JP2017036708A - 羽根車 - Google Patents

Abstract

【課題】回転軸を回転させる際における抗力への依存度を極力小さくすることができる羽根車を提供する。【解決手段】回転軸２の側面に複数の羽根３が放射状に設けられてなり、流体中に設置されて、この流体によって回転させられる羽根車１であって、前記各羽根３が、これらの羽根３に向かい、前記回転軸２に沿うように流入する前記流体を、下流側に行くにしたがい前記回転軸２から漸次離間する方向に誘導するように湾曲形成されていることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、気体や液体等の流体中に設置されて、この流体の流れによって回転させられる羽根車に関するものである。

従来、このような羽根車として、たとえば、特許文献１に示されるような構造のものが提案されている。

この技術は、流体の流れ方向に沿った回転軸線を有する回転軸に、複数の平板状の羽根を放射状に設け、これらの羽根により、これらの羽根に向かって流れ込む流体の流れを変え、その際に前記羽根に生じる抗力を利用して前記回転軸を回転させるようにしたものである。

特開２０１４−１９９０２２号公報

ところで、前述した従来の技術にあっては、前記各羽根に生じる抗力によって前記回転軸を回転させるようにしていることから、次のような不具合が生じることが想定される。

すなわち、前述した抗力は、前記回転軸を回転させるだけでなく、前記各羽根に自体に負荷をかけてしまう。
このような負荷により、前記羽根に変形を生じさせてしまうおそれがある。

また、前記羽根にかかる負荷は、前記回転軸やこの回転軸を支持する軸受け等によって支持される。
このため、前記軸受け等における摩擦が大きくなり、この軸受け等の耐久性に悪影響を与えるとともに、前記回転軸の回転の阻害要因となって回転効率を低下させてしまうことも想定される。

一方、前記回転軸の回転数を上げるためには、前記抗力を大きくする必要があるが、この抗力を大きくすればするほど前述した不具合が発生しやすく、したがって、前述した回転軸の回転数の上限が制限される。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたもので、回転軸を回転させる際における抗力への依存度を極力小さくすることができる羽根車を提供することを解決すべき課題とする。

本発明の羽根車は、前述した課題を解決するために、回転軸の側面に複数の羽根が放射状に設けられてなり、流体中に設置されて、この流体によって回転させられる羽根車であって、前記各羽根が、これらの羽根に向かい、前記回転軸に沿うように流入する前記流体を、下流側に行くにしたがい前記回転軸から漸次離間する方向に誘導するように湾曲形成されていることを特徴とする羽根車。

このような構成を有する本発明の羽根車は、流体の流れに、前記回転軸が前記流体の流れ方向と略平行となるように設置される。

このように設置された羽根車に作用する流体は、前記回転軸の軸線に沿うようにして前記各羽根に向かって流れ込んだ後に、各羽根の表裏面に沿って流れる。

このように前記流体が前記各羽根の表裏面に沿って流れると、湾曲形成された前記各羽根の表裏面において圧力差が生じる。
すなわち、湾曲面の表面である凹み側の流体速度に対して裏面側である凸側の流体速度が早く、これに起因して、表面側の圧力より裏面側の圧力が低くなる。

これによって、前記各羽根に、低圧力側すなわち裏面方向に向かう揚力が発生し、この揚力により、前記回転軸に、その軸線と直交する方向の回転力が与えられる。

一方、前記各羽根の表裏面を流れる流体の流れの方向が、前記各羽根の湾曲によって徐々に変更される。
このような緩やかな前記流体の流れの変更により、前記各羽根に生じる抗力が小さく抑えられる。

そして、前記羽根の表裏面のそれぞれに沿って流れる流体は、前記羽根の下流側の端縁においてこの羽根から離れる。

ここで、前記各羽根の下流側の端縁をエッジ状に形成しておくことにより、この端縁から前記流体が離れる際におけるキャビテーションの発生を防止することができる。

このように、本発明の羽根車にあっては、前記回転軸に与える回転力の殆どを、前記各羽根において発生する揚力によって発生させ、かつ、前記羽根車に生じる抗力を極力軽減することができる。

したがって、前記各羽根自体や前記回転軸を支持する軸受け等へかかる負荷を少なくし、これらの耐久性を向上させることができるとともに、前記軸受け等に生じる摩擦を軽減して、前記回転軸の回転の阻害要因を極力排除することにより、その回転効率を高めることができる。

前記回転軸の側面に、その半径方向に沿った長溝が形成され、その長溝の各端部には、この長溝に連続し、かつ、この長溝の長さ方向の中間点に対し点対称となる横溝が形成され、前記各羽根に、前記長溝内に挿入されるとともに、前記長溝の中間点を中心に回転させられることにより、前記各横溝に係合させられる係合片が一体に設けられた構成とすることができる。

このような構成とすると、前記長溝および横溝と前記係合片との係脱によって、前記各羽根を前記回転軸に対して着脱することができる。
これによって、前記羽根を取り外した状態で収納形態とし、また、前記羽根を取り付けた状態として使用形態とすることができる。

また、前記回転軸と同軸状に、かつ、前記複数の羽根を取り囲んで設けられることにより前記回転軸および前記羽根周りに前記流体の流路を形成する外筒を備え、この外筒が、前記流路を、その下流側に行くにしたがい漸次狭めるように形成された構成とすることもできる。

このような前記外筒を設けることにより、その外筒によって形成される流路により前記羽根車に流入する流体の流れを整えることができる。
この結果、前記羽根と流体との接触を安定化し、円滑な回転を実現することができる。

さらに、前記外筒の上流側の内径を大きく、下流側の内径を小さくすることにより、前記羽根車へ流れ込んだ流体を加速しつつ、前記羽根に作用させることができる。

このような流体の加速により、前記羽根の表裏面間に生じる圧力差を増加させてその回転力をさらに高めることができる。

前記外筒と前記回転軸は、前記複数の羽根によって相互に連結することができ、また、前記外筒に装着されたステーを介して、前記回転軸を回転自在に支持するようにすることができる。

また、前記回転軸を、中心軸と、この中心軸が回転自在に嵌合させられる被覆筒とによって構成し、この被覆筒と前記外筒とを前記複数の羽根によって連結した構成とすることもできる。

このような構成とすることにより、前述した前記回転軸と前記外筒とを連結するステーを省略することができる。

本発明の羽根車によれば、回転軸の回転を、流体によって羽根に発生させられる揚力を主に用いるとともに、前記羽根に生じる抗力を極力小さくすることができ、これによって、前記羽根や回転軸にかかる負荷を軽減し、これらの耐久性を向上させるとともに、回転時の抵抗を極力小さくして高い回転力を得ることができる。

本発明の第１の実施形態を示すもので、羽根車の正面図である。 本発明の第１の実施形態を示すもので、外筒を、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿って断面した側面図である。 本発明の第１の実施形態を示すもので、流体によって羽根へ作用する力を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態を水力発電に適用した例を示すもので、水力発電装置の概略構成図である。 本発明の第２の実施形態を示すもので、羽根車の正面図である。 本発明の第２の実施形態を示すもので、羽根車の縦断面側面図である。 本発明の第３の実施形態を示すもので、羽根車の正面図である。 本発明の第４の実施形態を示すもので、羽根車を分解した状態を示す側面図である。 本発明の第４の実施形態を示すもので、羽根車を装着する手順を示す側面図である。 本発明の第５の実施形態を示すもので、本発明を水力発電に適用した例を示す概略図である。

以下、本発明の第１の実施形態について図１および図２を参照して説明する。
これらの図において符号１は、本実施形態に係わる羽根車を示し、この羽根車１は、回転軸２の側面に複数の羽根３が放射状に設けられてなり、流体中に設置されて、この流体によって回転させられる羽根車１であって、前記各羽根３が、これらの羽根３に向かい、前記回転軸２に沿うように流入する前記流体を、下流側に行くにしたがい前記回転軸２から漸次離間する方向に誘導するように湾曲形成された構成となっている。

詳述すれば、前記各羽根３は、全体として、前記回転軸線２の軸線に沿うように配置されており、前記流体の上流側に位置させられる部位（以下、先端部と称す）の側縁部において前記回転軸２に固定されている。

そして、前記羽根３は、その先端部から他端部の後端部へ行くにしたがい、前記羽根３の先端部と前記回転軸２の軸線を含む面に対して、前記回転軸２の回転方向一方向へ向けて漸次離間するように湾曲した形状となされている。

すなわち、前記羽根３は、その湾曲の凸側（以下、裏面側と称す）が、前記回転軸２の回転方向前方に向くように位置させられ、また、凹み側（以下、表面と称す）が、前記回転軸２の回転方向後方に向くように位置させられている。

また、本実施形態においては、前記複数の羽根３を取り囲むようにして配置された、前記回転軸２の軸線を中心線とする外筒４を備えている。

この外筒４の内壁は、前記回転軸２との間に、前記羽根３が位置させられる流路Ａを形成するようになされ、かつ、この流路Ａの上流側を広く下流側を狭くするように形成されている。

前記外筒４の大径部側の端部には、その径方向に沿ってステー５が取り付けられており、このステー５の中間部に、前記回転軸２の端部がベアリング６を介して回転自在に支持されている。

前記回転軸２は、その端部に螺着されるナット７によって、前記ベアリング６に固定されている。

このように構成された本実施形態に係わる羽根車１は、たとえば、水中において、前記外筒４の大径部側が前方となるように牽引されることにより、前記外筒４の流路Ａ内に水が取り込まれ、この取り込まれた水によって前記回転軸２が前記羽根３とともに回転させられる。

このように流路Ａ内に流入した流体は、まず、図２に矢印（イ）で示すように、前記回転軸２に沿うように流れて前記各羽根３の先端部へ到達する。
そして、前記羽根３の先端部に到達した前記流体は、前記羽根３先端部で分岐させられた後に、それぞれ前記羽根３の表面および裏面に沿って流れ、この羽根３の後端部から離脱する。

このように、前記流体が前記羽根３の表裏面に沿って流れる際に、その流体の流れ方向が、図２の矢印（ロ）で示すように、前記羽根３の湾曲面に沿って徐々に変更される。

そして、前記羽根３が、前記回転軸２の回転方向前方へ向けて突出するように湾曲させられていることにより、表裏面を流れる流体間に速度差が生じ、これによって、図３に示すように、表面側を流れる流体の圧力に対して裏面側を流れる流体の圧力が低くなる。

このような圧力差により、前記各羽根３に、図３に示すように、前記回転軸２の回転方向前方に向かう揚力が発生し、この揚力が、前記回転軸２に軸線回りの回転力として作用する。

一方、前述した流体の流路変更は、前記羽根３の湾曲形状の表面に沿って行なわれる。
したがって、前記流路変更が緩やかに行なわれることから、流路変更が急激に行なわれる従来の平板状の羽根に比して、羽根３に生じる抗力が大幅に減少する。

この結果、流体の動的エネルギーの多くが揚力生成に用いられ、また、抗力の発生に伴う前記回転軸２に生じる摩擦抵抗を軽減することができ、これらの相乗作用により、前記回転軸２の回転効率を高めることができる。

また、前記羽根車１に生じる抗力が軽減されることにより、前記羽根車１の構成部材に作用する負荷が軽減され、これによって、前記羽根車１の耐久性を向上させることができる。

さらに、前記羽根３の後端部の断面を鋭角にしておくことにより、この羽根３の後端部における前記流体の離脱を円滑に行なわせてキャビテーションの発生を抑制することができる。

この点からも、前記羽根３に加わる負荷を軽減することができるとともに、回転軸２の回転を阻害する要因を極力小さくして、その回転を効果的に行なわせることができる。

このように、良好な回転が得られる本実施形態の羽根車１は、たとえば、前記回転軸２に発電機を連結しておくことにより、水力発電機、若しくは、風力発電機として機能させることができる。

このように、本実施形態を水力発電機に適用した一例を図４に示す。
本例では、前記羽根車１の回転軸２を発電機２０の駆動シャフト（図示略）に連結してこれらを一体化し、かつ、これらの羽根車１および発電機２０を取り囲んで外筒４を設け、この外筒４の中心部に、前記発電機２０を、連結部材２１を介して固定し、さらに、前記発電機２０に電力線２１を介して蓄電・給電制御装置２２を電気的に接続した構成を示した。

前記蓄電・給電制御装置２２は、供給される電力を整流する整流手段２３と、整流された電力を用いて蓄電池２４を充電し、また、前記蓄電池２４に蓄えられた電力を、インバーター２５を介して外部の機器等へ給電するコントローラー２６を備えた構成となっている。

そして、前記外筒４に牽引ワイヤー２７を連結しておき、この外筒４を前記羽根車１や発電機２０とともに水中に沈めて、これらを前記牽引ワイヤー２７によって牽引するか、あるいは、前記外筒４、前記羽根車１、発電機２０を流水中に係留するように設置する。

これによって、前記外筒４内に流体を導き入れ、この流体によって前記羽根車１を回転させることにより、前記発電機２０を作動させて発電を行なうことができる。

そして、前述したように、本実施形態の羽根車１は、流体の流れのエネルギーを回転エネルギーへ変換する効率が良好であるため、水力発電機として機能させた場合における、高い発電効率を実現することができる。

また、本実施形態の羽根車１を気流中に設置して風力発電機とすることもでき、その場合にあっても、その高いエネルギー変換効率によって効率の良い発電を実現することができる。

なお、前記実施形態において示した各構成部材の諸形状や寸法等は一例であって、設計要求等に基づき種々変更可能である。

たとえば、図５におよび図６に示すように、前記回転軸２を、中心軸２ａと、この中心軸２ａに回転自在に被嵌させられる被覆筒２ｂとによって構成し、この被覆筒２ｂと前記外筒４とを前記複数の羽根２によって連結した構成とすることもできる。

このような構成とすることにより、前記第１の実施形態において示したステー５を省略しつつ、前記外筒４と回転軸２との連結を行なうことができる。

また、図７に示すように、前記回転軸２と前記羽根３との連結部に蝶番８を設けておき、前記各羽根３を前記回転軸２に沿うように折り畳むようにすることもできる。

このような構成とすることにより、不使用時に前記各羽根３を折りたたんで前記羽根車１をコンパクトな形状として、その収納を容易にする。

さらに、前述した収納を容易にするために、図８に示すように、前記回転軸２の側面に、その軸線方向に沿った長溝９を形成し、その長溝９の各端部に、この長溝９に連続し、かつ、この長溝９の長さ方向の中間点に対し点対称となる横溝１０を形成し、前記各羽根３に、前記長溝９内に挿入されるとともに、前記長溝９の中間点を中心に回転させられることにより、前記各横溝１０に係合させられる係合片１１を一体に設けた構成とすることもできる。

このような構成とした場合、前記各羽根３を前記回転軸２から取り外して収納状態とすることができる。

そして、使用状態とするには、図９に実線で示すように、前記係止片１１が前記長溝９に一致するように、前記羽根３を前記回転軸２に対向させた後、前記係止片１１を前記長溝９に嵌合させ、さらに、前記係止片１１を羽根３とともに、前記長溝９の深さ方向に沿った軸線回りに回動させる。

この回動によって、前記係止片１１の両端部が、前記各横溝１０へ入り込んで係合させられることにより、前記羽根３が前記回転軸２に止着される。

ここで、前記横溝１０の形状を調整して、この横溝１０によって前記係止片１１の回動拘束位置を調整することにより、図７の破線で示すように、前記羽根３を、前記回転軸２の軸線を通る面と交差した姿勢で係止させることができる。

さらに、図１０に示すように、水上に浮かべられるボード（若しくはポンツーン）３０を用い、このボード３０の下部に、一対の羽根車１が装着された発電機２０を、連結部材３１を介して垂設しておき、前記発電機２０を、別途設置されている蓄電・給電制御装置（図示略）へ電力線２１を介して接続した構成とすることもできる。

このような構成とすることにより、流れの速さに左右されることなく、前記羽根車１を水面に対して所定の深さに保持することができる。

そして、前記ボード３０は、牽引ワイヤー２７を用いて係留され、若しくは、船舶によって牽引される。

１ 羽根車
２ 回転軸
２ａ 中心軸
２ｂ被覆筒
３ 羽根
３ａ 誘導領域
３ｂ 抗力発生領域
４ 外筒
５ ステー
６ ベアリング
７ ナット
８ 蝶番
９ 長溝
１０ 横溝
１１ 係止片
２０ 発電機
２１ 電力線
２２ 蓄電・給電制御装置
２３ 整流手段
２４ 蓄電池
２５ インバーター
２６ コントローラー
２７ 牽引ワイヤー
３０ ボード
３１ 連結部材
Ａ 流路

Claims (6)

1. 回転軸の側面に複数の羽根が放射状に設けられてなり、流体中に設置されて、この流体によって回転させられる羽根車であって、前記各羽根が、これらの羽根に向かい、前記回転軸に沿うように流入する前記流体を、下流側に行くにしたがい前記回転軸から漸次離間する方向に誘導するように湾曲形成されていることを特徴とする羽根車。
2. 前記回転軸の側面には、その半径方向に沿った長溝が形成され、その長溝の各端部には、この長溝に連続し、かつ、この長溝の長さ方向の中間点に対し点対称となる横溝が形成され、前記各羽根には、前記長溝内に挿入されるとともに、前記長溝の中間点を中心に回転させられることにより、前記各横溝に係合させられる係合片が一体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の羽根車。
3. 前記回転軸と同軸状に、かつ、前記複数の羽根を取り囲んで設けられることにより、前記回転軸および前記羽根周りに前記流体の流路を形成する外筒を備え、この外筒が、前記流路を、その下流側に行くにしたがい漸次狭めるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の羽根車。
4. 前記外筒と前記回転軸が、前記複数の羽根によって連結されていることを特徴とする請求項３に記載の羽根車。
5. 前記回転軸と前記外筒が、前記回転軸を回転自在に支持するステーを介して連結されていることを特徴とする請求項３に記載の羽根車。
6. 前記回転軸が、中心軸と、この中心軸に回転自在に被嵌された被覆筒とによって構成され、この被覆筒と前記外筒が前記複数の羽根によって連結されていることを特徴とする請求項３に記載の羽根車。