(57)【要約】【課題】部品点数を削減できて低コストでかつ組立も容易な水力発電装置を提供する。【解決手段】水力を回転力に変換する翼車３およびこの翼車３の回転により発電する発電機９を有する水力発電装置１であって、翼車３と発電機９とが、入力軸心Ａ１の方向と出力軸心Ａ２の方向とを異ならせるギヤ機構２３、および連結軸３０を介して連結され、ギヤ機構２３の出力軸２５と連結軸３０とがクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第１の偏心許容継手３２を介して連結され、発電機軸４０と連結軸３０とがクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第２の偏心許容継手４７を介して連結されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力を回転力に変換する翼車、およびこの翼車の回転により発電する発電機を有する水力発電装置であって、
前記翼車と前記発電機とが、入力軸心の方向と出力軸心の方向とを異ならせるギヤ機構、および連結軸を介して連結され、
前記ギヤ機構の出力軸と前記連結軸とがクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第１の偏心許容継手を介して連結され、
発電機軸と前記連結軸とがクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第２の偏心許容継手を介して連結されている水力発電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の水力発電装置において、前記ギヤ機構はギヤボックスに収納され、前記連結軸の一端部と前記ギヤ機構の出力軸とが前記ギヤボックスに取り付けた第１の軸受により回転自在に支持され、前記発電機軸が前記発電機を支持する支持装置に取り付けた第２の軸受により回転自在に支持されている水力発電装置。
【請求項３】
請求項２に記載の水力発電装置において、両端部にフランジを有する支柱の中空部に前記連結軸が挿通され、第１のフランジが前記ギヤボックスに支持され、第２のフランジが前記支持装置に支持されている水力発電装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の水力発電装置において、前記発電機軸は、発電機の入力軸と、この入力軸と第２の偏心許容継手との間に接続されている延長軸とを有し、前記入力軸と前記延長軸とが偏心を許容しないカップリングにより連結されている水力発電装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の水力発電装置において、前記ギヤ機構は、翼車軸の回転をこれと直交する前記回転軸心を有する前記出力軸に伝達するギヤ列を含む水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水力発電装置に関し、例えば一定以上の水量の流れがある水路等に設置される水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の水力発電装置は、水路に水車部のみが水没したものであり、各種補機類を必要とする複雑な構成であったが、水車部と増速機部と発電機部を一体とした水中機械や、水車部と増速機部を一体とし発電機部を水上に設置した簡素な構成となったタイプの水力発電装置が出現してきている（特許文献１）。
【０００３】
後者の水車部８０と増速機部８１を一体とし発電機部８２を水上に設置した水力発電装置では、図７に示すように、水の抵抗を抑えるため、水没する部分を極力コンパクトな構成としている。また、水車部８０の翼軸に締結される翼８４は、その一部が水面上に露出していると発電効率が低下するため、水車部８０は水路に全没している。
【０００４】
このような水力発電装置において、水車部８０を水路に設置する場合、水路断面形状に合わせ水車を載置するフレームを水路幅に合うように調整している。また、水路深さに対しては、発電機部８２が浸水しないように支持台８５を高さ調整するか、支持台８５の下方に延びる支柱８６の長さを変更することにより対応している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−３２７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記支持台８５の高さ調整では、例え支持台８５が水面上であっても、水路断面と干渉する場合は、水路内の水嵩が増加したとき、発電機部８２に浸水被害が及ぶため、支柱８６の長さを変更することで対処しなければならない。つまり、支柱８６の長さを上方向に長くして支持台７５の高さを上方に位置させる必要が生じる。
【０００７】
また、支柱８６はギヤボックス内のギヤ機構２３で増速された翼８４の発電トルクを、支柱８６に内挿された発電機軸（図示は省略）を介して発電機部８２に効率よく伝達するために、支柱８６内の上下に発電機軸を支持する軸受（図示は省略）を配置している。つまり、発電機軸が支柱８６内の上下の軸受で支持されるため、それらの必要な同軸度が大きいと、そのズレに相応して発電に寄与しないロストルクが大きくなり、実質的な発電トルクがロス分だけ小さくなる。このため、支柱８６内に前記軸受を挿入するハウジングは、同軸度等を確保する必要があり、その高精度の加工にコストと手間を要していた。また、支柱８６の管部分と両端のフランジは溶接により接合しているが、支柱８６内の上下に軸受が設けられているため、精度確保のための加工コストも要していた。この状況下で、支柱８６の長さを伸ばす場合、部品点数も増加し加工精度の確保がより難しくなって、より一層の高コストとなっていた。
【０００８】
この発明は、部品点数を削減できて低コストで、かつ組立も容易な水力発電装置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】
【０００９】
この発明に係る水力発電装置は、水力を回転力に変換する翼車、およびこの翼車の回転により発電する発電機を有する水力発電装置であって、前記翼車と前記発電機とが、入力軸心の方向と出力軸心の方向とを異ならせるギヤ機構、および連結軸を介して連結され、前記ギヤ機構の出力軸と前記連結軸とがクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第１の偏心許容継手を介して連結され、発電機軸と前記連結軸とがクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第２の偏心許容継手を介して連結されている。
【００１０】
この構成によれば、ギヤ機構の出力軸と連結軸とを第１の偏心許容継手を介して連結し、発電機軸と連結軸とを第２の偏心許容継手を介して連結したので、連結軸とギヤ機構および発電機軸との間の高い同軸度が要求されない。したがって、連結軸の若干の傾きが許容されるから、軸受は発電機側とギヤ機構側に配設でき、発電機側とギヤ機構側とを繋ぐ支柱内への軸受の配設が不要となる。その結果、前記支柱は発電機側とギヤ機構側とを繋ぐ強度部材としての機能のみあれば足り、組立上の機械精度が緩和される。これにより、水力発電装置の加工が容易となって、低コスト化が図れる。また、組立にあたっても、同軸度のズレをクロスジョイント（またはフレキシブルジョイント）が吸収するため、効率的に組立できる。
【００１１】
この発明に係る水力発電装置において、前記ギヤ機構はギヤボックスに収納され、前記連結軸の一端部と前記ギヤ機構の出力軸とが前記ギヤボックスに取り付けた第１の軸受により回転自在に支持され、発電機軸が前記発電機を支持する発電機台に取り付けた第２の軸受により回転自在に支持されていてもよい。この構成によると、従来のように、発電機側とギヤ機構側とを繋ぐ支柱内に軸受を配設する場合に比べ、構造が簡素化されることで、組立が容易となる。
【００１２】
この発明に係る水力発電装置において、両端部にフランジを有する支柱の中空部に前記連結軸が挿通され、第１のフランジが前記ギヤボックスに支持され、第２のフランジが前記発電機台に支持されていてもよい。この構成によれば、連結軸が支柱により保護され外部に露出しないので、動力伝達経路の劣化を抑制できて水力発電装置の高寿命化が図れる。
【００１３】
この発明に係る水力発電装置において、前記発電機軸は、発電機の入力軸と、この入力軸と第２の偏心許容継手との間に接続されている延長軸とを有し、前記入力軸と前記延長軸とが偏心を許容しないカップリングにより連結されていてもよい。この構成によると、入力軸と延長軸とを連結するカップリングは偏心を許容しないため、これら両軸とカップリングは、偏心荷重による影響を受けず、損傷しにくく、長らくその機能を維持することができる。
【００１４】
この発明に係る水力発電装置において、さらに、前記ギヤ機構は、翼車軸の回転をこれと直交する前記回転軸心を有する前記出力軸に伝達するギヤ列を含んでいてもよい。このように、ギヤ機構を所定のギヤ列で構成すると、ギヤボックス内への配設が一体的に行え、組立はもちろん、メンテナンスも容易に行える。
【発明の効果】
【００１５】
この発明の水力発電装置によれば、ギヤ機構の出力軸と連結軸とをクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントからなる第１の偏心許容継手を介して連結し、発電機軸と連結軸とを第２の偏心許容継手を介して連結したので、連結軸とギヤ機構および発電機軸との間の高い同軸度が要求されない。したがって、連結軸の若干の傾きは許容されるから、軸受は発電機側とギヤ機構側に配設でき、発電機側とギヤ機構側とを繋ぐ支柱内への軸受の配設が不要となる。その結果、前記支柱は発電機側とギヤ機構側とを繋ぐ強度部材とし
ての機能のみあれば足り、組立上の機械精度が緩和される。これにより、水力発電装置の加工が容易となって、低コスト化が図れる。また、組立にあたっても、同軸度のズレをクロスジョイントまたはフレキシブルジョイントが吸収するため、効率的に組立できる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】この発明の一実施形態に係る水力発電装置の正面図である。
【図２】同水力発電装置の側面図である。
【図３】同水力発電装置のギヤボックス側の構造を示す縦断面図である。
【図４】同水力発電装置の発電機台側の構造を示す縦断面図である。
【図５】クロスジョイントの斜視図である。
【図６】フレキブルジョイントの斜視図である。
【図７】従来例の水力発電装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の好ましい実施形態に係る水力発電装置について図面を参照しながら説明する。
＜水力発電装置全体の概略構成＞
図１は、この発明の一実施形態に係る水力発電装置１の正面図、図２は、その側面図を示す。これらの図に示すように、水力発電装置１は、例えば、河川、用水路等の一定の流水量がある水路２に設置され、水力を回転力に変換する翼車３の回転を受けて発電を行う。この水力発電装置１は、翼車３と、水上に設置される発電装置本体４と、この発電装置本体４を支持する支持装置５とを備える。発電装置本体４は、支持装置５の上に支持プレート６を介して設置された発電機９を備え、前記支持装置５は、梁材１０と、その前後端下面に補強材として取り付けられた一対の水平支持材１１，１１と、翼車３を支持装置５に支持する支柱１３とを有する。支持装置５の両側端部は、例えば水路２の土手７，７に設置される。
【００１８】
図２に示すように、支持装置５の支持プレート６の下部に、支柱１３を介して。ギヤボックス１５が連結されている。支柱１３は、中空円筒状で上下方向に沿って延び、この支柱１３の下端部および上端部にそれぞれフランジ１６，１７が設けられている。ギヤボックス１５は、図３に示すように、支柱１３の下端部の第１のフランジ１６に対し、複数のボルト１９Ａにより連結されている。同様に、支柱１３の上端部の第２のフランジ１７は、図４に示すように、支持プレート６の下部に対し、複数のボルト１９Ｂにより連結されている。
【００１９】
＜翼車について＞
図１に示すように、翼車３は、水路２の流水中に全没する状態で配置され、流水からの水力を回転力に変換する。この翼車３は、回転軸心Ｌ１が流水の流れる方向と平行なプロペラ型である。翼車３は、回転軸心Ｌ１に設けられるハブ３ａと、このハブ３ａの外周面から半径方向外方に放射状に延びる複数（例えば５枚）のブレード３ｂとを有する。各ブレード３ｂは、図２に示すように、その先端部がウイングレット状に上流側に向けて若干傾斜するように形成されている。これにより、翼端渦を減少あるいは発生方向を翼先端側に移動させることで水抵抗を減らし、結果として発電トルクを向上させる効果がある。なお、翼車３には、例えば、アルミニウム等の軽量金属や、繊維等によって強化された強化樹脂（ＦＲＰ）等の実質的に剛体とみなされる材料が用いられるが、ウレタン樹脂等のある程度の変形を許容する材料が用いられていてもよい。
【００２０】
＜ギヤボックスについて＞
図３により、水力発電装置１のギヤボックス１５の構造について説明する。同図に示すように、翼車３のハブ３ａ（図１）に同軸に翼車軸１８が取り付けられ、この翼車軸１８
は軸方向に所定間隔をおいて配置された２つの軸受２０，２１により回転自在に支持される。この翼車軸１８の回転は増速機であるギヤ機構２３により増速される。このギヤ機構２３は、互いに噛み合う一対の傘歯車（ベベルギヤ）２３ａ，２３ｂを備える。翼車軸１８、軸受２０，２１、およびギヤ機構２３は、ギヤボックス１５に収容されている。ギヤボックス１５は、一側が開口したボックス本体１５０と、この開口を覆う第１のカバー体１５１と、ボックス本体１５０の上部の開口に取り付けられた第２のカバー体１５２とを有する。
【００２１】
傘歯車２３ｂには、ギヤ機構２３の出力軸２５が締結により取り付けられている。これにより、翼車軸１８の軸心、つまり、ギヤ機構２３の入力軸心Ａ１の方向と、出力軸２５の軸心、つまり、ギヤ機構２３の出力軸心Ａ２の方向とが、この例では９０°異なる。この出力軸２５の先端（突出端）と、発電機台側の連結軸３０の一端部（下端部）とがクロスジョイントからなる第１の偏心許容継手３２を介して連結されている。出力軸２５は、ギヤボックス１５に取り付けられた背面組合せ軸受からなる第１の軸受３５により回転自在に支持されており、第２のカバー体１５２の中央の貫通孔を通ってギヤボックス１５から外方に突出している。前記第２のカバー体１５２は、支柱１３の下端側のフランジ１６とボックス本体１５０の上面との間で挟持されている。第２のカバー体１５２の外周にはｏーリング３７が嵌め込まれ、前記フランジ１６との間の液密性が保持されている。
【００２２】
＜発電機部について＞
図４により、水力発電装置１の発電機部４側の構造について説明する。同図に示すように、梁材１０に取り付けた支持プレート６上に支持された発電機９から下方に延びる発電機軸４０は、発電機９の入力軸４１と延長軸４３とを、入力軸４１，延長軸４３間の偏心を許容しないカップリング４５により相対回転不能に連結したものである。詳しくは、発電機軸４０とカップリング４５とにキー溝が形成され、これにキー４８が嵌め込まれることで、発電機軸４０と延長軸４３とが高い同軸度で連結されている。なお、延長軸４３は省略して、入力軸４１を直接、第２の偏心許容継手４７に接続してもよい。
【００２３】
前記延長軸４３の下端部と連結軸３０の他端部（上端部）とがクロスジョイントからなる第２の偏心許容継手４７を介して連結されている。カップリング４５と支柱１３の上側のフランジ１７との間には、延長軸４３に相対回転不能に篏合されたフランジ付きの保持体５０が配置されており、この保持体５０とフランジ１７との間に背面組合せ軸受からなる第２の軸受５３が保持されている。保持体５０のフランジ５０ａの下面に対向して電磁ブレーキ５４が配設されている。
【００２４】
発電機９は、支持プレート６にねじ止めされた発電機スタンド５７により、図示しない止具を使用して揺動しないように固定支持されている。
【００２５】
このように、図３のギヤボックス側のクロスジョイントからなる第１の偏心許容継手３２と、図４の発電機台側のクロスジョイントからなる第２の偏心許容継手４７とにより、連結軸３０がギヤ機構２３の出力軸２５と発電機軸４０とにそれぞれ連結されている。
【００２６】
＜偏心許容継手について＞
ここで、図３に示すクロスジョイントからなる第１の偏心許容継手３２、図４に示すクロスジョイントからなる第２の偏心許容継手４７について説明する。両クロスジョイント３２，４７は同一構造であり、支柱１３の中空部内に位置する。
【００２７】
図５によりクロスジョイントについて説明する。同図に示すように、一対の中空の円筒状ジョイント部材６０，６１を十字状のジョイント素子６２で連結しており、一方の円筒状ジョイント部材６０にギヤ機構２３の出力軸２５が、他方の円筒状ジョイント部材６１
に連結軸３０がそれぞれ連結されている。両ジョイント部材６０，６１は直交する２つの軸心Ｂ１，Ｂ２の回りに相対回動可能であり、これによって、ジョイント部材６０とジョイント部材６１の軸心のズレや傾きが許容される。したがって、出力軸２５と連結軸３０は低い同軸度で連結できる。
【００２８】
第１，２の偏心許容継手３２，４７はクロスジョイントに代えてフレキシブルジョイントとしてもよい。図６に示すように、フレキシブルジョイント３２Ａ（４７Ａ）は、両端のリング状の連結部７１，７２とこれらを接続する円筒状の接続部７４とを有し、一方の連結部７１に出力軸２５が、他方の連結部７２に連結軸３０がそれぞれ連結されている。フレキシブルジョイント３２Ａ（４７Ａ）は全体がゴムのような弾性材料で形成されている。したがって、フレキシブルジョイント３２Ａ（４７Ａ）の弾性変形により、出力軸２５と連結軸３０の軸心のズレや傾きが許容されるので、出力軸２５と連結軸３０は低い同軸度で連結できる。
【００２９】
また、前述したクロスジョイントやフレキシブルジョイントに代えて、等速ジョイント（ＣＶＪ）を第１の偏心許容継手３２または第２の偏心許容継手４７として用いることもできる。この場合も、クロスジョイントやフレキシブルジョイントを用いた場合とほぼ同等の作用、効果が期待できる。
【００３０】
＜動作について＞
次に、この発明の水力発電装置１の動作について説明する。図１の水力発電装置１を稼働させると、水力により翼車３が回転する。翼車３が回転すると、図３の軸受２０，２１に支持された翼車軸１８が回転する。この翼車軸１８の回転はギヤ機構２３の傘歯車２３a，２３ｂを介して、回転方向を直角に変えてギヤ機構２３の出力軸２５に伝達される。この出力軸２５の回転は、第１の偏心許容継手３２を介して図４の連結軸３０に伝達され、この連結軸３０の回転は、発電機９の入力軸４１とカップリング４５を介して連結された延長軸４３に第２の偏心許容継手４７を介して伝達される。
【００３１】
＜作用・効果について＞
以上のように構成されるこの発明の水力発電装置１は、翼車３の回転によって得た翼車軸１８回りの発電トルクが発電機軸４０に伝達される動力伝達経路に、クロスジョイント（またはフレキシブルジョイント）からなる第１，第２の偏心許容継手３２，４７が設けられている。具体的には、翼車３と発電機９を連結する連結軸３０の両端部に偏心許容継手３２，４７が設けられている。したがって、連結軸３０とギヤ機構２３および延長軸４３（入力軸４０）との間で高い同軸度は要求されない。その結果、ギヤ機構２３から発電機９までの動力伝達経路の軸受は発電機９側とギヤ機構２３側に、それぞれ、第１の軸受３５（図３）、第２の軸受５３（図４）として配設でき、発電機９側とギヤ機構２３側とを繋ぐ支柱１３で繋いだ場合でも、支柱１３内への軸受の配設が不要となる。これにより、支柱１３は発電機９側とギヤ機構２３側とを繋ぐ強度部材としての機能のみがあれば足り、機械精度が緩和される。したがって、水力発電装置１の加工が容易となって、低コスト化が図れる。また、組立にあたっても、同軸度のズレを第１，第２の偏心許容継手３２，４７が吸収するため、効率的に組立できる。
【００３２】
また、図３に示すように、ギヤ機構２３はギヤボックス１５に収納され、連結軸３０の一端部とギヤ機構２３の出力軸２５とがギヤボックス１５に取り付けた第１の軸受３５により回転自在に支持され、発電機軸４０，延長軸４３が発電機台に取り付けた第２の軸受５３により回転自在に支持されている。このため、従来のように、発電機９側とギヤ機構２３側とを繋ぐ支柱１３内に軸受を配設する場合に比べ、構造が簡素化されることで、組立が容易となる。
【００３３】
また、図３および図４にそれぞれ示すように、両端部にフランジ１６，１７を有する支柱１３の中空部に連結軸３０が挿通され、第１のフランジ１６がギヤボックス１５に支持され、第２のフランジ１７が支持装置５の支持プレート６に支持されている。このため、発電機軸４０，連結軸３０が支柱１３により保護され外部に露出しないので、連結軸３０を含む動力伝達経路の劣化を抑制できて水力発電装置１の高寿命化が図れる。
【００３４】
さらに、図４に示すように、発電機軸４０は、発電機９の入力軸４１と延長軸４３とを有するので、第２の偏心許容継手４７に予め結合された延長軸４３に入力軸４１をカップリング４５によって連結することで、発電機９と連結軸３０が接続される。したがって、発電機９と連結軸３０の接続作業が容易になる。また、カップリング４５は偏心を許容しないタイプであるから、入力軸４１と延長軸４３は偏心荷重による影響を受けず、損傷しにくく、長らくその機能を維持することができる。
【００３５】
さらに、図３に示すギヤ機構２３は、翼車軸１８の回転をこれと直交する回転軸心Ａ２を有する出力軸２５に伝達するギヤ列で構成されているから、ギヤボックス１５内へのギヤ機構２３の配設が一体的に行えるので、組立はもちろん、メンテナンスも容易に行える。
【００３６】
以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものもこの発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００３７】
１…水力発電装置
２…水路
３…翼車
４…発電機部
５…支持装置
６…支持プレート
９…発電機
１３…支柱
１５…ギヤボックス
１６…第１のフランジ
１７…第２のフランジ
１８…翼車軸
２３…ギヤ機構（ギヤ列）
２５…出力軸
３０…連結軸
３２…第１の偏心許容継手
３５…第１の軸受
４０…発電機軸
４１…入力軸
４３…延長軸
４５…カップリング
４７…第２の偏心許容継手
５３…第２の軸受
Ａ１…入力軸心
Ａ２…出力軸心
【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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