双方向流用の空気衝動タービンの潮流発電への適用に関する研究

OTEC
Vol.20 (2015), 67-71

67

双方向流用の空気衝動タービンの潮流発電への適用に関する研究
木上 洋一*1，塩見 憲正*1，高尾 学*2，永田 修一*3，
今井 康貴*3，村上 天元*3，津上 由起夫*4，藤井 基史*4
Application of Impulse Air Turbine for Bi-Directional Flow to Tidal Energy Conversion
Yoichi KINOUE*1, Norimasa SHIOMI*1, Manabu TAKAO*2, Shuichi NAGATA*3, Yasutaka IMAI*3,Tengen MURAKAMI*3, Yukio TSUGAMI*4, and Motoshi FUJII*4*1*2

Department of Mechanical Engineering, Saga University, 1, Honjo, Saga, 840-8502, Japan
Department of Mechanical Engineering, Matsue National College of Technology, 14-4, Nishiikuma, Matsue, Shimane, 690-8518, Japan *1*3
Institute of Ocean Energy, Saga University, 1, Honjo, Saga, 840-8502, Japan*4
Initial Design Department, Namura Shipbuilding Co. Ltd., 5-1, Shioya, Kurogawa, Imari-shi, Saga, 848-0121, Japan

Abstract
The bi-directional impulse turbine and the bi-directional diffuser for tidal energy conversion is investigated in this paper.
The bi-directional impulse turbine with fixed guide vanes is adopted because the turbine has a large efficiency and an
advantage of maintenance. The turbine characteristics is obtained experimentally by the air turbine test rig. As a bi-directional
diffuser suitable for the bi-directional impulse turbine, the diffuser geometry is proposed, which has a simple cone geometry.
The combination system of the impulse turbine and the diffuser is investigated experimentally by using the water tunnel atIOES. This system is proved to produce the power by a tidal flow experimentally.
Key words : Tidal energy conversion, Bi-directional flow, Impulse turbine, Diffuser, Water tunnnel experiment

1. 緒言

再生可能エネルギーの供給元として，海洋は大きな可能性を有している．海洋エネルギーとしては波浪，潮汐，海流・潮流，海洋温度差，洋上風力，塩分濃度差等のエネルギーがあるが，本研究では潮流エネルギーを対象とする．潮流の変動は規則正しく起こる往復流であるので長期にわたって予測可能であり，比較的信頼性の高いエネルギーといえる．
潮流による発電を考える場合，実用性を高めるために集流が効果的である．本研究では，風力タービンで導入例があるディフューザーによる集流(Ohya et al., 2001)を行うことについて，数値解析により検討した．また発電に用いる往復流型タービンについては，波力発電用に開発された固定案内羽根を有する往復流型衝動タービン（空気タービン） (Setoguchi et al., 2000) を水用に適用した．
2. 実験装置と方法
潮流タービン試験装置（図 1）は，全長約 2.5m，幅 1.0m，水深 0.7m の回流水槽内観測部に設置し，上流側の流速を一定に保ち，タービン（ケーシング直径 D = 170mm）の回転速度を 15rpm~80rpm の範囲で段階的に変更し原稿受付 2015 年 8 月 31 日
*1
所属機関（〒840-8502 佐賀県佐賀市本庄町 1 番地 佐賀大学大学院工学系研究科機械システム工学専攻）*2
所属機関（〒690-8518 島根県松江市西生馬町 14-4 松江工業高等専門学校機械工学科）*3
所属機関（〒840-8502 佐賀県佐賀市本庄町 1 番地 佐賀大学海洋エネルギー研究センター）*4
所属機関（〒848-0121 佐賀県伊万里市黒川町塩屋 5-1 株式会社名村造船所船舶海洋事業部基本設計部）
E-mail of corresponding author: kinoue@me.saga-u.ac.jp

68

木上洋一, 塩見憲正, 高尾学, 永田修一, 今井康貴,村上天元, 津上由起夫, 藤井基史

Fig. 1 Test rig for water turbine and diffuser.

Impulse turbine

Fig. 2 Impulse turbine for water flow.

(a) Diffuser I(b) Diffuser IIFig. 3 Two types of bi-directional diffuser.

双方向流用の空気衝動タービンの潮流発電への適用に関する研究

69て実験を行った．本回流水槽は 2 インペラ方式垂直循環型回流水槽で，表面流加速装置，気泡除去装置および制波板を有し，0.1m/s~1.5m/s の範囲で流速を設定できる．但し，本実験では，潮流タービン装置入口の軸流速度 vを別途用意したピトー管を用い，ロータ回転中心面から 1m 上流側，水底から 0.35m 上の位置で計測した．また，実験では，タービン前後の壁面静圧差p，タービンに加わる軸方向の力 Fa，出力トルク T およびタービン角速度を測定した．所定のタービン回転数毎の計測時間は 1 分間で，サンプリング周波数は 20Hz である．タービン案
内羽根入口の軸流速度 va はロータ回転中心面から 95mm 上流側のスパン中央で測定し，タービン前後の壁面静圧はロータ回転中心面から 60mm 上流側および 60mm 下流側で計測した．上流・下流の壁面静圧測定位置における流路面積は同じである．なお，軸方向の力 Fa の計測に際して, タービン軸と AC サーボモータ軸のカップリングおよび案内羽根入口に設置したピトー管の治具にはスラスト方向に前後できる可動部を設けて，軸方向の力 Faがタービン部以外に働かないようにしてある．
衝動タービンには，空気用に開発された固定案内羽根付き衝動タービンの縮尺モデルを水用として適用した．
供試ロータ（図 2）は，翼先端直径 169.4mm，翼先端隙間 0.3mm，ハブ直径 Dh = 119mm，入口（出口）角 = 50deg.，
翼枚数 24 枚である．また，ロータ前後には設定角 = 37.5deg.，厚さ 1.5mm，羽根枚数 26 枚の固定案内羽根を配置してある．
また図 3 に 2 通りの双方向流型ディフューザーを示す．
ディフューザーI は傾き 31 度で最大半径が 2.2R であり，ディフューザーII は傾き 45 度で最大半径が 3.0R である．
3. 実験結果と考察
3・1 性能評価の方法
潮流タービンの性能は，以下に示す式（1）～（6）により評価する．
流量係数

 = va/u

流速の比

va/v

（1）
（2）

軸力係数

2

Cf = Fa / (u A/2)

(3)

圧力降下係数 = p / (u /2)
 = T/ (u3A/2)
 = T/ (pQ) =  / ()

（4）

軸動力係数
効率

2（5）
（6）

ここに，A: 流路面積｛= D2(1-2)/4 = 0.0116m2｝，R: ケーシング半径（= D/2 = 0.085m），u: 翼先端における周速度（= R），: ハブ比（= Dh/D = 0.7）
，: 水の密度（= 1000kg/m3）である．なお，ケーシングと翼先端との隙間が狭いため，翼先端における周速度 u の計算にはケーシング半径 R を用いた．
3・2 実験結果
図 4 に流速の比，図 5 に軸力係数，図 6 に圧力降下係数，図 7 に軸動力係数および図 8 に効率の実験結果をそれぞれ示す．また一点鎖線で空気タービンの実験結果を示す．
図 4 と図 5 より，最大半径の大きいディフューザーII の方が，内部への集流効果が大きく，軸方向に受ける抵抗力が大きいことがわかる．また図 6～図 8 より，波力発電用空気衝動タービンと潮流発電用水衝動タービンとで，相似則がほぼ成立していることがわかる．
本実験結果より，固定案内羽根付き衝動タービンと双方向ディフューザーの組み合わせシステムを用いて，潮流発電を行うことは十分可能であるが，実用性を高めるため，性能改善を継続することが必要である．

４. 結言(1) 固定案内羽根付き衝動タービンと双方向ディフューザーの組み合わせシステムを用いて，潮流発電を行うことは十分可能である．

木上洋一, 塩見憲正, 高尾学, 永田修一, 今井康貴,村上天元, 津上由起夫, 藤井基史

70800

1Water, diffuser IWater, diffuser II600

0.6Cfva / v

0.8

4000.40200Water, diffuser IWater., diffuser II

0.20.5

11.5

22.5

030.5

Fig. 4 Velocity ratio

11.5



22.5

3Fig. 5 Axial force coefficient

5050Water, Diffuser I
Water, Diffuser IIAir, No diffuser

40Water, Diffuser I
Water, Diffuser IIAir, No diffuser

403030

2020

10100.5

11.5

22.5

300.5

Fig. 6 Pressure drop coefficient

11.5

1Water, Diffuser I
Water, Diffuser IIAir, No diffuser

0.8

0.60.40.202Fig. 7 Torque coefficient

00.5

11.5



Fig. 8 Efficiency

22.532.53

双方向流用の空気衝動タービンの潮流発電への適用に関する研究

71(2) ディフューザーの最大半径が大きいと集流効果が大きい一方，軸方向の抵抗力が増すので，最適な形状を見いだすことが必要である．
謝辞

この研究は平成 26 年度佐賀県再生エネルギー等導入促進事業として実施されました．ここに記して感謝申し上げます．

文

献Ohya, Y., Karasudani, T., Sakurai, A, and Inoue, M., Development of High-Performance Wind Turbine System by Wind-Lens
Effect (Locally Concentrated Wind Energy), Proceeding of the 23th Symposium for Techniques Utilizing Wind Energy,
2001, pp. 76-79 (in Japanese).
Setoguchi, T., Takao, M., Kinoue, Y., Kaneko, Santhakumar, S, and Inoue, M., Study on an Impulse Turbine for Wave EnergyConversion, International Journal of Offshore and Polar Engineering, Vol. 10, No. 2 (2000), pp. 145-152.