(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛直方向に沿う回転軸にランナを固着し、落下する水が前記回転軸のまわりを回って流れるための円周流路を形成し、該円周流路を流れる水を前記ランナへ向かって斜め下方へ落下させるための放出流路を、前記回転軸のまわりに略等間隔に複数形成し、前記円周流路の断面積を前記円周流路の水が流れる方向に沿って徐々に小さくしたことを特徴とする衝動水車。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は衝動水車に関し、基本的な構造を改良したものである。
【０００２】
【従来の技術】
衝動水車のひとつにターゴインパルス水車がある。ターゴインパルス水車は図４に示すように構成される。水平方向へ伸びるとともに軸受２を介して回転自在に支持された回転軸１の右端が発電機３に連動連結され、左端には放射方向へ伸びるブレードを複数設けたランナ４が取り付けられている。
【０００３】
そして、水を高所から低所へ向かって流す鉄管５ａには水を分岐させて水平方向へ流すための鉄管５ｂ，５ｃが接続され、鉄管５ｂ，５ｃはケース７内まで導かれている。鉄管５ｂの先端には水をランナ４の上部へ向かって噴射するためのノズル６ａが設けられ、鉄管５ｃの先端には水をランナ４の下部へ向かって噴射するためのノズル６ｂが設けられている。そして、ノズル６ａ，６ｂの内部には、コーン形状のニードルを軸心に沿って移動させることによりノズル６ａ，６ｂの先端の孔の断面積を増減し、これによって単位時間当たりの水の吐出量を制御する手段が設けられている。
【０００４】
斯かる衝動水車では、２つのノズル６ａ，６ｂからランナ４へ向かって水を噴射することから、より多くの水をエネルギー変換でき、しかもノズル６ａ，６ｂは回転軸１に対して対称な位置にあることから、回転軸１に偏荷重が加わるようなことはない。
【０００５】
図４のようにノズルを２組設けた場合に噴射される水の断面積の最大値は、ノズル６ａ，６ｂの内部断面形状が円形であるため、ノズルの内径寸法をｄとするとＳ＝（１／４）πｄ２×２となる。２本のノズル６ａ，６ｂから噴射される水の量Ｑ１は、水の流速をＶとすると、
Ｑ１＝（１／４）πｄ２Ｖ×２
となり、ランナの平均直径をＤとするときにＤ／ｄは４．５程度しかとれないことから、ｄ＝Ｄ／４．５を代入すると、
0003612722.tif 000002
となる。ここで、水の有効落差をｈとすると水の流速Ｖは、Ｖ＝√（２ｇｈ）と表すことができる。
【０００６】
なお、図４ではノズルが２本の場合を示したが、ノズルが１本のものもある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ランナのうちの水が当たる部分は回転軸の上方と下方の２ケ所のみであり、ランナの円周に沿って全体が有効に利用されているわけではないので無駄がある。また、ランナの両側からランナに対して水を噴射するため鉄管の配置に多くのスペースを使用し、図４にＷで示すように衝動水車の占める面積が大きい。たとえノズルの数を単一にしても鉄管が大きく水平方向へ突出するために、やはり占有面積が大きい。
【０００８】
そこで本発明は、斯る課題を解決した衝動水車を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
斯る目的を達成するための本発明の構成は、鉛直方向に沿う回転軸にランナを固着し、落下する水が前記回転軸のまわりを回って流れるための円周流路を形成し、該円周流路を流れる水を前記ランナへ向かって斜め下方へ落下させるための放出流路を、前記回転軸のまわりに略等間隔に複数形成し、前記円周流路の断面積を前記円周流路の水が流れる方向に沿って徐々に小さくしたことを特徴とする。
【００１０】
【作用】
高所から流れる水は、円周流路を流れることにより回転軸のまわりをまわり、まわりながら放出流路より噴射され、斜め下方へ落下してランナに衝突する。円周全体からランナへ水が噴射されることから、多量の水がランナに衝突し、衝動水車の効率を上げることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１２】
本発明による衝動水車の構成を、図１〜図２に示す。鉛直方向へ伸びる回転軸１１が軸受１２を介して回転自在に支持され、回転軸１１の下端には放射方向へ伸びる複数のブレード１３ａを有するランナ１３が固着される一方、回転軸１１の上端は図示しない発電機に連動連結されている。
【００１３】
そして、高所から落下する水を誘導して回転軸１１のまわりを水が回りながらランナ１３のブレード１３ａに噴射されるようにするため、円周流路１４を形成するケーシング１５が設けられる。ケーシング１５は、図２に示すように入口フランジ１５ａから流入した水が徐々に断面積の小さくなる円周流路１４を通って回転軸１１のまわりを回るようにフランシス水車と同様な渦巻状に形成される。ケーシング１５はボルト１６を介して軸受１２に結合され、ケーシング１５に結合した中間シールリング１７及びシール１８を介して回転自在に、回転軸１１がケーシング１５を貫通している。
【００１４】
円周流路１４を流れる水を円周流路１４の内側からブレード１３ａへ向かって斜め下方へ落下させるための放出流路が円周に沿って等間隔に４本形成される。即ち、ケーシング１５の内側が下方へ向かって円周全体に亘って開口しており、円周に沿って開口する部分には略リング状のガイドベーン１９が回動可能に設けられるとともにベーン押え２０により抜け止めされ、ガイドベーン１９と円周流路１４との間にはステーベーン２１がケーシング１５と一体に形成されている。ガイドベーン１９には放射方向へ向かって１本の操作レバー２２が形成され、操作レバー２２は図示しないサーボモータに連動連結されている。２３は排出案内筒、２４はケーシングボスである。
【００１５】
次に、ステーベーン２１とガイドベーン１９とランナ４との関係をこれらの部材を円周に沿って展開した図３に基づいて説明する。ステーベーン２１には案内羽根２１ａが形成されて水を流す放出流路２１ｂと水を流さない閉塞部２１ｃとが夫々４ケ所形成される一方、ガイドベーン１９には案内羽根１９ａが形成されて水を流す放出流路１９ｂと水を流さない閉塞部１９ｃとが夫々４ケ所形成されている。案内羽根１９ａは案内羽根２１ａと略平行に設けられ、案内羽根１９ａと水平面とのなす角度である吐水角θは、θ＝１０°〜３０°の範囲内で設定されるが、一般的には１５°〜２５°の範囲で設定すると最も効率が良くかつ構成上で有利になる。
【００１６】
次に、斯かる衝動水車の作用を説明する。図２の入口フランジ１５ａからケーシング１５内へ流入した水は、円周流路１４内を流れ、図２に示すように回転軸１１をとりまくように一周しながら、４本の放出流路２１ｂ，１９ｂよりランナ１３のブレード１３ａへ向かって放出される。つまり、ランナ１３の全周にわたって４ケ所から均等に水が放出されることになる。そして、ランナ１３へ向かって放出される水の量は、以下のようにして制御される。
【００１７】
図示しないサーボモータにより操作レバー２２を操作すると、ガイドベーン１９が回転軸１１を中心として回動する。図３においてステーベーン２１が固定されていることから、ステーベーン２１の放出流路２１ｂにガイドベーン１９の閉塞部１９ｃが重なると放出流路は閉じた状態になり、ランナ１３へ向かって水が流れなくなる。ステーベーン２１の放出流路２１ｂにガイドベーン１９の放出流路１９ｂが完全に重なると放出流路は全開の状態となり、ランナ１３は最高の回転数になる。放出流路２１ｂの幅Ｌだけガイトベーン１９を回動させることにより、ランナ１３へ向かって流れる水の量を０から最大値まで変化させることができる。
【００１８】
図１に示すようにガイドベーン１９の放出流路１９ｂの幅をＢとすると、図３に示すように放出流路１９ｂと閉塞部１９ｃとの占める部分は略半々であることから、水の流れる部分の面積Ｓは、
Ｓ＝Ｂ×πＤ×（１／２）
となり、水の流速をＶとするとランナ１３へ流れる水の流量Ｑ２は、
Ｑ２＝Ｂ×πＤ×（１／２）×Ｖ
となる。ここでＢ＝ｄとおくと、前記の式からＢ＝Ｄ／４．５と置き換えることができる。また、流量Ｑ２はθ＝９０°のときに最大となりＱ２はｓｉｎθに比例することから、例えばθ＝２５°とすると、
Ｑ２＝（Ｄ／４．５）×πＤ×（１／２）×Ｖ×ｓｉｎ２５°
≒０．１４Ｄ２Ｖ…（２）
になる。（２）式を前記の（１）式と比較すればわかるように従来の衝動水車における水の流量に対して流量が１．８倍になる。同一の大きさのランナを用いた場合に、従来のノズルの内径寸法ｄに比べて本発明による衝動水車ではガイドベーン１９の放出流路１９ｂの幅Ｂを大きくとることができ、Ｂ＝１．１〜１．２ｄにすることができることから、
0003612722.tif 000003
となる。つまり、本発明による衝動水車では従来の衝動水車に比べて２倍以上の量の水をランナへ流すことができ、その分だけ効率が向上する。
【００１９】
なお、本実施例では放出流路を円周に沿って４本形成したが、本数はこれに限らず任意に選択できる。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明からわかるように、本発明による衝動水車によれば円周流路と放出流路を介して噴射された水が斜め下方へ落下してランナに衝突するので、ランナの円周全体に水を噴射することになり、従来の衝動水車に比べて２倍以上の流量の水をランナに噴射することができる。従って、大出力の衝動水車を得ることができる。
【００２１】
また、出力が大きくなるということは換言すれば出力を同一にすれば衝動水車を小形化できるということであり、衝動水車の据付面積が小さくて済む。しかも小形化できるということはより高速回転が可能ということでもあり、発電機の極数を少なくできて発電機も低コストの小形のもので足りることになる。
【００２２】
更に、ランナの円周の略全体に亘って水を噴射するので、ランナの軸心に対して均等に荷重が加わり、回転軸を支持するための軸受等の強度が小さくて済む。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による衝動水車の実施例を示す断面図。
【図２】本発明による衝動水車の実施例を示す平面図。
【図３】本発明による衝動水車の実施例に係り、ケーシング等の展開図。
【図４】従来の衝動水車の平面図。
【符号の説明】
１１…回転軸
１２…軸受
１３…ランナ
１４…円周流路
１９…ガイドベーン
２１…ステーベーン
１９ｂ，２１ｂ…放出流路
【図１】
0003612722.tif 000004
【図２】
0003612722.tif 000005
【図３】
0003612722.tif 000006
【図４】
0003612722.tif 000007