(57)【要約】【課題】羽根の車軸回りの回転時による抵抗に応じて大きい回転力を得て発電機の稼働効率の向上を図る。【解決手段】羽根手段６は、回転手段の回転に連動して車軸４３の回りを回転可能に回転手段と連結されると共に、案内体４４に接触案内されながら第１の軸線Ａ１と直角の第２の軸線Ａ２を中心として回転可能に案内体４４と接触して設けられている。羽根手段６の一部が第１の通路４９１に移動された場合、第１の角度位置において面部が第１の軸線方向にほぼ平行になると共に流れ方向に垂直に向かうため、羽根６１の面部は流水による衝撃の受け面積が最大となる。羽根手段６の他部が第２の通路４９２に移動された場合、第２の角度位置において面部が第１の軸線方向にほぼ垂直に向かうと共に、流れ方向に水平になるため、該面部は流水による衝撃の受け面積が小さくなる。【選択図】図５
2016211534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水力で回転されるように水流の水面下に設けられた立軸形の水力タービンであって、
前記水流に対して垂直に立てた車軸と、前記車軸の自身の中心軸沿いの第１の軸線を中心として前記車軸を取り囲んで設けられた案内体と、を有する、ベースと、
前記第１の軸線を中心として回転可能に前記車軸に枢結された回転体を有し、前記回転体は、前記第１の軸線を中心とする周方向に沿って所定の角間隔をあけて設けられた複数の枢結部を有する、回転手段と、
前記水流の水面から露出しないように設けられた羽根手段であって、前記回転手段の回転に連動して前記車軸の回りを回転可能に前記回転手段と連結されると共に、前記案内体に接触案内されながら前記第１の軸線と直角の第２の軸線を中心として回転可能に前記案内体と接触して設けられ、複数の支持部材と複数の羽根とを有し、前記支持部材は、前記車軸の回りを回転可能に前記周方向に沿って所定の角間隔をあけて前記枢結部のそれぞれと枢結されていると共に、前記案内体に接触案内されながら前記第２の軸線を中心として回転可能に設けられ、前記羽根は、前記第２の軸線に沿う方向である第２の軸線方向に沿って延伸されるように、前記支持部材のそれぞれと対応して前記支持部材の前記第２の軸線を中心としての回転に連動可能に支持されるように連結されている、前記羽根手段と、
を備えている、ことを特徴とする水力タービン。
【請求項２】
前記羽根は、前記第２の軸線方向に長く且つ前記水流の水面と水平に延伸されるように形成された面部を有し、
前記羽根手段は、前記面部が前記第１の軸線に沿う方向である第１の軸線方向に平行の第１の角度位置と前記第１の軸線方向に垂直の第２の角度位置との間に回転可能に前記車軸の回りに設けられている、ことを特徴とする、請求項１に記載の水力タービン。
【請求項３】
前記羽根手段は、
前記第１の角度位置にある一部の前記羽根手段が、前記第１の軸線を中心として前記車軸の回りを回転されながら前記第２の角度位置に移動されるために、前記第１の角度位置と前記第２の角度位置との間の位置を、前記面部の前記水面に対する角度を変える第１の角度変換位置として有し、前記第１の角度変換位置にて、前記案内体によって案内されながら前記第２の軸線を中心として回転され、
前記第２の角度位置にある他部の前記羽根手段が、前記第１の軸線を中心として前記車軸の回りを回転されながら前記第１の角度位置に移動されるために、前記第１の角度位置と前記第２の角度位置との間における前記第１の角度変換位置と異なる位置を、前記面部の前記水面に対する角度を変える第２の角度変換位置として有し、前記第２の角度変換位置にて、前記案内体によって案内されながら前記第２の軸線を中心として回転される、
ように設けられた、
ことを特徴とする、請求項２に記載の水力タービン。
【請求項４】
前記第１の角度変換位置と前記第２の角度変換位置とは、互いに前記第１の軸線方向に対する反対側である、ことを特徴とする、請求項３に記載の水力タービン。
【請求項５】
前記案内体は、前記水面から離れるように設けられた、第１の枠体と、前記第１の枠体の前記水面寄りの上側に前記第１の軸線方向の間隔をガイドスロットとしてあけて前記第１の枠体と同軸に並ぶように設けられた、第２の枠体と、を有し、
前記第１の枠体は、前記車軸から離れる外側且つ前記第２の枠体に対しての上側に前記周方向に傾斜するように形成された、下部外側勾配面を有し、
前記第２の枠体は、前記車軸に近寄る内側且つ前記第１の枠体に対しての下側に前記周方向に傾斜するように形成された、上部内側勾配面を有し、
前記ガイドスロットは、前記下部外側勾配面と前記上部内側勾配面とを含んで画成され、
前記支持部材は、前記第１の角度位置にある前記一部の前記羽根手段が前記第２の角度位置に移動されるために前記下部外側勾配面と接触・案内されながら前記第２の軸線方向と平行な第１の回転軸を中心として回転可能に設けられた、外側回転部材と、前記第２の角度位置にある前記他部の前記羽根手段が前記第１の角度位置に移動されるために前記上部内側勾配面と接触・案内されながら前記第２の軸線方向と平行且つ前記第１の回転軸と異なる第２の回転軸を中心として回転可能に設けられた、内側回転部材と、を有する、
ことを特徴とする、請求項３に記載の水力タービン。
【請求項６】
前記外側回転部材と前記内側回転部材とはローラーであり、それぞれが前記支持部材の前記第２の軸線方向に対して垂直且つ互いに直角に交錯するように設けられている、ことを特徴とする、請求項５に記載の水力タービン。
【請求項７】
前記支持部材は、前記回転体及び前記羽根の間に連結された軸棒を有し、前記軸棒は、前記車軸に対して直角に突き出ると共に前記第２の軸線方向に延伸されるように設けられた軸部を有し、前記軸部の前記回転体側の一端が対応する前記枢結部に枢結され、
前記軸部は、その前記羽根側の他端側に前記第１の軸線方向と平行且つ前記第２の軸線方向と直角の第１の延伸方向に突き出て延伸されるように形成された、外側フレームと、その前記枢結部側の一端側に前記第２の軸線方向と直角且つ前記第１の延伸方向と直角の第２の延伸方向に突き出て延伸されるように形成された、内側フレームと、を有し、
前記外側回転部材は、前記第２の軸線方向と平行且つ前記第１の延伸方向と直角に交わる第１の回転軸を中心として回転可能に、前記外側フレームに設けられ、
前記内側回転部材は、前記第２の軸線方向と平行且つ前記第２の延伸方向と直角に交わる第２の回転軸を中心として回転可能に、前記内側フレームに設けられた、
ことを特徴とする、請求項６に記載の水力タービン。
【請求項８】
前記第１の枠体は、前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第１の下部カム体を有し、
前記第２の枠体は、前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第１の上部カム体を有し、
前記第１の下部カム体は、その前記第１の軸線を通る内径が前記第１の上部カム体の前記第１の軸線を通る外径よりも大きいように、前記第１の上部カム体に対して前記周方向の外側に設けられ、
前記第１の下部カム体における前記第２の枠体寄りの上端面の一部に、前記下部外側勾配面が形成され、
前記第１の上部カム体における前記第１の枠体寄りの下端面の一部に、前記上部内側勾配面が形成されている、
ことを特徴とする、請求項７に記載の水力タービン。
【請求項９】
前記第１の下部カム体における前記第２の枠体寄りの前記上端面の他部は、前記下部外側勾配面と連続するように形成された、下部外側ガイド面を有し、
前記第１の上部カム体における前記第１の枠体寄りの前記下端面の他部は、前記上部内側勾配面と連続するように形成された、上部内側ガイド面を有し、
前記第１の枠体は、更に、前記第１の下部カム体の開口と対向すると共に前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第２の下部カム体を有し、
前記第２の下部カム体は、その前記第１の軸線を通る外径が前記第１の下部カム体の前記第１の軸線を通る内径よりも小さいように、前記第１の下部カム体の前記周方向の内側に設けられ、
前記第２の下部カム体は、前記下部外側ガイド面に対して前記第１の軸線の反対側にある、下部内側ガイド面を有し、
前記第２の枠体は、更に、前記第１の上部カム体の開口と対向すると共に前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第２の上部カム体を有し、
前記第２の上部カム体は、その前記第１の軸線を通る内径が前記第１の上部カム体の前記第１の軸線を通る外径よりも大きいように、前記第１の上部カム体の前記周方向の外側に設けられ、
前記第２の上部カム体は、前記上部内側ガイド面に対して前記第１の軸線の反対側にある、上部外側ガイド面を有し、
前記外側回転部材は、前記下部外側ガイド面と前記上部外側ガイド面とに接触して回転可能に設けられ
前記内側回転部材は、前記上部内側ガイド面と前記下部内側ガイド面とに接触して回転可能に設けられている、
ことを特徴とする、請求項８に記載の水力タービン。
【請求項１０】
前記第２の下部カム体は、更に、前記下部外側勾配面の内周側に前記下部内側ガイド面と連続して延伸されるように傾斜して形成された、下部内側勾配面を有し、
前記第２の上部カム体は、更に、前記上部内側勾配面の外周側に前記上部外側ガイド面と連続して延伸されるように傾斜して形成された、上部外側勾配面を有し、
前記外側回転部材は、前記上部外側勾配面にガイドされ、前記上部外側ガイド面に移動されるように設けられ、
前記内側回転部材は、前記下部内側勾配面にガイドされ、前記下部内側ガイド面に移動されるように設けられている、
ことを特徴とする、請求項９に記載の水力タービン。
【請求項１１】
前記ベースは、更に、前記車軸の前記第１の軸線方向一端に前記第１の軸線と垂直に連結された、第１のプレートと、前記第１のプレートの上方に前記車軸の前記第１の軸線方向他端に前記第１の軸線と垂直に連結された、第２のプレートと、を有し、
前記第１の下部カム体と前記第２の下部カム体とは、それぞれの開口が対向すると共に前記車軸及び前記回転体を取り囲んで前記第１のプレートに固定され、
前記第１の上部カム体と前記第２の上部カム体とは、それぞれの開口が対向すると共に前記車軸及び前記回転体を取り囲んで前記第２のプレートに固定され、
前記第１のプレートと前記第２のプレートと前記第１の枠体と前記第２の枠体とにより、前記回転手段を収容するキャビティが形成され、
前記回転手段は、更に、前記回転体の前記第１のプレート側に設けられた、伝動体を有する、
ことを特徴とする、請求項９に記載の水力タービン。
【請求項１２】
水の力による回転力で電力を得る水力発電装置であって、
発電機と、
前記発電機を回して発電させるように前記発電機と連結された、伝達手段と、
水流の水面下に設けられた立軸形のもので、前記伝達手段と連結され、水力で回転されるように設けられた、水力タービンと、を備え、
前記水力タービンは、
前記水流に対して垂直に立てた車軸と、前記車軸の自身の中心軸沿いの第１の軸線を中心として前記車軸を取り囲んで設けられた案内体と、を有する、ベースと、
前記第１の軸線を中心として回転可能に前記車軸に枢結された回転体と、前記回転体の回転に連動可能に連結された伝動体とを有し、前記回転体は、前記第１の軸線を中心とする周方向に沿って所定の角間隔をあけて設けられた複数の枢結部を有する、回転手段と、
前記水流の水面から露出しないように設けられた羽根手段であって、前記回転手段の回転に連動して前記車軸の回りを回転可能に前記回転手段と連結されると共に、前記案内体に接触案内されながら前記第１の軸線と直角の第２の軸線を中心として回転可能に前記案内体と接触して設けられ、複数の支持部材と複数の羽根とを有し、前記支持部材は、前記車軸の回りを回転可能に前記周方向に沿って所定の角間隔をあけて前記枢結部のそれぞれと枢結されていると共に、前記案内体に接触案内されながら前記第２の軸線を中心として回転可能に設けられ、前記羽根は、前記第２の軸線に沿う方向である第２の軸線方向に沿って延伸されるように、前記支持部材のそれぞれと対応して支持されるように連結されている、前記羽根手段と、
を有する、ことを特徴とする、水力発電装置。
【請求項１３】
前記羽根は、前記第２の軸線方向に長く且つ前記水流の水面と水平に延伸されるように形成された面部を有し、
前記羽根手段は、前記面部が前記第１の軸線に沿う方向である第１の軸線方向に平行の第１の角度位置と前記第１の軸線方向に垂直の第２の角度位置との間に、回転可能に前記車軸の回りに設けられている、
ことを特徴とする、請求項１２に記載の水力発電装置。
【請求項１４】
前記羽根手段は、
前記第１の角度位置にある一部の前記羽根手段が、前記第１の軸線を中心として前記車軸の回りを回転されながら前記第２の角度位置に移動されるために、前記第１の角度位置と前記第２の角度位置との間の位置を、前記面部の前記水面に対する角度を変える第１の角度変換位置として有し、前記第１の角度変換位置にて、前記案内体によって案内されながら、前記第２の軸線を中心として回転され、
前記第２の角度位置にある他部の前記羽根手段が、前記第１の軸線を中心として前記車軸の回りを回転されながら前記第１の角度位置に移動されるために、前記第１の角度位置と前記第２の角度位置との間における前記第１の角度変換位置と異なる位置を、前記面部の前記水面に対する角度を変える第２の角度変換位置として有し、前記第２の角度変換位置にて、前記案内体によって案内されながら、前記第２の軸線を中心として回転される、
ように設けられた、
ことを特徴とする、請求項１３に記載の水力発電装置。
【請求項１５】
前記案内体は、第１の枠体と、前記第１の枠体の上側に前記第１の軸線方向の間隔をガイドスロットとしてあけて前記第１の枠体と同軸にその上側に並ぶように設けられた、第２の枠体と、を有し、
前記第１の枠体は、前記車軸から離れる外側且つ前記第２の枠体に対しての上側に前記周方向に傾斜するように形成された、下部外側勾配面を有し、
前記第２の枠体は、前記車軸に近寄る内側且つ前記第１の枠体に対しての下側に前記周方向に傾斜する、上部内側勾配面を有し、
前記ガイドスロットは、前記下部外側勾配面と前記上部内側勾配面とを含んで画成され、
前記支持部材は、前記第１の角度位置にある前記一部の前記羽根手段が前記第２の角度位置に移動されるために前記下部外側勾配面と接触・案内されながら前記第２の軸線方向と平行な第１の回転軸を中心として回転可能に設けられた、外側回転部材と、前記第２の角度位置にある前記他部の前記羽根手段が前記第１の角度位置に移動されるために前記上部内側勾配面と接触・案内されながら前記第２の軸線方向と平行且つ前記第１の回転軸と異なる第２の回転軸を中心として回転可能に設けられた、内側回転部材と、を有する、
ことを特徴とする、請求項１４に記載の水力発電装置。
【請求項１６】
前記外側回転部材と前記内側回転部材とはローラーであり、それぞれが前記支持部材の前記第２の軸線方向に対して垂直且つ互いに直角に交錯するように設けられている、ことを特徴とする、請求項１５に記載の水力発電装置。
【請求項１７】
前記支持部材は、前記回転体及び前記羽根の間に連結された軸棒を有し、前記軸棒は、前記車軸に対して直角に突き出ると共に前記第２の軸線方向に延伸されるように設けられた軸部を有し、前記軸部の前記回転体側の一端が対応する前記枢結部に枢結され、
前記軸部は、その前記羽根側の他端側に前記第１の軸線方向と平行且つ前記第２の軸線方向と直角の第１の延伸方向に突き出て延伸されるように形成された、外側フレームと、その前記枢結部側の一端側に前記第２の軸線方向と直角且つ前記第１の延伸方向と直角の第２の延伸方向に突き出て延伸されるように形成された、内側フレームと、を有し、
前記外側回転部材は、前記第２の軸線方向と平行且つ前記第１の延伸方向と直角に交わる第１の回転軸を中心として回転可能に前記外側フレームに設けられ、
前記内側回転部材は、前記第２の軸線方向と平行且つ前記第２の延伸方向と直角に交わる第２の回転軸を中心として回転可能に前記内側フレームに設けられた、
ことを特徴とする、請求項１６に記載の水力発電装置。
【請求項１８】
前記第１の枠体は、前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第１の下部カム体を有し、
前記第２の枠体は、前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第１の上部カム体を有し、
前記第１の下部カム体は、その前記第１の軸線を通る内径が前記第１の上部カム体の前記第１の軸線を通る外径よりも大きいように、前記第１の上部カム体に対して前記周方向の外側に設けられ、
前記第１の下部カム体における前記第２の枠体寄りの上端面の一部に、前記下部外側勾配面が形成され、
前記第１の上部カム体における前記第１の枠体寄りの下端面の一部に、前記上部内側勾配面が形成されている、
ことを特徴とする、請求項１７に記載の水力発電装置。
【請求項１９】
前記第１の下部カム体における前記第２の枠体寄りの前記上端面の他部は、前記下部外側勾配面と連続するように形成された、下部外側ガイド面を有し、
前記第１の上部カム体における前記第１の枠体寄りの前記下端面の他部は、前記上部内側勾配面と連続するように形成された、上部内側ガイド面を有し、
前記第１の枠体は、更に、前記第１の下部カム体の開口と対向すると共に前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第２の下部カム体を有し、
前記第２の下部カム体は、その前記第１の軸線を通る外径が前記第１の下部カム体の前記第１の軸線を通る内径よりも小さいように、前記第１の下部カム体の前記周方向の内側に設けられ、
前記第２の下部カム体は、前記下部外側ガイド面に対して前記第１の軸線の反対側にある、下部内側ガイド面を有し、
前記第２の枠体は、更に、前記第１の上部カム体の開口と対向すると共に前記車軸に向かっての開口が形成されるように、前記第１の軸線の周りに前記周方向に延伸して湾曲状に形成された、第２の上部カム体を有し、
前記第２の上部カム体は、その前記第１の軸線を通る内径が前記第１の上部カム体の前記第１の軸線を通る外径よりも大きいように、前記第１の上部カム体の前記周方向の外側に設けられ、
前記第２の上部カム体は、前記上部内側ガイド面に対して前記第１の軸線の反対側にある、上部外側ガイド面を有し、
前記外側回転部材は、前記下部外側ガイド面と前記上部外側ガイド面とに接触して回転可能に設けられ、
前記内側回転部材は、前記上部内側ガイド面と前記下部内側ガイド面とに接触して回転可能に設けられている、
ことを特徴とする、請求項１８に記載の水力発電装置。
【請求項２０】
前記第２の下部カム体は、更に、前記下部外側勾配面の内周側に前記下部内側ガイド面と連続して延伸されるように傾斜して形成された、下部内側勾配面を有し、
前記第２の上部カム体は、更に、前記上部内側勾配面の外周側に前記上部外側ガイド面と連続して延伸されるように傾斜して形成された、上部外側勾配面を有し、
前記外側回転部材は、前記上部外側勾配面にガイドされ、前記上部外側ガイド面に移動されるように設けられ、
前記内側回転部材は、前記下部内側勾配面にガイドされ、前記下部内側ガイド面に移動されるように設けられている、
ことを特徴とする、請求項１９に記載の水力発電装置。
【請求項２１】
前記ベースは、更に、前記車軸の前記第１の軸線方向一端に前記第１の軸線と垂直に連結された、第１のプレートと、前記第１のプレートの上方に前記車軸の前記第１の軸線方向他端に前記第１の軸線と垂直に連結された、第２のプレートと、を有し、
前記第１の下部カム体と前記第２の下部カム体とは、それぞれの開口が対向すると共に前記車軸及び前記回転体を取り囲んで前記第１のプレートに固定され、
前記第１の上部カム体と前記第２の上部カム体とは、それぞれの開口が対向すると共に前記車軸及び前記回転体を取り囲んで前記第２のプレートに固定され、
前記伝動体は、前記回転体の前記第１のプレート側に設けられ、
前記第１のプレートと前記第２のプレートと前記第１の枠体と前記第２の枠体とにより、前記回転手段を収容するキャビティが形成されている、
ことを特徴とする、請求項１９に記載の水力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水の力を回転力に換えて発電機を回し電力に変換する水力タービン及び該水力タービンを有する水力発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、渓流や河川の浅い水路の流れを羽根に当てて水流の勢いで羽根を回転させることによって、つまり水の力による回転力で発電機を回し電力を得る水力タービンが用いられている。水力タービンは、水流に対して水平に寝かせた車軸に複数の羽根が垂直に立つように互いに所定の間隔をおいて放射状に設けられた横軸形がある（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】台湾登録実用新案第３８３６３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
横軸形の水力タービンでは、複数の羽根それぞれの一部が水路の上部空間を占有したまま他部が水中で水流による衝撃を受けて回るように、車軸に対して固定角度で設けられているので、羽根が水流上の領域を占める。このため、船等が運航できないので渓流や河川の利用は限られる。また、水面下の羽根が受ける水流の衝撃が水面上に露出した羽根が受ける気流抵抗よりも大きくないと、回転できなくなるため、気流抵抗に抗する大きい水流を要する。従って、装置の設置場所も限られる。そこで、浅い渓流や河川には、水流に対して垂直に立てた車軸に複数の羽根が水平に置かれるように互いに所定の間隔をおいて放射状に設けられた立軸形の水力タービンが適用されるが、大きい回転力が得られない等なおも改善すべき所がある。
【０００５】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、羽根の車軸回りの回転時に受けた抵抗に応じて大きい回転力が得られ、発電機の稼働効率の向上を図ることができる、水力タービンと水力発電装置と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】
上記目的を達成するために、一の観点によれば、本発明は、水力で回転されるように水流の水面下に設けられた立軸形の水力タービンを提供する。本発明に係る水力タービンは、水流に対して垂直に立てた車軸と、車軸の自身の中心軸沿いの第１の軸線を中心として車軸を取り囲んで設けられた案内体とを有する、ベースと、第１の軸線を中心として回転可能に車軸に枢結された回転体を有し、回転体は、第１の軸線を中心とする周方向に沿って所定の角間隔をあけて設けられた複数の枢結部を有する、回転手段と、水流の水面から露出しないように設けられた羽根手段であって、回転手段の回転に連動して車軸の回りを回転可能に回転手段と連結されると共に、案内体に接触案内されながら第１の軸線と直角の第２の軸線を中心として回転可能に案内体と接触して設けられ、複数の支持部材と複数の羽根とを有し、支持部材は、車軸の回りを回転可能に周方向に沿って所定の角間隔をあけて枢結部のそれぞれと枢結されていると共に、案内体に接触案内されながら第２の軸線を中心として回転可能に設けられ、羽根は、第２の軸線に沿う方向である第２の軸線方向に沿って延伸されるように、支持部材のそれぞれと対応して支持部材の第２の軸線を中心としての回転に連動可能に支持されるように連結されている、羽根手段と、を備えている、ことを特徴とする。
【０００７】
また、他の観点によれば、本発明は、水の力による回転力で電力を得る水力発電装置であって、発電機と、発電機を回して発電させるように発電機と連結された伝達手段と、水流の水面下に設けられた立軸形のもので、伝達手段と連結され、水力で回転されるように設けられた、本発明に係る水力タービンと、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、羽根手段は、流水による衝撃を受けて第１の軸線を中心として回転される（公転）と、羽根が案内体にガイドされながら、第２の軸線を中心として回動される（自転）ことができるように構成されているので、羽根が流水による衝撃に応じて回転角度が調節されることができる。これによって、水力タービンは、流水に対しての抵抗を低減することができると共に、流水による衝撃を受けて順調に回転することができるので、発電機の稼働効率を向上させることができる。従って、水力発電装置の発電効率の向上を図ることができる。また、水力タービンは、水路の水面下に収容されるように設けられているので、水面上の空間を占めることなく、船等の運航に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】所定の水路に設置される本発明に係る水力発電装置の一例を示す。
【図２】図１の断面図である。
【図３】本発明に係る水力発電装置の一つの実施形態を示す組立斜視図である。
【図４】本実施形態に係る水力タービンの構成を示す組立斜視図である。
【図５】図４の線Ｓ２−Ｓ２における断面図である。
【図６】本実施形態に係る水力タービンの分解斜視図である。
【図７】図６の一部を拡大して示す図である。
【図８】本実施形態に係る水力タービンにおけるベースの組立側面図である。
【図９】本実施形態に係る水力タービンにおける羽根手段の分解斜視図である。
【図１０】図４の水力タービンの一部を示す上面図である。
【図１１】羽根手段の動作を説明する図である。
【図１２】羽根手段の動作を説明する図である。
【図１３】羽根手段の動作を説明する図である。
【図１４】羽根手段の動作を説明する図である。
【図１５】水力タービンの流水の流れ方向に対する設置を説明する上面図である。
【図１６】羽根の流水に対する回転を説明する上面図である。
【図１７】羽根の回転を説明する側面図である。
【図１８】羽根の回転を説明する側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付図面に従って本発明の一つの実施の形態について説明する。図１と図２には、本発明に係る水力タービンを用いる水力発電装置を配置する例を示している。本発明に係る水力発電装置２００は、例えば、流水１３の水面下の底面１１及び底面１１の相反する両側の側面１２、１２により水路１０を形成した地域１に配置されるものである。なお、水路１０は、河川、渓流の自然水路又は灌漑等のために人工的に作られた用水路等を含む。
【００１１】
水力発電装置２００は、発電機２０と、伝達手段３０と、水力タービン４０とを備えている。発電機２０は地域１の岸部１４に設けられている。水力タービン４０は水路１０内に設けられ、底面１１に固定されている。伝達手段３０は、水路１０内に設けられた、第１のギアボックス３１と、発電機２０の一側に設けられた、第２のギアボックス３２と、水力タービン４０及び第１のギアボックス３１内のギアセット（図示せず）の間に連結された、チェーン３３と、第１のギアボックス３１内のギアセット（図示せず）及び第２のギアボックス３２内のギアセット（図示せず）の間に連結された、トランスミッションシャフト３４と、を有する。水力タービン４０は、流水１３によって回転駆動されると、伝達手段３０を介して発電機２０を稼働して発電させる。
【００１２】
水力タービン４０は、立軸形のものであり、図４〜図６に示されているように、ベース４と、回転手段５と、複数の羽根手段６とを備えている。ベース４は、第１のプレート４１と、第２のプレート４２と、車軸４３と、案内体４４と、を有する。
【００１３】
第１のプレート４１は、底面１１に敷かれるように、例えばねじで底面１１に固定されている。第２のプレート４２は、第１のプレート４１と所定の間隔をおいて並列されるように、車軸４３を介して第１のプレート４１と連結されている。車軸４３は、自身の中心軸沿いの第１の軸線Ａ１に沿って延伸されて設けられ、第１の軸線Ａ１に沿う方向である第１の軸線方向の一端に、第１のプレート４１の中央部と回転可能に、例えばねじで連結され、第１の軸線方向の他端に、第２のプレート４２の中央部と回転可能に、例えばねじで連結されている。
【００１４】
案内体４４は、第１のプレート４１及び第２のプレート４２の間に、例えば第１の軸線Ａ１を中心として車軸４３を取り囲んで環状のキャビティ４４０を画成するように、設けられている。
【００１５】
回転手段５は、車軸４３の周りを回転可能に車軸４３に枢結された、回転体５１と、回転体５１の回転に連動可能に連結された、伝動体５２と、を有する。回転体５１は、互いに第１の軸線Ａ１を中心とする周方向に沿って所定の角間隔をあけて設けられた、複数の枢結部５１１を有する。伝動体５２は、ねじ固定や半田付けで、回転体５１の第１のプレート４１側の下部に連結され、この形態では、ほぼ円板状に設けられ、その周部にチェーン３３が嵌着される複数のティースが所定の角間隔毎に形成された凹凸部が設けられている。伝動体５２が回転体５１の回転によって連動されると、チェーン３３が連動して回ることにより、発電機２０が稼働されて発電することができる。
【００１６】
羽根手段６は、図６に示されているように、第１の軸線Ａ１と直角の第２の軸線Ａ２に沿う方向である第２の軸線方向に延伸されるように水面から露出せずに回転手段５と連動可能に連結されている。この実施形態では、羽根手段６は、回転体５１の枢結部５１１のそれぞれに対応して回転可能に連結された、複数の支持部材６０と、支持部材６０によって支えられるように支持部材６０と連結され、第２の軸線方向に沿って長手状に延伸されるように構成され所定の角間隔毎に第１の軸線Ａ１に対して放射状に設けられた、複数の羽根６１と、を有する。
【００１７】
羽根６１は、第２の軸線Ａ２を中心として回る（自転）と共に、回転体５１の回転に連動して第１の軸線Ａ１を中心として車軸４３の回りを回転される（公転）。即ち、羽根６１のそれぞれは、第２の軸線Ａ２を中心として自転されると共に、第１の軸線Ａ１を中心として車軸４３の周りを公転するように設けられている。
【００１８】
案内体４４は、羽根手段６が接触されながら移動可能に羽根手段６を案内するカム面４４１が設けられ、羽根手段６が回転体５１の回転に連動して第１の軸線Ａ１を中心として回転されている間、羽根手段６が接触されながら移動する間に羽根手段６の水面に対する角度が変化することが可能となるように、形成されるものである。これによって、羽根６１は、カム面４４１上を移動しながら第１の軸線Ａ１を中心として車軸４３の周りを回る（公転）間、カム面４４１に接触されながら、第２の軸線Ａ２を中心として自転することができるので、水流１３の水面に対する角度を変えることができる。
【００１９】
以上に構成された水力発電装置の動作及び作用については、図１、図５、図６を参照して説明する。羽根手段６は、水路１０の流水１３による衝撃を受けて、第１の軸線Ａ１を中心として回転される（公転）と、羽根６１が案内体４４にガイドされながら、第２の軸線Ａ２を中心として回動される（自転）ことができるので、羽根６１の流水１３に対する回転角度が調節されることができる。これによって、水力タービン４０は、流水１３に対しての抵抗を低減することができると共に、流水１３による衝撃を受けて順調に回転することができるので、発電機２０の稼働効率を向上させることができる。従って、水力発電装置の発電効率の向上を図ることができる。
【００２０】
また、水力タービン４０は、水路１０の水面下に収容されるように設けられているので、水面上の空間を占めることなく、水路１０を船等の運航に利用することができる。また、水力タービン４０は、水路１０の底面１１に敷かれるように固定されているので、流水１３の水面上の気流抵抗を受けることがなく、また、横軸形の水力タービンのように洪水等によって漂流物となり水路１０を塞いだりすることもない。
【００２１】
次に、水力タービン４０の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００２２】
案内体４４は、図５〜図８に示されているように、車軸４３を取り囲んでキャビティ４４０を画成するように、第１のプレート４１の第２のプレート４２側の上面部に設けられた、第１の枠体４５０と、第１の枠体４５０の上側に第１の枠体４５０と同軸に並ぶように第１の軸線方向の間隔をカム面４４１を含むガイドスロット４９０（図１３、図１４参照）としてあけて第２のプレート４２の下面部に設けられた、第２の枠体４７０と、を有する。
【００２３】
第１の枠体４５０は、車軸４３から離れる外側且つ第２の枠体４７０に対しての上側に周方向に傾斜するように形成された、下部外側勾配面を有し、第２の枠体４７０は、車軸４３に近寄る内側且つ第１の枠体４５０に対しての下側に周方向に傾斜する、上部内側勾配面を有し、ガイドスロット４９０は、下部外側勾配面と上部内側勾配面とを含んで画成される。
【００２４】
この実施形態では、第１のプレート４１は、例えば図６に示されているように、四角形に形成された平板体であり、２組の対向する一辺部４１１、他辺部４１２、を有する。第２のプレート４２は、例えば図６に示されているように、円形に形成された平板体である。第１のプレート４１と第２のプレート４２と第１の枠体４５０と第２の枠体４７０とにより、第１の軸線Ａ１を中心として回る回転手段５を収容する、キャビティ４４０が形成される。
【００２５】
第１の枠体４５０は、車軸４３及び回転体５１を取り囲んで第１のプレート４１に固定され、例えば図７に示されているように、第１の軸線方向の高さを有し第１の軸線Ａ１を取り囲むように周方向沿いに湾曲状に形成された、第１の下部ウェブ部４５ａと、該第１の下部ウェブ部４５ａの周方向の両側から延伸して対向する、２つの第１の下部一側フランジ部４５ｂ、第１の下部他側フランジ部４５ｃとで、車軸４３に向かっての開口を有する平面視Ｃの字形に形成された開環状の、第１の下部カム体４５と、第１の下部ウェブ部４５ａとほぼ同じ高さを有し、第１の軸線Ａ１を取り囲むように周方向沿いに湾曲状に形成された、第２の下部ウェブ部４６ａと、該第２の下部ウェブ部４６ａの周方向の両側から湾曲延伸して対向する２つの第２の下部一側フランジ部４６ｂ、第２の下部他側フランジ部４６ｃとで、車軸４３に向かっての開口を有する平面視Ｃの字形に形成された、開環状の第２の下部カム体４６と、を有し、それぞれの開口が向かい合うように第１の下部ウェブ部４５ａと第２の下部ウェブ部４６ａとが第１の軸線方向に対して対向すると共に、第１の下部一側フランジ部４５ｂと第２の下部他側フランジ部４６ｃとが対応し、第１の下部他側フランジ部４５ｃと第２の下部一側フランジ部４６ｂとが対応してそれぞれ連結されることにより上下開放する閉環状の円環体に形成されたものである。
【００２６】
第２の枠体４７０は、車軸４３及び回転体５１を取り囲んで第２のプレート４２に固定され、例えば図７に示されているように、第１の軸線方向の高さを有し、第１の軸線Ａ１を取り囲むように周方向沿いに湾曲状に形成された第１の上部ウェブ部４７ａと、該第１の上部ウェブ部４７ａの周方向の両側から湾曲延伸して対向する２つの第１の上部一側フランジ部４７ｂ、第１の上部他側フランジ部４７ｃとで、車軸４３に向かっての開口を有する平面視Ｃの字形に形成された開環状の第１の上部カム体４７と、第１の上部ウェブ部４７ａとほぼ同じ高さを有し、第１の軸線Ａ１を取り囲むように周方向沿いに湾曲状に形成された第２の上部ウェブ部４８ａと、該第２の上部ウェブ部４８ａの周方向の両側から湾曲延伸して対向する２つの第２の上部一側フランジ部４８ｂ、第２の上部他側フランジ部４８ｃとで車軸４３に向かっての開口を有する平面視Ｃの字形に形成された開環状の第２の上部カム体４８とを有し、それぞれの開口が向い合うように第１の上部ウェブ部４７ａと第２の上部ウェブ部４８ａとが第１の軸線方向に対して対向すると共に、第１の上部一側フランジ部４７ｂと第２の上部他側フランジ部４８ｃとが対応し、第１の上部他側フランジ部４７ｃと第２の上部一側フランジ部４８ｂとが対応してそれぞれ連結されることにより上下開放する閉環状に形成されたものである。
【００２７】
この実施形態では、第１の下部一側フランジ部４５ｂと第１の下部他側フランジ部４５ｃとがそれぞれ、第２の下部他側フランジ部４６ｃと第２の下部一側フランジ部４６ｂとのそれぞれに対して第２の軸線方向の外側になるように、第１の下部一側フランジ部４５ｂ、第１の下部他側フランジ部４５ｃの内周面が対応する第２の下部他側フランジ部４６ｃ、第２の下部一側フランジ部４６ｂの外周面に対向して連結されるために、第１の下部カム体４５の第１の軸線Ａ１を通る内径が第２の下部カム体４６の第１の軸線Ａ１を通る外径よりも大きいように構成されている。
【００２８】
つまり、例えば図７に示されているように、第１の下部カム体４５において、第１の下部ウェブ部４５ａは、第１のプレート４１の上板面とほぼ平行に延伸される第１のプレート４１側の第１の下部外側下端面と、該第１の下部外側下端面の反対側の下部外側上端面である第２のプレート４２側の下部外側ガイド面４５１とを有し、第１の下部一側フランジ部４５ｂ及び第１の下部他側フランジ部４５ｃは、第１の下部外側下端面の周方向両側から続いてそれぞれ水平に延伸される第１のプレート４１側の第２の下部外側下端面と第３の下部外側下端面と、下部外側ガイド面４５１の周方向両側からそれぞれ延伸されると共に第１のプレート４１側に下向きに傾斜する下部上端面である第１の下部外側勾配面４５２、第２の下部外側勾配面４５３とを有する。
【００２９】
第２の下部カム体４６において、第２の下部ウェブ部４６ａは、第１のプレート４１の上板面とほぼ平行に延伸される第１のプレート４１側の第１の下部内側下端面と、該第１の下部内側下端面の反対側の下部上端面である第２のプレート４２側の下部内側ガイド面４６１とを有し、第２の下部一側フランジ部４６ｂ及び第２の下部他側フランジ部４６ｃは、第１の下部内側下端面の周方向両側から続いてそれぞれ水平に延伸される第１のプレート４１側の第１の下部内側下端面と第３の下部内側下端面と、下部内側ガイド面４６１の周方向両側からそれぞれ延伸されると共にそれぞれ第１のプレート４１側に下向きに傾斜する第１の下部内側勾配面４６２、第２の下部内側勾配面４６３とを有する。
【００３０】
第１の枠体４５０は、第１の下部外側勾配面４５２及び第２の下部内側勾配面４６３が第２の軸線方向の前（図面の表側）後（図面の裏側）に向斜し、第２の下部外側勾配面４５３及び第１の下部内側勾配面４６２が第２の軸線方向の前後に向斜することにより、第１の軸線方向の第１のプレート４１側に窪む２つの第１の凹部が第１のプレート４１の一対の対向する一辺部４１１、他辺部４１２のそれぞれに対応するように形成された閉環体となる。
【００３１】
この実施形態では、第１の下部カム体４５は第１の軸線方向に対して第１の上部カム体４７よりも車軸４３側に近寄ると共に、第２の下部カム体４６は第１の軸線方向に対して第２の上部カム体４８よりも車軸４３から離れるように設けられ、第１の下部カム体４５と第２の下部カム体４６とにより第１のプレート４１側に固定される第１の枠体４５０となる。
【００３２】
第１の下部ウェブ部４５ａの第１の下部外側下端面と第２の下部ウェブ部４６ａの第１の下部内側下端面にはそれぞれ下部外側ガイド面４５１側、下部内側ガイド面４６１側に窪む切り欠き４５４、４５４、４６４、４６４が設けられている（図７）。切り欠き４５４、４５４、４６４、４６４にチェーン３３を通して伝動体５２に設けられるように用いられる。
【００３３】
また、第１の上部他側フランジ部４７ｃと第１の上部一側フランジ部４７ｂとがそれぞれ、第２の上部一側フランジ部４８ｂと第２の上部他側フランジ部４８ｃとに対して第２の軸線方向の内側になるように、第１の上部一側フランジ部４７ｂと第１の上部他側フランジ部４７ｃとの外周面が対応する第２の上部他側フランジ部４８ｃと第２の上部一側フランジ部４８ｂとの内周面に対応して連結されるために、第２の上部カム体４８の第１の軸線Ａ１を通る内径が第１の上部カム体４７の第１の軸線Ａ１を通る外径よりも大きくなるように構成されている。
【００３４】
つまり、例えば図７に示されているように、第１の上部カム体４７において、第１の上部ウェブ部４７ａは、第２のプレート４２の下板面とほぼ平行に延伸される第２のプレート４２側の第１の上部内側上端面と第１のプレート４１側の上部内側ガイド面４７１とを有し、第１の上部一側フランジ部４７ｂ及び第１の上部他側フランジ部４７ｃは、第１の上部内側上端面の周方向両側から続いてそれぞれ水平に延伸される第２のプレート４２側の第２の上部内側上端面と第３の上部内側上端面と、上部内側ガイド面４７１の周方向両側からそれぞれ延伸されると共に第２のプレート４２側に上向きに傾斜する第１の上部内側勾配面４７２、第２の上部内側勾配面４７３とを有する。
【００３５】
第２の上部カム体４８において、第２の上部ウェブ部４８ａは、第２のプレート４２の下板面とほぼ平行に延伸される第２のプレート４２側の第１の上部外側上端面と第１のプレート４１側の上部外側ガイド面４８１とを有し、第２の上部一側フランジ部４８ｂ及び第２の上部他側フランジ部４８ｃは、第１の上部外側上端面の周方向両側から続いてそれぞれ水平に延伸される第２のプレート４２側の第２の上部外側上端面と第３の上部外側上端面と、上部外側ガイド面４８１の周方向両側からそれぞれ延伸されると共に第２のプレート４２側に上向きに傾斜する上部外側下端面である第１の上部外側勾配面４８２、第２の上部外側勾配面４８３とを有する。
【００３６】
第２の枠体４７０は、第１の上部内側勾配面４７２及び第２の上部外側勾配面４８３が第２の軸線方向の前（図面の表側）後（図面の裏側）に向斜し、第２の上部内側勾配面４７３及び第１の上部外側勾配面４８２が第２の軸線方向の前後に向斜することにより、第１の軸線方向の第２のプレート４２側に窪む２つの第２の凹部が第１のプレート４１の一対の対辺する辺部４１１、４１２のそれぞれに対応するように形成された閉環体となる。
【００３７】
なお、第１の枠体４５０と第２の枠体４７０とはそれぞれ、この実施形態では、二つのＣの字形になったカム体４５、４６と４７、４８によってほぼ円形になった閉環体になるが、一体成形によってなる閉環体を用いてもよい。なお、一例としては、第１の枠体４５０は第１の下部カム体４５だけを有し、第２の枠体４７０は第１の上部カム体４７だけを有し、第１の下部外側勾配面４５２だけを下部外側勾配面とし、第１の上部内側勾配面４７２だけを上部内側勾配面として有し、下部外側勾配面と上部内側勾配面とをカム面４４１として有するように構成する。
【００３８】
第１の枠体４５０及び第２の枠体４７０の間の第１の軸線方向間隔は、カム面４４１を含むガイドスロット４９０として、下部内側ガイド面４６１と上部内側ガイド面４７１とによりなる第１の通路４９１と、第１の通路４９１とキャビティ４４０を介して向かい合うように下部外側ガイド面４５１と上部外側ガイド面４８１とによりなる第２の通路４９２と、第１の下部外側勾配面４５２と第２の下部内側勾配面４６３と第１の上部外側勾配面４８２と第２の上部内側勾配面４７３とによりなる第３の通路４９３と、第２の下部外側勾配面４５３と第１の下部内側勾配面４６２と第１の上部内側勾配面４７２と第２の上部外側勾配面４８３とによりなる第４の通路４９４と、を含む。第１〜第４の通路４９１〜４９４は外部とキャビティ４４０に空間的に連通され、第３の通路４９３は第１の通路４９１と第２の通路４９２との対向する周方向一端に連通され、第４の通路４９４は第１の通路４９１と第２の通路４９２との対向する周方向他端に連通される。なお、第３の通路４９３と第４の通路４９４とは例えば第１のプレート４１の一組の相反する辺部４１１、４１２に対応して画成される。
【００３９】
回転体５１は、図５に示されているように、第１の軸線Ａ１を中心として第１のプレート４１及び第２のプレート４２の間に第１のプレート４１及び第２のプレート４２と同軸に設けられた座体５１２と、第１の軸線Ａ１に沿って座体５１２の第１のプレート４１側の下部から第１のプレート４１側に突き出るように設けられた第１の筒体５１３と、第１の軸線Ａ１に沿って座体５１２の第２のプレート４２側の上部から第２のプレート４２側に突き出るように設けられた第２の筒体５１４とを有する。座体５１２は、例えば上面視で複数の側辺部を有する多角体であり、その中央部に車軸４３が挿通して設けられる貫通孔が設けられ、枢結部５１１は、第１の軸線Ａ１を中心とする周方向に沿って所定の角間隔をおいて座体５１２の外周面５１５の側辺部のそれぞれに設けられている。枢結部５１１は、例えば図５に示されているように、第２の軸線方向に延伸されるように座体５１２の外周面５１５に貫通して設けられている。なお、枢結部５１１は、その内周面に第１のねじが設けられたねじ孔として形成されている。第１の筒体５１３と第２の筒体５１４とは、中空状になり、座体５１２の貫通孔とにより車軸４３が貫通される枢結孔５１６となる。伝動体５２は、第１の筒体５１３の第１のプレート４１側の下端部に外嵌されて定位されている。
【００４０】
回転手段５は、この実施形態では、更に、第１の筒体５１３及び第２の筒体５１４の枢結孔５１６側の内周壁にそれぞれ車軸４３に環設された２つのベアリング部材５３と２つのシール部材５４とを有し、枢結孔５１６内の第１の筒体５１３と車軸４３との間及び第２の筒体５１４と車軸４３との間に外部からの水や塵埃が侵入することを防ぐことができる。
【００４１】
羽根手段６において、支持部材６０は、第１の角度位置にある一部の羽根手段６が第２の角度位置に移動されるために（即ち上述のように羽根６１の流水１３に対する回転角度が調節されるために）第１の枠体４５０の下部外側勾配面と接触・案内されながら第２の軸線方向と平行な第１の回転軸を中心として回転可能に設けられた外側回転部材６４と、第２の角度位置にある他部の羽根手段６が第１の角度位置に移動されるために上部内側勾配面と接触・案内されながら第２の軸線方向と平行且つ第１の回転軸と異なる第２の回転軸を中心として回転可能に設けられた内側回転部材６６とを有する。
【００４２】
図５、図６及び図９に示されたように、羽根手段６において、支持部材６０は、羽根６１をベース４に支持連結するように第２の軸線方向に沿って延伸されて設けられた軸棒６２を有し、該軸棒６２は、第２の軸線方向の車軸４３側の一端部６２５と、第２の軸線方向の羽根６１側の他端部６２６と、一端部６２５と他端部６２６との間の軸部６２１とを有する。一端部６２５は第２の軸線方向沿いに移動可能に、その外周部に第２のねじが設けられ、枢結部５１１に連結される。他端部６２６は、第２の軸線Ａ２に沿って延伸されて扁平状に形成され、羽根６１と連結されるように設けられた連結ブロック６２４が設けられている。
【００４３】
軸部６２１は、他端部６２６側において第１の軸線方向と平行且つ第２の軸線方向と直角の第１の延伸方向Ｄ１に突き出て延伸されるように例えば耳状に形成された外側フレーム６２２と、一端部６２５において第１の延伸方向Ｄ１と直角の第２の延伸方向Ｄ２に突き出て延伸されるように例えば耳状に形成された内側フレーム６２３とを有する。
【００４４】
外側フレーム６２２は、その間に第１の延伸方向Ｄ１に窪んで延伸される外側取付溝６２２０が形成された一対の二股状の外側保持爪６２２１、６２２１を有し、該一対の外側保持爪６２２１、６２２１は、外側軸受け６３と、外側軸受け６３の外周に下部外側勾配面に接触して第２の軸線方向と平行に第１の延伸方向Ｄ１と直角に交わる第１の回転軸を中心として回転可能に設けられた外側回転部材６４とが外側取付溝６２２０に挿入され、例えば第２の軸線方向に長手状に延伸されるように形成された支持ピン６２８が外側保持爪６２２１、６２２１に貫通して例えばリベット締めにして脱離不能にするように外側フレーム６２２に定位・保持される。
【００４５】
内側フレーム６２３は、その間に第２の延伸方向Ｄ２に窪んで延伸される内側取付溝６２３０が形成された一対の二股状の内側保持爪６２３１、６２３１を有し、該対の内側保持爪６２３１、６２３１は、内側軸受け６５と、内側軸受け６５の外周に上部内側勾配面に接触して第２の軸線方向と平行且つ第２の延伸方向Ｄ２と直角に交わる第２の回転軸を中心として回転可能に設けられた内側回転部材６６とが内側取付溝６２３０に挿入され、例えば第２の軸線方向に長手状に延伸されるように形成された支持ピン６２７が内側保持爪６２３１、６２３１を貫通して例えばリベット締めにして脱離不能にするように内側フレーム６２３に定位・保持される。
【００４６】
なお、外側回転部材６４と内側回転部材６６は、例えばローラーが用いられ、軸棒６２から垂直に突き出ると共に、互いに第２の軸線方向に対して直角に交錯するように設けられている。なお、外側回転部材６４と内側回転部材６６はそれぞれ、第１の下部カム体４５と第１の上部カム体４７とにそれぞれ対応して接触されるように互いに軸棒６２に対して垂直（角Ａ＝９０度）且つ交錯に突き出るように設けられている（図１７）。
【００４７】
羽根６１は、第２の軸線方向に長手状に延伸される横長の羽根本体部６１１と、軸棒６２の他端部６２６と連結される継ぎ部６１２とを有する。羽根本体部６１１は、第２の軸線方向に長く且つ水流１３の水面と水平に延伸されるように形成された横長の扁平状の面状部材であり、流水１３による衝撃を受ける面部６１３を有する。継ぎ部６１２は、連結ブロック６２４が挿入される接合孔が設けられている。継ぎ部６１２に連結ブロック６２４が嵌入され、例えばねじ締めにより連結される。これによって、羽根６１は、継ぎ部６１２を介して軸棒６２に連結・支持される。
【００４８】
以上の構成部材で水力タービン４０を組み立てる手順を図５〜７、図１０を参照して説明する。まず、ねじで車軸４３の一端を第１のプレート４１の上面部に固定し、伝動体５２を第１の筒体５１３の第１のプレート４１側の下端部に固定する。チェーン３３（図３）を切り欠き４５４、４５４、４６４、４６４に通して伝動体５２に装着する。次に、車軸４３が枢結孔５１６に挿入されることにより、ベアリング部材５３とシール部材５４とが装着された回転体５１が車軸４３に装着される。そして、軸棒６２がねじ付の一端部６２５によって回転体５１の枢結部５１１と螺結される。これによって、羽根手段６が回転体５１に装着される。
【００４９】
流水１３に対してその衝撃を良好に受けたり和らげたりすることができるように羽根６１を位置決めするために、軸棒６２の枢結部５１１への螺合の際、一端部６２５の枢結部５１１への埋め込み深さを調節する作業を行う。即ち、軸棒６２の枢結部５１１への螺合作業は以下の手順に従って行われる。なお、この螺合作業は、第２の枠体４７０を装着した第２のプレート４２を車軸４３の他端に取り付ける前に行う。
【００５０】
１．  図１０、図１１に示されたように、複数の羽根６１の一部が第１のプレート４１に対して、軸棒６２の軸部６２１が第２の下部カム体４６の外側に突き出た場合、内側回転部材６６が下部内側ガイド面４６１に接触されると共に、外側回転部材６４が第２の下部カム体４６の車軸４３から離れる外周側に位置されるように、一端部６２５の枢結部５１１への埋め込み深さを調節する。ここで、複数の羽根手段６の一部は、図５に示されたように（図中右側の羽根手段６）、羽根６１の面部６１３が第１の軸線方向にほぼ平行になる第１の角度位置になる（自転）。
【００５１】
２．  図１０と図１２に示されたように、複数の羽根６１の他部が第１のプレート４１に対して、軸棒６２の軸部６２１が第１の下部カム体４５の外側に突き出た場合、外側回転部材６４が下部外側ガイド面４５１に接触されると共に、内側回転部材６６が第１の下部カム体４５の内周側且つ第１のプレート４１に対しての上方に位置されるように、一端部６２５の枢結部５１１への埋め込み深さを調節する。ここで、複数の羽根手段６の他部は、図５に示されたように（図中左側の羽根手段６）、羽根６１の面部６１３が第１の軸線方向にほぼ垂直になる第２の角度位置になる（自転）。
【００５２】
３．  図１０と図１３に示されたように、回転手段５の回転に連動される複数の羽根６１がベース４に対して、軸棒６２の軸部６２１が第１の下部外側勾配面４５２と第２の下部内側勾配面４６３より外側に突き出た場合、外側回転部材６４が第１の下部外側勾配面４５２に接触されると共に、内側回転部材６６が第１の下部カム体４５の内周側且つ第１のプレート４１に対しての上方に位置されるように、一端部６２５の枢結部５１１への埋め込み深さを調節する。ここで、図１３に示されたように、羽根６１の面部６１３が第１の延伸方向Ｄ１とほぼ平行且つ第１のプレート４１から第２のプレート４２に向かって外向きに傾斜する（自転）。
【００５３】
４．  図１０と図１４に示されたように、回転手段５の回転に連動される複数の羽根６１がベース４に対して、軸棒６２の軸部６２１が第２の下部外側勾配面４５３及び第１の下部内側勾配面４６２より外側に突き出た場合、外側回転部材６４が第２の下部外側勾配面４５３に接触されると共に、内側回転部材６６が第１の下部カム体４５の内周側且つ第１のプレート４１に対しての上方に位置されるように、一端部６２５の枢結部５１１への埋め込み深さを調節する。ここで、図１４に示されたように、羽根６１の面部６１３が第１の延伸方向Ｄ１とほぼ平行且つ第１のプレート４１から第２のプレート４２に向かって外向きに傾斜する（自転）。
【００５４】
軸棒６２の枢結部５１１への螺合作業を終えてから、第２の枠体４７０を装着した第２のプレート４２の下面部に車軸４３の他端を例えばねじで螺結する。
【００５５】
ここでは、図１１に示されたように、内側回転部材６６が下部内側ガイド面４６１に接触された時、上部内側ガイド面４７１にも接触されるので、下部内側ガイド面４６１と上部内側ガイド面４７１との間に挟持される。これによって、軸棒６２の軸部６２１が下部内側ガイド面４６１と上部内側ガイド面４７１とによりなる第１の通路４９１から外側に突き出るようになり、第１の角度位置に定位される。
【００５６】
一方、図１２に示されたように、外側回転部材６４が下部外側ガイド面４５１に接触された時、上部外側ガイド面４８１にも接触されるので、下部外側ガイド面４５１と上部外側ガイド面４８１との間に挟持される。これによって、軸棒６２の軸部６２１が下部外側ガイド面４５１と上部外側ガイド面４８１とによりなる第２の通路４９２から外側に突き出るようになり、第２の角度位置に定位される。
【００５７】
図１３に示されたように、軸棒６２の軸部６２１が第１の下部外側勾配面４５２と第２の下部内側勾配面４６３と第１の上部外側勾配面４８２と第２の上部内側勾配面４７３とによりなる第３の通路４９３から外側に突き出た時、外側回転部材６４が第１の下部外側勾配面４５２に接触されると共に、内側回転部材６６が第１の上部カム体４７側に向かって第２の上部内側勾配面４７３に接触される。
【００５８】
図１４に示されたように、軸棒６２の軸部６２１が第２の下部外側勾配面４５３と第１の下部内側勾配面４６２と第１の上部内側勾配面４７２と第２の上部外側勾配面４８３とによりなる第４の通路４９４から外側に突き出た時、外側回転部材６４が第２の下部外側勾配面４５３に接触されると共に、内側フレーム６２３が第２の上部カム体４８側に向かって第１の上部内側勾配面４７２と平行するようになる。以上のように、水力タービン４０が組み立てられる。
【００５９】
図２、図３及び図１５に示されたように、水力タービン４０の組み立てが終わると、第１のプレート４１の一辺部４１１が他辺部４１２に向かう方向が流水１３の流れ方向Ｆに沿うように、ねじ等でベース４の第１のプレート４１を水路１０の底面１１に固定する。チェーン３３を第１のギアボックス３１のギアセットに装着する。このように水力タービン４０が水路１０内に取り付けられる。
【００６０】
次に、以上のように構成された水力タービン４０の動作及び作用を添付した図面を参照して説明する。
【００６１】
図１１、図１５及び図１６に示されたように、流水１３が流れ方向Ｆに沿って水力タービン４０に向かって流れた時、一部の羽根手段６（図１６、右側）における内側回転部材６６が第１の通路４９１に移動された場合、該一部の羽根手段６が第１の角度位置において羽根６１の面部６１３が第１の軸線方向にほぼ平行になると共に、流れ方向Ｆに垂直に向かうようになる。これによって、羽根６１の面部６１３は流水１３による衝撃の受け面積が最大となるので、流水１３の衝撃によって該一部の羽根６１が第１の回転方向Ｒ１に沿って第１の軸線Ａ１（図５）を中心として回る。その一方、図１２と図１６に示されたように、他部の羽根手段６（図１６、左側）の外側回転部材６４が第２の通路４９２に移動された場合、該他部の羽根手段６が第２の角度位置において羽根６１の面部６１３が第１の軸線方向にほぼ垂直になると共に、流れ方向Ｆに水平になる。これによって、該他部の羽根６１の面部６１３は流水１３による衝撃の受け面積が小さくなるので、羽根６１が受ける流水１３の衝撃を大幅に和らげることができる。
【００６２】
以上により、一部の羽根手段６が第１の角度位置において羽根６１の面部６１３を流水１３による衝撃の受け面積が最大になると共に、他部の羽根手段６が第２の角度位置において羽根６１の面部６１３を流水１３による衝撃の受け面積が最小になるようにすることによって、該他部の羽根手段６が流水１３による衝撃をほとんど受けることなく該一部の羽根手段６が流水１３による衝撃を真正面に受けることによって良好に回転されることができる。従って、水力タービン４０の回転効率を高く上げることができ、発電機２０の発電効率の向上を図ることができる。
【００６３】
図１３、図１６及び図１７に示されたように、第３の通路４９３に移動された羽根手段６が第１の角度位置と第２の角度位置との間における第１の角度変換位置Ｃ１（図１６、上側）において、羽根６１は回転体５１の回転によって第１の回転方向Ｒ１に沿って連動されると車軸４３の周りを回転される（公転）。外側回転部材６４が第１の下部外側勾配面４５２から離れ、第２の下部外側勾配面４５３によってガイドされて矢印Ｉに示されるように回転されると羽根６１が第２の軸線Ａ２を中心として回転される（自転、図１７）。そして、外側回転部材６４が第３の通路４９３から離れ第２の通路４９２に移動されると、外側回転部材６４が下部外側ガイド面４５１と接触され、上部外側ガイド面４８１と接触されると共に、内側回転部材６６が第２の上部カム体４８の内周側に移動される。この時、羽根手段６は第２の軸線Ａ２を中心として回りながら第２の通路４９２に移動されて第２の角度位置に保持される。
【００６４】
このように、第１の角度位置における羽根手段６が矢印Ｉのように第２の軸線Ａ２を中心として回っている間、外側回転部材６４が第１の上部外側勾配面４８２にガイドされ、上部外側ガイド面４８１に移動される。これによって、外側回転部材６４が第２の通路４９２まで転がることができる。外側回転部材６４が第２の通路４９２に保持されることによって、羽根手段６は第２の角度位置に保持されたまま第１の回転方向Ｒ１に沿って回る。
【００６５】
このように、第１の角度位置における羽根手段６が第１の回転方向Ｒ１に沿って第１の角度変換位置Ｃ１に回転された場合、羽根手段６は自転しながら外側回転部材６４が第１の下部外側勾配面４５２にガイドされることによって、第１の角度位置から第２の角度位置に動かされる。これによって、羽根手段６が第１の角度変換位置Ｃ１に回転された際に第１の角度位置から第２の角度位置へ移動されることを確保することができる。
【００６６】
なお、この実施形態では、図５、図１１及び図１３に示されたように、軸棒６２の一端部６２５は、ねじ頭を手前にし、螺旋部分を向こう側にして見た場合の、時計回りに回す右ねじ（第２のねじ）として形成された場合、支持部材６０が矢印Ｉのように第２の軸線Ａ２を中心として回る間、一端部６２５は、第２の軸線方向に沿って対応する枢結部５１１の奥に進む。このように、羽根手段６の回転体５１の外周面５１５から突き出た長さを小さくすることができる。これによって、流水１３による第２の角度位置の羽根手段６への衝撃によるトルク値を小さくすることができる。
【００６７】
図１４、図１６及び図１８に示されたように、第２の角度位置に移動された羽根手段６は、第１の角度変換位置Ｃ１の第１の軸線方向に対する反対側の第２の角度変換位置Ｃ２（図１６、下側）において、羽根６１が回転体５１の回転によって第１の回転方向Ｒ１に沿って連動される（公転）。内側回転部材６６が第１の上部内側勾配面４７２によってガイドされて矢印IIのように第２の軸線Ａ２を中心として転がる（自転、図１８）。そして、内側回転部材６６が第４の通路４９４から離れ第１の通路４９１に移動されると、内側回転部材６６が上部内側ガイド面４７１および下部内側ガイド面４６１に接触されると共に、外側回転部材６４が、第２の下部カム体４６の外周面側に移動される。この時、羽根手段６は第２の軸線Ａ２を中心として回りながら第１の角度位置に保持される。
【００６８】
このように、羽根手段６は、矢印IIのように第２の軸線Ａ２を中心として回っている間、内側回転部材６６が第１の下部内側勾配面４６２にガイドされ、下部内側ガイド面４６１に移動される。これによって、内側回転部材６６が第１の通路４９１まで転がることができる。内側回転部材６６が第１の通路４９１に保持されることによって、羽根手段６は第１の角度位置に保持されたまま第１の回転方向Ｒ１に沿って回る。
【００６９】
このように、第２の角度位置における羽根手段６が第１の回転方向Ｒ１に沿って第２の角度変換位置Ｃ２に回転された場合、羽根手段６は自転しながら内側回転部材６６が第１の上部内側勾配面４７２にガイドされることによって、第２の角度位置から第１の角度位置に動かされる。これによって、羽根手段６が第２の角度変換位置Ｃ２に回転された際に第２の角度位置から第１の角度位置へ移動されることを確保することができる。
【００７０】
なお、この実施形態では、図５、図１２、図１６及び図１８に示されたように、また、前述のように、軸棒６２の一端部６２５が右ねじに形成されたので、支持部材６０が矢印IIのように第２の軸線Ａ２を中心として回る間、一端部６２５は第２の軸線方向に沿って対応する枢結部５１１から出るように移動される。このように、羽根手段６の回転体５１の外周面５１５から突き出た長さを多くすることができる。これによって、流水１３による第１の角度位置の羽根手段６への衝撃によるトルク値を大きくすることができる。
【００７１】
以上により、第１の角度位置における羽根手段６の回転体５１の外周面５１５から突き出た長さが長い時、羽根６１の受ける流水１３の衝撃が最大となり、第２の角度位置における羽根手段６の回転体５１の外周面５１５から突き出た長さが短い時、羽根６１の受ける流水１３の衝撃が最小となるので、羽根手段６は順調に且つ効率よく回転されることができる。
【００７２】
なお、本実施形態では、第１のプレート４１の一辺部４１１が他辺部４１２に向かう向きを水流１３の流れ方向Ｆとして水力タービン４０が水路１０の底面１１に取り付けられた場合について説明したが、水流１３によって羽根手段６を第１の回転方向Ｒ１と逆の第２の回転方向Ｒ２に沿って第１の軸線Ａ１を中心として回すようにしてもよい。この場合、第１の角度位置に保持された羽根手段６が第２の回転方向Ｒ２に沿って第２の角度変換位置Ｃ２に移動された時、外側回転部材６４が第２の下部外側勾配面４５３にガイドされて第１の角度位置から第２の角度位置に回転される。第２の角度位置に保持された羽根手段６は第２の回転方向Ｒ２に沿って第１の角度変換位置Ｃ１に移動された時、内側回転部材６６が第２の上部内側勾配面４７３にガイドされて第２の角度位置から第１の角度位置に回転される。このように構成された水力タービン４０は、流れ方向Ｆ及び該流れ方向Ｆと反対の流れ方向を有する水路１０に用いられることができるので、水路１０の水流に応じて使用勝手が良い。
【００７３】
また、外側回転部材６４と内側回転部材６６は、転がり可能なローラを用いるので、外側回転部材６４が下部外側ガイド面４５１、第１の下部外側勾配面４５２、第２の下部外側勾配面４５３、上部外側勾配面４８１、第１の上部外側勾配面４８２及び第２の上部外側勾配面４８３と接触されると共に、内側回転部材６６が上部内側ガイド面４７１、第１の上部内側勾配面４７２、第２の上部内側勾配面４７３、下部内側ガイド面４６１、第１の下部内側勾配面４６２及び第２の下部内側勾配面４６３と接触されるように移動されるので、外側回転部材６４と内側回転部材６６の第１の枠体４５０と第２の枠体４７０に対する摩擦を軽減することができる。従って、羽根手段６が第１の通路４９１又は第２の通路４９２を順調に回転しながら移動され、第３の通路４９３又は第４の通路４９４を順調に転がりながら移動されることができる。
【００７４】
以上、上記実施形態を参照して本発明に係る水力タービン４０を説明したが、本発明は上記の実施形態に制限されるものではない。
【００７５】
例えば、図７と図１６に示された、第１の下部カム体４５、第２の下部カム体４６、第１の上部カム体４７及び第２の上部カム体４８は、周方向の両端面がそれぞれ周方向に傾斜状に形成されたカム板で構成されているが、いずれかの端面だけを傾斜状にしてもよい。
【００７６】
一例としては、第１の枠体４５０では、第１の下部カム体４５が第１の下部外側勾配面４５２だけを有し、第２の下部カム体４６が第１の下部内側勾配面４６２だけを有し、第２の枠体４７０では、第１の上部カム体４７が第１の上部内側勾配面４７２だけを有し、第２の上部カム体４８が第１の上部外側勾配面４８２だけを有するようにする。このように構成された案内体を備えた水力タービンは、一方向の流れ方向Ｆだけを有する流水１３に適用される。
【００７７】
他例としては、第２の下部カム体４６は下部内側ガイド面４６１だけを有し、第２の上部カム体４８は上部外側ガイド面４８１だけを有するようにしてもよい。
【００７８】
また、チェーン３３は切り欠き４５４、４５４を介して伝動体５２に装着されているが、地域１の形によって、切り欠き４６４、４６４を介して装着されてもよい。
【００７９】
以上のように構成された本発明に係る水力タービン４０は、羽根手段６が第１の角度変換位置Ｃ１に移動されると、支持部材６０は案内体４４にガイドされながら第２の軸線Ａ２を中心として自転され、羽根手段６は第１の角度位置から第２の角度位置に移動される。その一方、羽根手段６が第２の角度変換位置Ｃ２に移動されると、支持部材６０は案内体４４にガイドされながら第２の軸線Ａ２を中心として自転され、羽根手段６は第１の角度位置から第２の角度位置に移動される。これによって、水力タービン４０の流水１３の衝撃に対しての抵抗を軽減することができると共に流水１３の衝撃を受けて順調に回転させることができるので、発電機２０の発電効率の向上を図ることができる。また、本発明に係る水力タービン４０は、水面下に設けられているので、羽根６１が水面上に露出することがないため、水面上の気流抵抗を受けずに済むと共に、水面上の空間を占めることもない。
【００８０】
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
本発明に係る水力タービンは、水力発電機に有用である。
【符号の説明】
【００８２】
１    地域
１０    水路
１１    底面
１２    側面
１３    流水
２０    発電機
２００    水力発電装置
３０    伝達手段
３１    第１のギアボックス
３２    第２のギアボックス
３３    チェーン
３４    トランスミッションシャフト
４０    水力タービン
４    ベース
４１    第１のプレート
４１１、４１２    辺部
４２    第２のプレート
４３    車軸
４４    案内体
４４０    キャビティ
４４１    カム面
４５    第１の下部カム体
４５０    第１の枠体
４５１    下部外側ガイド面
４５２    第１の下部外側勾配面
４５３    第２の下部外側勾配面
４５４、４５４、４６４、４６４    切り欠き
４５ａ    第１の下部ウェブ部
４５ｂ    第１の下部一側フランジ部
４５ｃ    第１の下部他側フランジ部
４６    第２の下部カム体
４６１    下部内側ガイド面
４６２    第１の下部内側勾配面
４６３    第２の下部内側勾配面
４６ａ    第２の下部ウェブ部
４６ｂ    第２の下部一側フランジ部
４６ｃ    第２の下部他側フランジ部
４７    第１の上部カム体
４７０    第２の枠体
４７１    上部内側ガイド面
４７２    第１の上部内側勾配面
４７３    第２の上部内側勾配面
４７ａ    第１の上部ウェブ部
４７ｂ    第１の上部一側フランジ部
４７ｃ    第１の上部他側フランジ部
４８    第２の上部カム体
４８１    上部外側ガイド面
４８２    第１の上部外側ガイド面
４８３    第２の上部外側ガイド面
４８ａ    第２の上部ウェブ部
４８ｂ    第２の上部一側フランジ部
４８ｃ    第２の上部他側フランジ部
４９０    ガイドスロット
４９１    第１の通路
４９２    第２の通路
４９３    第３の通路
４９４    第４の通路
５    回転手段
５１    回転体
５１１    枢結部
５１２    座体
５１３    第１の筒体
５１４    第２の筒体
５１５    外周面
５１６    枢結孔
５２    伝動体
５３    ベアリング部材
５４    シール部材
６    羽根手段
６０    支持部材
６１    羽根
６１１    羽根本体部
６１２    継ぎ部
６１３    面部
６２    軸棒
６２１    軸部
６２２    外側フレーム
６２２０    外側取付溝
６２２１    外側保持爪
６２３    内側フレーム
６２３０    内側取付溝
６２３１    内側保持爪
６２４    連結ブロック
６２５    一端部
６２６    他端部
６２７    支持ピン
６２８    支持ピン
６３    外側軸受け
６４    外側回転部材
６５    内側軸受け
６６    内側回転部材
Ａ    夾角
Ａ１    第１の軸線
Ａ２    第２の軸線
Ｃ１    第１の角度変換位置
Ｃ２    第２の角度変換位置
Ｄ１    第１の延伸方向
Ｄ２    第２の延伸方向
Ｒ１    第１の回転方向
Ｒ２    第２の回転方向
Ｉ、II    矢印
【図１】
2016211534.tif 000003
【図２】
2016211534.tif 000004
【図３】
2016211534.tif 000005
【図４】
2016211534.tif 000006
【図５】
2016211534.tif 000007
【図６】
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【図７】
2016211534.tif 000009
【図８】
2016211534.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2016211534.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2016211534.tif 000015
【図１４】
2016211534.tif 000016
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2016211534.tif 000019
【図１８】
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