３分でわかる 水力発電用「水車」の分類・種類と仕組み
３分でわかる 水力発電用「水車」の分類・種類と仕組み

３分でわかる 水力発電用「水車」の分類・種類と仕組み

３分でわかる 水力発電用「水車」の分類・種類と仕組み ランナの円板外周に20～30枚程度設けられたバケットに、水圧管の先端に取り付けたノズルから高速噴流をバケットに衝突させて、その反力でランナ回転力を得ます。 発電負荷の変動に対しては、ノズル内にあるニードル弁の開閉により流量を変えることで出力調整して対応します。

ランナの円板外周に20～30枚程度設けられたバケットに、水圧管の先端に取り付けたノズルから高速噴流をバケットに衝突させて、その反力でランナ回転力を得ます。 発電負荷の変動に対しては、ノズル内にあるニードル弁の開閉により流量を変えることで出力調整して対応します。 緊急負荷遮断時に急激に噴流量を減少すると、水圧管内で水撃減少による異常圧力上昇が生じます。 そのため、先ずノズル先端部に設けたデフレクタを動かして噴流の方向を変え、バケットに入る流量を減少させてからノズルを移動します。

高落差（200m以上）・小水量に適します。 ノズル数をNとしたとき、比速度nsは、(10～25)√N の範囲となります。

（2）フランシス水車

構造的には、渦巻きポンプとほとんど同じです。 ランナ外周に設けられた案内羽根（ガイドベーン）は、翼角度可変機構が付いていて、発電負荷に応じてランナに入る流量を変え、出力調整できるようになっています。 ただし流量を変えると、ランナに対する水の流入角度も変化するので、衝突損失が増大するため、部分負荷における効率は低くなります。

（3）デリア水車

渦巻きケーシングから、ステーベーン、ガイドベーンまでの構造は、フランシス水車と同一で、ランナの羽根が斜めの流路に置かれた形状のものを「斜流水車」といいます。 斜流渦巻きポンプに似た形状をしています。 ガイドベーンを開閉させて負荷調整するときに、ランナの羽根も翼角を変化させて、広範囲の負荷帯で高効率を得られるようにした構造のものを「デリア水車」といいます。 フランシス水車に比較して、高い部分負荷効率を得ることができます。 斜流水車の適用有効落差範囲は30～200mで、比速度nsは100～400です。

（4）カプラン水車・チューブラ水車

水車も低落差・大流量になると、低揚程・大流量向きの軸流ポンプと類似の形状のものが適用されます。このような構造の水車を「プロペラ水車」といいます。 プロペラ水車の適用有効落差範囲は2～90mで、比速度nsは250～1200です。 デリア水車は立軸ですが、プロペラ水車は立軸・横軸両方があります。

そのうち、立軸であり、デリア水車と同様にガイドベーン開度に応じて、ランナ翼の角度も変化させるものを「カプラン水車」といいます。

一方、有効落差20m以下になると横軸にした方が、損失が少なくて有利となりますが、横軸のプロペラ水車を「チューブラ水車」といいます。カプラン水車と同様に、動翼も可変翼角とすることができます。

４．ポンプ水車と揚水発電

上述のように、反動形水車はターボ形ポンプに似た形状をしています。 ターボ形ポンプを逆転させて、流れ方向を吐出しから吸込みへ向かうようにすると、ポンプは基本的には水車に転化します。回転を両方向としてポンプと水車の機能を兼ね備えたものを「ポンプ水車」といいます。

電力需要には昼間と夜間で大きな差があります。 ポンプ水車を利用して、電力需要の高い昼間は水車運転による発電を行い、夜間にポンプ運転による貯水池への揚水を行って貯水量を補給する運用を「揚水発電」といいます。 ポンプ水車と接続するのは、発電・電動機であり、ポンプ水車の回転方向に合わせて、水車運転のときは発電機、ポンプ運転のときは電動機として機能します。

５．環境にやさしい水力エネルギーの普及は？

（日本アイアール株式会社 特許調査部 S・Y）

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