軸流タービンの概要と利点

水力発電機には多くの種類があります。今日は、軸流式水力発電機について詳しく紹介しましょう。近年の軸流式水力発電機の用途は、主に高落差・大型化の開発です。国内の軸流タービンの開発も急速に進んでいます。建設された葛洲壩水力発電所には2種類の軸流式パドルタービンが設置されており、そのうち1つはランナー直径が11.3mで、これは世界の同種のタービンのランナー直径に匹敵します。ここでは、中型軸流タービンの長所と短所を紹介します。

軸流タービンの利点
フランシス水車と比較して、軸流水車には以下のような主な利点があります。
1. 比速度が高く、エネルギー特性に優れている。そのため、単位速度と単位流量はフランシス水車よりも高い。同じ落差と出力条件の下では、水力タービン発電機ユニットのサイズを大幅に縮小でき、ユニットの重量を軽減し、材料消費量を削減できるため、高い経済効果が得られる。
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、製造上の要求を満たしやすい。軸流プロペラタービンのブレードは回転できるため、平均効率はフランシス水車よりも高い。負荷や落差が変化しても、効率の変化は小さい。
3. 軸流式パドルタービンのランナーブレードは、製造や輸送を容易にするために分解できる。

そのため、軸流タービン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。低水頭域では、フランシス水車をほぼ完全に置き換えるほどである。近年、単体容量と水頭の面で大きな発展を遂げ、幅広い用途で利用されている。

3．軸流タービンの欠点
しかし、軸流タービンには欠点もあり、適用範囲が制限される。主な欠点は以下のとおりである。
1. 羽根の数が少なく、片持ち式であるため、強度が弱く、中落差および高落差の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が高いため、同じ水頭条件下ではフランシス水車よりも吸込高さが小さくなり、その結果、掘削深度が大きくなり、発電所基礎への投資額が比較的高くなります。

軸流タービンの上記の欠点により、タービン製造において高強度かつ耐キャビテーション性を備えた新素材を採用し、設計においてブレードの応力状態を改善することにより、軸流タービンの適用ヘッドが継続的に改善されています。現在、軸流プロペラタービンの適用ヘッド範囲は3～90mで、フランシス水車の領域に入っています。例えば、海外の軸流プロペラタービンの単機の出力は181700kW、ヘッドは88m、ランナー直径は10.3mです。中国で生産されている軸流プロペラタービンの単機の出力は175000kW、ヘッドは78m、ランナー直径は11.3mです。軸流固定プロペラタービンは固定ブレードで構造が単純ですが、水頭や負荷の変動が大きい水力発電所には適応できません。水頭が安定していてベースロードまたは複数ユニットとして機能する大規模水力発電所では、季節的な電力が豊富な場合に経済比較を行った上で検討することもできます。適用可能な水頭範囲は3～50mです。軸流プロペラ水車は一般的に垂直装置を採用しており、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、負荷が変化すると、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して高効率を維持するという違いがあります。

以前にもフランシス水車についてご紹介しました。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、ランナーの構造形状が異なります。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とほぼ垂直です。