1 開 放 周 流 形 下 掛 け 水 車 の 高 性 能 化 に 関 す る 研 究 長 崎 大 学 佐 々 木 壮 一 １ ， は じ め に 津 山 市（ 岡 山 県 ）は ２ ０ １ ６ 年 ２ 月 に 設 置 事 業 者 の エ リ ス ，土 地 所 有 者 の J A つ や ま と 桑 谷 小 水 力 発 電 設 備 に つ い て の 事 業 に 関 す る 協 定 を 結 び ま し た( 1 )．こ の 事 業 は 桑 谷 発 電 所 の 放 流 水 を 活 用 し た 小 水 力 エ ネ ル ギ ー の 回 収 装 置 を 新 設 す る も の で す ．こ の 設 置 場 所 の 放 流 水 に は 落 差 が ほ と ん ど な い た め に ，水 車 を 開 水 路 へ そ の ま ま 設 置 す る こ と が 基 本 的 な 計 画 で し た ．こ の 水 路 の よ う に ，国 内 に は 低 落 差 で は あ る が ， 流 量 が 豊 富 で あ る と い っ た 場 所 が 数 多 く 存 在 し ま す ． 今 後 は ， こ の よ う な 低 落 差 の 水 力 エ ネ ル ギ ー の 回 収 技 術 も 小 出 力 発 電 の 技 術 開 発 に お け る 一 つ の 課 題 と な り ま す ． 過 去 ， 日 本 国 内 で は ， こ の よ う な 低 落 差 の 小 水 力 エ ネ ル ギ ー は 開 放 周 流 形 水 車 に よ っ て 回 収 さ れ て い ま し た ． こ の 水 車 は ， 精 米 ， か ん が い 用 の 揚 水 ， 製 糸 ・ 搾 油 業 な ど の 動 力 源 と し て 広 く 利 用 さ れ て い ま し た( 2 )． こ れ ら の 在 来 水 車 は ，蒸 気 機 関 や 原 動 機 が 明 治 の 中 ご ろ か ら 普 及 し 始 め た た め に ，昭 和 初 期 を ピ ー ク に 急 速 に 消 滅 し た と い わ れ て い ま す ．こ の た め ，昭 和 初 期 か ら 現 在 に 至 る ま で ，開 放 周 流 形 水 車 の 動 力 機 械 と し て の 研 究 開 発 は 国 内 で は ほ と ん ど な さ れ て い ま せ ん で し た ．し か し ，２ ０ １ １ 年 の 東 日 本 大 震 災 に お け る 原 発 事 故 を さ か い に ， 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 利 用 が 再 び 見 直 さ れ て き ま し た ． 放 流 水 の よ う に 落 差 の な い 水 路 で は ， 下 掛 け 水 車 を 開 発 す る 必 要 が あ り ま す ． こ の 水 車 の 機 械 性 能 に 関 す る 国 内 の 先 行 研 究 は ，西 ら の 下 掛 け 式 ク ロ ス フ ロ ー 水 車 の 研 究（ 3 ）や ，木 綿 ら の 流 雪 溝 に よ る 投 げ 込 み 式 の 下 掛 け 水 車 に 関 す る 研 究（ 4 ） を 除 い て ほ と ん ど あ り ま せ ん ． 一 方 ， 都 留 市 （ 山 梨 県 ） に は ， ハ イ ド ロ ワ ッ ト 社 （ ド イ ツ ） の 開 放 周 流 形 水 車 が 設 置 さ れ て い ま す( 5 )． こ の 水 車 の 発 電 量 は 8 . 8 ｋ W ， 使 用 水 量 は 2 . 0 m3/ s ， 有 効 落 差 は 2 . 0 m ， 羽 根 車 直 径 は 6 m ， 羽 根 枚 数 は 3 6 枚 で す ． こ れ ら の デ ー タ か ら 水 車 の 効 率 を 算 出 す る と 2 2 . 4 ％ に な り ， こ の 数 値 は 国 内 の 先 行 研 究 の 効 率 と 同 程 度 に な り ま す ．し か し ，先 行 開 発 さ れ た 胸 掛 け 水 車 や ク ロ ス フ ロ ー 水 車 の 設 計 条 件 が ，下 掛 け 水 車 に そ の ま ま 適 用 で き る か に つ い て は 不 明 で す ． と こ ろ で ， 抗 力 形 の 原 動 機 の 代 表 で あ る サ ボ ニ ウ ス 風 車 の 羽 根 に は ， 抗 力 の 大 き な 半 円 筒 の 形 状 が 採 用 さ れ ま す ． ま た ， 例 え ば ， 飛 行 機 で は ， 着 陸 時 の 抗 力 は フ ラ ッ プ を 下 げ て 増 加 さ れ ま す ．水 平 軸 風 車 の 強 風 時 の 回 転 制 御 に お い て も ， フ ラ ッ プ 翼 の 失 速 時 の 抗 力 を 利 用 し て 軸 動 力 が 制 動 さ れ ま す ． 本 研 究 は ，抗 力 形 水 車 の 一 つ で あ る 開 放 周 流 形 の 下 掛 け 水 車 の 高 性 能 化 を 目 的 と し た も の で す ．羽 根 車 の 反 り 角 と ピ ッ チ 角 に よ っ て そ の 抗 力 を 増 加 さ せ ，低 落 差 で は あ る が 十 分 な 流 量 の 小 水 力 エ ネ ル ギ ー を 回 収 す る こ と が で き る 水 車 の 開 発 を 試 み ま す ．本 稿 で は ，水 車 の 羽 根 形 状 が そ の 出 力 特 性 に 及 ぼ す 影 響 を 評 価 し た 結 果 を 紹 介 し ま す ．
2 ２ ， 実 験 装 置 お よ び 測 定 方 法 図 １ は 桑 谷 発 電 所 下 流 側 の 設 置 予 定 場 所 を 示 し た も の で す ．表 １ に は ，実 機 水 車 の 基 本 仕 様 が 整 理 さ れ て い ま す ． 設 計 流 量 は 0 . 8 m3/ s ， 平 均 流 速 は 1 . 0 m / s ， 羽 根 車 の 回 転 数 は 1 0 r p ｍ で す ． 羽 根 車 の 外 径 は 1 . 4 m ， ハ ブ 直 径 は 0 . 4 ｍ ， ス パ ン 長 さ は 1 . 2 ｍ で す ． F i g . 1 O v e r a l l v i e w o f t h e s e t t i n g p l a c e T a b l e 1 D e s i g n c o n d i t i o n o f t h e w a t e r w h e e l 図 ２ は 水 槽 試 験 用 の 羽 根 車 の 外 観 を 示 し た も の で す ．こ の 羽 根 車 は 実 機 水 車 の １ ／ ３ の 縮 小 模 型 に な り ま す ． ピ ッ チ 角 α は 羽 根 車 の 半 径 方 向 と 翼 弦 と の 成 す 角 と 定 義 し ま す ．反 り 角 β は ，根 元 側 と 先 端 側 の 羽 根 と の 成 す 角 と 定 義 し ま す ． ま た ，羽 根 の 翼 弦 と 羽 根 車 外 径 の 法 線 と の 成 す 角 を 取 り 付 け 角 γ と 定 義 し ま す ． 以 下 の 説 明 で は ，ピ ッ チ 角 を 有 す る 羽 根 を ピ ッ チ 羽 根 ，ピ ッ チ 角 と 反 り 角 を 有 す る 羽 根 を ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 と 呼 ぶ こ と に し ま す ． F i g . 2 I m p e l l e r a n d d e s i g n p a r a m e t e r 図 ３ は 水 車 の 性 能 試 験 シ ス テ ム の 全 体 図 を 示 し た も の で す ．毎 分 2 0 t の 水 が ポ ン プ に よ っ て 搬 送 さ れ ま す ． 高 さ 1 2 m ， 直 径 4 m の 高 架 水 槽 に 蓄 え ら れ た 水 が 配 設計流量 Q (m3/s) 0.8 水路幅 W (mm) 1300 水面高さ H (mm) 600 水路面積 A (m2) 0.78 速度 V (m/s) 1.03 羽根車直径 D (mm) 1400 羽根幅 B (mm) 1200 試験回転数 N (rpm) 10.0
3 管 と バ ッ フ ァ タ ン ク を 介 し て 試 験 水 路 に 搬 送 さ れ ま す ．流 量 は 配 管 に 取 り 付 け ら れ た 超 音 波 流 量 計 で 計 測 さ れ ま す ．水 路 は 設 置 予 定 場 所 の 流 路 の 1 / 3 の 大 き さ で 製 作 さ れ て い ま す ．水 車 の ト ル ク は ト ル ク 計 で 測 定 さ れ ，負 荷 ト ル ク が パ ウ ダ ー ブ レ ー キ に よ っ て 与 え ら れ ま す ．羽 根 車 の 上 流 側 と 下 流 側 の 水 位 は 容 量 式 波 高 計 で 計 測 さ れ ， こ れ ら の 差 を 水 車 の 有 効 落 差 Δ H と 定 義 し ま し た ． 水 車 の 性 能 は ， 式 ( 1 ) の 周 速 比 λ と 出 力 係 数 C p で 評 価 さ れ ま す ．
V
R
w
l
=
,g
Q
H
T
C
PD
=
r
w
こ こ で ， R は 羽 根 車 の 半 径 ， ω は 角 速 度 ， V は 主 L 流 速 度 ， T は 軸 ト ル ク ， ρ は 密 度 で す ．出 力 係 数 は 理 論 動 力 に 対 す る 軸 出 力 の 比 を 表 す も の で ，こ の 係 数 は 効 率 の 定 義 も と 同 じ で す ． F i g . 3 E x p e r i m e n t a l a p p a r a t u s o f t h e w a t e r w h e e l 図 ４ は 流 れ の 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の モ デ ル を 示 し た も の で す ．水 車 周 り の 流 れ の 解 析 方 法 に は 定 常 A L E が 採 用 さ れ て い ま す ．こ の 解 析 方 法 は ，羽 根 周 り の 流 れ を 回 転 さ せ ，疑 似 的 に 羽 根 の 回 転 運 動 を 計 算 す る 方 法 で す ．水 車 の 動 力 は 体 積 要 素 の 水 の 回 転 運 動 に よ る 理 論 的 な 動 力 に よ っ て 見 積 も ら れ ま す ．羽 根 の 回 転 数 は 1 0 ｒ ｐ ｍ に 設 定 さ れ て い ま す ． F i g . 4 S c h e m a t i c m o d e l f o r t h e n u m e r i c a l s i m u l a t i o n4 ３ ， 実 験 結 果 お よ び 考 察 図 ５ は 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て 解 析 さ れ た 羽 根 枚 数 と 出 力 の 関 係 を 示 し た も の で す ． 羽 根 枚 数 は ６ 枚 か ら ４ ８ 枚 ま で 変 化 さ せ ま し た ． 計 算 結 果 か ら ， 羽 根 枚 数 ８ 枚 の 出 力 が 最 大 に な る こ と が わ か り ま す ．従 来 型 の 開 放 周 流 形 水 車 の 羽 根 枚 数 が ２ ０ 枚 か ら ４ ０ 枚 で 設 計 さ れ て い た こ と を 考 え る と ，下 掛 け 水 車 の 羽 根 車 の 羽 根 枚 数 は 従 来 型 の も の よ り も 少 な い こ と が わ か り ま す ．図 ６ は 水 車 性 能 に 及 ぼ す 羽 根 枚 数 の 影 響 に 関 す る 模 型 試 験 の 結 果 を 示 し た も の で す ．横 軸 が 周 速 比 ， 縦 軸 が 出 力 係 数 で す ． 羽 根 枚 数 は ６ 枚 か ら ２ ０ 枚 ま で 変 化 さ せ ま し た ． 羽 根 枚 数 ２ ０ 枚 の 出 力 係 数 は 従 来 型 の 開 放 周 流 形 水 車 の 出 力 （ ２ ２ ． ４ ％ ） と 同 程 度 で あ る こ と が わ か り ま す ．こ の 実 験 の 範 囲 で は ，数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果 と 同 じ く ， 羽 根 枚 数 ８ 枚 の 水 車 の 出 力 が 最 も 高 く な り ま し た ． こ の と き ， 羽 根 枚 数 ８ 枚 の 水 車 効 率 は 従 来 の 効 率 よ り も 約 １ ０ ％ 向 上 す る こ と が わ か り ま す ． F i g . 5 N u m b e r o f b l a d e s a n d t h e o u t p u t p o w e r F i g . 6 C h a r a c t e r i s t i c s o f o u t p u t f o r t h e n u m b e r o f b l a d e s 図 ７ は 水 車 性 能 に 及 ぼ す ピ ッ チ 角 の 影 響 を 示 し た も の で す ．こ の 羽 根 車 は 羽 根 枚 数 8 枚 ，フ ラ ッ プ 角 0 ° の ピ ッ チ 羽 根 車 で す ．ピ ッ チ 角 - 3 0 ° の 出 力 係 数 は 設 計 点 で 約 4 0 ％ と な り ま し た ． こ の ピ ッ チ 羽 根 の 効 率 は 従 来 型 の 水 車 よ り も 約 1 7 . 6 ％ 高 く な り ま す ．こ の 結 果 か ら ，下 掛 け 水 車 の 羽 根 が 流 れ に 対 し て 後 退 し て 取 り 付 け ら れ る と ，前 傾 羽 根 の 水 車 出 力 よ り も 大 き く な こ と が わ か り ま す ．一 方 ， 前 傾 し た ピ ッ チ 羽 根 の 出 力 係 数 は ほ と ん ど 上 昇 し ま せ ん で し た ．図 ８ に は ，水 車 の 性 能 に 及 ぼ す 反 り 角 の 影 響 が 示 さ れ て い ま す ．図 中 の 太 い 破 線 は ，本 実 験 の 範 囲 で 得 ら れ た 最 高 出 力 の ピ ッ チ 羽 根 の 特 性 で す ． 赤 く 塗 ら れ た 凡 例 が ピ ッ チ 角 0 の 特 性 で あ り ， 白 抜 き の 凡 例 が ピ ッ チ 角 3 0 の 特 性 で す ． 羽 根 の 反 り 角 が 大 き く な る と ，ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 の 出 力 が 低 下 し ま す ． ま た ，こ の 実 験 結 果 か ら も ， 前 傾 ピ ッ チ 羽 根 の 出 力 特 性 は 劣 化 す る こ と が わ か り ま す ． 0 10 20 30 40 50 200 300 400 Number of blades , Z O ut pu t , L ( W ) Z = 8 （最大出力） N = 10 rpm V = 1.0 m/s
0
0.5
1.0
1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Z = 6 Z = 8 Z = 12 Z = 16 Z = 20λ
C
p λ=1.15 従来の効率(22.4%) 約10%効率up5 F i g . 7 C h a r a c t e r i s t i c s o f o u t p u t f o r t h e p i t c h a n g l e F i g . 8 C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o u t p u t f o r t h e c h a m b e r a n g l e 図 ９ は 取 り 付 け 角 が 水 車 出 力 に 及 ぼ す 影 響 を 示 し た も の で す ． 取 り 付 け 角 が -2 5 ° ま で の ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 は そ の 最 高 出 力 は や や 低 下 す る も の の ，高 周 速 比 側 の 運 転 範 囲 を 拡 大 さ せ る こ と が わ か り ま す ．こ の 結 果 は ，最 適 化 さ れ た ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 に は ，広 い 運 転 範 囲 で 高 い 出 力 を 維 持 で き る 可 能 性 が あ る こ と を 示 す も の で す ．図 １ ０ に は ，最 高 出 力 点 近 傍 に お け る 取 り 付 け 角 と 水 車 出 力 の 関 係 が 整 理 さ れ て い ま す ． 取 り 付 け 角 - 5 0 ° の 条 件 で は ， ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 の バ ケ ッ ト 内 の 水 の 自 重 に よ る 抵 抗 で 出 力 特 性 が 劣 化 す る こ と が わ か り ま す ．ま た ，取 り 付 け 角 4 0 ° の ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 の 場 合 ， そ の 出 力 は バ ケ ッ ト 形 状 の 羽 根 が 入 水 す る 際 の 浮 力 の 抵 抗 に よ っ て 低 下 す る と 考 え ら れ ま す ． F i g . 9 C h a r a c t e r i s t i c s o f t h e o u t p u t f o r t h e s e t t i n g a n g le F i g . 1 0 R e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s e t t i n g a n g l e a n d t h e o u t p u t c o e f f i c i e n t
0.5
1.0
1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
α = -30° α = 0° α = 30°λ
C
p Z = 8 β = 0 従来の効率(22.4%) 17.6%効率up0.5
1.0
1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
β=0° (α = 0°) β=40°(α = 0°) β=80°(α = 0°)λ
C
p β=0° (α = 30°) β=40°(α = 30°) β=80°(α = 30°)0.5
1.0
1.5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
γ=-20° ( α=0, β = -40°) γ=-25° ( α=-15, β = -20°) γ=-50° ( α=-30, β = -40°)λ
C
p γ= -30°( α = -30°, β=0°) -50 0 50 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 γ , ° Cp γ=-50°(α=-30° , β=-40°) γ=40°(α=0 °, β=80°) Pitch Blade Pitch Flap BladeZ = 8 λ = 1.15
6 ４ ， お わ り に 低 落 差 の 小 水 力 エ ネ ル ギ ー を 有 効 に 回 収 す る こ と が 可 能 な 開 放 周 流 形 下 掛 け 水 車 の 出 力 性 能 を 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と 水 槽 試 験 で 解 析 し ま し た ．本 実 験 の 範 囲 で は ， 羽 根 枚 数 8 枚 ， ピ ッ チ 角 - 3 0 ° の 水 車 が 最 も 高 性 能 で あ る こ と が わ か り ま し た ． こ の 水 車 の 最 高 出 力 は 約 4 0 ％ で あ り ， 従 来 型 の 開 放 周 流 形 水 車 の 出 力 よ り も 高 く な り ま し た ．ま た ，ピ ッ チ フ ラ ッ プ 羽 根 の 設 計 形 状 を よ り 最 適 化 す る こ と で ，広 い 運 転 範 囲 に わ た っ て 高 い 出 力 を 得 る こ と が で き る 可 能 性 が あ る こ と を 示 し ま し た ． 参 考 文 献 ( 1 ) 新 エ ネ ル ギ ー 新 聞 ， 岡 山 県 津 山 市 市 内 初 の 小 水 力 発 電 設 備 建 設 へ , h t t p : / / w w w . n e w e n e r g y - n e w s . c o m / ? p = 3 1 9 4 ， a c c e s s e d 2 0 1 8 . 4 . 2 3 ( 2 ) 藤 原 良 樹 ， 他 2 名 ， 日 本 の 産 業 用 在 来 水 車 に 関 す る 研 究 ， 技 術 と 文 明 ， 第 3 巻 第 2 号 （ 1 9 8 7 ）， p p . 2 3 - 4 2 . ( 3 ) 西 ， 稲 垣 ， 近 江 ， 福 富 ， 下 掛 け 式 ク ロ ス フ ロ ー 水 車 の 内 部 流 れ に 関 す る 研 究 ， タ ー ボ 機 械 ， 4 1 - 1 （ 2 0 1 3 . 1 ）， p p . 5 1 - 5 7 . ( 4 ) 菊 池 ， 木 綿 ， 河 野 ， 流 雪 溝 に お け る 発 電 用 下 掛 け 水 車 性 能 に 関 す る フ ィ ー ル ド 試 験 ， 日 本 機 械 学 会 2 0 1 3 年 度 年 次 大 会 講 演 論 文 集 ，（ 2 0 1 3 . 9 ） 2 0 1 3 . 9 ， 5 p a g e s . ( 5 ) 小 林 ， 金 田 ， 事 例 に 学 ぶ 小 水 力 発 電 ， オ ー ム 社 ， p . 3 3 .
