I 水力発電所の構成と水車

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水力発電所の構成と水車
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水力発電所の構成と水車
1.1　水力発電所の構成
しゅすいこう
⑴　水路式発電所
取 水口
取水口から取り入れた水を比較的長い水路で水槽に導
き，水圧管を通して水車に水を供給して発電する方式であ
る．
河川に流れる水を発電用の
水路に導く設備で，異物の混
入防止や水量の調整を行う
水路
取水口から水槽にいたるま
取水口
取水
ダム
発電所
水路
水
圧
管
放水路
沈砂池 水槽
放水口
第 1 図　水路式発電所
でを水路と呼ぶ．
ちんしゃ ち
沈 砂池
水路の一部で，土砂を沈殿
させるために流速をゆるやか
にした部分である．
水そう
水圧管の入り口に位置し，
水車の負荷の急変に応じて，
⑵　ダム式発電所
ダムで河川をせき止め，これで落差を得て発電する方式
である．
使用水量の調整を行う．
水圧管
水槽から水車までの間の圧
力管である．水圧鉄管と呼ぶ
こともある．
貯水池
ダム
発電所
第 2 図　ダム式発電所
⑶　ダム水路式発電所
ダムを設け，相当な長さの水路で水を導いて落差を作り
発電する方式である．
4　水力発電
貯水池
水路
ダム
サージタンク
発電所
サージタンク
圧力水路と水圧管の連結点
に設けられる．
水撃作用を防止するクッシ
ョンとして働く．
第 3 図　ダム水路式発電所
1.2　水車
水車は水の持っているエネルギーを回転エネルギーに変
換し，軸につながれた発電機を回転させる装置である．
動作原理から衝動水車と反動水車に大別される．
⑴　衝動水車
ノズルから噴射する水を羽根（バケット）に当てて回転
させる方式の水車で，水流の向きと水車の回転方向が同じ
になる．この原理に基づく水車にペルトン水車がある．
①　ペルトン水車
ノズルから噴射する水を羽根（バケット）に当てて回転
させる．ノズルの内部にニードル弁があり，それを前後に
動かして水量を調節する．
ノズルとバケットの間にデフレクタがある．負荷が急変
したときには水がバケットに当たらない位置に移動し，そ
の間にニードル弁を徐々に閉じて，水車の回転速度の上昇
と水圧管内の圧力上昇を防止している．
取水塔
サージタンク
貯水池
圧力水路
水
圧
管
水撃作用
水力発電所で，負荷の急激
な変化に応じて水車に送る水
量を急に少なくするときなど
に生じる現象である．
管の中を水が流れていると
き，管の端にある弁を急に閉
じると，水の運動エネルギー
が圧力のエネルギーになり，
管路内に過渡的な圧力上昇を
生じる．この現象を水撃作用
といい，流速の変化が大きい
ほど，水圧管の長さが長いほ
ど，水車入口弁を閉鎖する時
間が短いほど大きくなる．
水撃作用の軽減策
水撃作用を軽減するには次
の方法がある．
①　サージタンクを設置する．
②　ペルトン水車では，デフ
レクタを使用し，徐々にニ
ードル弁を閉じる．
③　反動水車では，水車のケ
ーシングから排水して圧力
上昇を抑える制圧機を設け
る．
ランナ
ディスク
ニードル弁
軸
5
負荷急減のとき
デフレクタ 通常の
ニードル弁 とき
バケット
ノズル
水力発電所の構成と水車
水
ノズル
バケット
第 4 図　ペルトン水車
⑵　反動水車
ジェット機はガスを後方に噴射し，その反動で前進す
る．これと同様に流水をランナに流入させ，流水を放水す
る反動を使って回転する方式の水車で，水流の向きと水車
の回転方向が逆になる．この原理に基づく水車に，フラン
シス水車，斜流水車，プロペラ水車などがある．
①　フランシス水車
ランナ
うず
水圧管からの流水は渦巻きケーシングに充満し，可動構
造の案内羽根（ガイドベーン）で流量が調整されて，ラン
ナに流入する．水はランナの外周から入って中心部に集ま
り，ランナ直下の吸出し管から放水路に放流される．
ランナには多数のランナ羽根（ランナベーン）があり，
この羽根の中を流水が通過するときの反動でランナが回転
する．ランナ羽根は固定されているため，部分負荷時の効
率の低下が著しい．
案内羽根
全閉
主軸 ケーシング
ランナ羽根
吸出し管
キャビテーション
空洞現象とも呼ばれる．流
水中に局部的に圧力の低い箇
所ができると，水中に含まれ
ている空気が分離されて気泡
となる現象である．
キャビテーションは，次の
影響を及ぼす．
①　水車効率が低下する．
②　圧力の高いところで押し
つぶされて，その衝撃でラ
全開
ンナ，ガイドベーン，ラン
案内羽根
（可動）
ランナ羽根 回転方向
（固定）
第 5 図　フランシス水車
水車の回転子をランナという．
ナベーン，バケットなどに
壊食を生じる．
③　振動や騒音を生じる．
6　水力発電
②　斜流水車（デリア水車）
キャビテーションの防止対策
ランナに対してケーシングが斜め上にあるタイプで，流
水がランナの軸に斜め方向に通過する．
一般にランナ羽根が可動構造になっており，部分負荷時
の効率は良い．
①　水車の比速度をあまり大
きくしない．
②　吸出し高さをなるべく低
くする．
③　吸出し管の上部に適量の
空気を入れる．
案内羽根（可動）
④　過度の部分負荷運転や過
負荷運転を避ける．
⑤　ランナ羽根，バケットな
どの表面をなめらかにする．
ランナ羽根（可動）
吸出し管
⑥　壊食が生じやすい部位に
は，ステンレスなどの壊食
が起こりにくい材料を使用
第 6 図　斜流水車
③　プロペラ水車
ランナに 4〜8 枚のプロペラ羽根を有する反動水車であ
る．斜流水車と同様に，流量に応じてランナ羽根の角度を
変えることができるプロペラ水車をカプラン水車という．
案内羽根（可動）
ランナ羽根（可動）
吸出し管
第 7 図　カプラン水車
1.3　反動水車の吸出し管
吸出し管は水車のランナ出口と放水面をつなぐ管で，水
をその中に充満させて流し，吸出し管頂部を大気圧以下の
負圧力として，この間の落差を有効に利用するものである．
する
発電機
主軸
入口弁
水圧管
吸出し管
水車
排水弁
第 8 図　吸出し管
水力発電所の構成と水車
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