水力タービン

水車は、水の 運動エネルギーと位置エネルギーを機械的な仕事に変換する回転機械です。

水車は19 世紀に開発され、電力網が整備される以前は産業用電力として広く使用されていました。現在では、主に発電に使用されています。水車は主にダムに設置され、水の位置エネルギーから電力を生成しています。

水車は何百年もの間、産業用動力として使用されてきました。水車の主な欠点はサイズが小さいため、利用できる流量と水頭が制限されることです。水車から現代のタービンへの移行には約 100 年かかりました。開発は産業革命の時代に行われ、科学的な原理と方法が使用されました。また、当時開発された新しい材料と製造方法も広範に使用されました。

タービンという言葉は、 19 世紀初頭にフランスの技術者クロード・バーダンによって導入され、ギリシャ語の「τύρβη」(「回転」または「渦」) に由来しています。初期の水力タービンと水車の主な違いは、回転するローターにエネルギーを伝達する水の渦巻き成分です。この運動成分が加わったことで、同じ出力の水車よりもタービンを小型化できました。タービンはより速く回転することでより多くの水を処理でき、より大きな落差を利用できました (後に、渦巻きを使用しない衝動タービンが開発されました)。

最も古い水車はローマ帝国に遡る。ほぼ同じデザインのらせん型水車が、現在のチュニジア、シェムトゥーとテストールで発見されており、その年代は3世紀後半から4世紀初頭のものである。斜めの羽根が付いた水平の水車が、水を満たした円形のシャフトの底に設置されていた。水車道の水は接線方向にピットに入り、渦巻く水柱を作り出し、完全に水没した水車を本物の水車のように機能させた。^[1]

ファウスト・ヴェランツィオは著書『新機械』 （1595年）の中で、フランシス水車に似たローターを備えた垂直軸水車について記述している。^[2]

ヨハン・ゼグナーは、 18世紀半ばにハンガリー王国で反作用水車（ゼグナー水車）を開発した。水平軸を持ち、現代の水車の先駆けとなった。これは非常に単純な機械で、今日でも小規模水力発電所で使用されている。ゼグナーはオイラーとともに、タービン設計の初期の数学理論のいくつかに取り組んだ。18世紀には、ロバート・バーカー博士が同様の反作用水車を開発し、講堂でのデモンストレーションとして人気を博した。^[3]このタイプのエンジンが発電に使用された唯一の現存例は、1851年に遡り、プエルトリコのポンセにあるハシエンダ・ブエナビスタで見つかっている。^[4]

1820 年、ジャン＝ヴィクトル・ポンスレは内向き流タービンを開発しました。

1826 年、ブノワ・フルネイロンは外向き流水車を開発しました。これは、一次元に曲がったブレードの付いたランナーに水を送る、効率の高い機械 (約 80%) でした。固定出口にも曲がったガイドがありました。

1844年、ユライア・A・ボイデンは、フルネイロン水車の性能を改良した外向き流水車を開発しました。そのランナーの形状はフランシス水車に似ていました。

1849 年、ジェームズ B. フランシスは内向き流反動タービンの効率を 90% 以上にまで向上させました。また、彼は高度なテストを実施し、水車設計の工学的手法を開発しました。フランシス水車は彼の名にちなんで名付けられた最初の近代的な水車です。現在でも世界で最も広く使用されている水車です。フランシス水車は、水がランナーの外周から中心に向かって流れることから、ラジアル フロー水車とも呼ばれています。

内向き流水車は機械的配置が優れており、現代の反動水車はすべてこの設計になっています。水が内向きに渦を巻くと、水は加速し、エネルギーをランナーに伝えます。水がタービンブレードを通過してエネルギーを失うと、水圧は大気圧、または場合によっては大気圧以下まで下がります。

1876年、ジョン・B・マコーミックはフランシスの設計を基に、ヘラクレスタービンの開発で最初の近代的な混流タービンを実証しました。ヘラクレスタービンは当初ホリヨーク機械会社によって製造され、その後ドイツと米国の技術者によって改良されました。^[5]この設計は、フランシス設計の内向き流の原理とジョンバルタービンの下向きの排出を効果的に組み合わせたもので、入口では内向きの流れ、ホイール本体を軸方向に通過し、出口ではわずかに外向きの流れになります。当初は低速で90％の効率で最適なパフォーマンスを発揮したこの設計は、その後数十年間に「ビクター」、「リスドン」、「サムソン」、「ニューアメリカン」などの名称で派生型で多くの改良が行われ、アメリカのタービンエンジニアリングの新しい時代を先導しました。^{[6] [7]}

水車、特にアメリカ大陸の水車は、ロバート・E・ホートンとクレメンス・ハーシェルによって米国初の近代的な水力実験室と評されたホリヨーク試験水路の設立によって、ほぼ標準化された。ハーシェルは、このうち一時期、同試験水路の主任技師を務めた。^{[8] [9]}マサチューセッツ州ホリヨークの水力実験室は、1872年にジェームズ・B・エマーソンによってローウェルの試験水路から最初に設立され、1880年以降、ハーシェルによって標準化された。ハーシェルは、この実験室を使用して、大流量を測定する最初の正確な手段であるベンチュリ計を開発し、異なる水車モデルによる水力発電効率を適切に測定した。^{[10] [11] [12]ヨーロッパの水文学者は特定の}堰の計算に懐疑的であったが、この施設により、1932年まで主要メーカー間で標準的な効率試験を行うことができた。その頃には、より近代的な施設や方法が普及していた。^{[13] [14] : 100}

1890 年頃に現代の流体軸受が発明され、現在では重い水車スピンドルを支えるために広く使用されています。2002 年現在、流体軸受の平均故障間隔は1300 年以上であるようです。

1913 年頃、ヴィクトル・カプランはプロペラ型の機械であるカプラン水車を発明しました。これはフランシス水車の進化形であり、低落差水力発電所の開発能力に革命をもたらしました。

19 世紀後半までの一般的な水力機械 (水車を含む) はすべて基本的に反動機械であり、水圧が機械に作用して仕事を生み出します。反動タービンは、エネルギーの伝達中に水を完全に封じ込める必要があります。

1866年、カリフォルニアの製粉工サミュエル・ナイトは、衝撃システムを新たなレベルに引き上げる機械を発明した。^{[15] [16]}金鉱の水力採掘で使用されていた高圧ジェットシステムにヒントを得て、ナイトは自由ジェットのエネルギーを捉え、高水頭（パイプまたは水圧管内の垂直方向の数百フィート）の水を運動エネルギーに変換するバケット付きホイールを開発した。これは衝撃タービンまたは接線タービンと呼ばれる。水の速度はバケットの周囲の速度の約2倍で、バケット内でUターンし、低速でランナーから落ちていく。

1879年、レスター・ペルトンはナイト水車の実験で、水を横に排出するペルトン水車（二重バケット設計）を開発した。これにより、水車の中心に向かって水を排出していたナイト水車のエネルギー損失が軽減された。1895年頃、ウィリアム・ドーブルはペルトンの半円筒形バケット形状を楕円形バケットに改良した。楕円形バケットにはジェットがきれいにバケットに進入できるように切り込みが入れられている。これがペルトン水車の現代的な形で、今日では最大92%の効率を達成している。ペルトンは自身の設計を非常に効果的に推進し、ドーブルがペルトン会社を引き継いだ後も、ブランド名の認知度があったため社名をドーブルに変更しなかった。

ターゴタービンとクロスフロータービンは、後に衝動型設計になりました。

流れる水はタービン ランナーのブレードに向けられ、ブレードに力が生じます。ランナーは回転しているため、力は距離を通じて作用します (距離を通じて作用する力が 仕事の定義です)。このようにして、エネルギーが水の流れからタービンに伝達されます。

水車は反動水車と衝動水車の 2 つのグループに分けられます。

水車ブレードの正確な形状は、水の供給圧力と選択されたインペラの種類によって決まります。

反動タービンは水によって作動します。水はタービン内を移動してエネルギーを放出するため、圧力が変化します。反動タービンは水圧 (または吸引力) を封じ込めるためにケースに入れられるか、完全に水流に浸かっている必要があります。

ニュートンの第 3 法則は、反動タービンのエネルギー伝達を説明します。

使用されている水車のほとんどは反動タービンであり、低落差（<30 mまたは100フィート）および中落差（30〜300 mまたは100〜1,000フィート）の用途で使用されています。反動タービンでは、固定翼と可動翼の両方で圧力降下が発生します。主にダムや大規模発電所で使用されています。

インパルス タービンは、水ジェットの速度を変えます。ジェットはタービンの湾曲したブレードを押し、流れの方向を変えます。その結果生じる運動量の変化 (インパルス) により、タービン ブレードに力が加わります。タービンは回転しているため、力は距離 (仕事) にわたって作用し、方向転換された水流はエネルギーが減少したままになります。インパルス タービンでは、ローター ブレード上を流れる流体の圧力は一定で、仕事の出力はすべて流体の運動エネルギーの変化によって生じます。

水圧（位置エネルギー）は、タービンブレードに当たる前にノズルによって運動エネルギーに変換され、タービンに集中します。タービンブレードでは圧力変化は発生せず、タービンは動作のためにハウジングを必要としません。

ニュートンの第 2 法則は、衝動タービンのエネルギー伝達を説明します。

衝動タービンは、非常に高い（> 300 m/1000 フィート）水頭アプリケーションでよく使用されます。

ストリームで利用できる 電力は次のとおりです。

${\displaystyle P=\eta \cdot \rho \cdot g\cdot h\cdot {\dot {q}}}$

どこ：

• ${\displaystyle P=}$ 電力（J/sまたはワット）
• ${\displaystyle \eta =}$ タービン効率
• ${\displaystyle \rho =}$ 流体の密度（kg/m ³）
• ${\displaystyle g=}$ 重力加速度（9.81 m/s ²）
• ${\displaystyle h=}$ ヘッド（m）。静水の場合、これは入口面と出口面の高さの差です。流水の場合は、流れの運動エネルギーを考慮して追加の要素が加えられます。合計ヘッドは、圧力ヘッドと速度ヘッドの合計に等しくなります。
• ${\displaystyle {\dot {q}}}$= 流量 (m ³ /s)

一部の水車は揚水発電用に設計されています。オフピーク電力時間帯には逆流してポンプ^{[1]として動作し、高い貯水池を満たし、ピーク電力需要時には水車に戻って発電します。このタイプの水車は通常、}デリアス水車またはフランシス水車として設計されています。

このタイプのシステムは、カナリア諸島の1つであるエル・イエロ島で使用されています。「風力発電が需要を上回った場合、余剰エネルギーは火山円錐の底にある下部貯水池から海抜700メートルの火山の頂上にある上部貯水池に水を汲み上げます。下部貯水池には15万立方メートルの水を蓄えます。蓄えられた水はバッテリーとして機能します。最大貯蔵容量は270MWhです。需要が増加し、風力が十分でない場合は、水は合計11MWの容量を持つ4つの水力発電タービンに放出されます。」^{[17] [18]}

現代の大型水力タービンは、90% を超える 機械効率で稼働します。

• VLHタービン
• フランシス水車
• カプラン水車
• タイソンタービン
• デリアズタービン
• ゴルロフヘリカルタービン

• 水車
• ペルトン水車
• ターゴタービン
• クロスフロータービン（バンキ・ミッチェルタービン、オスベルガータービンとも呼ばれる）
• ジョンバルタービン
• 逆オーバーシュート水車
• スクリュータービン
• バルクタービン

タービンの選択は、利用可能な水頭に基づいて行われ、利用可能な流量はそれほど重要ではありません。一般的に、高水頭の場所で衝動タービンが使用され、低水頭の場所で反動タービンが使用されます。ブレードピッチを調整できるカプラン水車は、幅広い流量範囲でピーク効率を達成できるため、幅広い流量または水頭条件に適しています。

小型タービン (ほとんどが 10 MW 未満) は水平軸を持つ場合があり、100 MW 程度までのかなり大型のバルブ型タービンでも水平軸の場合があります。非常に大型のフランシスおよびカプラン マシンは、通常、垂直軸を持ちます。これは、利用可能なヘッドを最大限に活用し、発電機の設置をより経済的にするためです。ペルトン水車は、 マシンのサイズが利用可能なヘッドよりはるかに小さいため、垂直軸マシンまたは水平軸マシンのどちらかになります。一部の衝動タービンは、ランナーごとに複数のジェットを使用してシャフトの推力をバランスさせます。これにより、より小さなタービン ランナーを使用することもできるため、コストと機械的損失を削減できます。

タービンの比速度は、サイズとは関係なくタービンの形状を特徴づけます。これにより、性能がわかっている既存の設計から新しいタービンの設計をスケールすることができます。比速度は、特定の水力発電所を適切なタービン タイプと一致させるための主な基準でもあります。比速度とは、単位揚程で特定の流量 Q に対してタービンが回転する速度であり、これにより単位電力を生成できます。 ${\displaystyle n_{s}}$

類似性の法則により、モデル テストに基づいてタービンの出力を予測できます。直径約 1 フィート (0.3 m) の提案された設計のミニチュア レプリカをテストし、実験室での測定結果を高い信頼性で最終アプリケーションに適用できます。類似性の法則は、テスト モデルとアプリケーション間の類似性を要求することによって導き出されます。

タービンを通る流れは、大型バルブまたはタービン ランナーの外側に配置されたウィケット ゲートによって制御されます。ゲートの開度をさまざまな値に設定して、差圧と流量をプロットすると、さまざまな条件でのタービンの効率を示すヒル ダイアグラムが作成されます。

水車の 暴走速度とは、全流量で軸負荷がないときの速度です。水車はこの速度の機械的力に耐えられるよう設​​計されます。暴走速度定格は製造元から提供されます。

18 世紀半ばから、水車の速度を制御するためにさまざまな設計の調速機が使用されてきました。水車の速度制御の最初の 100 年間は、さまざまなフライボールシステム、つまり第 1 世代の調速機が使用されました。初期のフライボール システムでは、スプリングで対抗されたフライボール コンポーネントがタービンのバルブまたはウィケット ゲートに直接作用して、タービンに入る水の量を制御しました。機械式調速機を使用した新しいシステムは、1880 年頃に開始されました。初期の機械式調速機は、タービンの速度を使用してフライボールを駆動し、タービンの電力を使用して制御機構を駆動する一連のギアで構成されるサーボ機構です。機械式調速機は、ギアの使用と動的動作を通じて、電力増幅が強化され続けました。1930 年までに、機械式調速機には、正確な制御のためにフィードバック システムで設定できる多くのパラメーターがありました。20 世紀後半には、電子式調速機とデジタル システムが機械式調速機に取って代わり始めました。電子調速機（第二世代調速機とも呼ばれる）では、フライボールは回転速度センサーに置き換えられましたが、制御は依然としてアナログシステムによって行われていました。第三世代調速機とも呼ばれる現代のシステムでは、調速機のコンピューターにプログラムされたアルゴリズムによってデジタル的に制御が行われます。 ^[20]

ウィケットゲート、またはガイドベーンは、水車の周囲にゲート（またはベーン）のリングを配置したもので、水車に入る水の流れを制御します。ゲート間の開口部を変えることで水車の回転速度を制御し、それによって発電量を調整します。^[21]

水車のタービンブレードは常に水と動的な力にさらされているため、高い耐食性と強度が必要です。水車の炭素鋼ランナーのオーバーレイに使用される最も一般的な材料は、膜の安定性を高めて耐水性腐食性を向上させるために17％〜20％のクロムを含むオーステナイト鋼合金です。これらの鋼合金のクロム含有量は、ある程度の大気腐食耐性を示すために必要な最小12％のクロムを超えています。鋼合金のクロム濃度が高いほど、タービンブレードの寿命が大幅に長くなります。現在、ブレードは、オーステナイトステンレス鋼と比較して2倍の強度を持つマルテンサイト系ステンレス鋼で作られています。 ^[22]耐食性と強度とともに、溶接性と密度はタービンブレードの材料選択の重要な基準です。溶接性が高ければ、修理がより簡単で高品質になります。密度が低いと、回転が容易になり、効率が向上します。カプラン水車ブレードに最もよく使用される材料はステンレス鋼合金（SS）です。マルテンサイト系ステンレス鋼合金は強度が高く、標準的な炭素鋼よりも薄い断面を可能にします。質量が減ることで、水力学的流れの状態と水車の効率が向上します。^{[22] SS（13Cr-4Ni）は、}レーザーピーニングプロセスにより、あらゆる攻撃角度で耐侵食性が向上することが示されています。^[23]侵食はブレードの水力学的プロファイルに悪影響を及ぼし、回転の相対的な容易さを低下させるため、高効率を維持するためには侵食を最小限に抑えることが重要です。^[24]

タービンは、主要部品のメンテナンスをほとんど行わずに数十年にわたって稼働するように設計されており、オーバーホール間隔は数年単位です。水にさらされるランナーと部品のメンテナンスには、摩耗した部品の取り外し、検査、修理が含まれます。

通常の摩耗には、キャビテーションによる孔食、疲労亀裂、水中の浮遊物質による摩耗などがある。鋼鉄部品は、通常はステンレス鋼棒を使用して溶接によって修理される。損傷した部分は切断または研磨され、元の状態または改善された形状に溶接される。古いタービンランナーは、耐用年数の終わりまでに、このようにして大量のステンレス鋼が追加されることがある。最高品質の修理を実現するために、精巧な溶接手順が使用されることがある。^[25]

オーバーホール中に検査と修理が必要となるその他の要素には、ベアリング、パッキングボックスとシャフトスリーブ、サーボモーター、ベアリングと発電機コイルの冷却システム、シールリング、ウィケットゲートのリンケージ要素、およびすべての表面が含まれます。^[26]

水力タービンは、水にほとんど変化をもたらさないため、一般的にクリーンな発電装置と考えられています。水力タービンは再生可能エネルギー源を使用し、数十年にわたって稼働するように設計されています。水力タービンは、世界の電力供給のかなりの部分を生産しています。

水力タービンの悪影響は、その運転に通常必要なダムに関係することが多い。ダムは川の自然生態系を変え、魚を死滅させたり、回遊を止めたり、生活を混乱させたりする可能性もある。ダムはまた、水の蒸発の増加（特に乾燥地域）、ダム後方の沈泥の堆積、 ^[明確化]、水温や流れのパターンの変化など、目に見えないが潜在的に深刻な影響も引き起こす。米国では、魚の回遊を妨げることは現在違法であるため、サケやシロチョウザメなどの種のための魚道はダム建設者が提供しなければならない。^[要出典]

• アルキメデスのねじ
• カーボンオフセットとクレジット
• 炭素税
• 水力発電

• Donners, K.; Waelkens, M.; Deckers, J. (2002)、「サガラッソス地域の水車: 消えゆく古代の技術」、アナトリア研究、第 52 巻、アンカラ英国研究所、pp. 1–17、doi :10.2307/3643076、JSTOR  3643076、S2CID  163811541
• ロバート・サケット、保存専門家、PRSHPO（1990 年原案）。アーリーン・パボン、認証官および州歴史保存責任者、州歴史保存事務所、サンファン、プエルトリコ。1994 年 9 月 9 日。国家歴史登録財登録フォーム - ハシエンダ・ブエナビスタ。ワシントン DC：米国内務省、国立公園局。
• Wikander, Örjan (2000)、「水車」、Wikander, Örjan (編)、『古代水技術ハンドブック、歴史における技術と変化』第 2 巻、ライデン: Brill、pp. 371–400、ISBN 90-04-11123-9
• ウィルソン、アンドリュー（1995）「北アフリカの水力と水平水車の発達」ローマ考古学ジャーナル、第8巻、pp.499-510

ウィキメディア・コモンズには、水力タービンに関連するメディアがあります。

• タービン数学入門
• 欧州連合出版物、一般向け水力発電ハンドブック、12 MB pdf
• 「水力反動タービンの選択」、米国開拓局刊行物、48 MB pdf、Wayback Machineで 2006-09-27 にアーカイブ
• 「油圧機械研究所」、ローザンヌ（スイス）
• DoradoVista、小水力発電情報