フランシス水車における負荷遮断時の水撃作用と設備対策
水力
第二種電気主任技術者 2023年度 電力・管理 問1
フランシス水車を設置した圧力トンネルを伴うダム水路式発電所において，負荷遮断を実施した際の水撃作用について，次の問に答えよ。
(1) この水撃作用の概要について，発生原因を含めて字程度以内で述べよ。
(2) 水撃作用による被害を避けるために，機械的強度の確保とは別に，旧来から採用されてきた設備対策を二つ挙げ，その設備の設置場所及び仕組みについて，設備毎に字程度以内で述べよ。
解説
本問は、反動水車の代表例であるフランシス水車において、系統事故等に伴う負荷遮断が発生した際に生じる水撃作用（ウォーターハンマー）のメカニズムと、それを緩和・防止するための設備対策を問う論述問題です。
【現象の物理的要点】
- 負荷遮断時の動作：発電機の回転速度異常上昇（過速度）を防ぐため、ガバナ（調速機）が指令を出し、案内羽根（ガイドベーン）を急速に全閉させます。
- 水撃作用の本質：管路内を高速で流れていた大量の水が急減速されることで、流水の運動エネルギーが圧力エネルギーへと変換され、管内に過大な圧力サージが発生・伝播します（ジュコフスキーの式：）。
- 対策設備の選定：機械的強度を過剰に上げるのではなく、水撃圧を吸収・抑制する旧来からの標準設備として「調圧水槽（サージタンク）」と「制圧機（減圧弁）」を答えます。
小問(1)：水撃作用の発生原因と概要
発電機が送電系統から切り離される（負荷遮断）と、発電機を駆動する機械的トルクが電気的トルクを大きく上回り、水車発電機が暴走（過回転）する恐れが生じます。これを防ぐため、調速機によりガイドベーン（案内羽根）が急閉塞されます。
しかし、水圧管路および導水路を満たして流れている水には大きな慣性があります。ガイドベーンが急激に流路を塞ぐと、水の運動が急停止させられ、流水の運動エネルギーが一瞬にして圧力エネルギーへと転換されます。
この結果、ガイドベーン直前で急激な水圧上昇が生じ、この圧力波が音速（管壁の弾性変形を伴う伝播速度 ）で管路内を上流へ向けて伝播・往復反射します。この一連の圧力激変現象を水撃作用と呼びます。
(1) 答案記述例（94字）：
負荷遮断に伴いガイドベーンが急閉塞すると、流水が急減速され運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。これにより直前の水圧が急上昇し、その圧力波が管路やトンネルを伝播・往復する現象。（94字）
小問(2)：水撃作用を抑制する旧来からの設備対策
水撃作用による管路破壊を防ぐためには、管壁を厚くするなどの機械的強度の確保以外に、圧力波の伝播を遮断・緩和する流体制御設備が必要です。
設備①：サージタンク（調圧水槽）
- 設置場所：導水路（圧力トンネル）と水圧管路の接続点付近に設けます。
- 仕組み：密閉管路の途中に大気へ開放された自由水面を設けることで、ガイドベーン側から逆流してくる水撃圧（圧力波）を水面で反射・解放します。余剰水を水位の上昇として水槽内に一時貯留することで、長い導水路側へ水撃圧が伝わるのを遮断します。
設備②：制圧機（圧力調整機）
- 設置場所：水車ケーシングまたは水圧管路の最下流端（水車入口直前）に設けます。
- 仕組み：ガイドベーンの急閉塞と機械的または油圧的に連動して直ちに弁体を開放し、水圧管路内の流水をバイパスさせて放水路へと逃がします。これにより管路内の急激な流量変化（減速度）を抑え、ピーク水圧を抑制した後、水撃が生じないよう弁を緩やかに閉鎖（徐閉）します。
(2) 答案記述例（各設備70字程度以内）：
①サージタンク：水圧管路と圧力トンネルの間に設置し、自由水面で水撃圧を吸収・反射して導水路への圧力伝播を防ぐ。（51字）
②制圧機：水車ケーシング近傍に設置し、ガイドベーン急閉と連動して弁を開き流水を逃がし、その後徐閉して圧力上昇を抑える。（57字）
まとめと学習のポイント
- ペルトン水車との相違：衝動水車であるペルトン水車では、ノズル急閉による水撃を防ぐために「デフレクタ」を用いて噴流をランナから逸らしますが、反動水車（フランシス水車等）では水がケーシング内に満ちているため、バイパス弁である「制圧機」が用いられます。
- サージタンクと制圧機の役割分担：
- サージタンク：主として上流側の長い導水路（圧力トンネル）を過大水圧から保護する。
- 制圧機：水車近傍・水圧管路末端の急峻な圧力ピークを直接カットする。