特許 6054189 軸流水車発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6054189

(24)【登録日】2016年12月9日

(45)【発行日】2016年12月27日

(54)【発明の名称】軸流水車発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03B 11/02 20060101AFI20161219BHJP

   F03B 3/04 20060101ALI20161219BHJP

【ＦＩ】

   F03B11/02

   F03B3/04

【請求項の数】14

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-15653(P2013-15653)

(22)【出願日】2013年1月30日

(65)【公開番号】特開2014-145347(P2014-145347A)

(43)【公開日】2014年8月14日

【審査請求日】2015年7月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100117787

【弁理士】

【氏名又は名称】勝沼 宏仁

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100107537

【弁理士】

【氏名又は名称】磯貝 克臣

(74)【代理人】

【識別番号】100150717

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 和也

(72)【発明者】

【氏名】久 保 幸 一

(72)【発明者】

【氏名】大 竹 典 男

(72)【発明者】

【氏名】中 村 一 幸

(72)【発明者】

【氏名】塩 浦 忠 則

【審査官】 田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−０１３８３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／０６３５９９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０３Ｂ １１／０２

Ｆ０３Ｂ ３／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、
前記外側筒状体と前記内側筒状体とを連結するステーと、を備え、
前記外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられ、
前記外側筒状体の側から見た場合の前記外側筒状体と前記内側筒状体との間の流れに沿った前記ステーの断面形状は、ステー軸線に沿って形成され、
前記ステーは、第１ステー部分と、前記第１ステー部分より半径方向外側に位置する第２ステー部分と、を含み、
前記第１ステー部分および前記第２ステー部分における前記ステー軸線は、前記ランナの前記回転軸線に対して傾斜しており、
前記第２ステー部分における前記ステー軸線と前記ランナの前記回転軸線との角度は、前記第１ステー部分における前記ステー軸線と当該ランナの当該回転軸線との角度より小さいことを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項2】

前記外側筒状体の側から見た場合の前記外側筒状体と前記内側筒状体との間の流れに沿った前記ステーの断面は、翼型形状を有していることを特徴とする請求項１に記載の軸流水車発電装置。

【請求項3】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、
前記外側筒状体の下流側領域に設けられ、主流方向に延びるカバーと、を備え、
前記外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられ、
前記カバーは、前記内側筒状体の上方に配置されるとともに、主流方向の下流側からみたときに前記外側筒状体の下流端部における当該外側筒状体の内面より半径方向外側に配置されていることを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項4】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、を備え、
前記外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられ、
前記外側筒状体は、当該外側筒状体の下流端部から上流側に延びる切欠部であって、主流方向から見た場合に当該外側筒状体の上側部分が直線状に切り欠かれた切欠部を有し、
前記延長片は、前記外側筒状体の前記下流端部のうち前記切欠部以外の部分に設けられていることを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項5】

前記外側筒状体の下流側領域に設けられた平板状のカバーを更に備え、
前記カバーは、前記切欠部を覆うとともに当該切欠部から主流方向に延びていることを特徴とする請求項４に記載の軸流水車発電装置。

【請求項6】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、を備え、
前記外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられ、
前記延長片の半径方向長さは、前記外側筒状体の下流端部と前記内側筒状体との間の半径方向距離の１０％〜４０％であることを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項7】

前記外側筒状体の上流端部に、流水を前記外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられ、
前記案内筒は、前記外側筒状体の上流端部から主流方向とは反対方向に徐々に拡大しながら延びていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の軸流水車発電装置。

【請求項8】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、を備え、
前記外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられ、
前記外側筒状体の上流端部に、流水を前記外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられ、
前記案内筒は、前記外側筒状体の上流端部から主流方向とは反対方向に徐々に拡大しながら延び、
前記案内筒の上流端部と前記ランナの前記回転軸線との間の半径方向距離は、前記外側筒状体の下流端部と前記内側筒状体との間の半径方向距離の６０％〜８０％であることを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項9】

前記ランナの前記回転軸線を含む平面における前記案内筒の断面は、当該回転軸線の側に向って凸状となるように曲線状に形成されていることを特徴とする請求項７または８に記載の軸流水車発電装置。

【請求項10】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、
前記外側筒状体と前記内側筒状体とを連結するステーと、を備え、
前記外側筒状体の上流端部に、流水を前記外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられ、
前記案内筒は、前記外側筒状体の上流端部から主流方向とは反対方向に徐々に拡大しながら延び、
前記外側筒状体の側から見た場合の前記外側筒状体と前記内側筒状体との間の流れに沿った前記ステーの断面形状は、ステー軸線に沿って形成され、
前記ステーは、第１ステー部分と、前記第１ステー部分より半径方向外側に位置する第２ステー部分と、を含み、
前記第１ステー部分および前記第２ステー部分における前記ステー軸線は、前記ランナの前記回転軸線に対して傾斜しており、
前記第２ステー部分における前記ステー軸線と前記ランナの前記回転軸線との角度は、前記第１ステー部分における前記ステー軸線と当該ランナの当該回転軸線との角度より小さいことを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項11】

前記外側筒状体の側から見た場合の前記外側筒状体と前記内側筒状体との間の流れに沿った前記ステーの断面は、翼型形状を有していることを特徴とする請求項１０に記載の軸流水車発電装置。

【請求項12】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、
前記外側筒状体の下流側領域に設けられ、主流方向に延びるカバーと、を備え、
前記外側筒状体の上流端部に、流水を前記外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられ、
前記案内筒は、前記外側筒状体の上流端部から主流方向とは反対方向に徐々に拡大しながら延び、
前記カバーは、前記内側筒状体の上方に配置されるとともに、主流方向の下流側からみたときに前記外側筒状体の下流端部における当該外側筒状体の内面より半径方向外側に配置されていることを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項13】

流水に浸漬されて流水により発電を行う軸流水車発電装置において、
流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、
少なくとも一部が前記外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、
前記外側筒状体の内側に配置され、前記内側筒状体に回転自在に設けられたランナであって、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転するランナと、
前記内側筒状体に内蔵され、前記ランナの回転により発電を行う発電機と、を備え、
前記外側筒状体の上流端部に、流水を前記外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられ、
前記案内筒は、前記外側筒状体の上流端部から主流方向とは反対方向に徐々に拡大しながら延び、
前記案内筒の上流端部と前記ランナの前記回転軸線との間の半径方向距離は、前記外側筒状体の下流端部と前記内側筒状体との間の半径方向距離の６０％〜８０％であることを特徴とする軸流水車発電装置。

【請求項14】

前記ランナの前記回転軸線を含む平面における前記案内筒の断面は、当該回転軸線の側に向って凸状となるように曲線状に形成されていることを特徴とする請求項１０乃至１３のいずれかに記載の軸流水車発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施の形態は、軸流水車発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

地球温暖化防止の観点から、再生可能エネルギの積極的利用が叫ばれて久しい。数ある再生可能エネルギの中でも水力は古くから積極的に開発、利用が進んでいる。しかし、その主流はダムを利用した大規模集中型発電であるため、新規開発に適した建設地は少なく、環境負荷への懸念から新規建造は困難な状況である。このような事情から、これまでの大規模集中型発電から、未開発の地点が豊富な中小規模分散型発電への転換が望まれている。中小規模分散型発電の一つとして、ダムのような大規模な施設を利用しない、超低落差水力を利用した発電方式が挙げられる。

【0003】

超低落差水力の利用に適した水車として、水平軸揚力型ランナを有する軸流水車が挙げられる。この軸流水車は、ダリウス水車やサボニウス水車等の垂直軸の水車と比較して格段に高効率である。また、軸流水車は、近年の生産技術の進歩や新素材の開発等の技術革新により、製造コストも比較的安価なものとなっている。

【0004】

このような水平軸揚力型ランナを有する軸流水車の場合、その出力は、流入する流速の３乗に比例する。このため、軸流水車の出力を増大させるためには、流速の速い地点への設置が望ましい。しかし、そのような地点は限られており、設置可能箇所の枯渇は時間の問題である。加えて、超低落差水力の規模の観点から、発電容量が１０ｋＷ以下のナノ／ピコ水車の適用が多くなることが予測される。このようなナノ／ピコ水車の場合、発電量に対して相対的に設備コストが大きくなってしまう。ナノ／ピコ水車への適用も念頭に入れると、超低落差大流量の地点へ設置する水車は、水力効率の改善はもちろん、製造、設置、維持コストを低く抑える必要がある。

【0005】

このような出力向上を目的とした軸流水車が、特許文献１および２において提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第４００１４８５号公報

【特許文献2】特開２００５−２４０７８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、特許文献１においては、ランナの先端部に発電機の回転子が設置されている。このことにより、必然的にランナの慣性モーメントが大きくなる。また、永久磁石式発電機を利用する場合、発電機のコギングトルクの影響を大きく受けてしまう。このため、性能上、自己起動性に問題を有している。

【0008】

特許文献２の発電装置は、潮汐発電を適用対象としている。しかしながら、当該発電装置においては、ランナは、ディフューザ管の下流側に設けられた直管部内に配置されている。このため、ディフューザ管の増速効果を十分に得られないという問題がある。

【0009】

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、ランナに流入する流水の速度を増大させると共に自己起動性を向上させることができる軸流水車発電装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

実施の形態による軸流水車発電装置は、流水に浸漬されて流水により発電を行う。この軸流水車発電装置は、流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、少なくとも一部が外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、を備えている。外側筒状体の内側にランナが配置されている。ランナは、内側筒状体に回転自在に設けられており、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転する。内側筒状体に、ランナの回転により発電を行う発電機が内蔵されている。外側筒状体の下流端部に、当該下流端部から半径方向外側に延びる延長片が設けられている。

【0011】

また、実施の形態による軸流水車発電装置は、流水に浸漬されて流水により発電を行う。この軸流水車発電装置は、流水の主流方向に延び、当該主流方向に徐々に拡大する外側筒状体と、少なくとも一部が外側筒状体の内側に設けられた内側筒状体と、を備えている。外側筒状体の内側にランナが配置されている。ランナは、内側筒状体に回転自在に設けられており、主流方向に延びる回転軸線を中心にして流水により回転する。内側筒状体に、ランナの回転により発電を行う発電機が内蔵されている。外側筒状体の上流端部に、流水を外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられている。案内筒は、外側筒状体の上流端部から主流方向とは反対方向に徐々に拡大しながら延びている。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、水路に設置された、第１の実施の形態における軸流水車発電装置を示す図である。

【図2】図２は、図１の軸流水車発電装置を主流方向上流側から見た図である。

【図3】図３は、図１の部分拡大図である。

【図4】図４は、第２の実施の形態における軸流水車発電装置の部分拡大図である。

【図5】図５は、第３の実施の形態における軸流水車発電装置の部分拡大図である。

【図6】図６（ａ）は、図５のＡ−Ａ線断面図であり、図６（ｂ）は、図５のＢ−Ｂ線断面図である。

【図7】図７は、第４の実施の形態における軸流水車発電装置を主流方向上流側から見た図である。

【図8】図８は、第５の実施の形態における軸流水車発電装置の部分拡大図である。

【図9】図９は、図８の軸流水車発電装置を主流方向の下流側から見た図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（第１の実施の形態）
図１および図２を用いて、本発明の第１の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。軸流水車発電装置は、水路や河川に設置され得るものであり、流水に浸漬されて流水により発電を行うための装置である。

【0014】

図１および図２に示すように、軸流水車発電装置１０は、流水の主流方向（後述する水路１における水の流れの方向）Ｐに延びる外側筒状体（ディフューザ管）１１と、少なくとも一部が外側筒状体１１の内側に設けられた内側筒状体（内筒）１３と、を備えている。このうち、外側筒状体１１は、主流方向Ｐに徐々に拡大している。

【0015】

すなわち、外側筒状体１１は、主流方向Ｐの上流端部１１ｃから下流端部１１ｄに向かって、外径が徐々に大きくなっている。また、外側筒状体１１の内径は、同様に、上流端部１１ｃから下流端部１１ｄに向かって、徐々に大きくなっている。すなわち、外側筒状体１１の内側には、管内流路１２が形成されており、管内流路１２の流路面積は、上流側から下流側に向かって徐々に増大している。なお、外側筒状体１１の断面は、図１においては概略的に示しているが、全体的に流線型形状を有していることが好ましい。このことにより、外側筒状体１１の内面１１ａおよび外面１１ｂを沿う流れが剥離することを防止することができる。

【0016】

内側筒状体１３は、外側筒状体１１の内側から下流側に延出している。言い換えると、外側筒状体１１の下流端部１１ｄは、主流方向Ｐにおいて、内側筒状体１３の途中位置に配置されている。なお、これに限らず、内側筒状体１３の全体が、外側筒状体１１の内側に配置されていてもよい。また、内側筒状体１３は、管内流路１２を流れる流水が乱れることを抑制するために、全体的に流線型形状を有していてもよい。

【0017】

ここで、図１および図２においては、一例として、軸流水車発電装置１０が水路１に設置されている例を示している。この場合、水路１の両脇の地面２に設置台５が設置され、この設置台５に、固定部材６を介して内側筒状体１３が固定されている。外側筒状体１１は、ステー４０（図５参照）を介して内側筒状体１３に固定されている。このようにして、軸流水車発電装置１０が、水路１の流水に浸漬されるようになっている。

【0018】

図１に示すように、内側筒状体１３にランナ（水平軸揚力型ランナ）１４が回転自在に設けられている。ランナ１４は、全体的に外側筒状体１１の内側（すなわち、管内流路１２）に配置され、主流方向Ｐに延びる回転軸線Ｘを中心にして、管内流路１２を流れる流水により回転するようになっている。このようにして、ランナ１４は、流水が持つ運動エネルギを回転エネルギに変換する。なお、ランナ１４は、複数（ここでは２つ）のランナ羽根１４ａを有していることが好適である。

【0019】

内側筒状体１３には、発電機１５が内蔵されている。この発電機１５は、同様に内側筒状体１３に内蔵された連結軸１６を介して、ランナ１４に連結されている。このようにして、ランナ１４の回転が連結軸１６を介して発電機１５に伝達され、発電機１５は、ランナ１４の回転により発電を行うように構成されている。

【0020】

ところで、図１乃至図３に示すように、外側筒状体１１の下流端部１１ｄに、当該下流端部１１ｄから半径方向外側（具体的には回転軸線Ｘに対して垂直）に延びる顎片（延長片）２０が設けられている。このことにより、顎片２０の下流側領域に渦を形成することができ、顎片２０の下流側領域において圧力を低下させることができる。なお、本実施の形態においては、外側筒状体１１の下流端部１１ｄは、主流方向Ｐから見た場合に環状に形成されており、顎片２０も同様に、環状に形成されている。

【0021】

図３に示すように、顎片２０の半径方向長さ（高さ、Ｂ）は、外側筒状体１１の下流端部１１ｄと内側筒状体１３の表面との間の半径方向距離（出口流路幅、Ｄｏｕｔ）の１０％〜４０％であることが好ましい。顎片２０の高さＢを、出口流路幅Ｄｏｕｔの１０％以上とすることにより、顎片２０の下流側領域に効果的な渦を形成することができる。すなわち、顎片２０の下流側領域に形成される渦が、顎片２０よりも半径方向内側に形成されて、管内流路１２の流れに渦による損失が生じることを防止できる。一方、顎片２０の高さＢを、出口流路幅Ｄｏｕｔの４０％以下とすることにより、顎片２０の下流側領域に形成される渦が、顎片２０よりも半径方向外側に形成されて、管内流路１２の出口側領域から遠ざかることを防止できる。

【0022】

このような構成からなる本実施の形態の作用について説明する。

【0023】

水路１内の流水に軸流水車発電装置１０が浸漬されると、流水の一部は、管内流路１２を流れる。この管内流路１２を流れる流水により、ランナ１４が回転する。

【0024】

残りの流水は、外側筒状体１１の外側において、主流方向Ｐに徐々に拡大する外側筒状体１１の外面１１ｂに沿って流れる。このことにより、外側筒状体１１の外側の流水は、ランナ１４の回転軸線Ｘから遠ざかる方向に流れる。このため、外側筒状体１１の外側の流水によって、外側筒状体１１の出口側領域における管内流路１２の流水が外側筒状体１１の外側に引き寄せられて、管内流路１２の圧力が低下し、管内流路１２の入口側領域と出口側領域との間で圧力差が増大する。この結果、管内流路１２を流れる流水の速度が増大し、ランナ１４の回転速度が上昇する。

【0025】

また、外側筒状体１１の外側の流水の流れの向きは、外側筒状体１１の下流端部１１ｄに設けられた顎片２０によって、半径方向外側に変えられる。その後、この流水が顎片２０を通過すると、その一部が顎片２０の下流側領域に引き込まれて、顎片２０の下流側領域において渦が形成される。このため、顎片２０の下流側領域において圧力が低下する。この結果、管内流路１２の入口側領域と出口側領域との間で圧力差が増大し、管内流路１２を流れる流水の速度が増大して、ランナ１４の回転速度が上昇する。

【0026】

ランナ１４が回転すると、内側筒状体１３に内蔵された連結軸１６を介してランナ１４の回転が発電機１５に伝達される。このようにして、発電機１５により発電が行われる。

【0027】

このように本実施の形態によれば、外側筒状体１１の下流端部１１ｄに、半径方向外側に延びる顎片２０が設けられている。このことにより、上述したように、外側筒状体１１の管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。このため、ランナ１４に流入する流水の速度が増大し、ランナ１４の回転速度を上昇させて、発電機１５により発電される電力量を増やすことができる。

【0028】

また、本実施の形態によれば、内側にランナ１４が配置された外側筒状体１１が主流方向Ｐに徐々に拡大するように形成されている。このことによっても、上述したように、外側筒状体１１の管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。すなわち、ランナ１４に流入する流水の速度が増大し、ランナ１４の回転速度を上昇させて、発電機１５により発電される電力量を増やすことができる。

【0029】

さらに、本実施の形態によれば、ランナ１４は、内側筒状体１３に回転自在に設けられ、当該内側筒状体１３に発電機１５が内蔵されている。このことにより、ランナ１４の慣性モーメントが大きくなることを抑制でき、自己起動性を向上させることができる。

【0030】

（第２の実施の形態）
次に、図４を用いて、本発明の第２の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

【0031】

図４に示す第２の実施の形態においては、外側筒状体の上流端部に、流水を外側筒状体の内側に案内する案内筒が設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図４において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0032】

図４に示すように、外側筒状体１１の上流端部１１ｃに、流水を外側筒状体１１の内側（すなわち管内流路１２）に案内する案内筒３０が設けられている。この案内筒３０は、外側筒状体の上流端部１１ｃから主流方向Ｐとは反対方向（上流側）に徐々に拡大しながら延びている。このような案内筒３０を設けることにより、多くの流水を外側筒状体１１の管内流路１２に案内して引き込むことができる。なお、本実施の形態における案内筒３０は、主流方向Ｐから見た場合に環状に形成されており、管内流路１２に多くの流れを効率良く引き込むようになっている。

【0033】

ランナ１４の回転軸線Ｘを含む平面における案内筒３０の断面は、ランナ１４の回転軸線Ｘの側（外側筒状体１１の内側）に向って凸状となるように曲線状に形成されていることが好適である。この場合、案内筒３０によって引き込まれた流れが、剥離することを抑制でき、流れをスムースに引き込むことができる。ここで、ランナ１４の回転軸線Ｘを含む平面における案内筒３０の断面は、例えば、図４に示すような断面に相当する。

【0034】

案内筒３０の上流端部３０ａとランナ１４の回転軸線Ｘとの間の半径方向距離（入口流路幅、Ｄｉｎ）は、外側筒状体１１の下流端部１１ｄと内側筒状体１３の表面との間の半径方向距離（出口流路幅、Ｄｏｕｔ）の６０％〜８０％であることが好ましい。案内筒３０の入口流路幅Ｄｉｎを、出口流路幅Ｄｏｕｔの６０％以上とすることにより、外側筒状体１１の管内流路１２に、効果的に流れを引き込むことができる。一方、案内筒３０の入口流路幅Ｄｉｎを、出口流路幅Ｄｏｕｔの８０％以下とすることにより、外側筒状体１１の外面１１ｂにおいて、流れが剥離して澱み点が発生することを防止できる。また、入口流路幅Ｄｉｎを、出口流路幅Ｄｏｕｔの８０％以下とすることにより、顎片２０に向う流れが減少することを防止できる。すなわち、顎片２０に向う流れが減少すると、顎片２０による渦形成の効果が低減され、管内流路１２における流れの増速効果が低減されるが、上述のように入口流路幅Ｄｉｎを、出口流路幅Ｄｏｕｔの８０％以下とすることにより、顎片２０に向う流れが減少することを抑制できる。

【0035】

このように本実施の形態によれば、外側筒状体１１の上流端部１１ｃに設けられた案内筒３０が、外側筒状体１１の上流端部１１ｃから主流方向Ｐとは反対方向に徐々に拡大しながら延びている。このことにより、外側筒状体１１の管内流路１２に引き込まれる流れを増大させ、管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。このため、ランナ１４に流入する流水の速度が増大し、ランナ１４の回転速度を上昇させて、発電機１５により発電される電力量を増やすことができる。

【0036】

なお、上述した本実施の形態においては、外側筒状体１１の上流端部１１ｃに案内筒３０が設けられ、当該外側筒状体１１の下流端部１１ｄに顎片２０が設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、外側筒状体１１の下流端部１１ｄに、顎片２０は設けられていなくてもよい。この場合においても、上述したように、案内筒３０によって、外側筒状体１１の管内流路１２に引き込まれる流れを増大させて、管内流路１２を流れる流水の速度を増大させることができる。

【0037】

（第３の実施の形態）
次に、図５および図６を用いて、本発明の第３の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

【0038】

図５および図６に示す第３の実施の形態においては、外側筒状体と内側筒状体とを連結するステーが、捻れている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図５および図６において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0039】

図５および図６に示すように、外側筒状体１１と内側筒状体１３とは、半径方向に延びるステー４０によって連結されている。ステー４０は、ランナ１４の下流側に配置されている。外側筒状体１１の側から見た場合の各ステー４０の外側筒状体１１と内側筒状体１３との間の流れに沿った断面形状は、ステー軸線Ｙに沿って形成されている。ここで、外側筒状体１１の側から見た場合の外側筒状体１１と内側筒状体１３との間の流れに沿った断面は、例えば、図６に示すような図５のＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面に相当する。なお、図６に示すように、外側筒状体１１の側から見た場合の外側筒状体１１と内側筒状体１３との間の流れに沿った各ステー４０の断面形状は、翼型形状を有していることが好適である。また、ステー４０の本数は、ランナ１４の羽根１４ａの個数に応じて適宜設定されることが好適である。例えば、ランナ１４が２つの羽根１４ａを有している場合、３つのステー４０が、周方向に略等間隔に配置されていることが好適である。

【0040】

各ステー４０は、第１ステー部分４１と、第１ステー部分４１より半径方向外側に位置する第２ステー部分４２と、を含んでいる。図６に示すように、第１ステー部分４１におけるステー軸線Ｙ、および第２ステー部分４２におけるステー軸線Ｙは、ランナ１４の回転軸線Ｘに対してそれぞれ傾斜している。そして、第２ステー部分４２におけるステー軸線Ｙとランナ１４の回転軸線Ｘとの角度（図６（ｂ）に示すφ_Ｂ）は、第１ステー部分４１におけるステー軸線Ｙとランナ１４の回転軸線Ｘとの角度（図６（ａ）に示すφ_Ａ）より小さくなっている。言い換えると、第２ステー部分４２におけるステー軸線Ｙとランナ１４の回転面（回転軸線Ｘに垂直な面）との角度は、第１ステー部分４１におけるステー軸線Ｙとランナ１４の回転面との角度より大きくなっている。このようにして、ステー４０は、捻れるように形成されている。

【0041】

ところで、ランナ１４を通過した流れ（ランナ１４の下流側領域における流れ）は、ランナ１４の回転方向とは反対方向の旋回速度成分を有している。そして、この旋回速度成分は、ランナ１４の半径方向において異なっている。一般に、ランナ１４の半径方向外側に向って、旋回速度成分が小さくなる傾向にある。このようなランナ１４を通過した流れに沿うように、本実施の形態におけるステー４０は形成されている。すなわち、上述したように、半径方向外側に位置する第２ステー部分４２におけるステー軸線Ｙは、半径方向内側に位置する第１ステー部分４１におけるステー軸線Ｙよりも、ランナ１４の回転軸線Ｘに対する傾斜が小さくなっている。このことにより、ステー４０の形状を、半径方向外側に向って旋回速度成分が小さくなるランナ１４を通過した流れに沿わせることができる。

【0042】

なお、ステー４０は、半径方向外側に向って、ステー軸線Ｙと回転軸線Ｘとの角度が徐々に小さくなるように形成されていることが好適である。この場合、ステー４０の形状を、ランナ１４を通過した流れにより一層沿った形状とすることができる。

【0043】

このように本実施の形態によれば、半径方向外側に位置する第２ステー部分４２におけるステー軸線Ｙとランナ１４の回転軸線Ｘとの角度が、半径方向内側に位置する第１ステー部分４１におけるステー軸線Ｙとランナ１４の回転軸線Ｘとの角度より小さくなっている。このことにより、ステー４０の形状を、ランナ１４を通過した流れに沿わせることができる。このため、ステー４０の表面に沿う流れが剥離することを防止するとともに、ステー４０によって渦が形成されて損失が発生することを防止できる。このため、外側筒状体１１の管内流路１２を流れる流水の速度が、ステー４０による損失によって低下することを防止し、ランナ１４に流入する流水の速度を増大させることができる。この場合、ランナ１４の回転速度を上昇させて、発電機１５により発電される電力量を増やすことができる。

【0044】

また、本実施の形態によれば、外側筒状体１１の側から見た場合の外側筒状体１１と内側筒状体１３との間の流れに沿ったステー４０の断面は、翼型形状を有している。このことにより、ステー４０の表面に沿う流れが剥離されることをより一層抑制できるとともに、ステー４０によって渦が形成されて損失が発生することをより一層防止できる。

【0045】

なお、上述した本実施の形態においては、外側筒状体１１の上流端部１１ｃに案内筒３０が設けられ、当該外側筒状体１１の下流端部１１ｄに顎片２０が設けられている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、外側筒状体１１に、案内筒３０及び顎片２０のいずれかが設けられていなくてもよく、さらには、案内筒３０及び顎片２０のいずれもが設けられていなくてもよい。この場合においても、外側筒状体１１の管内流路１２を流れる流水の速度が、ステー４０による損失によって低下することを防止し、ランナ１４に流入する流水の速度を増大させることができる。

【0046】

（第４の実施の形態）
次に、図７を用いて、本発明の第４の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

【0047】

図７に示す第４の実施の形態においては、外側筒状体が、主流方向から見た場合に外側筒状体の上側部分が水平に切り欠かれた切欠部を有し、当該切欠部に顎片が設けられていない点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図７において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0048】

図７に示すように、外側筒状体１１は、主流方向Ｐから見た場合に当該外側筒状体１１の上側部分が直線状に切り欠かれた切欠部５０を有している。この切欠部５０は、外側筒状体１１の下流端部１１ｄから上流側に延びるように形成されている。なお、切欠部５０は、上流端部１１ｃにまでは達していないことが好適である。

【0049】

本実施の形態における顎片２０は、外側筒状体１１の下流端部１１ｄのうち切欠部５０以外の部分に設けられている。すなわち、当該切欠部５０には、顎片２０が設けられていない。また、図７においては、外側筒状体１１のうち主流方向Ｐから見た場合に回転軸線Ｘより上側部分において、切欠部５０の左右両側の部分が直線状（より具体的には、垂線に対して傾斜した直線状）に形成されており、当該直線状の部分にも顎片２０が形成されている。しかしながら、当該直線状の部分は、回転軸線Ｘより下側の部分から連続するように円弧状に形成されていることが好適である。なお、外側筒状体１１の入口側端部は、主流方向Ｐから見た場合に円形状に形成されている。このため、外側筒状体１１の円形状の上流端部１１ｃと、一部が直線状に形成された下流端部１１ｄとは、上流端部１１ｃと下流端部１１ｄとの間において滑らかに繋がるように形成されていることが好ましい。

【0050】

このように本実施の形態によれば、外側筒状体１１は、当該外側筒状体１１の下流端部１１ｄから上流側に延びる切欠部５０であって、主流方向Ｐから見た場合に当該外側筒状体１１の上側部分が水平に切り欠かれた切欠部５０を有している。このことにより、軸流水車発電装置１０が水路１を流れる水の水面（自由表面）の近傍に設置される場合であっても、自由表面近傍における急激な形状変化（例えば、水面の部分的な上昇、盛り上がり）を抑制することができる。このため、外側筒状体１１の抗力によって水面の形状変化による損失、造波抵抗による損失等の自由表面に起因する損失を、低減することができる。また、本実施の形態によれば、顎片２０は、外側筒状体１１の下流端部１１ｄのうち切欠部５０以外の部分に設けられており、当該切欠部５０には顎片２０が設けられていない。このことにより、上述した自由表面に起因する損失を確実に低減することができる。

【0051】

また、本実施の形態によれば、上述したように、外側筒状体１１に切欠部５０を設けることによって、水路１を流れる水の自由表面に起因する損失を低減することができる。このことにより、流水を多く引き込むために外側筒状体１１の外径を大きくすることができる。すなわち、外側筒状体１１の管内流路１２を流れる流水の速度を増大させるとともに、自由表面に起因する損失を低減し得る軸流水車発電装置１０を提供することができる。

【0052】

（第５の実施の形態）
次に、図８および図９を用いて、本発明の第５の実施の形態における軸流水車発電装置について説明する。

【0053】

図８および図９に示す第５の実施の形態においては、外側筒状体の下流側領域に、主流方向に延びるカバーが設けられている点が主に異なり、他の構成は、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と略同一である。なお、図８および図９において、図１乃至図３に示す第１の実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

【0054】

図８に示すように、外側筒状体１１の下流側領域に、カバー６０が設けられている。このカバー６０は、主流方向Ｐに、すなわちランナ１４の回転軸線Ｘに沿って延びている。

【0055】

図９に示すように、本実施の形態におけるカバー６０は、主流方向Ｐの下流側から見たときに、円弧状に形成されており、ここでは、外側筒状体１１、内側筒状体１３および顎片２０と略同心円状に形成されている。そして、図８および図９に示すように、カバー６０は、内側筒状体１３の上方に配置されるとともに、主流方向Ｐの下流側から見たときに、外側筒状体１１の下流端部１１ｄにおける当該外側筒状体１１の内面１１ａより半径方向外側に配置されている。本実施の形態においては、カバー６０は、主流方向Ｐの下流側から見たときに顎片２０の半径方向外側端部に重なる位置に配置されている。このようにして、カバー６０は、外側筒状体１１の管内流路１２の出口側領域から主流方向Ｐに延長した延長領域６１を覆い、ランナ１４を通過した流水の流れる領域を画定している。

【0056】

主流方向Ｐの下流側から見たとき、カバー６０は、１２０°〜１８０°の円弧状に形成されていることが好適である。カバー６０を１２０°以上の円弧状に形成することにより、後述するカバー６０の機能を効果的に発揮することができる。一方、カバー６０を１８０°以下の円弧状に形成することにより、上述した顎片２０の機能を効果的に発揮させることができ、管内流路１２を流れる流水の速度を効果的に増大させることができる。なお、カバー６０を、１２０°〜１８０°の円弧状に形成することにより、上述した延長領域６１の１／３〜１／２程度を覆うことができる。また、カバー６０は、図９に示すように、回転軸線Ｘを通る垂直軸線に対して略線対称となっていることが好適である。

【0057】

このように本実施の形態によれば、外側筒状体１１の下流側領域に、主流方向Ｐに延びるカバー６０が設けられている。ところで、軸流水車発電装置１０が水路１を流れる水の水面（自由表面）の近傍に設置される場合、水面が部分的に上昇して盛り上がることにより、外側筒状体１１の上方の流れが乱れる場合がある。この流れの乱れは、管内流路１２における流水がスムースに流れることを困難にするおそれがある。しかしながら、上述したカバー６０により、外側筒状体１１の上方の流れが乱れた場合であっても、管内流路１２内の流れに影響を及ぼすことを抑制できる。このため、ランナ１４に流入する流水の速度が低下することを抑制できる。

【0058】

なお、上述した本実施の形態においては、カバー６０が、主流方向Ｐの下流側から見たときに、顎片２０の半径方向外側端部に重なる位置に配置されている例について説明した。しかしながら、このことに限られることはなく、カバー６０は、主流方向Ｐの下流側から見たときに、外側筒状体１１の下流端部１１ｄにおける内面１１ａより半径方向外側に配置されれば、顎片２０の内周側端部、すなわち外側筒状体１１の下流端部１１ｄに重なる位置に配置されていてもよい。この場合においても、外側筒状体１１の上方の流れの乱れが、管内流路１２内の流れに影響を及ぼすことを抑制することができる。また、この場合には、外側筒状体１１のうちカバー６０に対応する部分には、顎片２０は設けられていなくてもよい。

【0059】

また、上述した本実施の形態においては、カバー６０が、円弧状に形成されている例について説明した。しかしながらこのことに限られることはない。例えば、図７に示したように、外側筒状体１１の上側部分に切欠部５０が設けられている場合には、カバー６０は、この切欠部５０に沿った形状、すなわち平板状に形成されていることが好適である。この場合においても、外側筒状体１１の上方の流れの乱れが、管内流路１２内の流れに影響を及ぼすことを抑制できる。なお、この場合、カバー６０は、切欠部５０を覆うように形成し、管内流路１２の流れと外側筒状体１１の上方の流れとが区画されることが好ましい。

【0060】

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明してきたが、本発明による軸流水車発電装置は、上記実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。また、上述した実施の形態を、部分的に、適宜組み合わせることも可能である。

【符号の説明】

【0061】

１０ 軸流水車発電装置
１１ 外側筒状体
１１ａ 内面
１１ｂ 外面
１１ｃ 上流端部
１１ｄ 下流端部
１３ 内側筒状体
１４ ランナ
１５ 発電機
２０ 顎片
３０ 案内筒
３０ａ 上流端部
４０ ステー
４１ 第１ステー部分
４２ 第２ステー部分
５０ 切欠部
６０ カバー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】