今回は令和4年度下期 電力科目 A問題2を解説します。水圧管の先端のノズルから噴出する噴流でランナを回す水車について、そのエネルギー変換・名称・代表例・適用落差・比速度の空欄を補充する問題です。
ノズル出口では有効落差が全て運動エネルギーになり、その噴流の衝撃力でバケットを回すのが衝動水車＝ペルトン水車。高落差・少流量に適し、比速度は小さい（ns≒12〜25）のが特徴です。
出題のポイント
令和4年度下期 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 【水力】 令和4年度下期 A問題2
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。
(ア) (イ) (ウ) (エ) (オ) (1) 運動 衝動 ペルトン 高落差 大きい (2) 圧力 反動 フランシス 低落差 大きい (3) 位置 反動 カプラン 高落差 大きい (4) 圧力 衝動 フランシス 低落差 小さい (5) 運動 衝動 ペルトン 高落差 小さい
ポイント解説：ノズルで運動エネルギーに→衝動水車（ペルトン）は高落差・比速度小
(ア)(イ)：水圧管の先端がノズルになっていると、有効落差（位置エネルギー）は全て運動エネルギーに変換され、水は噴流となって噴出する。この噴流がランナのバケットにあたる衝撃力で回転する水車を衝動水車という（これに対し、圧力エネルギーを保ったまま反作用で回すのが反動水車＝フランシス・カプラン）。
(ウ)(エ)(オ)：衝動水車の代表がペルトン水車で、高落差・流量の比較的少ない場所に用いられ、比速度は小さい（ns≒12〜25）。よって(ア)運動・(イ)衝動・(ウ)ペルトン・(エ)高落差・(オ)小さいで答えは(5)。
問題の解説
STEP1 (ア)(イ)
ノズルで有効落差が全て運動エネルギーに→噴流の衝撃力で回る＝衝動水車。
STEP2 (ウ)(エ)
衝動水車の代表＝ペルトン水車。高落差・流量の少ない場所に適する。
STEP3 (オ)
ペルトン水車の比速度は小さい（ns≒12〜25）→(5)。
答え：(5)
💡 覚え方
衝動水車（ペルトン）＝ノズルで有効落差を全て運動エネルギーに変え、噴流の衝撃力でバケットを回す。高落差・少流量・比速度小（12〜25）。反動水車（フランシス・カプラン）＝圧力エネルギーを利用、中〜低落差・多流量・比速度大。
⚠️ よくある間違い
ノズル出口では有効落差が全て「運動」エネルギーになる（圧力・位置ではない）。ペルトン＝衝動・高落差・比速度小。フランシス／カプラン＝反動。比速度の大小を逆にしない。
まとめ
| (ア) | 有効落差は全て運動エネルギーに |
| (イ) | 噴流の衝撃力で回る＝衝動水車 |
| (ウ) | 代表はペルトン水車 |
| (エ) | 高落差・少流量に適する |
| (オ) | 比速度は小さい→(5) |
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