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 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 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 ( 3 車の研究 ) ( 4 ) 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. m 3 / s, 有効落差は 2. 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. 1
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.8m3/s 平 均 流 速 は 1.m/s 羽 根 車 の 回 転 数 は 1rpｍ で す 羽 根 車 の 外 径 は 1.4m ハ ブ 直 径 は ｍ ス パ ン 長 さ は 1.2ｍ で す Table 1 Design condition of the water wheel 設計流量 水路幅 水面高さ 水路面積 速度 羽根車直径 羽根幅 試験回転数 Q W H A V D B N (m3/s) (m2) (m/s) (rpm).8 13 6.78 1.3 14 12 1. Fig.1 Overall view of the setting place 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 Fig.2 Impeller and design parameter 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 t の 水 が ポ ン プ に よ っ て 搬 送 さ れ ま す 高 さ 12m 直 径 4m の 高 架 水 槽 に 蓄 え ら れ た 水 が 配 2
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ΔH と定義しました 水車の性能は 式 (1)の 周 速 比 と 出 力 係 数 Cp で 評 価 さ れ ま す l= Tw Rw CP = r g Q DH V, 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 Fig.3 Experimental apparatus of the water wheel 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 1ｒ ｐ ｍ に 設 定 さ れ て い ま す Fig.4 Schematic model for the numerical simulation 3
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 枚から 4 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 枚まで変化させました. 羽根枚数 2 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 % 向上することがわかります. Output, L (W) 4 3 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 Z = 8 ( 最大出力 ) N = 1 rpm V = 1. m/s 2 1 2 3 4 5 Number of blades, Z.5 Z = 6 Z = 8 Z = 12 Z = 16 Z = 2.5 1. 1.5 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 約 1% 効率 up 従来の効率 (22.4%) =1.15 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 のピッチ羽根車です. ピッチ角 - 3 の出力係数は設計点で約 4 % 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 の特性であり, 白抜きの凡例がピッチ角 3 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. 4
.6.5 α = -3 α = α = 3 17.6% 効率 up.6.5 β= (α = 3 ) β=4 (α = 3 ) β=8 (α = 3 ) β= (α = ) β=4 (α = ) β=8 (α = ) 従来の効率 (22.4%) Z = 8 β =.5 1. 1.5.5 1. 1.5 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 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 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 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..6.5.5 γ= -3 ( α = -3, β= ) γ=-2 ( α=, β = -4 ) γ=-25 ( α=-15, β = -2 ) γ=-5 ( α=-3, β = -4 ).5 1. 1.5 γ=-5 (α=-3, β=-4 ) Z = 8 = 1.15 Pitch Blade Pitch Flap Blade γ=4 (α=, β=8 ) -5 5 γ, 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 l e F i g. 1 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 5
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 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 % 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 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 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 1 3 年度年次大会講演論文集,( 2 1 3. 9 ) 2 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. 6