今回は令和元年度 電力科目 A問題2を解説します。水車の構造と特徴について、反動水車（フランシス・プロペラ・カプラン）と衝動水車（ペルトン）のエネルギー変換と適用落差の空欄を補充する問題です。
反動水車は「圧力水頭を持つ水が流入し、出るときの反動力で回る」、衝動水車は「圧力水頭を速度水頭に変えて噴流をぶつける」。この2つのエネルギー変換の違いが軸になります。
出題のポイント
令和元年度 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 【水力】 令和元年度 A問題2
次の文章は、水車の構造と特徴についての記述である。(ア)を持つ流水がランナに流入し、ここから出るときの反動力により回転する水車を反動水車という。(イ)は、ケーシング（渦形室）からランナに流入した水がランナを出るときに軸方向に向きを変えるように水の流れをつくる水車である。一般に、落差40m〜500mの中高落差用に用いられている。プロペラ水車ではランナを通過する流水が軸方向である。ランナには扇風機のような羽根がついている。流量が多く低落差の発電所で使用される。(ウ)はプロペラ水車の羽根を可動にしたもので、流量の変化に応じて羽根の角度を変えて効率がよい運転ができる。一方、水の落差による(ア)を(エ)に変えてその流水をランナに作用させる構造のものが衝動水車である。(オ)は、水圧管路に導かれた流水が、ノズルから噴射されてランナバケットに当たり、このときの衝動力でランナが回転する水車である。高落差で流量の比較的少ない地点に用いられる。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) 圧力水頭 フランシス水車 カプラン水車 速度水頭 ペルトン水車 (2) 速度水頭 ペルトン水車 フランシス水車 圧力水頭 カプラン水車 (3) 圧力水頭 カプラン水車 ペルトン水車 速度水頭 フランシス水車 (4) 速度水頭 フランシス水車 カプラン水車 圧力水頭 ペルトン水車 (5) 圧力水頭 ペルトン水車 フランシス水車 速度水頭 カプラン水車
ポイント解説：反動水車＝圧力水頭で流入、衝動水車＝速度水頭に変換して噴射
反動水車：圧力水頭(ア)を持つ流水がランナに流入し、出るときの反動力で回転する。フランシス水車(イ)はケーシング（渦形室）から流入した水がランナを出るときに軸方向へ向きを変える構造で、落差40〜500mの中高落差用。プロペラ水車は流水が軸方向で低落差・大流量用、その羽根を可動にしたのがカプラン水車(ウ)で、流量の変化に応じて羽根角度を変え効率よく運転できる。
衝動水車：水の落差による圧力水頭(ア)をノズルで速度水頭(エ)に変えて、その流水をランナに作用させる。ペルトン水車(オ)は水圧管路に導かれた水がノズルから噴射されてバケットに当たり、その衝動力で回転する。高落差・流量の少ない地点に用いる。よって答えは(1)。
問題の解説
STEP1 (ア)(イ)
反動水車は圧力水頭を持つ水が流入。渦形室から軸方向へ・落差40〜500mの中高落差＝フランシス水車。
STEP2 (ウ)
プロペラ水車（軸流・低落差大流量）の羽根を可動にしたのがカプラン水車。
STEP3 (エ)(オ)
衝動水車は圧力水頭を速度水頭に変換。ノズル噴射＋バケット・高落差少流量＝ペルトン水車→(1)。
答え：(1)
💡 覚え方
反動水車（フランシス・プロペラ・カプラン）＝圧力水頭を持つ水が流入し反動力で回転。フランシス＝渦形室・中高落差40〜500m。プロペラ＝軸流・低落差大流量、カプラン＝プロペラの可動羽根版。衝動水車（ペルトン）＝圧力水頭を速度水頭に変えノズル噴射→バケット、高落差・少流量。
⚠️ よくある間違い
反動水車に流入するのは圧力水頭、衝動水車はそれを速度水頭に変換（逆にしない）。カプラン＝可動羽根、プロペラ＝固定羽根。フランシスは中高落差、ペルトンは高落差。
まとめ
| (ア) | 圧力水頭（反動水車に流入） |
| (イ) | フランシス水車（渦形室・40〜500m） |
| (ウ) | カプラン水車（プロペラの可動羽根版） |
| (エ) | 速度水頭（衝動水車への変換） |
| (オ) | ペルトン水車（ノズル＋バケット・高落差）→(1) |
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