(57)【要約】【課題】  設置スペースは従来技術と同程度でありながら、軸受への軸方向負荷が小さい軸流水車を提供する。【解決手段】  軸１０ｃの回りに回転する上流側羽根車１０と、軸１０ｃと同一直線上にある軸９ｃの回りに上流側羽根車１０とは逆方向に回転する下流側羽根車９を同一流路内に配置し、前記２台の羽根車の回転を前記流路外に配置された回転軸に回転力伝達手段により伝達する軸流水車であって、上流側羽根車１０は前縁が後縁よりも進行方向側に位置する羽根１０ｄを備えるとともに、下流側羽根車９は後縁が前縁よりも進行方向側に位置する羽根９ｄを備える。【選択図】      図３
2007064103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一流路内に配置され、同一直線上に中心軸を持って互いに逆方向に回転する２台の羽根車と、前記２台の羽根車の回転を前記流路外に配置された回転軸に伝達する回転力伝達手段と、を有してなる軸流水車であって、上流側に位置する羽根車は前縁が後縁よりも進行方向側に位置する羽根を備えるとともに、下流側に位置する羽根車は後縁が前縁よりも進行方向側に位置する羽根を備えてなる軸流水車。
【請求項２】
請求項１に記載の軸流水車において、前記下流側に位置する羽根車の羽根は、上流側に位置する羽根車の回転に伴って該上流側に位置する羽根車の出側に生成される旋回流を受け、流路上流側に向かう成分を有する揚力を生ずる断面形状であることを特徴とする軸流水車。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の軸流水車において、前記回転力伝達手段は、前記２台の羽根車それぞれの外周部に、羽根車中心と同心に設けられた歯車と、前記歯車にそれぞれ噛み合う２個の被動歯車と、前記２個の被動歯車にそれぞれ結合された２本の動力伝達軸とを含んで構成されていることを特徴とする軸流水車。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の軸流水車において、前記回転力伝達手段は、前記２台の羽根車それぞれの互いに対向する軸方向端面に、羽根車中心と同心に設けられたかさ歯歯車と、前記２つのかさ歯歯車の双方に噛み合う被動かさ歯歯車と、軸線を羽根車中心線に直交する方向にして配置され、前記被動かさ歯歯車が結合された動力伝達軸とを含んで構成されていることを特徴とする軸流水車。
【請求項５】
請求項１又は２に記載の軸流水車において、前記回転力伝達手段は、前記２台の羽根車それぞれの外周部に、羽根車中心と同心に設けられたプーリと、前記プーリに巻き回された動力伝達用ベルトとを含んで構成されていることを特徴とする軸流水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水力発電などに利用される軸流水車に係り、特に、水車の中心軸と異なる位置に中心軸を有する発電機を駆動する軸流水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に水力発電において出力１００ｋｗ以下のものをマイクロ水力と呼ぶ。特に１０ｋｗ未満の発電設備については通産省への届出や資格者が不要であるため、農業用水や工業用水等の小規模な水資源を利用する補助的発電手段として広く利用されている。
【０００３】
工業用水は配管等により輸送されることが多いため、配管設置型のマイクロ水車としてバルブ水車がよく用いられる。バルブ水車は流路内に発電機や水車軸が納まっているため、比較的容易に設置することができるからである。このような形式の装置としては、例えば、特許文献１に開示されている例がある。
【０００４】
しかし、既設の配管を切断して設置する場合には、設置場所付近に発電機や水車軸の全てが納まるだけのスペースが必要であるため、設置場所に制限がある。このような問題を解決するため、特許文献２〜３に記載されているような、流路内に発電機および水車軸を持たない水車が考案されている。また、特許文献４には、駆動軸を流路外部に配置した水車が示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２２１１４１号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】特開平５−３９７７１号公報（第２頁、図２、図３）
【特許文献３】特開平９−１０５３９５号公報（第４，５頁、図１）
【特許文献４】特開平７−１６７０３１号公報（第２、３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２のような水車軸を持たない軸流水車では、羽根車外周支持部にかかる水車軸方向の負荷が大きいため、軸受部における摩擦抵抗が大きく、効率よく電力を得ることができない。また、軸受の摩耗が激しいため、長期に亘って継続的に運転することができない。
【０００７】
本発明は上記現状を鑑みてなされたものであり、その課題は、設置スペースは従来技術と同程度でありながら、軸受への軸方向負荷が小さい軸流水車を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題は、同一流路内に配置され、同一直線上に中心軸を持って互いに逆方向に回転する２台の羽根車と、前記２台の羽根車の回転を前記流路外に配置された回転軸に伝達する回転力伝達手段と、を有してなる軸流水車であって、上流側に位置する羽根車は前縁が後縁よりも進行方向側に位置する羽根を備えるとともに、下流側に位置する羽根車は後縁が前縁よりも進行方向側に位置する羽根を備えてなる軸流水車により解決される。
【０００９】
前記下流側に位置する羽根車の羽根は、上流側に位置する羽根車（以下、上流側羽根車という）の回転に伴って該上流側羽根車の出側に生成される旋回流を受け、流路上流側に向かう成分を有する揚力を生ずる断面形状であることが望ましい。
【００１０】
上記構成の軸流水車によれば、下流側に位置する羽根車（以下、下流側羽根車という）の羽根の後縁すなわち下流側の端縁は、羽根の前縁すなわち上流側の端縁よりも進行方向側すなわち回転方向側に位置する。このことは、下流側羽根車の羽根の流路上流側の面における流体圧が、流路下流側の面における流体圧よりも低いことを意味する。したがって、下流側羽根車の羽根は、流路下流側から上流側に向かう力を受け、その大きさは、羽根が流路軸線に対してなす角度が大きいほど大きい。また、下流側羽根車の羽根に対して流入する水流に対して揚力を生ずる翼形断面形状をなしている場合、羽根が受ける前記力は大きくなる。
【００１１】
上流側羽根車は水流により上流側から下流側に向かう力を受けるが、下流側羽根車は上記構成により下流側から上流側に向かう力を受けるから、２台の羽根車が互いに回転軸方向の力を相殺しあう。このため、羽根車支持部における軸方向負荷が軽減され、その結果として従来よりも効率よく動力を、発電機で動力を取り出す場合は効率よく電力を、得ることができる。また、流路中には羽根車２台分のスペースがあれば十分であり、発電機を流路中に設置する必要がないため、小型化が容易である。さらに発電機を流路外に設置するため、発電機の大きさや形状等への依存性が低く、保守管理が容易である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、設置スペースは従来技術と同程度でありながら、軸受への軸方向負荷が小さい軸流水車を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１及び図２は本発明の第１の実施の形態に係る軸流水車（以下、マイクロ水車という）の構造説明図である。図１は図２のＢ−Ｂ’断面における断面図を示しており、図２は図１のＡ−Ａ’断面における断面図を示している。図示のマイクロ水車は、水車入り側となる筒状の流路８ａを備えた上流側ケーシング３０と、水車出側となる筒状の流路８ｂを前記流路８ａと同心に備え、上流側ケーシング３０との間に板状の中間ケーシング３１を挟んで結合される下流側ケーシング３２と、上流側ケーシング３０と中間ケーシング３１の間に前記流路８ａと同心に配置される上流側羽根車１０と、中間ケーシング３１と下流側ケーシング３２の間に前記流路８ａと同心に配置される下流側羽根車９と、一端を上流側ケーシング３０に支持され、軸線を前記流路８ａ，８ｂの軸線に平行させ、中間ケーシング３１と下流側ケーシング３２を貫通して配置された一対の動力伝達軸１２ａ，１２ｂと、動力伝達軸１２ａ，１２ｂの各下流側端部に結合された発電機１３ａ，１３ｂと、動力伝達軸１２ａの上流側ケーシング３０と中間ケーシング３１の間に固着された被動歯車（以下、二次歯車という）１１ａと、動力伝達軸１２ｂの下流側ケーシング３２と中間ケーシング３１の間に固着された二次歯車１１ｂと、を含んで構成されている。
【００１４】
上流側羽根車１０は、前記流路８ａと同心に配置される軸１０ｃ、軸１０ｃと同心に配置された環状の外周被支持部１０ａ、軸１０ｃ外周面と外周被支持部１０ａ内周面の間に放射状に配置結合された複数枚の羽根１０ｄ、及び外周被支持部１０ａ外周面に軸１０ｃと同心に結合された歯車１０ｂと、を含んで構成されている。下流側羽根車９も、同様に、前記流路８ａと同心に配置される軸９ｃ、軸９ｃと同心に配置された環状の外周被支持部９ａ、軸９ｃ外周面と外周被支持部９ａ内周面の間に放射状に配置結合された複数枚の羽根９ｄ、及び外周被支持部９ａ外周面に軸９ｃと同心に結合された歯車９ｂと、を含んで構成されている。
【００１５】
上流側羽根車１０は上流側ケーシング３０と中間ケーシング３１により、下流側羽根車９は中間ケーシング３１と下流側ケーシング３２により、それぞれ外周被支持部１０ａ、外周被支持部９ａにおいて軸受２１を介して回転可能に支持されている。また、下流側羽根車９は、羽根９ｄが上流側羽根車１０の羽根１０ｄと反対方向に傾いており、したがって、下流側羽根車９は上流側羽根車１０と反対方向に回転するようになっている。図１では、羽根９ｄ，羽根１０ｄは、断面図ではなく、側面図で示されている。そして、上流側羽根車１０の羽根１０ｄは前縁が後縁よりも進行方向側に位置し、下流側羽根車９の羽根９ｄは後縁が前縁よりも進行方向側に位置している。
【００１６】
なお、外周被支持部１０ａの軸方向上流側端面と上流側ケーシング３０の間、外周被支持部１０ａの軸方向下流側端面と中間ケーシング３１の間、外周被支持部９ａの軸方向上流側端面と中間ケーシング３１の間、外周被支持部９ａの軸方向下流側端面と下流側ケーシング３２の間は、いずれも、封水装置２０により、水密に、かつ相対的に移動可能にシールされている。
【００１７】
動力伝達軸１２ａ，１２ｂは、いずれも上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３２の外周部に配置され、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３２に軸受を介して支持されている。本実施の形態では、図２に示すように、動力伝達軸１２ａ，１２ｂは、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３２の中心に対して、周方向に互いに９０度離れて配置されている。
【００１８】
前記歯車１０ｂは動力伝達軸１２ａの前記二次歯車１１ａと、歯車９ｂは前記動力伝達軸１２ｂの二次歯車１１ｂと、それぞれ噛み合うようになっている。なお、前記発電機１３ａ，１３ｂは、下流側ケーシング３２に取り付けられたカバーで、それぞれ覆われている。前記歯車９ｂ，１０ｂ、動力伝達軸１２ａ，１２ｂ、二次歯車１１ａ，１１ｂが動力伝達手段を構成している。
【００１９】
なお、上流側羽根車１０と下流側羽根車９は、中央の軸１０ｃの下流端と軸９ｃの上流端において羽根車軸受２２を介して接触している。配管等に本発明のマイクロ水車を設置する際には、上流側ケーシング３０の流路８ａ上流端および下流側ケーシング３２の流路８ｂ下流端において、フランジ型に加工した配管と突合わせ継手によって接続する。
【００２０】
上記構成のマイクロ水車に対し、水流は、図上、上方から流路８ａに流入し、上流側羽根車１０の羽根１０ｄ及び下流側羽根車９の羽根９ｄを通過して流路８ｂを経て流出する。水流のエネルギは、羽根１０ｄ及び羽根９ｄを通過する際に、上流側羽根車１０及び下流側羽根車９の回転エネルギに変換され、上流側羽根車１０の外周部に設けられた歯車１０ｂが二次歯車１１ａに、下流側羽根車９の外周部に設けられた歯車９ｂが二次歯車１１ｂに、それぞれ羽根車の回転力を伝え、発電機１３ａ、１３ｂにより発電を行う。
【００２１】
単一の羽根車を運転する場合、羽根には周りを流れる流体の作用により、回転方向への力の他に軸方向の力が作用する。この軸方向の力は、通常上流側から下流側へ向かう。しかし、本実施の形態では、上流側羽根車１０を通過した水流には上流側羽根車１０を回転させることによる反作用で旋回が与えられ、この旋回が与えられた流れを受けて逆向きに回転する下流側羽根車９が取付けられている。この下流側羽根車９の羽根９ｄの翼形状を適切に調整することにより、下流側羽根車９に対して下流側から上流側へ向かう力を発生させるようにしてある。
【００２２】
このように構成することで、上流側羽根車１０にかかる下流方向への力と下流側羽根車９にかかる上流方向への力が互いに相殺し合うため、両者の羽根車は軸方向に対して羽根車軸受２２及び中間ケーシング３１のみで支持すればよい。その結果、軸方向の支持点における摩擦損失が軽減され効率よく発電を行うことができる。しかも、羽根車が２台存在するため、２台の羽根車にそれぞれ発電機を取り付けることにより、より高効率に電力を得ることができる。
【００２３】
図３に、前述した、軸方向の負荷を互いに相殺し合う羽根の取付け方の一例を示す。図は水車の回転中心線と同心の円筒面で羽根１０ｄ、羽根９ｄを切った断面を平面に展開して示してある。図３において、水流は図の上方から下方に向かう方向に流れ、上流側羽根車１０及び下流側羽根車９の回転中心線は、図上、上下方向の線（図示せず）である。したがって、図上横方向は、水車周方向である。図では、上流側羽根車１０が矢印４９の方向へ、下流側羽根車９が矢印５９の方向へそれぞれ回転している。上流側羽根車１０の羽根１０ｄは、羽根断面形状（以下、翼断面形状という）４０が、図上、右下に凸な形状となるように構成・配置され、下流側羽根車９の羽根９ｄは、逆に、羽根断面形状（以下、翼断面形状という）５０が左上に向かって凸な形状となるように構成・配置されている。
【００２４】
まず上流側羽根車１０の翼断面形状４０に対する流入流速の方向は、図の上から下へ向かうため、翼断面形状４０に働く流体力４４は、回転方向成分４５と下流方向へ向かう平均流方向成分４６とに分けることができる。このとき、上流側羽根車１０の羽根１０ｄの上流側の面が正圧面４７、羽根１０ｄの下流側の面が負圧面４８となる。
【００２５】
他方、下流側羽根車９の翼断面形状５０に流入する流速は、上流側羽根車の回転速度４１と上流側羽根車の流出相対速度４２のベクトル和として、上流側羽根車１０の羽根１０ｄの翼断面形状４０から流出する旋回流の出口絶対速度４３で表される。一方、下流側羽根車９の翼断面形状５０に流入する流入相対速度は、上流側羽根車の出口絶対速度４３と下流側羽根車９の回転速度５１とから、下流側羽根車９への流入相対速度５２となる。
【００２６】
そのため、後縁が前縁よりも回転方向側に位置するように羽根９ｄを傾けた場合、下流側に向いた面５７が高圧、上流側に向いた面５８が低圧となり、翼断面形状５０に働く流体力５４は回転方向成分５５と上流側へ向かう軸方向成分５６とに分けることができる。羽根９ｄの翼断面形状５０を、板を曲げて形成するだけでなく、効果的に揚力を発生する、いわゆる翼形とし、流入する旋回流に対して適切な迎え角を与えることにより、上流側へ向かう軸方向成分５６を大きくすることができる。
【００２７】
図からわかるように、上流側羽根車１０の羽根１０ｄに働く力の平均流方向成分４６および下流側羽根車９の羽根９ｄに働く力の軸方向成分５６が互いに向かい合っているため、図１に示す羽根車軸受２２を介して互いに相殺し合う。
【００２８】
なお、互いに相殺し合う力を生じるような下流側羽根車９の羽根角度は、上流側羽根車１０の後流に含まれる旋回流に依存する。適切な角度を求める方法の例としては、計算機を用いた非圧縮性乱流解析によって各半径位置での上流側羽根車１０後流での平均流速を算出し、これを基に決定する方法などが挙げられる。
【００２９】
上流側羽根車１０あるいは下流側羽根車９が振動する場合には、中間ケーシング３１における支持に磁気軸受を用いることにより、上流側ケーシング３０もしくは下流側ケーシング３２に衝突するのを防ぐこともできる。また、上流側ケーシング３０の下流面と外周被支持部１０ａの上流面の間、および下流側ケーシング３２の上流面と外周被支持部９ａの下流面の間に軸受を設置することによっても、羽根車の振動を抑えることができる。
【００３０】
マイクロ水車としてよく用いられるバルブ水車においては、流路内に発電機を納めた形状となっている。そのため、発電機の保守管理を行う際には一旦流れをせき止め、ケーシングの一部を開くことによって流路内の発電機の保守を行う必要がある。しかし、本実施の形態では、図１に示すように流路の外部に発電機を取り付けることにより、流れをせき止めることなく発電機の保守管理を行うことができる。
【００３１】
また、特許文献２にあるように羽根車外周部とケーシングに直接発電装置を組み込む場合、専用の発電装置を製作する必要がある。しかし、本実施の形態では、既製の発電機を取り付けることが可能である。
【００３２】
本実施の形態によれば、２台の羽根車が互いに回転軸方向の力を相殺しあうため、羽根車支持部における負荷を軽減し、その結果として従来よりも効率よく電力を得ることができる。また、流路中には羽根車２台分のスペースがあれば十分であり、発電機を流路中に設置する必要がないため、小型化が容易である。さらに発電機を流路外に設置するため、発電機の大きさや形状等への依存性が低く、保守管理が容易である。
【００３３】
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態を図４および図５を参照して説明する。図４は本実施の形態に係るマイクロ水車を、回転軸を含む平面での断面で見た断面図であり、図５は図４のＣ−Ｃ’線矢視断面図である。本実施の形態が前記第１の実施の形態と異なるのは、中間ケーシング３１が円筒状に構成され、動力伝達手段が異なる構成になっている点である。
【００３４】
本実施の形態における動力伝達手段を構成する上流側羽根車１０の歯車１０ｂは上流側羽根車１０の下流面に軸１０ｃと同心に形成されたかさば歯車であり、同じく歯車９ｂは下流側羽根車９の上流面に軸１０ｃと同心に形成されたかさば歯車であり、動力伝達軸１２は中間ケーシング３１の周壁を貫通して軸１０ｃ中心線に直交する方向に配置され、動力伝達軸１２に結合された二次歯車１１は、歯車９ｂ、１０ｂと噛み合うかさば歯車である。ここで、図１もしくは図２で既出の部品と共通の機能を有する部品については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３５】
本実施の形態では、羽根車の回転方向を直交方向に変換して伝達している。この場合、二次歯車１１の外周部は上流側と下流側でそれぞれ逆向きに移動する。そのため、互いに逆向きに回転している２台の羽根車の回転を、方向を変えることなく直接伝えることができる。なお、２台の羽根車の回転数が異なる場合には、軸に動力を伝達する前に変速機を取付けることもできる。
【００３６】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の効果が得られ、さらに、発電機が１台で済むという利点がある。
【００３７】
＜第３の実施の形態＞
本発明の第３の実施の形態を、図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態を示す断面図である。本実施の形態が前記第２の実施の形態と異なるのは、それぞれかさば歯車の二次歯車１１を結合した動力伝達軸１２を周方向に分散して３本配置し、各動力伝達軸に発電機を結合した点である。ここで、図１もしくは図２で既出の部品と共通の機能を有する部品については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００３８】
本実施の形態のように３個所以上に二次歯車を設置した場合、羽根車同士はかさば歯車によって支持されるため、羽根車軸受２２や外周部の軸受２１の全て、或いは一部を省くことができる。
【００３９】
本実施の形態によっても、前記第１の実施の形態と同様の効果が得られ、さらに、羽根車軸受２２や外周部の軸受２１の全て、或いは一部を省くこともできるという効果がある。
【００４０】
＜第４の実施の形態＞
本発明の第４の実施の形態を、図７を参照して説明する。図７は、本実施の形態を示す断面図である。本実施の形態が前記第２の実施の形態と異なるのは、上流側ケーシング３０と下流側ケーシング３２とは直接当接せず、周方向に分散配置されて軸方向に延在する複数の締結材３４により相互に結合されている点と、動力伝達手段が異なる構成になっている点である。
【００４１】
本実施の形態における動力伝達手段は、歯車９ｂ，１０ｂに代えてプーリ９ｅ，１０ｅが外周被支持部９ａ、１０ａに取り付けられ、二次歯車１１ａ、１１ｂに代えてベルト９ｆ、１０ｆがプーリ９ｅ，１０ｅに巻きかけられて回転力を取り出すように構成されている。ここで、図１もしくは図２で既出の部品と共通の機能を有する部品については、同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。
【００４２】
本実施の形態によれば、前記第１の実施の形態と同様の効果が得られるとともに、歯車の代わりにプーリとベルトを用いて回転力を取り出すので、管路が狭隘な場所にある場合でも発電機を管路から離して設置することができる。
【００４３】
なお、上記各実施の形態では、羽根９ｄ、羽根１０ｄはいずれも、断面形状が、厚みが前縁から後縁にかけて次第に変化する翼形をなしているが、板材で形成された羽根であってもよい。羽根を板材で形成する場合は、羽根の断面形状が翼形の場合と同様の流体力を生ずる形状になるように加工すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ水車を示す断面図である。
【図２】図１に示すマイクロ水車のＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ水車の羽根に加わる流体力を説明する概念図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ水車を示す断面図である。
【図５】図４に示すマイクロ水車のＣ−Ｃ’線矢視断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るマイクロ水車を示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るマイクロ水車を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
９  下流側羽根車
９ａ  外周被支持部
９ｂ  歯車
９ｃ  軸
９ｄ  羽根
９ｅ  プーリ
９ｆ  ベルト
１０  上流側羽根車
１０ａ  外周被支持部
１０ｂ  歯車
１０ｃ  軸
１０ｄ  羽根
１０ｅ  プーリ
１０ｆ  ベルト
１１、１１ａ、１１ｂ  二次歯車
１２、１２ａ、１２ｂ  動力伝達軸
１３ａ、１３ｂ  発電機
２０  封水装置
２１  軸受
２２  羽根車軸受
３０  上流側ケーシング
３１  中間ケーシング
３２  下流側ケーシング
３４  締結材
４０  上流側羽根車の翼断面形状
５０  下流側羽根車の翼断面形状
【図１】
2007064103.tif 000003
【図２】
2007064103.tif 000004
【図３】
2007064103.tif 000005
【図４】
2007064103.tif 000006
【図５】
2007064103.tif 000007
【図６】
2007064103.tif 000008
【図７】
2007064103.tif 000009