火力42【電験3種電力】タービン発電機は高速・円筒形・直径小・軸方向に長い！平成24年度 A問題2 完全解説

2026年7月17日2026年8月9日

電験3種電力科目火力平成24年度 A問題2 なぜ細長い形なのか？タービン発電機の構造

今回は平成24年度電力科目 A問題2を解説します。汽力発電所のタービン発電機について、回転速度・要求される強度・回転子の構造・直径と軸方向の寸法を、水車発電機と比較しながら埋める空欄補充問題です。

論理は一本道です。回転速度が高い→遠心力（機械的強度）→円筒形で直径を小さく→そのままでは出力が足りないので軸方向に長く。因果でつながっているので、最初の「高く」さえ取れれば全部つながります。

平成24年度電力科目 A問題2：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種電力科目火力平成24年度 A問題2 問題文 — 平成24年度電力科目 A問題2 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「平成24年度第三種電気主任技術者試験」電力科目 A問題2

電験3種電力科目【火力】平成24年度 A問題2

　次の文章は、汽力発電所のタービン発電機の特徴に関する記述である。汽力発電所のタービン発電機は、水車発電機に比べ回転速度が(ア)なるため、(イ)強度を要求されることから、回転子の構造は(ウ)にし、水車発電機よりも直径を(エ)しなければならない。このため、水車発電機と同出力を得るためには軸方向に(オ)することが必要となる。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、最も適切なものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ)
(1) 高く熱的突極形小さく長く
(2) 低く熱的円筒形大きく短く
(3) 高く機械的円筒形小さく長く
(4) 低く機械的円筒形大きく短く
(5) 高く機械的突極形小さく長く

	(ア)	(イ)	(ウ)	(エ)	(オ)
(1)	高く	熱的	突極形	小さく	長く
(2)	低く	熱的	円筒形	大きく	短く
(3)	高く	機械的	円筒形	小さく	長く
(4)	低く	機械的	円筒形	大きく	短く
(5)	高く	機械的	突極形	小さく	長く

答え正解は (3)——(ア)高く　(イ)機械的　(ウ)円筒形　(エ)小さく　(オ)長く です。

高速回転が形を決める

タービン発電機は毎分3,000回転——この速さが、すべての形を決めています。

回転体に働く遠心力

\( F=m r\omega^2 \)

半径 r に比例、角速度 ω の2乗に比例

\( \omega=\dfrac{2\pi\times 3000}{60}=314\ [\mathrm{rad/s}] \)

3,000 min⁻¹ の角速度

\( a=r\omega^2=0.5\times 314^2=49\,300\ [\mathrm{m/s^2}] \)

半径0.5 m の位置の加速度
★重力の5,000倍

重力の5,000倍もの力が、外向きにかかります——1 kg の部品が5トンで引っ張られるのと同じです。

だから直径を小さくするしかない——遠心力は半径に比例するからです。

そして出っ張りのある突極形では、その部分が飛んでしまいます——一体の円筒形にするのが答えになります。

直径を小さくした分、軸方向に長くする

同じ出力を得るには、それだけの体積が要ります——太くできないなら長くするしかありません。

	★タービン発電機	水車発電機
回転速度	★3,000／3,600 min^-1	100〜1,200 min^-1
極数	★2極・4極	多極
回転子	★円筒形（一体鍛造）	突極形
直径	★1 m 程度と小さい	大きい
軸長	★長い（細長い）	短い（扁平）
軸	★横軸	立軸が多い

細長い形になるので横軸——立てると自重で曲がってしまうからです。

長くすることにも限界がある

軸が長くなると、たわみやすくなります——回転中に共振する回転速度（危険速度）が下がるのです。

定格回転速度が危険速度と重なってはいけません——激しい振動で軸が壊れるからです。

だから長さにも限界があり、そこが容量の上限を決めます——大容量機では4極にして1,500 min^-1 にすることで直径を大きく取れるようにしています。

冷却も高速回転が理由

細長い形は、表面積が小さく熱がこもります——空気では冷やしきれません。

冷却方式	適用容量	理由
空気冷却	小容量	構造が簡単
★水素冷却	★中〜大容量	★熱伝導がよく風損が小さい
水冷却	超大容量	導体の中に水を通す

水素は空気の7分の1の密度——高速で回る回転子の風損が大幅に減ります。

しかも熱伝導率は空気の7倍——冷却能力も高いことになります。高速機だからこそ、この2つが効いてくるのです。

⚠️ よくある間違い
(イ)を「熱的」としてしまう——選択肢(1)がそれです。
熱の問題も確かにありますが、回転子の構造を決めているのは遠心力＝機械的強度。問題文が「回転速度が高くなるため」と理由を示しているので機械的です。
(ウ)を「突極形」としてしまう——選択肢(1)(5)。突極形は水車発電機。出っ張りが遠心力に耐えられません。
(ア)を「低く」としてしまう——選択肢(2)(4)。汽力タービンは高速です。(ア)と(ウ)の2欄で確定できます。

⏱️ 本番での進め方
①(ア)★タービン発電機は高速（3,000／3,600 min^-1）。
②(イ)(ウ)★遠心力に耐えるため機械的強度→円筒形。
③(エ)(オ) 遠心力は半径に比例→直径を小さく→軸方向に長く。
④★F＝mrω²。これ1つで(イ)〜(オ)が説明できる。

💡 覚え方
「速く回るから細長い」——遠心力 F＝mrω² がすべての出発点です。水車発電機は逆に低速だから平たい——回転速度が形を決めている点は共通しています。

水車発電機との比較は平成28年度 A問題2（水力：水車発電機とタービン発電機・鉄機械）にあります。そちらは短絡比と鉄機械が主題です。

空欄の絞り込み手順

5つの空欄がありますが、2つで確定します。

確定させる欄	正しい語	残る選択肢
(ア)	高く	★(1)(3)(5)
(ウ)	円筒形	★(3)に確定

(ア)は水車発電機との比較——汽力タービンは3,000 min^-1 ですから高く。これで2つ落ちます。

(ウ)は回転子の構造——高速なので円筒形。突極形は水車発電機ですから、2手で確定します。

なぜ2極なのか

同期速度

\( N=\dfrac{120f}{p} \)

極数が少ないほど高速

\( N=\dfrac{120\times 50}{2}=3000\ [\mathrm{min^{-1}}] \)

50 Hz・2極
★東日本

\( N=\dfrac{120\times 60}{2}=3600\ [\mathrm{min^{-1}}] \)

60 Hz・2極
★西日本

蒸気タービンは高速で回すほど効率がよい——だから極数を最小の2極にするのです。

2極では磁極が2つだけ——円筒にスロットを刻んで巻線を入れる形になります。突極のように出っ張らせる必要がないのです。

タービン発電機の容量と冷却

細長い形は、熱を逃がしにくい形でもあります——容量を上げるには冷却が鍵になります。

水素の性質（空気を1とすると）

\( \rho\ \fallingdotseq\ \dfrac{1}{14},\quad \lambda\ \fallingdotseq\ 7 \)

密度は14分の1、熱伝導率は7倍

項目	空気	★水素
密度	1	★約1/14（風損が小さい）
熱伝導率	1	★約7倍
★比熱	1	★約14倍（大きい）
注意点	—	★空気と混ざると爆発するので純度管理が要る

水素は密度が小さいので、高速で回しても風損が小さい——3,000 min^-1 で回る機械には決定的な利点です。

そのうえ熱をよく運ぶ——冷却能力も高いことになります。

「比熱が小さい」と書かれていたら誤り——比熱は大きいのです。比重（密度）が小さく、比熱が大きい——2つを取り違えないようにしましょう。

軸の長さを制限するもの

「軸方向に長く」といっても、無制限ではありません。

制約	内容
★危険速度（共振）	★軸が長いほど固有振動数が下がり、定格速度に近づく
★たわみ	★自重で曲がり、軸受の当たりが偏る
製作・輸送	一体鍛造できる大きさに限りがある

定格回転速度が危険速度と重なると、激しい振動が起きます——避けて設計する必要があるのです。

大容量機では4極にして1,500 min^-1 に落とす——遠心力が4分の1になるので直径を大きく取れることになります。細長くしすぎないための工夫です。

まとめ

(ア)	2極で3000/3600min⁻¹→水車発電機より高く
(イ)	遠心力に耐える機械的強度が必要
(ウ)	回転子は円筒形
(エ)	直径を小さくする（遠心力は半径に比例）
(オ)	同出力のため軸方向に長く→(3)

▼あわせて解きたい関連問題
・タービン発電機の構造と水素冷却（火力17・同テーマ）：【電力】令和4年度上期 A問題2

・この年度の問題を通しで解く：電験3種平成24年度問題一覧（全4科目）