水力発電機には様々な種類がありますが、今回は軸流式水力発電機について詳しくご紹介します。近年の軸流式水力発電機の応用は、主に高水頭化と大型化が進んでいます。国産の軸流水車の開発も急速に進んでいます。葛州壩水力発電所には2種類の軸流パドル水車が設置されており、そのうち1つはランナー径が11.3mで、これは世界でも同種の水車のランナー径の1つです。ここでは、中間軸流水車のメリットとデメリットをご紹介します。
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、エネルギー特性が優れているため、フランシス水車よりも単位回転速度と単位流量が高く、同じ落差と出力条件下では水車発電機ユニットの大幅な小型化、軽量化、材料消費量の削減が可能となり、高い経済効果が得られます。
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、製造上の要件を満たすのが容易です。軸流プロペラタービンのブレードは回転するため、平均効率はフランシス水車よりも高く、負荷や揚程が変化しても効率の変化はわずかです。
3. 軸流パドルタービンのランナーブレードは分解可能で、製造と輸送が容易です。
そのため、軸流水車は広い運転範囲で安定性を保ち、振動が少なく、効率と出力が高いという利点があります。低水頭域では、フランシス水車をほぼ代替するほどの性能を発揮します。近年、単機容量と水頭の面で大きな発展を遂げ、幅広い用途に使用されています。
3、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適用できません。
2. ユニット流量が大きく、ユニット速度も速いため、同じ水頭下ではフランシス水車よりも吸い込み高さが低くなり、掘削深度が大きくなり、発電所の基礎投資額が比較的高くなります。
軸流水の上記欠点を踏まえ、軸流水車の適用落差は、水車製造時に高強度、耐キャビテーション性の新材料を採用し、設計時に翼の応力条件を改善することにより、継続的に向上している。 現在、軸流プロペラ水車の適用落差範囲は3～90mで、フランシス水車の領域に入っている。 例えば、海外の軸流プロペラ水車の単機出力は181700kW、落差は88m、ランナー径は10.3mである。 中国で生産される軸流プロペラ水車の単機出力は175000kW、落差は78m、ランナー径は11.3mである。 軸流固定プロペラ水車は翼が固定されており、構造が簡単であるが、水位や負荷の変化が大きい水力発電所には適応できない。安定した水頭を持つ大規模水力発電所で、ベースロードまたは複数ユニットとして稼働している場合、季節的に電力が豊富な場合の経済性を比較検討することも可能です。適用水頭範囲は3～50mです。軸流プロペラ水車は一般的に垂直型装置を採用しており、その動作プロセスはフランシス水車と基本的に同じです。違いは、負荷変動時にガイドベーンの回転を制御するだけでなく、ランナーブレードの回転も制御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。水力発電機の中でも、フランシス水車は軸流水車とは大きく異なります。例えば、ランナの構造が異なります。フランシス水車の羽根は主軸とほぼ平行ですが、軸流水車の羽根は主軸に対してほぼ垂直です。
投稿日時: 2022年4月19日
