カプラン水車

1. カプランランナの構造と作動原理

カプラン水車は反動水車に属し、主にランナ、ランナ室、ガイドベーン装置、および渦巻ケーシングで構成されています。

カプラン水車のランナ羽根は扇風機の羽根に似ており、下の図は4枚羽根のランナを示しています。

ランナはランナ室内に設置され、水流は下の図に示すようにランナに軸方向に流入し、軸方向に流出します。

カプラン水車の羽根断面は翼型で、根元は厚く、縁は薄く、水はランナ羽根を軸方向に流れます。その作動原理は風力タービンの原理に似ています。下の図は羽根の力線図を示しており、羽根にかかる力は1枚の羽根の断面を用いて単純に解析されています。ランナの軸は地面に垂直であり、図中の矢印線は大きさ方向の両方を示すベクトル線です。

まず、左側の図を見てください。点mは羽根の近くの水粒子です。明確にするために、左上に移動させました。水粒子の速度はVです。ランナ領域に水が入る際の循環により、図中の方向は真下ではなく左に傾いています。羽根は軸を中心に回転し、その断面の接線速度はUです。羽根に対して、水粒子mは速度-Uで右に移動します。したがって、羽根に対する水粒子mの相対速度はWであり、羽根に作用する水流の方向はWであることを意味します。 次に、右側の図を調べます。羽根はWの方向に水流を受けます。Wが翼型コードcとの間に迎角αを形成するため、Wに垂直な揚力Lと、抗力D（Wと同じ方向）が発生します。これら2つの力の合力Rが羽根にかかる力です。Rの水平成分はFであり、羽根を回転させる駆動力です。

   

• 固定羽根カプラン水車

軸流固定羽根水車のランナ羽根はハブに固定されており、構造が簡単でコストが低いのが特徴です。しかし、その出力はガイドベーンの調整によってのみ制御できるため、落差や負荷が大きく変動すると水車の効率が大幅に低下します。軸流固定羽根水車は、一般的に落差25メートル未満、出力50,000キロワット以下で使用されます。

• 可変羽根カプラン水車

軸流カプラン水車のランナ羽根は、落差や負荷の変化に応じて対応して回転し、羽根の迎角αを調整できます。これにより、落差や負荷が大きく変動しても、水車は優れた運転性能を維持できます。羽根の回転を制御する機構はハブ内にあり、主に羽根を駆動する油圧シリンダーで構成されています。シリンダー内のピストンは、ピストンロッド、コネクティングロッド、羽根アームなどを介して羽根の回転を操作します。

下の図は、カプラン水車のランナ羽根の回転の概略図です。左側の図は羽根が閉じた状態、中央の図は計算位置（通常運転時の設計位置）、右側の図は完全に開いた状態を示しています。

3. カプラン水車の構造

カプラン水車は主に3つの主要なコンポーネントで構成されています。回転部品にはランナと主軸が含まれます。固定部品には主に渦巻ケーシング、ステイリング、ボトムリング、ヘッドカバー、アッパブラケット、コーン、ランナ室、ドラフトチューブが含まれます。ガイドベーン装置には、可動ガイドベーン、ガイドベーンレバー、ガイドベーンリンク、制御リング、サーボモーターが含まれます。また、ガイドベアリング、軸シールなどのコンポーネントもあります。

下の図は、ステイリング、ボトムリング、ヘッドカバー、アッパブラケット、コーン、ドラフトチューブライナーの断面図であり、基本的な構造を示しています。ステイリングは水車全体の基礎として機能し、最も重要なコンポーネントです。

ヘッドカバーはステイリングの上部に設置され、ボトムリングとランナ室はステイリングの下に設置されます。渦巻ケーシングはステイリングの外周に設置されます。ドラフトチューブはランナ室の下に設置されます。ヘッドカバーはステイリングの内側上部に設置され、サポートカバーはヘッドカバーの内側に設置され、コーン（ガイドコーン）はサポートカバーの内側下部に設置されます。下の図は、上記のコンポーネントが組み立てられた概略図を示しています。

4. カプラン水車の運転条件

下の図は、軸流水車の水流方向の概略図であり、青い矢印線は水流方向を示しています。