フランシス水車の適用範囲

水車は流体機械におけるタービン機械の一種です。紀元前100年頃には、水車の原型である水車が誕生していました。当時の主な機能は、穀物加工や灌漑用の機械を駆動することでした。水車は、水の流れを動力源とする機械装置として、現在の水車へと発展し、その応用範囲も拡大してきました。では、現代の水車は主にどのような用途で使用されているのでしょうか？

水車は主に揚水発電所に用いられます。電力系統の負荷が基本負荷より低い場合、水車は揚水ポンプとして機能し、余剰発電能力を利用して下流貯水池から上流貯水池へ水を汲み上げ、位置エネルギーの形でエネルギーを蓄えます。一方、システム負荷が基本負荷より高い場合、水車として機能し、ピーク負荷を調整するために発電します。そのため、純粋な揚水発電所は電力系統の出力を増加させることはできませんが、火力発電ユニットの運転経済性を向上させ、電力系統全体の効率を向上させることができます。1950年代以降、揚水発電所は世界中で広く評価され、急速に発展してきました。

初期に開発された、あるいは高水頭の揚水発電ユニットは、主に三機式、すなわち発電モーター、水車、揚水ポンプを直列に連結した構造を採用しています。その利点は、水車と揚水ポンプが別々に設計されているため、高効率を実現できること、そして発電時と揚水時のユニットの回転方向が同一であるため、発電から揚水へ、あるいは揚水から発電へと迅速に切り替えられることです。同時に、タービンをユニットの起動に利用することもできます。欠点は、コストが高く、発電所への投資額が大きくなることです。

斜流ポンプ水車ランナの羽根は回転可能であり、水頭や負荷が変化しても良好な運転性能を維持します。しかし、水理特性と材料強度の制約により、1980年代初頭（日本の高原第一発電所）の最大水頭はわずか136.2mでした。より高い水頭を得るには、フランシスポンプ水車が必要となります。

揚水発電所は上部と下部の貯水池を備えています。同じエネルギーを貯蔵する条件では、落差を高くすると貯蔵容量が減り、ユニットの回転速度が上がり、プロジェクトコストが削減されます。そのため、300メートルを超える高落差エネルギー貯蔵発電所が急速に発展しています。世界で最も高い水頭を持つフランシスポンプ水車は、ユーゴスラビアのベイナバシュタ発電所に設置されています。その単機出力は315MW、水車水頭は600.3メートルです。ポンプの落差は623.1メートル、回転速度は428.6 R / minです。1977年に稼働しました。20世紀以降、水力発電ユニットは高パラメータと大容量に向けて発展してきました。電力システムの火力容量の増加と原子力の発展に伴い、合理的なピークシェービングの問題を解決するために、世界各国は主要な水系で大規模な発電所を積極的に開発または拡張するほか、揚水発電所を積極的に建設しています。そのため、ポンプ水車は急速に発展しました。

水流エネルギーを回転機械エネルギーに変換する動力機械である水車は、水車発電設備に不可欠な要素です。近年、環境保護の問題はますます深刻化しており、クリーンエネルギーを用いた発電方法である水力発電の適用と普及が進んでいます。様々な水力資源を最大限に活用するため、潮汐、落差の少ない平地河川、さらには波浪も広く注目を集めており、管状水車などの小型ユニットの急速な発展につながっています。