特許 7080470 二重反転式羽根車及び流体機械

(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】

(24)【登録日】2022-05-27

(45)【発行日】2022-06-06

(54)【発明の名称】二重反転式羽根車及び流体機械

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/12 20060101AFI20220530BHJP

   F04D 3/02 20060101ALI20220530BHJP

   F04D 29/32 20060101ALI20220530BHJP

   F03B 7/00 20060101ALI20220530BHJP

【ＦＩ】

F03B3/12

F04D3/02 Z

F04D29/32 Z

F03B7/00

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018028556

(22)【出願日】2018-02-21

(65)【公開番号】P2019143535

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2021-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】304020292

【氏名又は名称】国立大学法人徳島大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000796

【氏名又は名称】特許業務法人三枝国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】重光 亨

(72)【発明者】

【氏名】細谷 拓司

(72)【発明者】

【氏名】川口 裕輝

(72)【発明者】

【氏名】池淵 智史

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５９－１７３５９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】実公昭４１－００３５６９（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】特開２００１－３５２７１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０５９６１２８２（ＵＳ，Ａ）

【文献】特公昭３１－００２００４（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ １／００－１１／０８

Ｆ０４Ｄ １／００－１３／１６；１７／００－１９／０２；２１／００－２５／１６；２９／００－３５／００

Ｆ０３Ｄ １／００－８０／８０

Ｆ０１Ｄ １／００－１１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同軸に配置される第１及び第２の各羽根車よりなり、
前記第１の羽根車は、軸方向に並ぶ軸流式羽根車と斜流式羽根車とを有し、
前記第２の羽根車は、前記第１の羽根車の回転方向と逆方向へ回転する遠心式羽根車であって、前記斜流式羽根車と連なる位置に配置され、
前記第１の羽根車は、ハブと、前記ハブの外周面に前記ハブの軸方向に対して螺旋状に設けられた複数枚の羽根とを備え、
前記ハブは、
前記軸流式羽根車を構成し、全長にわたり径が一定の円筒状部と、
前記斜流式羽根車を構成し、径が端部に向けて小さくなる縮径部とを備える、二重反転式羽根車。

【請求項2】

前記第１の羽根車の各羽根は、前記第２の羽根車の外周に突出する請求項１に記載の二重反転式羽根車。

【請求項3】

請求項１または２に記載の二重反転式羽根車と、
前記二重反転式羽根車を収容する筒状のケーシングとを備える流体機械。

【請求項4】

前記ケーシング内に固定され、前記第１、第２の各羽根車を前記ケーシング内に回転可能に軸支する筒状体をさらに備える請求項３に記載の流体機械。

【請求項5】

前記筒状体内に収容される回転電機をさらに備え、
前記回転電機の回転軸が前記第１、第２の各羽根車の軸と同軸に連結される請求項４に記載の流体機械。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、同軸に配置される第１、第２の各羽根車からなる二重反転式羽根車及び二重反転式羽根を有する流体機械に関するものである。

【背景技術】

【0002】

小水力発電は再生可能エネルギーの一つとして位置付けられており、地球温暖化問題への対応やエネルギー供給システムの多様化のために導入が進められている。小水力発電の中でも、出力が１００ｋＷから１０００ｋＷ程度の比較的規模の大きい発電設備は普及が進みつつあるが、さらなる小水力発電の拡大に向けて、出力が０．１ｋＷから１ｋＷ程度の小規模なピコ水力発電の開発が要望されている。ピコ水力発電は、農業用水路や簡易水道、小規模な河川など、あまり利用が進んでいない水資源を有効利用するものであり、水車を設置する土台や導水管を引くなどの大掛かりな工事を行う必要がなく、設営が簡単であり自然環境に与える影響が少ないという利点がある。

【0003】

ピコ水力発電用の水車には、農業用水路や簡易水道へ持ち運んで簡単に設置するためにポータビリティ性が求められており、小型である必要がある。出願人は、非特許文献１において、ピコ水力発電用の小型水車を提案している。非特許文献１の水車は、いわゆる二重反転式であり、前段羽根車と後段羽根車とが同軸上に配置されている。各羽根車は軸流式であり、羽根は、流体（水）が前から後に向けて流れたときに、互いに逆方向に回転するように取り付けられている。

【0004】

このような二重反転式の水車は、羽根車を２つ用いて各羽根車で流体エネルギーを回収しているため、１つの羽根車で同じ流体エネルギーを回収する場合に比べて羽根車の直径が小さくてすみ、小型化が可能である。また、前段羽根車出口での流体エネルギーの旋回速度成分を後段羽根車で回収し、後段羽根車出口での流体エネルギーの旋回速度成分を無くすことができるため、速度の二乗に比例する摩擦損失が小さくなり、回収可能な流体エネルギーが大きく高効率となる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】重光亨他著、「二重反転形小型ハイドロタービンのスポーク形状が性能と内部流れに及ぼす影響」、ターボ機械、第４４巻第２号、２０１６年。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

非特許文献１の二重反転式の水車において、さらに回収可能なエネルギーを大きくしようとすると、羽根車に流す流体の流量を増加させて水車に入力する入力エネルギーを大きくすればよい。しかし、流体の流量を増加させると、効率の悪化や羽根車の破損が生じる可能性がある。これを防ぐためには羽根車の径を大きくして水車を大型化する必要があるが、大型化するとピコ水力発電用の水車に求められるポータビリティ性が失われてしまうため、改善の余地がある。

【0007】

本発明は、上記した課題に着目してなされたものであり、小型で回収可能なエネルギーが大きい二重反転式羽根車及び流体機械を提供することを課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による二重反転式羽根車は、同軸に配置される第１及び第２の各羽根車よりなり、前記第１の羽根車は、軸方向に並ぶ軸流式羽根車と斜流式羽根車とを有し、前記第２の羽根車は、前記第１の羽根車の回転方向と逆方向へ回転する遠心式羽根車であって、前記斜流式羽根車と連なる位置に配置される。

【0009】

本発明の二重反転式羽根車を水車や風車用の羽根車として用いる場合、水や空気などの流体が第１の羽根車に向けて入力されると、第１の羽根車は流体からエネルギーを得て回転する。流体は第１の羽根車から出て第２の羽根車に流れ込み、第２の羽根車は流体からエネルギーを得て第１の羽根車とは逆方向に回転し、流体は第２の羽根車から流出する。第１の羽根車、第２の羽根車に接続される発電機等のエネルギー取出手段によりエネルギーが取り出される。

【0010】

遠心式羽根車は流体の入口と出口の外径が異なり、入口の周速度と出口の周速度に差が生じることで遠心力にも差が生じるため、その遠心力の差がエネルギーとなる。一方、軸流式羽根車は、流体の入口と出口の外径が同じなので入口の周速度と出口の周速度に差がなく、遠心力に差が生じないので、遠心力をエネルギーに変換することが出来ない。このため、各羽根車の直径、流体の流量、回転速度が同じ場合には、遠心式羽根車は軸流式羽根車と比較して、高い負荷を掛ける、すなわち遠心式羽根車に入力する流体エネルギーを大きくすることが可能である。斜流式羽根車は、遠心式羽根車と軸流式羽根車との中間的な特性を有する。なお、「負荷を掛ける」とは、入力エネルギーを与えることであり、流量が一定であれば、負荷は、羽根車がポンプに用いられる場合には揚程として表わされ、水車に用いられる場合には落差として表わされ、送風機に用いられる場合には圧力として表わされるものである。

【0011】

本発明においては、第２の羽根車は遠心式羽根車であるため、従来技術の同じ直径の軸流式羽根車と比較して、第２の羽根車に掛ける負荷の大きさをより大きくすることができ、結果として小型を保ったまま第２の羽根車が回収できる流体エネルギーを大きくすることができる。

【0012】

また、二重反転式羽根車においては、摩擦損失を低減して高効率とするには、第１、第２の各羽根車に掛ける負荷の大きさを略均一にする必要があることが知られている。本発明の二重反転式羽根車においては、第２の羽根車に遠心式羽根車を用いるため、第１の羽根車を遠心式羽根車とほぼ等しい大きさの負荷を掛けることが可能なものとする必要がある。

【0013】

各羽根車の直径、流体の流量、回転速度が同じ場合には、軸流式羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさは、遠心式羽根車と比較して小さい。また、斜流式羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさは、軸流式羽根車よりも大きく遠心式羽根車よりも小さい中程度の大きさである。また、第１の羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさは、軸流式羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさと斜流式羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさとの和である。

【0014】

このため、本発明においては、第１の羽根車を軸流式と斜流式を組み合わせた複合式の羽根車とすることで、第１の羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさを、第２の羽根車に掛けることが可能な負荷の大きさとほぼ等しくしている。従って、第２の羽根車出口での摩擦損失を低減することができ、高効率となる。

【0015】

さらに、第１の羽根車に掛ける負荷の大きさを大きくすることが可能となるため、従来技術の小型の軸流式羽根車と同じ直径である場合であっても、結果として第１の羽根車が回収可能な流体エネルギーを大きくすることができる。

【0016】

このように、本発明によれば、第１、第２の各羽根車のそれぞれにおいて回収可能な流体エネルギーが多くなるため、小型を保ちつつ回収可能なエネルギーを大きくすることができる。

【0017】

また、本発明の二重反転式羽根車をポンプや送風機用の羽根車として用いることもできる。この場合、流体の流れは水車や風車用の羽根車の場合と逆になり、第２の羽根車に接続された電動機などのエネルギー入力手段により第２の羽根車を水車や風車用の第２の羽根車の回転方向と逆方向に回転させることで、液体や気体などの流体は第２の羽根車からエネルギーを得て第１の羽根車に向けて流れる。第１の羽根車に接続された電動機などのエネルギー入力手段により、第１の羽根車を第２の羽根車と逆方向に回転させることにより、流体は第１の羽根車からエネルギーを得て第１の羽根車から流出する。これにより、流出する流体に高い圧力や高い揚程など高いエネルギーを与えることができる。

【0018】

好ましい実施形態によれば、前記第１の羽根車は、ハブと、前記ハブの外周面に前記ハブの軸方向に対して螺旋状に設けられた複数枚の羽根とを備え、前記ハブは、前記軸流式羽根車を構成し、全長にわたり径が一定の円筒状部と、前記斜流式羽根車を構成し径が端部に向けて小さくなる縮径部とを備える。

【0019】

好ましい実施形態によれば、前記第１の羽根車の各羽根は、第２の羽根車の外周に突出する。

【0020】

本発明の他の態様は、上記のいずれかに記載の二重反転式羽根車と、前記二重反転式羽根車を収容する筒状のケーシングとを備える流体機械である。

【0021】

上記の流体機械は、前記ケーシング内に固定され、前記第１、第２の各羽根車を前記ケーシング内に回転可能に軸支する筒状体をさらに備えていてもよい。

【0022】

好ましい実施形態によれば、前記筒状体内に収容される回転電機をさらに備え、前記回転電機の回転軸が前記第１、第２の各羽根車の軸と同軸に連結されている。

【0023】

流体機械は、例えば、水車、風車、ポンプ、送風機として用いられる。
流体機械を水車として用いる場合、流体は水または液体であり、流体が第１の羽根車に向けて入力されると、第１の羽根車は流体からエネルギーを得て回転する。第１の羽根車には発電機が接続されており、第１の羽根車により発電機の回転子が回転して発電する。流体は第１の羽根車から出て第２の羽根車に流れ込み、第２の羽根車は流体からエネルギーを得て第１の羽根車とは逆方向に回転する。第２の羽根車には発電機が接続されており、第２の羽根車により発電機の回転子が回転して発電する。流体は第２の羽根車から流出する。流体機械を風車として用いる場合、流体は空気または気体であり、水車の場合と同様に第１の羽根車、第２の羽根車が流体からエネルギーを得て回転して発電を行う。

【0024】

流体機械をポンプとして用いる場合、第２の羽根車に接続された電動機により第２の羽根車を回転させることで、流体は第２の羽根車からエネルギーを得て第１の羽根車に向けて流れる。流体は水又は液体である。第１の羽根車は電動機と接続されており、電動機が第１の羽根車を第２の羽根車と逆方向に回転させることにより、流体は第１の羽根車からエネルギーを得て第１の羽根車から流出する。流体機械を送風機として用いる場合、流体は空気または気体であり、ポンプの場合と同様に流体が第１の羽根車、第２の羽根車からエネルギーを得て送風がなされる。

【発明の効果】

【0025】

本発明によれば、小型で回収可能なエネルギーが大きい二重反転式羽根車及び流体機械を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】本発明の一実施形態に係る流体機械の断面図である。

【図2】第１の羽根車の（Ａ）は出口側から見た正面図、（Ｂ）は斜視図である。

【図3】第２の羽根車の（Ａ）は出口側から見た正面図、（Ｂ）は斜視図である。

【図4】流体機械の子午面図である。

【図5】（Ａ）は第１の羽根車の子午面図、（Ｂ）は第２の羽根車の子午面図である。

【図6】流体機械の他の例を示す子午面図である。

【図7】流体機械の他の例を示す子午面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。以下の説明では、流体機械を水車１０として用いた例を示し、水車１０に流体が入力される側を入口側又は上流側と言い、流体が出力される側を出口側又は下流側と言う。流体である水は、第１の羽根車２０から第２の羽根車３０に向かう方向（図１において左から右に向かう方向であり、矢印Ａの向き）に流れ込む。また、図面において、発電機６４、７４、８４、８５は簡略化して示している。

【0028】

図１～図５は、本発明の一実施形態の二重反転式羽根車４０及び水車１０を示す。図１に示すように、水車１０は、二重反転式羽根車４０と、内部に二重反転式羽根車４０を収容する筒状のケーシング５０と、ケーシング５０内に固定され、第１、第２の各羽根車２０、３０と同軸に配置されて第１、第２の各羽根車２０、３０を回転可能に軸支する第１、第２の各筒状体６０、７０とを備えている。なお、図１において、ケーシング５０は断面で示している。

【0029】

二重反転式羽根車４０は、同軸に配置される第１、第２の各羽根車２０、３０よりなり、第１の羽根車２０は、軸方向に並ぶ軸流式羽根車２１と斜流式羽根車２２とを有し、第２の羽根車３０は、第１の羽根車２０の回転方向と逆方向へ回転する遠心式羽根車であって、斜流式羽根車２２と連なる位置に配置される。

【0030】

図２、図４に示すように、第１の羽根車２０は、ハブ２３と、ハブ２３の外周面にハブ２３の軸方向に対して螺旋状に設けられた複数枚の羽根２４とを備えている。ハブ２３は、全長にわたり径が一定の円筒状部２５と、円筒状部２５に連続し径が端部に向けて小さくなる縮径部２６とを備えており、入口側に円筒状部２５、出口側に縮径部２６が配置されている。羽根２４は、ハブ２３の外周面に周方向に等間隔に配置されており、本実施形態では、上流側から流れる流体による力を受け、入口側から見て反時計回り（図１の矢印Ｂの向き）に第１の羽根車２０が回転するように羽根２４が設けられている。羽根２４は、ハブ２３の出口側端から突出する突出端部２７を有しており、突出端部２７は第２の羽根車３０の外周に被さっている。ハブ２３の円筒状部２５と羽根２４の円筒状部２５に設けられた部分とにより軸流式羽根車２１が構成され、ハブ２３の縮径部２６、羽根２４の縮径部２６に設けられた部分及び突出端部２７により斜流式羽根車２２が構成される。

【0031】

本実施形態では、羽根２４を６枚備え、第１の羽根車２０の入口側の直径（「入口チップ径」とも言う）ＤＦ１を９０ｍｍ、ハブ２３の入口側の直径（「入口ハブ径」とも言う）ＤＦ２を６０ｍｍ、ハブ２３の出口側の直径（「出口外径」とも言う）ＤＦ３を５４ｍｍ、ハブ２３の軸方向の長さＢＦを５１ｍｍ、円筒状部２５の軸方向の長さＢＦ１を４１ｍｍ、縮径部２６の軸方向の長さＢＦ２を１０ｍｍ、羽根２４の突出端部２７の突出長さ（「出口羽根高さ」とも言う）ＢＦ３を８．７ｍｍとしているが、これに限定されるものではない。

【0032】

第２の羽根車３０は、円板状の主板３２と、主板３２の一方の面上の中央部に設けられたハブ３３と、ハブ３３の周囲に、周方向に等間隔に複数枚立設された羽根３４とを備えている。本実施形態では、上流側から流れる流体による力を受け、入口側から見て時計回り（図１の矢印Ｂと逆向き）に第２の羽根車３０が回転するように羽根３４が設けられている。各羽根３４は図４、図５（Ｂ）の子午面図において略Ｌ字形状であり、Ｌ字の一片３４ａが主板３２と連結し、他片３４ｂがハブ３３と連結している。第２の羽根車３０は、主板３２が入口側、ハブ３３が出口側、羽根３４のＬ字の一片３４ａが入口側、他片３４ｂが出口側となるように配置されており、第２の羽根車３０の直径ＤＲ１は、第１の羽根車２０のハブ２３の出口側の直径ＤＦ３よりも小さい。第１の羽根車２０の羽根２４の突出端部２７は、羽根３４の一片３４ａの軸方向の長さＢＲ２の全長に被さるか、途中まで被さっている。

【0033】

本実施形態では、羽根３４を７枚備え、第２の羽根車３０の直径、すなわち主板３２の直径（「入力チップ径」とも言う）ＤＲ１を５０ｍｍ、ハブ３３の出口側の直径（「出口ハブ径」とも言う）ＤＲ２を１４ｍｍ、第２の羽根車３０の出口側の直径（「出口外径」とも言う）ＤＲ３を３４ｍｍ、第２の羽根車３０の軸方向の全長ＢＲを２０ｍｍ、羽根３４の一片３４ａの軸方向の長さ（「入口羽根高さ」とも言う）ＢＲ２を８．７ｍｍ、主板３２の厚みＢＲ１を１ｍｍとしているが、これに限定されるものではない。

【0034】

第１、第２の各羽根車２０、３０の羽根２４、３４の形状、羽根２４、３４の各ハブ２３、３３への取り付け角度、上記の各種寸法は、第１、第２の各羽根車２０、３０に掛ける負荷がほぼ等しくなり、高効率化となるように適宜設定される。

【0035】

第１の筒状体６０は、第１の羽根車２０の上流側に配置されている。第１の筒状体６０は、円筒状部６１の入口側に先端が先細り形状のガイド部６２が形成されたものである。本実施形態においては、ガイド部６２は円錐形状であって先端が平面形状のものであるが、先端が尖っていてもよく、丸みを帯びていてもよい。第１の筒状体６０の円筒状部６１の直径は、第１の羽根車２０のハブ２３の入口側の直径ＤＦ２とほぼ等しい。第１の筒状体６０は、第１の筒状体６０の外周面に周方向に等間隔を空けて設けられたスポーク６３により、ケーシング５０の内壁に固定されている。第１の筒状体６０内には第１の羽根車２０と同軸に発電機６４が収容されており、発電機６４の回転軸に第１の羽根車２０のハブ２３に設けられた軸２３ａがカップリング等により連結されている。これにより、第１の羽根車２０はケーシング５０内に回転可能に軸支される。発電機６４に接続される電線（図示せず）は、第１の筒状体６０及びスポーク６３の内部を通ってケーシング５０に設けられた開口（図示せず）からケーシング５０の外に引き出される。

【0036】

第２の筒状体７０は、第２の羽根車３０の下流側に配置されている。第２の筒状体７０は円筒状であり、直径は、ハブ３３の出口側の直径ＤＲ２とほぼ等しい。第２の筒状体７０は、第２の筒状体７０の外周面に周方向に等間隔を空けて設けられたスポーク７３により、ケーシング５０の内壁に固定されている。第２の筒状体７０内には第２の羽根車３０と同軸に発電機７４が収容されており、発電機７４の回転軸に第２の羽根車３０のハブ３３に設けられた軸３３ａがカップリング等により連結されている。これにより、第２の羽根車３０はケーシング５０内に回転可能に軸支される。発電機７４に接続される電線（図示せず）は、第２の筒状体７０及びスポーク７３の内部を通ってケーシング５０に設けられた開口（図示せず）から外部に引き出される。

【0037】

ケーシング５０は、第１の羽根車２０及び第１の筒状体６０を収容可能な広径部５１と、第２の羽根車３０及び第２の筒状体７０を収容可能であり、広径部５１より径の小さい小径部５２とを備えている。ケーシング５０の両端は開口しており、開口５０ａ、５０ｂ は流体の入口又は出口となる。本実施形態では、広径部５１の直径は第１の羽根車２０の入口側の直径ＤＦ１より僅かに大きく、小径部５２の直径は、第２の羽根車３０の出口側の直径ＤＲ３より僅かに大きく設定されている。これにより、第１、第２の各羽根車２０、３０を流れる流体が第１、第２の各羽根車２０、３０から径方向外側に漏れ出るのを防ぎ、エネルギー損失を小さくしている。

【0038】

また、広径部５１は、出口部５１ａが出口側に向けて連続して径が小さくなり、第１の羽根車２０の外形に沿う形状を有している。これにより、流体の流れる方向が緩やかに変化してエネルギー損失が小さくなる。

【0039】

上記の実施形態の二重反転式羽根車４０及び水車１０の動作について説明する。
水車はインライン式であり、図１に示すように、ケーシング５０の入口側の開口５０ａに、例えばホース等の水管１１が取り付けられる。なお、水車に水管１１を取り付けずに、ケーシング５０の両端の開口を開放した状態で、河川など流れのある流体に、ケーシング５０の入口側の開口５０ａが上流側を向くようにして水車１０を浸漬させてもよい。

【0040】

水がケーシング５０の入口側の開口５０ａから流れ込むと、水は、第１の筒状体６０のガイド部６２の外面に沿って広がり（図４の矢印ａ１）、第１の筒状体６０の円筒状部６１の外側を軸方向に流れるように整流される（図４の矢印ａ２）。第１の筒状体６０の円筒状部６１の直径と第１の羽根車２０のハブ２３の入口側の直径ＤＦ２とはほぼ等しいため、水は軸方向にまっすぐ流れて第１の羽根車２０の軸流式羽根車２１に流入する。

【0041】

水が第１の羽根車２０に軸方向（図４の矢印ｂ１）に流れ込むと、第１の羽根車２０の各羽根２４の表面と裏面に圧力差が生じる（圧力面と負圧面ができる）ことにより揚力が発生し、第１の羽根車２０が回転する。水は斜流式羽根車２２に流入して流れが径方向の内向きに曲げられ（図４の矢印ｂ２）、斜流式羽根車２２から流れ出る。

【0042】

第１の羽根車２０の回転により、第１の筒状体６０に設けられた発電機６４の回転軸が回転して発電する。発電された電力は、第１の筒状体６０及びスポーク６３内部に通された電線により水車の外に送られ、蓄電池の充電や照明等に用いられる。

【0043】

第１の羽根車２０から出た水が第２の羽根車３０に径方向内側に向けて流れ込むと（図４の矢印ｃ１）、第２の羽根車３０の各羽根３４の表面と裏面に圧力差が生じて揚力が発生し、第１の羽根車２０とは逆方向に回転する。水は流れが軸方向に曲げられ（図４の矢印ｃ２）、第２の羽根車３０から流れ出る。

【0044】

第２の羽根車３０の回転により、第２の筒状体７０に設けられた発電機７４の回転軸が回転して発電する。発電された電力は、第２の筒状体７０及びスポーク７３内部に通された電線により水車の外に送られ、蓄電池の充電や照明等に用いられる。

【0045】

上記の実施形態によれば、第２の羽根車３０に遠心式羽根車を用いているため、従来技術の同じ直径の軸流式羽根車と比較して、第２の羽根車３０に掛ける負荷の大きさをより大きくすることができ、結果として小型を保ったまま第２の羽根車３０が回収できる流体エネルギーを大きくすることができる。

【0046】

また、第１の羽根車２０を軸流式羽根車２１と斜流式羽根車２２とを組み合わせた複合式の羽根車とすることで、二重反転式羽根車４０において第１の羽根車２０、第２の羽根車３０に掛けることが可能な負荷の大きさを等しくすることができ、第２の羽根車出口での摩擦損失を低減することができ、高効率となる。

【0047】

さらに、第１の羽根車２０に掛ける負荷の大きさを大きくすることが可能となるため、従来技術の小型の軸流式羽根車と同じ直径である場合であっても、結果として第１の羽根車２０が回収可能な流体エネルギーを大きくすることができる。

【0048】

このように、本発明によれば、第１、第２の各羽根車２０、３０のそれぞれにおいて回収可能な流体エネルギーが多くなるため、小型を保ちつつ回収可能なエネルギーを大きくすることができる。

【0049】

また、第１の羽根車２０の斜流式羽根車２２を構成するハブ２３の縮径部２６は、軸流式羽根車２１を構成するハブ２３の円筒状部２５から連続して設けられているため、水は軸流式羽根車２１から斜流式羽根車２２に向けて軸方向にスムーズに流れ、摩擦損失が少なくなる。

【0050】

さらに、第１の羽根車２０の斜流式羽根車２２においては出口側に向けてハブ２３の径が縮径しているため、水の流れる方向を軸方向から径方向内向きに緩やかに曲げることができ、摩擦損失を低減することができる。
また、第１の羽根車２０の各羽根２４は、第２の羽根車３０の外周に突出する突出端部２７を備えているため、水の流れる方向を効果的に径方向内向きに曲げて水を第２の羽根車３０へ送ることができ、摩擦損失を低減することができる。

【0051】

また、第１の筒状体６０を備えずに流体が直接第１の羽根車２０に入力される場合には、流体は第１の羽根車２０のハブ２３の端面に当たって径方向外側に向きが曲げられ、次にケーシング５０に当たって軸方向に向きが曲げられるため、羽根２４の根元側に流体が流入しにくくなったり、第１の羽根車２０に流入する流体の流れに偏りが生じエネルギー損失が大きくなる。一方、上記の実施形態によれば、第１の筒状体６０が第１の羽根車２０の上流側に配置されており、入力された流体が第１の筒状体６０のガイド部６２と円筒状部６１により軸方向に整流されて第１の羽根車２０に入力されるため、流体の流れの偏りが防がれ、摩擦損失が小さい。

【0052】

図６に本発明の他の実施形態を示す。
第１の羽根車２０のハブ２３の出口側端面２３ｂに、第１の羽根車２０と同軸に円筒状の第３の筒状体８０が嵌め込まれる凹部２０ａが形成されている。第３の筒状体８０は、出口側端面８０ｂから軸方向に延び、周方向に等間隔を空けて配置された複数のスポーク８３によりケーシング５０の内壁に固定されている。スポーク８３は、第１の羽根車２０の突出端部２７と第２の羽根車３０との間であって、第１の羽根車２０及び第２の羽根車３０の回転を妨げない位置に設けられている。第３の筒状体８０内には第２の羽根車３０と同軸に発電機８４が収容されており、発電機８４の回転軸に第２の羽根車３０のハブ３３に設けられた軸３３ａがカップリング等により連結されている。第３の筒状体８０により第２の羽根車３０はケーシング５０内に回転可能に軸支される。

【0053】

上記の構成によれば、第２の羽根車３０を軸支する第３の筒状体８０が第１の羽根車２０内に配置されるため、流体機械である水車１０を小型化できる。
その他の構成については、図１の実施形態と同様であるため、対応する部分に同一の符号を付すことで説明を省略する。

【0054】

図７に本発明の他の実施形態を示す。
第１の羽根車２０のハブ２３の出口側端面２３ｂに、第１の羽根車２０と同軸に円筒状の第３の筒状体８０が嵌められる凹部２０ａが形成されている。第３の筒状体８０は、出口側端面８０ｂから軸方向に延びるスポーク８３によりケーシング５０の内壁に固定されている。スポーク８３は、第１の羽根車２０の突出端部２７と第２の羽根車３０との間であって、第１の羽根車２０及び第２の羽根車３０の回転を妨げない位置に設けられている。第３の筒状体８０内の出口側には第２の羽根車３０と同軸に第２の発電機８４が収容されており、第２の発電機８４の回転軸に第２の羽根車３０のハブ３３に設けられた軸３３ａがカップリング等により連結されている。第３の筒状体８０内の入口側には第１の羽根車２０と同軸に第１の発電機８５が収容されており、第１の発電機８５の回転軸に第１の羽根車２０のハブ２３に設けられた軸２３ａがカップリング等により連結されている。第１の羽根車２０の軸２３ａは凹部２０ａの底部から突設されている。第３の筒状体８０により第１、第２の各羽根車２０、３０をケーシング５０内に回転可能に軸支することができる。

【0055】

第１の羽根車２０のハブ２３は、円筒状部２５が図１の実施形態よりも軸方向に入口側に向けて長く形成され、円筒状部２５の入口側に先端が先細りのガイド部２３ｄが形成されている。これにより、入力された流体は軸方向に整流される。
第２の羽根車３０を軸支する第３の筒状体８０が第１の羽根車２０内に配置されるため、流体機械である水車１０を小型化できる。
その他の構成については、図１の実施形態と同様であるため、対応する部分に同一の符号を付すことで説明を省略する。

【0056】

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

【0057】

上記の実施形態においては、第１の羽根車２０の軸流式羽根車２１と斜流式羽根車２２とを一体に形成しているが、別個に形成して同軸に連結したいわゆる多段式として形成してもよい。

【0058】

流体機械は水車１０に限定されず、例えば、風車、ポンプ、送風機として用いられる。
流体機械を風車として用いる場合は、流体は空気または気体であり、水車の場合と同様に第１の羽根車２０、第２の羽根車３０が流体からエネルギーを得て回転し、第１の羽根車２０、第２の羽根車３０に連結された発電機６４、７４により発電を行う。

【0059】

流体機械をポンプとして用いる場合、上記の実施形態において、発電機６４、７４、８４、８５は電動機に置き換えられる。第２の羽根車３０に接続された電動機により第２の羽根車３０を水車の場合の第２の羽根車３０とは逆向きに回転させることで、流体は第２の羽根車３０からエネルギーを得て第１の羽根車２０に向けて流れる。流体は水又は液体である。第１の羽根車２０は電動機と接続されており、電動機が第１の羽根車２０を第２の羽根車３０と逆方向に回転させることにより、流体は第１の羽根車２０からエネルギーを得て第１の羽根車２０から流出する。流体には高いエネルギーが与えられる。流体機械を送風機として用いる場合、流体は空気または気体であり、ポンプの場合と同様に流体が第１の羽根車２０、第２の羽根車３０からエネルギーを得て送風がなされる。

【0060】

流体機械を風車、ポンプ、送風機として用いる場合、第１、第２の各羽根車２０、３０の羽根２４、３４の形状や向き、羽根２４、３４の各ハブ２３、３３への取り付け角度、各種寸法は、流体機械の用途に合わせて効率良く駆動可能なように適宜設定される。

【符号の説明】

【0061】

１０ 水車（流体機械）
２０ 第１の羽根車
３０ 第２の羽根車
４０ 二重反転式羽根車
２１ 軸流式羽根車
２２ 斜流式羽根車
２３ ハブ
２４ 羽根
２５ 円筒状部
２６ 縮径部
２７ 突出端部
５０ ケーシング
６０、７０、８０ 第１～第３の筒状体
６４、７４、８４ 発電機（回転電機）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】