水車の種類
水車の方式には、速度水頭を利用する衝動水車、圧力水頭を利用する反動水車がある
| 方式 | 種類 |
|---|---|
| 衝動水車 | ペルトン水車、クロスフロー水車 |
| 反動水車 | フランシス水車、プロペラ水車、斜流水車 |
衝動水車
圧力水頭を速度水頭に変えた流れをランナに作用させる構造の水車。
水圧管の先端をノズルにし、ノズルから流出した水を上図のランナに作用させる。
ペルトン
衝動水車＝ペルトンである。（他にもあるが、試験出題率低いのでこの認識でOK）
主に200m以上の高落差で、比較的流量の少ない場合に用いられる。
ポイント
ランナ：
水車の回転部分
バケット：
水を受けやすくするため、お椀のような形をしている。ノズルから出たジェットの衝撃力をディスクに伝える。
デフレクタ：
ノズルとランナの間に設けられる。ランナにジェットが当たらないように水の方向を変えて、回転速度を低減させる。負荷急減時にランナの速度上昇と水圧管路の水圧上昇を制限する
水撃作用とデフレクタ
負荷急減時、水量の減少が遅れると回転速度が急上昇する。
このとき、ニードル弁をいきなり閉じると水撃作用が発生する危険性がある。
この対策として、デフレクタを使って、ランナにジェットが当たらないように水の方向を変えて回転速度の急上昇を抑える、その後にニードル弁をゆっくり閉じることで水圧の上昇を抑える。
ニードル弁の動きは下図の通り
反動水車
圧力水頭を持つ流水をランナに作用させる構造の水車。
ペルトン水車以外のほぼ全てが反動水車
フランシス水車
流水がランナの外周から流入し、ランナ内で軸方向に向きを変えて流出する
下図のように回転軸に対して直角に、渦型のケーシングから水が流れ込む
50~500mの中落差から高落差に適し、広い落差範囲で使用される
ポイント
ケーシング：
渦型形状で入口からの流水を内周部に均等にガイドベーンに導く
ガイドベーン：
流水に適当な方向を与え、ランナに入る水量を調整する
負荷減少時はガイドベーンで流水水量を調整し、回転速度を一定に保つ（ペルトン水車でいうニードル弁の役割）
吸い出し管：
ランナ出口からの流水を放水路入口に導く接続管
管内を充満して流れる水の重さによりランナ出口の圧力を大気圧以下にし位置エネルギーを有効利用する
斜流水車
流水を水車軸を斜め方向に通過する
一般には羽根の角度を調整できる可動羽根斜流水車、いわゆるデリア水車が用いられる。
50~200mの中落差に用いられる。
ポイント
・各部位の役割は他の水車と同じ
・斜流水車のうち、ガイドベーンの開度と関連させて自動的にランナベーンの開き角度を超世できるものをデリア水車と呼ぶ
・デリア水車は負荷の大小によって、ガイドベーンの開度と連携させて自動的にランナベーン開き開度を調整することで高効率運転が可能
軸流水車（プロペラ水車）
流水がランナを軸方向に通過する
プロペラ水車のうち、羽の角度を調整できるものをカプラン水車という
80m以下の低落差に用いられる
ポイント
・水車入口周辺に渦巻き状のケーシングを持つ
・軸流水車のうち、ガイドベーンの開度と関連させて自動的にランナベーンの開き角度を超世できるものをカプラン水車と呼ぶ
・デリア水車同様、部分負荷で高効率運転が可能
まとめ
| 水車種類 | 適用落差 | 特徴 |
|---|---|---|
| ペルトン | 200m以上の高落差 | ・水圧管の先端をノズルにし、ノズルから流出した水を上図のランナに作用させる。 ・負荷急減時にはデフレクタを使用してランナにジェットが当たらないように方向を変え、回転速度を低減させる。これによりランナの速度上昇と水圧管路の水圧上昇を制限し、水撃作用を抑制する |
| フランシス | 50~500mの中落差から高落差 | ・流水がランナの外周から流入し、ランナ内で軸方向に向きを変えて流出する ・負荷減少時はガイドベーンで流水水量を調整し、回転速度を一定に保つ |
| 斜流水車 | 50~200mの中落差 | ・流水を水車軸を斜め方向に通過 ・斜流水車のうち、ガイドベーンの開度と関連させて自動的にランナベーンの開き角度を超世できるものをデリア水車と呼ぶ |
| 軸流水車 | 80m以下の低落さ | ・流水がランナを軸方向に通過する ・軸流水車のうち、ガイドベーンの開度と関連させて自動的にランナベーンの開き角度を超世できるものをカプラン水車と呼ぶ |
