(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波力発電装置の発電機を駆動する波力発電用タービンにおいて、
筒状形状の浮体の頂部に設けられ、この浮体内で振動水柱上に形成される空気室と外気とを連通させ、分割可能に組み立てられるタービンケーシングと、
このタービンケーシング内に組み付けて固定された上下２分割可能な中空円盤状中仕切組立体と、
前記中仕切組立体内の外周側に設置された静翼としてのノズルリング組立体と、
このノズルリング組立体の内周側に対向して設置され、その吹出し空気流により回転駆動されるタービン軸と回転一体の動翼としての羽根車と、
前記ノズルリング組立体の外周側に昇降可能なフローティングシャッタを設置し、外気からの空気流と前記空気室からの空気流を選択的に切り換えて流入させる空気流制御機構とを備え、
前記中仕切組立体の外周部に流入された空気流は前記ノズルリング組立体および前記羽根車を経て一方向の内向流として案内されることを特徴とする波力発電用タービン。
【請求項２】
前記中仕切組立体は、前記タービンケーシングの内周壁に上部仕切ディスクと下部仕切ディスクが間隔を置いて設けられ、
前記上部仕切ディスクと下部仕切ディスクとの間に、静翼としてのトーラス状の前記ノズルリング組立体が外周側に、動翼としての前記羽根車が内周側にそれぞれ配設され、
前記ノズルリング組立体は前記中仕切組立体内部の対向するリング状収納凹部に収められて、固定される一方、前記羽根車は前記タービン軸に回転一体に支持されて収容され、
前記中仕切組立体は、前記ノズルリング組立体の外周側にトーラス状の流入チャンバが、前記羽根車のロータリブレードの内周側にトーラス状の流出チャンバが、それぞれ形成された請求項１に記載の波力発電用タービン。
【請求項３】
前記羽根車は、前記タービン軸を挿通支持したタービンハブとしてのボス部と、
このボス部に一体に設けられた１枚あるいは上下複数枚の支持ディスクと、
前記支持ディスクの外周側に周方向に配列されたロータリブレード列とから構成された請求項１または２に記載の波力発電用タービン。
【請求項４】
前記中仕切組立体は、前記流入チャンバが前記上部仕切ディスクの流入口を介して大気中に連通される一方、前記下部仕切ディスクの流入口を介して前記空気室に連通され、
前記空気流制御機構は、前記上部仕切ディスクの流入口と前記下部仕切ディスクの流入口との間で、前記流入チャンバ内を昇降自在にフローティングするリング状フローティングシャッタを備え、
前記空気流制御機構は、前記上部仕切りディスクの流入口および下部仕切りディスクの流入口と前記フローティングシャッタとが協働して構成され、前記フローティングシャッタの昇降により、前記上部仕切りディスクの流入口および前記下部仕切ディスクの流入口が選択的に覆われる請求項２に記載の波力発電用タービン。
【請求項５】
前記中仕切組立体は、前記流出チャンバが前記上部仕切ディスクの流出口を介して大気中に連通される一方、前記下部仕切ディスクの流出口を介して前記空気室に連通され、
前記上部仕切ディスクの流出口を上方から覆う上方カバー円板が昇降自在に設けられ、また前記下部仕切ディスクの流出口を覆う下方カバー円板が昇降自在に設けられた請求項２に記載の波力発電用タービン。
【請求項６】
本体下部ケーシング内に下方カバー円板を収納して前記本体下部ケーシングの内周壁に下部仕切ディスクを嵌め合せ、
嵌め合された前記下部仕切ディスク上にトーラス状のノズルリング組立体を設けるとともに、前記ノズルリング組立体の内周側および外周側に羽根車アッセンブリおよびフローティングシャッタをそれぞれ設置し、
前記フローティングシャッタ、前記ノズルリング組立体および前記羽根車アッセンブリを上方から覆うように上部仕切ディスクを被せ、
前記上部仕切ディスク上に上部カバー円板を納めて、前記上部仕切ディスクを本体上部ケーシングの内周壁に嵌め合せ、
前記本体下部ケーシングと本体上部ケーシングとの両フランジ部を合せて結合させ、タービンケーシングを組み立てることを特徴とする波力発電用タービンの組立方法。
【請求項７】
前記羽根車アッセンブリは、羽根車のロータハブとしてのボス部の両側に軸受を介在させ、
前記軸受を備えた前記ボス部のボス孔にタービン軸を挿通して、締結手段で締結することにより、前記羽根車とタービン軸とが一体的に組み立てられる請求項６に記載の波力発電用タービンの組立方法。
【請求項８】
請求項６に記載の波力発電用タービンの組立方法により地上にて組み立てられた波力発電用タービンは、海上の浮体設置場所に船で搬送され、
前記波力発電用タービンを海上設置の浮体の頂部に着脱可能に設置し、
前記波力発電用タービン上に発電機を設置することを特徴とする波力発電用タービンの組立方法。
【請求項９】
海上の浮体頂部に波力発電用タービンを設置し、
前記浮体内の空気室に流出入する海水により海面が昇降し、振動水柱が上下動する波力発電用タービンの運転方法において、
前記海面上昇に伴う前記振動水柱の上昇により、前記空気室内の空気流は下方カバー円板および上方カバー円板を押し上げて、タービンケーシング内に組み付けて固定された中仕切組立体の底部流出口を閉塞させ、かつその頂部流出口を開放させる一方、空気流制御機構のフローティングシャッタを押し上げて、前記中仕切組立体の下部流入口を開放させて、その上部流入口を閉塞させ、
前記海面下降に伴う前記振動水柱の下降により、大気中の空気流は、前記空気流制御機構のフローティングシャッタを下降させて前記中仕切組立体の上部流入口を開放させ、かつその下部流入口を閉塞させる一方、前記上方カバー円板および下方カバー円板が下降して前記中仕切組立体の頂部流出口を閉じて、その底部流出口を開放させ、
前記海面の上昇時に前記下部流入口から流入チャンバに流入した空気流、および前記海面の下降時に前記上部流入口から前記流入チャンバに流入した空気流は、静翼としてのノズルリング組立体から動翼としての羽根車を経て流出チャンバに一方向の内向流として案内され、タービン軸を回転させることを特徴とする波力発電用タービンの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波力エネルギを利用して発電を行う波力発電技術に係り、特に波浪（波力）エネルギ変換システムにより発電装置と協動して波力エネルギを電気エネルギとして取り出す波力発電用タービンならびにその組立方法および運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
周辺を海に囲まれた海洋国である我が国には、海に波力エネルギが豊かに存在するが波力エネルギの活用には至っていない。波力エネルギは入手が簡単であるので我が国や海洋国において波力エネルギを利用した様々な方式の波力発電の研究が行われている。実際海上に於ける波力発電の研究では安全対策が大掛かりとなり、コストが高い、また、景観が損なわれる等の理由により、波力発電は普及の段階に至っておらず実用化されていない。
【０００３】
海洋発電は地球環境に優しいクリーンエネルギであり、地球温暖化防止に大きく寄与するものである。火力、水力、風力や原子力のような従来の発電方式の経済性に近いところまで製造コストの低減が図れれば将来の有望なエネルギ源であり、本格的な普及が図れるものであると思料する。
【０００４】
波力（波浪）エネルギを電気エネルギとして取り出す公知の波浪エネルギ式変換システムは、
ａ）越波揚水方式（Ｔａｐｅｒｅｄ  Ｃｈａｎｎｅｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）
ｂ）振動水柱方式（Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ  Ｃｏｌｕｍｎ  Ｓｙｓｔｅｍ）
ｃ）運動物体方式（Ｍｏｖｉｎｇ  Ｂｏｄｙ  Ｔｙｐｅ）
の３つに分類される。
【０００５】
これら３つの方式における現在の主流は、図１に簡略的に示すような振動水柱方式（以下、ОＷＣ方式という。）である。振動水柱方式の波力発電装置１では、海水（水中）に係留された筒型形状の浮体２上に空気タービン３にて駆動される発電機４が設置される。浮体２は、水中（海中）で図示しないバラスト（重錘）により鉛直方向に浮遊状態に保持され、浮体２の浮力と発電機４やバラストの重力との関係で、浮体２の頂部側に空気室５が形成される。この空気室５は浮体２内の水柱（振動水柱）の往復動により発生する海（水）面の昇降により、空気室５の内部と外部との間で空気流が発生する。この空気流により空気タービン３が駆動される。
【０００６】
空気タービン３の駆動により発電機４が回転駆動され、振動水柱６の昇降に伴う波力エネルギは、発電機４から電気エネルギに変換されて外部に取り出される。
【０００７】
従来からОＷＣ方式に用いられる空気タービン３には、特許文献１および２に記載の「波力発電装置」ならびに特許文献３に記載の「波力発電用タービン」が存在する。
【０００８】
特許文献１に記載された波力発電装置は、波力発電用タービンとしてウェルズタービンを用いて発電機の回転方向を常に一定として構造の簡素化を図るものである。
【０００９】
また、特許文献２に記載された波力発電装置は、空気タービンに回転方向一定の衝動型タービンを用いてタービン回転軸方向と一定距離移動可能なフローティングノズルを組み合わせて構造の簡素化と性能の向上を図るものである。
【００１０】
さらに、特許文献３に記載された波力発電用タービンは、空気タービンのタービンケーシング内に中空円盤ボックス状のフローティングチェストを上昇位置と下降位置との間を昇降自在に設け、このフローティングチェスト内に静翼としてのノズルリング組立体を外周側に、動翼としての輻流型羽根車を内周側に対向させて設けたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２０１０１４号公報
【特許文献２】特開２００８−９５５６９号公報
【特許文献３】特開２０１１−７４８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１に記載の波力発電装置がウェルズタービンを採用しており、このウェルズタービンで低起動トルク特性や低効率特性を改善しようとすると、可変ピッチ案内羽根を取り付ける必要があり、取付構造が複雑となってコスト増を招く問題があった。
【００１３】
また、特許文献２に記載の波力発電装置は、羽根車に流入する空気流が反転しないラジアルフローであるが重要部品であるフローティングノズルの移動開始の時間に遅れがあり効率向上のネックとなっている。
【００１４】
この特許文献２に記載の波力発電装置は重要部品であるフローティングノズルの中に海面上昇時に機能する静翼と海面下降時に機能する静翼をそれぞれ専用に備えており、この二組の静翼は一方が羽根車に空気流を導く作用をしているとき、他方は前記羽根車をまわした後の空気を排出する通り道に位置していた為、排気の邪魔となっていた。このため、空気流の流れがスムースでなく、排気流路の流路抵抗も大きく、タービン駆動効率を向上させることが困難で、発電効率の向上を図る上で問題となっている。
【００１５】
特許文献３に記載の波力発電用タービンは、空気静翼機構を構成するフローティングチェスト内に静翼のノズルリング組立体と動翼の輻流型羽根車を収容させて組み立てる構成であるため、組立に困難性を伴ったり、フローティングチェスト全体がタービンケーシング内で上下動する昇降部材としての円盤中空ボックス状のフローティングチェストを収容しているために、衝撃音が発生する問題があったり、昇降部材にトラブルが生じ易く、トラブルが発生するとメンテナンスのためにタービン駆動効率が低下する虞があった。
【００１６】
本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、タービン構造や空気流の流路構造を簡素化して製作・設置コストを低減させ、メンテナンス性、安全性に優れ、タービン駆動効率を向上させた波力発電用タービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明に係る波力発電用タービンは、上述した課題を解決するために、波力発電装置の発電機を駆動する波力発電用タービンにおいて、筒状形状の浮体の頂部に設けられ、この浮体内で振動水柱上に形成される空気室と外気とを連通させ、分割可能に組み立てられるタービンケーシングと、このタービンケーシング内に組み付けて固定された上下２分割可能な中空円盤状中仕切組立体と、前記中仕切組立体内の外周側に設置された静翼としてのノズルリング組立体と、このノズルリング組立体の内周側に対向して設置され、その吹出し空気流により回転駆動されるタービン軸と回転一体の動翼としての羽根車と、前記ノズルリング組立体の外周側に昇降可能なフローティングシャッタを設置し、外気からの空気流と前記空気室からの空気流を選択的に切り換えて流入させる空気流制御機構とを備え、前記中仕切組立体の外周部に流入された空気流は前記ノズルリング組立体および前記羽根車を経て一方向の内向流として案内されることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る波力発電用タービンの組立方法は、上述した課題を解決するために、本体下部ケーシング内に下方カバー円板を収納して前記本体下部ケーシングの内周壁に下部仕切ディスクを嵌め合せ、嵌め合された前記下部仕切ディスク上にトーラス状のノズルリング組立体を設けるとともに、前記ノズルリング組立体の内周側および外周側に羽根車アッセンブリおよびフローティングシャッタをそれぞれ設置し、前記フローティングシャッタ、前記ノズルリング組立体および前記羽根車アッセンブリを上方から覆うように上部仕切ディスクを被せ、前記上部仕切ディスク上に上部カバー円板を納めて、前記上部仕切ディスクを本体上部ケーシングの内周壁に嵌め合せ、前記本体下部ケーシングと本体上部ケーシングとの両フランジ部を合せて結合させ、タービンケーシングを組み立てることを特徴とする組立方法である。
【００１９】
さらに、本発明に係る波力発電用タービンの組立方法は、上述した課題を解決するために、請求項６に記載の波力発電用タービンの組立方法により地上にて組み立てられた波力発電用タービンは、海上の浮体設置場所に船で搬送され、前記波力発電用タービンを海上設置の浮体の頂部に着脱可能に設置し、前記波力発電用タービン上に発電機を設置することを特徴とする組立方法である。
【００２０】
さらにまた、本発明に係る波力発電用タービンの運転方法は、上述した課題を解決するために、海上の浮体頂部に波力発電用タービンを設置し、前記浮体内の空気室に流出入する海水により海面が昇降し、振動水柱が上下動する波力発電用タービンの運転方法において、前記海面上昇に伴う前記振動水柱の上昇により、前記空気室内の空気流は下方カバー円板および上方カバー円板を押し上げて、タービンケーシング内に組み付けて固定された中仕切組立体の底部流出口を閉塞させ、かつその頂部流出口を開放させる一方、空気流制御機構のフローティングシャッタを押し上げて、前記中仕切組立体の下部流入口を開放させて、その上部流入口を閉塞させ、前記海面下降に伴う前記振動水柱の下降により、大気中の空気流は、前記空気流制御機構のフローティングシャッタを下降させて前記中仕切組立体の上部流入口を開放させ、かつその下部流入口を閉塞させる一方、前記上方カバー円板および下方カバー円板が下降して前記中仕切組立体の頂部流出口を閉じて、その底部流出口を開放させ、前記海面の上昇時に前記下部流入口から流入チャンバに流入した空気流、および前記海面の下降時に前記上部流入口から前記流入チャンバに流入した空気流は、静翼としてのノズルリング組立体から動翼としての羽根車を経て流出チャンバに一方向の内向流として案内され、タービン軸を回転させることを特徴とする運転方法である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、タービン構造や空気流の流路構造を簡素化して軽量化させ、コンパクトなカセット式に構成でき、製作・設置コストを低減させることができ、波力発電用タービンを分解可能に組み立てて、メンテナンス性を向上させることができる。
【００２２】
また、海面上昇時や海面下降時に、浮体内の空気室に大気中の空気流が流出入するが、中仕切組立体内設置のノズルリング組立体および羽根車を通る空気流は一方向の内向流で羽根車を安定的に回転させ、タービン軸を年中無休で稼動率１００％で連続的かつ安定的に回転駆動させることができ、タービン稼動効率を向上させることができるとともに、羽根車の回転方向を一様に設計でき設計自由度が向上し、簡素化される。
【００２３】
さらに、タービンケーシングおよび中仕切組立体は、分割可能に組み立てられるので、タービンケーシング内に中仕切組立体、静翼としてのノズルリング組立体、動翼としての羽根車の組立や分解が容易となり、簡素化されるので、製作・設置コストを低減させることができ、メンテナンス性が向上する。
【００２４】
加えて、空気流制御機構は、中仕切組立体の流入チャンバ内をフローティングシャッタが昇降するだけで空気流の切換を行なうことができ、しかもフローティングシャッタは空気流の作用で衝撃音もなく安定的に昇降作動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来の振動水柱方式の波力発電装置の簡単な原理を示す図。
【図２】波力発電用タービンを備えた波力発電装置の原理を示す簡略的な構成図。
【図３】波の運動に伴う海水（水）の深さによる変化を説明する概略図。
【図４】本発明に係る波力発電用タービンの実施形態を示すもので、波力発電用タービンを備えた波力発生装置の簡略的な構成図。
【図５】本発明に係る波力発電用タービンの第１実施形態を示すもので、空気室内の空気を大気中に放出するときの縦断面図。
【図６】本発明に係る波力発電用タービンの第１実施形態を示すもので、大気中の空気を空気室に流入させるときの縦断面図。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う平断面図。
【図８】図５および図６の波力発電用タービンに備えられる輻流型羽根車を示す斜視図。
【図９】本発明に係る波力発電用タービンの第２実施形態を示すもので、空気室内の空気を大気中に放出するときの縦断面図。
【図１０】本発明に係る波力発電用タービンの第２実施形態を示すもので、大気中の空気を空気室に流入させるときの縦断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明に係る波力発電用タービンの実施の形態について添付図面を参照して説明する。
【００２７】
［波力発電の原理］
本発明に係る波力発電用タービンの実施形態を説明する前に、波力発電の原理を説明する。
【００２８】
図２は本発明に係る波力発電用タービンを備えた波力発電装置１０の発電原理を示す概略的な構成図を示す。
【００２９】
図２に示すように、波力発電装置１０は海上（水上）に係留可能に設けられた浮体１１と、この浮体１１上に配設された発電手段としての発電機１２とを有する。浮体１１は例えば樹脂製で細長い円筒形状に構成され、海水中に配置される。浮体１１の中程には浮力Ｆを得るための浮力調整室１３が設けられ、浮体１１の下端部は下方に開放されており、海水が自由に出入りできるようになっている。浮体１１の最下部には浮体１１の重力Ｇを調整する重錘としてのバラスト１４が設けられ、このバラスト１４により浮体１１をほぼ鉛直状態に安定的に保持するようになっている。バラスト１４は、浮体１１の上下動（昇降）を効率よく抑制するため、円環状あるいは外周フランジ状に形成される一方、バラスト１４の外周部からスリーブ状突起部１５が垂設される。
【００３０】
また、浮体１１の浮力調整室１３の上端部は中仕切板１６により内部が仕切られ、仕切られた中仕切板１６の上部は側面に複数の開口１７が形成され、この開口１７を通じて海水が出入りでき、振動水柱２０を構成するようになっている。浮体１１内で振動水柱２０の水（海）面から上の部分は、空気室（エアチャンバ）１８を構成している。
【００３１】
空気室１８を仕切る海面は、周囲の波の振幅により所要の位相差を持って昇降しており、浮体１１内の振動水柱２０を所定の周期で上下動している。このようにして、浮体１１内の上部に振動水柱２０が構成される。浮体１１内の振動水柱２０は所定の周期例えば７秒〜８秒で海（水）面が上下動せしめられる。浮体１１内の下部、すなわち、浮力調整室１３の下方の水柱は上下動せず、固定水柱２１を形成している。
【００３２】
一方、浮体１１の頂部には、波力発電用タービンを構成する空気タービン２５が配設される。空気タービン２５のタービン軸２６は、発電機１２の回転軸に直接あるいはカップリングを介して連結される。
【００３３】
この波力発電装置１０において、浮体１１は浮力Ｆと重力Ｇの釣合いにより、空気室１８に所定の空間を残して浮体１１の頂部が海面から上方に突出するように、海（水）中に設置される。また、波の上下動に伴って水面が上下動する際にも、水中の深い部分では、図３に示すように、表面波の影響を受けずに水が殆ど静止している。
【００３４】
水中の深い部分では、浮体１１が浮力Ｆと重力Ｇとの差によって上下に動かされる水の抵抗が大きくなるように、円環状あるいは外周フランジ状バラスト１４や外周スリーブ状突起１５が設けられる。
【００３５】
反対に、海の表面付近では、図２に示すように、上下動する波によって浮体１１内に開口１７を通して海水が出入りされる。このとき、浮体１１の上部側では、海水の昇降に伴う上下方向の力が最小となるように凹凸のない筒形状に形成される。
【００３６】
また、波長が水（海水）の深さに較べて小さい場合には、水（海）面の各点は、図３に示すように、鉛直面内で波の振幅に等しい半径の円運動を行ない、水面下の水の各点も円運動を行なうが、その半径は水面から中に入るに従って急に小さくなり、半波長程度以上の深さでは、殆ど動かないことが知られている。例えば、我国近海の海水の振幅は１．６ｍ程度、一般に太平洋側で１．８ｍ〜２．０ｍ、日本海側は太平洋側より小さい振幅である。
【００３７】
図２に示される波力発電装置１０においては、波の上下動に伴って上下方向の力による浮体１１の上下動はほぼ抑制され、浮体１１は慣性により最初に設置した姿勢を維持しようとする。
【００３８】
また、浮体１１の上部空間（空気室）１８に入り込む海水は、出入りの流体抵抗が無視できる程度に充分な開口面積を設けてある。そのために、空気室１８の海面は、波の上下動に伴って上下方向に変動し、その変動に伴って浮体１１に対して相対的に空気室１８と大気中の外気との間で空気タービン２５を介して空気のやりとりが行なわれる。
【００３９】
すなわち、海水の流出入により浮体１１内の水面、すなわち振動水柱２０の水面が上下動し、空気室１８の空気が空気タービン２５を通して外部（大気中）に出入りされる。
【００４０】
浮体１１の下端部は下方に開放されており、浮体１１内に海水が自由に出入りできる。浮体１１の最下部には浮体１１の重力Ｇを調節するバラスト１４が設けられ、このバラスト１４により海中（水中）で浮体１１を略鉛直状態に保持することができる。バラスト１４は、浮体１１の昇降（上下動）を抑制するために円環状あるいは外周フランジ状に構成され、必要に応じてスリーブ状突起１５の助けを受ける。
【００４１】
他方、波力発電装置１０の浮体１１は頂部が海面から上方に突出しており、海面上に突出する浮体１１の頂部には、波力発電用タービンを構成する空気タービン２５およびこの空気タービン２５により回転駆動される発電手段としての発電機１２が設けられる。発電機１２の発電作用により得られた電力は図示しない電力ケーブルを介して外部に取り出される。
【００４２】
この波力発電装置１０において、浮体１１は浮力Ｆと重力Ｇとの釣合いにより、空気室（エアチャンバ）１８に所定の空間を残すように海中に設置される。また、波の上下動に伴って水面が上下動しても、浮体１１は安定的に静止状態に保たれるように、浮体１１の下端部にバラスト１４が設けられる。このバラスト１４は好ましくは円環（リングあるいはトーラス）状あるいは外周フランジ状に構成される。
【００４３】
波の上昇に伴って空気室１８の海面が上昇すると、波力発電装置１０の空気室１８内空気は浮体１１の上端開口部より外部へ流出する。また、波の下降に伴って空気室１８の海面が下降すると、浮体１１の上端開口部より空気室１８が負圧となって外気が流入する。波力発電装置１０は空気室１８への空気の流出入により空気タービン２５が駆動され、発電機１２が回転駆動して発電が行なわれる。
【００４４】
一方、空気タービン２５は、空気室１８から空気が外気中に流出されるとき、また、空気室１８に空気（外気）が流入するとき、回転翼である動翼２７は、いずれの場合にも、後述するように同一方向に内向流となって回転（タービン）駆動される。空気タービン２５は、波の上下動に伴い、空気室１８に流出入する空気流により、動翼２７は同一方向に回転駆動される。
【００４５】
空気タービン２５の回転駆動力は、タービン軸２６を介して発電機１２に伝達され、この発電機１２を回転駆動させる。発電機１２の回転駆動により、発電が開始され、外部に必要な電力が取り出される。
【００４６】
この波力発電装置１０は、波の上下動いずれの場合にも、波力発電用タービンを駆動させて発電作用を行なうことができ、年中無休で波のエネルギを電気エネルギに効率よく能率的に変換することができる。
【００４７】
［第１の実施形態］
本発明に係る波力発電装置の第１実施形態を図４ないし図８を参照して説明する。
【００４８】
図４は、本発明に係る波力発電装置に備えられる波力発電用タービンを簡略的に示す構成図である。図２に示される波力発電装置１０と同じ構成には同一符号を付して説明する。この波力発電用タービンは輻流型空気タービン２５を構成する。この空気タービン２５を備えた波力発電装置１０は、プラスチック等の樹脂材料あるいはステンレス鋼等の鋼鉄材料で形成された細長い円筒形状の浮体１１を有する。
【００４９】
浮体１１は海上（水上）に係留ケーブル、ワイヤあるいはリンク部材３０により陸地あるいは船体に係留可能に設けられる。浮体１１は岸壁に固定された円筒形状の筐体で構成してもよい。筐体を固定した場合には、固定水柱２１やバラスト１４等は不要となる。
【００５０】
浮体１１は、筒状ブロック３１を着脱自在に連結して組み立てることができ、所要数の筒状ブロック３１を円柱形状に組み立てることにより、軸方向長さを調節することができる。浮体１１は直径Ｄが数１０ｃｍ〜数ｍ、好ましくは１ｍφ程度に構成され、軸方向長さＬが数１０ｍ、例えば２０ｍ程度に形成される。
【００５１】
浮体１１の途中には、浮力Ｆを調節する浮力調整室１３が設けられ、この浮力調整室１３の上端部は有底筒状ブロックあるいは中仕切板１６により仕切られる。
【００５２】
仕切られた中仕切板１６の上部に空気室１８が形成される一方、複数の開口１７が浮体１１の側壁に周方向に形成され、開口１７を通じて浮体１１内に海水が出入りされ、浮体１１内で海面（水面）が上下動する振動水柱２０を構成している。
【００５３】
また、浮体１１の頂部に波力発電装置１０が設置される。波力発電装置１０は発電手段としての発電機１２と波力発電用タービンを構成する輻流型空気タービン２５とが設けられる。この空気タービン２５は浮体１１の頂部に着脱自在に据え付けられ、固定される。空気タービン２５内には、タービン軸２６に固定された動翼２７が設けられ、タービン軸２６の回転を発電機１２に伝達されるようになっている。
【００５４】
浮体１１の頂部に着脱自在に据え付けられる空気タービン２５は、図５ないし図７に示すようにカセット式に構成される。空気タービン２５は、浮体１１の頂部に据え付けられるタービンケーシング３５を有する。タービンケーシング３５は、天板（蓋）付き筒状の本体上部ケーシング３６と有底筒状の本体下部ケーシング３７とから上下２分割構造に構成される。本体上部ケーシング３６と本体下部ケーシング３７とを合せてタービンケーシング３５が構成される。タービンケーシング３５はケーシング内部にチャンバ３８を形成している。
【００５５】
タービンケーシング３５内には、図５および図６に示すように、全体として略中空円盤ボックス状をなす中仕切組立体４０が上下２分割可能に設置される。中仕切組立体４０は、それぞれ上部仕切ディスク４１と下部仕切ディスク４２とを間隔を置いてタービンケーシング３５内に組み付けて構成され、内部には静翼を構成するノズルリング組立体４３が外周側に、動翼を構成する輻流型羽根車２７が内周側にそれぞれ配設され、同心状に構成される。タービンケーシング３５および中仕切組立体４０は、強化プラスチックや繊維強化樹脂等のプラスチック材料、または繊維強化金属材料、繊維強化複合材料で一体的に構成される。
【００５６】
上部仕切ディスク４１は本体上部ケーシング３６の内周壁に嵌り合う筒状の上部スリーブ部４１ａが外周側に、中央部にはボス状の筒状スリーブ部４１ｂがそれぞれ一体に設けられる。また、下部仕切ディスク４２は、本体下部ケーシング３７の内周壁に嵌り合う筒状の下部スリーブ部４２ａが外周側に、中央部にはボス状の筒状スリーブ部４２ｂがそれぞれ一体に設けられる。ボス状の筒状スリーブ部４１ｂ，４２ｂは、上部仕切ディスク４１および下部仕切ディスク４２と別体に構成してもよい。
【００５７】
また、中空円盤ボックス状の中仕切組立体４０は、上部仕切ディスク４１および下部仕切ディスク４２の各外周部に流入口４５，４６がそれぞれ周方向に沿って設けられる。流入口４５，４６は上部仕切ディスク４１および下部仕切ディスク４２の周方向に沿って複数個それぞれ形成される。上部仕切ディスク４１および下部仕切ディスク４２の各流入口４５，４６は、昇降可能なフローティング（浮動）シャッタとしてのシャッタリングプレート４７で選択的に覆われる。シャッタリングプレート４７はリング状あるいはワッシャ状をなし、上部の流入口４５と下部の流入口４６の間を昇降自在にフローティングしてシャッタ機能を有し、両流入口４５，４６のいずれか一方を選択的に閉塞している。シャッタリングプレート４７は、薄い樹脂材料で形成されて空気流の流入方向を選択的に切り換えるものである。
【００５８】
中仕切組立体４０は、上部および下部の流入口４５，４６間に流入チャンバ５１が形成される。中仕切組立体４０を構成する上部仕切ディスク４１の流入口４５および下部仕切ディスク４２の流入口４６とフローティングシャッタとしてのシャッタリングプレート４７とが協働して空気流制御機構３９が構成される。
【００５９】
また、中仕切組立体４０は、上部および下部の流入口４５，４６の半径方向内周側にリング状の収納凹部が対向してそれぞれ形成され、対向する収納凹部に静翼を構成するノズルリング組立体４３が収められ、固定される。
【００６０】
ノズルリング組立体４３は、対をなすノズルリング上板４８とノズルリング下板４９との間に多数のノズルブレード５０が周方向に列状に設けられて一体に組み立てられる。多数のノズルブレード５０は、図７に示すように、周方向に沿って等ピッチに配設される。各ノズルブレード５０は、平面視で外周側の流入（吸気）チャンバ５１のノズル入口からノズルブレード５０を経て内周側のノズル出口に向けて、放射方向に対し所要の角度をなして反時計方向内方を向くように配設される。
【００６１】
具体的には、静翼を構成するノズルリング組立体４３は、外周側のノズル入口側から内周側のノズル出口側に向って、図７の平面視で反時計方向内方に旋回する一方向の渦巻き状空気流が生ずるように配設される。
【００６２】
さらに、ノズルリング組立体４３の内周側に対向して、動翼を構成する輻流型羽根車２７が回転自在に設けられる。羽根車２７は、図５および図６に示すように、ロータハブとしてのボス部６４が発電機のタービン軸２６に回転一体に設けられ、中仕切組立体４０内に収納される。タービン軸２６は、タービンケーシング３５の中央部に上下方向に設けられ、上方の筒状スリーブ部４１ｂと下方の筒状スリーブ部４２ｂに軸受５３を介して回転自在に支持され、羽根車アッセンブリ６８が構成される。
【００６３】
輻流型羽根車２７は、動翼の内周側にトーラス状あるいはドーナツ状の中空部が流出チャンバ５４として上部支持ディスク６１および下部支持ディスク６２間に形成される。この流出チャンバ５４の上下部に流出口５５，５６がそれぞれ設けられる。上下部の流出口５５，５６に対向して、中仕切組立体４０の上部仕切ディスク４１、下部仕切ディスク４２に、頂部流出口５７および底部流出口５８がそれぞれ形成される。頂部流出口５７は、上方カバー円板（ディスク）５９で上方から選択的に覆われる一方、底部流出口５８は下方カバー円板（ディスク）６０で下方から選択的に覆われる。上方カバー円板５９および下方カバー円板６０は、タービンケーシング３５内で筒状スリーブ部４１ｂ，４２ｂにそれぞれ案内されて昇降し、大気中への流出時には図５に示すように、下方カバー円板６０が底部流出口５８を閉塞し、上方カバー円板５９は空気流の作用で上動して上部の流出口５５および頂部流出口５７は開放される。また、大気からの流入時には、上方カバー円板５９は自重作用および空気流の風圧により下降して頂部流出口５７を覆って閉塞し、下方カバー円板６０は自重作用により下部の流出口５６および底部流出口５８を開放させる。
【００６４】
また、動翼としての羽根車２７は、全体的に円盤状あるいはトーラス状に形成され、タービン軸２６廻りに回転自在に設けられる。羽根車２７のロータリブレード６３は、上部支持ディスク６１と下部支持ディスク６２間に配設され、静翼を構成するノズルリング組立体４３の各ノズルブレード５０に対向して内周側に多数配列される。各ロータリブレード６３は、羽根車２７の外周に沿って周方向に等ピッチに、かつ図７に示す平面視で半径方向内方側が所要の角度だけ放射方向に対し時計方向内側を向くように配設される。しかも、羽根車２７は図７の平面視において、空気の流れが反時計方向Ａへの旋回流が生じるように設けられる。
【００６５】
動翼としての輻流型羽根車２７は、全体的に中空円盤状タービンロータを構成しており、円板状タービンロータの外周部に、ノズルブレード５０に対向するロータリブレード６３が周方向に等ピッチで配設されている。
【００６６】
また、羽根車２７は図８に示すように、上部支持ディスク６１および下部支持ディスク６２が中央のボス部６４に一体に固定され、上部支持ディスク６１と下部支持ディスク６２とにより両持ち（両面）支持される。羽根車２７は、ロータ両面支持構造に構成されてタービン軸２６廻りに安定的に回転自在に支持される。
【００６７】
一方、タービンケーシング３５の頂部には複数の頂部開口６５が大きな開口面積を有して形成される。タービンケーシング３５の底部には、複数の底部開口６６が大きな開口面積を有して形成される。これらの頂部開口６５および底部開口６６を通して大気中の空気は、図４に示す浮体１１内の空気室１８に空気タービン２５を通して流出入される。空気タービン２５が空気室１８内の空気を大気中に流出入させる場合、空気流の流れは中仕切組立体４０内で外周の静翼側から内周の動翼側への、常に一方向の流れ（内向流）となる。動翼である輻流型羽根車２７の回転によりタービン軸２６が回転駆動され、発電機１２を起動して回転させるようになっている。
【００６８】
（波力発電用タービンの組立）
次に、波力発電装置における波力発電用タービン２５の組立について説明する。
【００６９】
波力発電装置１０の波力発電用タービン２５は、浮体１１が海上に係留ケーブルを介して設置されるが、波力発電タービンである空気タービン２５の組立は地上にて行なわれる。
【００７０】
空気タービン２５を組み立てる場合には、タービンケーシング３５、中仕切組立体４０および静翼であるノズルリング組立体４３、動翼である輻流型羽根車２７等を用意する。
【００７１】
初めに、タービンケーシング３５の本体下部ケーシング３６を地上に設置する。そして、本体下部ケーシング３７内に下方カバー円板６０を収納して下部仕切ディスク４２を上方から本体下部ケーシング３７に挿入する。下部仕切ディスク４２は本体下部ケーシング３７内に嵌め合せて設置される。
【００７２】
次に、本体下部ケーシング３７に収容され、セットされた下部仕切ディスク４２上に静翼を構成するノズルリング組立体４３を外周側に、動翼を構成する輻流型羽根車２７を内周側にそれぞれ設置する。ノズルリング組立体４３の外周側に空気流制御機構３９のリング状のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７が設置される。予め組み立てられたノズルリング組立体４３は、下部仕切ディスク４２の周方向の収納凹部上にセットされる。また、羽根車２７もタービン軸２６と軸受５３，５３とともに予め羽根車アッセンブリ６８が組み立てられており、この羽根車アッセンブリ６８がノズルリング組立体４３の内側にセットされ、組み込まれる。
【００７３】
そして、下部仕切ディスク４２上に設置されたフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７、ノズルリング組立体４３および輻流型羽根車２７を上方から覆うように上部仕切ディスク４１が設けられる。さらに、上部仕切ディスク４１上に上方カバー円板５９を設置して上部仕切ディスク４１の頂部流出口５７を覆うように設けられ、この上部仕切ディスク４１を格納するように本体上部ケーシング３６が上方から嵌め合されてタービンケーシング３５が構成される。嵌め合されたタービンケーシング３５は本体上部ケーシング３６と本体下部ケーシング３７の外周フランジ部をボルトナット等の締結手段（図示せず）で締結することにより、タービンケーシング３５が組み立てられ、空気タービン２５が一体的に構成される。
【００７４】
組み立てられた空気タービン２５は、タービンケーシング３５内に収容された羽根車２７がタービン軸２６廻りに回転自在に支持される。この空気タービン２５は、羽根車２７の外径が数１０ｃｍφ〜１ｍφ程度で、重量が４０ｋｇ〜数十ｋｇ程度、例えば５０ｋｇ程度に設置される。空気タービン２５は、カセット式で、浮体１１の頂部に着脱自在に据え付けられる。
【００７５】
図５に矢印で示すように、海面上昇により振動水柱２０の上昇により、空気流が浮体１１内の空気室１８からタービンケーシング３５内に流入する場合には、下方カバー円板６０が空気流の作用で上動して中仕切組立体４０の底部流出口５８を閉じ、上方カバー円板５９は空気流の作用により、重力作用に抗して筒状スリーブ部４１ｂにガイドされて押し上げられ、中仕切組立体４０の頂部流出口５７を開口させる。
【００７６】
また、図６に示すように、海面下降により振動水柱２０が下降してタービンケーシング３５内に外気からの空気流が流入する場合には、上方カバー円板５９は自重と空気流の流れにより下降し、中仕切組立体４０の頂部流出口５７を閉じる。このときには、下方カバー円板６０は同様にして下降し、中仕切組立体４０の底部流出口５８を開口させる。空気流制御機構３９のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７は流入口４５から流入する空気流の作用と自重によりタービンケーシング３５の内周壁に沿って下降し、上部の流入口４５を開放させる一方、下部仕切ディスク４２の流入口４６を覆い、下部の流入口４６を閉じる。
【００７７】
したがって、空気タービン２５は、空気流が図５に示すように空気室１８（図４参照）から大気中に流出する場合には、中仕切組立体４０は頂部流出口５７が開口し、底部流出口５８が閉じられる。したがって、空気室１８内の空気流は、流入チャンバ５１からノズルリング組立体４３および回転翼（羽根車）５０を通って内周側に一方向の内向流となって流入し、上部の流出口５５から中仕切組立体４０の頂部流出口５７と上部開口６５を通して大気中に流出する。
【００７８】
また、図６に示すように空気室１８に流入する空気流が生じる場合には、中仕切組立体４０の頂部流出口５７が閉じ、底部流出口５８が開く。さらに、シャッタリングプレート４７は上部仕切ディスク４１の流入口４５を開き、下部仕切ディスク４２の流入口４６を閉じる。この場合には、中仕切組立体４０の底部流出口５８を通して羽根車２７を回転駆動させた外気が流出口５６，５８、底部開口６６を経て空気室１８に主に流入するようになっている。
【００７９】
この波力発電装置１０は、図５に示すように、空気室１８の空気が大気中に流出する場合も、また、図６に示すように、外気が空気室１８に流入する場合にも、タービン軸２６方向に沿う空気の往復流の（流出入）方向如何に関わらず、空気流は静翼から動翼側への半径方向内方への一方向の内向流となって、空気タービン２５は常に一定の方向に安定的に回転し、タービン駆動されるようになっている。
【００８０】
このように、地上に組み立てられた波力発電用タービンは、主要な構成部品であるタービンケーシング３５、中仕切組立体４０、静翼であるノズルリング組立体４３、動翼である羽根車２７および空気流制御機構３９のフローティングシャッタ４７、上方および下方のカバー円板５９，６０はいずれもプラスチック等の樹脂材料、例えば、ＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂で構成することができる。この場合には、動翼である羽根車２７はチタン等の軽金属材料で形成してもよい。
【００８１】
このため、波力発電用タービン２５は、羽根車２７の直径が数１０ｃｍ〜１ｍ程度のものでも、全体重量が数１０ｋｇ、例えば６０ｋｇ以下と軽量化させることができ、しかも、波力発電用タービン２５は、カセット式で軽量構造であるため、船で海上設置の浮体１１上に搬送して、この浮体１１に容易に着脱自在に据え付けることができる。
【００８２】
したがって、波力発電用タービン２５はカセット式の軽量構造で浮体１１上に着脱自在に据え付けることができる。しかも、波力発電用タービン２５は軽量構造であるため、搬送が容易であり、メンテナンスは地上で分解修理を安定して簡単に行なうことができる。
【００８３】
波力発電用タービン２５を浮体１１上に据え付けても、この浮体１１からの取外しも容易であるために、波力発電用タービン２５は主要な構成部品と安価な樹脂材料で構成でき、例えば１年〜２年に１回のメンテナンスを簡単かつ容易に行なうことができる。
【００８４】
（波力発電用タービンの作用）
次に、波力発電装置１０に備えられる波力発電用タービンの作用を説明する。
【００８５】
波力発電装置１０は、海の波の上下運動に基づく波力（波浪）エネルギを電気エネルギに変換して取り出す波力発電に用いられ、波浪エネルギ変換システムとして機能する。波力発電装置１０は浮体１１の海上に浮上する部分に着脱可能に据え付けられる。
【００８６】
波力発電装置１０には、浮体１１の頂部に据え付けられる波力発電用タービンとしての空気タービン２５を備える。この空気タービン２５は浮体１１の上部に形成される空気室１８内の空気の出入りにより生じる空気流によって回転駆動され、タービン軸２６を介して発電機１２を駆動させ、発電に供するようになっている。
【００８７】
この空気タービン２５は、海面の昇降によって生じる振動水柱２０（図４参照）の上下動により、空気室１８の内部と外部（大気中）との間に発生する空気の往復流を利用し、この空気流により空気タービン２５を回転駆動させるものである。すなわち、振動水柱２０の上下動により発生する空気流を利用して空気タービン２５を回転駆動させるものである。
【００８８】
図４において、海の波の上昇により、浮体１１内の空気室１８にその開口１７を通して海水が流入すると、空気室１８内の振動水柱２０の海面（水面）が上昇する。この振動水柱２０の海面上昇により発生する空気流の作用により、図５に示すように、下方カバー円板６０は押し上げられて中仕切組立体４０の底部流出口５８を閉鎖し、それに少し遅れて空気流制御機構３９のシャッタリングプレート４７も上昇し、フローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７は図５に示すように上昇位置にセットされる。この上昇位置でシャッタリングプレート４７は海面上昇による空気流を、下部の流入口４６からノズルリング組立体４３に導くようにセットされ、外周側の流入チャンバ５１から静翼であるノズルリング組立体４３を通り、動翼である内周側の輻流型羽根車２７に一方向の内向流（旋回流）として案内され、この羽根車２７を回転駆動させる。
【００８９】
ノズルリング組立体４３の各ノズル口は空気流を動翼を構成する輻流型羽根車２７の外周部に向けて、放射方向内側に、具体的には半径方向に対し反時計方向に所要の角度をなして吹き出させる。この吹出しにより羽根車２７は図７において矢印Ａ方向（反時計方向）に回転せしめられ、タービン軸２６を回転駆動させる。
【００９０】
タービン軸２６の回転駆動により、発電機１２が駆動されて発電に供される。発電機１２の発電により得られた電力は図示しないケーブルを介して外部に取り出される。
【００９１】
また、動翼としての羽根車２７を回転駆動した空気流は、続いて図５に示すように羽根車２７の上部の流出口５５から中仕切組立体４０の頂部流出口５７や頂部開口６５を経て大気中に放出される。
【００９２】
浮体１１内に形成される振動水柱２０の上昇運動が停止すると、上方カバー円板５９は自重により中仕切組立体４０の開口部５７を閉鎖するように下方に摺動する。この下降ストロークは、外気が空気タービン２５を介して（負圧状態の）空気室１８に流入する場合には、その空気流および負圧の作用による押下げ作用で助長され、図６に示すように、空気流制御機構３９のシャッタリングプレート４７が下降位置にスムーズに案内されてセットされ、外気からの空気流は流入口４５を経て流入チャンバ５１に案内される。
【００９３】
流入チャンバ５１に空気流が案内された状態で、振動水柱２０の海面がさらに下降すると、空気室１８は負圧となって、外気は、タービンケーシング３７の頂部開口６５からケケーシングチャンパ３８を経て中仕切組立体４０の頂部流入口４５から流入チャンバ５１および静翼を通り動翼を構成する羽根車２７に吹き出される。
【００９４】
羽根車２７に吹き出される外気（空気流）は、ノズルブレード５０の吹出角度が図７に示すように半径方向内方に対し反時計方向を向くので、動翼の羽根車２７は反時計方向に回動し、タービン軸２６を介して発電機１２を回転駆動させる。
【００９５】
羽根車２７を回転駆動させた外気は、続いて図６に示す羽根車２７から流出チャンバ５４を通り、下部の流出口５６，５８からタービンケーシング３５の底部開口６６を経て空気室１８内に流入せしめられる。
【００９６】
すなわち、空気タービン２５の動翼である羽根車２７は、浮体１１の空気室１８から空気流が大気中に流出する場合も、外気が空気タービン２５を通して空気室１８に流入する場合にも、図７の平面視において、羽根車２７は常に同じ矢印Ａで示す一方向に旋回する内向流となって回転せしめられる。つまり動翼は、海面の昇降に関わらず常に矢印Ａ方向に回転駆動させることができる。
【００９７】
浮体１１の空気室１８内の空気流は、このようにして、波の上下動により、年中無休で流出入が繰り返され、振動水柱２０は波の振幅と所要の位相差をもって上下動せしめられる。空気流の流出入が生じても、空気タービン２５の羽根車２７は常に同じ方向に回転駆動されるので、羽根車２７の回転駆動を能率的にかつ効率よく行なうことができる。
【００９８】
さらに、波力発電装置１０の発電機１２を駆動させる波力発電用タービン２５は、筒状形状の浮体１１の頂部に設けられる。波力発電用タービン２５は、浮体１１内で振動水柱２０上に形成される空気室１８を大気中外気と連通させるタービンケーシング３５と、このタービンケーシング３５内に格納され、静翼としてのトーラス状のノズルから吹き出される空気流により回転駆動される軸流型羽根車２７とを有する。羽根車２７はタービン軸２６と回転一体に設けられて動翼として機能する。
【００９９】
静翼としてのノズルリング組立体４３はタービンケーシング３５内に格納されて固定される。ノズルリング組立体４３に対して、空気流制御機構３９はフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７のみをタービンケーシング３５内に昇降自在に設けられる。この空気流制御機構３９のシャッタリングプレート４７は、タービンケーシング３５内で上部流入口４５を下方から覆う上昇位置と下部流入口４６を上方から覆う下降位置との間をタービンケーシング３５の内周壁に案内されて昇降可能に設けられる。
【０１００】
中仕切組立体４０は、薄肉で軽量リング構造の空気流制御機構３９のシャッタリングプレート４７が流入チャンバ５１内に水平方向に設けられて上部の流入口４５および下部の流入口４６を選択的に覆い、仕切っている。波が上昇するとき、下部流入口４６から流入する空気流によりフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７は押し上げられて上部流入口４５を覆って閉塞させる。波が下降するとき、上部流入口４５から流入する大気中からの空気流と、自重により薄肉軽量構造のシャッタリングプレート４７は下降して下部流入口４６を覆って閉塞させる。いずれにしても、空気流制御機構３９は、フローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７が中仕切組立体４０の流入チャンバ５１内を昇降するだけで、中仕切組立体４０はタービンケーシング３５内に固定されて収納される。空気流制御機構３９は中仕切組立体４０の流入チャンバ５１に空気流が上部流入口４５から流入するか、下部流入口４６から流入するのか、空気流の流入方向を選択的に切り換えるようになっている。
【０１０１】
また、中仕切組立体４０はタービンケーシング３５内に固定された静的構成であるので、空気室１８から流出する空気流により上昇したり、空気室に流入する空気流により下降する動的機構は存在しない。
【０１０２】
中仕切組立体４０の頂部側と底部側に２枚のカバー円板５９，６０が頂部および下部の流出口５７，５８を選択的に覆うように設けられる。このカバー円板５９，６０は自重と空気流によりシャッタリングプレート４７の動きに先行して昇降し、中仕切組立体４０の内周側開口部である頂部流出口５７または下部流出口５８を選択的に閉鎖させる。中仕切組立体４０はタービンケーシング３５に格納されて固定されており、不安定な昇降動作を不要にしている。
【０１０３】
なお、この空気タービン２５において、シャッタリングプレート４７が昇降し、上昇位置にきたとき、中仕切組立体４０の底部流出口５８は空気室１８からの空気流により上昇する下方カバー円板６０により閉塞される（図５参照）。また、シャッタリングプレート４７が下降し、下降位置をとるとき、中仕切組立体４０の頂部流出口５７は外方からの空気流により下降する上方カバー円板５９により閉塞される（図６参照）。
【０１０４】
また、この波力発電装置１０は、空気流の流れの方向が反転しても、固定設置の中仕切組立体４０を備えた空気タービン２５を用いることにより空気流制御機構３９はシャッタリングプレート４７の昇降作用だけでよく、中仕切組立体４０は静的構成で昇降を不要とするので設計の自由度が飛躍的に増大し、高効率で能率的な発電が可能になる。
【０１０５】
さらに、図４に示される水柱振動方式の波力発電装置１０において、波力発電用タービン２５を適宜配列あるいは配置された個々の浮体１１上に１台または複数台ずつ搭載し、各タービンケーシング３５内を空気流制御機構３９のフローティングシャッタにより上部および下部の流入口４５，４６を順次連動させて開閉作動させてもよい。
【０１０６】
この場合には、個々の浮体１１の空気室１８の圧力変動に応じて上部および下部の流入口４５，４６の開閉制御が、自動的に順次行なわれ、波力発電用タービン２５のタービン駆動を、高効率領域で運転させるようにしてもよい。
【０１０７】
図４〜図８の第１実施形態に示された波力発電用タービン２５は、タービンケーシング３５内に所要の昇降ストローク分昇降自在に空気流制御機構３９のフローティングシャッタが収容される。空気流制御機構３９は、タービンケーシング３５内に格納されて固定設置された中仕切組立体４０にシャッタリングプレート４７をフローティング状態で昇降可能に設置される。静的構成の中仕切組立体４０内に静翼としての単一のノズルリング組立体４３と動翼としての輻流型羽根車２７とを収容している。
【０１０８】
従来は、昇降するフローティングチェストに海面上昇時に機能する静翼と海面下降時に機能する静翼とをそれぞれ個別に備えていたが、図５〜図８に示す波力発電用タービン２５は、静的構成の中仕切組立体４０内に、静翼に相当するノズルリング組立体４３は１つでよく、しかも、中仕切組立体４０はタービンケーシング３５内に固定設置されているので、昇降するフローティング構造は空気流制御機構３９のフローティングシャッタ４７でよく、軽量化が図れ、タービン構造が著しく簡素化される。
【０１０９】
また、空気流制御機構３９のシャッタリングプレート４７は、中仕切組立体４０の頂部流出口５７および底部流出口５８を開閉自在に覆う上方カバー円板５９および下方カバー円板６０と連動して開閉操作される。この意味で上方カバー円板５９および下方カバー円板６０も空気流制御機構３９の一部を構成している。中仕切組立体４０の頂部流出口５７は、空気流の作用と自重の作用で上方カバー円板５９が上方から自動的に開閉自在に覆われ、底部流出口５８も、空気流の作用と自重の作用で下方から自動的に開閉される下方カバー円板６０で覆われる。
【０１１０】
しかして、図５に示すように、波力発電用タービン２５は、海面が上昇して空気室１８内の空気が流出する場合には、空気流の押圧作用で空気流制御機構３９のシャッタリングプレート４７の上昇に先立って下方カバー円板６０が押し上げられ、中仕切組立体４０の底部流出口（底部開口）５８を閉塞させる。この閉塞により、空気流制御機構３９は空気流により大きな押上げ作用を受け、シャッタリングプレート４７が円滑かつスムーズに上昇して上昇位置に至る。このとき、上方カバー円板５９は空気流の押上げ作用で中仕切組立体４０の頂部流出口（頂部開口）５７から離れて上昇し、頂部流出口５７を大きく開口させる。
【０１１１】
したがって、波力発電用タービン２５は、空気流が空気室１８から流出する場合、空気流が中仕切組立体４０内を内向流となって、静翼としてのノズルリング組立体４３を通り、動翼としての輻流型羽根車２７を回転駆動させる。羽根車２７を回転駆動させた後、空気流は流出チャンバ５４から上部の流出口５５および中仕切組立体４０の頂部流出口５７を経てからタービンケーシング３５の頂部開口６５から大気中に円滑かつスムーズに流出される。この空気流はタービンケーシング３５の頂部開口６５から大気中に流出されるので、空気タービン２５の流路構造が簡素化される。
【０１１２】
また、空気室１８に空気流が流入する場合には、図６に示すように構成される。空気タービン２５は、海面が下降して空気室１８に大気中の空気が流入する場合には、図６に示すように、上方カバー円板５９に上方から空気流が作用し、自重と空気流の相乗作用で上方カバー円板５９はスムーズに下降し、中仕切組立体４０の頂部開口５７を自動的に閉塞させる。
【０１１３】
この閉塞により、空気流制御機構３９のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７はその自重と空気流により、スムーズにかつ強制的に下降作用を受け、下降位置に至る。このとき、下方カバー円板６０は、空気流の押下げ作用と自重による落下作用により中仕切組立体４０の底部開口５８から離れて落下し、底部開口（流出口）５８を開放させる。
【０１１４】
したがって、空気タービン２５を通る空気流は、中仕切組立体４０内を内向流として流れ、静翼としてのノズルリング組立体４３から吹き出されて、動翼としての輻流型羽根車２７を回転駆動させる。この空気流は、流出チャンバ５４から図６に示す下部の流出口５６から中仕切組立体４０の底部流出口５８、タービンケーシング３５の底部開口６６を通って空気室１８に案内される。海面が下降する場合も、海面が上昇する場合と同様に、空気タービン２５の流路構造が著しく簡素化され、大気中の空気は大きな流路抵抗を受けることなく、空気室１８に円滑かつスムーズに流出入させることができる。
【０１１５】
［第１実施形態の効果］
第１実施形態に示された波力発電用タービン２５は、海面上昇時に機能する静翼と、海面下降時に機能する静翼とを、単一のノズルリング組立体４３で共用させることができる。しかも、ノズルリング組立体４３はタービンケーシング３５内に中仕切組立体４０とともに固定され、昇降する空気流制御機構３９側に設ける必要がない。固定設置のノズルリング組立体４３は、空気流制御機構３９のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７から独立しているので、空気流制御機構３９の構造が簡素化され、軽量化される。
【０１１６】
空気流制御機構３９のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７を、固定設置の静翼であるノズルリング組立体４３から切り離して独立して設置でき、空気流制御機構３９の重量軽減を図ることができ、海面の上昇、下降時における空気流の切換え追従性が迅速でかつ良好となる。また、静翼を構成するノズルリング組立体４３は固定される中仕切組立体４０に設置されるので、静的構成となり静翼の機械的、物理的強度を向上させることができて機械的耐久性が向上し、タービン稼動効率を向上させることができる。
【０１１７】
また、この波力発電用タービン２５は、輻流型羽根車２７から排気される空気流の排気チャンバ側に静翼をなくすことができ、タービン構造の簡素化を図ることができる。しかも、中仕切組立体４０内周側の頂部開口５７および底部開口５８に、自重や空気流作用により自動的に開閉する軽量な上方カバー円板５９および下方カバー円板６０をそれぞれ設け、羽根車２７の排気チャンバ５４に排出された空気流を中仕切組立体４０の頂部流出口５７や底部流出口５８からも排出させることができる。
【０１１８】
したがって、波力発電用タービンは、空気流の流れの流路構造やタービン構造が簡素化して軽量化させ、コンパクトなカセット式に構成でき、製作、設置コストを低減させることができる。また、波力発電用タービンは、主要な構成部品をプラスチック等の樹脂材料で構成し軽量化させ、分解可能に組み立て、さらに浮体の頂部への据付を着脱自在とするので、メンテナンス性に優れ、タービン稼動効率を向上させることができる。
【０１１９】
［第２の実施形態］
図９および図１０は、本発明に係る波力発電用タービンの第２実施形態を説明するものである。
【０１２０】
この実施形態に示された波力発電用タービンを説明するに当り、第１実施形態に示されたものと同じ構成には、同一符号を付して重複説明を省略あるいは簡素化する。
【０１２１】
第２実施形態に示された波力発電用タービン（空気タービン）２５Ａは、タービンケーシング３５内に収納される輻流型羽根車７０の構成を、第１実施形態に示された波力発電用タービン２５と異にし、他の構成は実質的に異ならない。第２実施形態の空気タービン２５Ａは、波の振幅が比較的小さい、例えば２ｍ〜１．６ｍ程度以下の振幅の波に適するものである。
【０１２２】
図９および図１０に示された空気タービン２５Ａは、タービンケーシング３５内に上下２分割可能に中仕切組立体４０が格納され、設置される。中仕切組立体４０は、全体として中空円盤状をなして２分割可能に組み立てられ、最外周側にタービンケーシング３５の本体上部ケーシング３６および本体下部ケーシング３７の各内周壁に嵌り合って固定される上部スリーブ部４１ａおよび下部スリーブ部４２ａを一体に備える。
【０１２３】
上部スリーブ部４１ａは、中仕切組立体４０の上部仕切ディスク４１の外周側に一体に形成される一方、上部仕切ディスク４１の中央部にボス状の筒状スリーブ部４１ｂが一体に設けられる。また、下部スリーブ部４２ａは、中仕切組立体４０の下部仕切ディスク４２の外周側に一体に形成される一方、下部仕切ディスク４２の中央部にボス状の筒状スリーブ部４２ｂが一体に設けられる。一方の筒状スリーブ部４１ｂは上部仕切ディスク４１の中央部から立ち上がる一方、下部仕切ディスクの筒状スリーブ部４２ｂは下部仕切ディスク４２の中央部から立ち下がり、両筒状スリーブ部４１ｂおよび４２ｂは、タービンケーシング３５の上下部に形成された中央開口にそれぞれ嵌め合されて固定される。
【０１２４】
また、中仕切組立体４０は上部仕切ディスク４１の外周側および下部仕切ディスク４２の外周側に上部および下部の流入口４５，４６が周方向に沿って複数個ずつ設けられ、上下部の流入口４５，４６間に流入チャンバ５１が形成される。中仕切組立体４０は流入チャンバ５１の内周側に静翼を構成するノズルリング組立体４３が設けられる。さらに、ノズルリング組立体４３の内周側に、動翼を構成する輻流型羽根車７０が対向して回転自在に設けられる。ノズルリング組立体４３の構成は、第１実施形態に示された波力発電用タービン（空気タービン）２５と同様である。
【０１２５】
動翼である輻流型羽根車７０は、ロータリブレード７３をブレード先端側に支持する支持構造に構成される。羽根車７０は、タービン軸２６に回転一体に設けられたロータハブとしてのボス部７１と、ボス部７１の軸方向中央部に一体に設けられたディスク状の一枚の支持ディスク７２と、支持ディスク７２の外周側の上下部両側に周方向に設けられた多数のロータリブレード７３とを有する。支持ディスク７２は、ロータハブであるボス部７１の幅方向中央部に一体に設けられる中心支持ロータであり、支持ディスク７３の外周部に多数のロータリブレード７３が所要のピッチ間隔で周方向に配設される。各ロータリブレード７３は、静翼としてのノズルリング組立体４３のノズルブレード５０の内周側に対向して設けられる。
【０１２６】
輻流型羽根車７０は、ロータリブレード７３の内周側に流出チャンバ７５が形成される一方、この流出チャンバ７５内に複数の開口７６を有する支持ディスク７２が配設される。羽根車７０は軸受５３，５３やタービン軸２６とともに、締付け手段６７による締付けで羽根車アッセンブリ６８が一体的に構成される。
【０１２７】
輻流型羽根車７０の内周側に形成される流出チャンバ７５の上方および下方に形成される頂部流出口５７および底部流出口５８は、中仕切組立体４０の上部仕切ディスク４１および下部仕切ディスク４２にそれぞれ設けられる。
【０１２８】
中仕切組立体４０の頂部流出口５７を上方から選択的に覆う上方カバー円板５９は上部仕切ディスク４１の筒状スリーブ部４１ｂにより昇降が案内される一方、中仕切組立体４０の底部流出口５８を下方から選択的に覆う下方カバー円板６０は下部仕切ディスク４２の筒状スリーブ部４２ｂにより昇降が案内される。
【０１２９】
また、タービンケーシング３５の頂部に大気に連通する頂部開口６５が設けられ、タービンケーシング３５の底部には、浮体１１の空気室１８（図４参照）に連通する底部開口６６が設けられる。
【０１３０】
波力発電用タービンの組立は、第１実施形態に構成された波力発電用タービンとほぼ同様であるので、説明は省略する。また、波力発電装置１０Ａに備えられる波力発電用タービンの作用を説明する。
【０１３１】
波力発電装置１０Ａには、浮体１１の頂部に据え付けられる波力発電用タービンとしての空気タービン２５Ａを備える。この空気タービン２５Ａは浮体１１上部の空気室１８内に出入りする空気流によって回転駆動され、タービン軸２６を介して発電機１２を駆動させ、発電に供するようになっている。
【０１３２】
この波力発電用タービン２５Ａは、海面の上昇により、図９に示すように作用する。浮体１１の空気室１８からの空気流により、下方カバー円板６０が上動されて中仕切組立体４０の底部開口５８を下方から覆って閉塞させる。続いて、空気流制御機構３９のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７を上動させ、このシャッタリングプレート４７が下部仕切ディスク４２の流入口４６を開放させて上昇し、上部仕切ディスク４１の流入口４１を下方から覆い、閉塞させる。
【０１３３】
これにより、空気室１８からの空気流は中仕切組立体４０の流入チャンバ５１に下部の流入口４６から流入し、続いて静翼であるノズルリング組立体４３内を通って、動翼である輻流型羽根車７０に案内され、旋回する内向流となって羽根車７０のロータリブレード７３を回転駆動させる。羽根車７０はほぼ図７に示すものと同様、ロータリブレード７３が反時計方向に回転される。
【０１３４】
羽根車７０を回転させた空気流は、続いて流出チャンバ７５に案内され、この流出チャンバ７５からチャンバ３８内に流出され、中仕切組立体４０の頂部流出口５７を覆う上方カバー円板５９が押し上げられて、頂部流出口５７を開放させる。
【０１３５】
しかして、静翼である外周側のノズルリング組立体４３から動翼である内周側の輻流型羽根車７０を回転駆動させて流出チャンバ７５に案内された旋回する内向流としての空気流は、流出チャンパ７５から中仕切組立体４０の頂部流出口５７およびチャンバ３８を通り、タービンケーシング３５の頂部開口６５から大気中に放出される。
【０１３６】
一方、輻流型羽根車７０の回転により、タービン軸２６が回転駆動される。タービン軸２６の回転駆動は、発電機１２に伝達され、発電機１２を駆動して発電するようになっている。
【０１３７】
また、波力発電用タービン２５Ａは、海面の下降により、図１０に示すように作用する。このとき、浮体１１内の空気室１８は海面の下降により負圧が作用する一方、タービンケーシング３５の中仕切組立体４０に上方から大気圧が作用する。タービンケーシング３５内の上方カバー円板５９は、大気圧の作用と自重により上部仕切ディスク４１の筒状スリーブ部４１ｂに案内されて下降し、中仕切組立体４０の頂部流出口５７を上方から覆って閉塞させる。また、このときには空気流制御機構３９のフローティングシャッタであるシャッタリングプレート４７は大気圧と自重の作用により、タービンケーシング３５の内周壁に沿って下降し、中仕切組立体４０の上部流入口４５を開口させる一方、下部流入口４６を上方から覆って閉塞させる。
【０１３８】
一方、中仕切組立体４０の底部流出口５８を覆っていた下方カバー円板６０は自重と空気流により底部流出口５８から下降して開放させる。
【０１３９】
しかして、大気中の空気はタービンケーシング３５の頂部開口６５から中仕切組立体４０の上部流入口４５を通って流入チャンパ５１に入った空気流は、続いて、静翼であるノズルリング組立体４３を通って動翼である内周側の輻流型羽根車７０に旋回する内向流として案内され、羽根車７０を回転駆動させる。
【０１４０】
羽根車７０の回転駆動した空気流は、続いて流出チャンバ７５から一部は支持ディスク７２の開口７６、残りは直接、中仕切組立体４０の底部流出口５８からタービンケーシング３５の底部開口６６を経て浮体１１の空気室１８に流入される。
【０１４１】
一方、輻流型羽根車７０の回転により、タービン軸２６が回転駆動され、発電機１２を駆動して発電に供するようになっている。
【０１４２】
［第２実施形態の効果］
この波力発電装置１０Ａにおける波力発電用タービン２５Ａは、海面が上昇したり、下降して浮体１１の空気室１８に空気流が出入りするとき、中仕切組立体４０内で外周側の静翼から内周側の動翼に向けて一方向の旋回する内向流となる。このため、波力発電用タービンの輻流型羽根車２５Ａにおけるロータ内の空気流の流れは常に一方向の内向流となり、静翼や動翼の翼の設計自由度を向上させることができる。
【０１４３】
静翼であるノズルリング組立体４３および動翼である輻流型羽根車７０は、タービンケーシング３５内に固定された中仕切組立体４０内に設けられるので、ノズルリング組立体４３および輻流型羽根車７０を位置精度よく設けることができ、安定した翼性能を発揮することができる。
【０１４４】
また、中仕切組立体４０内に設けられる空気流制御機構３９は、薄肉で軽量なフローティング（浮動）シャッタ方式のシャッタリングプレート４７でタービンケーシング３５の内周壁に案内されて昇降できるので、空気流の流れ方向の切換えを円滑かつ衝撃音を発生させることなく行なうことができる。
【０１４５】
さらに、タービンケーシング３５、中仕切組立体４０および静翼であるノズルリング組立体４３、必要に応じて輻流型羽根車２５Ａは、全てプラスチック等の樹脂材料を射出成形等で一体成形でき、量産化や軽量化が図れるとともに、海水による腐食防止効果も得られる。
【符号の説明】
【０１４６】
１０，１０Ａ  波力発電装置
１１  浮体
１２  発電機（発電手段）
１３  浮力調整室
１４  バラスト（重錘）
１５  突起部
１６  中仕切板
１７  開口
１８  空気室（エアチャンバ）
２０  振動水柱
２１  固定水柱
２５，２５Ａ  空気タービン（波力発電用タービン、輻流型空気タービン）
２６  タービン軸
２７  動翼（回転翼，輻流型羽根車）
３０  リンク部材（係留ケーブル，ワイヤ）
３１  筒状ブロック
３２  サポート部材
３５  タービンケーシング
３６  本体上部ケーシング
３７  本体下部ケーシング
３８  チャンバ
３９  空気流制御機構
４０  中仕切組立体
４１  上部仕切ディスク
４１ａ  上部スリーブ部
４１ｂ  筒状スリーブ部
４２  下部仕切ディスク
４２ａ  下部スリーブ部
４２ｂ  筒状スリーブ部
４３  ノズルリング組立体（静翼）
４５，４６  流入口
４７  シャッタリングプレート（フローティングシャッタ）
４８  ノズルリング上板
４９  ノズルリング下板
５０  ノズルブレード
５１  流入チャンバ
５３  軸受
５４  流出チャンバ
５５，５６  流出口
５７  頂部流出口
５８  底部流出口
５９  上方カバー円板
６０  下方カバー円板
６１  上部支持ディスク
６２  下部支持ディスク
６３  ロータリブレード
６４  ボス部（ロータハブ）
６５  頂部開口
６６  底部開口
６７  締付け手段
６８  羽根車アッセンブリ
７０  動翼（輻流型羽根車）
７１  ボス部（ロータハブ）
７２  支持ディスク
７３  ロータリブレード
７５  流出チャンバ
７６  開口
【要約】      （修正有）【課題】タービン構造や空気流の流路構造を簡素化して製作・設置コストを低減させ、メンテナンス性、安全性に優れ、タービン稼動効率を向上させる。【解決手段】波力発電装置１０の発電機を駆動する波力発電用タービン２５において、筒状形状の浮体の頂部に設けられ、この浮体内で振動水柱上に形成される空気室１８と外気とを連通させ、タービンケーシング３５内に格納された中空円盤状中仕切組立体４０と、中仕切組立体４０内の外周側に設置された静翼としてのノズルリング組立体４３と、このノズルリング組立体の内周側に対向して設置され、その吹出し空気流により回転駆動される羽根車２７と、ノズルリング組立体４３の外周部に、外気からの空気流と空気室１８からの空気流を選択的に切り換えて流入させる空気流制御機構３９とを備え、中仕切組立体４０の外周部に流入された空気流はノズルリング組立体および羽根車を経て一方向の内向流として案内される。【選択図】図５【図１】
0005550753.tif 000002
【図２】
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【図３】
0005550753.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005550753.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005550753.tif 000008
【図８】
0005550753.tif 000009
【図９】
0005550753.tif 000010
【図１０】
0005550753.tif 000011