1 水力発電所の構成と水車 3 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 7
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