#2020/09/17 縦割りが生じるくらい、『行政機関』はたくさん分かれていたりします。

水車

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この用語のポイント

・水の落差から生まれる圧力や運動によって、羽根車を回す機構だよ

簡単にいうと…

水車とは

 水の位置エネルギーから生じる、圧力エネルギー+運動エネルギーを利用して、羽根車(タービン)を回し、回転運動エネルギーを得る

という技術個体です。

現代では、主に発電機の動力源です。

詳しくいうと…

 

水車の基本原理

左図は、19世紀以降の近代水車がダム発電に用いられるケースの模式図です。

ダムの貯水が、ダムふもとの発電所建屋へと流れています。

水車はこの建屋の中に設置され、パイプの水流を受けてくるくる回転します。

 

 

その回転運動エネルギーを発電機に伝えることで、発電でき、いまわたしたちが過ごしている日常の電気が供給されているわけです。

発電用途になったのは主に19世紀以降で、それまで水車は揚水や、製粉・脱穀・製糸などの動力源として世界中で広く用いられてきました。
ダム以外でも、落差のある水流であれば規模の大小問わずどこでも利用されます。たとえば河川、農業用水路、上下水道管ビル内の循環水や工業用水などです。

 

では、この模式図でいったい何が起きているのか、さらに見てみましょう。

 

まず、ダム表面の貯水は高い位置にあるため、位置エネルギー(以下、エネルギー=E)を備えています。

この位置Eは、パイプを通ってダムふもと(低所)の発電所へ降りてゆく際、減少しますが、その減少分だけ、水に働く圧力E運動Eが増大します。

圧力Eは、水流背後に控えるダムの何十トンという重さに圧される力です。

運動Eとは、その結果、水が移動する際に働く力です。

水車の羽根車を回転させるのは、この圧力Eと運動Eです。

流体において、位置E・圧力E・運動Eがつねに一定になる、という自然法則については以下記事も参照ください:
ベルヌーイの定理
ベルヌーイの定理は、流体の速度・圧力・位置エネルギーの総和が、一定になることを示す自然法則だよ

 

水車の種類

水車の羽根車を回転させる力が、主に圧力Eなのか、運動Eなのかに応じて、水車のタイプにはバリエーションが存在します。いろいろな水車を見てゆきましょう。

 

①重力水車

重力水車はもっとも古典的なタイプの水車です。河川や用水路のような、重力の働きだけで流れる自然の水流に設置されます。

この自然水流には、ダムには適いませんが、圧力E運動Eもほどほどに備わっています。

水流を羽根車のどの位置に当てるかに応じて、上掛け水車、下掛け水車などの下位タイプがあります。

 

②反動水車

反動水車は、主に圧力Eによって、パイプと連結した外殻(ケーシング)内に浸かった羽根車を水圧で回転させるタイプです。

羽根車のブレード形状や、特注品か既製ポンプ製品かなどに応じて、フランシス水車プロペラ水車ポンプ逆転水車などのタイプがあります。

なかでも、フランシス水車は反動水車の代表格です。

 

 

③衝動水車

衝動水車は、水流の運動E速度Eを主に利用して羽根車を回転させるタイプです。

落下した水流をノズル形状の狭い経口に通すことで、速度が増し、この高速の水流噴射で羽根車を回転させます。

羽根車とノズルとの位置関係などに応じて、ペルトン水車ターゴインパルス水車含む)やクロスフロー水車などのタイプがあります。

なかでも、ペルトン水車は衝動水車の代表格です。

 

水車の発電効率

こうした水車は、今日ではほとんどが発電用途です。

この水車の発電効率は、次の式でだいたい示されます:

 

 発電出力 = 水の流量 × 落差 × 係数(9.8) × 水車の発電効率

 

つまり、たくさん水が流れるほど、また、高落差であればあるほど、発電量が大きくなることがわかります。

 

 

・水車は、水の落差の位置Eから生まれる圧力E・運動Eを利用することで、羽根車を回転させる機構だよ
・開放型水車、反動水車、衝動水車のタイプがあるよ
 

さらに知りたいなら…

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水力発電所の写真などが多用されており、一部水車含め水力発電全般についてイメージを持ちやすい1冊です。

水車に興味あるけど、水理学理論まではまだちょっと……という方向けです。

 水車の歴史―西欧の工業化と水力利用(2012年)
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水車は人類史のなかで大きな役目を果たしつづけてきました。

そうした歴史の観点から、人間と水車との歴史に興味のある方向けの1冊です。目次はこちらのサイトをご覧ください。

 

つまり…

水車とは

 水の位置エネルギーから生じる、圧力エネルギー+運動エネルギーを利用して、羽根車(タービン)を回し、回転運動エネルギーを得る

技術個体というわけです。

 

さいきんは小水力発電用途で、比較的規模の小さな水車設備が普及しつつあるのぅ。

歴史のツボっぽくいうと…

紀元前2世紀頃 小アジアで動力機関としての開放型水車が発明されたといわれる。

中世以降 ヨーロッパで開放型水車が劇的に普及する。

     製粉用途のほか、工業用動力としても用いられはじめる。

1848年 フランスの技術者ジェームズ B.フランシスがフランシス水車を設計する。

1851年 イギリスの技術者ジョン・アポ―ドルが遠心ポンプを開発する。

1880年 アメリカの技師レスター・アラン・ペルトンが

     ペルトン水車の特許を取得する。

1903年 オーストリアの工学者アンソニー・ミシェルが

     クロスフロー水車の特許を取得する。

1912年 オーストリアの技術者ヴィクトル・カプランが、

    羽根の角度を調節できるプロペラ水車の特許を取得する。

 

<参考文献>(2018/12/08 visited)

水車 - Wikipedia
発電用水車 - Wikipedia
水力発電の設備① 〜水車の種類〜 : 電車線屋による電験一種への挑戦
キーワード:衝動水車、ノズル、バケット、ランナ、ニードル弁、デフレクタ、反動水車、ガイドベーン、吸出し管難易度:★★☆☆☆(三種レベル) 水車の種類 以前説明したように、
https://www.pref.kumamoto.jp/common/UploadFileOutput.ashx?c_id=3&id=22280&sub_id=1&flid=144545

http://www.city.itoigawa.lg.jp/secure/16567/suiryoku_h2.pdf

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