水力发电装置以及具备该装置的水力发电系统的制作方法

专利名称：水力发电装置以及具备该装置的水力发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及用从水管流入的水流使螺旋浆叶片旋转以进行发电的水力发电装置以及具备该水力发电装置的水力发电系统。
背景技术：
当前，在地球上大量存在有高低差的上下水道、河川、农业用水、工业废水等未使用的小水利资源，利用这些小水利资源不建造堤坝就能够进行发电的小水电受到人们的注意。这种小水电要求具有即使是低落差小流量也能够高效率发电的结构，例如使用横轴螺旋浆水轮机等。这种横轴螺旋浆水轮机在设置于水路的中心的旋转轴的周围设置多片螺旋浆叶片，形成能够将水流引起的旋转轴的运动传递给外部的发电机进行发电的结构。
又，利用这样的小水力进行发电的发电装置往往设置于山间偏僻的地方，因此要求能够不要维修保养，而且由于设置空间也有限，所以要求装置简单。这就是其技术背景。

发明内容
但是，在已有的水力发电装置中，采用使用润滑油的润滑手段，需要润滑设备，有装置复杂化的缺点。而且需要能够避免润滑油向外泄漏污染环境的复杂的密封结构，而且该密封结构也需要维修保养。而且在已有的水力发电装置中，存在由于线圈的温度的上升造成发电机的寿命縮短的耐用性问题，为了使线圈的温度降低而设置电扇等冷却手段则会造成结构的复杂化。
因此，本发明的目的在于，谋求装置的简化，提供维修保养管理容易的水力发电装置。
本发明是鉴于上述情况而作出的，本发明的水力发电装置，是在水流通的水管的中途设置，而且是与该水管使内部连通地设置的水力发电装置，具备连结于所述水管形成主流路，具有电枢线圈的圆环状定子、配置于所述定子的内周侧，具有向径向内侧突出的螺旋浆叶片，而且在外周设置永久磁体的圆环状转子、设置于所述转子和所述定子之间的水润滑轴承、设置于所述螺旋浆叶片上游的位置上的取水口、以及从所述取水口将水向所述水润滑轴承引导的引水流路；所述引水流路在其中间位置上具有对所述电枢线圈进行冷却的冷却流路，形成能够将从所述取水口流入的水提供给所 述冷却流路和所述水润滑轴承的结构。
如果采用上述结构，则从取水口将水引向水润滑轴承的引水流路的一部分兼作冷 却流路，因此能够以简单地结构抑制电枢线圈的温度上升，能够提高发电机的效率和 耐用性。而且从取水口流入的水被提供给冷却流路和水润滑轴承，因此从取水口流入 的水被使用于冷却同时也使用于润滑。从而，能够利用引水流路的水进行润滑而不需 要特别的润滑设备，因此能够提供装置简化，容易维修保养管理的水力发电装置。
也可以形成能够将从所述取水口流入的水在流过所述冷却流路之后提供给所述 水润滑轴承的结构。
如果采用上述结构，则从取水口流入的水在流过冷却流路之后被提供给水润滑轴 承，水从冷却流路向水润滑轴承串联式流动，因此从取水口流入的水全部使用于冷却， 冷却之后的水全部使用于润滑。从而，能够得到良好的冷却效率和润滑效率，能够进 一步提高耐用性和维修保养性能。
也可以是所述引水流路利用引水管形成，所述引水管具有在与所述电枢线圈对应 的位置上巻绕于所述定子外周的巻绕部，该巻绕部形成所述冷却流路。
如果采用上述结构，则只要把引水管巻绕于定子外周就能够形成冷却流路，因此 不限于特别的密封结构，能够简化装置。又可以在引水管的周围具有热传导性能良好 的充填材料。还有，只要设置引水管就能够形成包含冷却流路的引水流路，因此也能 够容易地进行安装工作。
也可以还具备配置于所述取水口的过滤器。
如果采用上述结构，则能够防止水中存在的异物从主流路流入取水口，因此能够 防止水润滑轴承进入异物。
也可以所述过滤器由在所述取水口相互保持间隙并排设置的多片百叶窗板构成， 所述各百叶窗板向所述主流路的下游侧倾斜，而且缓缓地向所述主流路中心侧靠近。
如果采用上述结构，则使用百叶窗板作为过滤器，与使用于有筛孔的过滤器的情 况相比，水通过的时阻力比较小，因此即使是小压力也能够稳定地将水引导到水润滑 轴承。而且百叶窗板向主流路的下游侧倾斜，而且缓缓地向主流路中心侧靠近，因此 即使是通过主流路的异物到达百叶窗板，也不会流入取水口，而是返回主流域。因此 能够更好地防止异物从主流路流入取水口。
也可以所述取水口具有与所述引水流路相比流路截面积更大的缓冲空间。
如果采用上述结构，则能够抑制从主流路流入取水口的水的流速急剧增大，能够 更好地防止通过主流路的异物流入取水口。
也可以所述水润滑轴承分别配置于所述转子的上游侧和下游侧，在所述下游侧的所述水润滑轴承的与所述转子对置的面上，形成与所述引水流路连通地，在圆周方向 上等间隔配置的多个水排出孔、以及与所述各水排出孔分别连结地，在圆周方向的正 交方向上延伸着，在圆周方向上等间隔配置的多条槽。
如果采用上述结构，则从处于下游位置上的水润滑轴承的水排出孔排出的水的水 压在径向和圆周方向上有较好的对称分布，能够减轻反作用力(thrust)，而且能够
稳定地支持转子。
也可以所述槽其长度方向的一端部与所述上游侧的所述水润滑轴承连通，其长度 方向上的另一端与所述主流路上的所述螺旋桨叶片的下游侧的区域连通，所述槽的所 述一端部向着其长度方向的一端开放地一直形成到所述水润滑轴承的端缘，所述槽的 所述另一端部在其长度方向的另一端封闭地一直形成到所述水润滑轴承的端缘的跟
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目IJ 。
如果釆用上述结构，则槽的另一端部连通的主流路的螺旋浆叶片的下游侧的区域 与槽的一端部连通的上游位置的水润滑轴承相比压力较低。而且槽的一端部开放地形 成到水润滑轴承的端缘为止，因此从水排出孔排出的水容易向一端部流动。因此上游 位置上的水润滑轴承也能够得到充分供水。
也可以还具备在所述水润滑轴承的相对所述定子面向径向的位置上设置的径向 冲击吸收构件、以及在所述水润滑轴承的相对所述定子面向轴向的位置上设置的轴向 冲击吸收构件。
如果采用上述结构，则能够缓和水润滑轴承倾斜与定子接触时的冲击。 也可以所述水润滑轴承为圆环状，所述径向冲击吸收构件由设置于所述水润滑轴
承的外周面上的0形环构成；所述轴向冲击吸收构件由设置于所述水润滑轴承的侧面 上的0形环构成。
如果采用上述结构，则通常作为密封构件使用的O形环被使用为冲击吸收构件能 够以简单而且廉价的结构谋求吸收冲击。
也可以设置多个转子，而且多个转子形成在水流方向上串列配置，相互独立旋转 的结构。
如果采用上述结构，则多个转子在水流方向上串列配置，因此水流连续地通过多 片螺旋浆叶片许多水流能量被连续变换为电能。而且由于各转子相互独立地旋转，因 此各转子能够互不相干地以最佳效率旋转，提高能量回收效率。
又，本发明的水力发电系统，是使用上述水力发电装置的水力发电系统，具备连 接于所述水力发电装置的所述电枢线圈上的控制装置，所述控制装置具有在所述水力 发电装置启动时对所述电枢线圈供电，驱动所述转子旋转，在其后停止对所述电枢线 圈供电以进行发电的结构。如果采用上述结构，则即使是在水轮机为大型水轮机，水轮机不容易启动的情况 下，也能够强制启动水轮机。也就是说，由于螺旋浆叶片的重量大，产生过大的静摩 擦时，由于水流产生的转矩，不容易使螺旋浆叶片的旋转启动，但是在将开闭阀关闭， 使水流停止流动的状态下对电枢线圈供电，强制使螺旋浆叶片作为电动机启动，则能 够使比静摩擦小得多的动摩擦力作用于轴承。而且如果螺旋浆叶片启动，则轴承为水 润滑状态，摩擦系数大大减小，因此通过停止对电枢线圈供电，水流通过螺旋浆叶片 产生的发电动作能够顺利进行。
也可以还具备设置于所述水力发电装置的上游侧的水管上的，能够截住/放过 水流的开闭阀、以及连接于所述控制装置，使所述开闭阀动作的驱动器(actuator)， 所述控制装置形成在对所述电枢线圈供电时控制所述驱动器使所述开闭阀为截断状 态，而且在停止对所述电枢线圈供电时控制所述驱动器使所述开闭阔为开放状态的结 构。
也可以形成对所述电枢线圈供电的停止在所述水润滑轴承通过水实现与所述转 子隔离的润滑状态之后进行的结构。
也可以所述控制装置形成在所述转子开始旋转时，停止对所述电枢线圈供电的结构。


图1是本发明第1实施形态的水力发电装置的立体图。
图2是表示图1所示的水力发电装置的流路内侧部分的结构的分解立体图。
图3是表示图1所示的水力发电装置的纵剖面图。
图4是图l所示的水力发电装置的横剖面图。
图5表示图1所示的水力发电装置的水润滑轴承，左半部分是从上游侧观察的平 面图，右半部分是从下游侧观察的平面图。
图6是图3所示的水力发电装置的水润滑轴承及其近旁的放大剖面图。 图7是说明图1所示的水力发电装置的引水管的组装状态的立体图。 图8是图7所示的引水管的立体图。
图9是表示本发明第2实施形态的水力发电装置的纵剖面图。
图IO是本发明第3实施形态的水力发电装置的纵剖面图。
图11是使用第1实施形态水力发电装置的水力发电系统的方框图。
图12是第1实施形态的水力发电装置启动时的极限摩擦系数曲线图。
图13是图ll所示的水力发电系统的启动时的时序图。
图14是图ll所示的水力发电系统的启动时的流程图。
具体实施例方式
下面参照附图对本发明的实施形态进行说明。 第1实施形态
图1是本发明第1实施形态的水力发电装置10的立体图。图2是表示图1所示 的水力发电装置10的流路内侧部分的结构的分解立体图。图3是表示图1所示的水 力发电装置10的纵剖面图。图4是图1所示的水力发电装置10的横剖面图。
如图1所示，本实施形态的水力发电装置10由作为其上游侧部分的上游侧配管 部分20、作为下游侧部分的下游侧配管部分30、配置于它们的中间的发电机主体部 分40三个部分构成。该水力发电装置IO具备连接于水管(图3)上，形成主流路R 的圆环状的定子11、以及配置于定子11的内周侧的圆环状的转子12。
如图3所示，水力发电装置10设置于水管90的中途，设置为内径与水管90相 同。水力发电装置10与水管90通过未图示的0形环等法兰耦合。具体地说，用在上 游侧配管部分20的上游侧端部设置的上游侧法兰251与上游侧的水管90接合，用下 游侧配管部分30的下游侧端部设置的下游侧法兰352与下游侧水管91接合。
如图2 图4所示，在上游侧配管部分20的内周面上固定筒状的叶片(vane) 基座21，在叶片基座21的内侧固定多个在圆周方向上等距离配置的导向叶片(vane) 22。在径向向内延伸的这些导向叶片22的中心位置上，将筒状的轮毂23固定于导向 叶片22的内端部。轮毂23在导向叶片22的上游侧为了减小对水的阻力，形成为弹 头形状的圆形。而且轮毂23向导向叶片22的下游侧也延伸，弯曲为轴流型的多片螺 旋浆叶片41隔着规定的间隙在圆周方向上等距离配置。也就是说，螺旋浆叶片41的 径向的内端部不接触轮毂23的外周面。轮毂23也向螺旋浆叶片41的更下游侧延伸， 为减小空穴现象(cavitation)形成为弹头形状的圆形。
如图1和图2所示，导向叶片22相对于螺旋浆叶片(blade) 41的倾斜逆向倾 斜形成为弯曲的轴流型，形成水流以合适的角度接触螺旋浆叶片41的导向结构。螺 旋浆叶片41位于发电机主体部40的内部，其外围固定于形成圆筒状的叶片底座41a 的内周面。叶片底座41a内嵌固定于形成圆筒状的流道(runner) 42。流道42具有 其内部安装永磁体44的圆环部42a和从圆环部42a的径向内端向形状轴线方向两侧 突出的锷部42b。还有，永磁体44也可以安装于所述圆环部42a的外周面上。而且 由这些流道42、永磁体44、以及螺旋浆叶片等构成转子12。
流道42的外周面利用发电机主体部分40的分割为两个部分的发电机外壳40C和 发电机盖46覆盖。发电机主体40在其前后端面上分别接合在上游侧配管部分20的 下游侧端部设置的下游侧法兰252和在下游侧配管部分30的上游侧端部设置的上游侧法兰351。流道42的圆环部42a与上游侧配管部分20的下游侧法兰252之间的环 状空间配置大致为矩形断面的上游侧水润滑轴承61，流道肩部(， >于〉3》夕') 42B与下游侧配管部分30的上游侧法兰351之间的环状空间配置大致为矩形断面的 上游侧水润滑轴承62。
水润滑轴承61、 6形成为一方面径向支持流道42的外周面，另一方面，特别是 下游侧水润滑轴承62通过流道42的圆环部42a的下游侧面以轴向力支持流道42。 在永磁体44的径向外方，通过包套(can) 44a配设定子铁芯(叠层铁芯)45和巻绕 于其上的电枢线圈451，这些构件构成定子ll。定子铁芯45和电枢线圈451的外周 侧用发电机盖46覆盖，定子铁芯(叠层铁芯)45通过发电机盖46固定于发电机外 壳40C。
借助于以上所述结构，从上游侧水管90来的水流过上游侧配管部分20内部，由 轮毂(boss) 23引向管内外周部，由导向叶片22调整方向，撞击螺旋浆叶片41。以 此使螺旋浆叶片41高效率旋转。而且借助于螺旋浆叶片41的旋转，使流道42成一 整体旋转，使固定于流道42的永磁体44相对于定子铁芯45旋转。在定子铁芯45产 生的感应磁场变化在电枢线圈451内感应产生电压，实现发达目的。
下面对本实施形态的水力发电装置10的轴承结构进行详细说明。如图3所示， 在下游侧配管部分30的外周面上形成水供给口 301。提供给该水供给口 301的水贯 通上游侧法兰351，被引向其内部配设的下游侧水润滑轴承62的下游侧端面。
图5表示图1所示的水力发电装置10的水润滑轴承62，左半部分是从上游侧观 察的平面图，右半部分是从下游侧观察的平面图。如图3和图5所示，在下游侧水润 滑轴承62的下游侧端面62a上，形成有环状的凹部62c,将被引向下游侧端面62a 的水向圆周方向分配。在凹部62c上，在圆周方向上等间隔地形成多个贯通到上游侧 端面62b的水排出孔62d，通过该水排出孔62d将水送往推力轴承面、即上游侧端面 62b输送。借助于此对上游侧端面62b进行水润滑。
而且在上游侧端面62b上，分别包含水排出孔62d，在圆周方向上等间隔地形成 在径向上延伸的槽62e。水排出孔62d配置于槽62e的径向靠外侧。槽62e的径向外 侧的外端部62f向径向外侧开放地一直形成到水润滑轴承62的上端缘。槽62e的径 向内侧的内端部62g在径向内侧封闭地一直形成到水润滑轴承62的下端缘的跟前。 又在水润滑轴承62的外周面62h上设置0形环构成的径向冲击吸收构件65，在下游 侧端面62a上设置0形环构成的轴向冲击吸收构件66。
图6是图3所示的水力发电装置10的水润滑轴承62及其近旁的放大剖面图。如 图6所示，水润滑轴承62的槽62e，其外端部62f通过流道42的圆环部42a的外周 区域，与主流路R的螺旋浆叶片41上游区域A相连的水润滑轴承61连通。而且水润滑轴承62的槽62e，其内端部62g与主流路R的螺旋浆叶片41的下游区域B连通。 槽62e的内端部62g连通的主流路R的螺旋浆叶片41下游侧的区域B比槽62e的外 端部62f连通的上游位置的水润滑轴承61压力低。因此从槽62e的水排出孔62d排 出的水容易从内端部62g向径向轴承面、即下游侧的锷部62b的外周面输送。但是槽 62e的内端部62g形成为径向内方封闭，而且槽62e的外端部62f开放地一直形成到 水润滑轴承62的上端缘，所述从水排出孔62d排出的水也容易向外端部62f流动。 因此对上游位置的水润滑轴承也能够充分供水。
水润滑轴承61、 62用不锈钢制造，如图3所示，其轴承面691、 692为陶瓷制造 的。这样，即使是提供给水润滑轴承61、 62的水中有异物混入，也能够在轴承面691、 692粉碎，与水一起流动，因此可以不必维修保养。而且也可以整个轴承用陶瓷构成， 也可以把陶瓷砌块等固定于水润滑轴承61、 62。
还有，在轴承面691、 692中嵌入异物时，有时候有使流道42和螺旋浆叶片41 倾斜的力在起作用，为了避免这种情况，在作为水润滑轴承61、 62的非轴承面的下 游侧端面62a和外周面62h上分别设置冲击吸收构件65、 66。在本实施形态中，冲 击吸收构件65、 66表示为0形环，但只要是能够将嵌入异物时的水润滑轴承61、 62 的歪斜加以吸收的构件，即使是弹簧之类的其他构件也可以使用。
下面对水力发电装置10的冷却系统进行详细说明。如图3所示，水力发电装置 10的冷却系统形成为也能够作为上述水润滑轴承61、 62的供水系统起作用的结构。 冷却系统从导向叶片21的上游侧的上游侧配管部分20的位置上形成的取水口 302取 出水。在该取水口 302，设置过滤器303，有在某种程度上去除在取出的水中可能包 含的异物的作用。
过滤器303由形成取水口 302的平面上保持间隙并排设置的多片百叶窗板303a 构成。各百叶窗板303a向主流路R的下游侧倾斜，慢慢向主流路R的中心侧靠近。 借助于此，形成流过主流路R到达百叶窗板303a的异物不进入取水口 302，而被引 导返回主流路R的结构。还有，过滤器303也可以采用筛孔过滤器等。又在取水口 302设置与引水管305的引水流路306相比其流路断面积较大的缓冲空间304。通过 过滤器303取入取水口 302的水通过形成引水流路306的引水管305，被提供给上述 水供给口 301。
这样，取水口 302与水供给口 302在轴向上保持间隔，能够借助于它们之间的静 压力的作用，而不需要泵等压送手段，就能够提供对于下游侧水润滑轴承62的轴向 对抗力的发生足够的水压。这样的作用也可以通过对上游侧水循环轴承61直接供水 实施，但是由于下游侧水润滑轴承62将与取水口 302的距离取得比较大，所以也可
以使得能够发生的水压也较大。
10图7是说明图1所示的水力发电装置306的引水管305的组装状态的立体图。图 8是图7所示的引水管305的立体图。引水管305形成为也能够作为水力发电装置10 的冷却系统起作用的结构。如图7和图8所示，引水管305在中途分叉为两个分支， 在发电机盖46的周围交互巻绕。即引水管305具有在发电机盖46的外周巻绕的巻绕 部305a，该巻绕部305a形成冷却流路306a。如图1和图3所示，在发电机盖46的 径向内侧配置电枢线圈451，这样，就能够高效率地通过发电机盖46将电枢线圈451 发电时发生的热量去除。
分叉为两条的引水管305还在到达水供给口 301之前分叉为两条。该引水管305 连接于在下游侧配管部分30的圆周方向上等距离配置的4个水供给口 301，对下游 侧水润滑轴承62提供在圆周方向上均匀的水压。如上所述，由引水管305形成的引 水流路306在其中间位置具有对电枢线圈451进行冷却的冷却流路306a，从取水口 302流入的水冷却流路306a后以串联方式提供给水润滑轴承62。因此从取水口 303 流入引水管305的水其全部水量暂时使用于电枢线圈451的冷却，该冷却后的水的全 部水量全部被使用于水润滑轴承61、 62的润滑。还有，在上述实施形态中，利用引 水管305的巻绕部305a形成冷却流路306a，但是也可以利用覆盖电动机盖46的冷 却套管(jacket)形成冷却流路。
第2实施形态
图9是表示本发明第2实施形态的水力发电装置10B的纵剖面图。如图7所示， 本实施形态的水力发电装置10B在螺旋浆叶片41B上固定轮毂的下游侧半部48，螺 旋浆叶片41B和轮毂下游侧半部48形成能够成一整体旋转的结构。也就是说，轮毂 形成为上游侧半部23B和下游侧半部48两部分构成的结构，上游侧半部23B与第一 实施形态的轮毂23 —样固定于导向叶片22。上游侧半部23B和下游侧半部48的分 离位置在本实施形态中取导向叶片22的下游侧端部。即使是本实施形态的水力发电 装置10B的结构，也能够与上述第1实施形态的水力发电装置IO起大致相同的作用， 在同样的部分标以同样的参考符号并省略其说明。
第3实施形态
图IO是本发明第1实施形态的水力发电装置101的纵剖面图。如图IO所示，水 力发电装置101具备在水流方向上串联连接的两个发电单元102、 103，设置于相同 直径的上游水管90和下游水管91之间。
首先对第1放电单元102进行说明。如图IO所示，第1发电单元具备连接于上 游水管90的圆环状定子104、配置于该定子104内周侧，具有从内周向径向内侧突 出的螺旋浆叶片128的圆环状转子119、固定设置于转子119的中心轴线上的固定轮 毂130、以及固定设置于定子104和固定轮毂130之间，将水流引向螺旋浆叶片128
11的导向叶片131。
定子104具备连接于上游水管90的第1套筒(casing) 105。第1套筒105具有 与上游水管90相同直径的圆管部105a、从圆管部105a的上游端向径向外侧突出的 法兰部105b、从圆管部105a的下游端向径向外侧突出的法兰部105c以及在圆管部 105a的一部分开口的取水口 105d。
取水口 105d具有过滤器133，而且取水口 105d与引水管134连接。在第1套筒 105的下游侧的法兰部105c的外周部，固定第2套筒106。第2套筒106具有通过0 形环108用螺杆107连接于第1套筒105的法兰部105c的法兰部6a、以及向该法兰 部106a的内周端更下游方向突出的圆筒部106a。
第2套筒106的法兰部106a的外周部上固定有第3套筒109。第3套筒109具 有在第2套筒106的法兰部106a上用螺杆110固定的法兰部109a、向该法兰部109a 的内周端更下游方向突出的圆筒部109b、以及向比该圆筒部109b的下游端更向径向 外侧突出的法兰部109c。
在第3套筒109的法兰部109c上固定第4套筒111。第4套筒111具有在第3 套筒109的法兰部109c上用螺杆112固定的法兰部llla、以及向比该法兰部111a 的内周端更向上游方向突出的圆筒部lllb。
在利用第2 第4套筒106、 109、 lll形成的环状空间中，以巻绕于圆环状铁芯 113的状态配置电枢线圈114。在铁芯113的内周侧安装带锷部的圆环状的薄壁包套 (can) 115。该包套115用具有绝缘性和耐水性的涡流损耗小的材料构成，利用第2 套筒106的圆筒部106b和第4圆筒111的圆筒部lllb的对置的端部，通过0形环 116、 117夹着。
转子119具备在外周面上具有凹部11%的圆环部119a、从圆环部119a的内周 端向旋转轴线方向(水流方向)的两侧突出的锷部119c、 119d、以及形成于圆环部 119a的内周面上的螺丝孔119e。圆环部119a以及锷部119c、 119d的内径大致与上 游水管90的内径相同。圆环部119a的凹部11%中埋设作为磁通的通路的轭铁120。 在该轭铁120，埋设多个永久磁体121，并且使其与铁芯113对置地以在圆周方向上 等间隔配置。
在转子119与定子104之间设置一对水润滑轴承122、 123，转动自如地支持着 转子119，水润滑轴承122、 123与转子119的圆环部119a的两侧面以及锷部119c、 119d的圆周面对置配置，支持作用于转子119的轴向和径向的负荷。在下游侧的水 润滑轴承123上，设置从其下游侧端面向转子119的圆环部119a的下游侧的侧面连 通的水排出口 123a，从下述引水管134引出的水通过水排出孔123a提供给水润滑轴 承122、 123的滑动面。又，水排出孔123a的流路轴线方向与配置螺旋浆128的主流路R的水流方向相同，贯通孔123a向转子119的圆环部119a的侧面阶段性地縮小直 径。又，下游侧的水润滑轴承123配置于比法兰部llla的与第2发电单元103的连 结面111c更向上游侧凹陷的位置，在连结面111c的内周侧形成圆环状的嵌合凹部 148。
在水润滑轴承122的外周面上，在第2套筒106之间形成0形环124，在水润滑 轴承122的上游侧面，在与第1套筒15之间形成O形环125。而且在水润滑轴承123 的外周面上，在与第4套筒111之间形成O形环126，在水润滑轴承123的下游侧端 面上，在与第1套筒105之间形成0形环127。通过这样配置O形环124 127，能够 弹性吸收径向和轴向的负荷，缓和水流的冲击力。
在转子119的内周面上安装螺旋浆叶片128。螺旋浆叶片128具有内嵌固定于转 子119的圆筒部128a，以及在圆周方向上等间隔配置的，从圆筒部128a的内周面向 径向内侧突出的多个叶片128b。也就是说，叶片128b的内侧前端是自由端。
在圆筒部128a，形成与转子119的螺丝孔119e对应的螺丝孔128c,螺丝孔119e、 128c上用螺丝29固定的方式将螺旋浆叶片128固定于转子119。又，连结叶片128b 的内侧前端的直径与下述固定轮毂130的外径稍大。因此螺旋浆叶片128形成在相对 于固定轮毂130的外周面保持一些空隙的状态下旋转的结构。
固定轮毂130是流线型圆筒体，固定设置于转子119的中心轴线上。固定轮毂 130具有外径比连接螺旋浆叶片128内侧前端的外径小的圆筒部130a、封闭圆筒部 130a的上游端的半球面状的前端壁部130b、以及封闭圆筒部130a的下游端的平面状 的后端壁部130c。
在圆筒部130a的上游侧的外周面上形成凹部130d，在该凹部130d上设置螺丝 孔130e。固定轮毂130的圆筒部130a的外径大小为第1套筒105的内径(主流路R 的内径)的35% 75%。
固定轮毂130通过导向叶片131固定于第1套筒105。导向叶片131具有内嵌固 定于第1套筒105的圆管部105a的外圆筒部131a、外嵌于固定轮毂130的凹部130d 的内圆筒部131c、以及将外圆筒部131a与内圆筒部131c加以连接地在圆周方向上 等间隔配置的多片叶片131b。叶片131b在与螺旋浆叶片128的叶片128b的倾斜方 向相反的方向上倾斜。在外圆筒部131a上形成螺丝孔131d，利用螺丝132将导向叶 片131固定于第1套筒105。又，在内圆筒部131c形成与固定轮毂130的螺丝孔130e 对应的螺丝孔131e，利用螺丝(未图示)将导向叶片131固定于固定轮毂130。
下面对第2发电单元103进行说明。如图10所示，第2发电单元103具备固定 于第1发电单元102的定子104上的定子139、配置于该定子139的内周侧，具有从 内周向径向内侧突出的螺旋浆叶片128的圆环状转子119，固定设置于转子119的中
13心轴线上的固定轮毂147、以及固定设置于定子139与固定轮毂147之间，将水流引 向螺旋浆叶片128的导向叶片131。
还有，在第2发电单元103中，第2 第4套筒106、 109、 111、铁芯113、电 枢线圈114、转子119、轭铁120、永磁体121、螺旋浆叶片128、水润滑轴承122、 123、导向叶片131等与上述第1发电单元相同，因此在下述说明中标以相同符号并 简化其说明。
定子139具备在第1发电单元102的第4套筒111上固定的第1套筒140。第1 套筒140具有用螺杆141紧固于第4套筒111的法兰部140a、从法兰部140a内周端 向下游方向突出的圆筒部140b、从圆筒部140b下游端向径向外侧突出的法兰部140c、 以及直径比圆筒部140b大，将对置的各法兰部140a、 140c加以连接的圆筒形状的轴 环部140d。在法兰部140a的连结面140g上形成内嵌于第1发电单元102的嵌合凹 部148的圆环状的嵌合凸部140h。
第1发电单元102和第2发电单元103以比水管90、 91的外径大的直径分别向 径向外侧突出，因此能够利用轴环部140d保持轴方向的强度。在轴环部140d的所需 要的地方，形成连接引水管134的分叉的另一端的接头142的引水口 140e。以此形 成从引水管134向由圆筒部140b和轴环部140d围绕的圆环状的供水空间143提供水 的结构。又在法兰部140a形成使给水空间143与水润滑轴承123的水排出孔123a连 通的连通孔M0f 。
在第1套筒140的下游侧的法兰部140c的外周部，用螺杆107隔着0形环108 固定第2套筒106。第2套筒106的法兰部106a的外周部上用螺杆110固定第3套 筒109。第3套筒109的法兰部109c上，用螺杆112固定第4套筒111。
在第4套筒111的法兰部llla，固定第5套筒144。第5套筒144具有用螺杆 145紧固于第4套筒111的法兰部llla的法兰部144a、以及从该法兰部144a内周端 向下游方向突出的圆筒部144b、以及从该圆筒部144b的下游端向径向外侧突出，连 接于下游水管91的法兰部144c。在法兰部144a，连接引水管134的另一端的接头 146，形成与水润滑轴承123的水排出孔123a连通的引水口 144d。
在由第2 第4套筒106、 109、 lll形成的环状空间，配置巻绕在圆环状的铁芯 113上的电枢线圈114，在铁芯114的内周侧安装包套115。在转子119的凹部11% 埋设轭铁120，在该轭铁120埋设多个永磁体21。在转子119与定子139之间设置一 对水润滑轴承122、 123。在转子119内周面设置螺旋浆叶片128，连结其叶片128b 的内侧前端的直径比下述固定轮毂147的外径稍大。借助于上述结构，第2发电单元 103的转子119独立于第1发电单元102旋转。
固定轮毂147是中空圆筒体，固定设置于转子19的中心轴线上。固定轮毂147具备与第1发电单元102的固定轮毂130相同直径的圆筒部147a、封闭圆筒部147a 的上游端的平面状的前端壁部147b、以及封闭圆筒部147a的下游端的大致为半球面 状的后端壁部147c。圆筒部147a的上游侧外周面上形成凹部147d。
后端壁部147c比第1发电单元102的固定轮毂130的前端壁部130a倾斜角度小， 向下游侧直径逐步减小。前端壁部147b直接与第1发电单元102的固定轮毂130的 后端壁部130c面接触，两个固定轮毂130、 147连续配置于水流方向上。还可以在固 定轮毂130的后端壁部130c与固定轮毂147的前端壁部147b之间设置弹簧构件(例 如橡皮板)。
固定轮毂147通过导向叶片131固定于第1套筒140。导向叶片131的外圆筒部 131a用螺丝132内嵌固定于第1套筒140的圆筒部140b。导向叶片131的内圆筒部 131c用螺丝(未图示)外嵌固定于固定轮毂147的凹部147d。
又，引水管134形成将从取水口 105d来的水引向水润滑轴承22、 23的引水流路 135。该引水管134形成也可以作为水力发电装置101的冷却系统起作用的结构。具 体地说，从取水口 105d引出的引水管134中途分叉为第1发电单元用管134a和第2 发电单元用管134b。第1和第2发电单元用管134a、 134b分别巻绕于电枢线圈114 的径向外侧的第3套筒109的周围。也就是说，管134a、 134b具有巻绕于定子104、 139外周的巻绕部134c、 134d，该巻绕部134c、 134d形成冷却流路135a、 135b。而 且这些巻绕部134c、 134d的下游侧分别与水润滑轴承123连通。如上所述，从取水 口 303流入引水管134的水其全部水量暂时用于电枢线圈114的冷却，该冷却后的水 全部使用于水润滑轴承122、 123的润滑。
水力发电系统
图11是使用第1实施形态水力发电装置10的水力发电系统70的方框图。图12 是第1实施形态的水力发电装置10启动时的极限摩擦系数的曲线图。图13是图11 所示的水力发电系统70的启动时的时序图。图14是图11所示的水力发电系统70的 启动时的流程图。还有，使用于本系统的水力发电装置，除了第l实施形态的水力发 电装置外，当然也可以使用第2 第4实施形态的水力发电装置。
如图11所示，水力发电系统70具有连接于水管90的水力发电装置10，在其上 游设置能够截断/开放水管90的水流的开闭阀76。在水力发电装置10的电枢线圈451 上连结电力控制器71。电力控制器71具备变换部72和逆变部73。借助于此，可以 有选择地执行将水力发电装置10发生的电力变换为具有所要的频率的和电压的电力 提供给蓄电器74的发电动作和将电源75来的电力变换为具有所要的频率和电压的电 力提供给电枢线圈451的驱动动作。又，在开闭阀76上连接进行对其进行开闭驱动 用的驱动器77。驱动器77和电力控制器71上连接控制装置78。然后，将通过按压启动开关79发生的启动指令信号作为触发，对驱动器77和电力控制器71进行一连 串的控制动作，使水力发电装置IO顺利地动作。
通常在水轮机式的水力发电装置的情况下，水轮机启动时通过水轮机的水量慢慢 上升，不久水车开始旋转，开始进行发电。但是在使水力发电装置大型化的情况下， 轴承的静摩擦力大，有时候发生不能够启动的现象。图12是将水车的直径D作为参 数(以原理实证用试验水轮机的直径作为1)，对于相似设计情况下的大型水轮机， 将与水头对应的极限摩擦系数作图得到的曲线。所谓极限摩擦系数意味着当前设计的 水轮机中不能启动时的轴承的静摩擦系数。也就是说，在以规定的水头使水轮机开始 旋转的条件是轴承部的摩擦系数比曲线所示的数值小。还有，水头变大时水量也增大， 因此水头与水量存在对应关系。
从图12可知，试验机(1.0D)的轴承摩擦系数为0. 4 0.5，因此水轮机的水头 如果是2M左右，则能够启动，但是在使直径增大到1.5倍以上的情况下，及时水流 增大也不能够启动。因此，在本例中，水力发电装置10启动时首先将发电机部分作 为电动机使用对螺旋浆叶片41进行驱动，通过使水润滑轴承61、 62从静摩擦状态变 为动摩擦状态，使摩擦系数大幅度下降后开始对螺旋浆叶片41通水进行启动。
图13是图11所示的水力发电系统70的启动时的时序图。图14是图ll所示的 水力发电系统70的启动时的流程图。如图13和14所示，启动前控制装置78—旦接 收到从启动开关79发送来的启动指令信号，就控制驱动器77关闭开闭阀76,同时 将逆变部73作为变换器而且将变换器72作为逆变器，控制电力控制器71，使电流 逆向流动。借助于此，从电源75对水力发电装置10的电枢线圈451供电，作为电动 机对具有螺旋桨叶片41的转子12进行旋转驱动(步骤S1)。于是，转子12克服静 摩擦力开始旋转。转子12—旦旋转，作为转子12和定子11的接触部分的水润滑轴 承61、 62中进水，因此轴承61、 62形成借助于水滑动的状态，旋转阻力大大减小。
利用转速传感器等测出转子12的转速达到额定值时(或利用电流计等检测出发 电量达到额定值时)，控制装置78驱动开闭阀76的驱动器77，开始打开水管90的 流路，使流入螺旋浆叶片41的水量慢慢增加(步骤S2)。随着水量的增加，水力发 电装置10的发电量增加，在电力控制器71，由于流入蓄电器74的成分增加，因此 驱动电力被抵消，在某一时刻发生逆转，发电电力变大。进一步达到额定输出后，对 水量进行调整使其维持额定输出(步骤S3)。
还有，转子12—旦开始旋转，就处于低摩擦状态，又由于能够利用水流持续使转 子12旋转，因此也可以电源75的供电在转子12开始启动时停止，其后用水流驱动。 又可以在达到适当的转速之前共用从电源75来的供电，縮短达到额定运行之前的上 升时间。
权利要求
1.一种水力发电装置，是在水流通的水管的中途设置，而且是与该水管使内部连通地设置的水力发电装置，其特征在于，具备连结于所述水管形成主流路，具有电枢线圈的圆环状定子、配置于所述定子的内周侧，具有向径向内侧突出的螺旋浆叶片，而且在外周设置永久磁体的圆环状转子、设置于所述转子和所述定子之间的水润滑轴承、设置于所述螺旋浆叶片上游的位置上的取水口、以及从所述取水口将水向所述水润滑轴承引导的引水流路，所述引水流路在其中间位置上具有对所述电枢线圈进行冷却的冷却流路，形成能够将从所述取水口流入的水提供给所述冷却流路和所述水润滑轴承的结构。
2. 根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，形成能够将从所述取水 口流入的水在流过所述冷却流路之后提供给所述水润滑轴承的结构。
3. 根据权利要求l所述的水力发电装置，其特征在于， 所述引水流路利用引水管形成，所述引水管具有在与所述电枢线圈对应的位置上巻绕于所述定子外周的巻绕部， 该巻绕部形成所述冷却流路。
4. 根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，还具备配置于所述取水 口的过滤器。
5. 根据权利要求4所述的水力发电装置，其特征在于， 所述过滤器由在所述取水口相互保持间隙并排设置的多片百叶窗板构成， 所述各百叶窗板向所述主流路的下游侧倾斜，而且缓缓地向所述主流路中心侧靠近。
6. 根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，所述取水口具有与所述 引水流路相比流路截面积更大的缓冲空间。
7. 根据权利要求l所述的水力发电装置，其特征在于， 所述水润滑轴承分别配置于所述转子的上游侧和下游侧，在所述下游侧的所述水润滑轴承的与所述转子对置的面上，形成与所述引水流路 连通地，在圆周方向上等间隔配置的多个水排出孔、以及与所述各水排出孔分别连接 地，在圆周方向的正交方向上延伸着，在圆周方向上等间隔配置的多条槽。
8. 根据权利要求7所述的水力发电装置，其特征在于，所述槽其长度方向的一端部与所述上游侧的所述水润滑轴承连通，其长度方向上的另一端与所述主流路上的 所述螺旋浆叶片的下游侧的区域连通，所述槽的所述一端部向着其长度方向的一端开放地一直形成到所述水润滑轴承 的端缘，所述槽的所述另一端部在其长度方向的另一端封闭地一直形成到所述水润滑 轴承的端缘的跟前。
9. 根据权利要求1所述的水力发电装置，其特征在于，还具备在所述水润滑轴 承的相对所述定子面向径向的位置上设置的径向冲击吸收构件、以及在所述水润滑轴 承的相对所述定子面向轴向的位置上设置的轴向冲击吸收构件。
10. 根据权利要求9所述的水力发电装置，其特征在于，所述水润滑轴承为圆环状，所述径向冲击吸收构件由设置于所述水润滑轴承的外周面上的o形环构成， 所述轴向冲击吸收构件由设置于所述水润滑轴承的侧面上的o形环构成。
11. 根据权利要求l所述的水力发电装置，其特征在于，设置多个转子，而且多 个转子形成在水流方向上串列配置，相互独立旋转的结构。
12. —种水力发电系统，是使用权利要求1所述的水力发电装置的水力发电系统， 其特征在于， 具备连接于所述水力发电装置的所述电枢线圈上的控制装置， 所述控制装置具有在所述水力发电装置启动时对所述电枢线圈供电，驱动所述转 子旋转，在其后停止对所述电枢线圈供电以进行发电的结构。
13. 根据权利要求12所述的水力发电系统，其特征在于， 还具备设置于所述水力发电装置的上游侧的水管上的，能够截住/放过水流的开闭阀、以及连结于所述控制装置，使所述开闭阀动作的驱动器，所述控制装置形成在对所述电枢线圈供电时控制所述驱动器使所述开闭阀为截 断状态，而且在停止对所述电枢线圈供电时控制所述驱动器使所述开闭阀为开放状态 的结构。
14. 根据权利要求12所述的水力发电系统，其特征在于，形成对所述电枢线圈 供电的停止在所述水润滑轴承通过水实现与所述转子隔离的润滑状态之后进行的结 构。
15. 根据权利要求12所述的水力发电系统，其特征在于，所述控制装置形成在 所述转子开始旋转时停止对所述电枢线圈供电的结构。
全文摘要
本发明的水力发电装置，是在水流通的水管的中途设置，而且是与该水管使内部连通地设置的水力发电装置，具备连结于所述水管形成主流路，具有电枢线圈的圆环状定子、配置于所述定子的内周侧，具有向径向内侧突出的螺旋桨叶片，而且在外周设置永久磁体的圆环状转子、设置于所述转子和所述定子之间的水润滑轴承、设置于所述螺旋桨叶片上游的位置上取水口、以及从所述取水口将水向所述水润滑轴承引导的引水流路。所述引水流路在其中间位置上具有对所述电枢线圈进行冷却的冷却流路，将从所述取水口流入的水提供给所述冷却流路和所述水润滑轴承。
文档编号F03B11/00GK101652560SQ20078005223
公开日2010年2月17日 申请日期2007年12月28日 优先权日2007年3月19日
发明者池渊哲郎, 清濑弘晃 申请人:川崎重工业株式会社