《電力》〈水力〉[R4下:問2]水力発電所で使用される水車の特徴に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，水車に関する記述である。

水圧管の先端がノズルになっていると，有効落差は全て\( \ \fbox {　（ア）　} \ \)エネルギーとなり，水は噴流となって噴出し，ランナのバケットにあたってランナを回転させる。このような水の力で回転する水車を\( \ \fbox {　（イ）　} \ \)水車という。

代表的なものとして\( \ \fbox {　（ウ）　} \ \)水車があり，\( \ \fbox {　（エ）　} \ \)で，流量の比較的少ない場所に用いられ，比速度は\( \ \fbox {　（オ）　} \ \)。

上記の記述中の空白箇所(ア)～(オ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
\[
\begin{array}{cccccc}
& （ア） & （イ） & （ウ） & （エ） & （オ） \\
\hline
(1) & 　運動　 & 　衝動　 & 　ペルトン　 & 　高落差　 & 　大きい　 \\
\hline
(2) & 　圧力　 & 　反動　 & 　フランシス　 & 　低落差　 & 　大きい　 \\
\hline
(3) & 　位置　 & 　反動　 & 　カプラン　 & 　高落差　 & 　大きい　 \\
\hline
(4) & 　圧力　 & 　衝動　 & 　フランシス　 & 　低落差　 & 　小さい　 \\
\hline
(5) & 　運動　 & 　衝動　 & 　ペルトン　 & 　高落差　 & 　小さい　 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

水力発電に使用される水車の特徴に関する問題です。
（エ）と（オ）の空欄がなければ比較的正答率が高くなりそうですが，この二つが正答率を下げているかなという印象の問題です。
以前は点取り問題であったような分野ですが，近年は少しずつ難易度が上がってきている印象があります。

1.衝動水車
水のもつ位置エネルギー（位置水頭）を運動エネルギー（速度水頭）に変え，流水をランナに作用させる水車を衝動水車と言います。
代表的なものにペルトン水車があり，下図に示すように主にノズル，ニードル，ランナ等から構成され，ノズルから水を噴射し，ランナを回転させます。水量は主にニードルで調整します。

出典：長野県ＨＰ

2.反動水車
水のもつ位置エネルギー（位置水頭）を圧力エネルギー（圧力水頭）に変換し，ランナに作用させる水車を反動水車と言います。
代表的なものにフランシス水車があり，下図のようにガイドベーンとランナの羽根の開度で出力を調整します。他にもランナを通過する流水の方向が斜めのものを斜流水車（ランナを可動式としたものをデリア水車），流水がランナの軸方向に通過するものをプロペラ水車（ランナを可動式としたものをカプラン水車）と言います。高落差のものからフランシス水車→斜流水車→プロペラ水車となります。
また，出口部に吸出し管というラッパ状の管を設け，ランナ出口から放水面までの位置エネルギーを有効利用します。

出典：長野県ＨＰ

3.各水車の落差と比速度の関係
各水車の落差と比速度の関係は下表の通りとなり，一般に高落差の物ほど比速度は小さくなります。
\[
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
& 落差 \ \mathrm {[m]} & 比速度 \ \mathrm {[m\cdot kW]} \\
\hline
ペルトン水車 & 　150 ～ 800　 & 　小　 \\
\hline
フランシス水車 & 　40 ～ 500　 & 　小～中　 \\
\hline
{\displaystyle 斜流水車}\atop {\displaystyle （デリア水車）} & 　40 ～ 180　 & 　中～大　 \\
\hline
{\displaystyle プロペラ水車}\atop {\displaystyle （カプラン水車）} & 　5 ～ 80　 & 　中～大　 \\
\hline
\end{array}
\]