ペルトン水力タービン

インパルス型タービンは、高圧のジェット流の運動エネルギーを利用して作業を行う水力タービンです。高落差の貯水池からの水は、導水路を通ってタービンに導かれます。高圧水は、タービンのノズルを介して高速ジェット流に変換され、それがタービンのバケットに当たり、タービンが回転して作業を行います。
インパルス型タービンには主に3つのタイプがあります。ペルトン水力タービン、 ターゴ水力タービン、およびクロスフロータービンです。このセクションでは、より一般的に使用されるペルトンタービンとターゴタービンを紹介します。

ランナーと動作原理

図1は、ペルトンタービンのランナーを示しており、左側が正面図、右側が側面図です。ランナーはホイールディスクと複数のバケットで構成されているため、バケットタービンとも呼ばれます。

図-1 ペルトンタービンランナー

図2は、バケットの断面図です。バケットの断面からわかるように、バケットは左右に配置された2つのスプーン型のボディで構成されています。水流は2つのスプーン型のボディに噴射され、ランナーを回転させます。

図-2 バケットの断面図

図3は、ペルトンタービンの動作原理図です。高速水流はノズルを通してバケットに向かって噴射され、バケットによって反射および排出されます。水の運動エネルギーがバケットを押し、ランナーが回転できるようになります。青い線は、ノズルから噴射される水流と、ランナーによって反射される水流を示しています。

図3 -- ペルトンタービンの動作原理

図4は、バケットに噴射される水流の方向を示す図です。ノズルから噴射された高速水流はバケットに向かって噴射され、入口端によって両側の作業面に分割され、その後、作業面によってバケットから反射されます。バケットによって反射された後、高速ジェット流は運動エネルギーをバケットに伝え、バケットを前方に押します。

図-4 ペルトンタービンランナーのジェット流

噴射機構

噴射機構は、略してノズルと呼ばれ、主にノズル、ニードル、およびニードル移動機構で構成されています。ノズル内のニードルを動かすことでノズル出口のサイズが変化し、それによってノズルからタービンへの水流率が変化し、タービンの出力を調整します。図5は、噴射機構の構造の概略図であり、ニードルがパイプ内に引っ込められ、ノズルが開いた状態になっています。

図5 -- パイプ入口と噴射機構の構造

ニードルの動きは、ニードル移動機構によって行われます。図では、ニードルは手動制御によって移動します。ハンドホイールを回転させることでニードルが移動し、それによってノズルの水流率が変化します。大規模な水力タービンでは、油圧または電気サーボ機構を使用してニードルを移動させます。前述の移動機構はパイプの外側に設置されており、外部制御噴射機構に属します。ノズル内に設置された別のタイプの噴射機構があり、パイプの外側に伸びるニードルロッドがなく、エルボーも必要としないため、パイプラインのレイアウトに非常に便利です。ただし、ここでは紹介しません。

図6の左側では、ニードルは通常の作業位置にあり、水流はバケットに向かっています。図6の右側では、ニードルが前方に移動してノズル開口部をブロックし、ノズルは閉じた状態になっています。

図6 -- ニードルの移動による水流の制御

偏向器

次に、偏向器を紹介します。ペルトンタービンは、数百メートルから千メートル以上の落差を持つ高落差タービンです。貯水池からタービンまでのパイプラインは、1キロメートルから数キロメートルにも及ぶことがあり、これらのパイプラインは、特に下部セクションで、莫大な水圧に耐えなければなりません。電力網の故障によりトリップが発生した場合、タービンを停止させるために水源を直ちに遮断する必要があります。そうしないと、タービンが負荷を失い、回転速度が急上昇し、ユニットが損傷する可能性があります。パイプラインの長さが長いため、内部の大量の移動水はすぐに流れを止めることができません。パイプラインを急速に遮断すると、非常に高い水圧が発生し、導水路の安全を深刻に脅かします。唯一の解決策は、水流を遮断するのではなく、タービンに噴射される水をタービンに当たらないようにそらすことです。
ノズルの前に偏向器を設置するのが最も簡単な方法です。通常運転中、偏向器は持ち上げられており、ノズルからの水流の噴出に影響を与えず、タービンは正常に運転されます（図7の左側）。偏向器が下げられると、ノズルからの水流は偏向器によってブロックされ、下部出口にそらされ（図7の右側）、タービンは運転を停止します。偏向器は1〜2秒以内に遮断位置に回転させることができます。

図7 -- 偏向器の動作原理

図8は、ペルトンタービンの原理アニメーションです。小さな緑色のビーズは、ランナーの前面から反射される水流を示し、小さなオレンジ色のビーズは、ランナーの背面から反射される水流を示しています。ノズルから噴射される水流の中心線は、ランナーのピッチ円に接しています。ピッチ円は、ランナー上のジェット衝撃点を通る円であり、それゆえ「ペルトンタービン」（文字通り「接線衝撃タービン」を意味する）という名前が付けられました。

図9は、小型および中型のインパルス型タービンのモデルを示しており、主に下部ケーシング、上部ケーシング、ランナー（ケーシング内）、水入口パイプ、ノズルニードルとその駆動機構、およびコンクリート基礎で構成されています。

下部ケーシングと上部ケーシングの断面図から、ランナー、ノズル、および偏向器を見ることができます（図10を参照）。コンクリート基礎の断面図は、尾水トラフと水出口を示しています。

偏向器はノズルの前にあります。偏向器のシャフトは、スプレーヘッドの下のベアリングを通り、偏向器はシャフトを中心に回転できます。

マルチジェットペルトンタービン
タービンの性能を向上させるために、大型インパルス型タービンには2〜6個のノズルが使用されることがよくあります。以下に、2つのノズルを備えたインパルス型タービンの構造図を示します。