JP2009209778A - 浮体式流体機械 - Google Patents
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Abstract
【課題】水中発電機を安定させて水中に配設することができ、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、コストを低くすることができるようにする。
【解決手段】浮体11と、浮体11を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、水中タービン51とを有する。水中タービン51は、翼支持部及び複数の翼を備える。各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第1の翼素、翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第2の翼素、及び第1、第2の翼素を連結する第3の翼素を有する。水中タービン51が浮体11によって支持されるので、水中タービン51を安定させて水中に置くことができ、各翼が回転するのに伴って、水中タービン51の軸の向く方向が変化することがない。
【選択図】図1
【解決手段】浮体11と、浮体11を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、水中タービン51とを有する。水中タービン51は、翼支持部及び複数の翼を備える。各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第1の翼素、翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第2の翼素、及び第1、第2の翼素を連結する第3の翼素を有する。水中タービン51が浮体11によって支持されるので、水中タービン51を安定させて水中に置くことができ、各翼が回転するのに伴って、水中タービン51の軸の向く方向が変化することがない。
【選択図】図1
Description
本発明は、浮体式流体機械に関するものである。
従来、浮体を利用して水中に水平軸型タービンを配設し、流体エネルギーを電気エネルギーに変換するようにした水中発電機が提供されている。
該水中発電機においては、ステータコアハウジング及びロータが配設され、該ロータは、一対の逆回転するタービンハブにそれぞれ取り付けられたタービンブレードを備える。また、前記水中発電機は、係留ワイヤによって、水底に配設された水中アンカーに接続され、水中に位置させられる。水中発電機によって発生させられた電力は、係留ワイヤによって保持される送電線を介して水中アンカーに送られ、別の送電線を介して陸上の電力施設に送られる(例えば、特許文献1参照。)。
特開2007−16786号公報
しかしながら、前記従来の水中発電機においては、1本の係留ワイヤによって水中アンカーと接続されるので、安定させて水中に配設することができず、タービンブレードが回転するのに伴って、ロータの軸の向く方向が変化してしまう。
また、水の流速が高くなると、水中発電機が水中アンカーに対して前方に押され、係留ワイヤの最大長を半径とする円弧上を移動し、水底方向に移動してしまう。これに対して、水の流速が低くなると、水中発電機が浮力で上方に押され、係留ワイヤの最大長を半径とする円弧上を移動し、水面方向に移動してしまう。
このように、水の流速によって、ロータの軸の向く方向が変化したり、水中発電機が水中に置かれる位置が変化したりするので、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができない。
また、この種の水中発電機においては、水中発電機の出力を大きくしようとすると、タービンブレードの直径を10〔m〕より長くする必要がある。ところが、通常、タービンブレードは鋳物(いもの)で製造されるので、大型化するのは困難であり、仮に、製造したとしても、重量が極めて大きくなり、水中発電機を水中に浮かせて置くのが困難になってしまう。
そこで、水中発電機の出力を大きくするために、例えば、ダクト内に水を供給することによって、水の流速を高くし、その中に水中発電機を配設する方法が提供されているが、ダクト内に水を供給するための付帯設備を配設する必要があり、コストが高くなってしまう。
本発明は、前記従来の水中発電機の問題点を解決して、水中発電機を安定させて水中に配設することができ、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、コストを低くすることができる浮体式流体機械を提供することを目的とする。
そのために、本発明の浮体式流体機械においては、浮体と、該浮体を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、前記浮体の下方において浮体によって支持された水中タービンとを有する。
そして、該水中タービンは、回転自在に支持された翼支持部、及び該翼支持部の円周方向における複数箇所に径方向外方に突出させて形成された複数の翼を備える。
また、該各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、前記翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第1の翼素、前記翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結する第3の翼素を有する。
本発明によれば、浮体式流体機械においては、浮体と、該浮体を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、前記浮体の下方において浮体によって支持された水中タービンとを有する。
そして、該水中タービンは、回転自在に支持された翼支持部、及び該翼支持部の円周方向における複数箇所に径方向外方に突出させて形成された複数の翼を備える。
また、該各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、前記翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第1の翼素、前記翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結する第3の翼素を有する。
この場合、水中タービンが浮体によって支持されるので、水中タービンを安定させて水中に置くことができ、各翼が回転するのに伴って、水中タービンの軸の向く方向が変化することがない。また、水の流速が高くなって、浮体が前方に押されても、浮体及び水中タービンが水底方向に移動することがない。
したがって、水中タービンの軸の向く方向が変化したり、水中タービンが水中に置かれる位置が変化したりしないので、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
また、各翼は鋳物ではなく、金属プレートを湾曲させることによって形成されるので、直径、重量等の制約を受けることがない。その結果、浮体式流体機械のコストを低くすることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の実施の形態における浮体式流体機械の概念図、図2は本発明の実施の形態における水中タービンの配設状態を示す図である。
図において、11は水面に浮かせて配設された浮体であり、該浮体11は双胴船の形状を有し、所定の距離を置いて平行に配設された一対の胴部101、及び該各胴部101の上面間に架設させて配設されたデッキ102を備える。また、12は該デッキ102の上面の中央に配設された発電機室であり、該発電機室12内に図示されない発電機が配設される。前記各胴部101内には、図示されない中空室としてのバラスト室が形成され、各胴部101に十分な浮力を与える。
前記浮体11の下方には、浮体11によって水平に支持された水中タービン51及び流体ポンプ53が配設される。そのために、前記各胴部101から、下方に向けて傾斜させてそれぞれ一対のステー19が延在させられ、該各ステー19の下端に、前方の軸受71及び後方の軸受72がそれぞれ取り付けられる。そして、各軸受71、72によって前記水中タービン51が回転自在に支持される。なお、該水中タービン51は回転軸が水の流れ方向に向くように配設される。
前記水中タービン51は、前記軸受71、72によって支持された軸55、該軸55の前端に固定された第1のハブとしての前側ハブ56、該前側ハブ56と所定の間隔を置いて、かつ、流体ポンプ53と隣接させて前記軸55の後端に固定された第2のハブとしての後側ハブ57、及び前記前側ハブ56と後側ハブ57との間に架設された複数の、本実施の形態においては、3個の翼61を備える。該各翼61は、金属プレートを湾曲させることによって形成される。なお、前記軸55、前側ハブ56及び後側ハブ57によって翼支持部が構成される。
前記浮体11を水面上における所定の位置に保持するために、前側(図1において右側)の各ステー19間に水平部材105が、後側(図1において左側)の各ステー19間に水平部材106がそれぞれ架設されるとともに、浮体11の前側に、浮体11と所定の距離を置いて第1のブイとしての前側ブイ14が、浮体11の後側に、浮体11と所定の距離を置いて第2のブイとしての後側ブイ15が、水面上に浮かせて配設される。そして、前記水平部材105と前側ブイ14とが前側の接続部材としてのワイヤ17によって、前記水平部材106と後側ブイ15とが後側の接続部材としてのワイヤ18によって接続される。また、前記デッキ102上の所定の箇所、本実施の形態においては、発電機室12の壁体と前側ブイ14とが接続部材としてのワイヤ16によって接続される。
さらに、前記浮体11の前側に、水の流れ方向において所定の距離を置いて、複数の、本実施の形態においては、一対のアンカー部材としての水中アンカー22が配設され、該各水中アンカー22と前記前側ブイ14とが係留ワイヤ23によって接続される。また、前記浮体11の後側に、水の流れ方向において所定の距離を置いて、複数の、本実施の形態においては、一対のアンカー部材としての水中アンカー24が配設され、該各水中アンカー24と前記後側ブイ15とが係留ワイヤ25によって接続される。なお、浮体11、発電機室12、前側ブイ14、後側ブイ15、水中アンカー22、24、係留ワイヤ23、25、水中タービン51等によって浮体式流体機械が構成される。
本実施の形態においては、例えば、潮流を利用して発電を行う場合を想定しているが、引潮時及び満潮時において発電を行う場合、水が浮体11の前側から後側にかけて流れたり、浮体11の後側から前側にかけて流れたりする。この場合、前記水中タービン51として可逆式のものが使用される。また、水が浮体11の前側から後側にかけて流れる場合、及び浮体11の後側から前側にかけて流れる場合のいずれにおいても、浮体11を所定の位置に置く必要があるので、水中アンカー22及び係留ワイヤ23だけでなく、水中アンカー24及び係留ワイヤ25が必要になる。
これに対して、例えば、暖流、寒流等を利用して発電を行う場合、水が浮体11の前側から後側にかけてだけ流れる。この場合、前記水中タービン51として不可逆式のものが使用される。また、水が浮体11の前側から後側にかけて流れる場合にだけ浮体11を所定の位置に置けばよいので、水中アンカー24及び係留ワイヤ25は必ずしも必要ではない。
そして、前記流体ポンプ53と、前記発電機と連結させて配設された図示されない流体モータとが管路121、122を介して連結され、該管路121、122を介して媒体としての油が圧送される。なお、前記流体ポンプ53、発電機及び管路121、122によって、水中タービン51の回転を発電機に伝達する回転伝達機構が構成される。
前記構成の浮体式流体機械において、水が流れると、流体エネルギーによって水中タービン51が回転させられ、流体ポンプ53が駆動される。これに伴って、該流体ポンプ53は、管路121を介して流入した油を管路122を介して吐出させ、前記流体モータに供給する。そして、流体モータは油が供給されるのに伴って回転させられ、発電機を駆動し、発電を行う。このようにして、流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。なお、本実施の形態において、水中タービン51の回転は油を循環させることによって発電機に伝達されるようになっているが、水中タービン51の回転を歯車機構、チェーン等の回転伝達機構によって発電機に伝達することができる。
このように、本実施の形態においては、水中タービン51が浮体11によって支持され、しかも、水の流れ方向における浮体11より上流側に前側ブイ14が配設されるので、水中タービン51を安定させて水中に置くことができ、翼61が回転するのに伴って、軸55の向く方向が変化することがない。また、水の流速が高くなって、浮体11が水中アンカー22、24に対して前方に押されても、浮体11及び水中タービン51が水底方向に移動することがない。
したがって、水の流速によって、軸55の向く方向が変化したり、水中タービン51が水中に置かれる位置が変化したりしないので、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
また、前記各翼61は鋳物ではなく、金属プレートを湾曲させることによって形成されるので、直径、重量等の制約を受けることがない。すなわち、例えば、翼61の直径が30〔m〕で、重量が20〔t〕のものを市販の金属プレートを使用して製造することができる。そして、発電機の出力を大きくするために、例えば、図示されないダクト内に水を供給することによって、水の流速を高くし、その中に水中タービン51を配設する必要がないので、付帯設備が不要になる。また、水の流速が3〔m/s〕の潮流でも3000〔kW〕の発電を行うことができる。したがって、浮体式流体機械のコストを低くすることができる。
次に、前記構成の水中タービン51について説明する。
図3は本発明の実施の形態における水中タービンの斜視図、図4は本発明の実施の形態における回転体を示す正面図、図5は本発明の実施の形態における回転体を示す側面図、図6は図3のE−E断面図、図7は図3のF−F断面図、図8は図3のG−G断面図、図9は本発明の実施の形態における翼の断面図、図10は本発明の実施の形態における翼の展開図である。
図3〜8において、51は水中タービン、53は流体ポンプ、54は回転体、71、72は軸受(軸受72は図2に示されている。)である。前記軸受71、72によって回転体54が回転自在に支持される。また、前記回転体54は、軸55、該軸55の前端に固定された前側ハブ56、該前側ハブ56と所定の間隔を置いて、かつ、発電機53に隣接させて前記軸55の後端に固定された後側ハブ57、及び前記前側ハブ56と後側ハブ57との間に架設された3個の翼61を備える。なお、前記軸55、前側ハブ56及び後側ハブ57によって翼支持部62が構成される。本実施の形態において、翼支持部62は軸55、前側ハブ56及び後側ハブ57によって構成されるが、翼支持部62を一つのハブによって構成することもできる。
前記翼61は、翼支持部62の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、3箇所に、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成される。また、翼61は、薄い金属プレート、例えば、ステンレスプレートによって形成され、ループ状の形状を有し、前側ハブ56における第1の取付位置p1から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第1の翼素としての前側翼部64、後側ハブ57における第2の取付位置p2から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第2の翼素としての後側翼部65、及び前記前側翼部64と後側翼部65とを最大半径の部分で連結し、翼支持部62から等距離を置いて、ほぼ平坦に延びる第3の翼素としての中央翼部66を備える。
次に、前記構成の翼61について説明する。
図9において、水を翼61に対して矢印Z方向に流入させると、回転力F1及び揚力F2が発生させられ、翼61が矢印X´方向に移動させられ、前記回転体54は矢印X方向(図3)に回転させられる。また、εは前記翼61の翼厚中心線、q1は前記翼61の前縁、q2は前記翼61の後縁、M1は前縁q1と後縁q2とを結ぶ線分、M2は翼61の移動方向(矢印X´方向)に延びる線分である。そして、L1は前記前縁q1と後縁q2との間の直線距離を表す翼弦長、θは前記線分M1と線分M2とが成す角度を表すピッチ角、fは前記翼厚中心線εと線分M1との間の最大距離を表すキャンバーである。
前記構成の水中タービン51において、水が矢印Z方向に流れると、翼61によって流体エネルギーが機械エネルギーに変換され、回転体54が矢印X方向に回転させられ、流体ポンプ53が駆動される。すなわち、正面から流入する水だけでなく、斜めに流入する水についても、エネルギーの変換を行うことができる。
この場合、前側翼部64は回転体54の回転方向における上流側に、後側翼部65は回転体54の回転方向における下流側に位置させられ、回転体54が回転させられるのに伴い、後側翼部65は前側翼部64より15〔°〕以上先行する。したがって、回転体54が低速で回転させられる場合、後側翼部65は、矢印Z方向に流入する水について前側翼部64の影響を受けることがない。一方、回転体54が高速で回転させられる場合、前側翼部64の影響を、後続する翼61の上流側、すなわち、後続する翼61の後側翼部65が受け、回転体54は失速し、制動された状態になる。すなわち、低速領域においては、3個の翼61によって実質的に6個の翼を回転させた場合と同等の機能を有し、大きいトルクを発生させることができ、高速領域においては、翼61の撓みをほとんど伴うことなく大きいトルクが発生するのを防止することができる。すなわち、水中タービン51の出力を制限することができる。
また、翼61がループ状の形状を有しているので、回転している翼61に物が当たったときの衝撃を小さくすることができる。
前記前側翼部64は前側ハブ56から、後側翼部65は後側ハブ57から径方向外方に向けて突出させて形成され、先端で中央翼部66によって連結されるので、外力を受けたとき等に前側翼部64及び後側翼部65の根元67に働く応力を小さくすることができる。したがって、翼61が破損するのを抑制することができ、翼61の耐久性を向上させることができる。また、前記根元67に働く応力を小さくすることができるので、前側翼部64及び後側翼部65に加わる負荷が変動しても、翼61に発生する撓みを小さくすることができる。さらに、前側翼部64及び後側翼部65に加わる負荷が小さい場合には、中央翼部66に発生する遠心力によって前側翼部64及び後側翼部65の根元67に発生する曲げモーメントを小さくすることができる。
その結果、回転体54の回転に伴って脈動、反力等が翼61に加わることがなくなり、翼61に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼61の耐久性を向上させ、翼61に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼61を薄くすることができるので、回転体54を軽量化することができる。
また、前記中央翼部66が形成され、翼61の翼面上の圧力が後側翼部65における正圧から前側翼部64における負圧に連続的に変化するので、翼61の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チップボルテックスによって翼61に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。例えば、騒音レベルで10〔dB〕以上、音の強度では7倍以上抑制することができる。
そして、中央翼部66が平坦であるので、中央翼部66を手で抑えて静止させることができるだけでなく、翼61のループに図示されない係止部材を引っかけることによって、回転体54が回転するのを阻止したりすることができる。したがって、台風時等において、回転体54を停止させておくことができるので安全性を向上させることができる。
また、図10において、Lsはスキューライン(翼幅中心線)、Lfは基準線GLより下流側に設定されたフォワードスキュー、Lbは基準線GLより上流側に設定されたバックワードスキューである。図に示されるように、回転体54の回転方向(矢印X方向)において、前側翼部64は翼61の基準線GLより上流側に、後側翼部65は基準線GLより下流側に位置させられ、中央翼部66において基準線GLとスキューラインLsとが交差させられる。
本実施の形態においては、水中アンカー22、24が水底に配設されるようになっているが、アンカー部材を陸上に配設することができる。
なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。
11 浮体
12 発電機室
14 前側ブイ
15 後側ブイ
22、24 水中アンカー
23、25 係留ワイヤ
51 水中タービン
61 翼
62 翼支持部
64 前側翼部
65 後側翼部
66 中央翼部
p1 第1の取付位置
p2 第2の取付位置
12 発電機室
14 前側ブイ
15 後側ブイ
22、24 水中アンカー
23、25 係留ワイヤ
51 水中タービン
61 翼
62 翼支持部
64 前側翼部
65 後側翼部
66 中央翼部
p1 第1の取付位置
p2 第2の取付位置
Claims (2)
- (a)浮体と、
(b)該浮体を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、
(c)前記浮体の下方において浮体によって支持された水中タービンとを有するとともに、
(d)該水中タービンは、回転自在に支持された翼支持部、及び該翼支持部の円周方向における複数箇所に径方向外方に突出させて形成された複数の翼を備え、
(e)該各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、前記翼支持部における第1の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第1の翼素、前記翼支持部における第2の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第2の翼素、及び前記第1、第2の翼素を連結する第3の翼素を有することを特徴とする浮体式流体機械。 - 前記浮体は水面上のブイと接続される請求項1に記載の浮体式流体機械。
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