《電力》〈水力〉[H25:問5]水車のキャビテーションとその対策に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★☆☆☆☆(易しい)

次の文章は,水車のキャビテーションとその対策に関する記述である。文中の\( \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ \)に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選びなさい。

ただし,重力加速度を\( \ \mathit {g} \ \mathrm {[m/s^{2}]} \ \),流水の密度を\( \ \rho \ \mathrm {[kg/m^{3}]} \ \)とする。

水車の流水中の絶対圧力が\( \ \fbox {  (1)  } \ \)以下になると,その部分にキャビテーションが発生する。キャビテーションが発生すると,

① 効率,出力,水流の減少が起こる

② キャビテーション発生場所に\( \ \fbox {  (2)  } \ \)が起こる

③ \( \ \fbox {  (3)  } \ \)入口の水圧変動が著しくなる

といった現象が発生する。

このキャビテーションの発生を抑制する対策としては,

① 水車の\( \ \fbox {  (4)  } \ \)を一定値以下とする

② ランナベーンの形状を整え,表面を滑らかにする

③ 過度の\( \ \fbox {  (5)  } \ \)運転や過負荷運転をさける

などがある。

〔問5の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&(イ)& 間 欠       &(ロ)& 腐 食 \\[ 5pt ] &(ハ)& 壊 食       &(ニ)& 電 食 \\[ 5pt ] &(ホ)& 比速度       &(ヘ)& 飽和蒸気圧 \\[ 5pt ] &(ト)& 速度水頭の \ 2\rho \mathit {g} \ 倍       &(チ)& 圧力水頭の \ \rho \mathit {g} \ 倍 \\[ 5pt ] &(リ)& 重 量       &(ヌ)& 部分負荷 \\[ 5pt ] &(ル)& 出力固定       &(ヲ)& ガイドベーン数 \\[ 5pt ] &(ワ)& ランナ      &(カ)& ケーシング \\[ 5pt ] &(ヨ)& 吸出し管 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

3種でも出題頻度が高く,2種受験生であればかなりの受験生が完答できる問題で,この年の電力科目の合格率74.2%に大きく寄与した問題と言えると思います。本問の内容は基本事項となりますので,きちんと理解するようにしましょう。

1.比速度の定義
水車の形状を相似に保ったまま大きさを小さくし,\( \ 1 \ \mathrm {[m]} \ \)の有効落差で\( \ 1 \ \mathrm {[kW]} \ \)の出力を発生するときの回転速度を言います。定格回転数を\( \ n \ \mathrm {[min^{-1}]} \ \),水車の出力を\( \ P \ \mathrm {[kW]} \ \),有効落差を\( \ H \ \mathrm {[m]} \ \)とすると,比速度\( \ n_{\mathrm {s}} \ \mathrm {[m\cdot kW]} \ \)は,
\[
\begin{eqnarray}
n_{\mathrm {s}} &=&n \cdot \frac {\displaystyle P^{\frac {1}{2}}}{\displaystyle H^{\frac {5}{4}}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となります。

2.キャビテーション
水車中の水の圧力が,その時の飽和蒸気圧以下に低下すると,水が水蒸気になり気泡が発生します。その気泡が再び圧力が高い場所に行くと液化し,気泡が崩壊する現象を言います。
キャビテーションにより,衝動水車ではニードル弁の浸食(エロ―ジョン),反動水車ではランナの浸食,各部の振動,騒音の発生等が発生します。

【解答】

(1)解答:ヘ
題意より,解答候補は(ヘ)飽和蒸気圧,(ト)速度水頭の\( \ 2\rho \mathit {g} \ \)倍,(チ)圧力水頭の\( \ \rho \mathit {g} \ \)倍になると思います。キャビテーションは飽和蒸気圧以下になると発生する現象です。

(2)解答:ハ
題意より,解答候補は(ロ)腐食,(ハ)壊食,(ニ)電食になると思います。キャビテーションが発生すると,キャビテーション発生場所に壊食が起こります。

(3)解答:ヨ
題意より,解答候補は(ワ)ランナ,(カ)ケーシング,(ヨ)吸出し管になると思います。キャビテーションが発生すると,吸出し管入口の水圧変動が著しくなります。ランナでは圧力変動ではなく浸食が発生します。

(4)解答:ホ
題意より,解答候補は(ホ)比速度,(リ)重量になると思います。キャビテーション防止策として効果的なのは,比速度を一定値以下にすることです。

(5)解答:ヌ
題意より,解答候補は(イ)間欠,(ヌ)部分負荷,(ル)出力固定になると思います。キャビテーション防止策として有効なのは,過度な部分負荷運転を避けることです。



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