次の文章は,水車に関する記述である。水圧管の先端がノズルになっていると,有効落差は全て[ア]エネルギーとなり,水は噴流と…

電力 第2問

次の文章は,水車に関する記述である。水圧管の先端がノズルになっていると,有効落差は全て[ア]エネルギーとなり,水は噴流となって噴出し,ランナのバケットにあたってランナを回転させる。このような水の力で回転する水車を[イ]水車という。代表的なものとして[ウ]水車があり,[エ]で,流量の比較的少ない場所に用いられ,比速度は[オ]。上記の記述中の空白箇所(ア)~(オ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

正答 (5)
正答は (5)。 【空白(ア) 運動】 水圧管の先端をノズルに絞ると、圧力が下がるかわりに流速が上がり、有効落差に相当するエネルギーがすべて水の運動エネルギーに変わります。ノズルから出た噴流の速度v は、ベルヌーイの定理から  v = (2 × 重力加速度 × 有効落差) の平方根 で与えられます。ノズル出口では大気に開放されているので圧力エネルギーは残りません。よって(ア)を「圧力」「位置」としている(2)(3)(4)は外れます。 【空白(イ) 衝動】 噴流をバケットに当て、その勢い(運動量の変化)で回す水車を衝動水車といいます。これに対し、ランナ全体が水で満たされ、水の圧力の低下を利用して回す水車を反動水車といいます。反動水車には吸出し管が付き、衝動水車には付きません。
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【空白(ウ) ペルトン】 衝動水車の代表がペルトン水車です。ノズルから出た噴流が、二つに割れた形のバケットに当たり、水の向きを180度近く変えることで大きな力を得ます。出力の調整はニードル弁でノズルの開度を変えて行い、急に閉じると水撃作用が生じるため、デフレクタ(そらせ板)で噴流を一時的にそらす仕組みも備えます。フランシス水車とカプラン水車はいずれも反動水車ですから、 (2)(3)(4)はこの点でも外れます。 【空白(エ)(オ) 高落差・小さい】 ペルトン水車は、落差が大きく流量の少ない地点に向きます。落差が大きいほど噴流の速度が上がり、少ない水量でも出力が得られるからです。比速度(ある水車と幾何学的に相似な水車を、落差1メートル、出力1キロワットで運転したときの回転速度)は、ペルトン水車では小さく、おおむね12から25程度です。フランシス水車は50から350程度、プロペラ水車やカプラン水車はさらに大きい値になります。比速度が小さいということは、同じ落差では回転速度を上げられないことを意味し、高落差向きの水車ほど比速度が小さい、という対応になります。 【結論】 運動・衝動・ペルトン・高落差・小さい の組合せをもつ (5) が正答です。

出典:令和4年度下期第三種電気主任技術者 電力科目 問2(一般財団法人 電気技術者試験センター 公表)出典元ページ

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