反動タービンは、水流の圧力を利用して水力エネルギーを機械エネルギーに変換する水力機械の一種です。
（１）構造 反動水車の主な構造部品には、ランナー、導水路室、導水機構、ドラフトチューブなどがあります。
1) ランナ。ランナは水車の構成要素であり、水流エネルギーを回転機械エネルギーに変換します。水力エネルギーの変換方向の違いにより、各種反動水車のランナ構造も異なります。フランシス水車ランナは、流線型のねじれ翼、ホイールクラウン、下輪で構成されています。軸流水車ランナは、翼、ランナ本体、吐出コーンなどの主要部品で構成されています。一方、斜流水車ランナの構造は複雑です。翼の配置角度は、作業条件に応じて変化し、ガイドベーンの開度と一致させることができます。翼の回転中心線は、水車軸に対して斜めの角度（45°～60°）を形成します。
2) 導水路室。導水路への水流を均一化し、エネルギー損失を低減して水車効率を向上させる役割を担う。水頭50m以上の大型・中型水車には、断面円形の金属製スパイラルケースが、水頭50m以下の水車には、断面台形コンクリート製のスパイラルケースが用いられることが多い。
3) 水案内機構。一般的には、一定数の流線型ガイドベーンとその回転機構がランナの外周に均一に配置されて構成されます。その機能は、水流をランナに均一に導き、ガイドベーンの開度を調整することで水車通過流量を変化させ、発電機の負荷要件を満たすことです。また、全閉時には水封の役割を果たします。
4) ドラフトチューブ。ランナー出口の水流には、利用されていないエネルギーが残っています。ドラフトチューブの機能は、このエネルギーを回収し、下流に排出することです。ドラフトチューブは、直円錐型と湾曲型に分けられます。前者はエネルギー係数が大きく、一般的に小型の横型水車や管状水車に適しています。後者は、水力性能は直円錐型ほど良くありませんが、掘削深さが浅く、大型・中型反動水車で広く使用されています。
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（２）分類 反動水車は、水車ランナーの軸面を通過する水の流れの方向によって、フランシス水車、斜水車、軸水車および管状水車に分けられる。
1) フランシス水車。フランシス水車（ラジアル軸流水車、またはフランシス水車）は、水がランナーの周囲を放射状に流れ、軸方向に流れる反動水車の一種です。このタイプの水車は、適用可能な落差範囲が広く（30～700m）、構造がシンプルで、容積が小さく、コストが低いという特徴があります。中国で稼働している最大のフランシス水車は、二潭水力発電所の水車で、定格出力は582MW、最大出力は621MWです。
2) 軸流水車。軸流水車は、水がランナの軸方向に出入りする反動水車の一種です。このタイプの水車は、固定プロペラ型（スクリュープロペラ型）と回転プロペラ型（カプラン型）に分けられます。前者のブレードは固定されており、後者のブレードは回転できます。軸流水の吐出量はフランシス水車より大きいです。ローター水車のブレード位置は負荷の変化に応じて変化できるため、負荷の変化範囲が広い場合に高い効率を発揮します。軸流水車のキャビテーション耐性と機械的強度はフランシス水車より悪く、構造も複雑です。現在、このタイプの水車の適用落差は80m以上に達しています。
3) 管状水車。このタイプの水車は、軸流からランナーへと軸方向に流れ、ランナー前後で回転しません。利用揚程範囲は3～20です。胴体高が小さく、水流条件が良好で、効率が高く、土木工事量が少なく、コストが低く、渦巻管や湾曲したドラフトチューブが不要などの利点があり、水頭が低いほどその利点は顕著になります。
発電機の接続と伝達方式により、管状タービンは全管状型と半管状型に分けられます。半管状型はさらにバルブ型、シャフト型、軸延長型に分けられ、軸延長型は傾斜軸型と水平軸型に分けられます。現在、最も広く使用されているのはバルブ管状型、軸延長型、軸型で、主に小型ユニットに使用されています。近年、シャフト型は大型および中型ユニットにも使用されています。
軸延長型管状ユニットの発電機は水路外に設置され、長い斜軸または水平軸を介して水車と接続されます。この軸延長型は、バルブ型よりも構造が単純です。
4) 斜流水車。斜流水車（ダイアゴナル水車とも呼ばれる）の構造とサイズは、フランシス水車と軸流水車の中間に位置します。主な違いは、ランナーブレードの中心線が水車の中心線に対して一定の角度をなしていることです。構造上の特性上、運転中に水車が沈下することがないため、ランナー室とブレードの衝突を防止するため、第2構造体に軸変位信号保護装置が設置されています。斜流水車の利用落差範囲は25～200mです。
現在、世界最大の斜落型水車単体定格出力は215MW（旧ソ連）、最高利用落差は136m（日本）である。
投稿日時: 2021年9月1日
