JP2009209778A

JP2009209778A - 浮体式流体機械

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Publication number: JP2009209778A
Application number: JP2008053744A
Authority: JP
Inventors: Minoru Yoshida; 穰吉田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-03-04
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2009-09-17

Abstract

【課題】水中発電機を安定させて水中に配設することができ、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、コストを低くすることができるようにする。
【解決手段】浮体１１と、浮体１１を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、水中タービン５１とを有する。水中タービン５１は、翼支持部及び複数の翼を備える。各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、翼支持部における第１の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第１の翼素、翼支持部における第２の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第２の翼素、及び第１、第２の翼素を連結する第３の翼素を有する。水中タービン５１が浮体１１によって支持されるので、水中タービン５１を安定させて水中に置くことができ、各翼が回転するのに伴って、水中タービン５１の軸の向く方向が変化することがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、浮体式流体機械に関するものである。

従来、浮体を利用して水中に水平軸型タービンを配設し、流体エネルギーを電気エネルギーに変換するようにした水中発電機が提供されている。

該水中発電機においては、ステータコアハウジング及びロータが配設され、該ロータは、一対の逆回転するタービンハブにそれぞれ取り付けられたタービンブレードを備える。また、前記水中発電機は、係留ワイヤによって、水底に配設された水中アンカーに接続され、水中に位置させられる。水中発電機によって発生させられた電力は、係留ワイヤによって保持される送電線を介して水中アンカーに送られ、別の送電線を介して陸上の電力施設に送られる（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００７−１６７８６号公報

しかしながら、前記従来の水中発電機においては、１本の係留ワイヤによって水中アンカーと接続されるので、安定させて水中に配設することができず、タービンブレードが回転するのに伴って、ロータの軸の向く方向が変化してしまう。

また、水の流速が高くなると、水中発電機が水中アンカーに対して前方に押され、係留ワイヤの最大長を半径とする円弧上を移動し、水底方向に移動してしまう。これに対して、水の流速が低くなると、水中発電機が浮力で上方に押され、係留ワイヤの最大長を半径とする円弧上を移動し、水面方向に移動してしまう。

このように、水の流速によって、ロータの軸の向く方向が変化したり、水中発電機が水中に置かれる位置が変化したりするので、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができない。

また、この種の水中発電機においては、水中発電機の出力を大きくしようとすると、タービンブレードの直径を１０〔ｍ〕より長くする必要がある。ところが、通常、タービンブレードは鋳物（いもの）で製造されるので、大型化するのは困難であり、仮に、製造したとしても、重量が極めて大きくなり、水中発電機を水中に浮かせて置くのが困難になってしまう。

そこで、水中発電機の出力を大きくするために、例えば、ダクト内に水を供給することによって、水の流速を高くし、その中に水中発電機を配設する方法が提供されているが、ダクト内に水を供給するための付帯設備を配設する必要があり、コストが高くなってしまう。

本発明は、前記従来の水中発電機の問題点を解決して、水中発電機を安定させて水中に配設することができ、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができ、コストを低くすることができる浮体式流体機械を提供することを目的とする。

そのために、本発明の浮体式流体機械においては、浮体と、該浮体を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、前記浮体の下方において浮体によって支持された水中タービンとを有する。

そして、該水中タービンは、回転自在に支持された翼支持部、及び該翼支持部の円周方向における複数箇所に径方向外方に突出させて形成された複数の翼を備える。

また、該各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、前記翼支持部における第１の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第１の翼素、前記翼支持部における第２の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第２の翼素、及び前記第１、第２の翼素を連結する第３の翼素を有する。

本発明によれば、浮体式流体機械においては、浮体と、該浮体を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、前記浮体の下方において浮体によって支持された水中タービンとを有する。

この場合、水中タービンが浮体によって支持されるので、水中タービンを安定させて水中に置くことができ、各翼が回転するのに伴って、水中タービンの軸の向く方向が変化することがない。また、水の流速が高くなって、浮体が前方に押されても、浮体及び水中タービンが水底方向に移動することがない。

したがって、水中タービンの軸の向く方向が変化したり、水中タービンが水中に置かれる位置が変化したりしないので、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

また、各翼は鋳物ではなく、金属プレートを湾曲させることによって形成されるので、直径、重量等の制約を受けることがない。その結果、浮体式流体機械のコストを低くすることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態における浮体式流体機械の概念図、図２は本発明の実施の形態における水中タービンの配設状態を示す図である。

図において、１１は水面に浮かせて配設された浮体であり、該浮体１１は双胴船の形状を有し、所定の距離を置いて平行に配設された一対の胴部１０１、及び該各胴部１０１の上面間に架設させて配設されたデッキ１０２を備える。また、１２は該デッキ１０２の上面の中央に配設された発電機室であり、該発電機室１２内に図示されない発電機が配設される。前記各胴部１０１内には、図示されない中空室としてのバラスト室が形成され、各胴部１０１に十分な浮力を与える。

前記浮体１１の下方には、浮体１１によって水平に支持された水中タービン５１及び流体ポンプ５３が配設される。そのために、前記各胴部１０１から、下方に向けて傾斜させてそれぞれ一対のステー１９が延在させられ、該各ステー１９の下端に、前方の軸受７１及び後方の軸受７２がそれぞれ取り付けられる。そして、各軸受７１、７２によって前記水中タービン５１が回転自在に支持される。なお、該水中タービン５１は回転軸が水の流れ方向に向くように配設される。

前記水中タービン５１は、前記軸受７１、７２によって支持された軸５５、該軸５５の前端に固定された第１のハブとしての前側ハブ５６、該前側ハブ５６と所定の間隔を置いて、かつ、流体ポンプ５３と隣接させて前記軸５５の後端に固定された第２のハブとしての後側ハブ５７、及び前記前側ハブ５６と後側ハブ５７との間に架設された複数の、本実施の形態においては、３個の翼６１を備える。該各翼６１は、金属プレートを湾曲させることによって形成される。なお、前記軸５５、前側ハブ５６及び後側ハブ５７によって翼支持部が構成される。

前記浮体１１を水面上における所定の位置に保持するために、前側（図１において右側）の各ステー１９間に水平部材１０５が、後側（図１において左側）の各ステー１９間に水平部材１０６がそれぞれ架設されるとともに、浮体１１の前側に、浮体１１と所定の距離を置いて第１のブイとしての前側ブイ１４が、浮体１１の後側に、浮体１１と所定の距離を置いて第２のブイとしての後側ブイ１５が、水面上に浮かせて配設される。そして、前記水平部材１０５と前側ブイ１４とが前側の接続部材としてのワイヤ１７によって、前記水平部材１０６と後側ブイ１５とが後側の接続部材としてのワイヤ１８によって接続される。また、前記デッキ１０２上の所定の箇所、本実施の形態においては、発電機室１２の壁体と前側ブイ１４とが接続部材としてのワイヤ１６によって接続される。

さらに、前記浮体１１の前側に、水の流れ方向において所定の距離を置いて、複数の、本実施の形態においては、一対のアンカー部材としての水中アンカー２２が配設され、該各水中アンカー２２と前記前側ブイ１４とが係留ワイヤ２３によって接続される。また、前記浮体１１の後側に、水の流れ方向において所定の距離を置いて、複数の、本実施の形態においては、一対のアンカー部材としての水中アンカー２４が配設され、該各水中アンカー２４と前記後側ブイ１５とが係留ワイヤ２５によって接続される。なお、浮体１１、発電機室１２、前側ブイ１４、後側ブイ１５、水中アンカー２２、２４、係留ワイヤ２３、２５、水中タービン５１等によって浮体式流体機械が構成される。

本実施の形態においては、例えば、潮流を利用して発電を行う場合を想定しているが、引潮時及び満潮時において発電を行う場合、水が浮体１１の前側から後側にかけて流れたり、浮体１１の後側から前側にかけて流れたりする。この場合、前記水中タービン５１として可逆式のものが使用される。また、水が浮体１１の前側から後側にかけて流れる場合、及び浮体１１の後側から前側にかけて流れる場合のいずれにおいても、浮体１１を所定の位置に置く必要があるので、水中アンカー２２及び係留ワイヤ２３だけでなく、水中アンカー２４及び係留ワイヤ２５が必要になる。

これに対して、例えば、暖流、寒流等を利用して発電を行う場合、水が浮体１１の前側から後側にかけてだけ流れる。この場合、前記水中タービン５１として不可逆式のものが使用される。また、水が浮体１１の前側から後側にかけて流れる場合にだけ浮体１１を所定の位置に置けばよいので、水中アンカー２４及び係留ワイヤ２５は必ずしも必要ではない。

そして、前記流体ポンプ５３と、前記発電機と連結させて配設された図示されない流体モータとが管路１２１、１２２を介して連結され、該管路１２１、１２２を介して媒体としての油が圧送される。なお、前記流体ポンプ５３、発電機及び管路１２１、１２２によって、水中タービン５１の回転を発電機に伝達する回転伝達機構が構成される。

前記構成の浮体式流体機械において、水が流れると、流体エネルギーによって水中タービン５１が回転させられ、流体ポンプ５３が駆動される。これに伴って、該流体ポンプ５３は、管路１２１を介して流入した油を管路１２２を介して吐出させ、前記流体モータに供給する。そして、流体モータは油が供給されるのに伴って回転させられ、発電機を駆動し、発電を行う。このようにして、流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。なお、本実施の形態において、水中タービン５１の回転は油を循環させることによって発電機に伝達されるようになっているが、水中タービン５１の回転を歯車機構、チェーン等の回転伝達機構によって発電機に伝達することができる。

このように、本実施の形態においては、水中タービン５１が浮体１１によって支持され、しかも、水の流れ方向における浮体１１より上流側に前側ブイ１４が配設されるので、水中タービン５１を安定させて水中に置くことができ、翼６１が回転するのに伴って、軸５５の向く方向が変化することがない。また、水の流速が高くなって、浮体１１が水中アンカー２２、２４に対して前方に押されても、浮体１１及び水中タービン５１が水底方向に移動することがない。

したがって、水の流速によって、軸５５の向く方向が変化したり、水中タービン５１が水中に置かれる位置が変化したりしないので、安定させて流体エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

また、前記各翼６１は鋳物ではなく、金属プレートを湾曲させることによって形成されるので、直径、重量等の制約を受けることがない。すなわち、例えば、翼６１の直径が３０〔ｍ〕で、重量が２０〔ｔ〕のものを市販の金属プレートを使用して製造することができる。そして、発電機の出力を大きくするために、例えば、図示されないダクト内に水を供給することによって、水の流速を高くし、その中に水中タービン５１を配設する必要がないので、付帯設備が不要になる。また、水の流速が３〔ｍ／ｓ〕の潮流でも３０００〔ｋＷ〕の発電を行うことができる。したがって、浮体式流体機械のコストを低くすることができる。

次に、前記構成の水中タービン５１について説明する。

図３は本発明の実施の形態における水中タービンの斜視図、図４は本発明の実施の形態における回転体を示す正面図、図５は本発明の実施の形態における回転体を示す側面図、図６は図３のＥ−Ｅ断面図、図７は図３のＦ−Ｆ断面図、図８は図３のＧ−Ｇ断面図、図９は本発明の実施の形態における翼の断面図、図１０は本発明の実施の形態における翼の展開図である。

図３〜８において、５１は水中タービン、５３は流体ポンプ、５４は回転体、７１、７２は軸受（軸受７２は図２に示されている。）である。前記軸受７１、７２によって回転体５４が回転自在に支持される。また、前記回転体５４は、軸５５、該軸５５の前端に固定された前側ハブ５６、該前側ハブ５６と所定の間隔を置いて、かつ、発電機５３に隣接させて前記軸５５の後端に固定された後側ハブ５７、及び前記前側ハブ５６と後側ハブ５７との間に架設された３個の翼６１を備える。なお、前記軸５５、前側ハブ５６及び後側ハブ５７によって翼支持部６２が構成される。本実施の形態において、翼支持部６２は軸５５、前側ハブ５６及び後側ハブ５７によって構成されるが、翼支持部６２を一つのハブによって構成することもできる。

前記翼６１は、翼支持部６２の円周方向における複数箇所、本実施の形態においては、３箇所に、互いに等角度で径方向外方に突出させて形成される。また、翼６１は、薄い金属プレート、例えば、ステンレスプレートによって形成され、ループ状の形状を有し、前側ハブ５６における第１の取付位置ｐ１から径方向外方に、かつ、斜め後方に向けて延びる第１の翼素としての前側翼部６４、後側ハブ５７における第２の取付位置ｐ２から径方向外方に、かつ、斜め前方に向けて延びる第２の翼素としての後側翼部６５、及び前記前側翼部６４と後側翼部６５とを最大半径の部分で連結し、翼支持部６２から等距離を置いて、ほぼ平坦に延びる第３の翼素としての中央翼部６６を備える。

次に、前記構成の翼６１について説明する。

図９において、水を翼６１に対して矢印Ｚ方向に流入させると、回転力Ｆ１及び揚力Ｆ２が発生させられ、翼６１が矢印Ｘ´方向に移動させられ、前記回転体５４は矢印Ｘ方向（図３）に回転させられる。また、εは前記翼６１の翼厚中心線、ｑ１は前記翼６１の前縁、ｑ２は前記翼６１の後縁、Ｍ１は前縁ｑ１と後縁ｑ２とを結ぶ線分、Ｍ２は翼６１の移動方向（矢印Ｘ´方向）に延びる線分である。そして、Ｌ１は前記前縁ｑ１と後縁ｑ２との間の直線距離を表す翼弦長、θは前記線分Ｍ１と線分Ｍ２とが成す角度を表すピッチ角、ｆは前記翼厚中心線εと線分Ｍ１との間の最大距離を表すキャンバーである。

前記構成の水中タービン５１において、水が矢印Ｚ方向に流れると、翼６１によって流体エネルギーが機械エネルギーに変換され、回転体５４が矢印Ｘ方向に回転させられ、流体ポンプ５３が駆動される。すなわち、正面から流入する水だけでなく、斜めに流入する水についても、エネルギーの変換を行うことができる。

この場合、前側翼部６４は回転体５４の回転方向における上流側に、後側翼部６５は回転体５４の回転方向における下流側に位置させられ、回転体５４が回転させられるのに伴い、後側翼部６５は前側翼部６４より１５〔°〕以上先行する。したがって、回転体５４が低速で回転させられる場合、後側翼部６５は、矢印Ｚ方向に流入する水について前側翼部６４の影響を受けることがない。一方、回転体５４が高速で回転させられる場合、前側翼部６４の影響を、後続する翼６１の上流側、すなわち、後続する翼６１の後側翼部６５が受け、回転体５４は失速し、制動された状態になる。すなわち、低速領域においては、３個の翼６１によって実質的に６個の翼を回転させた場合と同等の機能を有し、大きいトルクを発生させることができ、高速領域においては、翼６１の撓みをほとんど伴うことなく大きいトルクが発生するのを防止することができる。すなわち、水中タービン５１の出力を制限することができる。

また、翼６１がループ状の形状を有しているので、回転している翼６１に物が当たったときの衝撃を小さくすることができる。

前記前側翼部６４は前側ハブ５６から、後側翼部６５は後側ハブ５７から径方向外方に向けて突出させて形成され、先端で中央翼部６６によって連結されるので、外力を受けたとき等に前側翼部６４及び後側翼部６５の根元６７に働く応力を小さくすることができる。したがって、翼６１が破損するのを抑制することができ、翼６１の耐久性を向上させることができる。また、前記根元６７に働く応力を小さくすることができるので、前側翼部６４及び後側翼部６５に加わる負荷が変動しても、翼６１に発生する撓みを小さくすることができる。さらに、前側翼部６４及び後側翼部６５に加わる負荷が小さい場合には、中央翼部６６に発生する遠心力によって前側翼部６４及び後側翼部６５の根元６７に発生する曲げモーメントを小さくすることができる。

その結果、回転体５４の回転に伴って脈動、反力等が翼６１に加わることがなくなり、翼６１に振動が発生するのを抑制することができる。さらに、翼６１の耐久性を向上させ、翼６１に発生する撓みを小さくすることができる分だけ翼６１を薄くすることができるので、回転体５４を軽量化することができる。

また、前記中央翼部６６が形成され、翼６１の翼面上の圧力が後側翼部６５における正圧から前側翼部６４における負圧に連続的に変化するので、翼６１の先端にチップボルテックスが発生するのを抑制することができる。したがって、チップボルテックスによって翼６１に振動及び騒音が発生するのを抑制することができる。例えば、騒音レベルで１０〔ｄＢ〕以上、音の強度では７倍以上抑制することができる。

そして、中央翼部６６が平坦であるので、中央翼部６６を手で抑えて静止させることができるだけでなく、翼６１のループに図示されない係止部材を引っかけることによって、回転体５４が回転するのを阻止したりすることができる。したがって、台風時等において、回転体５４を停止させておくことができるので安全性を向上させることができる。

また、図１０において、Ｌｓはスキューライン（翼幅中心線）、Ｌｆは基準線ＧＬより下流側に設定されたフォワードスキュー、Ｌｂは基準線ＧＬより上流側に設定されたバックワードスキューである。図に示されるように、回転体５４の回転方向（矢印Ｘ方向）において、前側翼部６４は翼６１の基準線ＧＬより上流側に、後側翼部６５は基準線ＧＬより下流側に位置させられ、中央翼部６６において基準線ＧＬとスキューラインＬｓとが交差させられる。

本実施の形態においては、水中アンカー２２、２４が水底に配設されるようになっているが、アンカー部材を陸上に配設することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の実施の形態における浮体式流体機械の概念図である。本発明の実施の形態における水中タービンの配設状態を示す図である。本発明の実施の形態における水中タービンの斜視図である。本発明の実施の形態における回転体を示す正面図である。本発明の実施の形態における回転体を示す側面図である。図３のＥ−Ｅ断面図である。図３のＦ−Ｆ断面図である。図３のＧ−Ｇ断面図である。本発明の実施の形態における翼の断面図である。本発明の実施の形態における翼の展開図である。

符号の説明

１１浮体
１２発電機室
１４前側ブイ
１５後側ブイ
２２、２４水中アンカー
２３、２５係留ワイヤ
５１水中タービン
６１翼
６２翼支持部
６４前側翼部
６５後側翼部
６６中央翼部
ｐ１第１の取付位置
ｐ２第２の取付位置

Claims

（ａ）浮体と、
（ｂ）該浮体を水面上の所定の位置に置くためのアンカー部材と、
（ｃ）前記浮体の下方において浮体によって支持された水中タービンとを有するとともに、
（ｄ）該水中タービンは、回転自在に支持された翼支持部、及び該翼支持部の円周方向における複数箇所に径方向外方に突出させて形成された複数の翼を備え、
（ｅ）該各翼は、金属プレートを湾曲させることによって形成され、前記翼支持部における第１の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第１の翼素、前記翼支持部における第２の取付位置から径方向外方に延在させて配設された第２の翼素、及び前記第１、第２の翼素を連結する第３の翼素を有することを特徴とする浮体式流体機械。
前記浮体は水面上のブイと接続される請求項１に記載の浮体式流体機械。