フランシス水車の適用範囲

水力タービンは、流体機械の一種であるタービン機械です。紀元前100年頃には、水力タービンの原型である水力タービンが誕生していました。当時、そ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。水力タービンは、水の流れによって駆動される機械装置として、現在の水力タービンへと発展し、その用途も拡大してきました。では、現代の水力タービンは主にどのような場所で使用されているのでしょうか？

水力タービンは主に揚水発電所で使用されます。電力系統の負荷が基本負荷より低い場合、余剰発電能力を利用して下流の貯水池から上流の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る揚水ポンプとして使用できます。系統負荷が基本負荷より高い場合、水力タービンとして発電し、ピーク負荷を調整できます。したがって、純粋な揚水発電所は電力系統の電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、揚水発電ユニットは世界中で広く評価され、急速に発展してきました。

初期に開発された揚水発電設備や高水頭の設備は、主に三機式を採用しており、発電機、水車、揚水ポンプが直列に接続されています。この方式の利点は、水車と揚水ポンプが別々に設計されているため効率が高く、発電時と揚水時の回転方向が同じであるため、発電から揚水、または揚水から発電への切り替えが迅速に行えることです。また、タービンは設備の始動にも使用できます。欠点は、コストが高く、発電所への投資額が大きいことです。

傾斜流ポンプ水車のランナーブレードは回転可能で、水頭や負荷が変動しても良好な運転性能を維持できる。しかし、水力特性と材料強度の制約により、1980年代初頭の最大水頭はわずか136.2m（日本の高原第一発電所）であった。より高い水頭が必要な場合は、フランシス水車が必要となる。

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場合、落差を大きくすると、貯蔵容量を減らし、ユニットの回転速度を上げ、プロジェクトコストを削減できます。そのため、落差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揚水タービンは、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。その単体出力は315MW、タービンの水頭は600.3メートルです。ポンプの落差は623.1m、回転速度は428.6回転/分です。1977年に運転を開始しました。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かって発展してきました。電力系統の火力容量の増加と原子力発電の発展に伴い、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発電所を積極的に開発または拡張することに加えて、揚水発電所を積極的に建設しています。そのため、揚水タービンは急速に発展してきた。

水流のエネルギーを回転機械エネルギーに変換する動力機械として、水車は水車発電機セットに欠かせない部品です。近年、環境保護の問題はますます深刻化しています。クリーンエネルギーを利用した発電方法である水力発電は、その利用と普及が拡大しています。さまざまな水力資源を最大限に活用するため、潮汐、落差の小さい平野河川、さらには波も広く注目を集めており、これが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。