特許 7642314 水力発電装置の水車翼

(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】2025-02-28

(45)【発行日】2025-03-10

(54)【発明の名称】水力発電装置の水車翼

(51)【国際特許分類】

   F03B 3/12 20060101AFI20250303BHJP

【ＦＩ】

F03B3/12

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020014863

(22)【出願日】2020-01-31

(65)【公開番号】P2020139498

(43)【公開日】2020-09-03

【審査請求日】2022-09-20

(31)【優先権主張番号】P 2019030055

(32)【優先日】2019-02-22

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】100150566

【弁理士】

【氏名又は名称】谷口 洋樹

(74)【代理人】

【識別番号】100213470

【弁理士】

【氏名又は名称】中尾 真二

(72)【発明者】

【氏名】後藤 知美

(72)【発明者】

【氏名】近藤 博光

【審査官】松浦 久夫

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１４－５０７５９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５６６９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１４１４５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５１９１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－００８８０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０９１２８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１７６４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１２２３３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０２３２２４４６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５０９８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０２０２２３７９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０３Ｂ ３／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

フランジとこのフランジの間に放射状に並ぶ複数のハブ分割体付き羽根とで構成され水力発電装置に用いられるプロペラ型の水車翼であって、
前記各ハブ分割体付き羽根は、各羽根とハブの一部となるハブ分割体を有し、前記各ハブ分割体で互いに結合され、前記ハブは、前記各羽根の前記ハブ分割体が円周方向に並ぶリング板状のハブ分割体配列体と、このハブ分割体配列体を表裏から挟む前後一対のフランジとでなり、後ろ側のフランジには、中央穴の周壁を成す円筒状部が前方に突出して設けられ、前側のフランジには、前記円筒状部の外径と嵌合する穴が設けられ、前記各ハブ分割体が前記表裏の前後一対のフランジに渡って挿通された締結具により前記フランジに締結されることで、前記各羽根が相互に結合され、前記水車翼は、中心部ハブの前方にスピナが設けられ、且つ前記羽根がプロペラ型であることを特徴とする水力発電装置の水車翼。

【請求項2】

請求項１に記載の水力発電装置の水車翼において、前記各羽根の材質が、ステンレス材、アルミ材、または高クロム材である水力発電装置の水車翼。

【請求項3】

請求項２に記載の水力発電装置の水車翼において、前記各ハブ分割体付き羽根は、鋳造品である水力発電装置の水車翼。

【請求項4】

請求項３に記載の水力発電装置の水車翼において、前記各羽根に製品番号または製作時期を特定可能なマークまたは文字が形成されている水力発電装置の水車翼。

【請求項5】

請求項４に記載の水力発電装置の水車翼において、前記マークまたは前記文字は、前記各羽根に凹み部分で形成されている水力発電装置の水車翼。

【請求項6】

請求項２ないし請求項５のいずれか１項に記載の水力発電装置の水車翼において、前記各羽根の最外層として、塗装、酸化皮膜、めっき、または樹脂コートが施されている水力発電装置の水車翼。

【請求項7】

請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の水力発電装置の水車翼において、隣合う前記各ハブ分割体付き羽根の前記ハブ分割体の間に、ハブ分割体よりも軟質のスペーサが介在している水力発電装置の水車翼。

【請求項8】

請求項７に記載の水力発電装置の水車翼において、前記スペーサが樹脂製またはゴム製である水力発電装置の水車翼。

【請求項9】

請求項７に記載の水力発電装置の水車翼において、前記スペーサが、ポリテトラフルオロエチレン製である水力発電装置の水車翼。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、水路に設置される水力発電装置におけるプロペラ型の水車翼に関する。

【背景技術】

【0002】

水力発電装置は、流水が持つ運動エネルギーを発電に利用するシステムである。この水力発電装置の中で小型のものは、農業用水等の水路に設置して利用されている（例えば、特許文献１）。ところで、当該装置を構成する部品材質は多種に亘っている。例えば、水車翼は樹脂材、支柱は鉄、ボルトはステンレスというような材質を用いている。

【0003】

従来、水車翼として、繊維強化プラスチック材を適用したものがあるが、水中用途であるため、水車翼の表層にクラックが発生すると、繊維強化プラスチック材が水と接触して、水車翼の強度低下に繋がる。そのため、繊維強化プラスチック材の破断強度以下のクラック発生荷重を耐荷重とすることになり、繊維強化プラスチック材の材料強度を有効に活用できないと言う課題が有った。

【0004】

そこで、前記繊維強化プラスチック材に対して、高強度の鉄系金属（ステンレス材）または非鉄金属（アルミ材）の適用が考えられる。
さらに、取扱性，コストを考えた場合、図７に示すように、中心のハブ（図示せず）と締結する部位に雄ねじ部４１を設けた羽根１２より、水車翼とする構成が考えられる。このような羽根は、水車ではないが、例えば高速道路のトンネル内の換気扇に適用される場合が有る。

【0005】

なお、水車に関して、分割羽根の文献（特許文献２）が有るが、同文献は、フランシス水車の羽根を分割し、その組立方法の改善に関する特許であり、複数の羽根を結合して構成するプロペラ型の水車翼とは大きく異なったものとなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１５－０１４２１９公報

【文献】特開２００６－２９１９８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

プロペラ型の水車翼は、ハブ分割体付き羽根、ハブ、およびスピナで構成されるが、前記繊維強化プラスチック材は、軽量であるため、ハブ分割体付き羽根は、組立またはメンテナンス時に人力で作業できる。しかし、前記鉄系金属または非鉄金属の場合、質量が増加するため、簡易クレーン等を用いることになり、作業性が悪くなる。また、成形型で製造する場合、例えば鋳造では、型サイズが大きくなり、成形型の高コストを招くことになる。

【0008】

以上がハブ分割体付き羽根を適用する背景であり、水車翼の強度を向上させ、安価な水車を提供することができる。
また、ハブ分割体付き羽根の場合、不測状況で羽根が破損しても、水車翼の全体の交換ではなく、破損したハブ分割体付き羽根のみ交換とすることもできるメリットもある。

【0009】

しかしながら、図７の例のように羽根１２の根元に雄ねじ部４１を設け、これを中央のハブと締結する構造では、送風とは異なり、流水の流速変動や、羽根の一部が水面から露出した場合での羽根の水に対する出入りによる交番荷重（締結部に加わる荷重変動）から、せん断応力が作用し、これが疲労破壊する可能性が有る。締結力が大きいほど、せん断応力は作用し易くなる。

【0010】

この発明は、上記課題を解消するものであり、ハブ分割体付き羽根を用いることにより組み立てやメンテナンスの容易化を図りながら、流水の流速変動や、羽根の一部が水面から出入りすることで羽根に交番応力が作用する環境下においても、強度が確保され、かつ荷重変動からのフレッティング摩耗が抑制される水力発電装置の水車翼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】

【0011】

この発明の水力発電装置の水車翼は、フランジとフランジの間に放射状に並ぶ複数のハブ分割体付き羽根とで構成され水力発電装置に用いられるプロペラ型の水車翼であって、
前記各ハブ分割体付き羽根はハブの一部となる形状で前記ハブ分割体が一体に設けられていることを特徴とする。

【0012】

この構成によると、水車翼を１部品とせずに、ハブ分割体付き羽根に分割し複数部品としたため、各ハブ分割体付き羽根が金属製であっても、組み立て時やメンテナンス時に取り扱う物が軽量化され、組み立てやメンテナンスが容易になる。
分割構造としたため結合が必要であるが、ハブ分割体付き羽根は根元にハブの一部であるハブ分割体を有し、各ハブ分割体付き羽根はハブ分割体で互いに結合するようにしたため、図7の羽根の根元に雄ねじ部を設けて締結する構成と異なり、前記結合を行うボルト等の締結具には引っ張り力のみが作用し、せん断力が作用しないように構成できる。そのため、流水の流速変動や羽根の水面に対する出入りがあり、結合部に交番荷重が作用する環境下においても、前記交番荷重によるせん断応力で、前記結合部を構成する締結具等が損傷することが防止される。
なお、前記「水車翼」とは、構成部品点数に関係なく、発電するための翼としての形状を有していることを言う。例えば、５枚羽根を有している水車翼の場合、５枚羽根全体が鋳造や成形、削り出しなどで単品で形状を有している場合、また分割構造で５つのハブ分割型付き羽根を結合させて形状を有している場合も「水車翼」と言う。

【0013】

この発明において、前記ハブは、前記各羽根の前記ハブ分割体が円周方向に並ぶハブ分割体配列体と、このハブ分割体配列体を表裏から挟む一対のフランジとでなり、前記各ハブ分割体が前記表裏のフランジに渡って挿通された締結具により前記フランジに締結されることで、前記各羽根が相互に結合されていてもよい。
このように各羽根のハブ分割体を一対のフランジで挟み込み、表裏のフランジに渡って挿通された締結具により締結する組立構造では、根元にボルト形状を形成せず、ハブの部分で各羽根を締結固定するため、応力集中部が締結部とならず、水車翼としての強度が確保できる。また、水路の流水の流速変動や羽根の水面に対する出入りがあり、結合部の結合具に交番荷重が作用する場合に、締結具には引っ張り力のみが作用し、せん断力が作用しない。そのため、締結具に交番荷重によるせん断応力が作用して締結具が損傷することが防止される。

【0014】

この発明において、前記ハブ分割体付き各羽根の材質が、ステンレス材、アルミ材、または高クロム材であってもよい。
これらの材質によると、繊維強化プラスチック材と比べて水車翼の強度に優れ、また通常の鋼材に比べて腐食し難い。繊維強化プラスチック材と比べて質量は増大するが、上記のように水車翼を分割構造としたため、組み立て性やメンテナンス性に優れる。

【0015】

各ハブ分割体付き羽根の材質をステンレス材、アルミ材、または高クロム材とする場合に、前記ハブ分割体付き各羽根は、鋳造品であってもよい。
これらの材質は通常の鋼材に比べて高価であるが、鋳造品とすると、歩留りが良い。

【0016】

ハブ分割体付き羽根が、鋳造品である場合に、前記各羽根に製品番号または製作時期を特定可能なマークまたは文字が形成されていてもよい。この場合、羽根のメンテナンス時等において、異常が発生している羽根または交換すべき羽根を、製品番号または製作時期を特定可能なマークまたは文字から容易に特定し交換することができる。個々の羽根のトレーサビリティを確保することで、不測の事態に対処することが容易となる。

【0017】

前記マークまたは前記文字は、前記各ハブ分割体に凹み部分で形成されていてもよい。各羽根は鋳造後ハブ分割体の表裏面に機械加工等する場合、マークまたは文字が凹み部分で形成されているため、マークまたは文字が前記機械加工等で消失することを防ぐことができるうえ、前記マークまたは前記文字が突出部分として形成されている場合と異なり、ハブ分割体の表裏面と相手材とをがたつくことなく結合することが可能となる。

【0018】

前記各ハブ分割付羽根が、水を攪拌する羽根の定められた位置に計測位置を表すマークが形成されていてもよい。
前記定められた位置は、設計等によって任意に定める位置であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な位置を求めて定められる。
各ハブ分割体付き羽根は、羽根の回転中心が存在しないため、羽根の出来栄えである寸法精度を測定する際の基準点がなく、羽根の寸法精度を測定するための専用の治具を用いて評価する等測定に対する工数を要する。これと共に、各羽根の専用治具との接触状態が個々に異なるため、各羽根の寸法精度の信頼性に関しても問題があった。
そこで羽根の定められた位置に計測位置を表すマークを形成することで、汎用の計測具等を用いて羽根のマークがある位置での所定寸法を、測定する際の基準点がなくても容易に測定することができる。したがって、羽根の寸法精度の良否を容易に評価し得ると共に専用の治具を用意する必要もない。

【0019】

前記各ハブ分割体付き羽根の材質をステンレス材、アルミ材、または高クロム材とする場合に、各羽根の最外層として、塗装、酸化皮膜、めっき、または樹脂コートが施されていてもよい。
最外層に、塗装、酸化皮膜、めっき、または樹脂コートが施されていると、水流に漬かり、または水流に出入りする環境下において、腐食がより確実に回避できる。

【0020】

この発明において、隣合う前記各ハブ分割体付き羽根の前記ハブ分割体の間に、前記ハブ分割体よりも軟質のスペーサが介在していてもよい。
隣合うハブ分割体は前記交番荷重により擦れ合うことになるが、軟質のスペーサが介在することで、フレッティング摩耗が抑制される。前記スペーサは、各ハブ分割体の位置決め用部品としても機能する。

【0021】

前記スペーサは、樹脂製またはゴム製であってもよい。
樹脂製またはゴム製であると、フレッティング摩耗の抑制効果に優れる。

【0022】

前記スペーサは、ポリテトラフルオロエチレン製であってもよい。
スペーサがポリテトラフルオロエチレン製であると、滑り摩擦係数が小さく、フレッティング摩耗の抑制効果がより高められる。

【発明の効果】

【0023】

この発明の水力発電装置の水車翼は、フランジとフランジの間に放射状に並ぶ複数のハブ分割体付き羽根とで構成され水力発電装置に用いられるプロペラ型の水車翼であって、前記各ハブ分割体付き羽根は、前記各ハブ分割体で互いに結合されるため、組み立てやメンテナンスの容易化を図りながら、流水の流速変動や、羽根の一部が水面から出入りすることで羽根に交番応力が作用する環境下においても、強度が確保され、かつ荷重変動からのフレッティング摩耗が抑制される。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】この発明の一実施形態に係る水車翼を備えた水力発電装置の一例の正面図である。

【図2】同水力発電装置の側面図である。

【図3】この発明の一実施形態に係る水力発電装置の水車翼における一部の羽根のみを残し他の羽根は取り外した状態を示す斜視図である。

【図4】同羽根とハブ分割体とが一体化されたハブ分割体付き羽根の斜視図である。

【図5】同水車翼のハブ周辺部を示す斜視図である。

【図6】この発明の他の実施形態に係る水力発電装置の水車翼のハブ周辺部を示す斜視図である。

【図7】提案例の斜視図である。

【図8】この発明のさらに他の実施形態に係る水力発電装置の水車翼における各羽根の正面図である。

【図9】参考提案例の水車翼における各羽根の正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

この発明の一実施形態を図１ないし図５と共に説明する。図１は、この実施形態に係る水車翼１を装備した水力発電装置の一例の正面図である。この水力発電装置は、水車翼１と、発電機２と、支持装置３とを備え、水路４に設置されている。発電機２は、永久磁石型同期発電機等の交流発電機である。水路４は、農業用水路、工業用水路、上下水道、小河川等であり、上面が開放されている。

【0026】

支持装置３は、水路４の両側の側壁４ａ，４ａ間に渡って設置された懸架フレーム５と、この懸架フレーム５の上に設置されて前記発電機２を搭載した発電機台６と、懸架フレーム５から垂下させた筒状部材７とを備え、筒状部材７の下端にギヤボックス８を介して水車翼１の回転軸９（図２）が回転自在に設置されている。水車翼１の回転は、前記回転軸９、ギヤボックス８内の増速機（図示せず）、および筒状部材７内の伝達軸１０を介して発電機２の入力軸２ａに伝達される。

【0027】

水車翼１は、フランジ１１Ｂ，１１Ｃと、このフランジ１１Ｂ，１１Ｃの間に放射状に並ぶ複数（この実施形態では５枚）のハブ分割体付き羽根１３とで構成されるプロペラ型であり、水車翼の中心部ハブ１１の前方にスピナ２３が設けられている。

【0028】

図３ないし図５に示すように、水車翼１は、各ハブ分割体付き羽根１３が互いに分割されている。各ハブ分割体付き羽根１３は、前記ハブ１１の一部となるハブ分割体１１ａが一体に設けられ、羽根１２と、ハブ分割体１１ａとで構成する。各ハブ分割体付き羽根１３は、後述のように、ハブ分割体１１ａの箇所で互いに結合される。

【0029】

ハブ１１は、中央穴１４を有するリング状であり、各羽根１２のハブ分割体１１ａが円周方向に並ぶハブ分割体配列体１１Ａと、このハブ分割体配列体１１Ａを表裏から挟む一対のフランジ１１Ｂ，１１Ｃとでなる。各ハブ分割体１１ａは、厚肉のリング状板を、周方向に並ぶ複数個に等配した扇形の厚肉板状とされている。
各ハブ分割体１１ａには、ボルト穴１５が表裏に貫通して設けられている。ボルト穴１５は、この例ではハブ１１の周方向に並んで各ハブ分割体１１ａに２個ずつ設けられている。

【0030】

ハブ１１の前記一対のフランジ１１Ｂ，１１Ｃは、各羽根１２のハブ分割体１１ａに対応するボルト穴１６，１７がそれぞれ設けられている。後ろ側のフランジ１１Ｃには、中央穴１４の周壁を成す円筒状部１１Ｃａが前方に突出して設けられている。前側のフランジ１１Ｂには、前記円筒状部１１Ｃａ外径と嵌合する穴が設けられている。前記ハブ分割体配列体１１Ａとその表裏のフランジ１１Ｂ，１１Ｃに貫通して、前記各ボルト穴１５～１７に締結具であるボルト１８が挿通される。これらのボルト１８の締結により、ハブ分割体付き羽根１３が、表裏のフランジ１１Ｂ，１１Ｃと共に相互に結合され、一つの水車翼１となる。ボルト１８には高張力ボルト等を用い、所定の軸力が与えられるように締め込むことが好ましい。ボルト１８の締結は、この例ではナット（図示せず）により行っているが、ナットを用いる代わりに、両側のフランジ１１Ｂ，１１Ｃに設けられるボルト穴１６，１７のいずれか一方を、雌ねじが形成された穴としてもよい。

【0031】

上記のように複数のハブ分割体付き羽根１３をハブ分割体１１ａの部分でフランジ１１Ｂ，１１Ｃと共に組み立て水車翼１に対し、ハブ１１の中央穴１４に前記回転軸９（図２）を嵌合させる。中央穴１４にはキー溝１９（図３）が設けられており、このキー溝１９および回転軸９に設けられたキー溝間に渡ってキー（いずれも図示せず）を嵌合させ、ハブ１１と回転軸９との相互の回り止めを行う。これにより、水車翼１が発生する発電トルクが発電機２に伝達される。

【0032】

羽根１２およびハブ分割体１１ａからなるハブ分割体付き羽根１３は、鋳造により形成することが、歩留まりに優れることから望ましい。鋳造羽根の材質は、以下の（１）～（３）の３条件を全て充足するものとし、ハブ分割体付き羽根１３の材質としては、ステンレス鋳鋼材ではＳＣＳ１３，アルミ合金鋳物材ではＡＣ４Ｃ，クロム鋳鋼材では２５Ｃｒ(A532 III-A：ASTM規格) が望ましい。

【0033】

（１）水中使用となるため、耐食性を有する材料。
（２）羽根形状は、流線形状で羽根断面が薄肉厚であるため、必要強度を確保する流動性（湯流れ）の良い材料。
（３）コスト面において汎用性がある材料。

【0034】

＜ステンレス鋳鋼材ＳＣＳ１３＞
高耐食性材料として、ＳＣＳ１３（ＳＵＳ３０４相当）、ＳＣＳ１４（ＳＵＳ３１６相当）が挙げられ、ＳＣＳ１４の方が優れている。しかし、鋳造性の良いＳＣＳ１３は比較的流動性が良い材料であり、低コスト（Ｎｉの含有量が少ない）のため、選定した。
＜アルミ合金鋳物材ＡＣ４Ｃ，ＡＤＣ３＞
プロペラ形状の鋳造実績が有り、耐食性、靭性があるＡＣ７Ｃも候補材に挙がったが、鋳造性が良くないことから、鋳造性に優れ、使用条件を満足するＡＣ４Ｃを選定した。またダイカスト材では、ＡＣ４Ｃに相当するＡＤＣ３を選定する。
＜クロム鋳鋼材２５Ｃｒ(A532 III-A：ASTM規格)＞
クロム鋳鋼材２５Ｃｒは、ステンレス材のＮｉをクロムに置き換えた低コスト材であり、熱処理（固溶化処理）も不要である。鋳造性が良好で、耐食性のある２５Ｃｒを選定した。

【0035】

ハブ分割体付き羽根１３の鋳造後、ハブ分割体１１ａには機械加工が施される。一方、翼部にはショットブラスト等の表面処理は行われるが、機械加工は行われず、前記翼部を鋳放しの状態で適用する。腐食を回避するための表面処理として、羽根１２またはハブ分割体付き羽根１３の全体の最外層に、例えば、塗装、酸化皮膜、めっき、または樹脂コート等の表面処理層（図示せず）を設けることが好ましい。前記表面処理層として、ＡＣ４Ｃではアルマイト処理が適用できる。

【0036】

ところで、ハブ分割体付き羽根１３を一つの水車翼１に組み立てる際、羽根１２の長さ方向の出入りによるズレから、円周上で不揃いが発生する。これを防ぐため、位置決めピン（図示せず）を用いることが考えられるが、既述の如く交番応力から当該ピンも大きく影響を受けるため、適用することは好ましくない。
そこで、図５に示すように、羽根１２の根元に形成された扇形のハブ分割体１１ａが隣接する羽根１２におけるハブ分割体１１ａとの軸方向の当接面で互いに接触せず、所定の隙間が空くようにしておき、このスペースにフレッティング抑制部品としてシート状等のスペーサ２０を介在させる。スペーサ２０の厚さは、このスペーサ２０が介在することで、スペーサ２０を含むハブ分割体配列体１１Ａの外周および内周の形状が略真円となる厚さとされる。

【0037】

前記スペーサ２０をハブ分割体１１ａ間に配設し、組み付けることにより、フレッティグによるガタは発生しない。スペーサ２０の材質に、樹脂材（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（具体的にはテフロン（登録商標）等のフッ素樹脂）、硬質ゴム等を用いれば、スペーサ２０は位置決め用部品としての役割に加えて、フレッティング抑制の効果も奏する。

【0038】

なお、フレッティング抑制部品となる位置決めスペーサ２０は、シート状に限らず図６に示すように断面形状をコの字形にしても良い。同図のスペーサ２０は、具体的には、ハブ分割体１１ａの円周方向を向く両面にそれぞれ沿う２つの放射状部２０ａ，２０ａと、内周穴１４の周面に沿う周面部２０ｂとでなる。スペーサ２０をこのような形状とすることで、セッティングが容易化される。尚、羽根１２の分割個数が偶数の場合は、コの字形スペーサ２０を半減することができる。

【0039】

上記構成の作用、効果を説明する。
水車翼１の構成を各ハブ分割体付き羽根１３としたため、金属製であっても、組み立て時やメンテナンス時に取り扱う物が軽量化され、組み立てやメンテナンスが容易になる。

【0040】

しかし、分割構造としたため結合が必要であり、水力発電装置の水車翼１では結合の構造によって、次のように強度不足の問題がある。水力発電装置の水車翼１は、前述のように流速変動により水車翼１が受ける荷重変動から、撓みにより各羽根１２のハブ分割体１１aの近傍部は応力集中し易い。また、水路４の水位が低下し、羽根１２の一部が水面上に出る場合、羽根１２は交番応力を受けることになり、羽根１２のハブ近傍部は引張／圧縮力が作用する。
このような環境下で使用される水車翼１は、羽根１２を別体とした場合、図７の提案例のように、ハブとの結合構造につき、羽根１２の根元にボルト部４１を形成し、これをハブ（図示せず）に設けた穴に嵌合後、ナットで締結する構造では、上述の使用環境の場合、締結部に加わる荷重変動から、疲労破壊する可能性が有る。また、羽根１２の材質がアルミ材の場合、撓みにより結合面が塑性変形することも考えられ、このような結合には問題が有る。

【0041】

特に、図７の提案例のように羽根１２の根元にボルト部４１を形成しナットで締結する構成では、前記交番荷重からボルト部４１にせん断応力が作用し、これが疲労破壊に繋がる可能性が有る。締結力が大きい程、せん断応力は作用し易くなる。

【0042】

しかし、本実施形態では、各羽根１２の根元にハブ１１の一部をハブ分割体１１ａとして取り込み、ハブ分割体１１ａで互いに結合するようにしたため、結合を行うボルト１８には引っ張り力のみが作用し、せん断力が作用せず、強度に優れる。
材料強度として、引張強度をＦとした場合、せん断強度はＦ／√３となり、せん断強度は一般的に引張強度の６０～８０％と言われている。本実施形態における、「ハブ分割体付き羽根１３」は、上述の環境では締結部に加わる力は引張力のみであり、一方、図７の「ねじ付き羽根」では、せん断応力が作用することから、本実施形態の方が破壊（破断）に強いことになる。

【0043】

また、本実施形態では、各ハブ分割体付き羽根１３の一部となるハブ分割体１１ａの配列体１１Ａをフランジ１１Ｂ，１１Ｃ間に挟み、これらに形成したボルト穴１５～１７に相通したボルト１８およびナット（図示せず）により締結固定している。そのため、応力集中部が図７の提案例の如く羽根１２の根元の締結部とならず、水車翼１としての強度が確保できる。
また、ボルト１８が羽根１２と別部品となっているため、高張力ボルトを適用することも可能であり、さらに締結を強固なものとすることもできる。
このように、各ハブ分割体付き羽根１３を別体で製作後、組立てた水車翼１は、全体が一体成形翼と同等の性能を有し、かつ低コスト化を図ることができる。

【0044】

スペーサ２０は、次の作用効果を奏する。
ハブ分割体付き羽根１３はフランジ１１Ｂ，１１Ｃの部分で合体するため、各ハブ分割体１１ａの隣接するハブ分割体１１ａと接するハブ部軸方向面が、羽根１２の一部が水面上に出る場合、羽根１２の出入りに依って前記交番応力を受ける。この交番応力により順次微小変形を生じ、擦れてフレッティング摩耗を起こす懸念が考えられる。摩耗による隙間増加は、ガタを発生し、ボルト１８の緩みを招く。
そこで、この実施形態では、前記摩擦面にフレッティング抑制部品となる樹脂材またはゴム材等のスペーサ２０（図５）を介在させている。図はフレッティグ抑制部品であるスペーサ２０を判り易く示すため、ハブ１１の外周面からはみ出した状態を載せているが、外周面と同一平面（いわゆる、「面一」）にすれば、回転抵抗が軽減するためより望ましい。
荷重変動により、羽根１２のハブ分割体１１ａの軸方向面が、このスペーサ２０と当接するが、擦れて摩擦が発生しても軟質のスペーサ２０が変形するのみで、フレッティング摩耗は発生しない。スペーサ２０は、シート状の場合は、ハブ１１の厚さよりも大き目にしておき、フランジ１１Ｂ，１１Ｃでハブ分割体付き羽根１３を締結する時に挟み込み、スペーサ２０に圧縮力を与えれば固定できる。

【0045】

前記表面処理につき説明する。
金属材を水中で適用する場合、水中で異種金属部材が混在すると、腐食発生の要因となる。羽根１２およびその周辺部品が、異種金属となる場合、羽根１２最外層に表面処理（図示せず）を施すことが好ましく、この表面処理により腐食を回避することができる。この、表面処理は、例えば、塗装，酸化皮膜，めっきおよび樹脂コートである。また、使用環境に適用可能であれば、亜鉛のような犠牲金属を付帯させて、腐食を回避するようにしてもよい。

【0046】

ところで、複数のハブ分割体付き羽根を組み合わせて水車翼とした場合、羽根の回転中心からの任意位置での幅および厚みは設計された寸法にあることが必要である。
しかし、ハブ分割体付き羽根の場合、図９に示すように、水車翼の回転中心が存在せず仮想点となる。このため、例えば、回転中心Ａを含むハブ分割体付き羽根の反転型に各羽根１２を支持して、回転中心Ａからの任意位置Ｂ，Ｃ，Ｄを確認し、幅および厚みを測定することになる等、専用の計測治具が必要である。これと共に、各羽根１２の計測治具との接触状態が個々に異なるため、各羽根１２の寸法精度の信頼性に関しても問題があった。

【0047】

そこで、図８に示すように、各ハブ分割体付き羽根１３は、水を攪拌する羽根１２の裏面つまり羽根１２の下流側面の定められた径方向位置Ｂ，Ｃ，Ｄに計測位置を表すマークＭａがそれぞれ形成されている。前記定められた径方向位置Ｂ，Ｃ，Ｄは、水車翼の回転中心Ａからそれぞれ径方向外方に設定された距離Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３だけ離れた位置である。この例では、各マークＭａは羽根１２の幅方向に所定長さ延びる矩形凹溝状であり、定められた各径方向位置Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて二つのマークＭａ，Ｍａが間隔を空けて形成されている。各羽根１２を鋳造する鋳造型における各マークＭａに対応する位置に、凸部をそれぞれ配置しておくことで、羽根１２に矩形凹溝状の凹み部分で各マークＭａがそれぞれ転写される。

【0048】

羽根１２の定められた位置に計測位置を表すマーク（計測位置表示部）Ｍａを形成することで、例えば、ノギス等の汎用の計測具を用いて、羽根１２のマークＭａがある位置での幅および厚みを、測定する際の基準点がなくても容易に測定することができる。したがって、羽根１２の寸法精度の良否を容易に評価し得ると共に専用の治具を用意する必要もない。これらマークＭａは、各羽根１２の下流側面に設けられているため、水流の流れを乱すような作用もない。

【0049】

ハブ分割体付き羽根１３の鋳造後、鋳肌表面を整えるため、ショットブラスト等の表面処理を施すが、マークＭａは凹み部分で形成されるため、前記表面処理で摩耗して消失することもなく、確実に存在することから、計測位置が不明瞭になることもない。この例では、定められた各径方向位置Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて二つのマークＭａ，Ｍａが間隔を空けて形成されているが、各径方向位置Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて、少なくとも一つのマークＭａが形成されていればよい。なお各径方向位置Ｂ，Ｃ，Ｄにおいて、三つ以上のマークＭａが形成されていてもよい。またマークＭａは矩形凹溝状に限定されるものではない。

【0050】

各ハブ分割体付き羽根１３が、鋳造品である場合に、各ハブ分割体１１ａに、各ハブ分割体付き羽根１３の製品番号または製作時期を特定可能なマークＭｂまたは文字が形成されていてもよい。前記マークＭｂは、記号または記号と番号等の組み合わせを含む。前記マークＭｂまたは前記文字は、各ハブ分割体１１ａに凹み部分で形成されている。各ハブ分割体１１ａの表裏面のいずれか一方または両方における半径方向基端側部分に、前記マークＭｂまたは前記文字が形成されている。鋳造型に、交換可能なマーク形成部または文字形成部を凸状態で配置しておくことで、各ハブ分割体１１ａに凹み部分のマークＭｂまたは文字が転写される。

【0051】

この場合、ハブ分割体付き羽根１３のメンテナンス時等において、異常が発生しているハブ分割体付き羽根１３または交換すべきハブ分割体付き羽根１３を、製品番号または製作時期を特定可能なマークＭｂまたは文字から容易に特定し交換することができる。個々のハブ分割体付き羽根１３のトレーサビリティを確保することで、不測の事態に対処することが容易となる。仮に、不測の事態でハブ分割体付き羽根１３に異常が発生する等の不具合発生時、品質または機能上の原因究明に繋げ、不具合の拡大を防ぐことができる。ハブ分割体付き羽根１３は、個々に交換できるため、製作時期が異なるハブ分割体付き羽根１３を組み合わせた水車翼１（図３）とする可能性は高く、特に有効である。各ハブ分割体付き羽根１３の鋳造後ハブ分割体１１ａの表裏面に機械加工等を行った場合であっても、前記マークＭｂまたは前記文字が凹み部分で形成されているため、前記マークＭｂまたは前記文字が前記機械加工等で消失することを防ぐことができるうえ、前記マークまたは前記文字が突出部分として形成されている場合と異なり、ハブ分割体１１ａの表裏面と一対のフランジ１１Ｂ，１１Ｃ（図３）とをがたつくことなく結合することが可能となる。

【0052】

なお、計測位置のマークではないが、各ハブ分割体１１ａのボルト穴加工位置に、ドリル先端を当て易い凹状のマークを形成しておいてもよい。ボルト穴中心を表すマーク形成部を鋳造型に凸状態で配置しておくことで、各ハブ分割体１１ａに凹状のマークが転写される。この場合、鋳造後の各ハブ分割体１１ａにマークを目視しつつボルト穴１５を正確に且つ容易に加工し得る。但し、ボルト穴１５の加工後、前記マークは消失する。

【0053】

以上、実施形態に基づいて本発明を実施するための形態を説明したが、ここで開示した実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0054】

１…水車翼
２…発電機
３…支持装置
４…水路
１１…ハブ
１１ａ…ハブ分割体
１１Ａ…ハブ分割体配列体
１１Ｂ，１１Ｃ…フランジ
１２…羽根
１５…ボルト穴
１６，１７…ボルト穴
１８…ボルト
２０…スペーサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】