水力発電機事例

ペルトン水車のノズルとバケットの形状関係


ペルトン水車のノズルとバケットの形状関係です。

ペルトンノズルは、内部に流量調整用の可動ニードルが油圧または電動で操作される構造となっており、ノズル噴出孔手前に尖ったニードル機構が見えています。ノズルから噴出された流体は、バケットに向かって飛んで行き、ある瞬間バケットに直角に入ることになり、その状態の流体の反射挙動や、バケットの傾きを少し変えての流体反射状況を自由表面流れ解析で見ることが出来るように、この3次元モデルは造っています。この3次元モデルと全く同じものを製作して実験すれば、流れ解析との相違などを確認することも可能です。

円錐曲面上の流量調整機構


円錐曲面上の流量調整機構設計例が次です。

円錐曲面上であっても多数の案内羽根を持つことで、それらが一斉に電動サーボで駆動されるリンク機構で可動することで、流体の流れない全閉状態から設計点状態、さらに過大流量状態まで自由に作り出せます。それが持つ意味は、ターボ機械が流量変動に対して効率を高く保ったまま運転を行えるようになることを示しています。ただ複雑なリンクモーションが必要となるので、その分価格は高くなりますが、年間を通じた運転を考えるとメリットが多くなりますから最近では色々なターボ機械に採用される方向にあります。特に省エネには最適な、流量調整用ガイドベーンリンクモーション機構の採用なのです。

クロスフロー水車の改造設計途中


次の3次元設計クロスフロー水車を、設計仕様がよく似た水力地点向けに改造設計を開始した途中です。

このクロスフロー水車発電機は発電機を水車の上に背負うという、少し特殊な全体構造ですが、現地の据え付け場所も狭いので、場所をとらず据え付け作業時間も短縮出来る利点を持っています。また、水車動力はベルトにより発電機に伝達されますが、その時に約2倍に増速されて発電機を駆動します。クロスフロー水車の最適比速度範囲は狭く、しかも落差に対して回転数は遅いほうなので、このような増速機構が付くのが普通です。

クロスフロー水車ランナ(回転羽根)


設計中のクロスフロー水車ランナ(回転羽根)です。

ランナ直径に対して、ランナの幅が大きくなり、水量を多く受けることが出来るタイプです。全体が小さいのですが、材質はすべてステンレスのため、溶接製缶はひずみが出やすく難しい製作となります。羽根枚数は、効率性能とゴミが詰まりにくい枚数とのギリギリの妥協点となっています。

クロスフロー水車発電機の全体構成


設計中のクロスフロー水車発電機の全体構成は、次図のようになりました。

ベルト伝動による発電機背負い式はやめて、べベルギア増速機を介して発電機を駆動する全体構成にしています。

ベベルギア式増速機を使う方式とした理由は、ベルトの頻繁なメンテナンスをなくし、メンテナンスフリー期間を長くするためです。ギア増速機であれば、歯車の著しい摩耗がない限りは長く使えることとなります。よって、ギア増速機の容量はかなり余裕のあるものとしています。