JPH0219305B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は水力発電水車システムに、より詳細に
は、新しい低落差または超低落差水力発電水車シ
ステムに関する。

（従来技術） 水力発電に最も適していて、その効率は立証さ
れており、技術的にも十分発展されてきた水力タ
ービンは一般に三種類に分類される。(1)ペルトン
水車。これは低い比速度の衝撃水車で、非常に高
い落差に使用される。(2)フランシス水車。これ
は、中ほどの比速度の反動水車で、中落車から高
落差に使用される。(3)プロペラ水車、即ちカプラ
ン水車。これは、高い比速度の反動タービンで、
低落差に使用される。これらの種類の中で、プロ
ペラ水車即ちカプラン水車だけが、極低落差での
水力発電用として考慮されてきた。

固定翼プロペラ水車の効率曲線は、流れの条件
と負荷の条件とが増加しても減少しても、急に減
少する。これは、流体の流れが羽根車に入ると
き、そして、あるいは羽根車の速度が設計条件の
速度からはずれたときの、相対速度の角度の変化
から生じる水の衝撃の発生による。このことは、
もちろん改善がなされなかつたときのことであ
る、落差が変動する場合での固定翼プロペラ水車
の適用を不利にする。この不利な特徴をなくすた
め、変化する流れの条件に対応して費のピツチを
変化させるように設計上の変更がなされてきた。
この設計の改善は、流れの条件と負荷の要求が変
動するときのプロペラ水車の適応性を大きく改善
し、こうしてプロペラ水車は広範囲の落差条件の
下でほぼ最高の効率で運転される。

しかし、上記の改善は関連した水力発電システ
ムにおける変化する流れの条件の要求に応ずるに
はある程度適していることがわかつているけれど
も、欠点も生じる。たとえば、水車の翼のピツチ
を適合するのに用いられる機構は複雑で非常に高
価であり、こうして、大きな直径の羽根車が多分
必要とされる、需要のより少ない低落差と極低落
差での水力発電に適用するには、上記の改善され
た水車の使用は経済的に可能であると考えられな
い。小水力発電の場合、翼ピツチ調整機構の高い
価格は資本投下の問題を生じる。広く利用できる
極低落差水力発電源からエネルギーを引き出すに
は、身水力発電システムは、この水力源を経済的
に利用するように水車の設計とシステムの適用を
改善する必要がある。

（発明の目的） それ故、本発明の一つの目的は、上記のと他の
欠点を克服した新しい極低落差水力発電システム
を提供することである。

本発明の次の目的は、新しい製造技術および、
または何んら特別な工具を必要とせずにすばやい
設置を提供する、十分確立した水力学力理論を利
用した、新しい水力発電システムを提供すること
である。

本発明の他の目的は、入つていく取水路での流
れの速度が比較的小さい低落差での適用に特に適
した新しい水力発電システムを提供することであ
る。

本発明の別の目的は、水力発電システムの設計
を非常に単純化し、且つ高効率の調整装置のシス
テムへの組込みを可能にする新しい流れの配置を
備えた水車システムを提供することである。

本発明のもう一つの目的は、極低落差での効率
を著しく改善した水車システムを提供することで
ある。

本発明のなお他の目的は、キヤビテーシヨンの
圧力を除き、こうして魚の死亡を大きく減らせる
経済的な水力発電水車システムを提供することで
ある。

本発明のなお別の目的は、環境への影響を最少
にする経済的な水力発電システムを提供すること
である。

（発明の構成） 一般的にいつて、上記の目的と他の目的とは、
本発明による反動水車システムを提供することに
より成しとげられる。このシステムは、閉じた導
水路の流れの条件のもとで、水車の羽根車を通し
て水を上向きに流れさせることにより、利用でき
る水の落差によつて決まるような等量のエネルギ
ーを運ぶように働く。高エネルギーを有する水流
は羽根車の下から水車システムに入り、上昇して
羽根車の頂部から放水プールか自由空間かいずれ
か一方へほぼ水平に出る。このことから、発電機
への結合シヤフトは低エネルギー側にまたは放水
面上に水没することなく取り付け可能になる。固
定翼プロペラ水車の羽根車は縦に位置していて、
水の推力は静的圧力とプロペラ水車の羽根車の投
影面積との積にほぼ等しく、系の重力場の反対方
向に作用する。このことは羽根車とその付属品と
の重量を支持しまたは平衡することを助けて、軸
受けでの圧力を大きく減らす。低エネルギー位置
側にまたは放水の上に発電機を位置することによ
り、回転シヤフトの回りでの高圧の水の密封が必
要でなくなり、それゆえ、シヤフトのパツキン押
えの必要は全く省かれる。このことはシステムの
設計と建造とを単純化して、密封リングの定期的
な保守の必要を省く。羽根車のハウジングは、取
水口の面積と、固定翼プロペラ車の羽根車を取り
囲むハウジングの縦の部分即ちコラムとの間の断
面積を減らすように機能する渦形内壁を備えるよ
うに作られる。低エネルギー損失で、事実上浮力
を打消されたニードル弁がハウジングの上記のコ
ラム即ち放水路の下に位置していて、放水面積の
縮小により放水を調整していて、こうして流れ調
節装置として機能する。このことは、しばしば通
常の水門調節羽根を備えている場合のように利用
できる落差を空費する内部の渦撹流を生じる必要
を省く。ニードル弁は、低いエネルギー損失係数
と、98％かそれ以上の高い効率で知られている。
羽根車のハウジングの上記の渦形壁の内部の芯と
して役立つニードルドラムは、その内部の調節液
体の制御により、閉じたまたは開いた位置へ上へ
または下へ調整され得て、こうしてニードルドラ
ムを動かすために備えられている機械的または水
力学的装置に必要とされる努力を最小にする。上
記のニードル弁は、プロペラモーターに必須であ
りまた流速減少の手段として余分な量のエネルギ
ーを消費することなしに流れの水路の面積を減少
することに主に役立つている、自由な渦の流れを
上記の縦放水路内に作る手段として利用される。
若干個のらせん形羽根がこのハウジングの減少し
た断面積内で上記の縦放水路内に備えられ得る。
この羽根の巾は羽根車の翼の大きさの一部から流
れの方向でのこの翼の全部の幅近くまで変化す
る。この羽根の下流即ち上端の角度は、渦流に常
に一定の相対的速度を生じさせて、この渦流が固
定翼プロペラ水車の羽根車の翼に接線方向に入
り、こうしてこの翼に衝撃を発生させないよう
に、渦流を漸進的に案内するように適合されう
る。

本発明の過程で、キヤビテーシヨンのない低落
差水力発電水車システムが設計できることがわか
つた。このシステムは通常の水車システムに較べ
て特有の流体力学的でまた経済的な利点を備えて
いて、逆にした翼の角度を備えそして流れの通路
の上方向に固定翼プロペラ水車を利用している。
通常の複雑で、流れの調節しうる羽根門システム
と労力の要する吸出し管の設計・建設とを省くた
め、本発明の水車システムは縦のニードル弁と、
零に近い絶対速度の放水口の自由な流れの設計と
を、それぞれ、備えている。この零に近い絶対速
度は放水口の自由な流れの設計によつて可能にな
り、この設計は、通常の下向きの水車の流れの配
置では、システムが常に十分流れているように維
持するというポテンシヤルの問題のため、利用で
きない。本発明においては、この他にない上向き
流の設計がこのような関心を不要にし、一方羽根
車の翼の出口の角度の適切な設計は流れに含まれ
ている全運動エネルギーをほぼ完全に利用するよ
うにし、そしてこの水が羽根車のシステムから半
径方向に主にその相対速度と小さい遠心加速とに
乗つて離れていくように導く。吸出し管は、本発
明に利用される無限の出口の流れの面積とは反対
に、有限の断面積を備えているもので、もし水車
の流れが通常の水車システムにおける場合のよう
に吸出し管の内部に限定されねばならないのなら
ば、このことは不可能になる。本発明による新し
い水車の配置は、羽根車の残留運動エネルギーの
回復のための吸出し管の必要をなくす。

本発明のシステムは、通常の縦の下向き流れの
配置や、水車の羽根車を通つて上向きに水を流れ
させる低落差の傾斜した管状配置とは異つてい
る。この新しい流れの配置のため、水力発電シス
テムの設計の簡単化が可能になり、また、これに
より、高効率の調節装置をこのシステムに組込む
ことも可能になつた。吸出し管を通つて放水を運
ぶための軸速度成分を有する必要がないので、プ
ロペラ翼の尾翼端は、流れがほぼ水平の方向に出
ていきうるように曲げられうる。このようにし
て、出口の水は、運動エネルギーヘツドが残留し
て空費されないように、ほぼ零の絶対速度で自由
に流れるように設計される。このシステムは水を
空気にさらし、こうして酸素の含量を改善しまた
飽和した窒素を放出する。

（実施例） 本発明は、添付した図を参照してさらに詳細に
説明される。第１図を参照すると、本発明によ
る、一般に１で示される、低落差水力発電システ
ムは断面で示されている。このシステムは、モデ
ユールの形に製造でき、また、現存のダムにすぐ
に取り替えるようにまたは他の小水力発電の状況
での使用のために、図ではモジユールの形に示さ
れている。水力発電システム１は導水路部２と羽
根車・発電機部３とに分けられる。各部は別々に
建造され得て、そして使用の場所で組み立てられ
うる。羽根車・発電機部３は、軸５によつてフラ
ンジ６を通して固定翼プロペラ水車の羽根車７に
結合されている。この羽根車７は一般に翼端ひれ
９を備えた固定翼プロペラ８を含み、そしてこの
ひれ９はもれを減少しさらに補強を与える。導水
管部２は、渦形内壁を備えている羽根車ハウジン
グ１２の空洞即ち室１１に矢印の方向に液体を導
く流れの取水口１０を含む、この渦形内壁はハウ
ジング１２の内面積を減らし、このハウジング１
２は固定翼プロペラ水車の羽根車７を取り囲む縦
の放水コラム１３として終わる。

簡単なニードル弁１４は流れの放水を主として
縦の流れの路即ち放水路１３の放水面積の減少に
より調節する。ハウジング１２の内部の核として
役立つニードルドラム１４ａは、ここで水力学的
ピストンとして示されている水力学的的調節装置
１５によつて上下あるいは閉開の機能において助
けられる。ニードル弁の案内１６はニードルドラ
ム１４ａとハウジング１２の内壁との間に用意さ
れる。調節できる渦の流れのらせん状案内羽根１
７は、縦の流れのコラム１３の内部に、任意に、
取り付けられて、羽根車の最高の効率を維持させ
る。この羽根の幅は翼の幅の一部から流れの方向
での翼の幅近くまで変りうる。この羽根の下流の
角度は、以下でさらに述べるように（第４図を見
よ）、翼に衝撃を発生させないように相対的な流
れの速度を調節されうる。水の衝撃をなくすこと
は、羽根車の効率を増加するだけでなく、翼の振
動を減らし、また翼の寿命を長くする。プロペラ
羽根車の翼の翼端ひれ９を取り付けての使用は、
翼と管状ハウジングの間の線接触を面接触に変え
る。このことは、さらに、翼とハウジングの壁と
の間での水のもれを減らさせ、そして効率を増加
させる。羽根車の翼は、水が放水路への単なるあ
ふれによつてまたは小さく残つた遠心加速によつ
て放水して運ばれるとき、水が羽根車７の翼から
ほとんど零の絶対速度で流出するように設計され
得る。水の落差Ｈは標準のヘツドの水１８から標
準の放水１９へ測定される。

第２図において、第１図の導水管部２が断面Ａ
−Ａで示されている。この導水管部２は羽根車ハ
ウジング１２の室１１へ矢印の方向に液体を導
き、上記の渦形内壁を区画する渦巻き状の形に集
める。ニードル弁１４と水圧調節装置１５とニー
ドル弁案内１６とは、断面部の代表的特徴を完成
する。

第３図を参照すると、翼端ひれ９を備えた翼８
を含んでいる、７で図示される固定翼プロペラ水
車の羽根車の拡大された断面図が示される。縦の
流入コラム１３は、矢印で示される渦流の調節の
ためのらせん状の羽根１７を備えている。この羽
根の幅は上流のプロペラ翼の一部ａから下流の羽
根車の翼ｂの幅近くまで変る。このらせん状の羽
根は調整可能で、固定した境界内に取り付けら
れ、こうして、建設と調節に対しずつと簡単で容
易になつている。通常の水力発電システムでは、
通常使用される吸出し管の内部での下流側で発生
する局在したキヤビテーシヨンの圧力が常に大き
な関心を引く問題である。本発明によるシステム
においては、この吸出し管は省かれていて、流出
またはあふれが羽根車を離れて自由な流れの状態
にあるので大気圧が低エネルギー準位の下限とし
て役立つ。このことは、次いで、キヤビテーシヨ
ンの可能性を完全に除く。キヤビテーシヨンによ
り誘起される翼の振動の除去と、翼端ひれにより
与えられる附加的な補強とのため、羽根車は鋼の
ような弾性材料からだけでなく、塑性材料のよう
なより軽い物質からも建造され得て、このことは
水車の可動性を増す。

第４図は、通常のプロペラ水車設計における流
速の翼の運動への関係の図式的な図である。羽根
車の翼２７に入りそしてから出る（流入）とＥ
（流出）としてそれぞれ示されている流れの条件
は、測定点における翼の与えられた半径ｒに沿つ
て示されている。翼の線速度ｕはωrに等しく、
ここにωは羽根車の回転の角速度をラジアンで示
したものであり、そして、基準の静止しているフ
レームに関して測定された水流の絶対速度は、入
口と出口とでそれぞれV_IとV_Eとに等しい。動い
ている翼に関して測定された相対的な水速はV_RI
とV_REとして示されていて、これらは翼の運動の
線速度ｕと対応する点ＩとＥとでの水の質量の絶
対速度との差のベクトルを示す。水流は、羽根車
の投影面積にほぼ等しい有限の断面積を備えた吸
出し管の内部の通常の羽根車の翼から出るので、
出口Ｅでの軸方向の絶対速度成分は水の全量を水
車システムを通つて放出プールへ運ぶために存在
しなければならないことに注意するべきである。
この残つている軸方向の絶対速度成分V_Eは使わ
れていない運動エネルギーに比例し、利用できる
エネルギーの中の空費部を示す。このエネルギー
の空費を最少にするため、手のこんだ吸出し管シ
ステムが羽根車の下流側に負の圧力を作ること
（これは有効落差の増加に等しいが）により、残
つている運動エネルギーの一部を償うように設計
されまた建造されねばならない。このことは、実
際の水の落差の条件が変るとき、局所的な負の落
差をキヤビテーシヨンの圧力より小さくならさせ
るという問題を生じる。そのため、羽根車の翼は
振動し、そして対応する侵食が生じ、そして水中
生物（魚）はこの急な圧力変化の部分を通るとき
に死ぬ。これらの問題は、より大きな羽根車部が
使用される低落差水力発電の適用においてはより
厳しくなる。

本発明においては、出口の水は放水路へ大気圧
下でまたは沈没した条件下で自由に放水されるの
で、上記の諸問題は除かれる。出口の流れは（吸
出し管の断面積に較べて）無限の大きさのプール
に半径方向にほぼ水平に放水されるので、こうし
て出口の水の絶対速度はほぼ零の大きさに減りう
る。第５図に示すように、水が上記の渦巻き部を
離れて上記の縦のコラムに速度V_Ioで入るとき、
上向き流れの水車は初期の自由な渦流のパターン
を得る。案内羽根１７はさらにこの渦流を調節す
るので、線速度V_Iと結合したとき、流速ベクト
ルU_Iは入口Ｉで翼８に接している相対速度V_RIを
生じる。羽根車ハウジングの外へ水を運ぶのに軸
方向の絶対速度は必要ないので、翼の出口角は、
第５図にV_REにより示されているように、本質的
に水平方向に接線を示すように設計されうる。出
口Ｅでの相対速度V_REは、出口の点Ｅでの線速度
U_Eと等しいかまたはそれ以上の大きさであるよ
うに設計されうる。前者の場合、羽根車における
すべての接線方向の力は入口での流れにより与え
られ、一方後者の場合、羽根車は出口での流れに
よつてエネルギーを空費せず完全に償うように推
力も利用する。高価な翼の調整機構と手のこんだ
吸出し管の建造とを省くことにより省略による明
らかな費用の減少が実現される。さらに、パツキ
ン押え密封部の建造とそれに関連した保守とを省
くことによる節約も重要である。効率の改善は、
通常の設計に用いられる複雑な水門を通ることに
よる動的な摩擦と撹流との減少と、水のもれの減
少と完全なエネルギーの補償とに因るものと認め
られる。第３図と第４図とに示されるように、α
は、液体の絶対速度とこの絶対速度が示されてい
る点での翼の運動の線速度との角に等しく、また
βは、液体の相対速度とこの相対速度が示されて
いる点での翼の線速度との角に等しい。本発明の
場合、α_Eβ_E180゜およびV_RE≧U_E′という事実に
より、流れの中の利用できる運動エネルギーは実
質的に完全に利用される。こうして、翼の角度
は、通常存在する水車システムに適用できなかつ
たそれ自身無比の関係を形成する。調整可能なら
せん形渦流案内羽根の採用は、さらに本発明のシ
ステムが異つた落差で高効率で動作することを可
能にする。

本発明による水力発電水車システムは、個人の
または共同体の必要に役立つためにただの数十ま
たは数百kWのポテンシヤルが利用できるところ
での小水力発電の用途に、容易にモジユールの形
に製造できる。多くの場合、小さなシステムが、
現在むだに流れている水力源を利用して、現存の
ダムのために増強された正規の放出口の仕事に変
形されうる。こうして、もし翼の材料が軽量の材
量から建造されうるならば、系の全体としての可
動性は増大する。

本発明は以上に記されたが、多くの点で変更し
うることは明らかである。このような変更は本発
明の精神と範囲からの逸脱とは見なされない。ま
た、当業者に明らかなすべてのこの変更は本発明
の特許請求の範囲内に含まれていると意図されて
いる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による低落差水力発電水車シ
ステムの形状の断面図を示す。第２図は、本発明
による水車システムのらせん状の形を示す第１図
のＡ−Ａ線方向の平断面図である。第３図は、本
発明による羽根車と流れの案内とのシステムの簡
単化された設計の形を示す図である。第４図は、
通常の下向きの流れの反動水車の設計における流
れの速度と翼の運動の関係を示す図式的な図であ
る。第５図は、本発明における流れの速度と翼の
動きとの関係を示す図式的な図である。 １……水力発電システム、２……導水管システ
ム部、３……羽根車・発電機部、４……発電機、
７……羽根車、８……翼、９……翼端ひれ、１０
……取出口、１１……室、１２……羽根車ハウジ
ング、１４……ニードル弁、１５……水圧調節装
置、１７……案内羽根。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ キヤビテーシヨンのない上昇流低落差水車シ
   ステムにおいて、 一つの室を区画していて、液体の縦放水路を区
   画し且つ上部の幅の狭い部分を備えている羽根車
   ハウジングと、上記の室へ上記の液体を導く取水
   口手段と、上記の室の中の上記の羽根車ハウジン
   グの上記の幅の狭い部分の下に位置して、上記の
   縦放水路からの上記の液体の放水を調節するため
   の弁手段とを含む導水管部と、 発電機と、上記の導水管部の上記の縦放水路に
   よつて少くとも部分的に取り囲まれている固定翼
   プロペラ水車の羽根車とを含む羽根車・発電機部 とを含む、キヤビテーシヨンのない上昇流低落差
   水車システム。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の導水管部と上記の羽根車・発
   電機部とが、モジユール状で提供される上記の水
   車システム。 ３ 特許請求の範囲第１項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の導水管部の上記の羽根車ハウ
   ジングが、上記の取水口手段と、上記の固定翼プ
   ロペラ水車の羽根車を取り囲む上記の縦放水路と
   の間の断面積を減らすように機能する渦形内壁を
   備えている、水車システム。 ４ 特許請求の範囲第１項に記載した水車システ
   ムにおいて、調節可能な渦流案内羽根が上記の縦
   放水路の内壁に備えられている水車システム。 ５ 特許請求の範囲第１項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の弁手段が、ニードル弁ドラム
   形部と、さらに上記の液体の放水を調節する上記
   の弁を助けるための水圧調節装置とを含む水車シ
   ステム。 ６ 特許請求の範囲第１項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の固定翼プロペラ水車の羽根車
   が上記の羽根車ハウジングの上記の縦放水路内に
   縦方向に位置していて、そのため、水の推力が重
   力と反対の上向き方向に加えられる水車システ
   ム。 ７ 特許請求の範囲第６項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の固定翼プロペラ水車の羽根車
   が翼端ひれを備えている水車システム。 ８ 特許請求の範囲第６項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の水車の羽根車が弾性的なまた
   は塑性的な材料を含む水車システム。 ９ 特許請求の範囲第１項に記載した水車システ
   ムにおいて、上記の水車の羽根車の翼の出口の角
   度が、上記の液体がこの羽根車の頂部よりも高く
   はない一点にてほとんど水平な半径方向に、ほと
   んど零に近い絶対速度で放水されるように設計さ
   れている水車システム。