shown).
  • the output performance was measured at the specified test speed.
  • the indoor air temperature was maintained at 20 ° during the test.
  • FIG. 8 shows a block diagram of the measurement system.
  • a torque detector Ono Sokki: SS-200
  • a rotation detector Ono Sokki: MP-981
  • a flow velocity with a water depth of 0.01 m was adopted as the representative flow velocity.
  • the torque T and the rotation speed N were taken into a computer via a data recorder and averaged.
  • the measurement time was set to 20 seconds and the sampling frequency was set to 50 Hz. Further, during the test, a Pitot tube was installed at the flow velocity measurement position at the time of the test shown in FIG.
  • the measurement result was converted into a representative flow velocity value at the flow velocity distribution measurement position.
  • the performance curve peripheral speed ratio, output coefficient obtained from the result of computer arithmetic processing was used for evaluation.
  • FIG. 9 is a graph comparing the measured values of the performance of the conventional underwater turbine and the performance of the underwater turbine according to the present embodiment.
  • the vertical axis is the output (W) and the horizontal axis is the peripheral speed ratio.
  • the underwater turbine of this embodiment the underwater turbine 10 shown in FIG. 4A and the like was used.
  • the shape of each blade is approximated by a straight blade.
  • the chord length C1 of the main blade 26 of this embodiment is 80 mm, and the number of blades Z is eight.
  • the chord length C2 of the auxiliary blade 28 of this embodiment is 80 mm, and the number of blades Z is eight.
  • the submersion depth L of the impeller 20 was set to 160 mm.
  • the chord length C of the blades of the conventional type 1 is 80 mm, which is the same as that of the present embodiment, but the number of blades Z is 16 so that the pressure receiving area as a water turbine is the same. Further, the installation position of the blades was the same as that of the main blades 26 of this embodiment, and the intervals in the circumferential direction were made uniform according to the number of sheets.
  • the chord length C of the conventional type 2 is 160 mm, and the number of blades Z is set to 8 so that the pressure receiving area as a water turbine is the same.
  • the installation position of the blades was on the peripheral side of the rotating body, which was the same as the position of the main blades 26 of this embodiment, and the intervals in the circumferential direction were set to be uniform according to the number of sheets.
  • the output of the conventional type 1 and 2 underwater turbines is sharply reduced in the operating range of the peripheral speed ratio of 0.4 or more.
  • the output is maximized when the peripheral speed ratio is near 0.4, the output does not decrease much even at a peripheral speed ratio higher than that, and the conventional type 1 It was confirmed that the output on the high peripheral speed ratio side was increased as compared with 2.
  • FIG. 10 shows an analysis model of the flow around the blades of the underwater turbine.
  • the partial flow rate dQ flowing into the blade element is given by Eq. (3).
  • B is the blade width
  • V is the mainstream velocity
  • dC is the chord length of the blade element
  • ⁇ is the absolute inflow angle with respect to the mainstream blade element.
  • the output P of the water turbine is given by the equation (4).
  • the output P of the water turbine is analyzed by dividing the chord length into n blade elements, and the motion of one pitch is analyzed by dividing the chord length into m phases.
  • FIG. 11 is a graph comparing the analysis results based on the formula (4) of the performance of the underwater turbine 300 of the conventional type 3 and the performance of the underwater turbine according to the present embodiment.
  • the vertical axis is the output (W) and the horizontal axis is the peripheral speed ratio.
  • the underwater turbine of this embodiment the underwater turbine 10 shown in FIG. 4A and the like was used.
  • FIG. 12 is a diagram showing a conventional type 3 underwater turbine 300.
  • the underwater turbine 300 of the conventional type 3 has a plurality of main blades 326 arranged at equal intervals in the circumferential direction on the peripheral edge side between the pair of rotating bodies, and the central axis side between the pair of rotating bodies. It has a plurality of auxiliary blades 328 arranged at equal intervals in the direction and between the main blades 326 and 326.
  • the shape of each blade is approximated by a straight blade.
  • the chord length C1 of the main blade 26 in this embodiment is 80 mm
  • the number of blades Z is 8
  • the chord length C2 of the auxiliary blade 28 is 80 mm
  • the number of blades Z is 8,
  • the impeller The submersion depth L of 20 was set to 160 mm.
  • the chord length C1 of the main blade 326 in the underwater turbine 300 of the conventional type 3 is 160 mm
  • the number of blades Z is eight
  • the chord length C2 of the auxiliary blade 328 is 100 mm
  • the number of blades Z is eight.
  • the submersion depth L of the impeller was set to 160 mm.
  • the intervals in the circumferential direction of the blades of the underwater turbine 300 of the conventional type 3 are set to be uniform according to the number of sheets.
  • the underwater turbine 10 of the present embodiment is more than the underwater turbine 300 of the conventional type 3 in an operating range of a peripheral speed ratio of 0.4 or more based on the analysis results of the above equation (4) and the like. It was confirmed that the output increased and the output in the region at high peripheral speed ratio increased.
  • the reasons for this are as follows.
  • the underwater turbine 300 of the conventional type 3 for example, by arranging the auxiliary blades 328a between the main blades 326a and 326b, it is generated on the surface of the main blades 326b on the side of the auxiliary blades 328a in the water, as shown in FIG.
  • the backflow (vortex) is suppressed, and the water flow on the surface of the main blade 326a on the auxiliary blade 328a side flows to the downstream side without stagnation.
  • the water flow received by the main blade 326b is in the upward vector direction (the direction facing the auxiliary blade 328a), and the momentum of the water flow is positively received by the auxiliary blade 328b arranged on the downstream side. Since it is not structured, the rotational force of the underwater turbine 300 cannot be increased, and the output is smaller in the region of high peripheral speed ratio than that of the underwater turbine 10 of this embodiment.
  • Impeller 22 Rotating shaft 24 Rotating bodies 24a, 24b Rotating plates 26, 26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 26g, 26h Main blade (first blade) 28, 28a, 28b, 28c, 28d, 28e, 28f, 28g, 28h Auxiliary blade (second blade) ⁇ 1, ⁇ 2 Pitch angle V1, V2 Virtual circle

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Abstract

従来における下掛け水車よりも高周速比側で出力を向上させることが可能な下掛け水車の羽根車を提供する。　下掛け水車の羽根車２０は、水路８０の水流に交差する方向に延びる回転軸２２に取り付けられる回転体２４と、回転体２４の周縁側であってかつ周方向に所定の間隔をあけて設けられる複数の主羽根２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈと、回転体２４の主羽根２６ａ等よりも回転軸２２側であってかつ周方向に所定の間隔をあけて設けられる複数の補助羽根２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ，２８ｈと、を備える。主羽根２６ａ等および補助羽根２８ａ等は平板で構成される。

Description

下掛け水車の羽根車
　本発明は、落差はほとんどないが、流量が十分にある水力エネルギーを変換するための下掛け水車による水力発電システムの出力を向上させる羽根車に関するものである。
　国内には、小水力発電所の放流水や農業用水のように、落差はほとんどないが十分な流速を有す水力エネルギーが数多く存在する。出力１００ｋＷ未満のマイクロ水力発電システムの中で、下掛け水車は落差がほとんどない水力エネルギーの変換装置として利用されている。下掛け水車は、特に、河川の流れが持つ流速の運動エネルギーを機械的な動力へ変換する装置である。従来技術では、流れのもつ理論動力（＝動圧×流量）に応じて羽根車の直径や羽根幅などの主要寸法を大きく設計し、そのスケールメリットによって水車出力を増加してきた。この場合、水車効率は高くなくても、そのスケールメリットによって設計出力を確保することができた。
　しかし、農業用水路や小水力発電所の放流水などの小規模河川の水力エネルギーを利用するときには、その設置場所には必ずしも十分なスペースがなく、その水路の基本的な水力エネルギーが小さいことが多い。
　図１は落差を利用した従来型の上掛け水車１００を示したものである。明治中頃から昭和の初期に見られた農業で利用される木製水車の羽根車のように、超低落差の水力エネルギーを利用するための羽根車の形状は水力エネルギーのもつ体積力（重力）を保持するようくの字型の羽根が採用されていた。しかし、この羽根形状が下掛け水車の羽根車にそのまま転用されても、流れの運動エネルギーを有効に変換することができず、その出力が著しく低下するという欠点があった（非特許文献１参照）。
　図２は、従来型の一般的な羽根車による下掛け水車２００を示したものである。従来型の一般的な下掛け水車２００の出力は高周速比側（高回転速度側）では低下することが明らかにされている（非特許文献２参照）。例えば、農業用水路のような河川の流れを利用するマイクロ水力発電システムにおいて、かんがい期や梅雨時期など、水路に十分な流量がある場合でも、従来型の羽根による下掛け式マイクロ水力発電システムでは、高い効率で水力エネルギーを変換することができないことが現実的な問題となる。
　また、非特許文献４の事例に見られる、山梨県都留市に設置されている落差２．０ｍの開放型下掛け水車では、その羽根枚数が３６枚に設計されている。この事例のように、従来の下掛け水車では、羽根車が羽根枚数３０枚から４０枚程度で構成されることが多かった。一方、非特許文献３の下掛け水車の先行研究では、その最大出力となる羽根枚数は１０枚前後であることが示されている。申請者の文献１の先行調査でも、下掛け水車の最適な羽根枚数が８枚程度であることが実験的に明らかにされている。さらに、都留市の下掛け水車の常時出力は８．８ｋＷであり、その出力を確保するためには水車システムを大きく設計し、そのスケールメリットを利用しなければならない。この事例に見られるような大型の水力発電システムを開発するときには、それに付随した導水路の大規模な工事も必要となり、初期開発コストが大きくなることが課題であった。
　この改善策として、近年、ケーシングのない開放形のクロスフロー水車の羽根車を投込み式の下掛け水車として利用することが提案されている（非特許文献５参照）。通常、クロスフロー水車はケーシングと周流形羽根車から構成される。クロスフロー水車の羽根車も、都留市の水車と同様に、３０枚から４０枚の羽根によって構成されている。この投込み式のクロスフロー水車が開水路にそのまま設置されると、水路の付帯工事なしで水力発電システムの設置することができる利点がある。また、このクロスフロー水車の羽根車は貫流効果によって羽根車が２度流れを受けるために、その出力がハブ側を閉じたクローズド型水車よりも大幅に向上することも非特許文献５で明らかにされている。
　しかし、非特許文献１、３の先行研究の通り、下掛け水車の羽根枚数の出力が最大となる羽根枚数は８枚から１０枚前後であり、先行技術のクロスフロー水車の羽根車と比較して必ずしも多くない。また、非特許文献２と非特許文献３の先行研究では、開放周流形水車の羽根車が水面から入水するほど、その出力が大きくなることが実験的に明らかにされている。さらに、非特許文献１の先行研究では、下掛け水車の大半のトルクは主流に対して上流側の主羽根の抗力によって生成され、その他の羽根は水車出力の増加にほとんど貢献しないことが解析的に明らかにされている。このことは、落差がほとんどない水力エネルギーを下掛け水車によって回収するときには、羽根車の構造自身を見直すことがあることを示唆するものである。
佐々木壮一，黒川由美，大宅雄一郎，桑原順　著，「超低落差用投込み式下掛け水車の出力特性に関する研究」，「ターボ機械」，日本工業出版47(4)，2019，３月pp.200-207. 佐々木壮一，黒川由美，大宅雄一郎，舘野真一　著，「下掛け水車の出力解析と羽根車周りの流れのその場観察」，「第81回ターボ機械協会総会講演会講演論文集」，一般社団法人ターボ機械協会，2019，５月6 pages 菊池孝高，木綿隆弘，河野孝昭，「流雪溝における発電用下掛け水車性能に関するフィールド実験」，「日本機械学会2013年度年次大会講演論文集」，一般社団法人日本機械学会，2013，９月5 pages. 小林久，金田剛一，「事例に学ぶ小水力発電」，オーム社，2015，2月p.33. 西泰行，稲垣照美，近江谷亮太，立川力，小寺正雄，福富純一郎，「開水路に設置したクロスフロー水車に関する研究」，「ターボ機械」，日本工業出版39(8)，2011，８月pp. 467-474.
　解決しようとする問題点は、落差のない河川で利用される下掛け式マイクロ水力発電システムにおいて、高周速比側の水力エネルギーを十分に回収することが出来ないことである。
　そこで、本発明は、従来における下掛け水車よりも高周速比側で出力を向上させることが可能な下掛け水車の羽根車を提供することを目的とする。
　本発明は、下掛け水車の高周速比側における水車出力の向上を目的としたものである。二重翼列構造の羽根車によって羽根車を貫流する流れの水力エネルギーを高い効率で回収することが最も主要な特徴である。
　本発明の第１の態様は、水路の水流に交差する方向に延びる回転軸に取り付けられる回転体と、前記回転体の周縁側であってかつ周方向に所定の間隔をあけて設けられる複数の第１の羽根と、前記回転体の前記第１の羽根よりも前記回転軸側であってかつ周方向に所定の間隔をあけて設けられる複数の第２の羽根と、を備え、前記第１の羽根および前記第２の羽根は平板である、下掛け水車の羽根車に関するものである。
　本発明の羽根車によれば、水路を流れる主流の水力エネルギーを第１の羽根で受けたのち、第１の羽根の後流の運動量を第２の羽根で受けることができ、トルクを増加させることができる。また、第１の羽根の後流は第２の羽根の案内によって、第２の羽根よりも下流側の第１の羽根で第２の羽根の後流の水力エネルギーを回収することができる。
従来における上掛け水車を示す図である。 従来における下掛け水車を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車を示す正面図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車を示す側面図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車を示す斜視図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車の動作を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車の動作を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車の動作を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車の動作を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車の動作を示す図である。 本実施の形態に係る下掛け水車の羽根車の動作を示す図である。 本実施例に係る水車の出力性能の試験を実施した回流水槽の外観図を示している。 回流水槽の観測部を上方から見た概略図である。 回流水槽の観測部を側面から見た概略図である。 計測システムのブロック図である。 従来型の水車の性能と本実施例に係る下掛け水車の性能の実測値を比較したグラフである。 下掛け水車の羽根周りの流れの解析モデルを示す図である。 従来型の下掛け水車の性能と本実施例に係る下掛け水車の性能の解析モデルに基づく解析結果を比較したグラフである。 従来型の下掛け水車を示す図である。
　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［下掛け水車１０の構成例］
　図３は、本実施の形態に係る下掛け水車１０の構成の一例を示している。本実施の形態に係る水力発電システムとしての下掛け水車１０は、水路８０の水位差が小さい場合でも利用可能な下掛け方式であると共に、導水路自体の工事をすることなく設置可能な投げ込み式を採用した水車である。水路８０には、例えば河川、排水路、放流水または農業用水路等が含まれる。
　下掛け水車１０は、羽根車２０と、フレーム４０と、直流発電機５０と、電力変換装置６０とを備えている。
　羽根車２０は、主羽根２６と補助羽根２８とによる二重翼列構造を有する開放周流形羽根車である。羽根車２０は、フレーム４０に回転可能に取り付けられると共に水路８０内に所定の深さだけ没水した状態で設置され、水路８０を流れる水流の運動量を受けることで回転可能となっている。なお、羽根車２０の詳細については後述する。
　フレーム４０は、例えば箱型の枠体からなり、水路８０内に設置される。フレーム４０には、羽根車２０に設けられる回転軸２２の両端部のそれぞれが回転可能に取り付けられる。なお、フレーム４０に公知の昇降装置を設け、昇降装置を駆動することでフレーム４０により支持される羽根車２０を水路８０の水位に応じて昇降させることもできる。
　直流発電機５０は、例えばフレーム４０の上部に設置され、羽根車２０の回転軸２２に伝達手段７０を介して接続されている。伝達手段７０は、回転軸２２に取り付けられたプーリー７２と、直流発電機５０側に設けられたプーリー７４と、プーリー７２，７４間を接続するベルト７６とを含む。直流発電機５０は、伝達手段７０を介して羽根車２０から伝達される回転軸２２の回転により駆動する。なお、伝達手段７０において、プーリー比によって増速調整を行いながら、羽根車２０の回転力（動力）を直流発電機５０に伝達するようにしてもよい。また、プーリーおよびベルトは、本実施の形態の構成に限定されることはない。
　電力変換装置６０は、直流発電機５０に接続され、直流発電機５０から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。このように、下掛け水車１０では、羽根車２０の主羽根２６および補助羽根２８に水流を衝突させ、水流の運動量を羽根車２０のトルク（角運動量）に変換することで電力を生成する。
［羽根車２０の構成例］
　次に、本実施の形態に係る羽根車２０について説明する。図４Ａは羽根車２０の平面図であり、図４Ｂは水路８０の上流側から見た羽根車２０の側面図であり、図４Ｃは羽根車２０の斜視図である。なお、図４Ａは、一方側の回転板２４ａを取り外した状態を示している。なお、以下で説明する主羽根２６および補助羽根２８の角度については、羽根車２０の回転軸２２を中心とし、羽根車２０が水流により回転する回転方向を正の角度とし、羽根車２０の回転方向とは反対方向を負の角度とする。
　羽根車２０は、回転軸２２と、回転体２４と、主羽根２６と、補助羽根２８とを有している。なお、主羽根２６は第１の羽根の一例であり、補助羽根２８は第２の羽根の一例である。
　回転軸２２は、水路８０を流れる水の流れに対して交差する方向、本実施の形態では直交（横断）する方向に延在しており、回転軸２２の両端部のそれぞれが例えばフレーム４０に回転可能に支持されている。
　回転体２４は、平面視円形状をなす一対の回転板２４ａ，２４ｂを含む。回転板２４ａ，２４ｂは所定の間隔をあけて対向して配置され、その平面方向が回転軸２２に直交するように回転軸２２に取り付けられている。これにより、回転板２４ａ，２４ｂ間には、水路８０の水が羽根車２０の上流側（前側）から流入し、回転軸２２周辺を通過して羽根車２０の下流側（後側）から流出する空間（貫通構造）が形成される。
　主羽根２６は、複数の主羽根２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ（以下、主羽根２６ａ～２６ｈという場合がある）を含む。主羽根２６ａ～２６ｈは、例えば平板で構成され、回転板２４ａ，２４ｂの板面に対して立設した状態で回転板２４ａ，２４ｂに取り付けられている。主羽根２６ａ～２６ｈの材料には、例えば、金属、樹脂、木材等を用いることができる。
　主羽根２６ａ～２６ｈは、回転板２４ａ，２４ｂの周縁側の仮想円Ｖ１に沿って所定の間隔をあけて配置される。本実施の形態では、主羽根２６ａ～２６ｈは、回転軸２２を中心として４５°間隔（等間隔）で配置される。各主羽根２６ａ～２６ｈは、水中において回転体２４の下流側に位置するとき、自身の主羽根２６ａ～２６ｈよりも上流側に位置する補助羽根２８によって下流側に案内される水流の運動量を受けるよう配置される。また、主羽根２６ａ～２６ｈの各平面と回転体２４の径方向Ｒとのなすピッチ角α１は、例えば０°に設定される。なお、本実施の形態では、主羽根２６を８枚で構成した例について説明しているが、これに限定されることはない。また、ピッチ角α１も０°に限定されることはなく、主羽根２６の構成枚数および羽根車２０の没水深さ、翼弦長等によって最適な角度を適宜設定できる。例えば、ピッチ角α１は、０°以上３０°以下である。ピッチ角α１を０°以上３０°以下の範囲とすることで、主羽根２６における水流を受ける平面を主流に対して交差、例えば直交する方向に傾けることができ、主流の運動量を効率的に受けることができる。
　補助羽根２８は、複数の補助羽根２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ，２８ｈ（以下、補助羽根２８ａ～２８ｈという場合がある）を含む。補助羽根２８ａ～２８ｈは、例えば平板で構成され、回転板２４ａ，２４ｂの板面に対して立設した状態で回転板２４ａ，２４ｂに取り付けられている。補助羽根２８ａ～２８ｈの材料には、例えば、金属、樹脂、木材等を用いることができる。
　補助羽根２８ａ～２８ｈは、回転板２４ａ，２４ｂの仮想円Ｖ１の内側で、かつ回転軸２２寄りの仮想円Ｖ２に沿って所定の間隔をあけて配置される。本実施の形態では、補助羽根２８ａ～２８ｈは、回転軸２２を中心として４５°間隔（等間隔）で配置される。また、補助羽根２８ａ～２８ｈのそれぞれは対応する（記号が同じ）主羽根２６ａ～２６ｈの平面方向に対して所定角度で傾斜しており、補助羽根２８ａ～２８ｈの各平面方向と主羽根２６ａ～２６ｈの平面方向とのなすピッチ角α２が例えば４５°に設定される。なお、本実施の形態では、補助羽根２８を８枚で構成した例について説明しているが、これに限定されることはない。また、ピッチ角α２は４５°に限定されることはなく、補助羽根２８の構成枚数および羽根車２０の没水深さ、翼弦長等によって最適な角度を適宜設定できる。例えば、ピッチ角α２は、３０°以上６０°以下である。ピッチ角α２を３０°以上６０°以下の範囲とすることで、補助羽根２８における水流を受ける平面を主羽根２６および主流に対して交差する方向に傾けることができ、主羽根２６を通過した流れの運動量を効率的に受けることができる。これに対し、ピッチ角α２を主流に対して前傾する角度とする場合、水中の後段の補助羽根２８で最大の効力を受ける設計となり、既に前段の主羽根２６で回収（減速）された水力エネルギーを後段の補助羽根２８でトルクに変換することになるため、出力を効果的に増加させることができない場合がある。
［羽根車２０の動作例］
　図５Ａ～図５Ｆは、本実施の形態に係る下掛け水車１０の動作の説明図である。なお、以下の図５Ａ～図５Ｆでは、説明を分かり易くするために、下掛け水車１０を構成する羽根車２０のみを図示している。
　図５Ａに示すように、羽根車２０は、羽根車２０の略下半分を水に沈ませた状態で水路８０内に設置される。羽根車２０の主羽根２６ａの平面と水平面のなす角度θは０°である。この場合、主羽根２６ｂは水路８０における主流の運動量（抗力）を受ける。また、主羽根２６ｃは、上流側の主羽根２６ｂによって阻害されることなく、主流の運動量を受ける。さらに、補助羽根２８ｂについても、上流側の主羽根２６ｂによって阻害されることなく、主流の運動量を受ける。これらにより、羽根車２０は、反時計回りの回転力を得る。
　続けて、図５Ｂに示すように、羽根車２０が反時計回りに回転し、羽根車２０の主羽根２６ａの平面と水平面のなす角度θが１５°になる。この場合、主羽根２６ｂは水路８０における主流の運動量を受ける。また、主羽根２６ｂの下流側に位置する補助羽根２８ｂは、補助羽根２８ａと主羽根２６ｂの間を下流側に通過する流れの運動量を受ける。これにより、羽根車２０は、反時計回りの回転力を得る。また、羽根車２０の上流側の補助羽根２８ａおよび補助羽根２８ｂを通過した流れは、羽根車２０の下流側に位置する補助羽根２８ｃおよび主羽根２６ｄの平面に沿って流れる。そのため、羽根車２０に対する回転抵抗は小さくなり、羽根車２０を貫流する流れが羽根車２０の回転を阻害することはない。
　続けて、図５Ｃに示すように、羽根車２０が反時計回りに回転し、羽根車２０の主羽根２６ａの平面と水平面のなす角度θが３０°になる。この場合、主羽根２６ａ，２６ｂは水路８０における主流の運動量を受ける。また、補助羽根２８ａ，２８ｂは、主羽根２６ａ，２６ｂ等に衝突して下流側に通過する流れの運動量を受ける。これらにより、羽根車２０は、反時計回りの回転力を得る。さらに、主羽根２６ｂよりも下流側に位置する主羽根２６ｃは、主羽根２６ｂおよび補助羽根２８ｂ等との衝突（案内）によって生成された流れの運動量を受ける。これにより、主羽根２６ｂと補助羽根２８ｂを通過した流れの運動量（水カエネルギー）を再び回収することができ、羽根車２０の回転力を増加させることができる。
　続けて、図５Ｄに示すように、羽根車２０が反時計回りに回転し、羽根車２０の主羽根２６ａの平面と水平面のなす角度θが４５°になる。この場合は図５Ａと同じになり、羽根車２０は、反時計回りの回転力を得る。
　続けて、図５Ｅに示すように、羽根車２０が反時計回りに回転し、羽根車２０の主羽根２６ａの平面と水平面のなす角度θが６０°になる。この場合は図５Ｂと同じになり、羽根車２０は、反時計回りの回転力を得る。
　続けて、図５Ｆに示すように、羽根車２０が反時計回りに回転し、羽根車２０の主羽根２６ａの平面と水平面のなす角度θが７５°になる。この場合は図５Ｃと同じになり、羽根車２０は、反時計回りの回転力を得る。
　このように、本実施の形態によれば、水路８０の主流の水力エネルギーを主羽根２６で受けた後、下流側に通過する流れの運動量を補助羽根２８で受けることで、羽根車２０のトルクを増加させることができる。さらに、羽根車２０の上流側の主羽根２６を通過した流れは補助羽根２８の案内によって後流となり、更に下流側の主羽根２６でその後流の水力エネルギーを再び回収することができる。これにより、従来型の水車よりも出力を向上させることができ、高周速比側の効率を向上させることができる。
　また、本実施の形態によれば、例えば、主羽根２６のピッチ角α１を０°以上３０°以下の範囲に設定することで、主羽根２６の板面を水路８０の主流に対してより上流側で直交させ、主流から大きな運動量を受けることができる。また、例えば，主羽根２６のピッチ角α１が０°の場合、補助羽根２８のピッチ角α２を３０°以上６０°以下の範囲に設定することで、主羽根２６を通過した流れから大きな運動量を受けることができる。
　また、本実施の形態によれば、主羽根２６および補助羽根２８を平板で構成するので、主流から大きな運動量を受けることができる。また、羽根車２０を二重翼列構造とすることで、上記効果に加えて、水流と共に上流側のごみおよび異物を下流へ流すことができ、羽根車２０の回転時における不具合を防止できる。
　次に、上述した本実施の形態に係る下掛け水車の出力性能の試験を実施した。
　図６は、本実施例に係る下掛け水車の出力性能の試験を実施した回流水槽の外観図を示している。なお、図６において、各部の寸法はｍｍ単位で表記している。この回流水槽は垂直循環型である。回流水槽には、水面近傍の流速が遅くなる影響を抑えるため、表面加速装置を取り付けた。インペラは出力２２ｋＷの電動機２基で駆動し、回流水槽内の水を一定速度に保持した。
　図７Ａは回流水槽の観測部を上方から見た概略図であり、図７Ｂは回流水槽の観測部を側面から見た概略図である。なお、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、各部の寸法はｍｍの単位で表記している。観測部の寸法は、幅２．０ｍ、水深１．０ｍ、長さ６．０ｍである。下掛け水車の羽根車は、水車直径が５００ｍｍ、水車幅が２５０ｍｍのサイズで作製したものを使用し、回流水槽の観測部の幅方向中央、図示しない制波板から１．５ｍ下流側に取り付け、規定の試験速度で出力性能を測定した。また、試験中、室内の気温を２０°に保持した。
　図８は、計測システムのブロック図を示している。下掛け水車にトルク検出器（小野測器：ＳＳ－２００）および回転検出器（小野測器：ＭＰ－９８１）を接続し、各試験条件におけるトルクＴ(Ｎ・ｍ)と回転速度Ｎ(ｒｐｍ)を計測した。代表流速には、水深０．０１ｍの流速を採用した。トルクＴと回転速度Ｎをデータレコーダを介してコンピュータに取り込み、平均化処理した。計測時間は２０秒、サンプリング周波数は５０Ｈｚに設定した。また、試験中は図７Ａに示す試験時の流速計測位置にピトー管を設置し、その測定結果を流速分布計測位置における代表流速値に換算した。本実施例では、下掛け水車の出力性能を比較するため、コンピュータの演算処理の結果から得られる性能曲線（周速比、出力係数）を評価に用いた。
　図９は、従来型の下掛け水車の性能と本実施例に係る下掛け水車の性能の実測値を比較したグラフである。図９において、縦軸は出力（Ｗ）であり、横軸は周速比である。本実施例の下掛け水車には、図４Ａ等に示した下掛け水車１０を使用した。なお、図９等では、簡単のため、各羽根の形状を直線羽根で近似して図示している。
　本実施例の主羽根２６の翼弦長Ｃ１は８０ｍｍであり、羽根枚数Ｚは８枚である。本実施例の補助羽根２８の翼弦長Ｃ２は８０ｍｍであり、羽根枚数Ｚは８枚である。羽根車２０の没水深さＬは１６０ｍｍに設定した。従来型１の羽根の翼弦長Ｃは、８０ｍｍであり、本実施例と同じであるが、羽根枚数Ｚを１６枚にして水車としての受圧面積が同一になるようにした。また羽根の設置位置は本実施例の主羽根２６と同一であり、周方向の間隔は枚数に応じて均一の間隔とした。従来型２の翼弦長Ｃは１６０ｍｍであり、羽根枚数Ｚを８枚にして水車としての受圧面積が同一になるようにした。羽根の設置位置は、本実施例の主羽根２６の位置と同等の回転体の周縁側であり、周方向の間隔は枚数に応じて均一の間隔とした。
　図９に示すように、周速比０．４以上の運転範囲で、従来型１、２の下掛け水車の出力は急激に低下している。これに対し、本実施例の下掛け水車１０では、周速比０．４近傍のときに出力が最大となった後、それ以上の周速比においても出力の低下が少なく、従来型１、２に比べて高周速比側の出力を増加させることが確認された。
　ここで、下掛け水車の出力を解析するための羽根周りの流れの解析モデルについて説明する。図１０は、下掛け水車の羽根周りの流れの解析モデルを示す。
　半径位置ｒにおける微小領域ｄＣの翼素の相対速度の周方向成分Ｗθ(ｒ)は式（１）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　上記式（１）において、Ｖθ（ｒ）は主流速度の周方向成分、Ｕ（ｒ）は半径位置ｒでの周速度である。
　このとき、翼素の角運動量は式（２）となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　このとき、翼素に流入する部分流量ｄＱは式(３)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　上記式（３）において、Ｂは羽根幅、Ｖは主流速度、ｄＣは翼素の翼弦長、αは主流の翼素に対する絶対流入角である。
　このとき、水車の出力Ｐは式(４)となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　水車の出力Ｐは翼弦長をｎ個の翼素に分割して解析され、１ピッチの運動はｍ個の位相に分割して解析される。
　図１１は、従来型３の下掛け水車３００の性能と本実施例に係る下掛け水車の性能の式（４）に基づく解析結果を比較したグラフである。図１１において、縦軸は出力（Ｗ）であり、横軸は周速比である。本実施例の下掛け水車には、図４Ａ等に示した下掛け水車１０を使用した。図１２は、従来型３の下掛け水車３００を示す図である。従来型３の下掛け水車３００は、一対の回転体間の周縁側であって周方向に等間隔で配置された複数の主羽根３２６と、一対の回転体間の中心軸側であって周方向に等間隔でかつ主羽根３２６，３２６間に配置された複数の補助羽根３２８とを有する。なお、図１２では、簡単のため、各羽根の形状を直線羽根で近似して図示している。
　本実施例における主羽根２６の翼弦長Ｃ１は８０ｍｍであり、羽根枚数Ｚは８枚であり、補助羽根２８の翼弦長Ｃ２は８０ｍｍであり、羽根枚数Ｚは８枚であり、羽根車２０の没水深さＬは１６０ｍｍに設定した。従来型３の下掛け水車３００における主羽根３２６の翼弦長Ｃ１は１６０ｍｍであり、羽根枚数Ｚは８枚であり、補助羽根３２８の翼弦長Ｃ２は１００ｍｍであり、羽根枚数Ｚは８枚であり、羽根車の没水深さＬは１６０ｍｍに設定した。また、従来型３の下掛け水車３００の羽根の周方向の間隔は、枚数に応じて均一の間隔とした。
　図１１に示すように、本実施例の下掛け水車１０は、上記式（４）の解析結果等から、周速比０．４以上の運転範囲で、従来型３の下掛け水車３００よりも出力が大きくなり、高周速比における領域の出力が増加することが確認された。この理由としては、以下の点が挙げられる。従来型３の下掛け水車３００では、図１２に示すように、例えば、主羽根３２６ａ，３２６ｂ間に補助羽根３２８ａを配置することで水中にある主羽根３２６ｂの補助羽根３２８ａ側の面で発生する逆流（渦）が抑制され、主羽根３２６ａの補助羽根３２８ａ側の面における水流が淀まずに下流側に流れる。しかし、下掛け水車３００では、主羽根３２６ｂで受けた水流が上向きのベクトル方向（補助羽根３２８ａに対向する方向）となり、その水流の運動量が下流側に配置された補助羽根３２８ｂで積極的に受ける構造とはなっていないため、下掛け水車３００の回転力を増加させることができず、本実施例の下掛け水車１０よりも高周速比の領域で出力が小さくなっている。
１０　下掛け水車
２０　羽根車
２２　回転軸
２４　回転体
２４ａ，２４ｂ　回転板
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅ，２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ　主羽根（第１の羽根）
２８，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ，２８ｈ　補助羽根（第２の羽根）
α１，α２　ピッチ角
Ｖ１，Ｖ２　仮想円

Claims (6)

  1. 　水路の水流に交差する方向に延びる回転軸に取り付けられる回転体と、
    　前記回転体の周縁側であってかつ周方向に所定の間隔をあけて設けられる複数の第１の羽根と、
    　前記回転体の前記第１の羽根よりも前記回転軸側であってかつ周方向に所定の間隔をあけて設けられる複数の第２の羽根と、
    　を備え、
    　前記第１の羽根および前記第２の羽根は平板である、
    　下掛け水車の羽根車。
  2. 　前記回転体は、前記水路の水を当該回転体の上流側から流入させて前記第１の羽根および前記第２の羽根を介して前記回転体の下流側から流出させる空間を含む、
    　請求項１に記載の下掛け水車の羽根車。
  3. 　前記第１の羽根は、当該第１の羽根よりも上流側に位置する前記第２の羽根によって下流側に案内された水流の運動量を受けるよう設けられた、
    　請求項１または２に記載の下掛け水車の羽根車。
  4. 　前記回転体の径方向と前記第１の羽根とのなすピッチ角は、０°以上３０°以下である、
    　請求項１から３の何れか一項に記載の下掛け水車の羽根車。
  5. 　前記第２の羽根は、前記第1の羽根に対して所定の角度で傾斜して設けられた、
    　請求項１～４の何れか一項に記載の掛け水車の羽根車。
  6. 　前記第１の羽根の平面方向と前記第２の羽根の平面方向とのなすピッチ角は、３０°以上６０°以下である、
    　請求項５に記載の下掛け水車の羽根車。
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