水車の種類と選び方｜ペルトン・フランシス・カプラン・比速度

流況曲線とは で、川の流量から 1 年に使える水の量を見ました。この記事では、その水を受け止めて回る水車を扱います。水車は落差と流量に合わせて、高落差のペルトン水車、中落差のフランシス水車、低落差のカプラン水車から選び、選ぶ目安になるのが比速度 $N_s = N\sqrt{P}/H^{5/4}$ です。

• 水車とは
  • 水の力を回転に変え、衝動水車と反動水車に分かれる
• ペルトン水車
  • 高落差向きの衝動水車。ノズル・デフレクタ・バケット
  • 小水力向きのクロスフロー水車も衝動水車
• フランシス水車と斜流水車
  • 中落差で最も多い反動水車。渦巻ケーシング・ガイドベーン・ランナ・吸出し管
• カプラン水車・プロペラ水車・バルブ水車
  • 低落差向き。カプランは羽根の角度を変えられる
• 落差で選ぶ水車の使い分け
  • 高落差はペルトン、低落差はカプランやプロペラ
• 比速度
  • $N_s = N\sqrt{P}/H^{5/4}$。大きいほど低落差・大流量向き
  • 種類ごとの範囲の目安と、特徴の正誤の整理

水車とは？水の力を回転に変える装置

水車は、水の持つエネルギーを回転する軸の力（機械的な出力）に変える機械です。水力発電のしくみ で見た流れのうち、水圧管路の先、入口弁を過ぎて発電機の手前にあたります。水車の軸が発電機を回し、使い終えた水は放水路から放水口を通って川へ戻ります。

水車は、水がランナ（回転する羽根車）に力を伝える方法で 2 つに分けられます。水の圧力を先に速度へ変え、速い噴流をランナに当てて回すのが衝動水車、ランナの中を水が流れる間に、圧力と速度の両方で押して回すのが反動水車です。

衝動水車と反動水車の違い

違いは、水がランナに触れる直前と直後で、水の圧力が変わるかどうかです。衝動水車では、水の圧力をノズルで速度に変えきってから噴流をランナに当てるので、ランナは大気圧の中で回ります。反動水車では、水がランナの中を満たして流れ、圧力が下がりながら羽根を押します。

区別	衝動水車	反動水車
代表	ペルトン水車（ほかにクロスフロー水車）	フランシス・斜流・プロペラ・カプラン・バルブ水車
ランナに入る水	圧力が速度に変わった噴流	圧力と速度の両方を持つ水
ランナの周り	大気圧（水が満ちない）	水が満ちている
吸出し管	付けない	付ける
向く落差	高い	中〜低い

ペルトン水車のしくみ

ペルトン水車は、高落差の発電所に使われる衝動水車です。水圧管路から来た水をノズルで細い噴流にして、ランナの外周に並んだ椀形のバケットに当てて回します。噴流の速度は落差から $v = \sqrt{2gH}$ で決まります（落差と流量とは で導きました）。たとえば $H = 400\ \mathrm{[m]}$ なら $v = \sqrt{2 \times 9.8 \times 400} \approx 88.5\ \mathrm{[m/s]}$ と、ごく速い噴流になります。

1ノズル2バケット3ランナ円盤4台座

1. ノズル　水圧管路の水を細い高速の噴流にして噴き出す
2. バケット　椀形の羽根。噴流を受けて向きを変えられ、ランナが回る
3. ランナ円盤　バケットを円周に取り付けた円盤。中心に主軸を通す
4. 台座　ランナと主軸を支える

ペルトン水車の構造で覚えるのは、次の 4 つです。

• ノズル: 噴流をつくる。中のニードル弁（針状の弁）を前後させて噴流の太さを変え、流量を調整する
• デフレクタ（そらせ板）: 負荷が急に減ったとき、噴流をバケットからそらしてランナの加速を防ぐ。ニードル弁を急に閉じると管路の圧力が急上昇するので、まずデフレクタでそらし、ニードル弁はゆっくり閉じる
• バケット: 中央に分水刃があり、噴流を左右に分けて、向きを大きく変えて受け流す
• ケーシング: ランナを覆い、バケットを出た水が飛び散らないようにして放水路へ導く

ランナは大気中にあるので、水車の中心から放水面までの高さは落差に数えられません。吸出し管で回収する仕組みもないので、低い落差で使うと損が目立ちます。これも、ペルトン水車が高落差向きになる理由の一つです。

クロスフロー水車は小水力向きの衝動水車

クロスフロー水車は、円筒形のランナの羽根に水が横から入り、ランナの内側を通り抜けて、反対側の羽根をもう一度通って出ていく水車です。水が羽根を 2 回横切るので、この名があります。構造が簡単で、水量が変わっても効率が落ちにくいので、小水力発電（灌漑用水路や小さな落差の発電）によく使われます。

分類は、一般に衝動水車です。反動水車の性質も併せ持つと説明する資料もありますが、「ペルトン水車とクロスフロー水車は衝動水車」と整理しておくと安全です。「衝動水車はペルトン水車だけ」という記述は誤りです。

フランシス水車と斜流水車

フランシス水車は、中落差で最も多く使われている反動水車です。水は渦巻ケーシングに入り、ガイドベーンで向きと量を整えられてランナへ流れ込み、ランナを回したあと、吸出し管を通って放水路へ出ます。

1入口管2ガイドベーン3ランナの空間4渦巻ケーシング

1. 入口管　水圧管路からの水がここから入る
2. ガイドベーン　ランナの周りに並ぶ可動の羽根。開度で流量を決める
3. ランナの空間　ここにランナが収まり、真下の吸出し管へつながる
4. 渦巻ケーシング　水を全周へ均等に配るため、出口に向かって断面が細くなる

渦巻ケーシングは、入口から離れるほど断面積が小さくなっています。入口で流れる水を途中で少しずつランナへ送り出していくので、断面が同じままでは、離れた側ほど流速が落ちてしまうためです。

吸出し管は、ランナを出た水をそのまま放水面へ導く、末広がりの管です。水車を放水面より高い位置に置いても、その高さの分の落差を失わず、出口の流速を落として運動エネルギーを回収します。吸出し管とキャビテーションの関係は、キャビテーションとは で詳しく見ます。

斜流水車（デリア水車）は、フランシス水車とカプラン水車の中間の形で、水がランナへ軸に斜めの向きで流れ込みます。ランナの羽根の角度を変えられるものが多く、中〜低落差で負荷が大きく変わる発電所に向きます。揚水発電のポンプ水車にも使われます。

カプラン水車・プロペラ水車・バルブ水車

低落差では、流量を大きくしないと出力が出ません。水を軸方向にたっぷり通せるプロペラ形のランナが向いており、これがプロペラ水車とカプラン水車です。

1羽根（ランナ羽根）2羽根の付け根3ハブ4架台

1. 羽根（ランナ羽根）　水の流れを受けてランナを回す。船のプロペラに似た形
2. 羽根の付け根　ここで羽根が回転し、取付けの角度が変わる
3. ハブ　羽根を取り付ける中心の部分。内部に角度を動かす機構が入る
4. 架台　ランナを床に支える

プロペラ水車は羽根の角度が固定です。これに対してカプラン水車は、羽根の角度を負荷に合わせて変えられます。このとき、ガイドベーンの開度も連動して動かします（二重調整）。流量が変わっても、水が羽根に当たる向きをほぼ最適に保てるので、部分負荷でも効率が落ちにくいことが特長です。

バルブ水車（チューブラ水車）は、プロペラ形のランナを水平に近い向きに置き、発電機を水密のケース（バルブ）に入れて水の流れの中に置いた形式です。水が曲がらずにまっすぐ通るので、低落差で大きな流量を扱うときに損失が少なく、建屋も小さくできます。

1発電所建屋2取水口3堰のゲート4上流側の水面

1. 発電所建屋　中に水車と発電機が入る
2. 取水口　堰でせき止めた水が、ここから水車へ入る
3. 堰のゲート　開閉して水位と放流量を調整する
4. 上流側の水面　堰で水位が上がり、わずかな落差が生まれる

落差で選ぶ水車の使い分け

水車を選ぶ第一の基準は、その発電所の有効落差です。高い落差では、水の流量が小さくても大きな出力が出るので、水を噴流にして受けるペルトン水車が向きます。落差が低くなるほど、同じ出力を得るために必要な流量が増え、羽根を水が軸方向に通りやすい形が有利になります。

水車	形式	適用落差の目安	特徴
ペルトン水車	衝動	高落差（約 200 m 以上）	水量が少なくてよい。ノズルの数やニードル弁で出力を調整
フランシス水車	反動	中落差（約 40〜500 m）	最も広く使われる。ガイドベーンで流量を調整
斜流水車	反動	中〜低落差	羽根の角度が変えられる。ポンプ水車にも使われる
プロペラ水車	反動	低落差	羽根の角度は固定
カプラン水車	反動	低落差（約 5〜80 m）	羽根とガイドベーンを連動して調整。部分負荷で効率が高い
バルブ水車	反動	低落差	水平軸で水が直進。大流量・小建屋

比速度とは？Ns の式と意味

水車を選ぶもう一つの基準が比速度 $N_s$ です。回転速度 $N\ \mathrm{[min^{-1}]}$、有効落差 $H\ \mathrm{[m]}$、その落差での水車の出力 $P\ \mathrm{[kW]}$ から、次のように求めます。

$$N_s = \frac{N\sqrt{P}}{H^{5/4}} \quad \mathrm{[m \cdot kW]}$$

意味は、「形が相似な水車を、落差 $1\ \mathrm{[m]}$ で出力 $1\ \mathrm{[kW]}$ を出すように大きさを変えたときの回転速度」です。同じ型式の水車は、大きさが違っても比速度がほぼ同じになるので、水車の型式を分ける目印になります。

比速度が一定になる理由は、相似な水車の関係から導けます。ランナの直径を $D$ とすると、回転速度は $N \propto \sqrt{H}/D$、出力は $P \propto D^2 H^{3/2}$ です。第 1 式から $D \propto \sqrt{H}/N$ を第 2 式へ入れると $P \propto H^{5/2}/N^2$ となり、$N\sqrt{P} \propto H^{5/4}$、つまり $N\sqrt{P}/H^{5/4}$ は大きさによらず一定になります。

比速度は水車の種類ごとに適した範囲があるので、数値から種類を判定する問題が出ます。範囲の目安は次のとおりです（$\mathrm{[m \cdot kW]}$ 基準。資料や版で少しずつ違うので、順序と桁を押さえてください）。

水車	比速度の目安
ペルトン	12〜23（十数）
フランシス	60〜300
斜流	120〜350
プロペラ（カプランも同じ側）	250〜850

たとえば比速度が 100 前後ならフランシス水車の範囲、20 程度ならペルトン水車、400 ならプロペラ水車やカプラン水車の領域です。

水車の特徴の正誤では、次の対応が問われます。高い落差の側（ペルトン・フランシス）と、低い落差の側（カプラン・プロペラ）に分けてまとめます。

項目	ペルトン	フランシス
形式	衝動	反動
適した落差	高い	中程度
比速度	小さい	中程度
流量の調整	ニードル弁（とノズル数）	ガイドベーン
吸出し管	使わない	使う
部分負荷の効率	落ちにくい（ノズル数を変える）	落ちやすい
キャビテーション	起きにくい（ランナは大気中）	比速度や吸出し高さが大きいと注意

項目	カプラン	プロペラ
形式	反動	反動
適した落差	低い	低い
比速度	大きい	大きい
流量の調整	ガイドベーンと羽根の角度	ガイドベーン
吸出し管	使う	使う
部分負荷の効率	落ちにくい	落ちやすい
キャビテーション	起きやすい側	起きやすい側

効率やキャビテーションの傾きは一般的な説明で、機種ごとに差があります。クロスフロー水車は、水量が変わっても効率があまり変わらない点が特徴です。比速度が大きい水車を高い落差で使うと、キャビテーションが起こりやすくなります（キャビテーションとは で詳しく見ます）。

解答と解説を見る

$\sqrt{P} = \sqrt{10000} = 100$ なので、次のようになります。

$$\begin{aligned} N_s &= \frac{N\sqrt{P}}{H^{5/4}} \\ &= \frac{500 \times 100}{316} \\ &\approx 158\ \mathrm{[m \cdot kW]} \end{aligned}$$

比速度の式は、$N$ を求める形にも変形できます。$N = \dfrac{N_s H^{5/4}}{\sqrt{P}}$ です。

解答と解説を見る

式を $N$ について解きます。

$$\begin{aligned} N &= \frac{N_s H^{5/4}}{\sqrt{P}} = \frac{180 \times 181}{89.4} \\ &= \frac{32580}{89.4} \approx 364\ \mathrm{[min^{-1}]} \end{aligned}$$

実際の回転速度は、発電機の同期速度 $N = 120f/p$ に合わせて決めます。$50\ \mathrm{[Hz]}$ で 16 極なら $375\ \mathrm{[min^{-1}]}$ なので、これに近い値になります（水車発電機とは で詳しく見ます）。

解答と解説を見る

誤っているのは 4 です。比速度が大きい水車ほど、低落差・大流量向きです。高落差向きなのは比速度の小さいペルトン水車です。

解答と解説を見る

比速度 120 はフランシス水車の範囲です。まず、比速度から回転速度の目安を求めます。

$$\begin{aligned} N &= \frac{N_s H^{5/4}}{\sqrt{P}} = \frac{120 \times 316}{200} \\ &\approx 190\ \mathrm{[min^{-1}]} \end{aligned}$$

次に、同期速度 $N = 120f/p$ から極数を求めます。

$$p = \frac{120 \times 50}{190} \approx 31.6$$

極数は偶数なので、近い値の 32 極を選びます。同期速度は $120 \times 50 / 32 = 187.5\ \mathrm{[min^{-1}]}$ です。この回転速度で運転したときの比速度は、

$$N_s = \frac{187.5 \times 200}{316} \approx 119\ \mathrm{[m \cdot kW]}$$

答えは、32 極、比速度は約 119 です（設計値 120 とほぼ同じ）。

よくある質問

衝動水車と反動水車は何が違いますか？

衝動水車（ペルトン水車など）は、水の圧力をノズルで速度に変え、大気中で噴流を羽根に当てて回します。反動水車は、水が満ちたランナの中で、圧力と速度の両方で羽根を押して回します。反動水車には吸出し管が付き、衝動水車には付きません。

カプラン水車とプロペラ水車の違いは何ですか？

どちらも低落差用のプロペラ形ですが、プロペラ水車は羽根の角度が固定、カプラン水車は羽根の角度をガイドベーンと連動して変えられます。そのため、流量が変わる運転ではカプラン水車のほうが効率を保てます。

比速度は何のために使いますか？

水車の型式を選ぶためです。与えられた落差と出力、希望する回転速度から比速度を計算し、それに合う型式（ペルトン、フランシス、カプランなど）を選びます。比速度が大きすぎる水車を高落差で使うと、キャビテーションが起こりやすくなります。

思い出してみよう

答えを見る前に、まず自分で思い出してからタップしてください。

衝動水車と反動水車の違いは何ですか？

衝動水車（ペルトン、クロスフロー）は、圧力を速度に変えた噴流を大気中で羽根に当てて回します。反動水車は、水が満ちたランナの中で圧力と速度の両方を使います。

ペルトン水車の、ノズル・デフレクタ・バケットの役割は？

ノズルは噴流をつくって流量を調整し、デフレクタは負荷が急に減ったとき噴流をそらします。バケットは噴流を受けてランナを回します。

フランシス水車の水は、どんな順に通りますか？

渦巻ケーシング、ガイドベーン、ランナ、吸出し管の順に通り、放水路へ出ます。

カプラン水車がプロペラ水車より部分負荷に強いのはなぜですか？

羽根の角度をガイドベーンと連動して変えられるので、流量が変わっても水が羽根に当たる向きを保てるからです。

高落差・中落差・低落差で、使う水車は何ですか？

高落差はペルトン水車、中落差はフランシス水車、低落差はカプラン水車やプロペラ水車です。

比速度の式と、大きいときの意味は？

$N_s = N\sqrt{P}/H^{5/4}$ です。大きいほど低落差・大流量向きで、回転が速くなります。目安はペルトンが十数、フランシスが数十〜300、プロペラが 250 以上です。

まとめ

• 水車は、水の力を軸の回転に変える機械で、衝動水車（ペルトン、クロスフロー）と反動水車（それ以外）に分かれる
• ペルトン水車は高落差向きで、ノズル・デフレクタ・バケット・ケーシングで構成される
• フランシス水車は中落差向きで、渦巻ケーシング・ガイドベーン・ランナ・吸出し管で構成される
• カプラン水車は低落差向きで、羽根とガイドベーンを連動して調整できる。プロペラ水車は羽根が固定
• 比速度 $N_s = N\sqrt{P}/H^{5/4}$ は大きいほど低落差・大流量向きで、型式を選ぶ目印になる

求めるもの	式・向き
噴流速度	$v = \sqrt{2gH}\ \mathrm{[m/s]}$
比速度	$N_s = N\sqrt{P}/H^{5/4}\ \mathrm{[m \cdot kW]}$
高落差の水車	ペルトン（衝動）
低落差の水車	カプラン・プロペラ（反動）

水の力の大きさは 水力発電の出力の求め方 で、年間の水量は 流況曲線とは で確かめられます。次に読む記事は、水車を傷める現象を扱う キャビテーションとは です。