JP5645175B2 - Hydro turbine, hydro power generator and wave power generator - Google Patents
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Description
本発明は、水力により羽根車を回転させる水力タービンと、この水力タービンを利用した水力発電装置及び波力発電装置とに関する。 The present invention relates to a hydraulic turbine that rotates an impeller by hydraulic power, and a hydroelectric generator and a wave power generator that use the hydraulic turbine.
水力タービンとしては、水力を受けるための複数枚の羽根が放射状に設けられた羽根車を有するものが知られている。しかし、従来の一般的な水力タービンにおける羽根車は、その羽根の形状や向きが予め固定されたものとなっており、羽根車が受ける水力（水流）の向きが反転すると、羽根車が回転する向きも反転するものとなっていた。このため、水面の上下動を利用して発電を行う波力発電装置など、水力の向きが反転する環境で上記の水力タービンを使用しようとすると、羽根車がいずれの向きに回転しても発電できるような機構を備える必要があるばかりか、羽根車の回転が反転する際に、発電効率が大きく低下するという問題があった。この発電効率の低下は、水力の反転周期が短くなればなるほど大きくなる。 As a hydro turbine, a turbine having an impeller in which a plurality of blades for receiving hydro power is provided in a radial manner is known. However, the impeller in the conventional general hydro turbine has the shape and direction of the blade fixed in advance, and the impeller rotates when the direction of the hydropower (water flow) received by the impeller is reversed. The direction was also reversed. For this reason, when trying to use the above-mentioned hydro turbine in an environment where the direction of hydraulic power is reversed, such as a wave power generator that generates electricity using the vertical movement of the water surface, power generation is possible regardless of which direction the impeller rotates. In addition to the need to provide such a mechanism, there is a problem that the power generation efficiency is greatly reduced when the rotation of the impeller is reversed. This decrease in power generation efficiency becomes greater as the hydraulic inversion period becomes shorter.
このような実状に鑑みてか、これまでには、水力の向きが反転しても羽根車が同じ向きに回転し続けるような工夫が施された水力タービンも提案されている。例えば、羽根車におけるそれぞれの羽根を揺動可能な状態で支持することにより、羽根車が受ける水力の向きが反転した際に、それぞれの羽根の傾きが反転するようにした水力タービン（以下において、「揺動羽根式の水力タービン」と表記する。）が提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２を参照）。しかし、揺動羽根式の水力タービンでは、羽根を揺動可能な状態で支持させるための機構や、羽根の揺動範囲を制限するための機構など、機械的な機構を別途設ける必要がある。加えて、これらの機械的な機構や羽根を形成する素材は、金属など、耐久性に優れた硬質素材に限定されてしまう。 In view of such a situation, a hydro turbine that has been devised so that the impeller continues to rotate in the same direction even if the direction of the hydraulic power is reversed has been proposed. For example, by supporting each blade in the impeller in a swingable state, when the direction of the hydraulic power received by the impeller is reversed, the hydraulic turbine (in the following, the inclination of each blade is reversed) (Referred to as Patent Document 1 and Patent Document 2, for example). However, in the swing blade type hydro turbine, it is necessary to separately provide mechanical mechanisms such as a mechanism for supporting the blade in a swingable state and a mechanism for limiting the swing range of the blade. In addition, the materials forming these mechanical mechanisms and blades are limited to hard materials having excellent durability such as metal.
このため、揺動羽根式の水力タービンは、コスト的に不利であるばかりか、羽根の軽量化や薄型化が難しく、必ずしも発電効率の低下を抑えることができるものとなっていない。というのも、上記の揺動羽根式の水力タービンにおいて、羽根が重いと、羽根の応答性が低下し、羽根車が受ける水力の向きが反転しても羽根の傾きがなかなか反転せず、その間、発電効率が低下することになる。加えて、羽根車を回転させるのに要するエネルギーが増大し、その分、発電効率が低下することにもなる。また、上記の揺動羽根式の水力タービンにおいて、羽根が厚いと、羽根車が回転しているときに羽根が水から受ける抵抗が増大し、やはり発電効率が低下する結果を招く。 For this reason, the oscillating blade type hydro turbine is not only disadvantageous in terms of cost but also difficult to reduce the weight and thickness of the blade, and is not necessarily capable of suppressing a decrease in power generation efficiency. This is because in the above-described oscillating blade type hydro turbine, if the blades are heavy, the responsiveness of the blades is reduced, and even if the direction of the hydraulic power received by the impeller is reversed, the blade inclination is not easily reversed. As a result, power generation efficiency decreases. In addition, the energy required to rotate the impeller increases, and the power generation efficiency decreases accordingly. Further, in the above-described oscillating blade type hydro turbine, when the blade is thick, the resistance that the blade receives from the water when the impeller rotates is increased, and the power generation efficiency is also lowered.
また、これまでには、羽根車におけるそれぞれの羽根の断面形状に工夫を施すことにより、それに加えられる力の向きが反転しても羽根車が同じ向きで回転し続けるようにした、いわゆるウェルズタービンも提案されている（例えば特許文献３の第４図及び第５図を参照）。しかし、ウェルズタービンでは、それぞれの羽根における両面を両側へ膨出させた形状とする必要があるため、上記の揺動羽根式の水力タービン以上に、羽根が厚くなって重くなるという欠点がある。特に、羽根車が回転しているときに羽根が受ける抵抗は大きく、羽根車を水中に配する態様での使用には適していないと考えられる。実際、ウェルズタービンについては、波力発電装置に使用される場合であっても、水の流れで羽根車を直接的に回転させる例は見当たらず、水面の上下動により生じる空気の流れにより羽根車を回転させるものしか見当たらない。 In addition, so-called Wells turbines have been developed so far that the impeller continues to rotate in the same direction even if the direction of the force applied to it is reversed by devising the cross-sectional shape of each blade in the impeller. Has also been proposed (see, for example, FIGS. 4 and 5 of Patent Document 3). However, since the wells turbine needs to have a shape in which both sides of each blade bulge to both sides, there is a drawback that the blade becomes thicker and heavier than the above-described oscillating blade type hydro turbine. In particular, the resistance received by the blades when the impeller is rotating is large, and it is considered that the blades are not suitable for use in a mode in which the impeller is placed in water. In fact, even with the Wells turbine, even if it is used for a wave power generator, there is no example of rotating the impeller directly with the flow of water, and the impeller is caused by the flow of air generated by the vertical movement of the water surface. I can only find anything that rotates.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、羽根車が受ける水力の向きが反転した際の発電効率の低下を抑えるだけでなく、羽根車が同じ向きに回転し続けているときの発電効率の低下も抑えることができる水力タービンを提供するものである。また、単純な構造で、壊れにくく耐久性に優れ、コストを抑えることも可能な水力タービンを提供することも本発明の目的である。さらに、この水力タービンを利用した水力発電装置と波力発電装置を提供することも本発明の目的である。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and not only suppresses a decrease in power generation efficiency when the direction of hydraulic power received by the impeller is reversed, but also the impeller continues to rotate in the same direction. It is an object of the present invention to provide a hydro turbine that can suppress a decrease in power generation efficiency. It is also an object of the present invention to provide a hydraulic turbine that has a simple structure, is difficult to break, has excellent durability, and can reduce costs. Furthermore, it is also an object of the present invention to provide a hydroelectric power generator and a wave power generator utilizing this hydro turbine.
上記課題は、
水力を受けるための複数枚の羽根が放射状に設けられた羽根車を有する水力タービンであって、
羽根車におけるそれぞれの羽根が、
羽根車の中心から外向きに設けられた第一フレームと、
第一フレームの外端から羽根車の回転方向後向きに設けられた第二フレームと、
その前端縁及び外端縁がそれぞれ第一フレーム及び第二フレームに固定された固定端縁とされる一方、その後端縁が自由端縁とされた可撓性面材と
で構成され、
羽根車が正方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が正方向側へ変位し、
羽根車が逆方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が逆方向側へ変位することにより、
羽根車が受ける水力の向きが反転した場合であっても羽根車が同じ向きで回転し続けるようにしたことを特徴とする水力タービン
を提供することによって解決される。
The above issues
A hydro turbine having an impeller provided with a plurality of blades for receiving hydropower radially,
Each blade in the impeller
A first frame provided outward from the center of the impeller;
A second frame provided rearward in the rotational direction of the impeller from the outer end of the first frame;
The front end edge and the outer end edge are fixed end edges fixed to the first frame and the second frame, respectively, and the rear end edge is composed of a flexible face material that is a free end edge.
When the impeller receives positive hydraulic force, the rear edge side of the flexible face material in each blade is displaced to the positive direction side,
When the impeller receives hydraulic power in the reverse direction, the rear edge side of the flexible face material in each blade is displaced in the reverse direction side,
This can be solved by providing a hydro turbine characterized in that the impeller continues to rotate in the same direction even when the direction of the hydraulic power received by the impeller is reversed.
ここで、可撓性面材における「前端縁」とは、羽根車の回転する向きを「前」とした場合の「前端縁」であり、可撓性面材における「後端縁」とは、羽根車が回転する向きを「前」とした場合（羽根車が回転する向きと反対向きを「後」とした場合）の「後端縁」である。また、「羽根車が正方向の水力を受けると、可撓性面材の後端縁側が正方向側へ変位し、羽根車が逆方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が逆方向側へ変位する」とは、それぞれの羽根における片面を「オモテ面」とし、オモテ面とは反対側の面を「ウラ面」と定義した場合に、羽根のオモテ面に水力（羽根のオモテ面側からウラ面側へ向かう向きの水力）が加えられた場合には、可撓性面材の後端縁がウラ面側へ変位（膨出）し、羽根のウラ面に水力（羽根のウラ面側からオモテ面側へ向かう向きの水力）が加えられた場合には、可撓性面材の後端縁がオモテ面側へ変位（膨出）することをいう。 Here, the “front end edge” in the flexible face material is the “front end edge” when the rotating direction of the impeller is “front”, and the “rear end edge” in the flexible face material is The “rear edge” when the direction of rotation of the impeller is “front” (when the direction opposite to the direction of rotation of the impeller is “rear”). Also, “When the impeller receives a hydraulic force in the forward direction, the rear edge side of the flexible face material is displaced in the positive direction side, and when the impeller receives a hydraulic force in the reverse direction, the flexible surface of each blade. “The rear edge side of the material is displaced in the opposite direction” means that one side of each blade is defined as the “front surface” and the opposite surface is defined as the “back surface”. When hydropower (hydraulic force in the direction from the front side of the blade toward the back surface) is applied to the surface, the rear edge of the flexible face material is displaced (bulged) toward the back surface, When hydraulic power (hydraulic force in the direction from the back surface side of the blade toward the front surface side) is applied to the back surface, the rear edge of the flexible face material is displaced (bulged) to the front surface side. Say.
これにより、羽根車は、それが受ける水力の向きが反転した場合であっても、羽根を構成する可撓性面材の後端縁側が変位（水力に押されて変位）するだけで、同じ向きで回転し続けることができる。このため、羽根車は、水力の向きが反転すると速やかに羽根の形状を変え、その回転速度を著しく低下させることなく、そのまま同じ方向へ回転し続けることができる。本発明の水力タービンは、羽根車の各羽根を構成する可撓性面材の形態が魚のヒレに似ていることから、「ヒレ型タービン」と呼ぶこともできる。また、それぞれの羽根は、可撓性面材とフレーム（第一フレーム及び第二フレーム）とからなる単純な構造となっており、その薄型化や軽量化が容易である。このため、羽根車の回転時にそれぞれの羽根が水から受ける抵抗を抑えることや、羽根車の回転に消費されるエネルギーを抑えることが可能となっている。したがって、本発明の水力タービンでは、優れた発電効率を発揮させることが可能である。 Thereby, even if the direction of the hydraulic force that the impeller receives is reversed, the rear end edge side of the flexible face material constituting the blade is only displaced (displaced by being pushed by the hydraulic force). Can continue to rotate in the direction. For this reason, the impeller can continue to rotate in the same direction as it is without rapidly changing the shape of the blades when the direction of hydraulic power is reversed and the rotational speed of the impeller is not significantly reduced. The hydraulic turbine of the present invention can be called a “fin type turbine” because the shape of the flexible face material constituting each blade of the impeller is similar to that of a fish fin. Each blade has a simple structure including a flexible face member and a frame (first frame and second frame), and can be easily reduced in thickness and weight. For this reason, it is possible to suppress the resistance that each blade receives from water during the rotation of the impeller, and to suppress the energy consumed for the rotation of the impeller. Therefore, the hydro turbine of the present invention can exhibit excellent power generation efficiency.
また、本発明の水力タービンは、羽根車の羽根が水力を受けた際にその可撓性面材に生じる変位によって羽根の形状を変えるという非常に原始的な原理を利用したものとなっているため、その製造が容易であるだけでなく、万が一破損した場合の修復も容易である。加えて、本発明の水力タービンでは、上述した揺動羽根式の水力タービンのように、羽根を揺動可能な状態で支持させるための機構や、羽根の揺動範囲を制限するための機構など、機械的な機構を別途設ける必要がなく、非常に単純な構造で実現できる。このように、本発明の水力タービンでは、製造コストやメンテナンスコストを抑えることが可能なものとなっている。 Moreover, the hydro turbine of the present invention utilizes a very primitive principle that the shape of the blade is changed by the displacement generated in the flexible face material when the blade of the impeller receives hydraulic power. Therefore, not only the manufacture is easy, but also the repair in case of damage is easy. In addition, in the hydraulic turbine of the present invention, a mechanism for supporting the blades in a swingable state, a mechanism for limiting the swing range of the blades, etc., as in the above-described swing blade type hydro turbine. It is not necessary to provide a mechanical mechanism separately, and can be realized with a very simple structure. Thus, in the hydro turbine of the present invention, manufacturing cost and maintenance cost can be suppressed.
本発明の水力タービンにおいては、水の流路を形成するための流路形成体を備え、流路形成体における前記流路内に羽根車を収容した構造とすることも好ましい。これにより、効率的に水流を羽根車に導入することが可能になり、水力タービンの発電効率をさらに高めることが可能になる。また、流路形成体で羽根車を保護することも可能になる。 In the hydraulic turbine of the present invention, it is also preferable to have a structure in which a flow path forming body for forming a flow path of water is provided and an impeller is accommodated in the flow path in the flow path forming body. Thereby, it becomes possible to introduce a water flow into an impeller efficiently, and it becomes possible to further improve the power generation efficiency of a hydro turbine. It is also possible to protect the impeller with the flow path forming body.
このとき、羽根車の羽根は、流路形成体で形成される水の流路の断面におけるできるだけ広い範囲を塞ぐように設けると好ましい。というのも、流路形成体の流路断面積（Ｓ１とする。）に対する羽根の有効面積（Ｓ２とする。）の比（Ｓ２／Ｓ１）を小さくしすぎると、羽根に加わる水力が小さくなり（羽根が存在しない隙間から水が流れていくようになり）、羽根車が回転しにくくなるからである。ここで、「流路断面積Ｓ１」とは、流路形成体の内部に形成された前記流路における羽根車が収容された箇所の断面積である。また、「有効面積Ｓ２」とは、前記流路に垂直な仮想平面に羽根車の羽根を等倍で投影したときにできる影の面積の合計である。比Ｓ２／Ｓ１は、通常、０．５以上とされる。比Ｓ２／Ｓ１は、０．６以上であると好ましく、０．７以上であるとより好ましく、０．８以上であるとさらに好ましく、０．９以上であると最適である。比Ｓ２／Ｓ１は、流路形成体が羽根車の回転に干渉せず、かつ機械的に実現可能な範囲でできるだけ１に近づけると好ましい。 At this time, it is preferable that the blades of the impeller are provided so as to close as wide a range as possible in the cross section of the water flow path formed by the flow path forming body. This is because if the ratio (S 2 / S 1 ) of the effective area of the blade (referred to as S 2 ) to the flow channel cross-sectional area (referred to as S 1 ) of the flow path forming body is too small, the blade is added. This is because the hydraulic power is reduced (water flows from a gap where no blades are present) and the impeller is difficult to rotate. Here, the “channel cross-sectional area S 1 ” is a cross-sectional area of a location where the impeller in the channel formed inside the channel forming body is accommodated. The “effective area S 2 ” is a total area of shadows formed when the blades of the impeller are projected at the same magnification onto a virtual plane perpendicular to the flow path. The ratio S 2 / S 1 is usually 0.5 or more. The ratio S 2 / S 1 is preferably 0.6 or more, more preferably 0.7 or more, further preferably 0.8 or more, and most preferably 0.9 or more. The ratio S 2 / S 1 is preferably as close to 1 as possible within the range in which the flow path forming body does not interfere with the rotation of the impeller and can be mechanically realized.
また、上記課題は、上記の水力タービンと、羽根車の回転を電力に変換する発電機とを備えた水力発電装置を提供することによっても解決される。さらに、上記課題は、この水力発電装置を利用した波力発電装置を提供することによっても解決される。本発明の波力発電装置は、海や湖や河川など、波の発生する水域に設置することができる。本発明の波力発電装置を上記水域に設置する際には、波力発電装置を繋留し、荒天時でも波力発電装置が移動又は流失しないようにすると好ましい。また、本発明の波力発電装置を海に設置する場合には、各部材を塩害に強い仕様とすることが好ましい。 Moreover, the said subject is also solved by providing the hydroelectric generator provided with said hydro turbine and the generator which converts rotation of an impeller into electric power. Furthermore, the said subject is solved also by providing the wave power generator using this hydroelectric generator. The wave power generation device of the present invention can be installed in a water area where waves are generated, such as the sea, a lake, or a river. When installing the wave power generation device of the present invention in the water area, it is preferable that the wave power generation device is tethered so that the wave power generation device does not move or run out even in stormy weather. Moreover, when installing the wave power generation device of this invention in the sea, it is preferable to make each member a specification strong against salt damage.
以上のように、本発明によって、羽根車が受ける水力の向きが反転した際の発電効率の低下を抑えるだけでなく、羽根車が同じ向きに回転し続けているときの発電効率の低下も抑えることができる水力タービンを提供することが可能になる。また、単純な構造で、壊れにくく耐久性に優れ、コストを抑えることも可能な水力タービンを提供することも可能になる。さらに、この水力タービンを利用した水力発電装置と波力発電装置を提供することも可能になる。 As described above, according to the present invention, not only a decrease in power generation efficiency when the direction of hydraulic power received by the impeller is reversed, but also a decrease in power generation efficiency when the impeller continues to rotate in the same direction is suppressed. It becomes possible to provide a hydraulic turbine that can. In addition, it is possible to provide a hydraulic turbine that has a simple structure, is not easily broken, has excellent durability, and can reduce costs. Furthermore, it becomes possible to provide a hydroelectric power generation apparatus and a wave power generation apparatus using the hydropower turbine.
本発明の水力タービンを利用した波力発電装置の好適な実施態様について図面を用いてより具体的に説明する。図１は、本発明の水力タービン１００を利用した波力発電装置の好適な実施態様を示した鉛直断面図である。図２は、本発明の水力タービン１００の好適な実施態様を示した平面図である。図３は、本発明の水力タービン１００における羽根車１１０が正方向Ａの水力ＦＡを受けたときの状態と逆方向Ｂの水力ＦＢを受けたときの状態を図２におけるＸ−Ｘ面で切断した状態を示した断面図である。図１〜３はいずれも、図示の便宜を考慮して模式的に示したものであり、各部の寸法は、実際のものとは異なっている。本実施態様の波力発電装置は、図１に示すように、水力タービン１００と、発電機２００と、フロート３００とを備えたものとなっている。以下、本実施態様の波力発電装置を構成する各要素について、詳しく説明する。 The preferred embodiment of the wave power generation device using the hydro turbine of the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical cross-sectional view showing a preferred embodiment of a wave power generation apparatus using a hydro turbine 100 of the present invention. FIG. 2 is a plan view showing a preferred embodiment of the hydro turbine 100 of the present invention. 3, X-X plane in FIG. 2 the state where the impeller 110 in the water turbine 100 is subjected to hydraulic F B state opposite direction B when subjected to hydraulic F A in the forward direction A of the present invention It is sectional drawing which showed the state cut | disconnected by. 1 to 3 are all schematically shown in consideration of the convenience of illustration, and the dimensions of each part are different from the actual ones. As shown in FIG. 1, the wave power generation device of this embodiment includes a hydro turbine 100, a generator 200, and a float 300. Hereinafter, each element which comprises the wave power generator of this embodiment is demonstrated in detail.
［水力タービン］
水力タービン１００は、図１に示すように、羽根車１１０と、流路形成体１２０とで構成されている。流路形成体１２０は、その内部に流路１２１が形成された円筒状のケーシングとなっており、この流路１２１の内部に羽根車１１０が収容されている。羽根車１１０の中心には、発電機２００の入力軸２１０が固定されており、羽根車１１０が水力を受けて回転すると、入力軸２１０も回転し、発電機２００で発電されるようになっている。入力軸２１０は、流路形成体１２０で形成される流路１２１の中心線と一致する向きに配されており、羽根車１１０は、その回転軸が流路１２１の中心線と一致する向きで配されている。
[Hydraulic turbine]
As shown in FIG. 1, the hydraulic turbine 100 includes an impeller 110 and a flow path forming body 120. The flow path forming body 120 is a cylindrical casing having a flow path 121 formed therein, and the impeller 110 is accommodated in the flow path 121. The input shaft 210 of the generator 200 is fixed at the center of the impeller 110, and when the impeller 110 is rotated by receiving hydraulic power, the input shaft 210 is also rotated and power is generated by the generator 200. Yes. The input shaft 210 is arranged in a direction that matches the center line of the flow path 121 formed by the flow path forming body 120, and the impeller 110 has a rotation axis that matches the center line of the flow path 121. It is arranged.
羽根車１１０は、図２に示すように、水力を受けるための複数枚の羽根１１１が放射状に設けられており、その中心には、入力軸２１０（図１）を挿入して固定するためのハブ１１２が設けられている。複数枚の羽根１１１は、通常、羽根車１１０の中心から見て回転対称となるように配される。それぞれの羽根１１１は、第一フレーム１１１ａと、第二フレーム１１１ｂと、可撓性面材１１１ｄとで構成されている。第一フレーム１１１ａは、羽根車１１０の中心から外向きに設けられており、第二フレーム１１１ｂは、第一フレーム１１１ａの外端から羽根車１１０の回転方向後向きに設けられている。 As shown in FIG. 2, the impeller 110 is provided with a plurality of blades 111 for receiving hydraulic power in a radial manner, and an input shaft 210 (FIG. 1) is inserted and fixed at the center thereof. A hub 112 is provided. The plurality of blades 111 are usually arranged so as to be rotationally symmetric when viewed from the center of the impeller 110. Each blade 111 includes a first frame 111a, a second frame 111b, and a flexible face material 111d. The first frame 111a is provided outward from the center of the impeller 110, and the second frame 111b is provided backward from the outer end of the first frame 111a in the rotational direction of the impeller 110.
また、図２に示すように、可撓性面材１１１ｄの前端縁（図中の線分Ｐ１Ｐ２で表される縁部）は、第一フレーム１１１ａに固定された固定端縁となっており、可撓性面材１１１ｄの外端縁（図中の弧Ｐ２Ｐ３で表される縁部）は、第二フレーム１１１ｂに固定された固定端縁となっている。一方、可撓性面材１１１ｄの後端縁（図中の線分Ｐ２Ｐ３で表される縁部）は、何も固定されておらず、振らされた状態の自由端縁となっている。可撓性面材１１１ｄは、第一フレーム１１１ａ及び第二フレーム１１１ｂに対してある程度緊張した状態で固定されているものの、ヨットのマストとヤードに固定された帆のように、わずかに余裕を持った状態（わずかに弛んだ状態）で固定されている。 Further, as shown in FIG. 2, the front end edge (the edge portion represented by the line segment P 1 P 2 in the drawing) of the flexible face material 111d is a fixed end edge fixed to the first frame 111a. The outer edge (the edge represented by the arc P 2 P 3 in the figure) of the flexible face material 111d is a fixed edge fixed to the second frame 111b. On the other hand, the rear edge of the flexible face material 111d (the edge represented by the line segment P 2 P 3 in the drawing) is not fixed, and becomes a free edge in a shaken state. Yes. The flexible face material 111d is fixed with some tension with respect to the first frame 111a and the second frame 111b, but has a slight margin like the sail fixed to the mast of the yacht and the yard. It is fixed in a loose state (slightly loose state).
このため、図３（ａ）に示すように、羽根１１１が正方向Ａの水力ＦＡを受けると、この水力ＦＡによって可撓性面材１１１ｄの後端縁側が正方向Ａ側へ押されて変位する一方、図３（ｂ）に示すように、羽根１１１が逆方向Ｂの水力ＦＢを受けると、この水力ＦＢによって可撓性面材１１ｄの後端縁側が逆方向Ｂ側へ押されて変位するようになっている。換言すると、羽根車１１０が受ける水力の向きが反転すると、それぞれの羽根１１１の傾斜（その回転面に対する傾斜）が反転するようになっている。したがって、羽根１１１が正方向の水力ＦＡを受けた場合（図３（ａ）の場合）に可撓性面材１１１に加えられる力ｆＡの回転面に平行な成分ｆＡ’の向きと、羽根１１１が逆方向の水力ＦＢを受けた場合（図３（ｂ）の場合）に可撓性面材１１１に加えられる力ｆＢの回転面に平行な成分ｆＢ’の向きは、いずれも矢印Ｃの向きとなっており、図３（ａ）と図３（ｂ）のいずれの場合においても、羽根１１１は、矢印Ｃの向きに移動するようになっている。すなわち、羽根車１１０は、それが受ける水力の向きが反転した場合であっても矢印Ｃの向きに回転し続けるようになっている。 Therefore, as shown in FIG. 3A, when the blade 111 receives the hydraulic force F A in the positive direction A, the rear end edge side of the flexible face material 111d is pushed toward the positive direction A by the hydraulic force F A. while displaced Te, as shown in FIG. 3 (b), when the blade 111 is subjected to a hydro F B in the reverse direction B, the rear end edge of the flexible plane material 11d is in the opposite direction B side by the hydraulic F B It is pushed and displaced. In other words, when the direction of hydraulic power received by the impeller 110 is reversed, the inclination of each blade 111 (inclination with respect to the rotation surface) is reversed. Therefore, the direction of the component f A ′ parallel to the rotation surface of the force f A applied to the flexible face material 111 when the blade 111 receives the forward hydraulic force F A (in the case of FIG. 3A). orientation when the wings 111 is subjected to reverse hydraulic F B (FIG. 3 (b) in the case) to the parallel component f B in the plane of rotation of the force f B applied to the flexible surface material 111 'is All are in the direction of arrow C, and in either case of FIG. 3A or FIG. 3B, the blade 111 moves in the direction of arrow C. In other words, the impeller 110 continues to rotate in the direction of the arrow C even when the direction of hydraulic power received by the impeller 110 is reversed.
羽根車１１０における羽根１１１の枚数は、羽根車１１０の寸法などによっても異なり、特に限定されない。しかし、羽根１１１の枚数が少なすぎると、羽根１１１を三角形状など単純な形状とした場合に、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きく確保しにくくなるばかりか、羽根１１１に加わった水力を羽根車１１０の回転力へ効率的に変換できなくなるおそれもある。このため、羽根１１１の枚数は、通常、３枚以上とされる。羽根１１１の枚数は、４枚以上、５枚以上、６枚以上、７枚以上、８枚以上、９枚以上、１０枚以上と、増やせば増やすほど好ましい。しかし、羽根１１１の枚数を多くしすぎると、羽根車１１０が回転時に水から受ける抵抗が増大するばかりか、羽根車１１０の重量が増大して、羽根車１１０が回転しにくくなるおそれもある。また、各羽根１１１を構成する可撓性面材１１１ｄの変位量を確保しにくくなるおそれがある。このため、羽根１１１の枚数は、通常、５０枚以下とされる。本実施態様の波力発電装置のように、小型の水力発電装置に使用する水力タービン１００では、羽根車１１０の羽根枚数は、通常、４〜４０枚、好ましくは、８〜３０枚、より好ましくは、１０〜２５枚とされる。 The number of blades 111 in the impeller 110 varies depending on the dimensions of the impeller 110 and the like, and is not particularly limited. However, if the number of blades 111 is too small, it becomes difficult to ensure a large ratio S 2 / S 1 when the blades 111 have a simple shape such as a triangle shape, and the hydraulic force applied to the blades 111 is reduced. There is also a possibility that it cannot be efficiently converted into the rotational force of the car 110. For this reason, the number of blades 111 is usually three or more. The number of blades 111 is preferably 4 or more, 5 or more, 6 or more, 7 or more, 8 or more, 9 or more, and 10 or more as the number increases. However, if the number of blades 111 is increased too much, not only the resistance that the impeller 110 receives from water during rotation increases, but also the weight of the impeller 110 increases, which may make it difficult for the impeller 110 to rotate. Moreover, there is a possibility that it is difficult to secure a displacement amount of the flexible face material 111d constituting each blade 111. For this reason, the number of blades 111 is normally 50 or less. In the hydro turbine 100 used for a small hydroelectric generator like the wave power generator of this embodiment, the number of blades of the impeller 110 is usually 4 to 40, preferably 8 to 30, more preferably. Is 10 to 25 sheets.
それぞれの羽根１１１を構成する可撓性面材１１１ｄの形状は、羽根１１１の枚数などを考慮して適宜決定される。しかし、可撓性面材１１１ｄの形状を複雑にすると、コスト的に不利になる。このため、可撓性面材１１１ｄは、三角形状や、四角形状など、できるだけ単純な形状とすると好ましい。本実施態様の水力タービン１００においては、図２に示すように、それぞれの羽根を構成する可撓性面材１１１ｄを三角形状（三角形Ｐ１Ｐ２Ｐ３）としている。可撓性面材１１１ｄの外端縁（線Ｐ２Ｐ３）は、直線状としてもよいが、円弧状に湾曲させることも好ましい。この場合には、第二フレーム１１１ｄも円弧状に湾曲させる。これにより、羽根車１１０の外縁形状を、流路形成体１２０の内周形状に近づけて、上記の比Ｓ２／Ｓ１をより大きく確保することができる。同様に、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きく確保する観点からは、隣り合う羽根１１１の隙間は、隣り合う羽根１１１ｄ同士が干渉しない範囲でできるだけ小さくする（例えば１ｍｍ以下や０．５ｍｍ以下とする）ことが好ましい。 The shape of the flexible face material 111d constituting each blade 111 is appropriately determined in consideration of the number of blades 111 and the like. However, if the shape of the flexible face material 111d is complicated, it is disadvantageous in terms of cost. For this reason, it is preferable that the flexible face material 111d has a simple shape such as a triangular shape or a quadrangular shape. In the hydro turbine 100 of this embodiment, as shown in FIG. 2, the flexible face material 111 d that constitutes each blade has a triangular shape (triangle P 1 P 2 P 3 ). The outer edge (line P 2 P 3 ) of the flexible face material 111d may be linear, but it is also preferable to bend in an arc shape. In this case, the second frame 111d is also curved in an arc shape. Thus, the outer edge of the impeller 110, close to the inner peripheral shape of the flow channel formation member 120, it is possible to ensure a greater ratio S 2 / S 1 between the. Similarly, from the viewpoint of securing a large ratio S 2 / S 1 , the gap between the adjacent blades 111 is made as small as possible within a range where the adjacent blades 111d do not interfere with each other (for example, 1 mm or less or 0.5 mm or less). Is preferable.
また、図４に示すように、それぞれの羽根１１１を構成する可撓性面材１１１ｄを四角形状とする場合には、可撓性面材１１ｄの内端縁（線Ｐ１Ｐ４）は、第一フレーム１１１ａの内端から回転方向後向きに設けた第三フレーム１１１ｃに縫い付けられた固定端縁とすると好ましい。図４は、本発明の水力タービン１００の他の実施態様を示した平面図である。図４の羽根車１１０は、その中心部に可撓性面材１１１ｄが存在しない中抜き型のものとなっているため、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きくする観点からは好ましくはないが、水の流速が速すぎて、可撓性面材１１１ｄが破損するなどの危険性があるような場合に好適に採用することができる。また、同様に、上記の比Ｓ２／Ｓ１を大きくする観点からは好ましくはないが、それぞれの羽根１１１を構成する可撓性面材の後端縁（図４における線Ｐ３Ｐ４）を切り欠いた構成も、水の流速が速すぎて、可撓性面材１１１ｄが破損するなどの危険性がある場合に好適に採用できる。 As shown in FIG. 4, when the flexible face material 111d constituting each blade 111 is formed in a quadrangular shape, the inner edge (line P 1 P 4 ) of the flexible face material 11d is It is preferable that the fixed end edge is sewn to the third frame 111c provided backward in the rotation direction from the inner end of the first frame 111a. FIG. 4 is a plan view showing another embodiment of the hydro turbine 100 of the present invention. The impeller 110 in FIG. 4 is a hollow type in which the flexible face material 111d does not exist at the center thereof, which is not preferable from the viewpoint of increasing the ratio S 2 / S 1. It can be suitably used when there is a risk that the flow rate of water is too high and the flexible face material 111d is damaged. Similarly, although not preferable from the viewpoint of increasing the above ratio S 2 / S 1 , the rear edge of the flexible face material constituting each blade 111 (line P 3 P 4 in FIG. 4 ). The configuration in which is notched can also be suitably used when there is a risk that the flow rate of water is too high and the flexible face material 111d is damaged.
第一フレーム１１１ａなどのフレームに対して可撓性面材１１１ｄをわずかに余裕を持った状態（わずかに弛んだ状態）で固定することは既に述べた通りである。しかし、この弛みが小さすぎると、可撓性面材１１１ｄの変位量が小さくなりすぎて、羽根車１１０が受けた水力を羽根車１１０の回転力に効率的に変換できなくなるおそれがある。このため、可撓性面材１１１ｄの最大変位量（可撓性面材１１１ｄにおける最も変位する点の変位量）は、通常、羽根車１１０の半径（羽根１１１の長さ）に対して５％以上とする。実際に、可撓性面材１１１ｄの最大変位量を羽根車１１０の半径の５％未満とした場合には、羽根車１１０が回転しにくくなる現象が確認できた。可撓性面材１１１ｄの最大変位量は、羽根車１１０の半径に対して１０％以上とすると好ましく、１５％以上とするとさらに好ましい。一方、可撓性面材１１１ｄの弛みが大きすぎると、可撓性面材１１１ｄの変位量が大きくなりすぎて、羽根車１１０が回転する際に水から受ける抵抗が大きくなるおそれがある。このため、可撓性面材１１１ｄの最大変位量は、通常、羽根車１１０の半径に対して４０％以下とする。可撓性面材１１１ｄの最大変位量は、羽根車１１０の半径に対して３５％以下とすると好ましく、３０％以下とするとより好ましい。 As described above, the flexible face member 111d is fixed to a frame such as the first frame 111a with a slight margin (slightly loosened state). However, if the slack is too small, the amount of displacement of the flexible face material 111d becomes too small, and the hydraulic force received by the impeller 110 may not be efficiently converted into the rotational force of the impeller 110. For this reason, the maximum displacement amount of the flexible face material 111d (the displacement amount of the most displaced point in the flexible face material 111d) is usually 5% with respect to the radius of the impeller 110 (the length of the blade 111). That's it. Actually, when the maximum amount of displacement of the flexible face material 111d is less than 5% of the radius of the impeller 110, it has been confirmed that the impeller 110 is difficult to rotate. The maximum amount of displacement of the flexible face material 111d is preferably 10% or more with respect to the radius of the impeller 110, and more preferably 15% or more. On the other hand, if the slack of the flexible face material 111d is too large, the amount of displacement of the flexible face material 111d becomes too large, and the resistance received from water when the impeller 110 rotates may increase. For this reason, the maximum displacement amount of the flexible face material 111d is normally set to 40% or less with respect to the radius of the impeller 110. The maximum displacement amount of the flexible face material 111d is preferably 35% or less, more preferably 30% or less with respect to the radius of the impeller 110.
可撓性面材１１１ｄの素材は、可撓性を有し、上記のように変位可能なものであれば特に限定されず、金属薄板（金属フィルムを含む）を含む各種の素材を使用することができる。しかし、可撓性面材１１１ｄの強度が低いと、長期の使用に耐え得なくなるので、ある程度の強度が必要である。また、加工容易性や、その重量が軽い事や、耐水性や、入手コストも、可撓性面材１１１ｄの素材として、重要な条件である。これらの条件を満たす素材としては、合成樹脂シートが挙げられる。なかでも、合成樹脂繊維からなる編織地を合成樹脂で被覆した防水布（いわゆるターポリンなど）は、優れた強靭性を発揮するために好ましい。また、合成樹脂シート以外でも、例えば、炭素繊維からなる織物なども、優れた強靭性を発揮するために好ましい。可撓性面材１１１ｄの素材として何を採用するかは、その交換頻度などを考慮して、適宜決定する。 The material of the flexible face material 111d is not particularly limited as long as it has flexibility and can be displaced as described above, and various materials including a metal thin plate (including a metal film) should be used. Can do. However, if the strength of the flexible face material 111d is low, it cannot withstand long-term use, so a certain level of strength is required. Further, ease of processing, light weight, water resistance, and acquisition cost are also important conditions for the material of the flexible face material 111d. An example of a material that satisfies these conditions is a synthetic resin sheet. Among these, a waterproof cloth (so-called tarpaulin or the like) in which a woven fabric made of synthetic resin fibers is coated with a synthetic resin is preferable in order to exhibit excellent toughness. In addition to the synthetic resin sheet, for example, a woven fabric made of carbon fiber is preferable in order to exhibit excellent toughness. What is adopted as the material of the flexible face material 111d is appropriately determined in consideration of the replacement frequency.
流路形成体１２０は、図１に示すように、水の流路１２１を形成するためのものである。流路１２１の断面形状は、特に限定されず、四角形などの多角形などとしてもよいが、この場合には、必然的に、流路形成体１２０の内周面と羽根車１１０の外縁との間に大きな隙間が形成されるようになり、流路形成体１２０の流路断面積（Ｓ１）に対する羽根１１１の有効面積（Ｓ２）の比（Ｓ２／Ｓ１）を大きく設定することが困難になる。このため、流路１２１の断面形状は、真円形、又は真円形に近い形状とすると好ましく、羽根車は、その回転軸が前記流路の中心線に一致するように設けると好ましい。流路形成体１２０の素材は、特に限定されないが、厚めの塩化ビニル管などを使用すれば、非常に安価に製造できる。流路形成体１２０の内部には、水流の方向を案内するための案内羽根を設けるなどの工夫を施すこともできる。 The flow path forming body 120 is for forming a water flow path 121 as shown in FIG. The cross-sectional shape of the flow path 121 is not particularly limited, and may be a polygonal shape such as a quadrangle. However, in this case, the inner periphery of the flow path forming body 120 and the outer edge of the impeller 110 are necessarily formed. A large gap is formed between them, and the ratio (S 2 / S 1 ) of the effective area (S 2 ) of the blade 111 to the channel cross-sectional area (S 1 ) of the channel forming body 120 is set to be large. Becomes difficult. For this reason, the cross-sectional shape of the flow path 121 is preferably a perfect circle or a shape close to a perfect circle, and the impeller is preferably provided so that its rotational axis coincides with the center line of the flow path. The material of the flow path forming body 120 is not particularly limited, but if a thick vinyl chloride tube or the like is used, it can be manufactured at a very low cost. A device such as providing guide vanes for guiding the direction of the water flow may be provided inside the flow path forming body 120.
流路形成体１２０の長さや内径（流路１２１の直径）は、水力タービン１００を設置する場所などによっても異なり、特に限定されず、条件に応じて適宜決定される。 The length and the inner diameter of the flow path forming body 120 (the diameter of the flow path 121) vary depending on the location where the hydraulic turbine 100 is installed, and are not particularly limited, and are appropriately determined according to the conditions.
［発電機］
発電機２００は、羽根車１１０の回転を電力に変換できるものであれば特に限定されず、各種の発電機を採用することができる。例えば、従来からある小型の発電機を耐水・耐塩仕様に改良したものなどを好適に採用することができる。
[Generator]
The generator 200 is not particularly limited as long as it can convert the rotation of the impeller 110 into electric power, and various generators can be adopted. For example, a conventional small generator improved to a water / salt resistant specification can be suitably employed.
［フロート］
フロート３００は、水力タービン１００を水に浮いた状態とできる浮力を発生できるものであれば特に限定されない。しかし、水面の上下動に対するフロート３００の上下動の応答性を向上させるためには、フロート３００は、できるだけ浮力の大きなものとすることが好ましい。フロート３００の浮力は、フロート３００の比重を小さくしたり、フロート３００の体積を大きくしたりすることなどで大きくすることができる。フロート３００としては、発泡スチロールなどの軽量素材のほか、中空なタンクなどを使用することができる。
[float]
The float 300 is not particularly limited as long as it can generate a buoyancy that allows the hydro turbine 100 to float in water. However, in order to improve the responsiveness of the vertical movement of the float 300 to the vertical movement of the water surface, it is preferable that the float 300 has as much buoyancy as possible. The buoyancy of the float 300 can be increased by reducing the specific gravity of the float 300 or increasing the volume of the float 300. As the float 300, in addition to a lightweight material such as polystyrene foam, a hollow tank or the like can be used.
［動作原理］
続いて、図１に示す波力発電装置の動作原理について説明する。図１の状態で波が発生して水面が上下動すると、フロート３００も上下動する。フロート３００の上下動の幅（振幅）は、水面の上下動の幅（振幅）に略一致する。水力タービン１００は、フロート３００に対して一体化されているため、水力タービン１００の上下動の幅（振幅）も、水面の上下動の幅（振幅）に略一致することになる。すなわち、水力タービン１００の羽根車１１０は、水面（流路形成体１２０の外部の水面）の上下動に従って、大きな振幅で上下動することになる。ところが、深い場所になるにつれて（海底に近くなるにつれて）水の振幅が小さくなるため、水面が大きく上下動しても、深い場所の水はあまり上下動しない。このため、流路形成体１２０の外部の水と深い場所で繋がっている流路形成体１２０の内部の水は、小さい振幅でしか上下動しない。したがって、流路形成体１２０の内部（流路１２１）の水と水力タービン１００が、相対的に上下動することになり、流路１２１には見掛けの水流が発生することになる。この水流によって羽根車１１０が回転され、発電機２００によって発電が行われる。流路１２１の内部に発生する水流の向きは、波の上下動に従って反転するものの、水力タービン１００における羽根車１１０は、図３で説明したように、水流の向きが反転しても同じ方向で回り続けることができる。したがって、発電機２００は、特別な機構を設けなくても、安定して発電し続けることができる。
[Operating principle]
Next, the operation principle of the wave power generation device shown in FIG. 1 will be described. When a wave is generated in the state of FIG. 1 and the water surface moves up and down, the float 300 also moves up and down. The width (amplitude) of the vertical movement of the float 300 substantially matches the width (amplitude) of the vertical movement of the water surface. Since the hydraulic turbine 100 is integrated with the float 300, the vertical movement width (amplitude) of the hydraulic turbine 100 substantially matches the vertical movement width (amplitude) of the water surface. That is, the impeller 110 of the hydro turbine 100 moves up and down with a large amplitude in accordance with the vertical movement of the water surface (the water surface outside the flow path forming body 120). However, since the amplitude of water becomes smaller as it goes deeper (closer to the seabed), even if the water surface moves up and down greatly, the water in the deep place does not move up and down very much. For this reason, the water inside the flow path formation body 120 connected to the water outside the flow path formation body 120 at a deep location moves up and down only with a small amplitude. Therefore, the water inside the flow path forming body 120 (flow path 121) and the hydraulic turbine 100 move up and down relatively, and an apparent water flow is generated in the flow path 121. The impeller 110 is rotated by the water flow, and the generator 200 generates power. Although the direction of the water flow generated in the flow path 121 is reversed according to the vertical movement of the wave, the impeller 110 in the hydro turbine 100 is in the same direction even if the direction of the water flow is reversed as described with reference to FIG. You can keep turning. Therefore, the generator 200 can continue to generate power stably without providing a special mechanism.
［用途］
本実施態様の波力発電装置は、海や湖や河川など、波の発生する水域に設置することができる。本実施態様の波力発電装置を設置する水域は、水力タービン１００を浮いた状態にできる程度の深さがあるのであれば、その水深を特に限定されない。というのも、本実施態様の波力発電装置は、水面に近い場所の水の振幅と深い場所の水の振幅との差を利用して発電を行うものであるが、この振幅の差は、水深にかかわらず発生するからである。したがって、水深の深い場所だけでなく、水深の浅い場所（陸地に近い場所）に波力発電装置を設置することも可能である。陸地に近い場所に波力発電装置を設置した場合には、送電線を短くして配線費用を抑えるだけでなく、波力発電装置の施工やメンテナンスを容易に行うことも可能になる。本発明の水力タービン１００は、構造が単純で小型化が容易なため、それを利用した波力発電装置は、水深の浅い場所でも好適に設置することができる。また、限られた面積に多数設置することもできる。本実施態様の波力発電装置を海岸などに多数設置すれば、海岸などに到達する波のエネルギーを 効率よく低コストで電気エネルギーに変換することができる。
[Usage]
The wave power generation apparatus of this embodiment can be installed in a water area where waves are generated, such as the sea, a lake, or a river. The water area in which the wave power generation device of the present embodiment is installed is not particularly limited as long as it has a depth that allows the hydro turbine 100 to be in a floating state. This is because the wave power generation apparatus according to the present embodiment generates power by utilizing the difference between the amplitude of water near the water surface and the amplitude of water at a deep location. This is because it occurs regardless of the water depth. Therefore, it is possible to install the wave power generation apparatus not only in a deep water place but also in a shallow water place (a place close to the land). When the wave power generation device is installed in a place close to the land, not only can the transmission line be shortened to reduce the wiring cost, but also the wave power generation device can be easily constructed and maintained. Since the hydro turbine 100 of the present invention has a simple structure and can be easily miniaturized, a wave power generation apparatus using the hydro turbine 100 can be suitably installed even in a shallow water location. Also, a large number can be installed in a limited area. If a large number of wave power generation devices of this embodiment are installed on the shore or the like, the energy of the wave reaching the shore or the like can be efficiently converted into electric energy at a low cost.
［実験１］
本発明の水力タービンの回転性能を確認するため、以下の実験１を行った。図５は、実験１の実験方法を説明する図である。図５は、図示の便宜を考慮して模式的に示したものであり、各部の寸法は、実際のものとは異なっている。図５に示すように、谷口商会株式会社の敷地内にある人工川における水深約３０ｃｍの浅い場所に、本発明の水力タービン１００を設置した。水力タービン１００は、その流路形成体１２０が鉛直方向となる向きで設置した。流路形成体１２０には、塩化ビニル製の長い円筒状のケーシングを採用し、その下端部を水路底面に接触させた。羽根車１１０は、入力軸２１０の下端部近傍に固定し、入力軸２１０が鉛直方向となる向きで、流路形成体１２０の内部の流路１２１に挿入した。この状態で、人手によって入力軸２１０を上下方向にスライドさせ、羽根車１１０を流路１２１内で上下方向に往復動させてみた。すると、羽根車１１０は、上向きに移動させた場合（羽根車１１０に下向きの水力が加わる場合）と、下向きに移動させた場合（羽根車１１０に上向きの水力が加わる場合）とのいずれにおいても、同じ方向に回転することが目視により確認できた。
[Experiment 1]
In order to confirm the rotational performance of the hydro turbine of the present invention, the following experiment 1 was performed. FIG. 5 is a diagram for explaining the experimental method of Experiment 1. FIG. FIG. 5 is schematically shown in consideration of the convenience of illustration, and the dimensions of each part are different from the actual ones. As shown in FIG. 5, the hydro turbine 100 of the present invention was installed in a shallow place with a water depth of about 30 cm in an artificial river in the site of Taniguchi Shokai Co., Ltd. The hydro turbine 100 was installed in a direction in which the flow path forming body 120 is in the vertical direction. A long cylindrical casing made of vinyl chloride was adopted as the flow path forming body 120, and its lower end was brought into contact with the bottom surface of the water channel. The impeller 110 was fixed in the vicinity of the lower end portion of the input shaft 210, and was inserted into the flow channel 121 inside the flow channel forming body 120 in a direction in which the input shaft 210 was in the vertical direction. In this state, the input shaft 210 was slid up and down manually, and the impeller 110 was reciprocated up and down in the flow path 121. Then, both the case where the impeller 110 is moved upward (when downward hydraulic force is applied to the impeller 110) and the case where it is moved downward (when upward hydraulic force is applied to the impeller 110). It was confirmed by visual observation that they rotate in the same direction.
［実験２］
続いて、本発明の水力タービンを利用した波力発電装置の挙動を確認するため、以下の実験２を行った。図６は、実験２の実験方法を説明する図である。図６は、図示の便宜を考慮して模式的に示したものであり、各部の寸法は、実際のものとは異なっている。図６に示すように、谷口商会株式会社の敷地内にある人工川における水深約１ｍの深い場所に、本発明の水力タービン１００を設置した。流路形成体１２０が鉛直方向となる向きで水力タービン１００を設置することや、流路形成体１２０の素材や、入力軸２１０の下端部近傍に羽根車１１０を固定し流路形成体１２０の内部の流路１２１に挿入することは、上記の実験１と同様である。ただし、流路形成体１２０の上端部近傍の外周面にはフロート３００を固定し、水力タービン１００が水に浮いた状態となるように設置した。また、入力軸２１０は、ベアリング４００を用いて流路形成体１２０に対して固定した。このため、入力軸２１０は、流路形成体１２０に対して回転することは可能であるものの、流路形成体１２０に対して上下動することはできないようになっている。入力軸２１０の上端には、旗５００を取り付け、その回転を視認できるようにした。この状態で、水力タービン１００の近くの水面をベニヤ板で上下動させることにより、人為的に波を発生させ、入力軸２１０（旗５００）の挙動を観察した。
[Experiment 2]
Then, the following experiment 2 was performed in order to confirm the behavior of the wave power generation device using the hydro turbine of the present invention. FIG. 6 is a diagram illustrating the experimental method of Experiment 2. FIG. 6 is schematically shown in consideration of the convenience of illustration, and the dimensions of each part are different from the actual ones. As shown in FIG. 6, the hydro turbine 100 of the present invention was installed in a deep place with a water depth of about 1 m in an artificial river in the site of Taniguchi Shokai Co., Ltd. The hydraulic turbine 100 is installed in a direction in which the flow path forming body 120 is in the vertical direction, the impeller 110 is fixed near the lower end portion of the material of the flow path forming body 120 and the input shaft 210, and the flow path forming body 120 Inserting into the internal flow path 121 is the same as in Experiment 1 above. However, the float 300 was fixed to the outer peripheral surface in the vicinity of the upper end of the flow path forming body 120, and the hydro turbine 100 was installed so as to float in water. Further, the input shaft 210 was fixed to the flow path forming body 120 using a bearing 400. For this reason, the input shaft 210 can rotate with respect to the flow path forming body 120, but cannot move up and down with respect to the flow path forming body 120. A flag 500 is attached to the upper end of the input shaft 210 so that its rotation can be visually recognized. In this state, the water surface near the hydro turbine 100 was moved up and down with a plywood board, thereby generating a wave artificially and observing the behavior of the input shaft 210 (flag 500).
すると、入力軸２１０は、同じ方向に回転し続けることが確認できた。また、流路形成体１２０の内部を目視すると、流路形成体１２０の内部の水位と、流路形成体１２０の外部の水位とに、差が生じていることも確認できた。この原因は、流路形成体１２０の外部における水面に近い場所の水は、大きく上下動する一方、水深が深くなるにつれて（水底に近くなるにつれて）、水の振幅が小さくなることに起因している。すなわち、流路形成体１２０の内部の水の上下動は、人工川における深い場所の水の上下動に従うため、流路形成体１２０の内部と外部とで水面の高さに差が生じることとなる。このとき、フロート３００と、それが固定された流路形成体１２０や、流路形成体１２０の内部に収容された羽根車１１０は、流路形成体１２０の外部の水面に従って上下動する。したがって、羽根車１１０と、流路形成体１２０の内部（流路１２１）の水とが相対的に上下動して、流路１２１には見掛けの水流が発生し、この水流によって羽根車１１０が回転したと考えられる。この実験２によって、本発明の水力タービンを利用した波力発電装置は、実際の発電に使用できるものであることが確認できた。 Then, it was confirmed that the input shaft 210 continued to rotate in the same direction. Further, when the inside of the flow path forming body 120 was visually observed, it was also confirmed that there was a difference between the water level inside the flow path forming body 120 and the water level outside the flow path forming body 120. This is due to the fact that the water near the water surface outside the flow path forming body 120 moves up and down greatly, while the water amplitude decreases as the water depth increases (closer to the bottom of the water). Yes. That is, since the vertical movement of the water inside the flow path forming body 120 follows the vertical movement of the water in a deep place in the artificial river, there is a difference in the water level between the inside and the outside of the flow path forming body 120. Become. At this time, the float 300, the flow path forming body 120 to which the float 300 is fixed, and the impeller 110 accommodated in the flow path forming body 120 move up and down according to the water surface outside the flow path forming body 120. Therefore, the impeller 110 and the water in the flow path forming body 120 (flow path 121) move up and down relatively, and an apparent water flow is generated in the flow path 121, and the impeller 110 is caused by this water flow. It is thought that it has rotated. From Experiment 2, it was confirmed that the wave power generation apparatus using the hydro turbine of the present invention can be used for actual power generation.
［実験３］
続いて、本発明の水力タービン（実施例１．１〜１．８の水力タービン）と、揺動ウェルズ型の水力タービン（比較例１の水力タービン）とを用いた場合について、それぞれの平均出力を定量的に計測する実験３を行った。図７は、実験３の実験方法を説明する図である。図７に示すように、谷口商会株式会社の敷地内にある人工川に流路形成体１２０を設け、ポンプ６００で流路形成体１２０の下部から水を入れて、流路１２１に流速６５ｃｍ／ｓの水の流れを発生させ、流路形成体１２０の内部に配した羽根車１１０を回転させた。流路形成体１２０は、内径１００ｍｍの塩化ビニル製の長い円筒状のケーシングを採用した。また、出力軸２１０の上端部には、出力計測機７００（ユニパルス社製のトルクモニターＴＭ３００）を接続した。この状態で、出力軸２１０の上端部を指でつまんで負荷をかけ、出力計測機が示す出力（Ｗ）を測定した。その測定結果を下記表１に示す。
[Experiment 3]
Subsequently, in the case of using the hydraulic turbine of the present invention (hydraulic turbines of Examples 1.1 to 1.8) and the oscillating wells type hydro turbine (hydraulic turbine of Comparative Example 1), the respective average outputs. Experiment 3 which quantitatively measures was performed. FIG. 7 is a diagram illustrating the experimental method of Experiment 3. As shown in FIG. 7, a flow path forming body 120 is provided in an artificial river in the site of Taniguchi Shokai Co., Ltd. The water flow of s was generated, and the impeller 110 disposed inside the flow path forming body 120 was rotated. The flow path forming body 120 employs a long cylindrical casing made of vinyl chloride having an inner diameter of 100 mm. Further, an output measuring device 700 (Unipulse Torque Monitor TM300) was connected to the upper end of the output shaft 210. In this state, the load was applied by pinching the upper end of the output shaft 210 with a finger, and the output (W) indicated by the output measuring device was measured. The measurement results are shown in Table 1 below.
ただし、上記表１における実施例１．１〜１．７の水力タービンは、図７に示す羽根車１１０として、それぞれ図８におけるＡ１タイプ（正六角形型）と、Ｂ１タイプ（正八角形型）と、Ｃ１タイプ（正十二角形型）と、Ｃ２タイプ（正十二角形中抜き型）と、図９におけるＤ１タイプ（八方星状型）と、Ｅ１タイプ（十二方星状型）と、Ｅ２タイプ（十二方星状中抜き型）を用いたものである。正多角形型のものは、第一フレームが正多角形の各辺を構成するように配されており、星状型のものは、第一フレームと第二フレームが星状（あるいは風車状）に配されている。また、中抜き型のＣ２タイプとＥ２タイプは、羽根車の中心部近くに可撓性面材が設けられていない箇所を設けたものである。このＣ２タイプとＥ２タイプのものにおいては、各羽根を構成する可撓性面材の内端縁は、第一フレームの内端から回転方向後向きに設けた第三フレーム（長さ約１５ｍｍ）に縫い付けられた固定端縁となっている。実施例１．１〜１．７の水力タービンにおける羽根車の直径（最大直径）は９６ｍｍであり、各羽根を構成する可撓性面材は、厚さ５ｍｍのポリ塩化ビニル製のターポリンシートを三角形状又は台形状に裁断し、これを各フレームに縫い付けることによって設けた。 However, the hydraulic turbines of Examples 1.1 to 1.7 in Table 1 are, as the impeller 110 shown in FIG. 7, A1 type (regular hexagonal type) and B1 type (regular octagonal type) in FIG. 8, respectively. , C1 type (regular dodecagonal type), C2 type (regular dodecagonal hollow type), D1 type (octagonal star type) and E1 type (decagonal star type) in FIG. The E2 type (12-sided star-shaped hollow type) is used. In the regular polygon type, the first frame is arranged so that each side of the regular polygon is formed. In the star type, the first frame and the second frame are in a star shape (or a windmill shape). It is arranged in. The hollow C2 type and E2 type are provided with a portion where no flexible face material is provided near the center of the impeller. In the C2 type and E2 type, the inner end edge of the flexible face material constituting each blade is a third frame (length: about 15 mm) provided backward from the inner end of the first frame in the rotational direction. The fixed edge is sewn. The diameter (maximum diameter) of the impeller in the hydro turbines of Examples 1.1 to 1.7 is 96 mm, and the flexible face material constituting each blade is a polyvinyl chloride tarpaulin sheet having a thickness of 5 mm. It was cut into a triangular shape or a trapezoidal shape and provided by sewing it on each frame.
一方、上記表１における比較例１の水力タービンは、図７に示す羽根車１１０として、図９における揺動ウェルズタイプを用いたものである。この揺動ウェルズタイプの羽根車は、公知のウェルズタービンにおける羽根車をさらに高性能なものへと改良したものである。すなわち、公知のウェルズタービンは、羽根車における各羽根がハブに固定されて動かない状態となっているところ、比較例１の水力タービンにおける羽根車は、各羽根をハブに対して揺動可能な状態でねじ留めした。比較例１の水力タービンにおける羽根車は、硬質プラスチックによって作製し、その重量が６０ｇ、羽根の枚数が８枚、ハブ比（ローター半径／チップ半径）が約５８％、ソリディティ（翼弦長総和／円周）が約４７％、アスペクト比（翼弦長／翼長）が約６４％、翼厚比（翼厚／翼弦）が約４６％、羽根の揺動角度が片側１５〜３０°（上下合計で３０〜６０°）である。ちなみに、公知のウェルズタービンで用いられる羽根が揺動しない羽根車（固定ウェルズタイプの羽根車）は、流速６５ｃｍ／ｓ程度では回転しなかった。実験３の測定結果に対する評価は、以下の実験４の測定結果に対する評価の際に合わせて説明する。 On the other hand, the hydraulic turbine of Comparative Example 1 in Table 1 uses the swing wells type in FIG. 9 as the impeller 110 shown in FIG. This oscillating wells type impeller is obtained by improving the impeller of a known wells turbine to a higher performance one. That is, in the wells turbine known in the art, each blade in the impeller is fixed to the hub and does not move, but the impeller in the hydraulic turbine of Comparative Example 1 can swing each blade with respect to the hub. Screwed in state. The impeller in the hydraulic turbine of Comparative Example 1 is made of hard plastic, has a weight of 60 g, the number of blades is 8, the hub ratio (rotor radius / tip radius) is about 58%, and the solidity (total chord length / (Circumference) is about 47%, aspect ratio (chord length / blade length) is about 64%, blade thickness ratio (blade thickness / chord length) is about 46%, and the blade swing angle is 15-30 ° on one side ( 30 to 60 degrees in total in the vertical direction). By the way, the impeller (fixed wells type impeller) in which the blades used in the known wells turbine do not swing does not rotate at a flow rate of about 65 cm / s. The evaluation for the measurement result of Experiment 3 will be described together with the evaluation for the measurement result of Experiment 4 below.
［実験４］
また、図７と同じ実験方法で、Ａ１タイプの水力タービンにおける羽根車の可撓性面材の後端縁を弓型に切り欠いたＡ２タイプ（図８を参照）の水力タービン（実施例２．１）と、Ｃ１タイプの水力タービンにおける羽根車の後端縁を弓型に切り欠いたＣ３タイプ（図８を参照）の水力タービン（実施例２．２）についても、平均出力を測定した。可撓性面材の切欠の深さは３ｍｍである。ただし、実験４では、出力軸を軸支するベアリングの調整を行ったため、実験４の測定結果と実験３の測定結果は、単純には比較できないと考えられる。このため、上記表１で使用したＢ１タイプの水力タービン（実施例２．３）、Ｅ１タイプの水力タービン（実施例２．４）及び揺動ウェルズ型の水力タービン（比較例２）についても、同様の測定を行い、実験４の測定結果と実験３の測定結果とを相対的に比較できるようにした。下記表２に、実験４の測定結果を示す。
[Experiment 4]
Further, in the same experimental method as in FIG. 7, an A2 type (see FIG. 8) hydraulic turbine in which the rear end edge of the flexible face member of the impeller in the A1 type hydraulic turbine is cut out in a bow shape (Example 2). .1) and C3 type hydro turbine (Example 2.2) in which the rear end edge of the impeller in the C1 type hydro turbine is notched into a bow shape was also measured for average output. . The notch depth of the flexible face material is 3 mm. However, in Experiment 4, since the bearing that supports the output shaft was adjusted, it is considered that the measurement result of Experiment 4 and the measurement result of Experiment 3 cannot be simply compared. Therefore, the B1 type hydraulic turbine (Example 2.3), the E1 type hydraulic turbine (Example 2.4), and the oscillating Wells type hydraulic turbine (Comparative Example 2) used in Table 1 above The same measurement was performed so that the measurement result of Experiment 4 and the measurement result of Experiment 3 could be relatively compared. Table 2 below shows the measurement results of Experiment 4.
上記表１をみると、実施例１．１〜１．７の水力タービンの平均出力は、比較例１の水力タービンの平均出力の数倍以上となっていることが分かる。また、上記表２をみると、実施例２．１〜２．４の水力タービンの平均出力は、比較例２の水力タービンの平均出力の数倍以上となっていることが分かる。特に、Ｃ１タイプの羽根車を用いた実施例１．３の水力タービンの平均出力（４．４Ｗ）は、揺動ウェルズ型の羽根車を用いた比較例１の水力タービンの平均出力（０．２Ｗ）の２２倍となっている。このことから、本発明の水力タービンは、従来公知のウェルズタービン（比較例１及び比較例２の水力タービンよりもさらに平均出力が低い）よりも、発電効率の面で非常に有利なものであることが確認できた。 From Table 1 above, it can be seen that the average output of the hydro turbines of Examples 1.1 to 1.7 is several times the average output of the hydro turbine of Comparative Example 1. Moreover, when the said Table 2 is seen, it turns out that the average output of the hydraulic turbine of Examples 2.1-2.4 is more than several times the average output of the hydraulic turbine of the comparative example 2. In particular, the average output (4.4 W) of the hydraulic turbine of Example 1.3 using the C1 type impeller is equal to the average output (0. 0 of the hydraulic turbine of Comparative Example 1 using the oscillating Wells type impeller. 2W) 22 times. From this, the hydraulic turbine of the present invention is much more advantageous in terms of power generation efficiency than the conventionally known Wells turbine (having a lower average output than the hydraulic turbines of Comparative Examples 1 and 2). I was able to confirm.
また、実施例１．１と実施例１．２と実施例１．３の平均出力の比較や、実施例１．５と実施例１．６の平均出力の比較や、実施例２．１と実施例２．２の平均出力の比較から、羽根車を構成する羽根の枚数が多くなるに従って、平均出力が大きくなることが分かった。さらに、実施例１．３と実施例１．４の平均出力の比較や、実施例１．６と実施例１．７の平均出力の比較から、中抜き型としない方が、平均出力が大きくなることも分かった。さらにまた、正多角形型の羽根車を用いた実施例１．１〜１．３の平均出力と、星状型の羽根車を用いた羽根車を用いた実施例１．５〜１．７の平均出力を比較すると、星状型の羽根車を用いた水力タービンよりも、正多角形型の羽根車を用いた水力タービンの方が、平均出力が高くなることが分かる。そして、実施例１．１と実施例２．１の平均出力の比較や、実施例１．３と実施例２．２の平均出力の比較から、各羽根を構成する可撓性面材を切り欠くことは平均出力を向上させる面で必ずしも有利に働かない（場合によっては不利に働く）ことも分かった。これらの結果は、いずれも、流路形成体の流路断面積Ｓ１に対する羽根の有効面積Ｓ２の比Ｓ２／Ｓ１を大きくした方が平均出力の向上に有利であることを示している。 In addition, comparison of the average output of Example 1.1, Example 1.2 and Example 1.3, comparison of the average output of Example 1.5 and Example 1.6, From the comparison of the average output of Example 2.2, it was found that the average output increased as the number of blades constituting the impeller increased. Furthermore, from the comparison of the average output of Example 1.3 and Example 1.4 and the comparison of the average output of Example 1.6 and Example 1.7, the average output is larger when not using a hollow die. I found out that Furthermore, the average output of Examples 1.1 to 1.3 using a regular polygon type impeller, and Examples 1.5 to 1.7 using an impeller using a star-shaped impeller. Comparing the average power of the hydro turbine, it can be seen that the hydro turbine using the regular polygon type impeller has a higher average output than the hydro turbine using the star impeller. From the comparison of the average output of Example 1.1 and Example 2.1 and the comparison of the average output of Example 1.3 and Example 2.2, the flexible face material constituting each blade is cut. It has also been found that lacking does not necessarily work in terms of improving the average output (in some cases it works disadvantageously). These results show that increasing the ratio S 2 / S 1 of the effective area S 2 of the blades to the channel cross-sectional area S 1 of the channel forming body is advantageous for improving the average output. Yes.
１００ 水力タービン
１１０ 羽根車
１１１ 羽根
１１１ａ 第一フレーム
１１１ｂ 第二フレーム
１１１ｃ 第三フレーム
１１１ｄ 可撓性面材
１１２ ハブ
１２０ 流路形成体
１２１ 流路
２００ 発電機
２１０ 入力軸
３００ フロート
３１０ 支持梁
４００ ベアリング
５００ 旗
６００ ポンプ
７００ 出力計測機
Ａ 正方向
Ｂ 逆方向
Ｃ 羽根の移動方向（羽根車の回転方向）
ＦＡ 正方向の水力
ＦＢ 逆方向の水力
ｆＡ 正方向の水力によって可撓性面材に加えられる力
ｆＢ 逆方向の水力によって可撓性面材に加えられる力
ｆＡ’ 正方向の水力によって可撓性面材に加えられる力の回転方向に平行な成分
ｆＢ’ 逆方向の水力によって可撓性面材に加えられる力の回転方向に平行な成分
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Hydraulic turbine 110 Impeller 111 Blade | blade 111a 1st frame 111b 2nd frame 111c 3rd frame 111d Flexible face material 112 Hub 120 Flow path formation body 121 Flow path 200 Generator 210 Input shaft 300 Float 310 Support beam 400 Bearing 500 Flag 600 Pump 700 Output measuring machine A Forward direction B Reverse direction C Direction of blade movement (direction of impeller rotation)
F A positive direction of the hydraulic F B reverse hydraulic f A positive hydroelectric by a flexible surface material to the applied force f B reverse hydraulic by the flexible face material force f A 'positive direction applied in Component parallel to the direction of rotation of the force applied to the flexible face by hydraulic force f B 'Component parallel to the direction of rotation of the force applied to the flexible face by hydraulic force in the reverse direction
Claims (5)
羽根車におけるそれぞれの羽根が、
羽根車の中心から外向きに設けられた第一フレームと、
第一フレームの外端から羽根車の回転方向後向きに設けられた第二フレームと、
その前端縁及び外端縁がそれぞれ第一フレーム及び第二フレームに固定された固定端縁とされる一方、その後端縁が自由端縁とされた可撓性面材と
で構成され、
羽根車が正方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が正方向側へ変位し、
羽根車が逆方向の水力を受けると、それぞれの羽根における可撓性面材の後端縁側が逆方向側へ変位することにより、
羽根車が受ける水力の向きが反転した場合であっても羽根車が同じ向きで回転し続けるようにしたことを特徴とする水力タービン。 A hydro turbine having an impeller provided with a plurality of blades for receiving hydropower radially,
Each blade in the impeller
A first frame provided outward from the center of the impeller;
A second frame provided rearward in the rotational direction of the impeller from the outer end of the first frame;
The front end edge and the outer end edge are fixed end edges fixed to the first frame and the second frame, respectively, and the rear end edge is composed of a flexible face material that is a free end edge.
When the impeller receives positive hydraulic force, the rear edge side of the flexible face material in each blade is displaced to the positive direction side,
When the impeller receives hydraulic power in the reverse direction, the rear edge side of the flexible face material in each blade is displaced in the reverse direction side,
A hydro turbine characterized in that the impeller continues to rotate in the same direction even when the direction of hydraulic power received by the impeller is reversed.
羽根車が、流路形成体における前記流路内に収容された請求項１記載の水力タービン。 A flow path forming body for forming a water flow path;
The hydro turbine according to claim 1, wherein the impeller is accommodated in the flow path in the flow path forming body.
羽根車の回転を電力に変換する発電機と
を備えた水力発電装置。 The hydro turbine according to any one of claims 1 to 3,
A hydroelectric generator including a generator that converts rotation of an impeller into electric power.
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