特許 7178658 オープンクロスフロー水車発電装置

(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】

(24)【登録日】2022-11-17

(45)【発行日】2022-11-28

(54)【発明の名称】オープンクロスフロー水車発電装置

(51)【国際特許分類】

   F03B 11/00 20060101AFI20221118BHJP

   F03B 7/00 20060101ALI20221118BHJP

【ＦＩ】

F03B11/00 A

F03B7/00

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018229353

(22)【出願日】2018-12-06

(65)【公開番号】P2020090938

(43)【公開日】2020-06-11

【審査請求日】2021-07-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000242530

【氏名又は名称】北菱電興株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】518434968

【氏名又は名称】アークス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090712

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 忠秋

(72)【発明者】

【氏名】山本 潔

(72)【発明者】

【氏名】松下 正人

(72)【発明者】

【氏名】堀内 久和

(72)【発明者】

【氏名】北田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】瀧本 裕士

【審査官】吉田 昌弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１２５９０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０４８９５７３０（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開昭５２－０５３１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１２／０６３２５５（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ １１／００

Ｆ０３Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

相対向する左右のチャンネル状の縦部材を横部材の両端に立設する基礎フレームと、前記縦部材を介して左右の支柱部材を前記横部材上の下部材の両端に立設する架台フレームと、個別の支持スタンドを介して前記下部材上に直線状に配列して積載する一対のランナと、前記各支柱部材の上端に搭載する一対の発電機とを備えてなり、前記各ランナ、発電機は、前記各支柱部材に組み込む動力伝達機構を介して個別に連結し、前記各ランナの間には、前記各ランナの軸受を共通に覆うカバーを設け、該カバーの上部は、前記各ランナと実質的に同径の円弧状に形成することを特徴とするオープンクロスフロー水車発電装置。

【請求項2】

前記ランナの上流側には、水位を上昇させる傾斜板を設置することを特徴とする請求項１記載のオープンクロスフロー水車発電装置。

【請求項3】

前記傾斜板の先端部には、前記ランナの外周に沿って湾曲し、越流する水を前記ランナ上に導いて流下させる導水材を付設することを特徴とする請求項２記載のオープンクロスフロー水車発電装置。

【請求項4】

前記導水材には、前記ランナの外周に沿って湾曲する補助材を前記各ランナごとに高さ調節可能に付設することを特徴とする請求項３記載のオープンクロスフロー水車発電装置。

【請求項5】

相対向する左右のチャンネル状の縦部材を横部材の両端に立設する基礎フレームと、前記縦部材を介して左右の支柱部材を前記横部材上の下部材の両端に立設する架台フレームと、個別の支持スタンドを介して前記下部材上に直線状に配列して積載する一対のランナと、前記各支柱部材の上端に搭載する一対の発電機とを備えてなり、前記各ランナ、発電機は、前記各支柱部材に組み込む動力伝達機構を介して個別に連結し、前記ランナの上流側には、水位を上昇させる傾斜板を設置し、前記傾斜板の先端部には、前記ランナの外周に沿って湾曲し、越流する水を前記ランナ上に導いて流下させる導水材を付設し、前記導水材には、前記ランナの外周に沿って湾曲する補助材を前記各ランナごとに高さ調節可能に付設することを特徴とするオープンクロスフロー水車発電装置。

【請求項6】

前記ランナ、支持スタンド、発電機、動力伝達機構は、各一対２組を設けるに代えて、各１個１組を設けることを特徴とする請求項５記載のオープンクロスフロー水車発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、動作信頼性が高く、設置工事や保守点検作業等が容易なオープンクロスフロー水車発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

小河川や農業用水などの開水路には、落差工を利用して水車発電装置を設備することがあり、この場合の水車としては、上流側からのごみや異物などによるトラブルが少ない点で、オープンクロスフロー水車と呼ばれている水車が殊に好適である。周知のとおり、オープンクロスフロー水車は、水流の一部をランナ上に越流させながら運転し、ごみや異物などを下流側に円滑に放流させることができるからである。ただし、ここでいう「オープン」は、水車ケーシングがない「開放形」を意味している。

【0003】

従来のオープンクロスフロー水車発電装置は、水路を横断して落差工の下流側に設置する基礎フレームと、基礎フレームの左右のチャンネル状の縦部材を介して設置する門形の架台フレームとを設け、架台フレームの下部にオープンクロスフロー水車のランナを組み付けるとともに、架台フレームの上部の横部材上に発電機を設置して構成されている（特許文献１）。ランナと発電機との間は、方向変換用のギヤボックスを含む動力伝達機構を介して連結されており、動力伝達機構は、架台フレームの一方の支柱部材に組み付けられている。

【0004】

なお、水路幅が大きく、ランナの軸方向の長さが長い場合には、架台フレームの左右の支柱部材にそれぞれ動力伝達機構を組み込み、ランナの軸の両端を各動力伝達機構に連結するとともに、双方の動力伝達機構の出力軸を横部材上の共通の発電機に連結する構成も提案されている（非特許文献１）。動力伝達機構を左右の２系統に分割することにより、ギヤボックスなどの動力伝達機構の構成部材を小形化することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０１４－１２５９０６号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】大分県大分市所在の(株)ターボブレード社ホームページ、https://www.turboblade.jp/koredeki_s_water_03.html

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

かかる従来技術によるときは、ランナ、発電機の他、ギヤボックスを含む動力伝達機構の全部が架台フレームに一体に組み付けられているため、架台フレームの全体重量が大きくなって大形のクレーン設備が必要になり、設置工事や保守点検作業等が煩雑になりがちであるという問題があった。また、従来技術の後者によるときは、ランナの両端に連結する２系統の動力伝達機構の出力軸を共通の発電機に連結するため、ランナの軸方向の捻れ等に起因するギヤボックスの故障や破損等を招き易く、全体の動作信頼性を損うことが少なくないという問題があった。

【0008】

そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、支持スタンドを介して左右一対のランナを架台フレームの下部材に組み付けるとともに、各ランナから各発電機に至る独立の２系統の動力伝達機構を設けることによって、動作信頼性が高く、設置工事や保守点検作業等が容易なオープンクロスフロー水車発電装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

かかる目的を達成するための請求項１の発明の構成は、相対向する左右のチャンネル状の縦部材を横部材の両端に立設する基礎フレームと、縦部材を介して左右の支柱部材を横部材上の下部材の両端に立設する架台フレームと、個別の支持スタンドを介して下部材上に直線状に配列して積載する一対のランナと、各支柱部材の上端に搭載する一対の発電機とを備えてなり、各ランナ、発電機は、各支柱部材に組み込む動力伝達機構を介して個別に連結し、各ランナの間には、各ランナの軸受を共通に覆うカバーを設け、カバーの上部は、各ランナと実質的に同径の円弧状に形成することをその要旨とする。

【0010】

なお、ランナの上流側には、水位を上昇させる傾斜板を設置してもよく、傾斜板の先端部には、ランナの外周に沿って湾曲し、越流する水をランナ上に導いて流下させる導水材を付設してもよく、導水材には、ランナの外周に沿って湾曲する補助材を各ランナごとに高さ調節可能に付設してもよい。

【0011】

請求項５の発明の構成は、相対向する左右のチャンネル状の縦部材を横部材の両端に立設する基礎フレームと、縦部材を介して左右の支柱部材を横部材上の下部材の両端に立設する架台フレームと、個別の支持スタンドを介して下部材上に直線状に配列して積載する一対のランナと、各支柱部材の上端に搭載する一対の発電機とを備えてなり、各ランナ、発電機は、各支柱部材に組み込む動力伝達機構を介して個別に連結し、ランナの上流側には、水位を上昇させる傾斜板を設置し、傾斜板の先端部には、ランナの外周に沿って湾曲し、越流する水をランナ上に導いて流下させる導水材を付設し、導水材には、ランナの外周に沿って湾曲する補助材を各ランナごとに高さ調節可能に付設することをその要旨とする。

【0012】

さらに、ランナ、支持スタンド、発電機、動力伝達機構は、各一対２組を設けるに代えて、各１個１組を設けることできる。

【発明の効果】

【0013】

かかる発明の構成によるときは、架台フレームの下部材上に積載する一対のランナは、それぞれ各支柱部材に組み込む動力伝達機構を介して各支柱部材の上端の発電機に個別に連結されている。そこで、ランナから発電機に至る動力伝達機構の各構成部材には、ランナの捻れ等に起因する過大な力が負荷されるおそれがなく、全体として高度の動作信頼性を容易に実現することができる。また、各ランナは、架台フレームに対し、支持スタンドと一体のまま個別に搬出入可能である上、各支柱部材は、発電機や動力伝達機構のギヤボックス、回転軸などとともに、下部材上に個別に搬出入可能であるから、過大なクレーン設備を使用する必要がなく、設置工事や保守点検作業等を含む維持管理業務を容易にし、簡便にすることができる。

【0014】

ただし、各支持スタンド、各支柱部材は、たとえばねじ止めなどにより下部材に対して着脱自在に固定するものとし、各ランナと各支柱部材内のギヤボックスとの間は、たとえばフランジ継手のような分離可能な継手を介して連結するものとする。また、基礎フレームは、開水路の落差工の下流側において、架台フレーム上のランナを適位置に位置決めするように設置するものとする。なお、一対のランナの一方だけを取り外すことにより、他方のランナ、発電機だけによる片側運転も可能である。ただし、このとき、取り外したランナ側の水は、ランナが存在する場合と同様にして下流側に放流させればよい。

【0015】

各ランナの間に設けるカバーは、水路の中央に位置して隣接する各ランナの片側の軸受を水流から保護するとともに、各ランナと実質的に同軸同径の円弧状に形成することにより、各ランナに対すると同等の水量を越流させ、上流からのごみや異物等を下流側に円滑に放流させることができる。

【0016】

ランナの上流側の傾斜板は、落差工の上流側の水位を上昇させ、傾斜板を越流する水をランナ上に効率よく流下させ、越流させる。また、傾斜板の先端部の導水材は、上流側の水位をさらに高め、越流する水をランナ上の適位置に導いて流下させることができ、導水材に付設する補助材は、導水材を越流する水位を調節し、水路の水量の多少などにより、適宜高さ調節してランナ上への水の流下位置を一層容易に微調整することがきる。

【0017】

ランナ、支持スタンド、発電機、動力伝達機構を各１個１組だけ設ければ、水路の幅が小さい場合の水車発電装置として一層使い勝手を向上させることができる。ただし、この場合の発電機、動力伝達機構は、架台フレームの一方の支柱部材だけに組み込めばよい。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】全体構成中央縦断面図

【図2】図１のＸ矢視相当図

【図3】基礎フレームの構成説明図

【図4】支持スタンドの構成説明図

【図5】カバーの構成説明図

【図6】図１のＹ矢視相当図

【図7】図１のＺ－Ｚ線矢視相当断面図

【図8】導水材、補助材の構成説明図

【図9】搬出入動作説明図（１）

【図10】搬出入動作説明図（２）

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。

【0020】

オープンクロスフロー水車発電装置は、基礎フレーム１０、架台フレーム２０、一対のランナ３１、３１、一対の発電機３２、３２を主要部材としてなり（図１、図２）、水路Ｗの落差工Ｗ1 の下流側に設置されている。ただし、各ランナ３１は、開水路の水路Ｗに設置する横軸形のオープンクロスフロー水車である。

【0021】

基礎フレーム１０は、角筒状の横部材１１の両端に左右のチャンネル状の縦部材１２、１２を立設して構成されている（図１、図３）。ただし、図３（Ａ）～（Ｃ）は、それぞれ基礎フレーム１０の正面図、平面図、側面図であり、図３（Ｄ）、（Ｅ）は、それぞれ同図（Ａ）のＸ－Ｘ線矢視相当端面図、Ｙ－Ｙ線矢視相当断面図である。

【0022】

基礎フレーム１０の横部材１１は、落差工Ｗ1 の下流側の水叩きＷ2 上において、水路Ｗを横断するようにして設置されている。また、左右の縦部材１２、１２は、それぞれ水路Ｗの両岸の壁面Ｗ3 に埋め込まれており、水路Ｗを介して相対向している。なお、図３において、斜線部分は、水路Ｗの壁面Ｗ3 のコンクリートに接触する部分を示している。

【0023】

架台フレーム２０は、角筒状の下部材２１の両端に左右の支柱部材２２、２２を立設して構成されている（図１、図２）。ただし、図２において、左右の縦部材１２、１２、支柱部材２２、２２は、それぞれ中央縦断面図、外形図として図示されている。横部材１１、下部材２１の破断線Ｋの左側部分、右側部分についても同様である。下部材２１は、基礎フレーム１０の横部材１１上に設置されており、左右の支柱部材２２、２２は、それぞれ左右の縦部材１２、１２を介して立設されている。なお、各支柱部材２２の上端部には、内向き、外向きの各一対の吊上げ用の舌片２２ａ、２２ａ、２２ｂ、２２ｂが付設されている。

【0024】

左右一対のランナ３１、３１は、それぞれ個別の支持スタンド３３を介し、架台フレーム２０の下部材２１上に一直線状に配列して積載されている。すなわち、各ランナ３１の軸３１ａは、支持スタンド３３の左右の脚３３ａ、３３ａの上端の軸受３１ｂ、３１ｂを介して回転自在に支持されている。各支持スタンド３３は、ベース板３３ｂの両端に脚３３ａ、３３ａを立設するとともに（図４）、各脚３３ａの左右両側、脚３３ａ、３３ａとベース板３３ｂとの間には、それぞれ補強用のリブ板３３ｃ、３３ｃ、３３ｄが付設されている。また、各脚３３ａの上端には、軸受３１ｂ用の支承板３３ｅが固定され、一方の脚３３ａの上端部には、支承板３３ｅの左右に突出する棚板３３ｆ、３３ｆが支承板３３ｅよりやや低い位置に付設されている。ただし、図４（Ａ）～（Ｃ）は、それぞれ支持スタンド３３の正面図、平面図、棚板３３ｆ、３３ｆがない側の側面図である。

【0025】

各ランナ３１の軸３１ａの支柱部材２２側の一端は、フランジ継手３１ｃを介し、支柱部材２２内のギヤボックス４１に連結されている（図２）。ギヤボックス４１は、マイタギヤまたはベベルギヤなどを内蔵する方向変換用のギヤボックスであり、ギヤボックス４１の上向きの出力軸は、回転軸４２、増速用のギヤボックス４３を介して立軸形の発電機３２の下向きの軸端に連結されている。なお、ギヤボックス４１、回転軸４２、ギヤボックス４３は、支柱部材２２に組み込む動力伝達機構４０を形成しており、発電機３２は、支柱部材２２の上端において、ギヤボックス４３を収納する支持架台３２ａの上面に下向きに搭載されている（図１、図２）。ただし、増速用のギヤボックス４３は、必要に応じて設ければよく、省略することも可能である。

【0026】

ランナ３１、３１の間には、互いに隣接する各ランナ３１の片側の軸受３１ｂ、３１ｂを共通に覆うカバー３４が設けられている。カバー３４は、下部開放の半月形の本体部３４ａの下端に底板３４ｂを付設して構成されている（図５）。本体部３４ａの一端は、底板３４ｂとともに閉じられており、他端部は、斜めに切り欠いて開口部３４ｃが形成されている。ただし、図５（Ａ）～（Ｃ）は、それぞれカバー３４の正面図、底面図、開口部３４ｃ側の側面図である。

【0027】

カバー３４は、左右の支持スタンド３３、３３の隣接する脚３３ａ、３３ａの各棚板３３ｆ、３３ｆ上のスペーサ３４ｄ、３４ｄを介して固定されている（図１、図２）。ただし、図１には、一方の支持スタンド３３の脚３３ａ上の軸受３１ｂ、スペーサ３４ｄのみが図示されており、図２には、スペーサ３４ｄ、３４ｄの図示が省略されている。また、カバー３４は、開口部３４ｃを水路Ｗの下流側に向けるものとし、本体部３４ａの上部は、各ランナ３１と実質的に同軸同径の円弧状に湾曲しているものとする。

【0028】

水路Ｗの落差工Ｗ1 の上方には、水路Ｗの上流側からの水をランナ３１、３１に適切に導くために、導水部材５０が配設されている（図１、図６）。

【0029】

導水部材５０は、落差工Ｗ1 の上端からランナ３１、３１に向けて斜め上向きに突出する傾斜板５１と、傾斜板５１の左右両端において、水路Ｗの下流側に向けて斜めに対称的に突出する垂直のガイド板５２、５２と、ガイド板５２、５２の下流側の先端から水路Ｗと平行にランナ３１、３１の上方に伸びる平行板５３、５３とを一体に組み立てて構成されている（図１、図７）。なお、傾斜板５１、ガイド板５２、５２は、それぞれ水平の取付部５１ａ、垂直の取付部５２ａ、５２ａを介し、落差工Ｗ1 の上流側の水路Ｗの底面Ｗ4 、壁面Ｗ3 、Ｗ3 に固定されている。また、各平行板５３の下端は、ランナ３１の外周に沿って円弧状に切り欠かれており、傾斜板５１の下面側、各ガイド板５２、平行板５３の裏面側には、それぞれ適切な枚数の補強リブ５１ｂ、５２ｂ、５３ａが付設されている。

【0030】

傾斜板５１の先端部上面には、横長の導水材５４が付設されており、導水材５４には、横長の補助材５５、５５が付設されている。なお、導水材５４は、ランナ３１、３１に共通であり、補助材５５、５５は、それぞれランナ３１に個別に対応している。また、導水材５４、各補助材５５は、ランナ３１の外周に沿って短辺方向に湾曲されている（図１、図８（Ａ）、（Ｂ））。ただし、図８（Ａ）、（Ｂ）は、それぞれ導水材５４と補助材５５、５５の分解正面図、分解側面図、同図（Ｃ）は、導水材５４の平面図、同図（Ｄ）、（Ｅ）は、それぞれ導水材５４に対する補助材５５、５５の組立形態を示す平面図である。

【0031】

導水材５４は、上面側に凸に湾曲するとともに、複数のリブ５４ｂ、５４ｂ…を上面に有する本体板５４ａと、本体板５４ａ、リブ５４ｂ、５４ｂ…の基部に共通の取付板５４ｃとを一体に組み立てて構成されている（図８（Ａ）～（Ｃ））。本体板５４ａには、下面側にナット５４ｄを固定する複数のボルト孔が短辺方向に複列に形成されており、各補助材５５には、本体板５４ａ側のボルト孔に対応するボルト孔５５ａ、５５ａ…が短辺方向に複列に形成されている。そこで、各補助材５５は、適切なボルト孔５５ａを選択して本体板５４ａ側のナット５４ｄにボルトを螺合することにより、導水材５４に対して高さ調節可能にねじ止めすることができる（図８（Ｄ）、（Ｅ））。

【0032】

ただし、図８（Ｄ）は、導水材５４に対して補助材５５、５５を最も低くセットした形態を示し、同図（Ｅ）は、最も高くセットした形態を示している。また、図１、図６、図７において、導水材５４、補助材５５、５５は、図８（Ｄ）の形態に合わせて図示されている。

【0033】

なお、各補助材５５には、導水材５４のリブ５４ｂを収納するために、短辺方向のスリット５５ｂが形成され（図８（Ａ））、補助材５５、５５を突き合せた部分にリブ５４ｂを収納できるように、対向する短辺上に切欠き５５ｃ、５５ｃが形成されている。また、導水材５４は、取付板５４ｃのボルト孔５４ｅ、５４ｅ…を利用して傾斜板５１の先端部にねじ止めすることができる（図１、図８（Ｃ））。

【0034】

ランナ３１、３１は、水路Ｗの上流側からの水が傾斜板５１、導水材５４、補助材５５、５５を越えて流下することにより回転する。そこで、各ランナ３１は、対応する側の動力伝達機構４０のギヤボックス４１、回転軸４２、ギヤボックス４３を介して発電機３２を回転駆動し、個別に発電することができる。

【0035】

一方、各ランナ３１は、対応するギヤボックス４１との間のフランジ継手３１ｃを切り離すとともに（図９）、クレーン車などのクレーン設備のフックＦからの吊りワイヤＳ1 、吊り部材Ｓ2 、吊りワイヤＳ3 、Ｓ3 を介して軸３１ａの両端部を吊下することにより、支持スタンド３３と一体のまま架台フレーム２０の下部材２１上から外部に搬出し、外部から下部材２１上に搬入することがきる。また、架台フレーム２０の各支柱部材２２は、内蔵のギヤボックス４１と対応のランナ３１との間のフランジ継手３１ｃを切り離すとともに（図１０）、クレーン設備のフックＦからの吊りワイヤＳ1 を吊上げ用の舌片２２ａ、２２ａ、２２ｂ、２２ｂに掛けて吊下することにより、内蔵の動力伝達機構４０、発電機３２と一体のまま、基礎フレーム１０の縦部材１２を介して架台フレーム２０の下部材２１上に搬出入することができる。

【0036】

なお、各支持スタンド３３、各支柱部材２２は、それぞれ下部材２１に対して着脱自在にねじ止めされている。また、図１０において、１組の舌片２２ａ、２２ｂのみが図示されている。

【0037】

以上の説明において、ランナ３１、３１は、軸３１ａ方向に同一長さとし、発電機３２、３２は、同容量とするだけでなく、ランナ３１、３１の長さをたとえば１：２に異ならせ、対応する発電機３２、３２の容量を異ならせてもよい。また、架台フレーム２０上には、各１個１組のランナ３１、支持スタンド３３、発電機３２、動力伝達機構４０を設けてもよく、このとき、発電機３２、動力伝達機構４０は、一方の支柱部材２２に搭載し、収納すればよい。

【産業上の利用可能性】

【0038】

この発明は、上流側からのごみや異物などによるトラブルが少ないというオープンクロスフロー水車の特性を保持しながら、維持管理業務に必要なクレーン設備を小形化することができるため、アクセス事情がよくないサイト等であっても容易に対処可能であり、任意の開水路に設置する水車発電設備として広く好適に適用することができる。

【符号の説明】

【0039】

１０…基礎フレーム
１１…横部材
１２…縦部材
２０…架台フレーム
２１…下部材
２２…支柱部材
３１…ランナ
３１ｂ…軸受
３２…発電機
３３…支持スタンド
３４…カバー
４０…動力伝達機構
５１…傾斜板
５４…導水材
５５…補助材

特許出願人 北菱電興株式会社
アークス株式会社

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】