第一種電工 令和3年度午後 問16｜電気の基礎理論

水車は、使える落差（水が落ちる高さ）によって種類が分かれます。ペルトン水車は、ノズルから勢いよく噴き出す水をバケット（おわん形の羽根）に当てて回す水車で、高い落差に向いています。フランシス水車は中くらいの落差、プロペラ水車は船のスクリューのような羽根に大量の水を通す水車で、低い落差に向いています。高い順に並べると「ペルトン→フランシス→プロペラ」です。正答はアです。

水車は、水の持つエネルギーの使い方で2つに分かれます。

①衝動水車：水の位置エネルギーをノズルで速度（運動エネルギー）に変え、噴流をランナに当てて回す。代表はペルトン水車。高落差・比較的少ない流量に向く。

②反動水車：水が圧力を持ったままランナの中を流れ、その反動で回す。フランシス水車・斜流水車・プロペラ水車（羽根の角度を変えられるものをカプラン水車という）がこれにあたる。

反動水車の中では、フランシス水車が中落差、プロペラ水車が低落差・大流量に向きます。したがって、適用落差の最大値が高い順は「ペルトン水車＞フランシス水車＞プロペラ水車」で、アです。

イはフランシスとプロペラの順が逆、ウ・エはペルトン水車を最も低い位置に置いているので誤りです。

本問は、水車の種類と適用落差の関係を問う知識問題です。

【落差と流量の関係】同じ出力を得るには、落差が高ければ流量は少なくてよく、落差が低ければ大量の水が必要です（出力 P＝9.8×Q×H×η［kW］、Qは流量［m³/s］、Hは有効落差［m］）。高落差・少流量にはノズルで水を絞って噴き付けるペルトン水車、低落差・大流量には流路の広いプロペラ水車が合います。

【比速度で整理する】水車の形を表す指標に比速度があります。比速度は、落差が低く流量が多い用途に向く水車ほど大きくなり、小さい順に「ペルトン水車＜フランシス水車＜斜流水車＜プロペラ水車」です。適用落差はこの逆順に高くなるので、本問の並びと一致します。

【各水車の特徴】

・ペルトン水車：衝動水車。ノズルのニードル弁で流量を調整する。高落差の発電所で使われる。

・フランシス水車：反動水車。ランナの外周から水が入り、軸方向に抜ける。適用できる落差の範囲が広く、多くの水力発電所で使われる。

・斜流水車：反動水車。水がランナを斜めに通る。フランシス水車とプロペラ水車の中間の落差に使われる。

・プロペラ水車：反動水車。水が軸方向に流れる。羽根の角度を負荷に応じて変えられるカプラン水車は、流量が変化しても効率が下がりにくい。

【覚え方】「ペ・フ・プ（ペルトン・フランシス・プロペラ）の順に落差が低くなる」と覚えると、並べ替えの問題にすぐ対応できます。