《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

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

【解答】

解答:(5)
(ア)
ワンポイント解説「1.衝動水車」の通り,水圧管の先端がノズルとなっている構造から衝動水車であることがわかるため,運動エネルギーとなります。

(イ)
ワンポイント解説「1.衝動水車」の通り,問題文の内容は衝動水車の説明そのものとなっています。

(ウ)
ワンポイント解説「1.衝動水車」の通り,代表的な衝動水車はペルトン水車となります。

(エ)
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,ペルトン水車は高落差の水力発電所に使用されます。

(オ)
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,ペルトン水車の比速度は小さいです。