《電力》〈水力〉[R01:問1]水車発電機に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★★★☆(やや難しい)

次の文章は,水車発電機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べ。

\( \ 10 \ \mathrm {MV\cdot A} \ \)を超える大形の水車発電機(揚水発電機を除く)には,一般的に\( \ \fbox {  (1)  } \ \)が用いられる。水車発電機は,その回転子軸の方向により立軸機と横軸機に分類される。立軸機は,同容量で比べた場合,床面積が少なくて済み,かつ,\( \ \fbox {  (2)  } \ \)をより有効に利用できる。また,構造上,大形機に適している。

発電機は,固定子と回転子からなり,回転子には\( \ \fbox {  (3)  } \ \),リムを介して磁極が取り付けられ,磁極から出る磁束が固定子の電機子巻線を横切ることによって電圧が誘起される。また,\( \ \mathrm {N} \ \)極と\( \ \mathrm {S} \ \)極を一対とした極対数により,水車発電機の同期速度が定まる。

一般的に発電機の冷却は空気により行う。冷却方式の一つである\( \ \fbox {  (4)  } \ \)は,発電機を水冷された空気により冷却し,これを循環させるものである。空気の循環の方法としては,回転子に取り付けられた冷却用通風翼及び回転子の通風効果による自己通風方式が一般的であるが,揚水発電機など大容量のものについては,鉄心長が長くなるので,中心部まで均等な通風冷却を行うために,別置の電動ファンによる強制通風方式や\( \ \fbox {  (5)  } \ \)による自然通風方式が用いられる。

〔問1の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&(イ)& スパイダ     &(ロ)& ダブテイル     &(ハ)& 閉鎖風洞方式 \\[ 5pt ] &(ニ)& 開放方式     &(ホ)& 巻線形誘導発電機     &(ヘ)& 流水量 \\[ 5pt ] &(ト)& リムダクト     &(チ)& 慣性力     &(リ)& フレーム \\[ 5pt ] &(ヌ)& 円筒形同期発電機     &(ル)& ディスク     &(ヲ)& 出口管通風方式 \\[ 5pt ] &(ワ)& 落差     &(カ)& フレームダクト     &(ヨ)& 突極形同期発電機 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

水車発電機の特徴に関する問題です。(3)はかなり専門性の強い内容なので,解けなくても仕方ないと思います。(1),(2)等確実に得点できるものを得点するようにしましょう。

1.水車発電機とタービン発電機の比較
水車は回転数を速くするとキャビテーション等により騒音や振動の発生の問題があるため,回転数を過大にし過ぎないことが重要であること,蒸気タービンは発電機の経済性から考えてできるだけ軽量かつコンパクトにできるよう回転数を大きくするように設計されています。形状や極数はこの理由により決定されます。
\[
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
& 水車発電機 & タービン発電機 \\
\hline
回転速度 & \displaystyle 低速度 \atop \displaystyle 300~750 \ \mathrm {min^{-1}} & \displaystyle 高速度 \atop \displaystyle 1500~3600 \ \mathrm {min^{-1}} \\
\hline
極数 & 8~20 & 2~4 \\
\hline
磁極の形状 & 突極形 & 円筒形 \\
\hline
回転軸 & 立軸形 & 横軸形 \\
\hline
冷却方式 & 空気冷却 & 水素冷却 \\
\hline
\end{array}
\]

2.水車発電機の冷却方式
①開放方式
風洞を設けず,発電機の周り全周を排気口としたもので,空気の流れを持った風洞ではなく,開放されたような自然冷却を基本とした方式です。小水力の小型発電機のみで採用される方式です。

②出口管通風方式
出口管通風方式は,風洞を設けて外気から空気を取り込み,外気へ排出する空気の経路を一定の流れとする通風方式です。小水力から最大でも\( \ 20 \ 000 \ \mathrm {[kW]} \ \)程度の中容量の発電機にて採用される方式です。

③閉鎖風洞方式
閉鎖した空間内に発電機を置き,空気を循環させて冷却する方式です。空気冷却器で熱交換し冷却した空気を再利用します。騒音も小さく,冷却能力が高いですが,設備費用が高いため,中容量~大容量に採用される方式です。

【解答】

(1)解答:ヨ
題意より,解答候補は(ホ)巻線形誘導発電機,(ヌ)円筒形同期発電機,(ヨ)突極形同期発電機となると思います。ワンポイント解説「1.水車発電機とタービン発電機の比較」水力発電所で主に採用されるのは(ヨ)突極形同期発電機となります。

(2)解答:ワ
題意より,解答候補は(ヘ)流水量,(チ)慣性力,(ワ)落差となると思います。立軸は上から落下してくる水のエネルギーを有効に利用することができます。

(3)解答:イ
題意より,解答候補は(イ)スパイダ,(ロ)ダブテイル,(ル)ディスクとなると思います。回転子はスパイダ及びリムを介して磁極が取り付けられています。

(4)解答:ハ
題意より,解答候補は(ハ)閉鎖風洞方式,(ニ)開放方式,(ヲ)出口管通風方式となると思います。ワンポイント解説「2.水車発電機の冷却方式」の通り,発電機を水冷された空気により冷却し,これを循環させるものは閉鎖風洞方式となります。

(5)解答:ト
題意より,解答候補は(ト)リムダクト,(リ)フレーム,(カ)フレームダクトとなると思います。自然通風方式に利用されるのはリムダクトとなります。



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