JPH09177652A

JPH09177652A - 回転羽根装置

Info

Publication number: JPH09177652A
Application number: JP7350442A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Nagano; 紳一郎永野
Original assignee: Fujita Corp
Current assignee: Fujita Corp
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1997-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】高効率化、長寿命化、小型軽量化を図る。【解決手段】枠体６の内側に、一端を枠体６に固定し
た複数の羽根体４が配設されている。枠体６の外周部
は、支持部材１２の内周に形成された凹溝１４内に挿入
され、ローラ１５、１６により回転可能に支持されてい
る。枠体６の外周面には歯部６０４が形成されており、
支持部材１２の所定箇所には開口１２Ａが形成されてい
る。開口１２Ａの箇所には歯部６０４に噛み合う歯車１
８Ａ、歯車１８Ａに噛み合う歯車１８Ｂが配設され、歯
車１８Ｂを支持する出力軸２８Ｂは発電機の回転軸に連
結されている。支持部材１２の両側部には送水管２２、
２４がそれぞれ連結されている。流水が羽根体４を押圧
すると、羽根体４が枠体６と共に回転し、歯車１８Ａ、
１８Ｂおよび出力軸２８Ｂが回転して発電機２０が駆動
され、発電される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は流体の運動エネルギ
を取り出す回転羽根装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の回転羽根装置は、回転軸
に羽根体を放射状に取り付け、羽根体に流体による圧力
を加えて羽根体を回転軸と共に回転させ、流体の運動エ
ネルギを取り出す構成となっている。例えば水力発電用
の水車の場合プロペラ式とペルトン式等があるが、前者
では、回転軸に対して複数の羽根体を、水流の方向に対
して傾斜させて放射状に取り付け、回転軸を発電機の回
転軸に連結し、発電機を駆動する構成となっている。一
方、ペルトン式では、羽根体の面が回転軸と平行になる
ように羽根体を回転軸に放射状に取り付け、羽根体に対
して垂直に水を噴出させて羽根体を駆動し、回転軸を回
転させている。

【０００３】また、高圧の水蒸気により回転するタービ
ンの場合にも、回転軸を中心に複数の羽根体が配設さ
れ、羽根体に水蒸気を吹き付けて回転軸を回転させ、例
えば発電機を回転させるようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、回転軸と平行
に流体が流動する構造の回転羽根装置では、回転軸に例
えば発電機の回転軸を直接連結した場合には、発電機の
箇所を流体が流動することになり、発電機によって流体
の流動が妨げられるので、発電効率の低下を招いてい
る。また、発電機などを流体の流通路の外に配置した場
合でも、回転軸が複数の羽根体の中心に存在し、さらに
複数の羽根体を回転軸に取り付けるために何らかの取り
付け部材が用いられるので、これら回転軸や取り付け部
材によって流体の流動が妨げられ、やはり発電効率が低
下する。

【０００５】このような損失を低減するため、羽根体の
中心部に例えば円錐形の流体のガイドを配置し、そして
流体が中心部を避け、若干外側に流路を変えるように例
えば送水管を羽根体の前後で膨満した形状とすることも
可能であるが、その場合にも流体が流路を変えることに
伴うエネルギの損失は生じる。

【０００６】さらに、羽根体には通常、流体によって極
めて強い力が加えられ、その力は回転軸部分に集中する
ので、回転軸部分には大きな曲げとねじりモーメントが
作用する。そのため、羽根体の付けねおよび回転軸は、
脆性疲労による破壊を起し易い。その結果、高強度の材
料を用いても羽根体の大きさは制限され、羽根体および
回転軸は、あまり大きくすることも、逆に小さくするこ
とも困難である。さらに、比較的高い頻度で定期点検を
行う必要がある。

【０００７】また、流体の流路内に発電機などを配置す
る場合、十分な流量を確保するためには、羽根体の回転
領域全体の面積から発電機が占める面積を減じた値が十
分に大きくなるように設計する必要があり、そのため羽
根体の回転直径を大きくしなければならない。

【０００８】そこで本発明の目的は、効率良く流体の運
動エネルギを取り出すことができ、故障し難く長寿命で
あり、設計の自由度が高く、さらに小型軽量化が可能な
回転羽根装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、複数の羽根体と、前記複数の羽根体を仮想円
内において前記仮想円の周方向に間隔をおき仮想円の中
心からほぼ放射状に延在させた状態で各羽根体の外周部
を連結し各羽根体と共に一体的に回転する円環状の枠体
と、前記枠体の外周部を前記枠体の周方向に移動可能に
支持して前記羽根部材を支持する支持手段と、前記羽根
体の回転領域の外側に回転可能に支持された出力軸と、
前記羽根体の回転領域の外側で前記枠体に係合して前記
枠体の回転を前記出力軸に伝達する動力伝達手段とを備
えたことを特徴とする。

【００１０】本発明はまた、前記支持手段が前記枠体の
外周部に沿って配置された円環状の支持部材を備えてい
ることを特徴とする。本発明はまた、前記支持部材の内
周部にはその半径方向内方に開放状の凹溝が周方向に連
続して形成され、枠体の外周部はこの凹溝により移動可
能に支持されていることを特徴とする。本発明はまた、
前記凹溝の内部には、前記枠体に接触して凹溝の幅方向
における前記枠体の動きを規制する複数のローラと、前
記枠体に接触して凹溝の深さ方向における前記枠体の動
きを規制する複数のローラとが設けられ、前記枠体はこ
れらローラにより周方向に移動可能に支持されているこ
とを特徴とする。

【００１１】本発明はまた、前記支持手段と枠体との間
には、枠体の半径方向外方への水の侵入を阻止する防水
構造が設けられていることを特徴とする。本発明はま
た、前記動力伝達手段は歯車を含み、前記枠体の外周部
には周方向に配列し、前記歯車に噛み合う歯が形成され
ていることを特徴とする。本発明はまた、前記出力軸は
発電機の回転軸に連結されていることを特徴とする。

【００１２】羽根体に流体の圧力が加わると、羽根体
は、支持手段により回転可能に支持された枠体と共に回
転し、枠体の回転は動力伝達手段により出力軸に伝達さ
れ、出力軸が回転する。従って、出力軸を例えば発電機
に連結すれば、電気エネルギを得ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施例について説明
する。図１は本発明による回転羽根装置の一例を示す断
面側面図、図２は同斜視図である。この回転羽根装置２
は、羽根部材５、羽根部材５の外周部を支持する支持手
段８、歯車１８Ａ、１８Ｂ、出力軸２８Ｂなどによって
構成されている。羽根部材５は羽根体４と枠体６とから
成り、羽根体４は、例えば、合成樹脂や鋼材などから構
成されている。各羽根体４は、仮想円内において仮想円
の周方向に間隔をおき仮想円の中心からほぼ放射状に延
在させた状態で配設され、各羽根体４の外端部が枠体６
に連結されている。従って、複数の羽根体４が流体によ
り加圧されることで、枠体６が複数の羽根体４と共に一
体的に回転する。

【００１４】枠体６は円環状であり、その外周面の中央
部には歯部６０４が形成されている。支持手段８は、前
記仮想円の外周に沿って延在する円環状の支持部材１２
を備え、支持部材１２の内周部には、内側に開放状の凹
溝１４が周方向に連続して形成されている。凹溝１４内
には、支軸を凹溝１４の幅方向に延在させたローラ１５
と、支軸を凹溝１４の深さ方向に延在させたローラ１６
が、凹溝１４の周方向に間隔をおいて複数設けられてい
る。枠体６の外周部は凹溝１４内に挿入され、ローラ１
５が枠体６の外周面に接触することで凹溝１４の深さ方
向における枠体６の動きが規制され、また、ローラ１６
が枠体６の両側面に接触することで凹溝１４の幅方向に
おける枠体６の動きが規制され、これにより枠体６は支
持部材１２の中心を中心として、言い換えると、複数の
羽根体４の中心を中心として回転可能に支持されてい
る。枠体６の両側面と、凹溝１４の対応する側壁との間
には、凹溝１４内への水の侵入を阻止するため、環状の
シール材１３がそれぞれ介在されている。なお、凹溝１
４内への水の侵入を阻止する防水構造は、前記シール材
１３に限らず、従来公知の種々の防水構造が適用され
る。

【００１５】また、支持部材１２の所定の箇所には、凹
溝１４の奥部の壁を除去して形成した開口１２Ａが設け
られており、この開口１２Ａを通じて枠体６の歯部６０
４は露出している。支持部材１２の上記開口１２Ａの箇
所には歯車１８Ａ、１８Ｂが配設され、１２８Ａは歯車
１８Ａの支軸、２８Ｂは歯車１８Ｂが固着された出力軸
を示し、実施例ではこれら歯車１８Ａ、１８Ｂが動力伝
達手段を構成している。支軸２８Ａおよび出力軸２８Ｂ
は互いに平行に、そして枠体６の回転面に対して垂直に
配置され、それぞれ不図示の軸受により回転可能に支持
されている。歯車１８Ａは歯部６０４に噛み合い、歯車
１８Ｂは歯車１８Ａに噛み合っている。そして、出力軸
２８Ｂは、本実施例では発電機２０（図２）の回転軸に
連結されている。

【００１６】支持部材１２の両側には、支持部材１２の
内周より若干径が大きい円筒部１２Ｂ、１２Ｃが、突設
されている。送水管２２、２４の端部はこれら円筒部１
２Ｂ、１２Ｃより若干外形が小さく、円筒部１２Ｂ、１
２Ｃにそれぞれ嵌合され、水密に連結されている。

【００１７】このような構成において、送水管２２、２
４内で例えば矢印Ａの方向に十分な速度で水を流動させ
ると、複数の羽根体４は流動する水によって押圧され、
その結果、羽根部材５、従って枠体６は回転する。そし
て、枠体６の回転力は歯部６０４に係合する歯車１８Ａ
に伝達され、さらに歯車１８Ｂに伝達されて出力軸２８
Ｂが回転し、発電機２０が駆動され、電気エネルギが得
られる。

【００１８】従って、この回転羽根装置２では、複数の
羽根体４の回転の中心には回転軸などはなく、羽根体４
の回転エネルギは羽根体４の回転領域の外側に配置され
た歯車１８Ａ、１８Ｂおよび出力軸２８Ｂにより、同じ
く羽根体４の回転領域の外側に配置された発電機２０に
伝達される。従って、回転軸や、羽根体の取り付け部
材、あるいは発電機などが水の流通路内にはなく、水は
妨げられることなく円滑に流動するので、水流の運動エ
ネルギを極めて効率良く取り出し、電気エネルギに変換
することができる。

【００１９】さらに、従来の回転羽根装置のように羽根
体を中心部の回転軸に取り付ける構造ではないため、回
転軸部分に大きな曲げとねじりモーメントが集中して作
用するといったことがなく、従って、この回転羽根装置
２では羽根体の付けねおよび回転軸の脆性疲労による破
壊の問題は発生しない。そのため、まず故障率の低減お
よび長寿命化を実現できる。そして、羽根体の大きさを
自由に設計できる。さらに、定期点検の頻度を下げるこ
とが可能となる。

【００２０】また、従来の回転羽根装置では、水流が回
転軸や羽根体の取り付け部材、あるいは発電機などによ
って妨げられることを考慮して羽根体の回転直径を大き
く設定する必要があったが、この回転羽根装置２ではそ
の必要がなく、従って、小型軽量化を実現できる。

【００２１】なお、図１の回転羽根装置２では、枠体６
に歯部６０４が形成され、この歯部６０４に歯車１８Ａ
を係合させて枠体６を駆動するとしたが、枠体６の外周
面に歯部は形成せず、歯車１８Ａの代りに摩擦式のロー
ラを用い、このローラを枠体６の外周面に接触させて枠
体６の運動エネルギを取り出すことも可能である。

【００２２】また、発電機２０を回転羽根装置２に近接
して配置できる場合には、歯車１８Ａは削除し、出力軸
２８Ｂの歯車１８Ｂを枠体６の歯部６０４に直接噛み合
せる構成としてもよい。

【００２３】また、上記実施例では、出力軸２８Ｂは枠
体６の回転面に垂直となるように配置したが、図３に示
すように、出力軸２８Ｃを枠体６’の半径方向に延在さ
せることも可能である。この場合には、枠体６’の側部
に歯部６０４’を形成し、出力軸２８Ｃにはこの歯部６
０４’に係合する歯車１８Ｃを取着すればよい。そし
て、出力軸２８Ｃの反対側の端部は発電機２０の回転軸
に連結される。

【００２４】そして、上記実施例では、枠体６はローラ
１５、１６により支持部材１２に対して回転可能に支持
したが、ローラを用いる代りにベアリングを枠体６と支
持部材１２との間に介在させ、枠体６を回転可能に支持
することも可能である。また、枠体６の外周部に磁石を
装着し、一方、支持部材１２の凹溝１４内にも上記磁石
との間に隙間を保って磁石を装着し、これらの磁石間に
働く反発力により、枠体６を支持部材１２の凹溝１４内
において非接触で保持することも可能である。そのよう
な構成では、摩擦によるロスがないので効率をさらに高
めることができ、また、騒音や振動を大幅に抑えること
ができる。さらに、摩耗などによる故障をなくすことも
可能となる。

【００２５】さらに、１台の回転羽根装置２によって複
数の例えば発電機２０を駆動することも可能である。す
なわち、図４に示すように、異なる箇所で枠体６’の歯
部６０４’（図３）に歯車１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅをそ
れぞれ係合させ、各歯車を支持する出力軸２８Ｃ、２８
Ｄ、２８Ｅを回転させれば、複数、例えば３台の発電機
２０を同時に駆動することができる。このような構成は
無論、図１の回転羽根装置２においても可能である。な
お、１２’は支持部材１２に相当する支持部材である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の回転羽根装
置は、複数の羽根体と、前記複数の羽根体を仮想円内に
おいて前記仮想円の周方向に間隔をおき仮想円の中心か
らほぼ放射状に延在させた状態で各羽根体の外周部を連
結し各羽根体と共に一体的に回転する円環状の枠体と、
前記枠体の外周部を前記枠体の周方向に移動可能に支持
して前記羽根部材を支持する支持手段と、前記羽根体の
回転領域の外側に回転可能に支持された出力軸と、前記
羽根体の回転領域の外側で前記枠体に係合して前記枠体
の回転を前記出力軸に伝達する動力伝達手段とを備えた
構成とした。

【００２７】そのため、本発明の回転羽根装置では、複
数の羽根体の回転の中心には回転軸などはなく、羽根体
の回転エネルギは羽根体の回転領域の外側に配置された
動力伝達手段および出力軸により、同じく羽根体の回転
領域の外側に配置された例えば発電機に伝達される。従
って、回転軸や、羽根体の取り付け部材、あるいは発電
機などが流体の流通路にはなく、流体は妨げられること
なく円滑に流動するので、流体の運動エネルギを極めて
効率良く取り出すことができる。

【００２８】さらに、従来の回転羽根装置のように羽根
体を中心部の回転軸に取り付ける構造ではないため、回
転軸部分に大きな曲げとねじりモーメントが集中して作
用するといったことがなく、従って、本発明の回転羽根
装置では羽根体の付けねおよび回転軸の脆性疲労による
破壊の問題は発生しない。そのため、まず故障率の低減
および長寿命化を実現できる。そして、羽根体の大きさ
を自由に設計でき、さらに、定期点検の頻度を下げるこ
とが可能となる。

【００２９】また、従来の回転羽根装置では、水流が回
転軸や羽根体の取り付け部材、あるいは発電機などによ
って妨げられることを考慮して羽根体の回転直径を大き
く設定する必要があったが、この回転羽根装置ではその
必要がなく、従って、小型軽量化を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転羽根装置の一例を示す断面側面図
である。

【図２】図１の回転羽根装置を示す斜視図である。

【図３】本発明の回転羽根装置の変形例を示す断面側面
図である。

【図４】本発明の回転羽根装置の他の変形例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

２回転羽根装置４羽根体５羽根部材６、６’ 枠体８支持手段１２支持部材１３シール材１４凹溝１５、１６ローラ１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ、１８Ｄ、１８Ｅ歯車２０発電機２２、２４送水管２８、２８Ｂ、２８Ｃ、２８Ｄ、２８Ｅ出力軸６０４、６０４’ 歯部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の羽根体と、前記複数の羽根体を仮想円内において前記仮想円の周方
向に間隔をおき仮想円の中心からほぼ放射状に延在させ
た状態で各羽根体の外周部を連結し各羽根体と共に一体
的に回転する円環状の枠体と、前記枠体の外周部を前記枠体の周方向に移動可能に支持
して前記羽根部材を支持する支持手段と、前記羽根体の回転領域の外側に回転可能に支持された出
力軸と、前記羽根体の回転領域の外側で前記枠体に係合して前記
枠体の回転を前記出力軸に伝達する動力伝達手段と、を備えたことを特徴とする回転羽根装置。
【請求項２】前記支持手段は前記枠体の外周部に沿っ
て配置された円環状の支持部材を備えている請求項１記
載の回転羽根装置。
【請求項３】前記支持部材の内周部にはその半径方向
内方に開放状の凹溝が周方向に連続して形成され、枠体
の外周部はこの凹溝により移動可能に支持されている請
求項２記載の回転羽根装置。
【請求項４】前記凹溝の内部には、前記枠体に接触し
て凹溝の幅方向における前記枠体の動きを規制する複数
のローラと、前記枠体に接触して凹溝の深さ方向におけ
る前記枠体の動きを規制する複数のローラとが設けら
れ、前記枠体はこれらローラにより周方向に移動可能に
支持されている請求項３記載の回転羽根装置。
【請求項５】前記支持手段と枠体との間には、枠体の
半径方向外方への水の侵入を阻止する防水構造が設けら
れている請求項１記載の回転羽根装置。
【請求項６】前記動力伝達手段は歯車を含み、前記枠
体の外周部には周方向に配列し、前記歯車に噛み合う歯
が形成されている請求項１記載の回転羽根装置。
【請求項７】前記出力軸は発電機の回転軸に連結され
ている請求項１記載の回転羽根装置。