《電力》〈水力〉[H22:問5]水力発電所で使用されるプロペラ水車に関する空欄穴埋問題

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，プロペラ水車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語句を解答群の中から選びなさい。

プロペラ水車は\( \ \fbox {　 （１） 　} \ \)に属し，流水がランナの\( \ \fbox {　 （２） 　} \ \)に通過する水車である。そのランナ羽根には固定構造のものと可動構造のものがある。可動構造で縦軸形のものを\( \ \fbox {　 （３） 　} \ \)といい現在一般に広く採用されている。

\( \ \fbox {　 （３） 　} \ \)は比較的\( \ \fbox {　 （４） 　} \ \)の水車に適し，主な特徴としては，次のとおりである。

a.比速度を大きくとれるので，水車，発電機が小形になる。

b.羽根の角度を自動的に変えるので，部分負荷での\( \ \fbox {　 （５） 　} \ \)が少ない。

c.羽根を単独に取り外せるため，保守・点検が容易となる。

d.羽根の間隔が広いので，流水に混入した異物による障害が少ない。

〔問5の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　高落差・大容量　　　　　　　&（ロ）&　カプラン水車　　　　　　　&（ハ）&　半径方向 \\[ 5pt ] &（ニ）&　軸方向　　　　　&（ホ）&　騒　音　　　　　&（ヘ）&　フランシス水車 \\[ 5pt ] &（ト）&　効率低下　　　　　&（チ）&　反動水車　　　　　&（リ）&　斜流水車 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　振　動　　　　&（ル）&　ペルトン水車　　　　　&（ヲ）&　低落差・大容量 \\[ 5pt ] &（ワ）&　高落差・小容量　　　　　&（カ）&　軸斜め方向　　　　&（ヨ）&　衝動水車 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

水力発電所の水車のうち，プロペラ水車に関する問題です。
ペルトン水車やフランシス水車ではなくプロペラ水車を出題する所が\( \ 2 \ \)種らしいとも言えますが，それでも多くの受験生が分類を理解し完答できたのではないかと思います。

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。
\[
\begin{array}{|c|c|c|}
\hline
& 落差 \ \mathrm {[m]} & 比速度 \ \mathrm {[m\cdot kW]} \\
\hline
ペルトン水車 & 　150 ～ 800　 & 　小　 \\
\hline
フランシス水車 & 　40 ～ 500　 & 　小～中　 \\
\hline
{\displaystyle 斜流水車}\atop {\displaystyle （デリア水車）} & 　40 ～ 180　 & 　中～大　 \\
\hline
{\displaystyle プロペラ水車}\atop {\displaystyle （カプラン水車）} & 　5 ～ 80　 & 　中～大　 \\
\hline
\end{array}
\]

【解答】

(1)解答：チ
題意より解答候補は，（ロ）カプラン水車，（ヘ）フランシス水車，（チ）反動水車，（リ）斜流水車，（ル）ペルトン水車，（ヨ）衝動水車，になると思います。
ワンポイント解説「1.衝動水車」及び「2.反動水車」の通り，水車は大きく分けて衝動水車と反動水車に分けられますが，プロペラ水車は反動水車に属する水車となります。

(2)解答：ニ
題意より解答候補は，（ハ）半径方向，（ニ）軸方向，（カ）軸斜め方向，になると思います。
ワンポイント解説「2.反動水車」の通り，プロペラ水車はランナの軸方向に通過する水車となります。

(3)解答：ロ
題意より解答候補は，（ロ）カプラン水車，（ヘ）フランシス水車，（リ）斜流水車，（ル）ペルトン水車，になると思います。
ワンポイント解説「2.反動水車」の通り，プロペラ水車のうち可動構造で縦軸形のものをカプラン水車といいます。

(4)解答：ヲ
題意より解答候補は，（イ）高落差・大容量，（ヲ）低落差・大容量，（ワ）高落差・小容量，になると思います。
ワンポイント解説「3.各水車の落差と比速度の関係」の通り，プロペラ水車は比較的低落差・大容量のものが適するとされています。

(5)解答：ト
題意より解答候補は，（ホ）騒音，（ト）効率低下，（ヌ）振動，になると思います。
羽根が可動構造の水車は，羽根の角度を調整することで一般に部分負荷での効率低下が小さいという特徴があります。