(57)【要約】【課題】十分な落差が得られない場所に設置されたとしても高効率かつ高出力で発電することが可能な水力発電用タービン及び水力発電装置を提供する。【解決手段】上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、前記流体流路は、上端において流体を導き入れる流路入口及び下端において流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなることを特徴とする水力発電用タービン。【選択図】図１
2019173690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、
前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、
互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、
前記流体流路は、上端において流体を導き入れる流路入口及び下端において流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、
前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなることを特徴とする水力発電用タービン。
【請求項２】
前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＬと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）は、１．５〜２．３であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電用タービン。
【請求項３】
前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少することを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電用タービン。
【請求項４】
前記流路入口における前記流体流路の流路面積ＳＬと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）は、０．４〜０．８５であることを特徴とする請求項３に記載の水力発電用タービン。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載のいずれかの水力発電用タービンを備えた水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電用タービン及び水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発電方法として、原子力発電、火力発電、地熱発電、風力発電、太陽熱発電、水力発電などが知られている。この中で、水力発電は、水が落下する際のエネルギーを利用するものであり、このような水力発電では、一般的に、まず、水流を堰き止めてダムを築き、人工湖を造って水位を上昇させ、重力によって水が高い所から低い所に落ちる際に生じるエネルギーを利用して、発電装置を駆動させることで発電する。
【０００３】
しかし、水位を上昇させるためのダムは、河川が流れる山間部にコンクリートを打設して、河川を堰き止めることで築かれているため、容易に設置および撤去することができなかった。そこで、容易に設置および撤去することができる小規模な水力発電装置が求められている。
【０００４】
一方、水力発電装置としては、フランシスタービンやカプランタービン等を備える装置が良く知られているが、これらフランシスタービンやカプランタービン等を備える水力発電装置は、高効率で発電させるためには、十分な落差を生じさせる必要があり、このため、発電するために十分な落差が得られない場所においては、適切に発電をすることが困難であるという問題がある。
【０００５】
このような問題を解決できる可能性を有する水力発電装置として、特許文献１に開示されている水力発電用タービンを備える装置が注目されている。この特許文献１に開示の水力発電用タービンは、上方から下方に向けて縮径する円錐状のタービン軸部と、当該タービン軸部の表面に沿って配置されるコルク栓抜き構成を有する少なくとも２枚のタービン羽根を備える構成を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００２−５１６６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に開示の水力発電用タービンは、十分な落差が得られない場所に設置されたとしても発電することが可能なものではあるが、より一層の高効率化、高出力化が望まれている。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、十分な落差が得られない場所に設置されたとしても高効率かつ高出力で発電することが可能な水力発電用タービン及び水力発電装置を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の上記目的は、上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、前記流体流路は、上端において流体を導き入れる流路入口及び下端において流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなることを特徴とする水力発電用タービンにより達成される。
【００１０】
また、上記水力発電用タービンにおいて、前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＬと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）は、１．５〜２．３であることが好ましい。
【００１１】
また、前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少することが好ましい。特に、前記流路入口における前記流体流路の流路面積ＳＬと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）が、０．４〜０．８５の数値範囲となることが好ましい。
【００１２】
また、本発明の上記目的は、上述の水力発電用タービンを備えた水力発電装置により達成される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、十分な落差が得られない場所に設置されたとしても高効率かつ高出力で発電することが可能な水力発電用タービン及び水力発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る水力発電用タービンの概略構成斜視図である。
【図２】本発明に係る水力発電用タービンの概略構成側面図である。
【図３】本発明に係る水力発電用タービンが備えるタービン軸部の概略構成断面図である。
【図４】本発明に係る水力発電用タービンの概略構成正面図である。
【図５】本発明に係る水力発電用タービンにおける流体流路に関し、流体流路面積の説明図である。
【図６】本発明に係る水力発電装置の概略構成図である。
【図７】図１に示す水力発電用タービンの変形例を示す概略構成斜視図である。
【図８】タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最高発電効率（％）との関係を示すグラフである。
【図９】タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最高出力（Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図１０】流路入口における流路面積ＳＬ及び流路出口における流路面積ＳＴの比（ＳＴ／ＳＬ）と、最高発電効率（％）との関係を示すグラフである。
【図１１】流路入口における流路面積ＳＬ及び流路出口における流路面積ＳＴの比（ＳＴ／ＳＬ）と、最高出力（Ｗ）との関係を示すグラフである。
【図１２】タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最大出力時におけるタービン回転数（ｒｐｍ）との関係を示すグラフである。
【図１３】タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最高効率時におけるタービン回転数（ｒｐｍ）との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る水力発電用タービン１及び水力発電装置１０について、添付図面を参照して説明する。なお、各図は、構成の理解を容易ならしめるために部分的に拡大・縮小している。まず、水力発電用タービン１について説明する。図１は、本発明に係る水力発電用タービン１の概略構成斜視図であり、図２は、その概略構成側面図である。本発明に係る水力発電用タービン１は、水が落下する際のエネルギーを利用して発電を行う水力発電装置１０に組み込まれる機械要素である。この水力発電用タービン１は、図１や図２に示すように、タービン軸部２と、該タービン軸部２の表面に設けられる複数のコルク栓抜き形のタービン羽根３とを備えている。なお、水力発電用タービン１を形成する材料としては金属材料であれば特に限定されないが、強度や耐久性の観点からステンレスやアルミニウム合金から形成されることが好ましい。また、水力発電用タービン１の製造方法についても特に限定されないが、例えば、削り出しによる一体加工や、タービン軸部２に対してタービン羽根３を溶接して加工する手法等を挙げることができる。
【００１６】
タービン軸部２は、図３の概略構成断面図に示すように、上方から下方に向けて縮径する形態を有している。タービン羽根３が設けられる領域２１のタービン軸部２の輪郭は、タービン軸部２の軸線Ｚに沿う断面視において、円弧状及び放物線状の曲線を形成するように構成されている。
【００１７】
コルク栓抜き形のタービン羽根３は、上述のようにタービン軸部２の表面に形成されており、図１及び図２に示すように、上方から下方に向けて螺旋状に延びるように構成されている。本実施形態においては、３つの螺旋状のタービン羽根３を備えるように構成されている。つまりタービン羽根３は三重螺旋の形態でタービン軸部２の表面に設けられている。また、互いに隣接するタービン羽根３同士の間で流体流路が画成されている。画成される３つの流体流路もそれぞれ螺旋状の流路４を構成している。この流体流路は、上端において流体を導き入れる流路入口を備え、また、下端において流体をタービン軸部２の軸方向に排出させる流体出口を有している。
【００１８】
各タービン羽根３は、実質上同一構成であるが、図４の正面図の（図２の矢視Ａ方向から見た図）に示すように、３つそれぞれのタービン羽根３の前縁ＬＥは、１２０°離れてタービン軸部２に配置されている。なお、各タービン羽根３の前縁ＬＥは、タービン軸部２の最大直径部に位置している。また、３つそれぞれのタービン羽根３の後縁ＴＥも同様に１２０°離れてタービン軸部２に配置されている。なお、各タービン羽根３の後縁ＴＥは、タービン軸部２の下方端における最小直径部に位置している。また、タービン羽根３の前縁領域から水が流体流路に流入し、タービン羽根３の後縁領域から水が排出される。
【００１９】
タービン軸部２の軸線周りの各タービン羽根３の全巻き角は、図４の正面図に示されている。各タービン羽根３の全巻き角は、各タービン羽根３の前縁ＬＥから後縁ＴＥへ円周に沿って伸びる度数として定義され、全巻き角は、図４において、タービン羽根３（３ａ）に対してＡ１、及び、タービン羽根３（３ｂ）に対してＡ２、タービン羽根３（３ｃ）に対してＡ３として示されている。各タービン羽根３の全巻き角Ａ１，Ａ２，Ａ３としては、例えば、９０°〜３６０°の範囲を挙げることができる。また、各タービン羽根３の全巻き角Ａ１，Ａ２，Ａ３のより好ましい数値範囲としては、１２０°〜２７０°の範囲を挙げることができる。本実施形態においては、各タービン羽根３の全巻き角Ａ１，Ａ２，Ａ３を１８０°に設定している。
【００２０】
また、図２に示すように、タービン羽根３の前縁ＬＥは、タービン軸部２の軸線Ｚと平行となるように形成されており、タービン羽根３の後縁ＴＥは、タービン軸部２の軸線Ｚに対して垂直となるように形成されている。換言すると、螺旋状の各タービン羽根３は、上方から下方に沿って該タービン羽根３を見た場合に、垂直な前縁ＬＥから水平な後縁ＴＥに徐々に遷移するように構成されている。タービン羽根３がこのような形態を有することにより、各タービン羽根３により画成される流体流路に対して、タービン軸部２の軸線Ｚ（回転軸）に対して垂直な方向に向けて流体（水）を導き入れることができ、また、タービン軸部２の軸線（回転軸線）の方向に流体（水）を排出させることができる。
【００２１】
また、図１に示されているように、タービン羽根３は、タービン軸部２の軸線Ｚの周りに前縁ＬＥから後縁ＴＥに向けて螺旋状となる形態を有していることから、各タービン羽根（３ａ，３ｂ，３ｃ）は、各々、凸形の側面３１、及び、凹形の側面３２をそれぞれ備えている。ここで、各タービン羽根３の凸形の側面３１は、タービン羽根３の高圧側となり、各タービン羽根３の凹形の側面３２は、タービン羽根３の低圧側となる。つまり、水力発電用タービン１の動作中（回転中）は、図１及び図４に示された方向矢印Ｂの方向に軸線Ｚの周りを回転する（図４においては反時計回りに回転する）。
【００２２】
また、本発明においては、各タービン羽根３のタービン軸部２表面からの高さは、流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなるように構成されている。つまり、各タービン羽根３のタービン軸部２表面からの高さは、流体流路の流路入口から流路出口に向かうに従い、徐々にその高さが高くなるように構成されている。なお、タービン羽根３の高さは、タービン軸部２の表面に対して垂直な方向の寸法を意味する。
【００２３】
また、上記構成のタービン羽根３により画成される流体流路は、図５に示す流体流路面積の説明図に示すように、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少するように構成されている。つまり、流体流路の流路面積は、流路入口から流路出口に向かうに従い、徐々に減少するように構成されている。このような構成により、流路入口から流路出口に向けて流れる水（流体）の速度は、流れ方向下流側に向かうに従い上昇していくこととなる。ここで、流体流路の流路面積とは、流体の流れ方向に対して垂直な平面における流路の面積を意味する。なお、図５は、縦軸に流体流路の面積を採り、横軸に流体の流れ方向に沿う距離を採り、流体の流れ方向に沿って見た場合の流体流路の流路面積の変化を示したグラフである。
【００２４】
本発明に係る水力発電用タービン１は、上述のように、タービン羽根３のタービン軸部２の表面からの高さが、流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなるように構成しているため、特に、流体（水）の流速が上昇する流体流路の下流側において、各タービン羽根３の凸形の側面３１（高圧側）と、各タービン羽根３の凹形の側面３２（低圧側）との間で、極めて高い圧力差を生じさせることが可能となる。この結果、各タービン羽根３に作用する揚力が増加して、水力発電用タービン１の回転速度をより一層早めることが可能となり、高効率かつ高出力で電力を得ることが可能となる。
【００２５】
ここで、図２を参照して、各タービン羽根３のタービン軸部２の表面からの高さに関して、流路入口におけるタービン軸部２表面からのタービン羽根３高さＨＬと、流路出口におけるタービン軸部２表面からのタービン羽根３高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）が、１．５〜２．３の数値範囲となるように構成することが好ましい。また、１．７５〜２．２５の数値範囲となるように構成することがより好ましい。なお、タービン羽根３高さＨＬは、タービン羽根３の前縁ＬＥの高さに対応し、タービン羽根３高さＨＴは、タービン羽根３の後縁ＴＥの高さに対応する。このように、比（ＨＴ／ＨＬ）の値が、１．５〜２．３の数値範囲となるように構成することにより、より一層、高効率かつ高出力で電力を発生させることが可能となる。
【００２６】
また、タービン羽根３により画成される流体流路に関し、図５に示す流体流路面積の説明図に示す流路入口における流路面積ＳＬと、流路出口における流路面積ＳＴとに関し、両者の比（ＳＴ／ＳＬ）は、０．４〜０．８５の数値範囲となるように構成することが好ましい。また、０．５〜０．７７の数値範囲となるように構成することがより好ましい。このような数値範囲となるように、比（ＳＴ／ＳＬ）の値を設定することにより、更に高効率で電力を発生させることが可能となる。
【００２７】
本発明に係る水力発電用タービン１に関し、上記においては、タービン羽根３を３枚備える構成について説明したが、このような構成に特に限定されず、２枚のタービン羽根３を備えるように構成してもよく、或いは、４枚以上のタービン羽根３を備えるように構成してもよい。
【００２８】
次に、上記構成の水力発電用タービン１を備える水力発電装置１０について説明する。この水力発電装置１０は、図６の概略構成図に示すように、上部ケーシング６と、下部ケーシング７と、水力発電用タービン１と、発電機８とを備えている。なお、水力発電用タービン１は、上述の構造を備えるものであるため、以下において構造に関する詳細な記載は省略する。
【００２９】
上部ケーシング６は、中央開口部を有するドーナツ型に形成されるスクロールであり、河川から流入する水（流体）を水平方向に旋回する旋回流に変換して中央開口部側に流出させるように構成されている。
【００３０】
下部ケーシング７は、上部ケーシング６の下方に配置されており、上方から下方に向かうに従い徐々に縮径する内周面を有する第１筒状部７１と、当該第１筒状部７１に連接し、上方から下方に向かうに従い徐々に拡径する内周面を有する第２筒状部７２とを備えている。なお、第２筒状部７２は、いわゆるディフューザーを構成するものである。
【００３１】
水力発電用タービン１は、上部ケーシング６の中央開口部及び下部ケーシング７の第１筒状部７１の内側に回転可能に配置され、上部ケーシング６から導かれた水の作用により回転する。なお、上部ケーシング６において水平方向に旋回する旋回流として形成される水の流れが、水力発電用タービン１の回転軸線に対して垂直な面に沿って流体流路の流体入口に流入するように水力発電用タービン１は配置されている。
【００３２】
また、下部ケーシング７における上方から下方に向かうに従い徐々に縮径する第１筒状部７１は、水力発電用タービン１におけるタービン羽根３の立設方向側の端縁との間で僅かな隙間を形成するように構成されている。この隙間はできるだけ小さくなるように構成されることが好ましい。
【００３３】
第２筒状部７２（ディフューザー）は、水力発電用タービン１における流体流路を通過した水（流体）を外部に導く管状部分である。この第２筒状部７２（ディフューザー）は、流体の流れ方向に沿うに従い（上方から下方に向かうに従い）徐々に拡径するように構成されている。なお、第１筒状部７１と第２筒状部７２との境界部分は、タービン羽根３の下端部領域に略一致するように設定されている、また、第２筒状部７２（ディフューザー）の内周面と、上記下部ケーシング７における上方から下方に向けて縮径する第１筒状部７１の内周面とは、滑らかに接続するように構成されている。また、水力発電用タービン１の回転軸線上に管状の第２筒状部７２（ディフューザー）の中心線が重なるようにして配置される。このような形態を有することにより、水力発電用タービン１から排出された水が有する動的流体圧力の一部分を静圧力として回復して、発電効率を向上させると共に、放出される流体の速度を低下させることが可能となる。なお、図６における構成では、第２筒状部７２（ディフューザー）の形態として、ストレートな直管型として構成しているが、水力発電用タービン１から排出された水の流れ方向を、例えば、水平方向に転換するために、いわゆるベント管型として構成してもよい。
【００３４】
発電機８は、従来から知られている構成の発電機８であり、上部ケーシング６の上方に配置されている。この発電機８は、ロータとロータの外周に配置されたコイルとを備えており、ロータ表面には、極性の異なる磁石が交互に取り付けられている。発電機８におけるロータは、伝達軸９を介して水力発電用タービン１に接続されており、上部ケーシング６に導かれた水が水力発電用タービン１を通過する際の流体作用により水力発電用タービン１が回転し、該回転が伝達軸９によりロータに伝達され、当該ロータの回転によってコイルに電力が発生するように構成されている。なお、発電機８により発生した電力は、図示しない配線等を介して外部に供給される。
【００３５】
ここで、本発明における水力発電装置１０においては、水力発電用タービン１の構造に関し、タービン羽根３により画成される流体流路の流路入口における流路面積ＳＬと、流路出口における流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）は、０．４〜０．８５の数値範囲となるように構成されることが好ましい。また、第２筒状部７２（ディフューザー）の上方端（第１筒状部７１と第２筒状部７２との境界部分）における流路面積ＤＬと、第２筒状部７２（ディフューザー）の下方端（第２筒状部７２の出口部分）における流路面積ＤＴとの比（ＤＴ／ＤＬ）は、上記ＳＴ／ＳＬの逆比の関係となることが好ましく、１．１７〜２．５の数値範囲となるように構成されることが好ましい。また、水力発電用タービン１の流体流路の流路長さ（タービン羽根３の前縁ＬＥから後縁ＴＥにかけての長さに対応）と、第２筒状部７２（ディフューザー）の上方端から下方端までの長さとは略同一の長さとなるように構成することが好ましい。
【００３６】
このように流体流路の流路入口における流路面積ＳＬと、流路出口における流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）、及び、第２筒状部７２（ディフューザー）の上方端における流路面積ＤＬと、ディフューザーの下方端における流路面積ＤＴとの比（ＤＴ／ＤＬ）の値を設定することにより、より高い効率と出力を得ることができる水力発電装置１０を構成することが可能となる。
【００３７】
ここで、本実施形態に係る水力発電装置１０においては、図７に示すように、水力発電用タービン１のタービン軸部２の下方端に、上下方向に伸びる突起体２２を設けるように構成してもよい。この突起体２２は、第２筒状部７２（ディフューザー）の入り口エリアに進入するように構成されている。このような突起体２２を備えることにより、水力発電用タービン１から排出され、第２筒状部７２（ディフューザー）に導かれる水の整流効果を高めることができ、第２筒状部７２（ディフューザー）による静圧回復性能を向上させることが期待される。なお、突起体２２を備えるように構成する場合、上述の第２筒状部７２（ディフューザー）の上方端における流路面積ＤＬは、突起体２２を除外して算出される。
【００３８】
本発明の発明者は、本発明に係る水力発電用タービン１の性能を確認するために、図６に記載の水力発電装置１０の実機を製作して試験を行ったので、以下、その試験内容について説明する。
【００３９】
まず、試験に供する水力発電用タービン１として、サンプル１〜サンプル８を準備した。各サンプルとも、図１に示すように３枚のタービン羽根３を有する三重螺旋構造を備えている。また、各サンプルにおけるタービン羽根３の前縁ＬＥの高さに対応するタービン羽根高さＨＬ、後縁ＴＥの高さに対応するタービン羽根高さＨＴの寸法については、下記表１中に記載している。なお、各サンプルともタービン軸部２としては同一形状のものを使用した。このタービン軸部２は、タービン羽根３の前縁ＬＥが配置される最大直径部の直径が２００ｍｍ、タービン羽根３の後縁ＴＥが配置される最小直径部の直径が２０ｍｍとなるように構成されており、タービン羽根３が設けられる領域２１のタービン軸部２の輪郭は、タービン軸部２の軸線Ｚに沿う断面視において、円弧状となるように構成されている。
【００４０】
【表１】
2019173690.tif 000003
【００４１】
上記サンプル１〜８に係る水力発電用タービン１を図６に示すような水力発電装置１０にそれぞれ組み込み、発電出力（Ｗ）を計測した。また、計測した発電出力（Ｗ）の値、単位時間当たりの流量（ｍ３／秒）、水力発電装置における有効落差（ｍ）の値に基づいて、発電効率（％）を算出した。上記表１においては、各サンプルに関して、最大出力（Ｗ）時の発電効率（％）、及び、最高発電効率（％）時の出力（Ｗ）を示している。また、各サンプルに関し、タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最高発電効率（％）との関係を図８に示す。また、各サンプルに関し、タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最高出力（Ｗ）との関係を図９に示す。ここで、図８及び図９において実線で示している曲線は、プロットデータを三次多項式にて近似した近似曲線に相当する。
【００４２】
上記図８及び図９から、タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）として、１．５〜２．３程度の数値範囲とすることが高い発電効率や発電出力を得るという観点から好ましいと考えられる。また、特に、ＨＴ／ＨＬの値が、１．７５〜２．２５の数値範囲とすることにより、発電効率が８０％以上となり、より好ましいことが分かる。
【００４３】
また、各サンプルに関し、タービン羽根３により画成される流体流路について、流路入口における流路面積ＳＬ及び流路出口における流路面積ＳＴの比（ＳＴ／ＳＬ）と、最高発電効率（％）との関係を図１０に示す。また、タービン羽根３により画成される流体流路について、流路入口における流路面積ＳＬ及び流路出口における流路面積ＳＴの比（ＳＴ／ＳＬ）と、最高出力（Ｗ）との関係を図１１に示す。ここで、図１０及び図１１において実線で示している曲線は、プロットデータを三次多項式にて近似した近似曲線に相当する。
【００４４】
上記図１０及び図１１から、流路入口における流路面積ＳＬ及び流路出口における流路面積ＳＴの比（ＳＴ／ＳＬ）として、０．４〜０．８５程度の数値範囲とすることが高い発電効率や発電出力を得るという観点から好ましいと考えられる。また、特に、ＳＴ／ＳＬの値が、０．５〜０．７７の数値範囲とすることにより、発電効率が８０％以上となり、より好ましいことが分かる。
【００４５】
また、本発明の発明者は、上述の発電出力（Ｗ）の計測に併せて、サンプル１〜８に係る水力発電用タービン１の回転数（ｒｐｍ）の計測も行ったので、下記表２において、各サンプルに関して、最大出力（Ｗ）時の回転数（ｒｐｍ）及び水力発電用タービン１の周速（ｍ／ｓ）、並びに、最高発電効率（％）時の回転数（ｒｐｍ）及び水力発電用タービン１の周速（ｍ／ｓ）を示す。ここで、周速については、      
数式：回転数（ｒｐｍ）／６０×タービン羽根３の最大径（ｍ）×円周率（π）      
により算出した。なお、タービン羽根３の最大径は、タービン羽根３の前縁ＬＥが配置される最大直径部の直径に相当するため、０．２ｍ（２００ｍｍ）を代入して、上述の周速を算出している。また、各サンプルに関し、タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最大出力（Ｗ）時の回転数（ｒｐｍ）との関係を図１２に示す。また、各サンプルに関し、タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）と、最高発電効率（％）時の回転数（ｒｐｍ）との関係を図１３に示す。ここで、図１２及び図１３において実線で示している曲線は、プロットデータを三次多項式にて近似した近似曲線に相当する。
【００４６】
【表２】
2019173690.tif 000004
【００４７】
上記図１２及び図１３から、タービン羽根３の前縁ＬＥと後縁ＴＥとのタービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）が増加するに従い、定性的にタービン羽根３の周速が上昇していくことが分かる。特に、最大出力時においては、図１２から、タービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）が１．５以上の場合には、タービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）が１の場合に比べて５％以上の周速上昇が達成できていることが分かる。また、最高効率時においては、図１３から、タービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）が１．７５以上の場合には、タービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）が１の場合に比べて５％以上の周速上昇が達成できていることが分かる。このように、タービン羽根高さの比（ＨＴ／ＨＬ）が１．５以上の場合、より好ましくは１．７５以上の場合に、極めて早い周速で水力発電用タービン１は回転することとなり、高い発電出力及び発電効率を得ることが可能になっていることが分かる。
【符号の説明】
【００４８】
１  水力発電用タービン
２  タービン軸部
３  タービン羽根
６  上部ケーシング
７  下部ケーシング
７１  第１筒状部
７２  第２筒状部（ディフューザー）
８  発電機
１０  水力発電装置
ＬＥ  タービン羽根の前縁
ＴＥ  タービン羽根の後縁
【図１】
2019173690.tif 000005
【図２】
2019173690.tif 000006
【図３】
2019173690.tif 000007
【図４】
2019173690.tif 000008
【図５】
2019173690.tif 000009
【図６】
2019173690.tif 000010
【図７】
2019173690.tif 000011
【図８】
2019173690.tif 000012
【図９】
2019173690.tif 000013
【図１０】
2019173690.tif 000014
【図１１】
2019173690.tif 000015
【図１２】
2019173690.tif 000016
【図１３】
2019173690.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】平成30年10月18日(2018.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、
前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、
互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、
前記流体流路は、上端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れる流路入口、及び、下端において、流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、
前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなることを特徴とする水力発電用タービン。
【請求項２】
前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＬと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）は、１．５〜２．３であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電用タービン。
【請求項３】
前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少することを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電用タービン。
【請求項４】
前記流路入口における前記流体流路の流路面積ＳＬと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）は、０．４〜０．８５であることを特徴とする請求項３に記載の水力発電用タービン。
【請求項５】
請求項１から請求項４に記載のいずれかの水力発電用タービンを備えた水力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の上記目的は、上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、
前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、前記流体流路は、上端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れる流路入口、及び、下端において、流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなることを特徴とする水力発電用タービンにより達成される。
【手続補正書】
【提出日】平成31年1月17日(2019.1.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、
前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、
互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、
前記流体流路は、上端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れる流路入口、及び、下端において、流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、
前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなり、
前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少することを特徴とする水力発電用タービン。
【請求項２】
前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＬと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）は、１．５〜２．３であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電用タービン。
【請求項３】
前記流路入口における前記流体流路の流路面積ＳＬと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）は、０．４〜０．８５であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水力発電用タービン。
【請求項４】
請求項１から請求項３に記載のいずれかの水力発電用タービンを備えた水力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の上記目的は、上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、前記流体流路は、上端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れる流路入口、及び、下端において、流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなり、前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少することを特徴とする水力発電用タービンにより達成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、前記流路入口における前記流体流路の流路面積ＳＬと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）が、０．４〜０．８５の数値範囲となることが好ましい。
【手続補正書】
【提出日】令和1年5月13日(2019.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、
前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、
互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、
前記流体流路は、上端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れる流路入口、及び、下端において、流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、
前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなり、
前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少し、
前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＬと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）は、１．５〜２．３であることを特徴とする水力発電用タービン。
【請求項２】
前記流路入口における前記流体流路の流路面積ＳＬと、前記流路出口における前記流体流路の流路面積ＳＴとの比（ＳＴ／ＳＬ）は、０．４〜０．８５であることを特徴とする請求項１に記載の水力発電用タービン。
【請求項３】
請求項１又は請求項２記載の水力発電用タービンを備えた水力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明の上記目的は、上方から下方に向けて縮径するタービン軸部と、前記タービン軸部の表面に形成され上方から下方に向けて螺旋状にのびる複数のタービン羽根とを備えており、互いに隣接するタービン羽根同士の間で流体流路が画成されており、前記流体流路は、上端において、前記タービン軸部の軸方向に対して垂直な方向に向けて流体を導き入れる流路入口、及び、下端において、流体を前記タービン軸部の軸方向に排出させる流体出口を有しており、前記各タービン羽根の前記タービン軸部表面からの高さは、前記流体流路の流れ方向に沿うに従い高くなり、前記流体流路は、その流れ方向に沿うに従い、流路面積が減少し、前記流路入口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＬと、前記流路出口における前記タービン軸部表面からの前記タービン羽根高さＨＴとの比（ＨＴ／ＨＬ）は、１．５〜２．３であることを特徴とする水力発電用タービンにより達成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】