斜流水車

斜流水車（Diagonal Flow Water Turbine）

斜流水車は、水を水車軸に対して斜め方向から流入させる水車の総称です。水力発電所において、発電用水車として広く利用されています。特に、羽根の角度を調整できる可動羽根斜流水車、一般にデリア水車（Deriaz turbine）と呼ばれるものが主流です。

歴史

斜流水車の原型は、水車技術の発展過程においていくつか考案されましたが、フランシス水車やカプラン水車の普及に押され、実用化には至りませんでした。しかし、1950年代にイギリスのイングリッシュ・エレクトリック社のP・デリアが、ランナ先端に内蔵した回転サーボモータで羽根の角度を調整する新しい機構を開発しました。これにより、可動羽根斜流水車が誕生し、1957年にカナダのナイアガラ滝にある揚水発電所、サー・アダム・ベック水力発電所で初めて発電・揚水兼用のポンプ水車として導入されました。その後、発電専用の水車としても優れていることが認められ、1960年代から採用例が増加しました。

日本においては、1961年（昭和36年）3月2日に四国電力が名頃発電所（徳島県）で世界に先駆けて発電専用の斜流水車（1,350キロワット、東芝製）を採用しました。同年には東北電力も新大倉発電所（現・大倉発電所、宮城県）で斜流水車（5,500キロワット、日立製）を導入しました。さらに、1976年（昭和51年）には中部電力が馬瀬川第一発電所（岐阜県）に、当時世界最大となる一台あたり14万9,000キロワットの斜流ポンプ水車を2台設置しました。

設計

斜流水車は、有効落差40メートルから120メートルの範囲での設置に適しています。反動水車の一種で、水流の反動力を利用して回転します。性能的には、フランシス水車とプロペラ水車・カプラン水車の中間に位置し、高落差の場合はフランシス水車、低落差の場合はプロペラ・カプラン水車と比較されます。

フランシス水車は、ある特定の出力で最高の効率を発揮するように設計されています。そのため、最高効率点では斜流水車よりも優れていますが、出力変動時の効率低下が大きくなります。一方、カプラン水車は羽根の角度を調整することで出力変動による効率低下を抑えます。しかし、高落差での使用には羽根角度調整機構が大型化し、ランナ先端部分も大きくなるという欠点があります。デリア水車はカプラン水車よりも高い落差で、落差や使用水量の変動が大きい場所に適しています。

斜流水車は、主に可動羽根を持つデリア水車として製造されます。羽根の操作機構には、デリアが開発した回転サーボモータや、カプラン水車で使用される上下動サーボモータが用いられます。水圧管路から流入した水は、ランナ周囲を取り囲む渦巻ケーシングからランナへ流れます。渦巻ケーシングからの水の流出方向によって、斜流ケーシングと輻流ケーシングの二種類があります。斜流ケーシングは、軸に対し斜め方向に水が流出し、ランナ羽根に直接作用します。一方、輻流ケーシングはフランシス水車と同様に軸に対し垂直に水が流出し、ランナの手前で角度が斜めに反らされます。どちらの方式でも性能に大きな差はなく、設計とメンテナンスの容易さから輻流ケーシングが多く採用されています。

斜流水車では、ランナを通過する水の角度によって水車の比速度が決まります。水車軸に対するランナベーン中心軸の角度を斜流角といい、使用水量の多い場所ではこの値を大きくします。設計の容易さから、30度、45度、60度、70度がよく採用されます。カプラン水車はこの斜流角を90度としたものと見なすことができます。

参考文献

• - 水力機械工学便覧編集委員会編『水力機械工学便覧 改訂版』1968年9月、コロナ社発行。

関連項目

• - 水力

- 水力発電
- 潮力発電
- 水車発電機

• - タービン・水車

- 発電用水車
- 反動水車

• - フランシス水車
• - プロペラ水車

- カプラン水車

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