(57)【要約】【課題】水流の力で回転する回転部を支持する軸受の摩耗を抑制することが可能な水中発電装置。【解決手段】水流発電装置１は、ブレードと一体で回転するロータ（回転部）１４と、ロータ１４に連結され、ロータ１４の回転力で発電する発電ユニットと、発電ユニットを覆い、発電ユニットが配置された空間と、ブレードが配置された水中との境界となり、発電ユニットが配置された空間を空気雰囲気とするナセル７と、ロータ１４の径方向において、ナセル７に対してロータ１４を回転自在に支持するジャーナル軸受５と、を備え、ロータ１４のうちナセル７の外側で水中に露出する露出部１４１に、重心１４１Ｇでの重量Ｗと浮心１４１Ｂでの浮力ＢとによりモーメントＭが作用したとき、ジャーナル軸受５の一端４１がナセル７から受ける反力Ｆ１と他端５２がナセル５２から受ける反力Ｆ２とのうち、小さい方に対する大きい方の比が１．５以下である。【選択図】図３
2018123754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流の力で発電を行う水流発電装置であって、
前記水流の力で回転するブレードを有し、前記ブレードと一体で回転する回転部と、
前記回転部に連結され、前記回転部の回転力で発電する発電ユニットと、
前記発電ユニットを覆い、前記発電ユニットが配置された空間と、前記ブレードが配置された水中との境界となり、前記発電ユニットが配置された空間を空気雰囲気とするナセルと、
前記回転部の径方向において、前記ナセルに対して前記回転部を回転自在に支持するジャーナル軸受と、
を備え、
前記回転部のうち前記ナセルの外側で水中に露出する露出部に、重心での重量と浮心での浮力とによりモーメントが作用したとき、前記ジャーナル軸受の一端が前記ナセルから受ける反力と他端が前記ナセルから受ける反力とのうち、小さい方に対する大きい方の比が１．５以下であることを特徴とする水流発電装置。
【請求項２】
前記回転部の前記露出部は、前記回転部の軸方向において前記重心を挟んで設けられた複数の浮力材を有することを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置。
【請求項３】
前記回転部の前記露出部は、底部と、前記底部から前記ナセル側に向けて前記軸方向に延び、前記ブレードが連結された筒状の側壁部とを有し、
前記複数の浮力材は、前記底部に取り付けられた第一浮力材と、前記側壁部に取り付けられた第二浮力材とを有することを特徴とする請求項２に記載の水流発電装置。
【請求項４】
前記回転部の前記露出部の前記複数のブレード以外の部分を収容する筒状の浮力材を含むことを特徴とする請求項１に記載の水流発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水流発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、海または河川の水流（海流、潮流、河川流）のエネルギーを利用して発電する水流発電装置に関する技術が知られている。例えば、特許文献１には、浮遊圧力容器と、ブレードが連結されたロータアセンブリとを含み、ブレードが水流によって駆動されることによって発電するパワーポッドを備えた発電装置が開示されている。この水流発電装置は、浮遊圧力容器に対してロータアッセンブリが流体軸受により回転自在に支持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１４−５３４３７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の水流発電装置において、ロータアッセンブリの浮遊圧力容器とは反対側の端部に、パワーポッドに浮力を付加する浮遊テイルコーン（浮力材）が取り付けられている。このように、ロータアッセンブリに浮力材を取り付けることにより、ロータアッセンブリの水中に露出する露出部の水中重量が小さくなり、軸受にかかる荷重が低減される。しかしながら、ロータアッセンブリの露出部の重心及び浮心の位置によっては、露出部の重量と浮力とにより露出部に作用するモーメントが大きくなってしまい、ロータアッセンブリが軸方向に対して並行な姿勢を保つことができないおそれがある。その結果、ロータアッセンブリを支持する軸受の軸受面に片当たりが生じてしまい、軸受面の摩耗が早まってしまう。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、水流の力で回転する回転部を支持する軸受の摩耗を抑制することが可能な水中発電装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、水流の力で発電を行う水流発電装置であって、前記水流の力で回転するブレードを有し、前記ブレードと一体で回転する回転部と、前記回転部に連結され、前記回転部の回転力で発電する発電ユニットと、前記発電ユニットを覆い、前記発電ユニットが配置された空間と、前記ブレードが配置された水中との境界となり、前記発電ユニットが配置された空間を空気雰囲気とするナセルと、前記回転部の径方向において、前記ナセルに対して前記回転部を回転自在に支持するジャーナル軸受と、を備え、前記回転部のうち前記ナセルの外側で水中に露出する露出部に、重心での重量と浮心での浮力とによりモーメントが作用したとき、前記ジャーナル軸受の一端が前記ナセルから受ける反力と他端が前記ナセルから受ける反力とのうち、小さい方に対する大きい方の比が１．５以下であることを特徴とする。
【０００７】
本発明にかかる水流発電装置は、重心での重量と浮心での浮力とにより露出部にモーメントが作用したとき、回転部を径方向に支持するジャーナル軸受の一端がナセルから受ける反力とナセルから他端が受ける反力とのうち、小さい方に対する大きい方の比が１．５以下である。それにより、ジャーナル軸受の一端及び他端がナセルから受ける反力の均一化を図り、ジャーナル軸受の軸受面に片当たりが生じて局所的に面圧が高まることを抑制することが可能となる。従って、本発明にかかる水流発電装置によれば、水流の力で回転する回転部を支持する軸受の摩耗を抑制することができる。
【０００８】
また、前記回転部の前記露出部は、前記回転部の軸方向において前記重心を挟んで設けられた複数の浮力材を有することが好ましい。これにより、重心の軸方向における両側で露出部に作用する浮力の均一化を図ることができるため、露出部の浮心を重心に近づけることができる。その結果、重心での重量と浮心での浮力とにより露出部に作用するモーメントを容易に小さく調整することができるため、ジャーナル軸受の一端が受ける反力と他端が受ける反力とのうち、小さい方に対する大きい方の比を１．５以下とすることが容易となる。
【０００９】
また、前記回転部の前記露出部は、底部と、前記底部から前記ナセル側に向けて前記軸方向に延び、前記ブレードが連結された筒状の側壁部とを有し、前記複数の浮力材は、前記底部に取り付けられた第一浮力材と、前記側壁部に取り付けられた第二浮力材とを有することが好ましい。これにより、ブレードが連結された筒状部の軸長を利用して、第二浮力材を露出部の重心を挟んで第一浮力材の反対側に配置しやすくなる。すなわち、複数の浮力材を軸方向において重心を挟んだ位置に、比較的容易に設けることができる。
【００１０】
また、前記回転部の前記露出部の前記複数のブレード以外の部分を収容する筒状の浮力材を含むことが好ましい。これにより、露出部の重心の軸方向における両側で露出部に作用する浮力の均一化を図ることができるため、露出部の浮心を重心に近づけることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかる水流発電装置は、水流の力で回転する回転部を支持する軸受の摩耗を抑制することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態に係る水流発電装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】図２は、本実施形態に係る水流発電装置の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、水流発電装置のロータの露出部近傍を示す拡大断面図である。
【図４】図４は、比較例としての水流発電装置のロータの露出部近傍を示す拡大断面図である。
【図５】図５は、比較例としての水流発電装置のロータの露出部近傍を示す拡大断面図である。
【図６】図６は、変形例にかかる水流発電装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明にかかる水流発電装置の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１４】
図１は、実施形態に係る水流発電装置の一例を示す概略構成図であり、図２は、本実施形態に係る水流発電装置の一例を示す模式図である。実施形態に係る水流発電装置１は、水中に配置され、水流エネルギーで発電する。水流発電装置１は、例えば海中に配置され、海流エネルギー又は潮流エネルギーで発電する。なお、水流発電装置１は、河川中に配置され、河川流エネルギーで発電してもよい。
【００１５】
水流発電装置１は、複数のブレード２が設けられたロータヘッド３を含むロータ（回転部）１４と、ロータ１４を回転可能に支持するナセル７を含むステータ１５と、ナセル７の内部空間に配置され、ロータヘッド３と接続されるドライブトレイン８と、ナセル７の内部空間に配置され、ドライブトレイン８を介して伝達されるロータ１４の回転エネルギーにより発電する発電機９と、を備えている。ドライブトレイン８と発電機９とは、ロータ１４の回転力で発電する発電ユニット１１を構成する。
【００１６】
本実施形態において、水流発電装置１は、海中浮遊方式の水流発電装置１である。図１に示すように、水流発電装置１は、ケーブル（係留策）１０を介して海底に係留される。ナセル７の内部空間は、空気のような気体で満たされており、発電ユニット１１が配置された空間を空気雰囲気とする。ロータヘッド３に複数のブレード２が取り付けられる。ブレード２に海流が当たると、そのブレード２に作用する海流エネルギーでロータヘッド３が回転する。ロータ１４の回転エネルギー（回転トルク）は、回転軸４を介して、ドライブトレイン８を介して発電機９に伝達される。発電機９は、ドライブトレイン８を介して伝達されたロータ１４の回転エネルギーにより発電する。回転軸４は、ロータヘッド３に固定され、ブレード２が連結されたロータヘッド３とともに回転する。
【００１７】
回転軸４は、ナセル７内部に挿入されている。また、回転軸４は、ロータヘッド３側の部分（第一回転部）とナセル７内部に挿入されている部分（第二回転部）とを有する。第一回転部と第二回転部とは、図示しないカップリングで連結されてもよい。水流発電装置１は、ロータヘッド３とナセル７との間に複数（本実施形態では、２つ）のジャーナル軸受５と複数（本実施形態では、２つ）のスラスト軸受６とが配置され、ロータヘッド３は、ナセル７によって回転可能な状態で支持されている。
【００１８】
水流発電装置１は、回転軸４とナセル７との間にシール軸受１９が配置されている。シール軸受１９は、固定部がナセル７に固定され、回転部が回転軸４に固定され、回転軸４とナセル７との間を回転可能な状態で支持しつつ、回転軸４とナセル７との間をシールしている。これにより、水流発電装置１は、ナセル７の回転軸４が挿入されている部分からナセル７の内部に海水が流入することを抑制できる。その結果、ナセル７は、発電ユニット１１が配置された空間と、ブレード２が配置された水中との境界となる。また、ロータ１４のうち、回転軸４がシール軸受１９で支持される位置を境界として、ナセル７の外側に配置される部分が、水中に露出するロータ１４の露出部１４１となる。
【００１９】
発電機９で発電された電力は、送電ケーブルを介して地上に送られる。海中浮遊方式の水流発電装置１は、ケーブル１０によって海中に浮遊するため、風及び波浪の影響を受け難い利点がある。
【００２０】
本実施形態において、ドライブトレイン８は、油圧ドライブトレインである。ドライブトレイン８は、回転軸４と接続されるブレーキ８０と、回転軸４と接続される油圧ポンプ８１と、油圧ポンプ８１により作動する油圧モータ８２と、配管８３、８４と、冷却ユニット８５と、を備えている。水流発電装置１は、回転軸４をドライブトレイン８に含めてもよい。ブレーキ８０は、ブレード２の回転を止めるときに駆動される。ブレーキ８０は、回転軸４を固定し、回転しない状態とすることで、ブレード２等、ロータ１４の回転を停止させる。油圧ポンプ８１は、回転軸４の回転により作動オイルを加圧して吐出する。油圧モータ８２は、供給される高圧の作動オイルによってロータ１４を回転させる。配管８３は、油圧ポンプ８１のオイル吐出ポートと、油圧モータ８２のオイル吸込ポートとを接続する。配管８４は、油圧モータ８２のオイル吐出ポートと、油圧ポンプ８１のオイル吸込ポートとを接続する。ドライブトレイン８の作動オイルは、配管８３及び配管８４を流れることができる。冷却ユニット８５は、配管８４に設けられており、油圧モータ８２から油圧ポンプ８１に供給される作動オイルを冷却する。ドライブトレイン８は、ロータヘッド３が回転すると、回転軸４も回転する。油圧ポンプ８１は、回転軸４を介して伝達されるロータヘッド３の回転エネルギーにより作動する。油圧ポンプ８１は、油圧モータ８２に作動オイルを供給して、その油圧モータ８２を駆動する。油圧モータ８２は、発電機９を作動する。なお、冷却ユニット８５は、後述するジャーナル軸受５及びスラスト軸受６に潤滑流体としての水を加圧して供給するものであってもよい。なお、ドライブトレイン８は、回転軸４の回転力を発電機９に伝達可能であれば、いかなる構成であってもよい。
【００２１】
次に、ロータ１４のナセル７に対する支持構造について説明する。以下の説明において、回転軸４の軸方向を「軸方向」と称し、回転軸４の径方向を「径方向」と称する。
【００２２】
ロータヘッド３は、図２に示すように、中心に回転軸４が連結された底部３１と、底部３１の外縁部から回転軸４を囲んで軸方向に延びる筒状の側壁部３２とを有する。側壁部３２は、底部３１に連結された大径部３２１と、大径部３２１に連結されたブレード連結部３２２とを有する。ブレード連結部３２２は、大径部３２１よりも小径のロータ側筒状部３２２ａと、ロータ側筒状部３２２ａの軸方向における一端から径方向外側に突出し、大径部３２１に連結される第一ロータ側フランジ部３２２ｂと、ロータ側筒状部３２２ａの軸方向における他端から径方向外側に突出する第二ロータ側フランジ部３２２ｃとを有する。ロータ側筒状部３２２ａは、軸方向における略中央部の外周面に、複数のブレード２が周方向に間隔を空けて連結されている。
【００２３】
また、ナセル７は、回転軸４を囲んで軸方向に延び、ロータ１４を支持するロータ支持部７０を有する。ロータ支持部７０は、ロータヘッド３の側壁部３２に設けられたブレード連結部３２２の形状に沿って、ブレード連結部３２２よりも一回り大きく形成される。ロータ支持部７０は、軸方向に延びるステータ側筒状部７０ａと、ステータ側筒状部７０ａの軸方向における一端から径方向外側に突出する第一ステータ側フランジ部７０ｂと、ステータ側筒状部７０ａの軸方向における他端から径方向外側に突出する第二ステータ側フランジ部７０ｃとを有する。
【００２４】
図２に示すように、水流発電装置１は、ロータヘッド３の側壁部３２に設けられたブレード連結部３２２のロータ側筒状部３２２ａと、ナセル７に設けられたロータ支持部７０のステータ側筒状部７０ａとの間に、２つのジャーナル軸受５が配置される。また、水流発電装置１は、ブレード連結部３２２の第一ロータ側フランジ部３２２ｂとロータ支持部７０の第一ステータ側フランジ部７０ｂとの間に、スラスト軸受６が配置される。また、水流発電装置１は、ブレード連結部３２２の第二ロータ側フランジ部３２２ｃとロータ支持部７０の第二ステータ側フランジ部７０ｃとの間に、スラスト軸受６が配置される。
【００２５】
これにより、ロータ１４は、２つのジャーナル軸受５によって、径方向においてナセル７に対して回転自在に支持され、２つのスラスト軸受６によって、軸方向においてナセル７に対して回転自在に支持される。このように、ロータヘッド３のうち、複数のブレード２が連結されたブレード連結部３２２をジャーナル軸受５及びスラスト軸受６によってナセル７に対して支持することで、ロータ１４を安定的に支持し、ロータ１４の回転ブレを抑制することができる。なお、本実施形態において、ジャーナル軸受５及びスラスト軸受６は、水潤滑軸受であり、ロータヘッド３の周囲から取得した海水により潤滑される。水流発電装置１は、上述したように、冷却ユニット８５からジャーナル軸受５及びスラスト軸受６に潤滑流体としての海水を加圧して供給するものであってもよい。
【００２６】
次に、ロータ１４に取り付けられた複数の浮力材４０について説明する。図３は、水流発電装置のロータの露出部近傍を示す拡大断面図である。図示するように、ロータ１４の露出部１４１は、軸方向において露出部１４１の重心１４１Ｗを挟んで設けられた複数の浮力材４０を有している。複数の浮力材４０は、第一浮力材４１と、第二浮力材４２とを含む。第一浮力材４１及び第二浮力材４２は、低密度材料で形成されており、ロータ１４の露出部１４１に浮力を付与する。
【００２７】
第一浮力材４１は、ロータヘッド３の底部３１のナセル７とは反対側の面に取り付けられる。第一浮力材４１は、露出部１４１の重心１４１Ｗよりもナセル７とは反対側に設けられる。第二浮力材４２は、ロータヘッド３の側壁部３２に設けられたブレード連結部３２２のロータ側筒状部３２２ａの外周面に取り付けられる。第二浮力材４２は、露出部１４１の重心１４１Ｗよりもナセル７側に設けられる。つまり、第一浮力材４１と第二浮力材４２とは、軸方向において露出部１４１の重心１４１Ｗを挟んで設けられる。本実施形態において、第二浮力材４２は、図２に示すように、複数のブレード２の取り付け部を回避しながら、ロータ側筒状部３２２ａの外周面に全周にわたって取り付けられる。なお、第二浮力材４２は、ロータ側筒状部３２２ａの外周面の一部にのみ取り付けられてもよいい。
【００２８】
これにより、ロータ１４の露出部１４１の水中重量（空中での重量から水中で作用する浮力を差し引いた重量）を小さくすることができ、ジャーナル軸受５及びスラスト軸受６にかかる荷重を小さくすることが可能となる。本実施形態において、ロータ１４の露出部１４１は、上下対称構造に形成されているため、露出部１４１の浮心１４１Ｂと重心１４１Ｗとは、図３に示すように、鉛直方向において並ぶ位置に配置される。第一浮力材４１と第二浮力材４２とを、軸方向において露出部１４１の重心１４１Ｗを挟んで設けることにより、重心１４１Ｗの軸方向における両側でロータ１４の露出部１４１に作用する浮力の均一化を図ることができる。つまり、露出部１４１の浮心１４１Ｂを重心１４１Ｗに近づけることができる。
【００２９】
図３に示すように、２つのジャーナル軸受５の軸方向における中心５ａから露出部１４１の重心１４１Ｗまでの距離を“Ｌｗ”とし、２つのジャーナル軸受５の中心５ａから露出部１４１の浮心１４１Ｂまでの距離を“Ｌｂ”とし、２つのジャーナル軸受５の中心５ａから一端５１及び他端５２までの距離を“Ｌｊ”とする。一端５１、他端５２は、２つのジャーナル軸受５を一体の軸受として考えた場合の軸方向における一端、他端を示す。また、ジャーナル軸受５の一端５１がナセル７のロータ支持部７０から受ける径方向の反力を“Ｆ１”とし、ジャーナル軸受５の他端５２がナセル７のロータ支持部７０から受ける径方向の反力を“Ｆ２”とする。なお、ここでは、２つのジャーナル軸受５がナセル７から受ける反力を一端５１、他端５２に集約して考える。
【００３０】
鉛直方向上向きの力を正とすると、露出部１４１に作用する鉛直方向の力の釣り合いから、次式（１）が成立する。また、重心１４１Ｗでの露出部１４１の重量Ｗと、浮心１４１Ｂでの浮力Ｂとにより、ジャーナル軸受５の中心５ａ回りに図中反時計回り方向のモーメントＭが作用したとする。図中反時計回り方向のモーメントＭを正とすると、ジャーナル軸受５に作用するモーメントの釣り合いから、次式（２）が成立する。式（１）、式（２）は、反力Ｆ１及び反力Ｆ２を共に鉛直方向上向きと仮定したものである。式（１）及び式（２）に基づいて、ジャーナル軸受５の一端５１が受ける反力Ｆ１は、次式（３）により算出され、ジャーナル軸受５の他端５２が受ける反力Ｆ２は、次式（４）により算出される。
【００３１】
Ｆ１＋Ｆ２−Ｗ＋Ｂ＝０  ・・・（１）
Ｍ−Ｌｊ・Ｆ１＋Ｌｊ・Ｆ２＝０  ・・・（２）
Ｆ１＝（Ｗ−Ｂ）／２＋（Ｍ／Ｌｊ）／２  ・・・（３）
Ｆ２＝（Ｗ−Ｂ）／２−（Ｍ／Ｌｊ）／２  ・・・（４）
【００３２】
モーメントＭが正（図中反時計回り方向）である場合、式（３）により算出される反力Ｆ１は、正の値となり、図３の実線矢印で示すように、ジャーナル軸受５の一端５１の図中上側の面に作用する鉛直方向上向きの力となる。また、モーメントＭが正（図中反時計回り方向）である場合、式（４）により算出される反力Ｆ２は、負の値となり、図３の実線矢印で示すように、ジャーナル軸受５の他端５２の図中下側の面に作用する鉛直方向下向きの力となる。このとき、ジャーナル軸受５は、反力Ｆ１及び反力Ｆ２を受ける側において軸受面に片当たりが生じる。
【００３３】
式（３）及び式（４）から、反力Ｆ１と反力Ｆ２とは、モーメントＭが小さいほど互いの値が近くなることがわかる。仮にモーメントＭが値０であれば、反力Ｆ１と反力Ｆ２とは、同方向かつ同じ値となり、ジャーナル軸受５の軸受面に片当たりが生じない。モーメントＭの値が小さく、反力Ｆ１と反力Ｆ２との値が近いほど、ジャーナル軸受５の軸受面に生じる片当たりが小さくなる。モーメントＭは、次式（５）により算出される。式（５）から、露出部１４１の重心１４１Ｗと浮心１４１Ｗとの距離が近いほど、すなわち距離Ｌｗと距離Ｌｂとが近い値であるほど、モーメントＭの値を容易に調整することができることがわかる。つまり、距離Ｌｗと距離Ｌｂとが近い値であるほど、露出部１４１の重量Ｗと浮力Ｂとの差がモーメントＭの大きさに寄与する程度が大きくなるため、重量Ｗと浮力Ｂとの差の調整によりモーメントＭを小さく調整しやすくなる。
【００３４】
Ｍ＝Ｌｂ・Ｂ−Ｌｗ・Ｗ  ・・・（５）
【００３５】
上述したように、本実施形態にかかる水流発電装置１は、露出部１４１の浮心１４１Ｂを重心１４１Ｗに近づけることができる。そのため、本実施形態にかかる水流発電装置１は、式（５）により算出されるモーメントＭを容易に小さくすることができ、ひいては式（３）及び式（４）により算出される反力Ｆ１及び反力Ｆ２の値を容易に近づけることができる。なお、図３は、浮心１４１Ｂと重心１４１Ｗとを示すため、浮心１４１Ｂと重心１４１Ｗとを比較的に大きく離して記載しているが、浮心１４１Ｂと重心１４１Ｗとは、近いほど好ましく、浮心１４１Ｂと重心１４１Ｗとの位置が一致することが、さらに好ましい。
【００３６】
ここで、反力Ｆ１と反力Ｆ２とのうち、大きい方を反力Ｆｂｉｇとし、小さい方を反力Ｆｓｍａｌｌとすると、本実施形態にかかる水流発電装置１において、反力Ｆｓｍａｌｌに対する反力Ｆｂｉｇの比は、次式（６）に示すように、１．５以下とされる。このように、反力Ｆ１と反力Ｆ２との値を近づけ、反力Ｆｓｍａｌｌに対する反力Ｆｂｉｇの比を１．５以下とすることで、ジャーナル軸受５の軸受面に片当たりが生じて局所的に面圧が高まることを抑制することができる。なお、反力Ｆｓｍａｌｌに対する反力Ｆｂｉｇの比は、小さいほど好ましい。
【００３７】
Ｆｂｉｇ／Ｆｓｍａｌｌ≦１．５  ・・・（６）
【００３８】
なお、ここでは、２つのジャーナル軸受５がナセル７から受ける反力を一端５１、他端５２に集約して考えたが、ジャーナル軸受５は、軸方向に沿ってナセル７から分布荷重の反力を受ける。式（６）において、反力Ｆｓｍａｌｌに対する反力Ｆｂｉｇの比が１．５以下であるとは、２つのジャーナル軸受５がナセル７から受ける反力を一端５１、他端５２に集約した力を基準として考えるものではなく、２つのジャーナル軸受５がナセル７から受ける分布荷重の反力のうち、一端５１及び他端５２で受ける力を基準として考えるものである。
【００３９】
図４及び図５は、比較例としての水流発電装置のロータの露出部近傍を示す拡大断面図である。比較例としての水流発電装置１Ａは、実施形態にかかる水流発電装置１の第一浮力材４１に代えて、浮力材４０Ａを備える。また、比較例としての水流発電装置１Ａは、実施形態にかかる水流発電装置１の第二浮力材４２を備えない。水流発電装置１Ａのその他の構成は、水流発電装置１と同様であるため、説明を省略する。
【００４０】
浮力材４０Ａは、第一浮力材４１と同様に、ロータヘッド３の底部３１に取り付けられている。また、浮力材４０Ａは、図４に示すように、第一浮力材４１よりも大きい。それにより、比較例としての水流発電装置１Ａのロータ１４の露出部１４１に作用する浮力Ｂの大きさは、実施形態にかかる水流発電装置１のロータ１４の露出部１４１に作用する浮力Ｂの大きさと同一となる。また、比較例としての水流発電装置１Ａは、露出部１４１の重量Ｗが実施形態にかかる水流発電装置１の露出部１４１の重量Ｗと同一である。
【００４１】
比較例としての水流発電装置１Ａのロータ１４の露出部１４１は、第二浮力材４２を備えないため、実施形態にかかる水流発電装置１の露出部１４１の浮心１４１Ｂ（図３参照）よりも、浮心１４１Ｂが重心１４１Ｗから軸方向において離れた位置に配置される。つまり、図４に示すように、ジャーナル軸受５の軸方向における中心５ａから露出部１４１の重心１４１Ｗまでの距離Ｌｗと、２つのジャーナル軸受５の中心５ａから露出部１４１の浮心１４１Ｂまでの距離Ｌｂとの差が大きくなる。その結果、式（５）から、比較例としての水流発電装置１Ａは、実施形態にかかる水流発電装置１よりもモーメントＭの値が大きくなる。そのため、比較例としての水流発電装置１Ａは、実施形態にかかる水流発電装置１よりも、反力Ｆ１及び反力Ｆ２とのうち、小さい方の反力Ｆｓｍａｌｌに対する大きい方の反力Ｆｂｉｇの比が大きくなる。比較例としての水流発電装置１Ａは、図５において破線で囲んだ範囲に示すように、ジャーナル軸受５及びスラスト軸受６の軸受面に生じる片当たりが大きくなってしまい、軸受面の摩耗が不均一となると共に、摩耗が早まってしまう。なお、図５は、ジャーナル軸受５及びスラスト軸受６の軸受面に生じる片当たりが大きくなることを説明するため、ロータ１４全体の軸方向に対する傾斜の程度を実際よりも大きくしている。
【００４２】
一方、実施形態にかかる水流発電装置１は、上述したように、露出部１４１の浮心１４１Ｂを重心１４１Ｗに近づけることで、反力Ｆ１と反力Ｆ２との値を容易に近づけることができ、また、反力Ｆ１と反力Ｆ２とのうち、小さい方（反力Ｆｓｍａｌｌ）に対する大きい方（反力Ｆｂｉｇ）の比が１．５以下とされる。その結果、比較例の水流発電装置１Ａよりも、ジャーナル軸受５の軸受面に生じる片当たりを抑制することができる。また、スラスト軸受６についても、同様に、軸受面に生じる片当たりを抑制することができる。
【００４３】
以上説明したように、実施形態にかかる水流発電装置１は、露出部１４１に重心１４１Ｗでの重量Ｗと浮心１４１Ｂでの浮力ＢとによりモーメントＭが作用したとき、ロータ１４を径方向に支持するジャーナル軸受５の一端５１がナセル７から受ける反力Ｆ１とナセル７から他端５２が受ける反力Ｆ２とのうち、小さい方（反力Ｆｓｍａｌｌ）に対する大きい方（反力Ｆｂｉｇ）の比が１．５以下である。それにより、ジャーナル軸受５の一端５１及び他端５２がナセル７から受ける反力Ｆ１，Ｆ２の均一化を図り、ジャーナル軸受５の軸受面に片当たりが生じて局所的に面圧が高まることを抑制することが可能となる。従って、本実施形態にかかる水流発電装置１によれば、水流の力で回転する回転部を支持する軸受の摩耗を抑制することができる。
【００４４】
また、ロータ１４の露出部１４１は、ロータ１４の軸方向において重心１４１Ｗを挟んで設けられた複数の浮力材４０を有する。これにより、重心１４１Ｗの軸方向における両側で露出部１４１に作用する浮力の均一化を図ることができるため、露出部１４１の浮心１４１Ｂを重心１４１Ｗに近づけることができる。その結果、重心１４１Ｗでの重量Ｗと浮心１４１Ｂでの浮力Ｂとにより露出部１４１に作用するモーメントＭを容易に小さく調整することができるため、ジャーナル軸受５の一端５１が受ける反力Ｆ１と他端５２が受ける反力Ｆ２とのうち、小さい方（反力Ｆｓｍａｌｌ）に対する大きい方（反力Ｆｂｉｇ）の比を１．５以下とすることが容易となる。
【００４５】
また、ロータ１４の露出部１４１は、底部３１と、底部３１からナセル７側に向けて軸方向に延び、ブレード２が連結された筒状の側壁部３２とを有し、複数の浮力材４０は、底部３１に取り付けられた第一浮力材４１と、側壁部３２に取り付けられた第二浮力材４２とを有する。これにより、ブレード２が連結された筒状の側壁部３２の軸長を利用して、第二浮力材４２を露出部１４１の重心１４１Ｗを挟んで第一浮力材４１の反対側に配置しやすくなる。すなわち、複数の浮力材４０を軸方向において重心１４１Ｗを挟んだ位置に、比較的容易に設けることができる。
【００４６】
本実施形態では、第一浮力材４１をロータヘッド３の底部３１に取り付け、第二浮力材４２をロータヘッド３の側壁部３２に設けられたブレード連結部３２２のロータ側筒状部３２２ａに取り付けるものとしたが、第一浮力材４１及び第二浮力材４２の配置位置は、これに限られない。例えば、複数のブレード２自体に第二浮力材４２を取り付けてもよいし、複数のブレード２の内部に第二浮力材４２を配置してもよい。
【００４７】
また、本実施形態では、複数の浮力材４０が第一浮力材４１と第二浮力材４２とを有するものとしたが、複数の浮力材４０は、３つ以上の浮力材を有するものであってもよい。
【００４８】
また、水流発電装置１は、浮力材を１つのみ備えるものであってもよい。図６は、変形例にかかる水流発電装置を示す斜視図である。図６においては、係留索の図示を省略している。変形例にかかる水流発電装置１Ｂは、水流発電装置１の第一浮力材４１及び第二浮力材４２に代えて、浮力材４０Ｂを有している。水流発電装置１Ｂのその他の構成は、水流発電装置１と同様であるため、説明を省略する。図示するように、浮力材４０Ｂは、露出部１４１の複数のブレード２以外の部分を収容する筒状部材である。これにより、重心１４１Ｗの軸方向における両側で露出部１４１に作用する浮力の均一化を図ることができるため、露出部１４１の浮心１４１Ｂを重心１４１Ｗに近づけることができる。
【００４９】
また、本実施形態では、ロータヘッド３の側壁部３２に設けられたブレード連結部３２２のロータ側筒状部３２２ａと、ナセル７に設けられたロータ支持部７０のステータ側筒状部７０ａとの間に、２つのジャーナル軸受５を配置するものとしたが、ジャーナル軸受５は、少なくとも１つ配置されればよく、３つ以上配置されてもよい。また、本実施形態では、ジャーナル軸受５とスラスト軸受６とを別部材として用いるものとしたが、隣接するジャーナル軸受５とスラスト軸受６とを一体の部材として構成してもよい。また、ジャーナル軸受５とスラスト軸受６との少なくともいずれか一方は、ナセル７の内部空間に配置された油潤滑式の軸受であってもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１、１Ａ、１Ｂ  水流発電装置
２  ブレード
３  ロータヘッド
３１  底部
３２  側壁部
３２１  大径部
３２２  ブレード連結部
３２２ａ  ロータ側筒状部
３２２ｂ  第一ロータ側フランジ部
３２２ｃ  第二ロータ側フランジ部
４  回転軸
５  ラジアル軸受
５ａ  中心
５１  一端
５２  他端
６  ジャーナル軸受
７  ナセル
７０  ロータ支持部
７０ａ  ステータ側筒状部
７０ｂ  第一ステータ側フランジ部
７０ｃ  第二ステータ側フランジ部
８  ドライブトレイン
９  発電機
１０  ケーブル
１１  発電ユニット
１４  ロータ
１４１  露出部
１４１Ｂ  浮心
１４１Ｗ  重心
１５  ステータ
１９  シール軸受
４０、４０Ａ、４０Ｂ  浮力材
４１  第一浮力材
４２  第二浮力材
８０  ブレーキ
８１  油圧ポンプ
８２  油圧モータ
８３、８４  配管
８５  冷却ユニット
【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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