カプラン水車

カプラン水車とは

カプラン水車は、プロペラのような形状の羽根車（ランナ）を持つ水車の一種で、特に羽根の角度を調整できる点が特徴です。1913年にオーストリアの技術者ヴィクトル・カプランによって発明されました。この水車は、水力発電の分野において、低い落差でも効率的に発電できる画期的な技術として、世界中で広く利用されています。

歴史

カプランは1912年に羽根の角度を調整できるプロペラ水車の特許を取得しました。しかし、実用化にはその後10年ほどの時間を要しました。カプラン自身も、水車に発生するキャビテーションという問題に悩まされ、1922年に健康上の理由から研究活動を終えることになります。

実用化への道は、1919年にチェコのポジェブラディ市で実演用のカプラン水車が設置されたことから始まり、1922年にはドイツのフォイト社が1,100馬力（約800kW）のカプラン水車を採用。1925年にはスウェーデンのリッラ・エーデット市で8,000kWの水車が稼働を開始し、商業的成功を収めました。

理論

カプラン水車は反動水車の一種で、水が内側に向かって流れる力を利用します。このとき、水の運動エネルギーが水車の回転エネルギーに変換されます。カプラン水車は、放射状と軸状の特性を併せ持った設計が特徴で、水が渦巻き状に流入しランナを回転させます。

水車の出口には、吸出管（ドラフト）が接続されており、水流を減速させながら運動エネルギーを回収します。吸出管が水で満たされていれば、水車の設置位置が水面よりも多少高くても問題ありません。しかし、設置位置が高すぎると、吸出管内の圧力が低下し、キャビテーションが発生する危険性があります。

カプラン水車はガイドベーンと水車羽根の形状を調整できるため、効率的な運転が可能です。一般的に、効率は90%以上ですが、低水頭用のものではこの値を下回る場合があります。現在では、数値流体力学を駆使した研究により、効率の向上や水生生物の保護にも力が注がれています。

また、水車の羽根は油圧ベアリングで回転するため、油の漏れを防ぎ、河川への流出を防ぐための設計も重要です。

各部名称

ケーシング（渦形室）: 水をランナに導く渦巻き状の水管
ランナ: プロペラ状の羽根車
ガイドベーン（案内羽根）: 水の流れを調整する羽根
吸出管（ドラフト）: 水車出口に接続された、水流を減速させる管

適用

カプラン水車は、低落差で水量の多い水力発電所での利用に最適です。わずか60cmの落差でも利用できる小型の製品も開発されています。大型のカプラン水車は、発電所の仕様に合わせて設計・製造され、高い効率で長期間の運転が可能です。

しかし、ある程度の有効落差を超えると、羽根を調整する機構が大型化し、水抵抗が大きくなってエネルギー損失につながるため、可動羽根斜流水車（デリア水車）が採用される場合があります。

種類

カプラン水車には、いくつかの種類があります。

プロペラ水車: 羽根の角度が固定されたタイプで、小規模な発電所で利用されます。
バルブ水車、チューブラ水車: 水管に設置されるカプラン水車で、水車のランナ、発電機、ガイドベーンが球形のハウジングに収められています。
ピット水車: ギアボックス付きのチューブラ水車で、より小規模な水管や発電機に適用されます。
Straflo水車: 水車のランナと直結した中空の発電機が水路の外周に設置されています。
タイソン水車: 河川に設置されるプロペラ水車で、河床に固定されているか、ボートに取り付けられています。

関連項目

水力
水力発電
潮力[[発電]]
水車発電機
タービン
発電用水車
反動水車
フランシス[[水車]]
斜流水車
プロペラ
スクリュー
* ヴィクトル・カプラン

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