カプラン水車発電機の簡単な紹介

水力発電機には多くの種類がありますが、今日は軸流水力発電機について詳しく紹介します。近年の軸流水車発電機の応用は、主に高落差・大型化が進んでいます。国内の軸流水車は急速に発展しており、葛州壩水力発電所に設置されている2基の軸流パドル型水車は既に建設済みです。そのうち1基は直径11.3メートルで、現在世界最大です。ここでは、軸流水車の長所と短所をご紹介します。

軸流タービンの利点
フランシス水車と比較して、軸流水車には主に次の利点があります。
1. 比速度が高く、エネルギー特性が良好です。そのため、フランシス水車よりも単位回転速度と単位流量が高く、同じ水頭と出力条件下では、タービン発電機ユニットのサイズを大幅に小型化し、ユニット重量を軽減し、材料消費量を削減できるため、経済的です。
2. 軸流タービンのランナーブレードの表面形状と表面粗さは、製造上の要件を容易に満たすことができます。軸流回転パドルタービンのブレードは回転するため、平均効率は斜流タービンよりも高く、負荷や水頭が変化しても効率はそれほど変化しません。
3. 軸流パドルタービンのランナーブレードは分解可能なので、製造や輸送に便利です。
そのため、軸流水車はより広い運転範囲で安定性を維持し、振動が少なく、効率と出力も高くなります。低落差域では、フランシス水車をほぼ置き換えています。近年、単機出力と水頭利用の両面で大きな発展を遂げ、その応用範囲も非常に広くなっています。

軸流タービンの欠点
しかしながら、軸流タービンにも欠点があり、その適用範囲は限られています。主な欠点は以下のとおりです。
1. 羽根枚数が少なく、片持ち式のため強度が悪く、中・高落差水力発電所には使用できません。
2. ユニット流量が大きく、ユニット回転速度も速いため、同じ落差条件ではフランシス水車よりも吸い込み高さが低くなり、発電所の基礎の掘削深さが大きくなり、投資額も比較的高くなります。

軸流タービンの上記欠点を踏まえ、タービン製造においては高強度の耐キャビテーション新材料を採用し、設計においては翼の力を向上させることで、軸流タービンの適用落差を継続的に向上させている。現在、軸流パドルタービンの適用落差は3～90mで、フランシスタービンの領域に入っている。例えば、海外の軸流パドルタービンの単体最大出力は181,700kW、最大水頭は88m、ランナー径は10.3mである。我が国で生産される軸流パドルタービンの単体最大出力は175,000kW、最大水頭は78m、最大ランナー径は11.3mである。軸流固定プロペラタービンは固定翼で構造が簡単だが、水頭や負荷の変化が大きい水力発電所には適応できない。安定した水頭を有し、ベースロードまたは複数ユニットの大規模発電所として機能します。季節的な電力が豊富な場合、経済性の比較も可能であり、検討可能です。適用可能な水頭範囲は3～50mです。軸流パドル水車は一般的に垂直方向の装置を使用します。その動作プロセスは基本的にフランシス水車と同じですが、違いは、負荷が変動したときにガイドベーンの回転を調整するだけでなく、ランナーブレードの回転も調整することで高効率を維持することです。

以前、フランシス水車についてもご紹介しました。タービン発電機の中でも、フランシス水車と軸流水車には大きな違いがあります。例えば、ランナーの構造が異なります。フランシス水車のブレードは主軸とほぼ平行ですが、軸流水車は主軸に対してほぼ垂直です。