今回は平成29年度 電力科目 A問題2を解説します。水車のキャビテーションについて、発生する条件（圧力と飽和水蒸気圧）、生じる有害現象、そして防止対策（吸出し管の高さ）の空欄を補充する問題です。
キャビテーションは「圧力が飽和水蒸気圧以下まで下がって水が蒸発し、気泡が高圧部で圧潰する」現象。害は壊食・効率低下・振動や騒音で、対策は吸出し管の高さを低くすることです。
平成29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。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成29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 【水力】 平成29年度 A問題2
次の文章は、水車のキャビテーションに関する記述である。運転中の水車の流水経路中のある点で(ア)が低下し、そのときの(イ)以下になると、その部分の水は蒸発して流水中に微細な気泡が発生する。その気泡が(ア)の高い箇所に到達すると押し潰され消滅する。このような現象をキャビテーションという。水車にキャビテーションが発生すると、ランナやガイドベーンの壊食、効率の低下、(ウ)の増大など水車に有害な現象が現れる。吸出し管の高さを(エ)することは、キャビテーションの防止のため有効な対策である。上記の記述中の空白箇所(ア)〜(エ)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) (1) 流速 飽和水蒸気圧 吸出し管水圧 低く (2) 流速 最低流速 吸出し管水圧 高く (3) 圧力 飽和水蒸気圧 吸出し管水圧 低く (4) 圧力 最低流速 振動や騒音 高く (5) 圧力 飽和水蒸気圧 振動や騒音 低く
キャビテーションが起きる仕組み
水は100 ℃ でなくても沸きます——圧力が下がれば、常温でも蒸発するのです。
| 段階 | 起きること | 場所 |
| ① | ★圧力が飽和水蒸気圧以下に低下 | 流速の速い部分・ランナ出口 |
| ② | 水が蒸発して微細な気泡が発生 | 同上 |
| ③ | 気泡が圧力の高い場所へ流される | 下流 |
| ★④ | ★気泡が押し潰されて消滅（圧潰） | ★金属面を叩く |
気泡が潰れる瞬間、周りの水が一点に殺到します——その衝撃圧は数百MPa にも達すると言われます。それが金属面を少しずつ削り取るのです。
(ア)は圧力、(イ)は飽和水蒸気圧——「流速」「最低流速」ではありません。気泡ができるかどうかを決めるのは圧力です。
(ウ) キャビテーションの害
| 害 | 内容 |
| ★壊食（潰食） | ランナやガイドベーンの表面が削られる |
| 効率の低下 | 気泡が流れを乱し、水の通り道を狭める |
| ★振動・騒音の増大 | 圧潰の衝撃が繰り返し発生する |
選択肢の「吸出し管水圧の増大」は害になりません——むしろ圧力が高いほうがキャビテーションは起きにくいのです。だから(ウ)は振動や騒音 になります。
壊食は数千時間かけて進みます——すぐに壊れるわけではないのですが、放置すればランナの交換が必要になることになります。
(エ) 吸出し管の高さを低くする
対策の理屈は、圧力を下げないこと——ランナ出口の圧力を確保するのです。
吸出し管が長い（ランナが高い）ほど、ランナ出口の圧力は低くなります——その分だけ真空に近づくからです。だから低くする＝ランナを放水面に近づけるのが対策になります。
| 対策 | 内容 |
| ★吸出し高さを低くする | ★ランナを放水面に近づける（本問） |
| 比速度を大きくしすぎない | 限界比速度以下に抑える |
| 過度の部分負荷運転を避ける | 流れの乱れを防ぐ |
| 壊食に強い材料を使う | ステンレス鋼などで表面を保護 |
「高くする」と真空度が増して悪化——直感と逆に感じるかもしれませんが、ストローを長くすると吸い上げにくくなるのと同じ理屈です。
⚠️ よくある間違い
(ア)を「流速」としてしまう——選択肢(1)(2)がそれです。
流速が上がると圧力は下がります（ベルヌーイ）——だから流速も関係はあるのですが、気泡発生の直接の条件は圧力。問題文が「(イ)以下になると」と書いているので、比較する相手は飽和水蒸気圧＝圧力の話だと分かります。
(エ)を「高く」とする選択肢(2)(4)——高くすると圧力がさらに下がって悪化します。(ア)と(エ)の2欄で確定できます。
⏱️ 本番での進め方
①(ア)(イ)★圧力が飽和水蒸気圧以下→気泡発生。
②高圧部で圧潰し、その衝撃が金属を削る（壊食）。
③(ウ) 害は壊食・効率低下・振動や騒音。
④(エ)★吸出し高さは低くする。高くすると悪化。
💡 覚え方
「圧力が下がると常温でも water が沸く」——それがキャビテーションの出発点です。対策は「圧力を下げないこと」——ランナを放水面に近づけるのが基本になります。
比速度とキャビテーションの関係は令和4年度下期 A問題2（水力：衝動水車の原理と比速度）にあります。
吸出し管の高さはどこまで許されるか
理屈のうえでは、大気圧で支えられる水柱の高さが上限です——約10 m。
★理論上の限界
これを超えると、ランナ出口が完全な真空になっても水が上がってきません——物理的に不可能です。
ただし実際には、飽和水蒸気圧に達した時点でキャビテーションが始まります——だから実用上の吸出し高さは5〜7 m 程度に抑えられます。
| 吸出し高さ | 状態 |
| 低い（0〜3 m） | ★安全。キャビテーションが起きにくい |
| 5〜7 m | 実用上の目安 |
| 10 m 超 | ★物理的に不可能 |
なぜランナ出口の圧力が下がるのか
吸出管の中では、水が「ぶら下がっている」状態——その重さの分だけ、上端の圧力が下がるのです。
ストローで水を吸い上げるのと同じ——長いストローほど強く吸わないと上がってこない。その「強く吸う」が、ランナ出口の低圧にあたります。
だから吸出し高さを低くすれば、圧力低下が小さくて済む——(エ)が「低く」である理由が、この見方ではっきりします。
空欄の絞り込み手順
4つの空欄がありますが、2つで確定します。
| 確定させる欄 | 正しい値 | 残る選択肢 |
| (ア) | 圧力 | ★(3)(4)(5) |
| (イ) | 飽和水蒸気圧 | ★(3)(5) |
| (エ) | 低く | ★(5)に確定 |
(ア)は「(イ)以下になると」と続く——比較する相手が圧力なら(ア)も圧力。「流速が飽和水蒸気圧以下」では意味が通りません。
(イ)が「最低流速」では、そもそも(ア)と単位が合わない——文としての整合性で判断できます。
キャビテーションは水車だけの話ではない
ポンプ、船のスクリュー、配管の弁——流速が速く圧力が下がる場所ならどこでも起きます。
船のスクリューでは、羽根の裏側で圧力が下がって気泡が生じます——やはり壊食と騒音の原因。潜水艦が静粛性を求めるとき、キャビテーションを避けるのが最重要になります。
共通する対策は「圧力を下げすぎない」「流速を上げすぎない」——水車で吸出し高さを低くするのも、この原則の一例です。
トーマのキャビテーション係数
キャビテーションの起きやすさを表す指標があります——設計で吸出し高さを決めるときに使うものです。
σ が大きいほど安全——分子は「ランナ出口にどれだけ圧力の余裕があるか」を表しています。
| 条件 | σ への影響 | 結果 |
| ★吸出し高さHs を低く | ★分子が大きくなる | ★σ が大きく安全 |
| 有効落差H が大きい | 分母が大きくなる | σ が小さく危険 |
| 比速度が大きい | 必要なσ が大きくなる | より低い設置が必要 |
水車ごとに「必要なσ」が決まっていて、実際のσ がそれを上回るように設置します——吸出し高さは、この式から逆算して決められるのです。
(エ)が「低く」である理由が、式の形からも確認できます——Hs は分子でマイナスですから、小さいほどσ が大きくなるのです。
まとめ
| (ア) | 圧力が低下 |
| (イ) | 飽和水蒸気圧以下で気泡発生 |
| (ウ) | 振動や騒音の増大（＋壊食・効率低下） |
| (エ) | 吸出し管の高さを低くする |
| 答え | (5) |
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