JP6078101B2 - 円錐形プロペラ水車装置及びこれを利用した水力発電装置 - Google Patents

Description

本発明は送水配管系に介設して使用される円錐形プロペラ水車装置に関し、特に水車効率を高め、発電効率を高めた水力発電装置を構成する事の出来る円錐形プロペラ水車装置に関する。

近年、自然エネルギーに対する関心が高まり、太陽光発電や風力発電、或いは水力発電が脚光を浴びている。この内、水力発電は、昼夜、年間を通じて安定した発電が可能であり、設備利用率が50〜90％と高く、太陽光発電と比較して5〜8倍の電力量を発電でき、出力変動が少なく、系統安定、電力品質に影響を与えない等、多くのメリットを有する。

かかる水力発電装置としては、ダムを造らずに発電を行うものとして、水路式の小水力発電が注目されている。この小水力発電には、低落差小流量であっても効率よく発電できる構造が求められており、これまでに小水力用フランシス水車、ポンプ逆転水車、横軸プロペラ水車などが使用される。これらのうち横軸プロペラ水車は、１ｍから２０ｍ程の低落差、０．０６ｍ^３／ｓから３ｍ^３／ｓ程度の流量に適用して、２ｋＷから３００ｋＷ程度の電力を得ることができ、特に低落差の小水力発電に適合するとされている。

従来の横軸プロペラ水車は、水路の中心に設けた回転軸の周囲に複数のプロペラブレードを設け、水流による回転軸の回転運動を外部の発電機に伝達して発電する構成としていることから、発電機は水路の外に存在し、装置自体が大型化してしまいという課題があった。また、水中にある横軸プロペラ水車の回転軸と外部にある発電機の回転軸とを接続する必要があった為、水管を外部に貫通する回転軸のシール構造を要して装置が複雑化するという課題があった。

そこで特許文献１（特開２００２−３６４５１０号公報）では、水管を貫通する回転軸が存在しない水力発電機を提案している。即ち、この文献では、発電効率を上げるとともに、コンパクトにまとめて設置スペース上の制約を緩和したインライン型水力発電装置を提供するべく、両端部を開口したケーシングと、環状の水路を介して同心に配置された発電機ケーシングと、これに収容した発電機と、水車軸を介して発電機を回転させるとともに、環状の水路に回転自在に配置された水車ランナと、この水車ランナの直上流位置で環状の水路に複数個配置された案内羽根とを備え、案内羽根の内外径は、入口から出口に向かって縮径しているとともに、軸方向の長さに対して周方向一方側への変位量を大きく設定して、直進する水を予旋回流に変換するように構成したインライン型水力発電装置を提案している。

また、特許文献２（特開２００２−３０３２４０号公報）では、サイドスラスタ形式のポンプまたは小水力発電設備などの流体機械の案内羽根構造として、羽根車を固着して水平方向にのびるポンプ主軸と、ポンプケーシングの外部に配置されてポンプ主軸を回転駆動する縦軸電動機とを備え、縦軸電動機の回転軸とポンプ主軸がポンプケーシングに装入されたギヤケースに収容されている直交変換動力伝達機構を介して連動可能に互いに連結されており、ギヤケースが複数の案内羽根を介してポンプケーシングに支持され、かつ回転軸を回転自在に収容した回転軸ケーシングをギヤケースからポンプケーシングに延設した流体機械の案内羽根構造が提案されている。かかる案内羽根構造を用いる事により、ポンプとした場合には、旋回速度成分を有して羽根車から流出する流れを複数の案内羽根によって軸方向に整流し、かつ速度エネルギーを圧力のエネルギーに変換することができるのでポンプ効率が向上し、一方で発電機を備えている小水力発電装置とした場合には、案内羽根によって旋回速度成分を与えた水を水車として機能する羽根車に導くことができるので、水車効率（発電効率）が向上するとの効果が開示されている。

特開２００２−３６４５１０号公報 特開２００２−３０３２４０号公報

上記の通り、従前においても、環状の水路を介して同心に発電機ケーシングを設置し、この発電機ケーシング内に発電機を設置することで小型化を実現する事は提案されており、更に案内羽根によって水を予旋回流に変換させて、水車ランナに導くことにより、比速度の低い水車の効率を上げて、発電効率を上げることは提案されている。

しかしながら、従前におけるプロペラ水車装置では、水車ランナは下流側に設けられるのが通例であり、発電機ケーシングを設けた場合であっても、当該発電機ケーシングの下流側に水車ランナが設けられていた。そして案内羽根を設ける事により、水の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して水車ランナに作用させるように構成されていた。しかしながら、水車ランナを回転させるためには、水流の速度も重要であるが、水流の圧力も有効に使用できるようにするのが望ましい。

そこで本発明は、水力を機械エネルギーに変換する際の効率（即ち、「水車効率」）を高めるべく、水流の速さのエネルギーのみならず、水流の圧力のエネルギーを最大限利用できるようにした円錐形プロペラ水車装置、及びこれを利用することにより発電効率を高めた水力発電装置を提供する事を第一の課題とする。

また従前においても案内羽根（ガイドベーン）を設置して、水車羽根（ランナーベーン）に向かう水流の向きを規制する事は検討されている。しかしながら、この案内羽根についての検討は、専ら水流の向きを規制することに注力されており、その他の作用効果や問題点については、未だ十分に検討されていないのが実情であった。

そこで本発明では、水車装置における案内羽根を、水車羽根との関係で見直して、水車効率をより一層高めると共に、振動などを生じさせることなく、安定して水車羽根を回転させることができるようにした円錐形プロペラ水車装置、及びこれを利用した水力発電装置を提供する事を第二の課題とする。

更に、送水配管系に介設して使用されるプロペラ水車装置にあっては、その設置場所の確保の観点から、長さ方向の寸法もできるだけ短い事が望ましい。例えば、既設の配管に水車装置を設置する場合、既存の減圧弁設置用スペースなどに設置できれば、水車装置の設置費用を抑えることができる。しかしながら、水車羽根を高効率・高トルクで回転させる為には、水の流速を高める必要があり、一方で水車ランナを動作させた後には再び元の流速に戻して排出する必要がある事から、キャビテーションの発生や水の流れの剥離による流体損失の問題を無くすためには、一定の長さが必要になってしまう。

そこで本発明では、このようなキャビテーションの発生や水の流れの剥離による流体損失の問題を無くしながらも、長さ寸法をできるだけ短くした円錐形プロペラ水車装置、及びこれを利用した水力発電装置を提供する事を第三の課題とする。

上記課題の少なくとも何れかを解決する為に、水車羽根と案内羽根の設置場所について改良を重ね、また水車羽根と案内羽根との関係を考慮した上で改良を行い、そして水車羽根を回転させた後の水の流れについても検討を行った結果、本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置、及びこれを利用した水力発電装置を完成するに至ったものである。

即ち本発明では、前記課題の少なくとも何れかを解決する為に、送水配管系に介設して使用される円錐形プロペラ水車装置であって、軸方向の両側を開口する外側ケーシングと、当該ケーシング内に環状の水路を介して配置された水密容器と、外側ケーシング内において回転自在に設置された水車ランナとからなり、当該水車ランナを、前記水密容器の上流側に設けた円錐形プロペラ水車装置を提供する。

かかる円錐形プロペラ水車装置によれば、水車ランナを水密容器の上流側に設置している事から、当該水車ランナにおいて流水に対向する面積を広く確保する事ができる。よって、水車ランナに作用する水の圧力を高めることができ、その結果、水車ランナの回転トルクも高まることから、水車効率を高める事ができる。

上記外側ケーシングは、両端を開口させた筒状であって、当該開口を送水管に連結して、送水管に介在させることができる。また、この外側ケーシング内には、後述する水密容器を収容することから、長さ方向の中間部を拡径して形成されている。よって、本発明にかかるプロペラ水車装置は、外側ケーシングが筒状に形成されており、その内部に水車ランナが収容されている。

上記水密容器は、水車ランナによって回転駆動される発電機、又は外側ケーシングの外に設けられた発電機に対して水車ランナの回転力を伝達する直交変換動力伝達機構を収容するものである。そして、前記水車ランナから同時回転可能に延出された水車軸を、水密且つ回転自在に導入する構成を伴っている。したがって、水車ランナが送水管を流れる水によって回転されると、その回転力は水車軸を介して水密容器内に取り込まれ、水密容器内の発電機又は直交変換動力伝達機構を動作させる。

上記水車ランナの回転力を利用する為に、前記水密容器を外側ケーシング内に設置する。この水密容器は、発電機や直交変換動力伝達機構を収容する事から、一定の容積で形成される必要がある。その結果、この水密容器の存在により水路が狭くなり、流速は高まるものの、圧力は減じられることになる。また、この水密容器は、水の流れ方向及び流れに直交する方向の抵抗となることから、当該水密容器の下流側においては、乱流が発生する等により流体損失が発生する事も考えられる。そこで本発明では、この水密容器の上流側に水車ランナを設置して、流水に対向する面積を広く確保し、より高い圧力で水車ランナを回転させることができるようにしたものである。よって、本発明における水車ランナは、水密容器の外径を考慮することなく、外側ケーシングの内径の大きさに形成することができる。

上記水車ランナは、外側ケーシング内に案内された水を受けて、当該水車ランナに回転力を生じさせる水車羽根を複数伴って構成されている。そこで、この水車羽根に対して回転力を高める向きで水を案内するように、水車ランナの上流側には、当該水車羽根に水を案内する案内羽根を設けるのが望ましい。かかる案内羽根は、送水管を通って外側ケーシング内に案内された水を、水車羽根の羽根面に対して直交する向きに旋回させて案内する事で水車効率を高める事ができる。よって、当該案内羽根は、前記水車羽根に対して直交する向きに傾斜しているのが望ましい。特に水車ランナの回転中心が円錐形状に形成され、前記水車羽根がこの回転中心に対して螺旋状に展開して形成されている場合（即ち、全体が円錐形状に形成されている場合）には、当該案内羽根によって流れの向きが変更または旋回された水流が、当該螺旋状に形成された水車羽根に対して垂直に当たるように形成するのが望ましい。

また、上記の様に水車羽根に導く水の流れを規制する案内羽根を設けた場合には、前記水車羽根と前記案内羽根とは設置枚数及び傾斜角度の少なくとも何れかが異なっている事が望ましい。水車羽根と案内羽根との位置関係次第では、案内羽根から案内された水流による水車羽根への作用が低下する場合も存在する。そして複数形成された水車羽根と案内羽根の全てにおいて、この位置関係になった場合には、その後水流が水車羽根に作用する状態になった時には、振動乃至は衝撃が発生してしまう。そこで、水車羽根と案内羽根はその設置枚数を異ならせることにより、案内羽根の何れかの羽根から案内された水流は、常に水車羽根の何れかに作用するように、両者の枚数を異ならせることが望ましい。更に、このような観点においては、水車羽根と案内羽根とは倍数の関係にならない様に形成するのが望ましい。

上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置においては、水車羽根に作用した後の水の流速を、送水管を流れる流速に戻すための構成を伴って構成されるのが望ましい。流速が速い状態で送水管に送った場合には、流れの剥離により乱流が発生してしまい、流体損失が大きくなる可能性もあり、また流速の変化に伴って圧力が急激に変化した場合には、流水中にキャビテーションが発生し、衝撃波を生じさせてしまう恐れもあるためである。

よって、上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置は、前記水車ランナの下流側に、水車ランナに作用した水の流れを、外側ケーシングの軸方向に整流する整流羽根を設けるのが望ましい。

特に、本発明の円錐形プロペラ水車装置では、外側ケーシング内に水密容器を設置しており、当該水密容器の存在箇所は環状の流路となって、少なからず流路が狭まることになる。そして水密容器の下流側では送水管の管径まで復元されることから、水密容器部分とそれよりも下流側では流路の面積は大きく変化する事になる。そして水車ランナを動作させた水が旋回流となって環状の流路を移動すると、その流速はさらに加速する事になる。そこで本発明では、水密容器と外側ハウジングとの間の環状の流路には、水車ランナに作用した水の旋回を減じるように作用する整流羽根を設けるのが望ましい。

かかる整流羽根は、外側ケーシングの軸方向に伸びて水密容器の外面から放射状に広がる板状に形成する他、水車ランナに作用した水の旋回する向きに対して逆向きに傾斜するように設置する事ができる。また上流側では水車ランナから排出される水流の向きに沿いながらも下流側に向かって水車軸に沿う向きになるように湾曲させて形成する事もできる。この整流羽根の向きや軸方向の長さは、この円錐形プロペラ水車装置を設置する送水管の水量や水流の勢い等を考慮して適宜設定する事ができる。かかる整流羽根を設ける事により、水車ランナから排出された水流の速度を最適条件で戻す事ができ、よってキャビテーションの発生や水流の剥離の問題を解消しながらも、軸方向の長さを短くする事ができる。

また、この整流羽根は、外側ケーシング内に水密容器を保持する機能を併せ持つことができる。外側ケーシングの内周面と水密容器の外周面に架設することにより、当該水密容器の径方向外側には環状の流路を確保する事ができる。また、この整流羽根の何れかが、水密容器の内部空間と外側ケーシングの外部とを連通させる貫通孔を備える事も望ましい。当該貫通孔を通して、発電機の配線や、直交変換動力伝達機構の回転軸を案内できる為である。またこの整流羽根も複数の羽根で構成する事ができ、水車羽根とは異なる数の羽根で形成する事が望ましい。前記案内羽根と水車羽根の関係と同じように、水車羽根と整流羽根が一致することによる振動乃至は衝撃の発生を阻止するためである。

そして上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置は、特に水力発電において有効に活用する事ができる。即ち、かかる水力発電は、上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置と、当該円錐形プロペラ水車装置における水密容器内又は外側ケーシングの外部に設けられる発電機とからなり、この発電機が、前記水車ランナによって回転駆動されるように構成した水力発電装置である。

かかる水力発電装置にあっては、水車効率の高い水車ランナを伴って構成されている事から、発電効率を高めることができ、落差の少ない送水管や、送水量の少ない送水管に設置した場合であっても、効率良く発電する事ができる。

なお、上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置は、水力を利用して機械エネルギーを取得する場合について説明してきたが、当該水車ランナや案内羽根及び整流羽根の構造や配置は、原動機によって送水するポンプなどの送水装置としても使用する事ができる。よって本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置は、前記発電機に変えて原動機を設定したポンプでも実施する事ができる。

上記本発明の円錐形プロペラ水車装置によれば、ケーシング内に環状の水路を介して配置した水密容器（内部の水密空間には、発電機や直交変換動力伝達機構を収容する）の上流側に水車ランナを設けている事から、送水管から案内された水を、勢いよく当該水車ランナに導くことができる。即ち、かかる構成によって、水流の速さのエネルギーのみならず、水流の圧力のエネルギーも利用できることから、水力を機械エネルギーに変換する際の効率（即ち、「水車効率」）を高め、落差の少ない送水管や水量の少ない送水管であっても最大限水流のエネルギーを取り出す事ができる。

また、本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置において、前記水車ランナの上流側には、外側ケーシング内に案内された水を水車ランナに設けられている水車羽根に案内する案内羽根を設けた場合には、水車羽根に作用する水の流れをコントロールする事ができる。そしてこの案内羽根が、水車羽根の羽根面に対して直交する向きに水の流れを旋回させるように傾斜している場合には、案内された水流は効率よく水車羽根に作用する事から、水車効率を一層高める事ができる。

また、上記水車羽根と前記案内羽根との関係を、水流の向きのコントロール以外の観点から検討を行い、設置枚数及び傾斜角度の少なくとも何れかを異ならせることにより、両者が正対する等で一致する事に起因する衝撃や振動の発生の問題を解消し、安定して水車羽根を回転させることができるようにした円錐形プロペラ水車装置、及びこれを利用した水力発電装置を提供する事ができる。

更に、水車ランナの下流側には、水車ランナに作用した水の流れを、外側ケーシングの軸方向に整流する整流羽根を設けた場合には、旋回流として水車ランナから排出される水流を整流することができ、よって送水管に戻す際にも十分に流速を減じる事ができる。したがって流速（又は圧力）の変化に起因する、キャビテーションの発生や水の流れの剥離による流体損失の問題を無くして、最適な条件で流速を減じる事が可能である。その結果、当該円錐形プロペラ水車装置の流入面及び流出面における面間距離を減じ、長さ寸法をできるだけ短くした円錐形プロペラ水車装置、及びこれを利用した水力発電装置を提供する事ができる。

そして上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置を使用して水力発電を行う事により、水車効率は高められ、発電効率の良い水力発電装置を実現する事ができる。特に当該水力発電装置であれば、落差の少ない送水管や総水量の少ない送水管であっても設置して、発電させることができるのであるから、上水道や下水、或いは工場排水などの様々な送水管に設置する事もできる。特に、私有する送水管に設置する場合には、河川に設置する場合と異なり、利権問題等を回避する事ができ、よってより一層普及しやすいものとなる。

本実施の形態にかかる水力発電装置の縦断面図 図１の水力発電装置における案内羽根を示す斜視図 図１の水力発電装置における案内羽根を示す正面図 図１の水力発電装置における水車ランナを示す斜視図 本実施の形態にかかる水力発電装置の設置状態を示す全体略図 実験１の結果を示すグラフ 実験２の結果を示すグラフ 実験３の結果を示すグラフ

以下、図面を参照しながら、本実施の形態にかかる円錐形プロペラ水車装置30に発電機20を組み合わせた水力発電装置10を具体的に説明する。

図１は本実施の形態にかかる水力発電装置10の縦断面図であり、図２は当該水力発電装置10における案内羽根34を示す斜視図であり、図３は当該案内羽根34を示す正面図であり、図４は当該水力発電装置10における水車ランナ37を示す斜視図であり、図５は本実施の形態にかかる水力発電装置10の設置状態を示す全体略図である。

図１からも明らかなとおり、この実施の形態にかかる水力発電装置10は、円錐形プロペラ水車装置30と、この円錐形プロペラ水車装置30内に設けられた発電機20とで構成されている。円錐形プロペラ水車装置30は、軸方向の両端部を開口した筒状の外側ケーシング39と、この外側ケーシング39内の中空部に、同心に設置した水密容器40とを備えており、この水密容器40は整流羽根38に保持されていることから、外側ケーシング39の内面と水密容器40の外面との間には環状の水路（45-46-47）が確保されている。この水密容器40内には、発電機20を水密に収容しており、発電機20の回転子（図示省略）と同時に回転する水車軸41が、当該水密容器40から延出している。そしてこの水車軸41の先端には、水車軸41に対して同時回転可能に取付けられた斜流羽根車からなる水車ランナ37が設けられており、この水車ランナ37には複数の水車羽根36が螺旋状に設けられている。そしてこの水車ランナ37の上流側には、送水管から案内された水流を水車ランナ37の水車羽根36に向かって案内する案内羽根34が設けられている。

特に水密容器40から水車軸41が延出している部分には、メカニカルシールを施している。その結果、発電機20が収容されている水密容器40内への通水を阻止する事ができる。なお、水密容器40の下側には、外側ケーシング39を貫通して開口するドレン抜き48を設けている。かかるドレンを設けることにより、メカニカルシールの劣化又は水圧の管径で水が漏水した場合であっても、これを外側ハウジングの外に排出することができる。

また、当該水密容器40には、その内部空間から外側ハウジングの外部まで貫通する案内管43を設け、発電機20から出力される電気は、この案内管43を通る給電用のケーブルによって取り出す事ができる。

上記外側ケーシング39は、環状の水路（45-46-47）の上流側であって、流入側の送水管に接続される開口を設けた上流部31と、当該上流部の下流側であって、水密容器40を収容する中央部32と、環状の水路（45-46-47）の下流側であって排出側の送水管に接続される開口を設けた下流部33を備え、これらはフランジ44によって脱着可能かつ水密に一体結合されている。

環状の水路（45-46-47）は、外側ケーシング39における中央部の内側に位置する軸線に平行な中央部46と、外側ケーシング39における上流部の内側に位置して上流から下流に向けて拡径する上流部45と、外側ケーシング39における下流部の内側に位置して上流から下流に向けて縮径する下流部47とで構成されており、水車軸41の先端側は、水密容器40の上流側端部から水密かつ回転自在に突出して、外側ケーシング39における上流部の内部に導出されている。そしてこの導出端部には、水車ランナ37が同時回転可能に取付けられており、当該水車ランナ37は環状の水路（45-46-47）の上流部内に回転自在に配置されている。また、この外側ケーシング39の上流部内（即ち「環状の水路（45-46-47）の上流部内」）には、前記水車ランナ37の上流側に案内羽根34を設けている。

図２及び３に示すように、案内羽根34は、送水管から案内された直進水流を、周方向一方側に旋回する予旋回流に変換して水車ランナ37に送り込むために機能するもので、環状の水路（45-46-47）の上流であって送水管に接続される開口に固定羽根として設けられる。本実施の形態では、長さ方向に傾斜して放射状に延伸する６枚の案内羽根34（固定羽根）として形成している。この傾斜した案内羽根34を通過した水は、旋回しながら水車羽根36に向かって流れ、水車羽根36の羽根面に対して垂直に当たって、水車ランナ37を回転させることができる。

図４は、上記案内羽根34によって旋回された水流が当たる水車ランナ37を示しており、本実施の形態では、上流側（先端側）を尖らせると共に、下流側（後端側）を前記水密容器40と同じ外径に形成した円錐部35と、この円錐部35の周面に螺旋状に形成した４枚の水車羽根36とからなる水車ランナ37を用いている。本実施の形態において、それぞれの水車羽根36は約１８０°の旋回角度となるように湾曲しており、下流側に行くに従い、軸心に対する交差角が大きくなるように湾曲している。またこの水車羽根36は、円錐部35の周面に対して直交する向きで延出するものとして形成されている。なお、この円錐部35は、その頂角が本実施の形態では約６０°〜８０°となるように形成している。但し、この円錐部35の頂角や軸心長（円錐の高さ）は、設置するスペースや水量等を考慮の上、適宜調整する事ができる。

かかる水車ランナ37において、送水管を案内され、且つ案内羽根34によって流れの向きが変更された水が当たる受水面は、上流側が送水管と略同径に形成され、広い受水面積が確保されている。この為、当該水車ランナ37を回転させる為に多くの水を利用する事ができ、その結果、送水されている水の圧力を最大限利用する事ができる。

そしてこの水車ランナ37の軸方向長さを長くし、水車羽根36の面積を増大させることにより、水力を効率的に利用する事ができ、水の流れるエネルギーを最大限取り込んで水車ランナ37を回転させることができる。

以上の様に水車ランナ37を効率的に回転させた水は、当該水車ランナ37から排出される際には旋回流となっており、旋回流の状態で環状の水路（45-46-47）の中央部に案内される事になる。そこで、この旋回流の流速を緩やかに減じる事ができるように、本実施の形態では、環状の水路（45-46-47）の中央部には、水密容器40の外周から放射状に展開する板状の整流羽根38を複数設けている。かかる整流羽根38を設けることにより、水車ランナ37から旋回流で放出された水流は、水車軸41の軸方向に整流され、流速が減じられることになる。このように流速を減じる事により、水路の下流部側に案内する際に、流速又は圧力の急激な変化に起因するキャビテーションの発生を減じる事ができ、また水路の下流部47（即ち、外側ハウジングの下流部33内）に設けられた、逆向き円錐形状で、下流に向かって縮径する整流カバー42においても流れの剥離が生じにくくなり、乱流が発生する可能性を減じて流体損失を小さくする事ができる。

図５は、上記水力発電装置10の設置例を示しており、本実施の形態では、特に工場における排水の為の送水管51に介在させて設置した状態を示している。特に本実施の形態にかかる水力発電装置10は、此れに使用している円錐形プロペラ水車装置30の水車効率が高い事から、落差の少ない送水管51にも設置する事ができる。そしてかかる水力発電装置10で発電した電力は、その後パワーコンディショナー50によって整流することにより、商用電力として販売する事もできる。

本実施例では、水車ランナ37を水密容器40の上流側に設置する事による効果、及び案内板を設置する事による効果を確認するべく実験１〜３を行った。

実験１では、前記図１に示した水力発電装置10において、案内羽根34を取り外した水力発電装置10を準備し、整流カバー側を上流とし、水車ランナ37側を下流とする向きで水を通して、その特性を、負荷電流、電圧、電力の観点で評価した。その結果を図６に示す。

また、実験２では、実験１とは逆向きに水を通して特性を評価した。即ち前記図１に示した水力発電装置10において、案内羽根34を取り外した水力発電装置10を準備し、水車ランナ37側を上流とし、整流カバー側を下流とする向きで水を通して、その特性を、負荷電流、電圧、電力の観点で評価した。その結果を図７に示す。

そして実験３では、実験２において案内羽根34を設置し、即ち、図１に示した水力発電装置10について水を通し、その特性を、負荷電流、電圧、電力の観点で評価した。その結果を図８に示す。

この実験から明らかなように、水車ランナ37を水密容器40の上流側に設置する事により、発電量は増大し、更にこれに案内羽根34を設ける事により、更に発電量が増加する事が確認された。

上記本発明にかかる円錐形プロペラ水車装置及びこれを使用した水力発電装置は、小型発電装置において有効に利用する事ができ、上下水道などの送水管や、工場排水などに設置する事で、手続き上の困難を無くして水力発電装置を設置する事ができる。

10 水力発電装置
20 発電機
30 円錐形プロペラ水車装置
31 外側ハウジング上流部
32 外側ハウジング中央部
33 外側ハウジング下流部
34 案内羽根
35 円錐部
36 水車羽根
37 水車ランナ
38 整流羽根
39 外側ケーシング
40 水密容器
41 水車軸
42 整流カバー
43 案内管
44 フランジ
45 流路上流部
46 流路中央部
47 流路下流部
48 ドレン抜き
50 パワーコンディショナー
51 送水管

Claims (5)

1. 送水配管系に介設して使用される円錐形プロペラ水車装置であって、
   軸方向の両側を開口する外側ケーシングと、当該ケーシング内に環状の水路を介して配置された水密容器と、外側ケーシング内において回転自在に設置された水車ランナとからなり、
   当該水車ランナは、円錐形状の回転中心に対して螺旋状に展開する水車羽根を伴って形成されると共に、前記水密容器の上流側であって、前記環状の水路における上流から下流に向けて拡径する上流部内に設けられている円錐形プロペラ水車装置。
   
2. 更に、前記水車ランナの上流側には、外側ケーシング内に案内された水を水車ランナに設けられている水車羽根に案内する案内羽根が設けられており、
   当該案内羽根は、前記水を、水車羽根の羽根面に対して直交する向きに旋回させるように傾斜している、請求項１に記載の円錐形プロペラ水車装置。
   
3. 前記水車ランナには複数の水車羽根が設けられており、当該水車羽根と前記案内羽根とは設置枚数及び傾斜角度の少なくとも何れかが異なっている、請求項２に記載の円錐形プロペラ水車装置。
   
4. 前記水車ランナの下流側には、水車ランナに作用した水の流れを、外側ケーシングの軸方向に整流する整流羽根が設けられている、請求項１〜３の何れか一項に記載の円錐形プロペラ水車装置。
   
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の円錐形プロペラ水車装置と、当該円錐形プロペラ水車装置における水密容器内又は外側ケーシングの外部に設けられる、前記水車ランナによって回転駆動される発電機とからなる、水力発電装置。