(57)【要約】【課題】  簡易な構造であって効率の高い水車を提供する。【解決手段】  導入管と、水車本体とを備え、前記導入管は、垂直方向に延びるもので、断面円形であって、内周面に螺旋状の静止翼が形成されており、前記水車本体は、前記導入管の上部に設けられていて、基盤部と、羽根部からなり、前記基盤部は、水平向きに配置された円盤であって垂直軸周りに回転自在で、回転軸が前記導入管の中心軸と一致しており、前記羽根部は、前記基盤部の下面に設けられていて、回転中心から放射状に広がるものであり、流体が前記導入管内を下から上に向けて流れ、前記静止翼によって旋回流となり、前記羽根部に衝突して前記水車本体を回転させる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入管と、水車本体とを備え、
前記導入管は、垂直方向に延びるもので、断面円形であって、内周面に螺旋状の静止翼が形成されており、
前記水車本体は、前記導入管の上部に設けられていて、基盤部と、羽根部からなり、前記基盤部は、水平向きに配置された円盤であって垂直軸周りに回転自在で、回転軸が前記導入管の中心軸と一致しており、前記羽根部は、前記基盤部の下面に設けられていて、回転中心から放射状に広がるものであり、
流体が前記導入管内を下から上に向けて流れ、前記静止翼によって旋回流となり、前記羽根部に衝突して前記水車本体を回転させるものであることを特徴とする水車。
【請求項２】
前記羽根部が、内周側の固定羽根と、外周側の可動羽根からなり、該可動羽根が、前記水車本体の回転速度が速いほど半径方向から回転の逆方向へ向けて傾斜するものであることを特徴とする請求項１記載の水車。
【請求項３】
前記導入管の上端部に可変翼が設けられており、該可変翼が、前記導入管の半径方向軸周りに回動自在であって、前記導入管の上端部を開閉自在に覆っていることを特徴とする請求項１または２記載の水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダムなどに設置される大型発電システムから、農業用水路などに設置される小型発電システムまで、広く利用可能な水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
水車には様々な形式のものがあるが、中でも特許文献１に示すようなフランシス水車は、一般に水車効率が高く、高落差から低落差まで広く利用されている。このフランシス水車は、水車の外周部から水を流入させて水車を回転させ、中心部で軸方向に流出させることで運動エネルギの損失を低減し、水車効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１９６５０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなフランシス水車においては、水を周囲から均一に流入させるためのケーシングが複雑な形状となっており、製造コストが高い点が問題であった。
【０００５】
本発明は、上記事情を鑑みたものであり、簡易な構造であって効率の高い水車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】
【０００６】
本発明のうち請求項１の発明は、導入管と、水車本体とを備え、前記導入管は、垂直方向に延びるもので、断面円形であって、内周面に螺旋状の静止翼が形成されており、前記水車本体は、前記導入管の上部に設けられていて、基盤部と、羽根部からなり、前記基盤部は、水平向きに配置された円盤であって垂直軸周りに回転自在で、回転軸が前記導入管の中心軸と一致しており、前記羽根部は、前記基盤部の下面に設けられていて、回転中心から放射状に広がるものであり、流体が前記導入管内を下から上に向けて流れ、前記静止翼によって旋回流となり、前記羽根部に衝突して前記水車本体を回転させるものであることを特徴とする。
【０００７】
本発明のうち請求項２の発明は、前記羽根部が、内周側の固定羽根と、外周側の可動羽根からなり、該可動羽根が、前記水車本体の回転速度が速いほど半径方向から回転の逆方向へ向けて傾斜するものであることを特徴とする。
【０００８】
本発明のうち請求項３の発明は、前記導入管の上端部に可変翼が設けられており、該可変翼が、前記導入管の半径方向軸周りに回動自在であって、前記導入管の上端部を開閉自在に覆っていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のうち請求項１の発明によれば、螺旋状の静止翼により流体が旋回流となり、圧力エネルギが運動エネルギに変換されて、水車本体を回転させる。これにより、水車本体を囲む複雑な形状のケーシングなどは必要なく、製造コストが抑えられ、メンテナンスも容易である。また、流体が下から上に向けて流れる構造であるから、水車本体の少なくとも一部が流体に浸からないようにすることができる。流体に浸かる部分が少なければ、その分だけ回転の際の流動抵抗が小さくなる。さらに、水車本体に対してその中心部に流体が流入し、外周側へ放出されるので、外周側では放出する面積が大きくなる。よって、放出される流体の速度が小さくなり、すなわち回転に利用されない運動エネルギが小さくなるので、効率が高くなる。
【００１０】
本発明のうち請求項２の発明によれば、可動羽根が、水車本体の回転速度が速いほど半径方向から回転の逆方向へ向けて傾斜することにより、流体の放出角度を調節して、常に半径方向に放出させることができる。流体が半径方向に放出されるということは、すなわち流体の周方向成分がすべて回転に利用されたということであって、効率が高いことを意味しており、このように回転速度に応じて放出角度を調節することで、流量の変化による効率の低下を防ぐことができる。
【００１１】
本発明のうち請求項３の発明によれば、導入管の上端部に設けられた可変翼により、導入管から流出する流体の流量を調整できる。可変翼により導入管の上端部を塞いで流出を止めれば、水車本体のメンテナンスなどを行うことができる。また、流量を任意に調節して水車本体の負荷を変えることにより、発電機を目的の回転数で回転させることができ、より効率が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の水車を用いた発電システムの全体図である。
【図２】（ａ）は止水時の導入管の上面図、（ｂ）は放水時の導入管の上面図、（ｃ）は導入管の内部を示す断面図である。
【図３】可変翼の動作の説明図であり、（ａ）、（ｂ）は止水時の回転軸方向視図およびその直交方向視図、（ｃ）、（ｄ）は放水時の回転軸方向視図およびその直交方向視図である。
【図４】水車本体を示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は下面図である。
【図５】可動羽根を動かすリンク機構の説明図であり、（ａ）は低速時、（ｂ）は高速時である。
【図６】可変翼の角度と流体の垂直方向速度および旋回流速度との関係を表すグラフである。
【図７】（ａ）は有効落差と流体の流量との関係を表すグラフであり、（ｂ）は有効落差と流体の旋回流速度との関係を表すグラフである。
【図８】導入管の内径と流体の流量との関係を表すグラフである。
【図９】可変翼の角度と水車効率との関係を表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の水車を用いた発電システムの具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図１に示すように、この発電システムは、水車水槽１０と、水車水槽１０よりも高所に位置する貯水槽２０と、水車水槽１０からより低所へ延びる用水路３０とを備える。なお、ここでは作動流体を水とする。水車水槽１０は、略円筒形であって、底部の中心に導入管１の上端が接続されている。そして導入管１の下端には連結管７が接続さており、連結管７の他端は貯水槽２０の底部に接続されている。また、水車水槽１０の側面の一部が開放され、そこに用水路３０が接続されている。用水路３０は、水車水槽１０側から先端側に向けて下方に傾斜している。そして、水車水槽１０の内部に、水車本体２が納められている。
【００１４】
導入管１は、垂直方向に延びるもので、断面は円形である。そして、図２（ｃ）に示すように、導入管１の内周面には、螺旋状の静止翼３が形成されている。また、図２および図３に示すように、導入管１の上端部には、８枚の可変翼６が設けられている。各可変翼６は、中心角が略４５度の扇形であって、一方の半径に沿って回転の軸６１が設けられており、軸６１が導入管１の半径方向に一致している。そして、各可変翼６の軸６１の外周側端は導入管１の側壁を貫通して外側に突出しており、先端にかさ歯車６２が取り付けられている。このかさ歯車６２は、導入管１に外挿された円環状のかさ歯車６３と噛み合っており、円環状のかさ歯車６３を回転させることで、すべての可変翼６が連動して動く。なお、円環状のかさ歯車６３はサーボモータなどにより動かせばよく、ここでは図示省略した。このように、可変翼６は導入管１の半径方向軸周りに回動自在であり、各可変翼６を水平向きにすると、８枚の可変翼６が円盤状になって導入管１の上端部が閉じられ（図２（ａ）、図３（ａ）、（ｂ））、各可変翼６を水平向きから所定角度起こすことで、導入管１の上端部の開度を調節できる（図２（ｂ）、図３（ｃ）、（ｄ））。
【００１５】
水車本体２は、導入管１の上端の直上に位置しており、図４に示すように、基盤部４と、羽根部５からなる。基盤部４は、水平向きに配置された円盤であり、上面の中心に垂直向きの主軸４１が取り付けられていて、垂直軸周りに回転自在となっている。この主軸４１は、導入管１の中心軸と同軸上に位置している。主軸４１の上端には、増速機８を介して発電機９が接続されている。また、基盤部４の下面の中心部には、下方に突出する隆起部４２が形成されており、隆起部４２は、中心に向かうほど高くなっている。そして、基盤部４の下面に羽根部５が設けられており、羽根部５は、固定羽根５１と、可動羽根５２からなる。固定羽根５１は、基盤部４の下面に対して垂直向きの板状のものであって、図４（ｂ）に示すように、基盤部４の中心から外周側に向けて８枚が放射状に延びている。各固定羽根５１は下面視して弓形で、回転方向（図４（ｂ）では反時計回り）に向けて凸となる向きとなっている。そして、固定羽根５１の外周側に、可動羽根５２が設けられている。可動羽根５２は、基盤部４の下面に対して垂直向きの平板状のものであって、図４（ｂ）に示すように、８枚が各固定羽根５１の外周側に位置しており、内周側端部を中心として、垂直軸周りに回転自在となっている。
【００１６】
なお、これら８枚の可動羽根５２については、ガイドリング５３により一体となって動作するように構成されている。より詳しくは、図４（ａ）および図５（水車本体２の上面図であり、基盤部４は透過して図示している）に示すように、各可動羽根５２の回転の軸５４が基盤部４を貫通して上方に延びており、この軸５４に第一リンク５５が固定され、第一リンク５５の他端に第二リンク５６が回転自在に連結され、さらに第二リンク５６の他端に環状のガイドリング５３が回転自在に連結されている。８枚の可動羽根５２がすべて同様にガイドリング５３に連結されており、ガイドリング５３を回転させると、すべての可動羽根５２が同じ角度だけ傾斜する（図５の例では、ガイドリング５３を反時計回りに回転させると（（ａ）→（ｂ））、可動羽根５２も半時計回り方向へ向けて傾斜する）。なお、ガイドリング５３はサーボモータなどにより動かせばよく、ここでは図示省略した。
【００１７】
次に、このように構成した発電システムの動作について説明する。まず、貯水槽２０から連結管７に水が流入する。これにより、貯水槽２０の水が有していた位置エネルギが圧力エネルギに変換される。さらに連結管７から導入管１に水が流入し、水は導入管１内を下から上に向けて流れる。この際、導入管１の内周面に螺旋状の静止翼３が形成されているので、水は旋回流となる（本実施形態においては、上面視して時計回りの旋回流となる）。これにより、水の圧力エネルギが運動エネルギに変換される。そして水は導入管１の上端から放出される。この際、放出される水の流量は、可変翼６の角度によって定まる（角度が大きいほど、流量は多くなる）。放出された水は、直上に位置する水車本体２の隆起部４２に導かれて、固定羽根５１に対して直角方向から衝突し、水車本体２を回転させる。水車本体２は上面視して時計回りに回転し（図４（ｂ）は下面図なので反時計回りとなっている）、増速機８を介して発電機９を駆動し、発電が行われる。そして水は、各固定羽根５１の間を通って水車本体２の外周側に放出され、さらに水車水槽１０の開口部から用水路３０へ放出されて、農業などに利用される。なお、可動羽根５２については、水車本体２の回転速度が遅い場合には、半径方向に近い向き（図５（ａ）の状態）となり、水車本体２の回転速度が速くなるほど、半径方向から回転の逆方向（図５では反時計回り方向）へ向けて傾斜する向き（図５（ｂ）の状態）となる。こうして、水車本体２からは、常に半径方向に水が放出されるように制御されている。なお、可変翼６の角度を０度として導入管１の上端を閉じれば、水の流れは止まり、発電システムは停止する。
【００１８】
ここで、この水車の効率を求める。導入管１で発生する旋回流の速度について、ｕｒを軸方向速度、ｕθを周方向速度とし、さらにＤ１を導入管１の内径、Ｄ２を水車本体２の外径、Ｈを水車本体２の高さとすると、この水車の効率は式（１）で表される。ただし、水の粘性による損失や回転軸などの機械損失は無視している。
【数１】
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上式より、旋回流の周方向速度が大きくなると、水車の効率が高くなることがわかる。また、水車本体２の外径を大きくすることでも効率は高くなるが、そうすると水の粘性による損失も大きくなるため、粘性の損失も考慮することで最適な外径の値が求められる。
【００１９】
このように構成した本発明の水車によれば、螺旋状の静止翼３により水が旋回流となり、圧力エネルギが運動エネルギに変換されて、水車本体２を回転させる。これにより、水車本体２を囲む複雑な形状のケーシングなどは必要なく、製造コストが抑えられる。そして、水車本体２は水車水槽１０に納められているが、上方に持ち上げることで、容易にメンテナンスや取り替えを行うことができる。また、水が下から上に向けて流れる構造であり、水車本体２の上部は水に浸からないようになっているので、水に浸かる部分が少なく、その分だけ回転の際の流動抵抗が小さくなる。さらに、水車本体２に対してその中心部に水が流入し、外周側へ放出されるので、外周側では放出する面積が大きくなる。よって、放出される水の速度が小さくなり、すなわち回転に利用されない運動エネルギが小さくなるので、効率が高くなる。また、可動羽根５２によって水が常に半径方向に放出されるように制御されるので、水の周方向成分がすべて回転に利用され、効率が高く、回転速度に応じて放出角度を調節することで、流量の変化による効率の低下を防ぐことができる。よって、季節により流量が異なる農業用水施設などでの利用に好適である。もちろん、そのような小型発電システムのみならず、高圧水となるダムなどの大型発電システムにおいても利用できる。また、導入管１の上端部に設けられた可変翼６により、導入管１から流出する流体の流量を調整できる。可変翼６により導入管１の上端部を塞いで流出を止めれば、より容易に水車本体２のメンテナンスなどを行うことができる。また、流量を任意に調節して水車本体２の負荷を変えることにより、発電機９を目的の回転数で回転させることができ、より効率が高くなる。
【００２０】
ここで、可変翼の角度（水平方向に対する傾斜角度）を変化させた場合に、導入管内の流体の流れがどのように変化するのかを計算により求めたので、その結果をグラフで示す。まず、図６のグラフは、流体の垂直方向速度および旋回流速度の変化を表す。ただし、有効落差（導入管の入口から貯水槽までの高さ）を１０ｍ、導入管の内径を０．５ｍとした。これによれば、可変翼の角度が大きくなる（導入管の上端部の開度が大きくなる）につれて、流体の垂直方向速度が速くなっており、すなわち、流量が増加している。一方、旋回流速度は、０度から略３０度までの範囲においては速度の低下が小さく、高速の流れが維持されている。よって、角度の小さい領域では、水車の回転数の低下割合も少なく、発電機に励磁する電圧値などを調整すればよいことがわかる。次に、図７（ａ）のグラフは、有効落差に対する流量の変化を表し、図７（ｂ）のグラフは、有効落差に対する旋回流速度の変化を表す。ただし、導入管の内径は０．３ｍとした。これによれば、有効落差が大きいほど、流量も大きい。よって、可変翼の角度が同じでも、有効落差に応じて流量が変化するので、適用流量範囲がわかると、可変翼の角度範囲が定まる。また、有効落差が大きいほど、旋回流速度も大きい。よって、高落差であるほど水車本体の回転速度を上げることができる。次に、図８のグラフは、導入管の内径に対する流量の変化を表す。これによれば、内径が大きいほど、流量も大きい。発電機における発電量は、有効落差が大きいほど、そして流量が大きいほど大きくなる。水車効率は、水車本体内の流動損失および水車本体の機械損失により低下すると考えられるが、その影響は少ないと考えられる。図９のグラフは、可変翼の角度を変化させた場合に、水車効率がどのように変化するのかを式（１）に基づいて求めたものである。ただし、導入管の内径Ｄ１＝０．５ｍ、水車本体の外径Ｄ２＝１ｍ、水車本体の高さＨ＝０．１ｍとした。これによれば、水車効率は可変翼の角度によらず高い値となっている。以上のように、導入管は、螺旋状の静止翼と、出口を開閉する可変翼により、流体の位置エネルギを効率よく旋回流の運動エネルギに変換し、水車本体の回転に適した速度および流量に調整することができる。
【００２１】
本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、水車本体の基盤部や羽根部の形状は、流体の流量や流速などを考慮して、効率が高くなるように適宜変更できる。また、水車本体の軸にスプリングを取り付けて水車本体が上下動するようにすれば、ゴミなどの異物が流入して水車本体に衝突した場合でも、その衝撃を軽減して破損を防ぐことができる。なお、この水車は、水道水などの圧力を調整するための貯水槽などに設置することもできる。さらにこの水車は、電動機により水車本体を回転させて水を吸い上げるポンプとしても利用し得る。ポンプとして動作させれば、この水車一つで揚水発電を行うこともできる。
【符号の説明】
【００２２】
１  導入管
２  水車本体
３  静止翼
４  基盤部
５  羽根部
６  可変翼
５１  固定羽根
５２  可動羽根
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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