水車の種類と運転操作

水車は、水の持つエネルギーを回転運動に変換して発電機を駆動する原動機である。水力発電所では、有効落差と使用水量によって水車の種類が選ばれ、その種類が発電所の構造、運転方法及び保守の内容を左右する。水車の種類とその運転操作を正しく区別することは、電気主任技術者試験の水力発電分野における基本的な論点である。

水車の分類の基準

水車は、水のエネルギーの取り出し方によって衝動水車と反動水車に大別される。衝動水車は、ノズルから噴出した水の運動エネルギーを羽根に与えて回転させる水車であり、羽根の入口と出口で水の圧力が変わらない。これに対して反動水車は、水が羽根の間を通過する間に圧力と速度の両方のエネルギーを羽根に与える水車であり、羽根の入口と出口の間に圧力差が生じる。両者はエネルギーの取り出し方が異なるため、区別しなければならない。

水車の種類を選ぶ際には、使用落差が主要な指標になる。一般に高落差では衝動水車が、中落差から低落差では反動水車が用いられる。この対応は、水車の比速度によって説明される。比速度は、回転速度と出力の平方根に比例し、落差の五分の四乗に反比例する量であり、次の式で表される。

n_s = n × √P ÷ H^(5/4)

ここで、n_sは比速度、nは回転速度、Pは出力、Hは有効落差である。落差が大きい水車ほど比速度が小さい水車が適するため、高落差の発電所には比速度の小さい衝動水車が選ばれる。

各水車の構造と運転特性

ペルトン水車は衝動水車の代表であり、高落差の発電所に用いられる。ノズルの内部に設けられたニードルを前後に動かして噴射流量を加減し、これにより出力と回転速度を調整する。ペルトン水車では、噴流が大気中で羽根に当たるため、ケーシング内に水圧はかからない。

フランシス水車は反動水車の代表であり、中落差の発電所に用いられる。水は渦巻ケーシングから流入し、ガイドベーンによって流れの方向を整えられてランナに入る。流れがランナ内で半径方向から軸方向へ変わるため、フランシス水車は混流水車とも呼ばれる。