今回は令和6年度下期 電力科目 A問題3を解説します。汽力発電所の蒸気タービンについて、衝動タービンと反動タービンそれぞれの動作原理と適用圧力の空欄を補充する問題です。
切り分けは「どこで蒸気が膨張（圧力降下）するか」の一点。衝動タービンはノズルの中だけで膨張するので羽根の出入口の圧力は等しい。反動タービンはランナ（回転羽根）の中でも膨張し、その反動力も使います。水車のペルトン／フランシスと同じ発想です。
出題のポイント
令和6年度下期 電力科目 A問題3：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
電験3種 電力科目 【火力】 令和6年度下期 A問題3
次の文章は、汽力発電所における蒸気タービンの分類に関する記述である。衝動タービンは、高温・高圧の蒸気が羽根に衝突するときに生ずる衝動力によってランナを回転させるもので、タービンのノズルを通る間に蒸気の圧力が(ア)し、高速度となってノズルから噴出する。この噴出した蒸気を前面の羽根に衝突させることにより、ランナを回転させる。羽根を通過する蒸気の通路の断面積が一様であり、羽根の出入口の蒸気の圧力は(イ)。衝動タービンは蒸気の圧力が(ウ)のものに適する。
反動タービンは、衝動力と蒸気が回転羽根を離れるときの反動力を利用するもので、固定羽根で膨張させた蒸気を羽根に衝突させてランナを回転させるとともに、ランナの内部で蒸気を(エ)させ、排気するときの反動力を利用してランナを回転させる。反動タービンは、蒸気の圧力が(オ)のものに適する。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。
(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ) (1) 上昇 等しい 高圧 膨張 中低圧 (2) 上昇 異なる 中低圧 凝縮 高圧 (3) 上昇 等しい 中低圧 膨張 高圧 (4) 降下 異なる 中低圧 凝縮 高圧 (5) 降下 等しい 高圧 膨張 中低圧
ポイント解説：衝動＝ノズルだけで膨張（羽根の前後で圧力が等しい）／反動＝羽根の中でも膨張
(ア)(イ)(ウ)：衝動タービンでは、蒸気はノズルを通る間に圧力が降下し、その分だけ速度が上がって高速の噴流となって噴出する（圧力エネルギー→運動エネルギー）。膨張はノズルの中で終わっているので、羽根を通過する蒸気の通路の断面積は一様で、羽根の出入口の圧力は等しい。圧力降下を1段でまとめて取れるため、衝動タービンは蒸気の圧力が高圧の部分に適する。
(エ)(オ)：反動タービンでは、固定羽根で膨張させた蒸気を回転羽根に衝突させる衝動力に加え、ランナ（回転羽根）の内部でも蒸気を膨張させ、蒸気が羽根を離れて排気されるときの反動力も利用する。回転羽根の中でも膨張させるため段あたりの圧力降下は小さく、多段で使う。蒸気の比容積が大きくなる中低圧の部分に適する。よって(ア)降下・(イ)等しい・(ウ)高圧・(エ)膨張・(オ)中低圧で答えは(5)。
問題の解説
STEP1 (ア)(イ)
衝動タービンはノズル内で圧力が降下し高速噴流に。膨張はノズルで完了→羽根の出入口の圧力は等しい。
STEP2 (ウ)
1段で大きな圧力降下を取れるので衝動タービンは高圧部に適する。
STEP3 (エ)(オ)
反動タービンはランナ内部でも蒸気を膨張させ反動力を利用。段あたりの圧力降下は小さく中低圧部に適する→(5)。
答え：(5)
💡 覚え方
衝動タービン：ノズルだけで膨張（圧力降下）→高速噴流を羽根に当てる。羽根の通路断面積は一様、羽根の出入口の圧力は等しい。高圧部に適する。反動タービン：固定羽根で膨張＋ランナ内部でも膨張し、排気の反動力も利用。段あたりの圧力降下は小さく多段、中低圧部に適する。水車のペルトン（衝動）／フランシス（反動）と同じ考え方。実機は高圧側を衝動段・低圧側を反動段にした組合せが多い。
⚠️ よくある間違い
(ア)は「降下」——ノズルで圧力が下がるから速度が上がる（上昇ではない）。(イ)は「等しい」——衝動タービンは羽根の中で膨張しないのが定義。(エ)は「膨張」（凝縮ではない。凝縮するのは復水器）。(ウ)(オ)の高圧・中低圧を逆にしない：衝動＝高圧、反動＝中低圧。
まとめ
| (ア) | ノズル内で圧力が降下し高速噴流に |
| (イ) | 衝動タービンは羽根の出入口の圧力が等しい |
| (ウ) | 衝動タービンは高圧部に適する |
| (エ) | 反動タービンはランナ内部でも蒸気を膨張させる |
| (オ) | 反動タービンは中低圧部に適する→(5) |
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