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技術 ブースター機能つき羽根車

出願人 石津雅勇
発明者 石津雅勇
出願日 2013年6月26日 (7年1ヶ月経過) 出願番号 2013-133612
公開日 2015年1月15日 (5年6ヶ月経過) 公開番号 2015-007414
状態 特許登録済
技術分野 水力タービン 風車
主要キーワード ドーナッ状 導流管 位置決め支柱 回転伝動部材 外側根 導水装置 ケーシング底板 溜り部分
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年1月15日)のものです。
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図面 (10)

課題

本発明は、羽根車出力効率の増加を図るものである。

解決手段

ブースター機能つき羽根車の外側羽根車6に内側羽根車3を、変速動力伝動装置7を介在して羽根車群10を構設し、羽根車群内に流入する流体エネルギで、内側羽根車が外側羽根車の回転速度よりも早い回転速度で回転駆動し、羽根車群内を流れる乱流整流し、その整流した流体が、遠心力を伴いながら羽根車群内を循環し、逆流領域にある外側羽根車に流体エネルギ−をブーストし、クロスフロー型水車には不可欠なガイドベーン同期機構等の導流装置を省略したブースター機能つき羽根車を提供する。

概要

背景

渓流農業用水路等の開水路において、低落差低水位流水エネルギーを効果的に利用する手段として、水車構造が簡易で設置や維持管理が容易なクロスフロー型水車発電機の採用が行はれている。
しかしながら、クロスフロー型水車の場合、水車羽根への逆流領域で大きな逆流抵抗を受けるため振動の発生や回転が困難となり、クロスフロー型水車に不可欠な逆流領域カバーや水車に流入する流量と水車の回転速度の同期調整機構等、精密導流装置が必要であり、これらの課題を解決することが求められていた。

例えば、非特許文献1に示すように水車全体水没させる場合、羽根車への逆流領域での大きな逆流抵抗を受けるため、逆流領域での羽根が受ける逆流を、搖動羽が流れに対し平行に搖動し自動的に逆流を逃がし、振角に応じて復元力が生じるように、羽根軸と水車フランジとの間に引っ張りバネを取り付けた、非特許文献1の1章4頁の図—1及び写真—1のような搖動羽車を開発した従来の技術がある。
(非特許文献1)(1章3頁)

また、非特許文献1に示されている水車は、クロスフロー水車に不可欠な導流管ガイドベーン及び流出部に落差工を設けないで、水車の導水口や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げ、水車内貫流する水位落差活用して水車内の流水加速させ出力効率の増加を図っている技術がある。
(非特許文献1)(3章27頁)

また、特許文献1に示す技術は、効率よく流体回転翼送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部14を設けて水寄せし、導水効果を計っているものや前記非特許文献1の3章27頁で記載のように、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げる事で出力効率の増加を図っている技術がある。

概要

本発明は、羽根車の出力効率の増加をるものである。ブースター機能つき羽根車の外側羽根車6に内側羽根車3を、変速動力伝動装置7を介在して羽根車群10を構設し、羽根車群内に流入する流体エネルギで、内側羽根車が外側羽根車の回転速度よりも早い回転速度で回転駆動し、羽根車群内を流れる乱流整流し、その整流した流体が、遠心力を伴いながら羽根車群内を循環し、逆流領域にある外側羽根車に流体エネルギ−をブーストし、クロスフロー型水車には不可欠なガイドベーンや同期機構等の導流装置を省略したブースター機能つき羽根車を提供する。

目的

本願発明は、クロスフロー型羽根車に内側羽根車を併設し、内側羽根車がクロスフロー型羽根車の回転速度よりも早い回転速度で回転し、逆流領域にある鉛直軸式クロスフロー型羽根車の湾曲型羽根に流体力をブーストし、逆流領域にある湾曲型羽根からも回転エネルギの抽出を可能にした機構を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

請求項1に記載の発明は、回転出力軸に固設した円錐状のボス羽根複数個周設し、前記円錐状のボスと一体的に固設した内側羽根車に、複数個の羽根と軸受部を一体的に固設した外側羽根車を、変速動力伝動装置を介在して構成し、前記内側羽根車の外周縁と外側羽根車に周設した羽根の内周縁を一定間隔をあけ、その区画貫流路として画成し、前記内側羽根車と外側羽根車の羽根の延設面を対面して、前記外側羽根車に固設した軸受部を、内側羽根車に突設した回転出力軸に軸着して構設した羽根車群具備するブースター機能つき羽根車

請求項2

請求項2記載の発明は、請求項1記載のブースター機能つき羽根車において、前記羽根車群をケーシングの羽根車部に内設し、前記羽根車部の流入口から流入する流体エネルギで、前記、内側羽根車と外側羽根車を回転駆動し、前記内側羽根車と外側羽根車は、前記変速動力伝動装置の手段によって相間関係で互に連係して作動し、内側羽根車は外側羽根車の回転速度より高速で同一方向に回転し、前記内側羽根車に突設した回転出力軸を、前記羽根車部の蓋板に設けた主軸受けで回転自在に貫通軸支し、前記回転出力軸と、ケーシングと前記ケーシングの羽根車部に内設した前記羽根車群と、それぞれ一体的に固設している機構を更に具備したブースター機能つき羽根車。

請求項3

請求項3記載の発明は、請求項1から2のいずれかに記載のブースター機能つき羽車において、前記羽根車部の逆流領域側の外周縁に、流体入り口排出開口部に設けた排気筒間に内郭を設け、前記内郭の内周壁面と、前記内側羽根車に固設したボスの頂点方向に傾斜した円錐面との区画を流路とし、前記区画した流路の排出開口部の排気筒に排水を設けた一切の機構を、更に具備したブースター機能つき羽根。

請求項4

請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載のブースター機能つき羽根車において、風力エネルギの作用によって回転する羽根車の回転出力軸に、円筒状のボスを嵌着し前記ボスに内側羽根を複数個周設し、前記回転出力軸に、外側羽根を複数個周設した回転盤一体化した輻を、変速動力伝動装置を介在して前記回転出力軸上に構設し、前記円筒状のボスに周設した内側羽根の回転速度が、回転盤に周設した外側羽根の回転速度より高速で同一方向に回転し、前記内側羽根を周設した円筒状のボスに突設した回転出力軸を、筺体埋設した主軸受けで回転自在に貫通軸支して風力羽根車群を構設し、前記風力羽根車群と前記回転出力軸と筺体と取り付け部材と、それぞれ一体的に固設している機構を、更に具備したブースター機能つき風力羽根車。

技術分野

0001

本願発明は、クロスフロー型羽根車内側羽根車を併設し、内側羽根車がクロスフロー型羽根車の回転速度よりも早い回転速度で回転し、逆流領域にある鉛直軸式クロスフロー型羽根車の湾曲羽根流体力ブーストし、逆流領域にある湾曲型羽根からも回転エネルギの抽出を可能にした機構を提供する。

背景技術

0002

渓流農業用水路等の開水路において、低落差低水位流水エネルギーを効果的に利用する手段として、水車構造が簡易で設置や維持管理が容易なクロスフロー型水車発電機の採用が行はれている。
しかしながら、クロスフロー型水車の場合、水車羽根への逆流領域で大きな逆流抵抗を受けるため振動の発生や回転が困難となり、クロスフロー型水車に不可欠な逆流領域カバーや水車に流入する流量と水車の回転速度の同期調整機構等、精密導流装置が必要であり、これらの課題を解決することが求められていた。

0003

例えば、非特許文献1に示すように水車全体水没させる場合、羽根車への逆流領域での大きな逆流抵抗を受けるため、逆流領域での羽根が受ける逆流を、搖動羽が流れに対し平行に搖動し自動的に逆流を逃がし、振角に応じて復元力が生じるように、羽根軸と水車フランジとの間に引っ張りバネを取り付けた、非特許文献1の1章4頁の図—1及び写真—1のような搖動羽車を開発した従来の技術がある。
(非特許文献1)(1章3頁)

0004

また、非特許文献1に示されている水車は、クロスフロー水車に不可欠な導流管ガイドベーン及び流出部に落差工を設けないで、水車の導水口や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げ、水車内貫流する水位落差活用して水車内の流水加速させ出力効率の増加を図っている技術がある。
(非特許文献1)(3章27頁)

0005

また、特許文献1に示す技術は、効率よく流体回転翼送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部14を設けて水寄せし、導水効果を計っているものや前記非特許文献1の3章27頁で記載のように、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げる事で出力効率の増加を図っている技術がある。

0006

特開2011−117314号公報(第7ページ

先行技術

0007

国土技術政策総合研究所資料第328号流水エネルギー活用に関する調査報告書(第1章3頁、第3章27頁)
原歯車工業株式会社KHKTOCK GEARS3006 vol.8 (平成6年8月20日改訂8版P294〜295)

発明が解決しようとする課題

0008

解決しようとする問題点は、前述の非特許文献1、(1章参照27頁)の機構によれば、逆流領域での羽根車が受ける逆流抵抗を搖動羽が流れに対し平行に搖動し、逆流を逃がし自動的に張りバネによって復元する機構を用い、ガイドベーンや同期機構等の省略を図っている、然し乍ら、搖動水車に流入する流水が、渦や、不連続な脈流が流入する場合及び、搖動水車の出力負荷が短周期で急激に変動した場合、羽根の仰角が流体力や後渦に応じて変動し、羽軸と水車フランジ部との間に設けた張りバネの強度が非自動の場合、前記羽根の仰角変動過渡現象に対応できず、羽根の仰角が不連続に脈動し、この不連続に脈動した流体力が増幅され羽根車の回転が不規則な回転を生じ振動破損を引き起こすことがある、この現象に対応するには、引っ張りバネの強度や水車の公転位置と搖動羽に対する流体力を、自動制御する必要があり実用化には課題がある。

0009

また、国総研資料1の3章27ページに示されている水車は、縮流導水装置として、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて水位を上げ、鉛直軸型クロスフロー水車内を貫流する水位の落差を活用して水車内の流水を加速させ、出力効率の増加を図っている。
しかしながら、水車の導水口に水寄せ板や堰を設けて水位を上げて水車入り口と排水口の水位の落差を活用し、水車内の流水を加速させて出力効率の増加を図ることは、鉛直軸型クロスフロー水車の場合、水車内を貫流した多量の流水が、排水口近傍の水車羽根に再度流体力を作用させて効率を上げるのが特質で、国総研資料1の3章記載の水車は、水車羽根が水車の軸方向に平行して延在して設けているため、排水口近傍の水車羽根に作用する流水は、水車羽根に沿って勾配をつけ斜めに降下排水し、水車入り口と排水口の水位の落差を大きくすればする程、水車羽根に作用する流体力が減少し、回転方向に十分作用せず、特に水車羽の回転数が低下するに従い、自由水面流からの流れが羽根車を貫流す際に水位が急激に低下し、水車羽根に作用する流体力が弱くなる。
したがって、落差による出力効率の増加を図る効果と、クロスフロー水車の特質と相反する矛盾が生じるという課題がある。
(非特許文献1)(3章参照27〜28頁)

0010

また、特許文献1に開示されている発明は、効率よく流体を回転翼に送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部14を設けて水寄せし導水効果を計っているが、ケーシング12の流体案内部14の流体の流れ込む側の相反する側の溜り部分Zに水が存在すると回転翼の回転に抗力負荷がかかるという、問題を提起されその解決を図っているが不合理のために課題がのこる。

課題を解決するための手段

0011

上記課題を解決するため請求項1に記載した本願発明を、図1と2を示して詳述する。
回転出力軸15に嵌設した円錐状のボス1に、ブースト羽根2を複数個周設し、前記「円錐状のボスと一体的に固設した内側羽根車3」に、「複数個の湾曲型羽根4を周設した外側羽根車6」を、変速動力伝動装置7を介在して、前記外側羽根車6が有する軸受部5を、内側羽根車3に突設した回転出力軸15に軸着し、羽根車群10を構設する。
また、内側羽根車3の外周縁8と外側羽根車6に周設した湾曲型羽根4の内周縁17を一定間隔をあけ、その区画貫流路9として画成する。

0012

請求項2記載の本願発明を、図2〜4と7を示して詳述する。
前記羽根車群10を活用した、可搬式鉛直軸型クロスフロー水力発電装置74(以下発電装置74と略称する場合がある。)を、流が生じている水中に水没させて用い、前記発電装置74が有するケーシング61の羽根車部19に設けた流入口20から流入する順流水21が、前記羽根車部19に内設した羽根車群10の内側羽根車3と外側羽根車6を回転駆動し、前記内側羽根車3と外側羽根車6は、前記変速動力伝動装置7の手段によって相間関係で互に連係して回転作動し、内側羽根車3は外側羽根車6の回転速度より高速で同一方向に回転し、前記内側羽根車3に突設した回転出力軸15を、前記羽根車部19の蓋板33に設けた主軸受け部28で回転自在に貫通軸支し、前記貫通した回転出力軸15を、架構部63が有する電動発電機71に伝動し駆動する。

0013

前記羽根車群10の作動によって羽根車群10内を貫流する流水の変化を図3を示して詳述する。
前記羽根車部19に内設した羽根車群10は、ブースト羽根2を有する内側羽根車3と、湾曲型羽根4を有する外側羽根車6と、変速動力伝動装置7で構成し、羽根車部19の流水入り口20から流入した順流水21が、前記湾曲型羽根4とブースト羽根2に、流体力を作用し、羽根の抵抗を受けて流速減衰しながら溢水分流12し、貫流路9を翼後渦13や乱流を含んだ貫流水11として貫流し、前記貫流水11は、前記貫流路9を貫流する過程で内側羽根車3に固設したブースト羽根2と円錐状のボス1の回転手段によって、翼後渦13や乱流を含んだ貫流水11をボスの頂点方向23に掻き揚げ合成整流しながら排出開口部14近傍の射流を防ぎ、且つ排出開口部14近傍に設けている軸方向に平行して延在した湾曲型羽根4の背面24上部に再度流体力を作用させ、湾曲型羽根4の羽と羽の間を強制的に射出して排水49し、前記湾曲型羽根4の回転数が低下した場合においても、羽根車群内を貫流する貫流水11は、排出開口部14近傍で射流することなく、排水開口部14から強制的に排水49して羽根車部19内の流速を加速し、出力効率の増加を図ることが出来る、したがって非特許文献1、の落差効果とクロスフロー水車の特質と相反する矛盾を解消する最も主要な特徴とする。

0014

前記強制排水について図3を示して詳述する。
外側羽根車6に固設した湾曲型羽根4(以下、単に湾曲型羽根4と略称する場合がある。)の周速は、羽根車部19の流水入り口20から流入する順流水21の流速に順応して回転し、前記順流水21の流速が速い場合は湾曲型羽根4の回転速度が高速状態になり、前記湾曲型羽根4に流体力が作用した順流水21は羽根の抵抗を受け、流速を減衰しながら射流して湾曲型羽根4の背面24に沿って排水する。
また前記順流水21の流速が遅い場合は湾曲型羽根4の回転速度が低速状態になり、回転数が低下するに従い順流水21の羽根に作用する流体力が低下し、羽根車群10内部の中央部を貫流しながら、急激に水面勾配下げ、順流水21に対する羽根の抵抗を減衰しながら排出開口部14近傍の湾曲型羽根4の背面24に沿って排水49する、したがって、湾曲型羽根4の回転速度が高速又は低速、いずれの場合においても、排水近傍の軸方向に平行して延在した湾曲型羽根4には十分に流体力が作用せずクロスフロー水車の特質が生かせない。

0015

そこで、湾曲型羽根4の回転速度が低速または高速に拘らず、排出開口部14から貫流水11を強制的に排水する手段として、内側羽根車3に固着したボスの形状を頂点方向に傾斜縮小23し、内側羽根車3の回転速度が外側羽根車6の回転速度より高速で同一方向に回転する変速動力伝動装置7の手段を駆使し、前記貫流水11を、ボス1の頂点方向に掻き揚げ、遠心力を伴って流水を加速し、かつ排出開口部14近傍の射流を防ぎ、排出開口部14近傍の、前記順流水21の流速に順応して回転する湾曲型羽根4の周速をはるかに越える流速で「軸方向に平行して延在した湾曲型羽根4」の羽と羽との間を、湾曲型羽根4の上部方向に射出排水し、湾曲型羽根4の回転トルクに寄与しない排水で「湾曲型羽根4から受ける余分な乱流水抵抗」の影響を軽減し、湾曲型羽根4の回転が高速又は低速に拘わらず、効率良く強制的に排水するため、落差に頼らず羽根車群10内の流水を加速させ、出力効率の増加を図ることが出来、非特許文献1、の落差効果とクロスフロー水車の特質と相反する矛盾を解消する最も主要な特徴とする。

0016

前記、内側羽根車3の回転が湾曲型羽根4の周速をはるかに越える値で回転する設定手段は、図2と7に示すように、変速動力伝動装置7の遊星歯車B82と太陽歯車A81の歯数及びリング歯車C83の歯数を選択して、内側羽根車3の回転速度が外側羽根車6の回転速度より高速回転するように設定し、併せて、内側羽根車3の回転出力軸15を介して駆動する永久磁石式電動発電機(以下発電機71と称する場合がある)の出力電力時分割し、デューティ比の設定を、1/20程度にした電力を、発電機71内に電動機用として併巻した駆動コイル帰還し、発電機71と電動機を時分割して回転出力軸15を駆動し、内側羽根車3の回転をアシストして、順流水21の流速に順応して回転する湾曲型羽根4の周速を見かけ上停止に近い状態に調整して実現する。
また本発明の主体は羽根車の流体系の活用にあるので、電気関係の説明は省略する。

0017

前記請求項3記載の内郭部(以下ブースト内郭部25と称する場合がある)について図1〜5を示して詳述する。
逆流領域側の羽根車部19の外周縁に、平板体を、流水入り口20に設けた位置決め支柱55から周方向排気筒38に至る間に周設し、前記ブースター内郭部25の内周壁面30と、内側羽根車3に固設した円錐状ボス1の頂点方向に傾斜した円錐面23との区画断面が、台形類似状42に形成された区画を、排水堰75から半時計方向に位置決め支柱55に至る区画間をブースター流路36として画成する。

0018


前記貫流路9を流通する順流水21が排出開口部14近傍にある動作中の湾曲型羽根の背面24に再度流体力を作用し、前記湾曲型羽根4の抵抗を受けて減衰して排水する排水と、ブースト羽根2の回転手段によって強制的に排水する排水が共に、排出開口部14から排水49し、前記排水49から漏洩した溢水分流水43や、貫流水11の一部が漏洩した回生流44が、ブースト羽根2の回転手段によって加速しながら排水堰75を流越し、ブースト流45としてブースター流路36を循環する、その循環する過程でブースト流45は、ブースト羽根2と一体化した円錐状のボス1の頂点方向に掻き揚げられ、射流を防ぎ逆流領域近傍の湾曲型羽根4の背面24に流体力をブーストし、逆流領域近傍の湾曲型羽根車6を駆動する。

0019

また、前記ブースト流45が、ブースター流路36を循環する過程で羽根車部19の外周から外に飛び出し流出するのを、羽根車部19の外周に設けたブースター内郭部25の手段によって阻止し、且つ効果的に凝集し、前記凝集したブースト流45が湾曲型羽根4の背面24に流体力をブーストすることによって、湾曲型羽根4の表面18よりも背面24の方が空気抵抗が大きくなり、背面24が押される方向に回転力が回転出力軸15に生じ、逆流領域での羽根車群10が受ける逆流抵抗を克複し、逆流領域側の湾曲型羽根4からも回転トルクの抽出31が可能となり搖動水車が課題とした、引っ張りバネの強度や水車の公転位置と搖動羽に対する流体力を自動制御する必要無く、搖動水車の欠陥を超えた最も主要な特徴とする。

0020

また、請求項2記載の羽根車群10をケーシングの羽根車部19に内設し、流が生じている水中に水没させて用いるケーシング61は、図4に示すように、導水部27と羽根車部19とブースター内郭部25で構成し、前記ケーシングを構成するいずれの部位も図5と6に示すように、底板37と蓋板33を備え、前記導水部27の傾斜側板51とブースター内郭部25の手段によって、羽根車部19の内部と側溝60の内壁面L52間のたまり部分57を周流する流水を遮断し、特許文献1が課題にした、案内部の流体の流れ込む側の相反する側の壁面の溜まり水の影響を効果的に解消したことを特徴とする。

0021

また、従来の技術として非特許文献1の3章27頁に記載した、水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて圧力水頭を上げる技術や、特許文献1に示す効率よく流体を回転翼に送り込むためには、一対の回転翼間に至る仕切りと案内部14を設けて水寄や水頭を上げるといういずれの技術も、流入水の流量や流速の急激な変化に対応するためクロスフロー型羽車には導流同期機能等が不可欠で、前記機構のみでは導流装置としての効果は期待できず、本願発明による、前記発電装置74を構成する「羽根車群10を内設するケーシング61の導水部27に設けた傾斜側板51」を、前記傾斜側板51の端末56と、流水入口20の位置決め支柱55と、ブースター内郭部25の始点40が、前記位置決め支柱55に定着する条件を満たす事によって、流入水の流量や流速の急激な変化が有る場合においても同期機構等は不要になり、クロスフロー型羽車には不可欠なガイドベーンも省略できる機能を備えた発電装置74を主要な特徴とする。

発明の効果

0022

上記の構成により次のような効果を有する装置を提供できる。
搖動羽車のように、逆流領域で羽根が受ける逆流を、搖動羽が流れに平行にして自動的に逆転流を逃がし順流領域で羽根を復元する方式や水車の導水口に堰や水寄せ板を設けて水位を上げ、排水口との落差を用いて水車内の流水を加速させ、出力率の増加を図るという従来の技術が有るが、このような問題のある機構を使用しなくても、外側羽根車と内側羽根車を変速動力伝動装置を介在して併設し、内側羽根車の回転速度が外側羽根車の回転速度より高速で同一方向に回転する機構を駆使し、ブースター内郭部と内側羽根車に固着した円錐形状のボスを活用したことで、逆流領域での羽根車が受ける逆流抵抗を克複し羽根車内の流水を加速させ射流を防ぎ、クロスフロー型羽根車の特質を生かし、且つクロスフロー型羽根車には不可欠なガイドベーンや同期機構等の導流装置の省略を図ることが出来るという利点がある。

図面の簡単な説明

0023

1、内側羽根車3と、外側羽根車6と、円錐状のボス1、及び貫流路9の部位に対応する断面図と平面図を線で結んだ説明図であって、想像部分の軸受け部5の部分は細部のため、カクレ線を省略して可視部分に置き換え、また、歯車部7の詳細は図2に記載した、説明図。 2、内側羽根車の外周縁8と、ブースト羽根の外周縁8と、貫流路の内周円8は、共通の指示点に付き、詳述する上ですべて符号を8と称する。 3、湾曲型羽根4の内周縁17と、貫流路9の外周円17は、共通の指示点に付き、詳述する上ですべて符号を17と称する。 4、図1と3と8に記載した平面図において、外側羽根車6の外周円外部に記載した矢印22と31は、順流領域22近傍の湾曲型羽根4と、逆流領域31近傍の湾曲型羽根4と、双方の湾曲型羽根4から回転トルクが抽出できる事を示す説明用平面図。 5、台形区画42は、排水堰75から矢印42方向の位置決め支柱55に至る区間を、貫流路9と台形区画42と一定区間重畳したブースター流路36を画成した、平面図、また図2に、台形区画42をハッチング表記した図を併記した。
1、変速動力伝動装置7の要部と、羽根車群10の部位に対応する断面図と平面図を線で結んだ説明図。 2、貫流路9は、湾曲型羽根縁の回転軌跡を17とし、ブースト羽根縁の回転軌跡を8とした断面図。 3、図1にはボス1にハッチングを表記しているが、図2には、ボス1の頂点方向に傾斜した面23の視認が容易にするため、ボス1にハッチングの表記を省略した。
1.図3の主体は「ブースター内郭部25」の形成手段と、貫流路9を貫流する流水の変化に対応する羽根車群10の動作説明にあるので、図4記載の羽根車部19と羽根車部の流入口20の図面は、図3においては省略し、符号のみ記載するに留めた説明用平面図。 2、図1の5に併記したブースター流路36の説明用平面図。
落し蓋式字側溝60を活用したケーシング61の導水部27と、羽根車部19と、ブースター内郭部25と、溜まり部分57と、位置決め支柱55及び排気筒38の、要部の関係を示す平面図。
ケーシング部61と、羽根車部19と、駆動伝動部59と、ケーシング61の底板37と、排気筒38と、ブースター内郭部25の内側30の、位置関連を説明用する概念斜視図。
実施例1と2に係る架構63と導水部27蓋33と底板37の斜視図。
実施1と2に係る、発電装置74を側溝60の懸架台73に脱着自在に載着する概念斜視図。
1、発明を実施するための形態4に係る風力羽根車群46の断面図に対応する平面図を線で結んだ説明図。 2、天盤77と回転盤79の各々の内周円17と外周円6bは同等の対面仕様で、天盤77の外周縁6bと、湾曲型羽根4の外周縁6bと、外側羽根車6の外周縁6bは共通の指示点に付き、詳述する符号を6bと称する。
1、発明を実施するための形態4に係る風力羽根車群46の内側羽根車3と、外側羽根車6と、「天盤77と軸受け部84と軸受け部84を固設した輻78」を、構設する図である。 2、外側羽根車6を上方から見たA面と下から見たB面を二段に重複して記載した概念斜視図。 3、アシスト羽根車に関する概念斜視図。

0024

〈第1の実施形態〉
以下本願発明について図1を示して詳述する。
ブースター機能つき羽根車を構成する羽根車群10は、内側羽根車3と外側羽根車6と、変速動力伝動装置7で構成し、前記内側羽根車3は、その内側羽根車の中心位置に固着した円錐状のボス1に回転出力軸15を突設し、前記円錐状ボス1に、羽根2として内側羽根車の外周縁8と、回転出力軸に固設した円錐状ボス1間に、回転出力軸を中心として周方向に一定間隔をあけて放射状に複数個を円錐状ボスの頂点方向の傾斜面23に沿って拡大した板体状の羽根2(以下ブースト羽根2と称する場合がある)を周設し、更に変速動力伝動装置7が有する太陽歯車A81を回転出力軸15に嵌着し、前記太陽歯車A81を嵌着した回転出力軸15と、円錐状ボス1と、ブースト羽根2を、一体的に固設して内側羽根車3を構成する。
また、前記内側羽根車3に併設する外側羽根車6は、その外側羽根車の中心位置に軸受部5を挿嵌し、前記外側羽根車の外周縁6から貫流路9の外周軌跡17間に、複数個の平板体を状に湾曲形成した湾曲型羽根4を、外側羽根車6の回転方向58に湾曲型羽根の湾曲表面18を向けて外側羽根車6に配置し、回転出力軸15を中心として周方向に一定間隔をあけて、軸方向に平行して延在するよう外側羽根車6に周設して外側羽根車6を構設し、前記軸受部5と遊星歯車B82の軸35を埋設した外側羽根車6を、変速動力伝動装置7の遊星歯車B82と太陽歯車A81を介在して、前記内側羽根車3に突設した回転出力軸15に、前記外側羽根車6の軸受部5を回転自在に軸着し、内側羽根車3と外側羽根車6の羽根面側が対面して構設し羽根車群10を構成する。

0025

〈第2の実施形態〉
第2の実施形態は、請求項2記載の羽根車群10を構設する手段として用いる変速力伝動装置7について図2を示して詳述する。
前記外側羽根車6のキャリア側面29に遊星歯車B82の歯車軸35を埋設し、その遊星歯車軸35に遊星歯車B82を回転自在に軸着し、その遊星歯車B82と内側羽根車3の回転出力軸15に嵌着した太陽歯車A81を噛合A32し、併せて遊星歯車B82と、ケーシングの蓋板33に固設したリング歯車C83と噛合B34するとともに、前記外側羽根車6に挿嵌した軸受け部5を、内側羽根車3の回転出力軸15に回転自在に軸着し、前記外側羽根車が有する湾曲型羽根の内周縁17と、内側羽根車の外周縁8を一定間隔をあけて、内側羽根車3のブースト羽根側と外側羽根車6の湾曲型羽根側が対面して構設し、前記内側羽根車と外側羽根車は、相間関係で互に連係して作動し、内側羽根車3の回転速度が外側羽根車6の回転速度より高速で同一方向に回転する羽根車群10を構設する。

0026

前記、内側羽根車3の回転速度が外側羽根車6の回転速度より高速で同一方向転する機構について、非特許文献2記載の遊星歯車装置図2を示して詳述する。
そこで、本願発明の変速動力伝動装置7と非特許文献2記載の遊星歯車装置と同一構成要素については、同一の符号を付与しその説明を省略する。
遊星歯車装置の遊星歯車B82の歯数を16に設定し、且つ太陽歯車A81の歯数も16に、更にリング歯車C83の歯数を48に設定した遊星歯車装置において、リング歯車C83を固定し、太陽歯車A81を出力とするプラネタリ型のキャリア入力方式を援用した場合を例にして、変速動力伝動装置に置き換えした外側羽根車6をキャリアとして配役し、前記外側羽根車6のキャリア面側29に遊星歯車B82の軸35を埋設し、その遊星歯車軸に遊星歯車B82を回転自在に遊嵌し、この遊星歯車B82と内側羽根車3の回転出力軸15に、嵌着した太陽歯車A81と、噛合A32し、併せて遊星歯車B82はリング歯車C83とも噛合B34する。
この場合、リング歯車C83を固定するという条件下においては、遊星歯車B82がリング歯車C83と噛合B34しながら、太陽歯車A81の外周を遊星し回転する、その遊星回転する遊星歯車B82を軸着した外側羽根車6と内側羽根車3は相間関係で互いに連係して同一方向に回転する。
したがって、外側羽根車6が流水力の作用で回転し、その回転を遊星歯車装置のそれぞれ歯車の歯数によって定まる減速伝達比で内側羽根車3を連動回転するから前記選択した歯車B82の歯数を16及び歯車A81の歯数を16に、更にリング歯車C83の歯数を48に設定した場合、非特許文献2によると計算の結果は、外側羽根車の回転速度は内羽根車の回転速度の1/4になり、したがって内羽根車の回転速度は外羽根車の回転速度はより4倍高速回転する。
前記計算の根拠は非特許文献2を参考にした。
また、遊星歯車装置のリング歯車C83を固定した太陽歯車A81を出力とするプラネタリ型のキャリア入力方式の減速伝達比の計算方法は、非特許文献2に委ねる。

0027


〈第3の実施形態〉
第3の実施の形態を、請求項1記載の貫流路9と請求項3記載のブースター流路36の画成について図1〜3を示して詳述する。
外側根車6が有する湾曲型羽根の内周縁17と、内側羽根車が有するブースト羽根2の外周縁8を、一定間隔あけて貫流路9として貫流水11の流路を画成し、更に平板体を内郭部(以下ブースト内郭部25と称する場合がある。)として、流水入り口20に設けた位置決め支柱55を始点として排気筒38間に、時計回りに外側羽根車6の外周縁16の回転軌跡に沿って円弧を描きながら前記ブースター内郭部25の内周壁30と外側羽根車6の外周縁16が摺接しない間隔39をあけて羽根車部19の外周縁に周設し、前記ブースター内郭部25の内壁面30と、記前内側羽根車3に固着したボ ス1の頂点方向に傾斜した円錐面23との間が台形状類似の断面42に区画された流路を、ブースター流路36として、前記貫流路9と一定区分を重畳して画成する。

0028

前記羽根車群10内に画成した貫流路9は、羽根車部19の流水入り口20から流入した順流水21が、羽根車群内を貫流11し、変速動力伝動装置7の変速手段によって回転する「湾曲型羽根4の内周縁17」を貫流する低速流と、「ブースト羽根2の外周縁8」を貫流する高速流と、それぞれ一定間間隔(符号17と8間)をあけた各羽根縁間の周速に応じて同一方向に流水し、速度の異なる流水は容易に混合して合成されることなく「両流水間に隔たり」が出来て、貫流路9と、前記貫流路9と重畳したブースター流路36を画成する。

0029

また、前記貫流路9を流通する貫流水11が、排出開口部14近傍にある動作中の湾曲型羽根4の背面24に再度流体力を作用し、羽根の抵抗を受けて減衰した貫流水11が、ブースト羽根2の回転手段によって強制的に排出開口部14から排水49し、その排水から漏洩した溢水分流水43や貫流水11の残留した回生流44が、ブースト羽根2の回転手段によって加速しながら排水堰75を流越し、ブースト流45としてブースター流路36を循環し、前記ブースト流45がブースター流路36を環流する過程で、円錐状ボス1の頂点方向に掻き揚げ凝集し、前記凝集したブースト流45を湾曲型羽根4の背面24にブーストするとともに、更に循環流26として羽根車部19の流水入口20方面へ還流して貫流水11を有効に活用し、逆流領域側の湾曲型羽根4からも回転トルクの抽出31が可能となり、逆流領域でのクロスフロー水車には不可欠なガイドベーンや同期機構等、導流装置の省略することが出来る。

0030

また図4に示すように、前記ケーシング61が有する羽根車部19の外周縁に周設したブースター内郭部25と、前記ケーシング61が有する導水部27に設けた傾斜板51の手段によって、羽根車部19の内部と、側溝の内壁面L52のたまり部分57間を遮蔽し、導水部27の拡大開口部分50から流入した貫流水11と、前記ケーシング61の外部を浮遊する流水を遮断し、前記羽根車部19に内設した羽根車群10には何等溜まり水の影響を与えず、特許文献1記載の課題である、案内部の流体の流れ込む側の相反する側の壁面の溜まり水の影響を解消する。

0031

また、流が生じている水中に全没させて用いるケーシング61は、前記ケーシング61の羽根車部19に内設した羽根車群10の回転に伴い羽根車部19内の流水に、渦流溶存気体遊離による気泡が生じ、羽根車部19内でキャビテーション現象圧力損出が生じ、それを防ぐために排気筒48を排出開口部14近傍に設け、羽根車部19内の圧力損失を軽減する。

0032

〈第4の実施形態〉
第4の実施形態の、請求項4記載のブースター機能つき風力羽根車について図8と9を示し詳述するが、主体は羽根車の流体系の活用にあるので、電気関係の図及び説明は省略する。
図8は、第4の実施形態に係る風力羽根車群46を主体にした断面図と、その断面図に対する平面図を、線で結んだ説明図である。
また、図8は、風力羽根車群46を主体にした図で、アシスト羽根車89について図9に記載する。
図9は、外側羽車6bをA面記載は上からの斜視図で、B面記載は下からの斜視図。また、図1〜図7に示したブースター機能つき羽根車に設けられていた構成要素と、第4の実施形態に係る構成要素が同じものについては、同一の符号を付与しその説明を省略する。

0033

本願発明のブースター機能つき風力羽根車を大気中に備えた、前記ブースター機能つき風力羽根車を構成する風力羽根車群46の内側羽根車3bと、外側羽根車6bを、風力羽根車群46内を流通する風力で回転駆動し回転出力軸15から回転力を抽出する。
また、外側羽根車6bに設けた湾曲型羽根4は、逆流領域においても、ブースト羽根47の回転手段によって湾曲型羽根4の表面18よりも背面24の方が空気抵抗が大きいために、背面24が押される方向に回転力が回転出力軸15に生じ、順流領域22及び逆流領域31の何れの領域においても、風力羽根車群46が有する回転出力軸15で回転力を抽出することが可能になる。

0034

前記風力羽根車群46は、内側羽根車3bと、外側羽根車6bと、変速動力伝動装置7と、回転出力軸15と、風車筺体76で構成し、内側羽根車3bは、回転出力軸15に円筒状のボス41を嵌着し、前記ボス41に内羽根をブースト羽根47として平板体を、前記内側羽根車の外周縁8と、湾曲型羽根の内周縁17とを一定間隔をあけて放射状に複数個を、前記円筒状のボス41に周設し、前記ブースト羽根47と、ボス41と、回転出力軸15が、一体的に固設して内側羽根車3bを構設する。
また外側羽根車6bは、リングドーナッ状の回転盤79の外周縁6bから、前記回転盤79の内周縁17間に、外羽根を湾曲型羽根4として、平板体を弓状に湾曲形成した複数個の湾曲型羽根4を、回転盤79の回転方向58に湾曲型羽根4の湾曲表面18を向けて放射状に一定間隔をあけて回転盤79上面に周設し、「前記回転盤79と、軸受部5と遊星歯車の軸35を埋設した輻80」を、一体的に固設して外側羽根車6bを構設する。

0035

また、前記風力羽根車群46の構設については、内側羽根車3bに固着した円筒状のボス41に突設した回転出力軸15を、主軸受け部28方向に回転出力軸15bと、反対方向の軸受け部84側に回転出力軸15aの二方向に突設し、前記回転出力軸15bに、前記外側羽根車6bが有する輻80の軸受部5を、変速動力伝動装置7の太陽歯車A81と遊星歯車B82を介在して内側羽根車3bの回転出力軸15bに軸着し、更に前記回転出力軸15の端末15aに、リングドーナッ状の天盤77と一体化した輻78の軸受け部84を貫通軸着し、前記天盤77は、回転盤79に周設した湾曲型羽根4の上端を固着して補強する。
また、前記輻78の軸受け部84を貫通した回転出力軸15aに、「微風下において、外側羽根車6bの初期起動性を高める上で有効な」アシスト羽根車89に固着した一方向クラッチ86を軸着し、前記アシスト羽根車89は、一方向クラッチ86と、輻87と、風杯型の羽根88を一体的に固設してアシスト羽根車89を構成し、前記アシスト羽根車89に固設した風杯型の羽根88は、公知の事実である風杯型の羽根車方式を活用したもので、風を受けて回転する方向は羽根の凸面の一方向に回転する。
従って、順流領域22及び逆流領域31の何れからの風力も、アシスト羽根車89の手段によって風力羽根車群46が有する回転出力軸15で回転力を抽出することが可能になる。

0036

また、内側羽根車3bと外側羽根車6bは相間関係で互に連係して作動し、内側羽根車3bが有するブースト羽根47の回転速度が、外側羽根車6bが有する湾曲型羽根4の回転速度より高速で同一方向に回転する羽根車群46を構設する。

0037

風力羽根車群46を援用してブースター機能つき風力発電装置構築する場合、前記風力羽根車群46が有する回転出力軸15bを、変速動力伝動装置7の内歯車83を抱持した風車筺体76に埋設した主軸受け28で貫通軸支し、前記貫通した回転出力軸15bを、別に備えた発電機71の回転軸に接続し、風力羽根車群46を載設した、風車筺体76の接続部材85を、別に設けた方位制御機構を備えたタワー装設しブースター機能つき風力発電装置が実現する。

0038

前記ブースター機能つき風力発電装置が、微風下において、外側羽根車6bの初期起動性を高める手段として、相間関係で互に連係して作動する内側羽根車3bと外側羽根車6bを結合する変速動力伝動装置7の遊星歯車B82と太陽歯車A81の歯数及び、リング歯車C83の歯数を選択して設定し、外側羽根車6bを駆動する内側羽根車3bの慣性モーメントを軽減し、内側羽根車3bに設けた回転出力軸15bを介して駆動する発電機71を電動機として前記発電機71内に併巻してある電動機の駆動コイルに微少の電力をパルス的に、別に備えた電源装置を用いて供給し、発電機71のコギングトルク打ち消す磁気トルクを発生させ、外側羽根車6bの回転をアシストして起動性を高めることが出来る。

0039

また本実施の形態によっても、前記第1〜2実施の形態と同様の効果が得られ、さらに、羽根車群の構成次第で水車発電や風車発電に援用できるという効果がある。

0040

実施例1について詳述する図は次の通り。
図41、導水路62から排出開口部14へ向かって流れる水路に係る部材の配置平面図。
2、ケーシング61と一体化した導水部27と、羽根車部19と、ブースター内郭部25の位置関係の平面図
3、導水部27の構設手段を説明する平面図。
4、導水部27の傾斜板端末56と、ブースター内郭部25の始点40を、位置決め支柱55に定着する条件の説明する平面図。
図5、1、ケーシング底板37と、位置決め支柱55と、羽根車部19の流水入り口20の、配置関係及び、図4補完するための斜視図である。
2、羽根車群10が有する回転出力軸15の回転エネルギを、電動発電機71の回転軸70に伝動するプロセスを説明する概念斜視図である。
図6、 ケーシング61を内設する架構部63と、貫通軸受け65を固着した中間梁64と、発電機取り付け台69の、位置関係を示す斜視図である。
図7、発電装置74を側溝60の懸架台73に脱着自在に載着する概念斜視図。実施例1は、流が生じている水中に水没して用いる可搬式鉛直軸式クロスフロー型水力発電装置(以下発電装置74と略称する場合がある。)は、日本工業規格に基づく落し蓋式U字側溝60(以下、側溝60と略称する場合がある。)の導水路62から排出開口部14へ向かって流れる水路を形成したケーシング61を有し、前記ケーシング61は、導水部27と羽根車部19とブースター内郭部25とで構成し、前記ケーシング61を構成するいずれの部位も底板37とケーシング蓋33を備え、前記導水部27は、導水部の拡大開口部分50を、側溝60の導水路62方向に配置し、前記導水部の大開口部分50と導水部の傾斜側板51が接する位置に設けた嵌合金具で、前記ケーシング底板37に立設した位置決め支柱L53に嵌着し、前記位置決め支柱L53と側溝60の内壁面L52の接続は実状に応じ密着する。更に、傾斜側板51の端末側56に接合金具を設け、前記接合金具をケーシングの中央狭窄部54の流水入り口20のケーシング底板37に立設した位置決め支柱55に定着し、前記導水部の傾斜側板51は、導水部の傾斜板端末56と内郭部(以下ブースト内郭部25と称する場合がある)の始点40と羽根車部19の流水入り口20位置決め支柱55に定着することを条件に、導水部の拡大開口部50の形状や傾斜側板51の敷設を任意に可変し、河川の実情に適した施工が容易となる前記ケーシングの導水部27を構設する。

0041

前記ケーシングの羽根車部19は、ケーシング61の中央狭窄部54に羽根車部19の流水入り口20を設け、ブースト内郭部25として、平板体を前記流水入り口20のケーシング底板37に立設した位置決め支柱55を始点として排気筒38間に、図3に示すように、時計回りに外側羽根車の外周縁16の回転軌跡に沿って円弧を描きながら前記ブースター内郭部25の内周壁30と外側羽根車の外周縁16が摺接しない間隔39をあけて羽根車部19の外周縁に周設し、前記羽根車部19に内設した羽根車群10が有する回転出力軸15を、羽根車部19の蓋板33に設けた主軸受け28で貫通軸支する。

0042

前記駆動伝動部59は、前記羽根車群10が有する回転出力軸15を、架構部63の中間梁64に設けた貫通軸受け65で貫通軸支し、更に前記貫通した出力軸を、クラッチ66を備えた回転伝動部材67に軸着し、前記回転伝動部材67の回転を、伝動部材68を介在して、前記架構部63が有する発電機取り付け台69に具設した発電機71の回転軸70に回転を伝動し、前記ケーシング部61と、前記駆動伝動部59と前記発電機71を一体的に架構部63に構設し、架構部63の懸架梁72を、前記側溝60の懸架台73に脱着自在に載設して水力発電装置74とする。

0043

実施例2を図5〜7を示して詳述する。前記側溝60を活用した開放型水路の冶水計画は、50年に一度又は、100年に一度等の計画水量に対応できる河道断面を考慮に側溝は敷設されている。通常は側溝内の70パーセント程度の空間は未使用で、側溝60の空間部を有効に活用して、前記水力発電装置74を側溝の懸架台73に脱着自在に載着し、且つ側溝に落とし蓋をして一般通路として利用を可能にし、降雨雪解けなどによって河川の水量が平常よりも増加する時は、逃がし水48としてケ−シング蓋板33の上面を迂回水路とし排水し、羽根車群10には何等影響を与えず、雪塊浮遊物の処理が可能にする。
また、前記導水部27の傾斜側板端末56と、羽根車部19の流水入口20の位置決め支柱55と、ブースター内郭部25の始点40が、前記位置決め支柱55に定着する条件を守れば、雪塊等浮遊物の処理機構を実情に沿った構成で、導水部の拡大開口部分50に付設する事が可能になる。
また、50年に一度、100年に一度等の一時的な洪水時には、簡単に側溝60から発電装置74を抜脱し、側溝60の機能を害すること無く維持管理が容易で汎用性に富んだ発電装置74を提供する。

実施例

0044

実施例1〜2に記載した発明の主体は、羽根車の流体系の活用にあるので、電気関係の説明は省略する。

0045

1円錐形状のボス
2ブースト羽根
3内側羽根車
4湾曲型羽根
5軸受け部
6外側羽根車
7変速動力伝動装置
8 ブースト羽根縁と内羽根車の外周縁
9貫流路
10羽根車群
11貫流水
12溢水分流
13翼後渦
14排出開口部
15回転出力軸
16 外側羽根車の外周縁
17 貫流路画と湾曲型羽根縁の内周
18 湾曲型羽根の表面
19羽根車部
20 羽根車部の流入口
21順流水
22順流領域の回転トルク抽出を表す
23頂点方向に傾斜した面
24 湾曲型羽根の背面
25ブースター内殻
26循環流
27導水部
28主軸受け部
29 羽根車のキャリア側
30 ブースター内殻内壁
31逆流領域の回転トルク抽出を表す
32 噛合A
33 羽根車部の蓋板
34 噛合B
35遊星歯車軸
36 ブースター流路
37ケーシングの底板
38排気筒
39摺接しない間隔
40 ブースター内殻武始点
41円筒形状のボス
42台形類似区画断面
43 排水から漏洩した溢水分流水
44回生流
45 ブースト流
46風力羽根車群
47 ブースト羽根B
48 逃し水
49 排水
50拡大開口部分
51傾斜板
52 U字側溝の内壁面L
53位置決め支柱L
54 中央狭窄部
55 位置決め支柱
56傾斜側板端末
57 溜まり部分
58 回転方向
59 駆動伝動部
60落とし蓋式U字側溝
61 ケーシング
62導水路
63架構部
64中間梁
65貫通軸受け
66クラッチ
67回転伝動部材
68伝動部材
69発電機取り付け台
70発電機回転軸
71電動発電機
72懸架梁
73懸架台
74水力発電装置
75 ブースター流路の堰
76風車の筺体
77天盤
78 天盤の輻
79回転盤
80 回転盤の輻
81歯車A
82 歯車B
83内歯車C
84 輻の軸受け
85取り付けフランジ
86一方向クラッチ
87風杯羽根の輻
88 風杯羽根
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