2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ115

発電用水車の技術発展の系統化調査

3

Historical Development of Hydraulic Turbines and Pump-turbines for Hydropower and Pumped Storage Power Plants

田中 宏

Hiroshi Tanaka■ 要旨
わが国の電力事業は、1883（明治16）年に東京電燈（株）が設立され、1887年より電燈電力の供給が開始されたことに始まる。引き続いて、同年、名古屋や関西にも多くの電燈会社が相次いで設立されたが、これらの電燈
会社は往復動蒸気機関などによる小規模の火力発電によっていた。
一方、京都府では1885（明治18）年から琵琶湖疏水工事を始めたが、その落差を利用して水力発電を行なうこととし、蹴上発電所を建設した。この発電所は1891（明治24）年に発電を開始したが、これがわが国の事業用水
力発電の嚆矢である。
これ以後、三相交流発電機の実用化により大容量発電が可能となり、また高電圧長距離送電技術が実用化されて遠隔地の水力発電所からの送電が可能となって、水力発電所が多数建設されるようになった。電力需要の増大にともない、数千kW級の水力発電所が次々と作られ、1912（明治45）年には水力発電容量が火力発電容量を超え、水主火従の時代に入った。しかしこれらの発電所で用いられた水車の多くは輸入品であり、国産水車は明治
年間には最大出力500馬力、総出力8千馬力余に過ぎなかった。
大正年代に入り、1千kWを超える水車が国産できるようになった。1914〜1918（大正3〜7）年の第一次大戦中
におけるドイツからの水車の輸入停止と国内景気の上昇により、国産水車が大量に製作されるようになった。
1920（大正9）年からの経済恐慌や1923（大正12）年の関東大震災で一時水車の製造は停滞したものの、昭和年代に入ると工場動力や鉄道の電化などによる電力需要が急増し、次々と数千〜1万kW級の大容量水車が作られるようになった。
昭和初期に、朝鮮半島の豊富な水力資源を利用して大々的に窒素肥料を生産する計画が持ち上がった。この計画は、北朝鮮と中国の国境を流れる鴨緑江の支流の長津江、赴戦江、虚川江の水を分水して日本海側に落とし、その落差を利用して12発電所、総出力約100万kWに及ぶ発電をしようという壮大な計画である。当時国内では1万数千kW程度の水車しか製作されていなかった時代に2万〜4万kWの大容量水車を40台近く用いるという計画であった。この発電用機器に対し欧米メーカーからの売り込みは熾烈を極めたが、1発電所を除く11発電所、総計88万kW 35台の水車を国内メーカーが受注することに成功した。
これにより国内メーカーの大容量水車製造技術は大きく進歩した。その成果が1938（昭和13）年に発注された
鴨緑江の水豊発電所向け水車である。この発電所は、当時、単機容量で世界最大であった米国ボルダーダムの85,000kW水車をしのぐ出力105,000kWの水車7台を擁するもので、水車の単機容量では世界最大の記録品である。
この発電所は、1941（昭和16）年8月に無事1号機が運転を開始した。この水車と発電機は、わが国の重電機産業が初めて世界一の製品を作ったという意味で、特筆すべきものといえよう。
第二次大戦後、火力発電用の石炭が調達できなかったわが国は、まず水力開発による電力復興を計画し、1948（昭和23）年に電源開発5カ年計画を策定して翌1949年に38地点に及ぶ水力発電所の着工を許可した。これにより昭和20年代後半には7万〜9.5万kWの大容量水車を用いた水力発電所が多数建設された。1952（昭和27）年には大規模電源開発を目的として電源開発（株）が設立され、同社から田子倉、奥只見、御母衣の各発電所向けの10万〜13万7千kWの大容量水車が発注された。これらの水車は各々別メーカーに配分して発注されたが、これによってわが国水車産業の大容量水車製作技術は大きく進歩した。
国内の電源開発が一段落した1960（昭和35）年頃から、国内の水車メーカーはその余力を駆って水車の輸出に注力した。当時、為替レートが有利であったこともあって、多くの国に国内向けの水車を凌ぐ10万〜30万kW級の水車が輸出された。ベネズエラ、インドネシア、トルコ、タスマニアなどでは、日本製の水車がその国の水力発
電容量の半分以上を占めた。またこの時期、世界最大容量73万kWの水車や、現在世界最大といわれる中国 三峡発電所の水車にほぼ匹敵するランナ径9.8mの巨大水車の主要部なども製作された。これらの製作経験を通して国
内水車メーカーの設計・製造技術は長足の進歩を遂げた。
1960年頃からの火力発電の大容量化、1970年代に入ってからの原子力発電の伸展により、日本の電源は応答速度の遅い硬直電源が増加してきた。そのため、1960年頃（昭和30年代後半）から即応性のある電源の不足が予測されるようになった。しかし即応電源である水力の開発地点が減少していたため、国内の電力会社は、河川流量

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ116に全く頼らないで上下の貯水池の水を上げ下げするだけで揚水と発電を繰り返す揚水発電所の建設を推進するようになった。
この揚水発電所は、落差が高いほど貯水池を小さくでき用地費などを低減できることから、高落差化が要請された。これを受けて国内では高落差ポンプ水車の技術開発が進み、1973年に運転を開始した沼原発電所以後、わが国においては世界に先駆けて落差500〜700m、出力20〜30万kW級の超高落差・大容量ポンプ水車が多数製作されるようになった。現在、この分野では、日本の技術が世界を大きくリードしている。
また1990年には、世界に先駆けて負荷変動への追随性が非常に優れた可変速揚水発電システムを開発し、以後、国内向けに多くの可変速揚水機器を製作した。この可変速揚水発電の分野でもわが国の技術は世界をリードしている。
本報告書は、以上の歴史的経過を踏まえ、電力業界からの要請や時代の変化に対応して発電用水車および揚水発電用ポンプ水車の技術が如何に発展してきたかを概観し、考察を加えたものである。

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ117■ Abstract
The electric power industry in Japan commenced when the Tokyo Electric Light Co. (Tokyo Dento Kaisha)
was established in 1883 and started power distribution services in 1887. In the same year, many other electric
light companies were established in other parts of Japan, such as Nagoya and Kansai regions.
In 1885, the Kyoto Prefectural Government started the construction of the Lake Biwa Canal (Biwako Sosui)
to conduct the water from the lake to the city of Kyoto. By utilizing the geodetic head of the canal, Keage
Hydroelectric Power Station was constructed and it started to deliver electric power to the surrounding industries in 1891. It was the first hydroelectric power plant operated by a utility company.
After then, large capacity generation by using 3-phase AC generators and long distance power transmission
by implementing high voltage technologies became available. These technologies enabled to utilize the electric
power generated at remote hydropower plants. This encouraged the utilities to construct many large capacityhydropower plants to cope with the rapid increase of power demand. As a result, in 1912, the total output ofhydropower plants in Japan exceeded that of thermal power plants. Since then, more than half of the power generation in Japan has been borne by hydropower until 1963 when thermal power became dominant once again.
However, the hydraulic turbines installed in the then hydropower plants were mostly imported from Europe or
the United States. The total output of the turbines manufactured by domestic manufacturers during the Meiji
era (until 1912) was only about 8,000 HP with the maximum unit output being 500 HP.
In the Taisho era (1912-26), domestic industry became capable of manufacturing hydraulic turbines with acapacity exceeding 1,000kW. During World War I (1914-1918), domestic production of hydraulic turbines
increased remarkably as a result of the embargo on the import of hydraulic turbines from Germany as well as
the war boom. After the war though, the production temporarily stagnated as a result of the recession from 1920
and the Great Kanto Earthquake in 1923. However, it revived again after entering the Showa era (from 1926)
owing to the remarkable increase in the demand for electric power resulting from the electrification of industry
and railways, and many turbines with a large capacity up to about 10MW were turned out.
In the beginning of the Showa era (1926-), an ambitious project was proposed, which aimed to produce nitrogenous fertilizer by utilizing the electric power exploited from the abundant hydropower potential in the northernpart of Korean Peninsula. It was a magnificent project to divert three tributaries of Yalu River at the border ofNorth Korea and China to the Japan Sea and to construct 12 hydropower plants with total output of 1,000MW
by utilizing the big geodetic head obtained by the diversion. It was planned to use about 40 units of largehydropower generating units with capacities ranging from 20 to 40 MW, although at the time only 10 to 15MW
units could be manufactured by domestic manufacturers. A domestic manufacturer overcame tough competition
from overseas manufacturers and successfully won most of the contracts for this project to supply 35 units for
11 power plants, 880MW in total.
By the experiences with these turbines, this manufacturer successfully won the contract for the turbines forSupung Power Station on the Yalu River in 1938. The power station was equipped with 7 units of 105MW turbines which were the then world largest machines in terms of unit capacity surpassing the 85MW turbines at
Boulder Dam in the United States. However, since international relationships were strained already at that time
and the economic sanctions against Japan were being tightened, the manufacturer had difficulty in procuring thesteel material. However, in spite of such adversity, the first unit was successfully commissioned in August 1941
owing to the great effort of all involved in the project. As this was the first machine to break a world record
ever produced by the Japanese heavy electrical machinery industry, it should be noted as a significant milestone
in the overall development of the industry.
After World War II, the Japanese government planned to restore the electric power generation by constructing hydropower stations since it could not afford to procure necessary coal for thermal power generation. The
government issued a 5-year program to accelerate electric power development and, in 1949, licensed the utilities
to construct 38 hydropower stations. These power stations equipped with 70-95MW hydropower generating
units were successively commissioned in the 1950's and contributed to the reconstruction of the Japanese industry after the war.
In 1952, Electric Power Development Co. was established, which was a government subsidized company aiming to develop large hydropower projects, and it constructed many large capacity hydropower plants in 1950's.
The contracts for these turbines were placed on domestic manufacturers to enhance their technologies.
As the development of domestic large hydropower stations was mostly completed before 1960, domestic tur-

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ118

bine manufacturers directed their business toward overseas market. Since the currency exchange rate at thattime was favored exporting, Japanese products, many large capacity turbines with capacities of 100-300MW,
exceeding by far the capacities of those in use at domestic power plants, were exported to various countries.
Especially, in Venezuela, Indonesia, Turkey and Tasmania, more than half of the total capacity of theirhydropower came from turbines exported from Japan. They included the turbines that had not only the largest
capacity in the world at that time but also the largest turbines in size with runner diameters of 9.8m. By manufacturing units such as these, Japanese manufacturers were able to both build their experiences and to strengthen their design and production capabilities.
Due to the increase of both large capacity thermal and nuclear power plants since the 1960's, electric power
generation in Japan became inflexible as they were unable to change their output rapidly. Then it was fearedthat this would cause difficulty in following the rapid fluctuation of power demand in the network and it mightcause a serious problem such as frequency fluctuation or black out. Although it was obvious that hydropower
generation would be the most effective measure to enhance the flexibility of power generation, it could not be a
viable option because most of the hydropower potential had been already exploited until then. Then Japaneseutilities considered the merit of using pumped storage to solve this problem, as it could be operated as flexibly as
conventional hydropower without depending on the natural inflow to the reservoirs.
Since the construction cost of pumped storage power plants can be reduced if their operating head is higher,
the operating head of reversible pump-turbines installed in these plants is required to be as high as possible. To
meet with this need, turbine manufacturers in Japan conducted intensive R&D studies to develop high headpump-turbines. The first pump-turbines in the world that operated under a head in excess of 500m were thoseinstalled at Numappara Pumped Storage Power Plant, which were commissioned in 1973. Since then, many 500 700m head pump-turbines with a capacity of 200 - 300MW have been manufactured in Japan and put into operation. Now, Japanese technologies in this field lead those of the rest of the world.
Also, in 1990, the first adjustable speed pumped storage unit in the world was put into commercial operationin Japan. Since then, owing to their excellent load following capability, many adjustable speed pumped storage
units have been manufactured in Japan and put into service. The technologies concerning the adjustable speed
system are also technically superior to those of the rest of the world.

In this report, the author has reviewed the historical development of hydraulic turbine and pump-turbine technologies in Japan and considered how these technologies have been developed to meet the changing needs of thepower industry and of society.

■ Profile■ Contents

田中 宏

Hiroshi Tanaka

1.はじめに................................................................119

国立科学博物館産業技術史資料情報センター主任調査員

2.初期の水車と現在の水車 ....................................120
3.明治時代の水力発電黎明期の水車 .....................125

昭和31年3月

東京大学工学部機械工学科卒業

昭和31年4月

東京芝浦電気株式会社（現 株式会社東芝）入社
以後、発電用水車およびポンプ水車の開発・設計に従事
同社、電機技術研究所水力技術担当部長、京浜事業所技監 エネルギー事業本部首席技監を歴任

4.大正年間における大容量化と技術の発展 .........128
5.戦前の昭和年代における新技術と大容量水車......132
6.第二次大戦後の復興期における水力開発と水車 ......136
7.揚水発電用ポンプ水車の開発と急速な大容量化 ......141

平成5年2月

同社退職

8.輸出用大容量水車と製造技術の発達 .................147

平成5年3月東芝テクノコンサルティング株式会社入社

9.海外へ輸出した記録品 ........................................153

東芝京浜事業所技術顧問に就任

10.コンピュータ導入による技術の高度化 ..........156

平成10年6月（株）電業社機械製作所監査役（非常勤）に就任

11.世界をリードする超高落差ポンプ水車の開発...161

平成12年2月

東芝京浜事業所技術顧問を辞任

12.揚水発電に関する新技術..................................166

平成18年4月

国立科学博物館産業技術史資料情報センター

13.考察 ....................................................................172

主任調査員
関連活動歴
ターボ機械協会副会長（1992-1994）、（社）日本機械学会理事（1994-1996）、（社）可視化情報学会会長（1996-1997）

14.まとめ ................................................................174
謝辞 ...........................................................................175
付録

参考文献........................................................176

International Hydropower Association （IHA）理事（1997-1999）、発電用水車の技術の変遷（年表）...............177

IHA揚水発電常置委員会委員長（1997-2001）

平成18年度 資料登録候補一覧表...............180

日本機械学会技術功績賞受賞（1998）、工業標準化功労者表彰受賞（2004）、IEC 1906 Award受賞（2005）

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ119

1 はじめに
1882年にニューヨークで世界初の水力発電が始まった世界トップレベルの容量の水車、特に鴨緑江の水豊た。日本ではその6年後の1888（明治21）年に宮城紡発電所に設置された当時世界最大容量のフランシス水績会社が仙台市の近くの三居沢にあった紡績工場の動車について紹介する。

力用水車に三吉電機工場製の5kW直流発電機を取り付

第6章では戦後の電力復興に大きい役割を果たした

けて水力発電を行なったのが最初と言われている。

国内の大規模水力向けの大容量水車について述べ、そその後1891（明治24）年には琵琶湖疏水事業に併せて蹴上発電所が建設され、日本で始めての事業用水力発電が始まった。

の製作に当たって開発された技術や関連技術について述べる。
第7章では、わが国における揚水発電の勃興とそこ

日本の電力事業は1883（明治16）年に設立された東に用いられるポンプ水車の技術の発展について述べ

京電燈会社（東京電力の前身）が1887年から往復動蒸る。特にポンプ水車の開発初期に遭遇したいくつかの気機関による火力発電によって電燈電力の供給を開始

技術問題について述べる。

したのが始まりである。

第8章では、国内の大規模電源開発が一巡した後、その後、大容量の発電機の実用化や高電圧による長海外へ輸出された多数の大容量水車を紹介し、その製距離送電技術が発達して遠隔地の大容量水力が利用で作にあたって開発された巨大水車の製造技術についてきるようになり、多くの水力発電所が建設された。以述べる。続いて第9章ではそれら輸出水車の中の記録

来、水力発電はわが国の電力供給の基幹電源として利品を製作するためのメーカー間の協調、特に国際分業用されるようになり、1960年頃、当時、豊富であったなどについて紹介する。またわが国では珍しいタンデ

石油を燃料とする火力発電が大々的に建設され利用さム形揚水発電ユニットの記録品についても触れる。

れるようになるまで、水主火従の時代が続いた。

第10章では、1970年代から発達したコンピュータに

その後わが国の水力発電は、経済的に開発可能な水よる水車の設計技術の高度化について述べ、特に現在力開発地点の枯渇もあって、国内の水車メーカーは海注目されている高度な数値流体解析と遺伝アルゴリズ

外の発電所向けの輸出に注力した。その結果、1965年

ムとを組み合せた水車の最適設計手法などを紹介す

以後、多くの記録的大容量水車が世界各地へ輸出され、る。

国内メーカーの設計・製造技術も大きく進展した。

第11章では、揚水発電用ポンプ水車の高落差化にと一方、国内では、大容量火力や原子力が多数建設さない、高落差ポンプ水車の運用初期に遭遇した動・静れ、変動するピーク負荷への対応が難しくなってきて翼干渉によるランナの異常振動とそれによるランナのいた。そこで変動負荷への対応が優れている揚水発電

疲労破壊事故例を紹介し、それを解明して克服したこへのニーズが高まり、大容量の揚水発電所が多数建設とが、その後の世界最先端の超高落差ポンプ水車の実されるようになった。このため、その後のわが国では、現につながったことを述べる。

揚水発電に用いられるポンプ水車の技術が大きく進歩

第12章では、世界で最初に日本が実用化した可変速した。その結果、この分野での技術は今や世界を大き揚水発電に付き紹介し、次いで国家プロジェクトとしくリードするまでになっている。

て各社が参加して行なった大深度地下海水揚水発電の本報告書では、このような変遷の中における発電用
水車および揚水発電用ポンプ水車の技術発展の過程を
次のような順序に従って概観する。
まず第2章では、わが国に近代水車の技術が伝えられる前の欧米において開発された水車をいくつか紹介

研究成果を紹介する。
最後に第13章で以上の技術発展の過程の全体を概観し、これらの各時代における技術発展の動機付けとなったのは何であったか、さらにそれを可能にした基盤技術が何であったかなどにつき考察する。

し、現代の水車と対比する。
第3章では明治時代におけるわが国の水車の利用状
況ならびに国産水車の状況について述べ、さらに第4章では大正年間における水車の国産技術の発達について述べる。
第5章では昭和年代初期の朝鮮水力開発に用いられ発電用水車の技術発展の系統化調査

1192_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ120

2 初期の水車と現在の水車
ユーフラテス川の流域などで木製の羽根をつけた上掛

2.1 初期の水車

け水車や下掛け水車が、脱穀、製粉、木材や石材の切断などの動力用として用いられていた。これらの水車

水力エネルギーを利用する水車としては、3000年以上も前からエジプトのナイル川、中近東のティグリス、

図2.1

れでも効率は60〜70%程度であった（図2.1）。

古代から用いられていた水車（1）

近代的な水車としては、19世紀に入り、図2.2 a）

周から水を噴出させるようにしたフルネイロン水車に示したような中空の主軸部から流し込んだ水を下部（図2.2 b））が発明された。これは流入水量を調整してに取り付けた回転する円盤状の容器（ランナ）の外周

出力を調整することができたので、当時、盛んに動力に設けた後ろ向きのノズルから噴出させ、その水の反用として利用された。

動でトルクを得るようにしたバーカー式反動水車が発その後1843年頃、回転軸に沿って水を流通させるジ明された。これはその後のいろいろな反動水車の根源

ョンバル水車（図2.2 c））が考案された。これは平面をなすものであるが、出力も小さく使い勝手がわるか図に示したように、ランナの上部に部分的に開口したったため一般にはほとんど普及しなかった。

円板を配置し、その開口部を別の半円形の円板で開閉

その後1827年にこれを改良して円盤状のランナの全

図2.2

120

は中世から近代にかけてかなり改良されてきたが、そして水量を調整するようにしたものである。

近代水車の先駆けとなった水車の例（1）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ121

さらに1849年に米国のJ.B. フランシス（J.B. Francis）

現在、ペルトン水車は、主として200m以上の高落

がランナの外周から水を流入させ、これをランナ下側差に用いられるが、初期の頃は作動原理が簡単で製作

から軸方向に流出させるフランシス水車を発明した。

も容易なことから100m以下の低い落差にも適用され当初のフランシス水車には流量調整をする可動ガイド

た。

ベーンが無かったが、後にランナの外周に配置した多

しかし、これらの初期の水車は、在来の木造水車と数の案内羽根を一斉に動かして流量調整を行なう機構

同様、主として一般の動力用に用いられていた。発電を取り入れて、現在の可動ガイドベーンを備えたフラに用いられるようになったのは、1882（明治15）年にンシス水車が誕生した（図2.3）。

ニューヨークで世界最初の水力発電が行なわれてからである。

2.2 現在の発電用水車
水車が発電用に使用されるようになって、大容量のものが次々と製作されるようになった。それにともな
い、様々な研究が行なわれ、設計・製造のいろいろな面で改良が加えられた。
日本に発電用水車が輸入された初期の頃（1888（明治21）年頃）には、一部にいろいろな形式の水車（ベ（1）

図2.3 初期のフランシス水車（流量を調整する可動ガイドベーンが無い）

ル水車、マッコーミック水車など）も輸入された。し反動水車が発明された頃、一方において、圧力水をの水車は淘汰され、1910年ごろには、そのほとんどがノズルから噴出させそれを回転円輪の外周に配置した

現在用いられているのと同様なペルトン水車とフランバケットに当ててトルクを発生するようにした衝動水

シス水車となった。これらの水車の基本構造は、初期車も用いられていた。

のものに対する改良がほぼ一巡した1915年頃（大正初当初、このバケットは単純な箱形または半球形であかしその後、性能の劣るものや出力制御の困難な形式

期）から現在に至るまでほとんど変わっていない。

った。ところが、この水車の修理を行なっていた米国

フランシス水車は、低落差用になると、ランナ形状のL.A. ペルトン（Lester A. Pelton）が、単純な椀形

が段々軸流に近くなる。このため数十m以下の低落差のバケットの中央に水を当てるよりも先端に当てた方

ではフランシス水車のランナの外周バンドを取り去

が出力が増すことに気づいた。その後研究を重ね1870

り、完全に軸流のプロペラ形状にした水車が用いられ

年に椀形バケットの中央に左右を二分する仕切りを設る。これがプロペラ水車である。ただし、このプロペけることにより、さらにトルクが上昇し効率が改善さ

ラ水車は流量を絞った場合に、ランナ羽根への流水のれることを見出した。1880年に彼はこの構造の水車の流入角度が大きく変わるため羽根入口で衝突損失を生特許をとった。これが現在のペルトン水車の始まりでじて部分負荷効率が非常に低下する。この欠点を改良ある（図2.4）。

するため、流量に応じてランナの羽根角度も変えるよ
うにしたのがオーストリアのV. カプラン（Viktor
Kaplan）により1912年に発明されたカプラン水車である。この水車が日本へ導入されたのはかなり遅く、
1930（昭和5）年になってからである。
以上の3種の形式の水車の内、ペルトン水車とフランシス水車は横軸形式のものから始まったが、その後大容量化するにつれ設置面積が小さくて済む立軸形式のものが用いられるようになった。
カプラン水車は立軸形式が最初に出現した。その後10m前後の低落差に適用されるようになると、非常に

図2.4

初期のペルトン水車（2）

大流量となることから、立軸形式の渦巻ケーシングの製作コストが無視できなくなり、ダムを貫通する形で発電用水車の技術発展の系統化調査

121

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ122

水路を作り、その中に発電機と水車ランナを設置するを行なうポンプ水車が多数建設されるようになった。

横軸形式のカプラン水車が出現した。この形式の水車

このポンプ水車には、1台の機械の回転方向を逆にしは、流路内におかれた発電機格納容器が球根（bulb）て揚水と発電を行なうようにした可逆ポンプ水車と、の形状をしていることからバルブ水車と呼ばれ、カプ

水車とポンプを一軸に連結し、これを1台の発電電動ラン水車と区別されている。この水車が日本へ導入さ機に結合したタンデム（直列）式ポンプ水車の2種類

れたのは1960年ごろである。当初は数千kWのものでがある。

あったが、1975年ごろからは2万〜4万kWの大容量機が製作されるようになった。

このような経緯で、現在は、一部の特殊な形式の水車を除き、ほぼ表2.1のような形式の水車が用いられさらにその後、フランシス水車とカプラン水車の中ている。この中でもフランシス水車は適用範囲が広く間の落差領域に可動翼ランナ羽根を適用して部分負荷かつ効率も高いので、わが国の水力発電所のほとんど時の効率を高めようとの趣旨で、斜流水車が出現した。

はフランシス水車を用いている。

発電専用の水車とは別に、1960年代から、揚水発電
表2.1

現在用いられている発電用水車の形式

ペルトン水車では、落差が高くなるほどランナ直径が大きく回転数も大となる。逆に低落差では流量が増すので、ノズル数を増やす。横軸では2射までであるが、立軸では6射まで可能である。なお、横軸でノズ
ル数を増やしたいときは、ランナを発電機の両側に各1個取り付けるいわゆる両掛ペルトン水車とし、各2射、計4射まで増やすことができる（図2.5、2.6）。
（注）「射」はノズル数を示す。

図2.5

122

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

現在のペルトン水車

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ123

図2.6 ペルトン水車ランナ（黒部第四発電所用、
写真：日立製作所提供）

フランシス水車では、落差が高くなるに従い、ランナの入口径が出口径に比べて大きくなる。当然ながら

図2.7

流量が増えると、ランナ出口径が大きくなり、全体の寸法が大きくなる（図2.7、2.8）。

フランシス水車ランナの例（写真：東芝提供）

図2.8

現在のフランシス水車の例

カプラン水車では落差が高くなると、ランナの羽根枚数が増える。またランナ羽根を操作する操作機構が頑丈になるため、ランナボス部の直径が大きくなる（図2.9、2.10、2.11）。

発電用水車の技術発展の系統化調査

123

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ124

カプラン水車はランナ羽根が主軸中心線に対し90°の角度で水平に取り付けられているが、斜流水車はランナ羽根を45°から70°の範囲で傾けて取り付け、流れが内向きに流入するようにしてカプラン水車よりも高落差への適用を図ったものである。比較的高落差（80〜150m）に適用する場合は45°とし（図2.12）、低落差（60〜80m）では60〜70°とする。
バルブ水車は、前述のようにカプラン水車を横軸にしたものである。代表的な例を図2.13に示す。

図2.9

落差とカプラン水車のランナ羽根枚数

図2.12 45°斜流水車の例（7）（日立製作所提供：新大倉発電所用機）

図2.10

カプラン水車の例

図2.13

図2.11 カプラン水車のランナ（写真：東芝提供）

124

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

バルブ水車の例

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ125

3 明治時代の水力発電黎明期の水車電を開始した。この発電所は翌明治25年1月に京都府

3.1 わが国の発電用水車の始まり

より電気事業の認可を受け、京都市内の紡績工場などへの送電を開始した。これがわが国における事業用水

明治維新後、時の工部省工作局が、精米などに従来

（2）
（3）
（4）
（5）
力発電の始まりである。

この発電所の第一期工事では、1891年5月から1897

用いられていた木造水車に代わり洋式水車の利用を勧奨した。これを受けて岡崎付近、甲府市郊外、市川大年5月にかけて順次水車と発電機が設置された。

門紡績工場、上州桐生織物工場、京都梅津製紙工場なその配置図（図3.1）によれば、ベルト掛けで結ば

どに動力用として採用されたとあるが、導入時期、所れた水車と発電機は必ずしも1対1に対応しておらず、（3）

在、水車の形式などの詳細は伝えられていない。

20台のペルトン水車により19台の発電機を駆動していニューヨークで世界最初の水力発電が開始されてかる。これらのペルトン水車のほとんどは輸入品（少なら6年後の1888（明治21）年に、宮城紡績会社が仙台

くとも内6台は米国ペルトン社製）であったが、2台の市の近くの三居沢にあった紡績工場の動力用水車に三みは石川島造船所製

吉電気工場製の5kW直流発電機を取り付けて、わが国た。なお、発電機も、輸入発電機に混じって国産初ので初めて水力発電を行なった。この発電機は、後に東芝浦製作所製60kW 2相交流発電機1台が使用された。

芝の前身の東京電気を創立した藤岡市助が設計・製造

現在からみると奇異に感ずるのは、これらの19台の発を指導して製作したもので、現在、同型のものが東北

電機が直流機6台、単相交流機4台、2相交流機3台、3

電力三居沢電気百年館に展示されている。

相交流機6台と多くの機種に分かれており、電圧も200

90kWペルトン水車が使用されその後1890（明治23）年には、下野麻紡績会社にてボルトから2,400ボルト、交流の周波数も50、60、125、95馬力、足尾銅山にて400馬力の水車を用いた水力発

133Hzと多岐にわたっていることである。これは、こ電が行なわれている。（3）

れらの各発電機が、それぞれの需要家別（電灯、紡績、

その後1891（明治24）年5月には琵琶湖疏水事業に併せて建設した蹴上発電所が完成し、同年11月から送

図3.1

蹴上発電所

一般動力、電気鉄道など）に送電していたことによる。
（5）

機器配置図（京都市上下水道局所蔵）

3.2 事業用水力発電の拡大と主要な水車

これらの初期の電灯会社の多くは需要地近くの小規模

日本の電力事業は、1886（明治19）年、東京電燈会

送電電圧が低く、送配電距離が制約されていたためで社（東京電力の前身）が開業したのを皮切りに1887年
以後、名古屋、大阪に相次いで電灯会社が開業した。

の火力発電から電力を供給していた。これは、当時、ある。
上記の蹴上発電所の成功と1894（明治27）年頃より発電用水車の技術発展の系統化調査

125

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ126の石炭価格の高騰による火力発電のコスト高により、（2）の立軸大容量機への先鞭をつけた。

水力発電所の建設が盛んに行なわれるようになった。

輸入水車は、スイスのEW社製とドイツのフォイト

しかし、発電した電力を遠方に送電することができな（Voith）社製がともに約40%を占め、残りが米国のモかったため、水力発電所の立地も消費地に近い地点にルガン・スミス（Morgan

限られていた。

ス・レッフェル（James Leffel）社の製品であった。

この事情を一変したのが、高電圧による長距離送電

Smith）社やジェーム

これは欧州メーカーが日本に出張所を設け積極的に売り込みを図ったことにもよるが、米国製に比べ製品の技術の確立である。
わが国における高電圧長距離送電は、1899（明治32）

出来が良かったことによるところが大きい。

年に郡山絹糸紡績が猪苗代湖の水を利用して建設した
沼上発電所から郡山まで30kWの電力を11,000Vで3.3 国産技術の発達

22.5km送電したのが始まりである。以後、東京電燈の駒橋発電所（山梨県、桂川）から東京早稲田までの

上述のごとく、明治時代の水車はほとんどが輸入水76km送電（15,000kVA、55,000V、1907年）、名古屋車であったが、1892（明治25）年5月に完成した箱根

電灯の八百津発電所（岐阜県、木曽川）から名古屋ま電燈

での44km送電（10,000kW、66,000V、1911年）、宇治と称した）に、東京中島製作所製の30馬力の反動水車

川電気の宇治発電所から大阪までの77km送電および三吉電機工場製の直流発電機が設置された。こ（25,000kW、77,000V、1913年）と電圧と送電距離がれが国産第一号の水車 （2）（3）であり、かつ国産機器の順次伸びていった。1914（大正3）年には猪苗代水力みを用いた最初の水力発電所と言われている。水車の電気の猪苗代第一発電所から東京田端までの228km送

形式はニューアメリカンタービンと記載されているが電（35,000kW、110,000V）が始まり、本格的な高電

その詳細は不明である。
この後、国産水車としては、日光電力に40馬力ペル

圧長距離送電が行なわれるようになった。
これにより、水力発電所を遠隔地の水力の豊富な地

トン水車（石川島造船所製、1893年9月起工）、豊橋電点に建設することが可能となり、大正時代には単機出

燈に20馬力レッフェル水車（東京三吉工場製、1894年

力が6,000-10,000kWを超える水車が製作されるように3月起工）、仙台電燈に40馬力水車（形式不明、赤羽製なった。

作所製、1894年7月起工）が記録されている（3）。

このため、1912（明治45）年には、ついにわが国のなお、現存するメーカーとしては、東芝の前身の芝水力発電の総出力（233,000kW）が火力発電の総出力

浦製作所が1900（明治33）年から水車製造事業に参入（229,000kW）を超えた。以後、1963（昭和38）年にし、1902年に完成した39kW立軸マッコーミック水車

再び火力発電出力が水力発電出力を超えるまで、水力を手始めに、累計出力6,700馬力を製作している。こ

発電はわが国産業の電化により急増する電力需要をまれは明治年間の国産水車の8割余を占めた （6）。またかなう主電源として活躍し、水主火従時代が続いた。

1911（明治44）年には日立製作所が水車製造事業に参しかしながら、明治時代におけるわが国の水車産業

入し、300馬力ペルトン水車を1912（明治45）年に製の技術レベルは模倣の域を脱せず、これらの大容量水作している。（7）力発電所に設置される水車はほとんど輸入品であっ（注）芝浦製作所（現、東芝）は1911年に水車製造業

た。参考文献（3）によれば、1912（大正元）年末に務を電業社原動機製造所（以後おける単機出力1,000馬力以上の水車は、最大10,000馬移管した。電業社は1955（昭和30）年に再び東芝の力のもの3台を含め86台、総出力24万馬力余に及んだ水車部門として東芝に合併された。現在の東芝の水が、国産水車は、最大でも500馬力どまりで、1,000馬車部門は、芝浦製作所-電業社の流れを汲む。

電業社と略記）に

明治時代における国産メーカーは、輸入水車の模倣

力を超えるものは皆無であった。
八つ沢からスタートした。芝浦製作所から電業社にかけて初

発電所向けのエッシャーウイス社製10,000馬力フラン期の水車の設計に携わった田沢昌孝は、下記のようなシス水車（Escher Wyss社、以後、EW社と略記）お（8）
趣旨の記述を残している。

よび鬼怒川水力電気

71900（明治33）年から水車の設計に携わったが、当当時の輸入水車で最大のものは、東京電燈

下滝発電所向けの10,000馬力ペ（3）

なお、1912

初は模倣のみ。1901年に初めて自力で新しい水車を長篠発電所で、初めて設計することになったが、ランナ羽根の三次元曲面

900馬力の立軸フランシス水車が運転を開始し、以後をどう図面に表示するか判らず、難渋した。船の船

ルトン水車（EW社製）であった。
（明治45）年には、豊橋電燈

126

湯本水力発電所（当時は発電所のことを電燈所

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ127

体の製図方法を応用して初めてランナを図面化した。

時に3,600馬力しか出なかった。田沢が調査してEW

7新しい水車が輸入されたと聞くと、すぐに飛んでい社に欠点を指摘し改善を要請したが、EW社の技師って観察した。しかし、芝浦製作所が最初に輸入しはEW社の製品にはそのような欠点は有り得ないとた米国製の150馬力ペルトン水車は構造が至って粗取り合わなかった。その後、このバケットが磨耗し雑で、自分がそれまで芝浦製作所で手がけていた火たので電業社で設計を見直して作り変えたところ、力発電用の150-300馬力の蒸気機関に比べ、機械と（2）（8）
見事に出力が出るようになった。

いうにはあまりにもお粗末なものであった。ガバナ

71911（明治44）年に名古屋電燈の八百津発電所に据も機械的な調整装置だけで、発電機の並行運転など

え付けられた米国モルガン・スミス社製の4,200馬はとても出来ない代物であった。しかし、1902年に力のフランシス水車4台の内1台のケーシングが試運

EW社から輸入した最新式のフランシス水車はまこ

転中に破裂し、4名の死傷者を出す事故を起こした。

とに立派なもので、初めて機械らしき水車を見た。

翌年より残り3台で運転していたが、1920年ごろにガバナも当時最新式の水圧式であった。

もう1台も破裂事故を起こした。そこで1923年に4台

このようにして田沢は輸入水車を観察してノウハウ

とも電業社製に交換したが、以後1974（昭和49）年を学んでいったが、そのうちに輸入水車のトラブルのまで無事運転した。このときに電業社では、流量調相談にも乗るようになった。当時は、欧米メーカーと整をするガイドベーンの操作機構の設計とケーシン

いえどもまだ手探りの状態で、必ずしも設計法が確立

グの鋳造方法を改善した。

していたわけではなく、輸入水車にも事故が多発した。

ちなみに、この1974年に運転を停止した旧八百津発輸入水車のトラブルに関する話を再び田沢の自伝から

電所（1-3号機の水車と発電機を含む；図3.2）は、国

引用して下記に示す。

の重要文化財の指定を受け、1998（平成10）年より旧

71906（明治39）年に箱根水力

塔ノ沢発電所に据え

八百津発電所資料館（岐阜県加茂郡八百津町）として付けられたフォイト社製ペルトン水車のランナが破公開されている。また4号機は1949（昭和24）年に北裂した（注：バケットが破断して飛散したものと思

陸電力

われる）
。強度不足であることをフォイトの技術者に動中である。当時の国内メーカーは、少ない実績にも話し、強度を約2倍にしたランナに作り変えさせた。

かかわらず、このような経験を通して急速にノウハウ

71909（明治42）年竣工の王子製紙

苫小牧第一発電

足羽（あすわ）発電所に移設され、現在も稼を蓄積していった。

所のEW社製4,600馬力ペルトン水車の出力が試運転

図3.2

旧八百津発電所資料館内部（写真提供：八百津町教育委員会）

発電用水車の技術発展の系統化調査

127

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ128

4 大正年間における大容量化と技術の発展（大正3）年には塩原電気

4.1 国内メーカーの入れ替わり

真野川発電所向けに106馬力フランシス水車を製作した。その後、このわずか2台の水車の製作経験しかなかった日立製作所が、1914

明治年間には芝浦製作所（後に電業社）、東京石川（大正3）年に利根発電から岩室発電所向けの10,000馬島造船所、東京中島製作所、東京三吉電機工場、京都

力（7,460kW）横軸フランシス水車3台を受注した。

吉見鉄工所、大阪大谷鉄工所、足尾銅山製作所などが日立製作所では、この水車を製作するため、駒橋発電（3）、1908（明治41）年には電業所などの輸入大容量水車や海外の文献の調査を行な社が残るのみで、他は水車の製造を停止してしまった。

い、翌1915（大正4）年から1916年にかけてこの水車

しかし一方で、新しいメーカーも水車製造事業に参入を無事完成した（図4.1）。これにより、国産水車の実してきた。

績は一挙に引き上げられた。なお、日立製作所の実績

水車を製作していたがまず1910（明治43）年に創業した日立製作所は創業

表（10）によれば、同社は、この後大正年間（1912-1925

者小平浪平の水力発電に対する思い入れもあって創業年）に単機出力3千kWを超える水車だけでも29台、合直後から水車製造に着手し、1911年に峰の沢鉱山向け

計出力13万9千kWを製作している。

300馬力ペルトン水車と250kVAの発電機、また1914

図4.1

岩室発電所向け10,000馬力フランシス水車（日立製作所小平記念館蔵、写真：同社提供）

また一方、三菱合資会社 造船部（現 三菱重工業）

羽根尾発電所向け6,900kW立軸フランシス水車を始も1909（明治42）年に水車製造に着手し、1915（大正め、単機出力3千kWを超える水車だけで46台、合計出

4）年に新日本窒素肥料の内大臣川発電所向けに力18万4千kW余を製作している。（6）1914（大正3）年

3,680kWの横軸ペルトン水車を製作した。三菱重工業に第一次世界大戦（1914〜1918年）が勃発したために

の実績表

（11）

によれば、同社はこの後1917（大正6）年には東京電力猪苗代第二発電所向けに、前記の日立入不能となった。ところが一方において、この世界大製作所製の岩室発電所向け水車を凌ぐ7,700kWの横軸戦によりわが国からの輸出は急増し、国内景気も上昇

フランシス水車5台を納入している。同社は、これらして電力需要も急増した。このため、多数計画されてを含め、大正年間に31台、総出力6万3千kW余（単機

いた水力発電所の建設を進めることが急務となり、こ

出力3千kW以上に限れば6台、4万2千kW）の水車を製

れらの発電所向けの大容量水車が急遽国内メーカーに作している。

振り替えられて発注された。上述のように、大正時代

一方、電業社も、単機出力の記録品としては後発の
上記2社に後れをとったが、大正年間に、吾妻川電力

128

ドイツあたりから輸入を予定していた大容量水車が輸

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

前半に発注されたこれらの水車が、以後の国内水車製造業発展の端緒となった。

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ129

この頃電業社が受注した揖斐川電力

西横山発電所も多く、欧米メーカーとの関係を損じることは許され向けの国産初の立軸フランシス水車（1,350kW、1915なかった。よって、欧米メーカーのものを模すること年）（図4.2）も、ドイツのフォイト社へ発注予定であっなく、全く独自の設計でこの調速機を製作した（図4.3）。

たものが急遽電業社へ振り替えられたものである（6）。

運転結果は非常に良好で、以後、調速機を国産化す

なお、中部電力の史料（9）によれば、この水車は1963

るようになった。

（昭和38）年に廃止された後、岐阜総合学園を経て岐阜県揖斐郡藤橋村に移管され、同村の「道の駅」に保管されている。
この後、第一次世界大戦が終わると1920（大正9）年の株式暴落に始まる経済恐慌に見舞われ、また1923（大正12）年には関東大震災が起こり、国内景気は一時停滞したが、国内の水力開発は着実に進み、多くの
2千〜5千kW級の水車が製作された。しかし、第一次世界大戦後は再び欧米メーカーが国内市場に戻ってきて競争は激しくなり、国内メーカーはこれら欧米メーカーに打ち勝つべく、技術の向上に努めた。

図4.3 国産初の油圧式調速機（6）（長野電燈 八那池発電所用）（2）土砂磨耗対策のライナの発明
大正年代の初期、欧米から輸入された水車の土砂磨耗による性能低下が問題となっていた。中でも大井川にある小山発電所に納入されたボービング社製水車が、2、3ヶ月の運転で土砂磨耗により効率が20％も低下するという事態となった。この相談を受けた電業社の田沢昌孝は、ランナ、カバー、主軸などの磨耗の激図4.2 国産初の立軸フランシス水車（1,350kW、揖斐川電力（株）西横山発電所用）（6）

しい部分に交換可能のライナを取り付けることを考案
し、水車の長寿命化を図った（8）。これはその後他の発電所にも応用され、好評を博した。現在では世界中の

4.2 大正年間における国産技術の発達

水車に採用されているが、もともとは大正年代初期に日本で考案されたものである。

（1）油圧式自動調速機の開発（8）（3）酸性河川用水車

明治年間において水車は製作できるようになった

1921（大正10）年に製作した群馬電力（株）金井発が、油圧式の調速機はもっぱら輸入品に頼っていた。

電所用 4,650kW横軸フランシス水車（電業社製）は、

しかし、水車に付属して輸入する場合を除き、調速機

わが国初の酸性河川用水車である。この水車はランナ、単品の販売に応じてくれる欧米メーカーは少なく、国ガイドベーンを砲金製とし、かつ主軸、ガイドベーン

産水車メーカーは調速機の調達に苦労していた。

軸などの接水部分をすべて砲金で被覆した。ケーシン

1913（大正2）年に長野電燈会社が八那池発電所用

グは比較的腐食の少ない鋳鉄で製作した。

のペルトン水車をドイツのフォイト社と電業社に各1

この水車は、1989（平成元）年、一式更新で置き換台発注した。この際、電業社では意を決して、この水えられるまで無事運転を続け、以後の酸性河川用水車

車用の調速機を自社で製作することにした。このときの先鞭をつけた。なおこの実績により、電業社は、の契約は、万一調速機不調の場合は、輸入品と無償交

1927（昭和2）年、八甲田山に源を発する酸性河川の換するとの条件であったという。

荒川に青森電燈株式会社が計画した大不動発電所

当時、電業社では輸入水車の据付などを行なうこと（1,550kW）、寒水沢発電所（1,200kW）、矢別発電所

発電用水車の技術発展の系統化調査

129

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ130（930kW）の3発電所の水車を全台受注した（6）。
なお、酸性河川の多い東北電力では、戦後、1948（昭和23）年から約10年間にわたり東北大学と共同で「酸性河川水の水力発電所工作物の腐食・防食に関する研究」を行い、ランナ、ガイドベーンなどの材料として18Cr 8Niステンレス鋼や、チタン、モリブデン、銅などを添加した13Crステンレス鋼が優れた耐食性を示すことを認めた。1950年頃からはこれらを実機に採（2）用し効果を挙げている。

（4）鋼板製ケーシング（6）（8）

図4.5

機器が大型化するに従い、従来の一体鋳造によるケーシングでは対応できなくなり、リベット接ぎ手で鋼板をつないだ鋼板製ケーシングが用いられるようになった。

わが国初の円形断面鋼板製渦巻ケーシング（2,000kW、中岩発電所用）（6）（5）コンクリート製ケーシング
第一次世界大戦（1914〜1918年）により1917（大正6）年に鉄鋼価格が暴騰した。これを受けて低落差機

缶胴式水車の単純な円筒形のケーシングは早くからにはコンクリート製ケーシングが採用されるようにな

鋼板製リベット構造で製作されていたが、1912（大正り、1919（大正8）年に運転を開始した奔茂尻発電所

ぽん も しりぞうぞう

蔵々発電所に納入された1,350kW（現、北海道電力）、1924（大正13）年に運転を開始し水車には、初めて鋼板製リベット構造の渦巻ケーシン

た由良川発電所（現、関西電力）などにコンクリート

グが用いられた。ただしこの渦巻ケーシングは、鋳造製ケーシングが用いられた。（2）元）年に越後電気

ケーシングのように流路断面を円形にして製作することが困難であったため矩形断面であった（図4.4）。

なお、国産水車としては1925（大正14）年に運転開始した七宗発電所（岐阜電力）用2,700kW立軸フランシス水車が初めてコンクリート製ケーシングを採用し（6）たといわれている。

（6）超低落差水車
落差がわずか5〜6mという超低落差大流量の発電所には、現在ではカプラン水車やバルブ水車が用いられているが、大正時代にはこのような超低落差用の水車がなかった。このような発電所にフランシス水車を適用すると、機器寸法が大きくなり、かつ回転速度が非常に遅くなって発電機も高価になってしまう。低落差・低流速でも回転速度を上げられるようにするには、ランナ径を小さくすればよい。しかしそれでは流量が少なくなってしまうので、これを解決するため、
図4.4

130

わが国初の鋼板製渦巻ケーシングを用いた水車（6）（1,350kW、蔵々発電所用）

小型の水車を多数並列して設置することが考えられその後、1922（大正11）年に製作された鬼怒川水力このような考えから生まれたのが1917（大正6）年

電気の中岩発電所用2,000kW立軸フランシス水車におに完成した旧八百津発電所の放水口の約7mの残留落

いて、初めて円形断面のリベット構造渦巻ケーシング差を利用した八百津放水口発電所である（図4.6）。こが採用された（図4.5）。以後、1950年頃まで、大型のこには横軸露出型2輪単流4連フランシス水車（ランナ

水車にはこのリベット構造の鋼板製ケーシングが主とは全部で8輪、合計出力：1,800馬力）が設置され、こして用いられるようになった。

れが1,200kW横軸発電機を駆動している。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.Marchた。

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ131

図4.6

八百津放水口発電所の1,800馬力横軸4連
フランシス水車（日立製作所製）（写真提供：八百津町教育委員会）

1926（大正15）年に建設された天竜川電力 大久保
発電所にも、ランナの数は4輪であるが、同様な横軸
露出型2輪単流2連フランシス水車（合計出力：
1,550kW）が設置されている（図4.7）。なお、この発電機と水車ランナは、現在、駒ヶ根高原美術館（長野県駒ヶ根市）構内に展示されている。

図4.7 大久保発電所用1,550kW
横軸2連フランシス水車（6）発電用水車の技術発展の系統化調査131

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ132

5 戦前の昭和年代における新技術と大容量水車（図5.1）を、それぞれ製作納入した。これらが国産初

5.1 昭和初期の国産水車技術の発展のカプラン水車である。
ちなみに、上記吉野第二発電所は、落差変動に対応（1）カプラン水車の国産化するため、交流二次励磁方式による可変速発電機を用

低落差の地点にフランシス水車を適用しようとするいている。この交流二次励磁方式は、現在わが国が世と、前述の超低落差水車のように、多数の水車を並列界の先端を切っている可変速揚水発電所の発電電動機

した構造をとらざるを得ない。これは発電所としてはに用いられている可変速制御方式と同様の方式で、そ大きい床面積を要するため、1台で大流量を扱える水の面でも国産初の技術を用いた発電所である。

車が要請された。このような水車としては、船のプロ
ペラの形をしたランナを持つプロペラ水車がある。しかしプロペラ水車は、部分負荷の効率が非常に低く、かつ水流が乱れて振動を発生するため、ほとんど部分
負荷での運転が出来ない。これを解決したのが、1913
年にオーストリアのヴィクトール・カプラン（V.
Kaplan）により発明されたカプラン水車である。カ
プラン水車はランナ羽根角度を船舶用の可変ピッチプ
ロペラのように可変にすることにより、固定羽根のプロペラ水車が持つ欠点を解決した。
しかしカプラン水車は、ランナ羽根角度を可変にするための可動機構の設計・製作が問題であった。昭和

図5.1 工場で仮組立中の川平発電所向け
カプラン水車のランナ（国産1号機）（写真提供：日立製作所）

年代の初めに国内では北陸電化（株）西勝原第一発電所および東京電燈株式会社

松留発電所にカプラン水車が設置されたが、いずれも輸入水車であった。国産（2）10,000kW超の大容量水車の国産化
昭和に入り、出力が10,000kWを超える国産水車がメーカーは、このカプラン水車の開発に取組み、1930（昭和5）年、電業社が金沢市電気局に立軸カプラン水車（700kW）を続々と誕生した。1930（昭和5）年までの5年間に製作

吉野第二発電所（6）、また日立製作所

された10,000kW超の水車を表5.1に記す。

が広島電気の川平発電所に2,000馬力カプラン水車
表5.1
会

1930（昭和5）年までに製作された10,000kW超の国産大容量水車（6）（10）

社

発電所名

式

出力（kW）×台数

運転開始年

メーカー

関川電力（現、東北電力）

鳥坂

立軸フランシス水車

10,000×3

1925

電業社

京浜電力（現、東京電力）

奈川渡

立軸フランシス水車

10,440×2

1926

日

神岡水電（現、北陸電力）

猪谷

立軸フランシス水車

12,500×2

1928

電業社

天竜川電力（現、中部電力）

南向

立軸フランシス水車

16,500×1

1928

電業社

東信電気（現、東北電力）

豊実

立軸フランシス水車

11,950×6

1929日

須川電力（現、東京電力）

松谷

立軸フランシス水車

15,500×2

1929

電業社

富山県電気局（現、北陸電力）

真川

横軸ペルトン水車

13,900×1

1930

日

立軸フランシス水車

12,000×3

1930

電業社

立軸フランシス水車

10,500×2

1930

電業社

大淀川水力電気（現、九州電力） 大淀川第二日本電力（現、中部電力）

132

形

小坂

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

立

立

立

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ133

表5.1の中で、南向発電所用水車は、輸入を予定していの一支流の赴戦江をダムで締め切り、その水を北朝鮮た天竜川電力に国産水車採用を働きかけ、3台中1台のの東側の日本海に落とせば、近距離で1,000m近い落差

国産を認めてもらって製作したものであったが、試運が得られ数十万kWの発電が可能であることを明らか

転ではスウェーデンのボービング社製の輸入水車よりにした。そこで当時の電力消費産業である硫安肥料製（6）

造工業に狙いを付け、森田一雄の知人である日本窒素

も好成績を収め、国産技術の宣揚に役立ったという。

以上のように、この時期に1万kW級の水車の製作経

の総帥

の ぐち

したがう

野口

遵にこの開発計画を持ち込んだ。野口

験を積んだことが、次項で述べる朝鮮の大規模水力開は直ちにこの計画の実現に乗り出すことを決め、同年発に用いられる大容量水車の製作に役立った。

末にはその具体化に向けて動き出した。（12）（3）国内初の揚水発電所（6）この開発構想は、赴戦江の他に、それに隣接する長1930（昭和5）年、日本海電気（現、北陸電力）が津江と虚川江も含め水車総数35台以上を擁する水力発

小口川第三発電所に落差621m、出力9,000kWという当電所12ヶ所を建設し、総出力100万kWを得ようという

時わが国最高落差の横軸ペルトン水車2台（電業社製）

ものであった。またその中のいくつかの発電所には、を設置した。日本海電気では、その3年後、この発電

単機出力が3万kWを越える水車16台を用いるという当所に当時国産最高揚程である全揚程670m、揚水量

時としては桁外れに大規模のものであった。（6）0.4m3/s、5,100馬力の6段タービンポンプを設置し、季の日本の国内の総発電容量が約320万kW、内、水力発節調整の揚水発電所としての運用を開始した。これは電容量が約196万kW（1926（昭和

水車とポンプが別個に設置されたいわゆる別置式揚水の単機出力の最大のものが関西電力発電所であるが、これがわが国初めての揚水発電所で28,600kW（EW社製、1926年）であったことから見てある（図5.2）。

も、この計画がいかに大規模であったかがわかる。

当時元）年）（15）、水車
蟹寺発電所の

野口はこの計画遂行のため朝鮮水電株式会社や長津江水電株式会社を設立してこれらの水力開発に当たらせた。このとき、野口はこの計画のうち落差700mで出力33,600kWの水車4台と32,000kWの発電機4台を擁する赴戦江第一発電所の主機のみは、日本メーカーの実績を大きく超えるものであることからドイツのフォイト社とジーメンス社から輸入することとしたが、国内メーカーの技術育成のためそれ以外の主機はすべて、水車は電業社、発電機は芝浦製作所に発注した。
これらの水車は、表5.2に示すように、その多くは従
図5.2

日本海電気 小口川第三発電所用
横軸単輪単射ペルトン水車（写真提供：東芝）

9,000kW来の記録を大きく超える高落差、大容量のものであった。
またこの3河川の水力開発が一段落した1938（昭和翌1934（昭和9）年、中央電気（現、東北電力）池13）年には、野口、久保田は鴨緑江本流に10万kWの尻川発電所に出力1,350kWの横軸フランシス水車と発電機7台を擁する水豊発電所の建設に着手し、この1,120kWのポンプを一軸を介して発電電動機に直結し主機の水車全台を電業社に、また納期の関係で2台をたいわゆるタンデム形揚水機を設置して揚水発電所と除く発電機5台を芝浦製作所に発注した。

しての運用を開始した。これがわが国における横軸タ
ンデム形揚水機の草分けである。

これらの朝鮮水力開発のために電業社が製作した水車を表5.2に示す。

5.2 朝鮮半島の大規模水力開発とそれに対応する大容量水車の開発
昭和年代初期から着手された朝鮮半島北東部の水力開発は、大正13年に久保田豊（後の日本工営（株）の創業者）の先輩に当たる森田一雄が朝鮮半島の5万分の1の地図を入手したことから始まる。彼は久保田とともにその地図を検討し、鮮満国境を流れる鴨緑江

発電用水車の技術発展の系統化調査

133

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ134

表5.2
受注年

朝鮮水力開発に用いられた国産水車（12）（13）

発電所

形

式

落差（m）

出力（kW）

台 数

1929

赴戦江第二

立軸フランシス水車

214.0

23,000

2

1929

赴戦江第三

立軸フランシス水車

93.2

20,000

1

1932

赴戦江第四

立軸フランシス水車

40.0

6,700

2

1933–1935

長津江第一

横軸両掛ペルトン水車

420.0

38,500

4

1935

長津江第二

立軸フランシス水車

300.0

33,000

4

1936

長津江第三

立軸フランシス水車

116.0

17,000

3

1937

長津江第四

立軸フランシス水車

96.0

15,0003

1937–1939

虚川江第一

横軸両掛ペルトン水車

460.0

42,0004

1937–1939

虚川江第二立軸フランシス水車

177.0

22,0004

1938–1939

虚川江第三立軸フランシス水車

140.0

19,5004

1938–1939

虚川江第四立軸フランシス水車

142.5

21,000

4

1938

水豊

立軸フランシス水車

82.0

105,000

7

1,614,400

42

合

計

表5.2中、落差300mの長津江第二発電所用フランシス
水車は、当時、世界有数の大容量高落差機で、以後の高落差フランシス水車の基となった。

であったため、工作機械まで電業社が自家製作するな
ど、さまざまな困難を克服して対応した。
例えば、水車主軸は直径1,150mm、長さ6,000mm、そまた虚川江第一発電所用ペルトン水車は、落差がの両端のフランジ径は1,650mmであったが、この主軸460mで、それに先立つ長津江第一発電所用ペルトン水車

フランジ径が当初の設計では大きく、当時の室蘭製鋼の落差420mをさらに超えるものであり、出力42,000kW

所の4,000トンプレスで鍛造できなかった。そのため呉は、当時、東洋最大のペルトン水車であった（図5.3）。

海軍工廠の設備の使用を願い出たが話がつかず、結局、ボルトの材質をニッケルクローム鋼にしてボルトを細くしてフランジ径を小さくし、室蘭製鋼所で鍛造できるようにしたと言われている。またランナは鋳鋼製で外形4,300mmあったが、これは朝鮮の鉄道の輸送限界ぎりぎりであった（図5.4）。鋼板製ケーシングは入り口
径が5,500mmという大きいものであったが、リベット接ぎ手構造で無事完成し、リベット構造の大型ケーシ（13）ングの製作技術を確立した（図5.5）。

多くの困難はあったが、この水豊発電所の1号機は昭和16年8月26日に無事営業運転に入った。この発電所の図5.3

虚川江第一発電所用42,000kW横軸ペルトン水車（当時東洋最大）（13）水車をはじめとする機器の製作技術の確立は、川幅1キ

水豊発電所用の水車および発電機は当時の世界最大容建設技術とあいまって、わが国の水力開発の技術を一量機である米国ボルダーダムの85,000kWをはるかに凌ぐものである。国産の水車および発電機が初めて世界記録をマークしたということは、これまで欧米メーカーの後塵を拝してきたわが国の重電機業界にとっても、大きい
マイルストーンとなる実績であるといえよう。
この水車を受注した1938（昭和13）年時点では、既に国際情勢は緊迫しており、資材調達にも苦労する状態であった。また従来実績をはるかに超える機器寸法134

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

ロメートルに及ぶ鴨緑江本流を締め切った巨大ダムの挙に世界トップレベルに引き上げた。

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ135

図5.6

図5.4

水豊発電所用工場仮組時の満州国 松花江発電所用
85,000kW水車のケーシング（写真提供：日立製作所）

フランシス水車ランナ（13）5.3 第二次大戦中における国内向けの水車の製造
1940（昭和15）年に日独伊三国同盟が締結されると同時に日米通商条約が失効し、米国が対日屑鉄輸出禁止を決めた。これにより国内では鉄類の回収を始めるなど戦略物資の統制が厳しくなった。昭和16年になると政府はいろいろな経済統制令を発令し、鉄鋼に関しても国策代行機関である鉄鋼統制会が設立された。こ図5.5 水豊発電所用 現地据付中のリベット構造鋼板ケーシング（13）なお、日立製作所でも、水豊発電所用水車より少し遅れにより、軍需優先で鉄鋼資材は逼迫の度を加え、特に水車に用いる鋳鉄や大型鋼材の需給が極度に逼迫した。

れて、昭和14年に満州国 松花江発電所向けの85,000kW

このような資材不足により、前期の水豊発電所や松フランシス水車2台を受注している。この水車もやはり

花江発電所向け水車のような国策水車以外は、殆んど戦時中の物資不足の中で苦労して製作され、昭和17年に資材の調達が不可能となった。太平洋戦争の勃発ととは工場完成して出荷された（図5.6）。1台目は昭和19年にもに電力の需要は増大したにも拘らず資材調達難から

現地据付完了したが、2台目は現地据付中に終戦となっ電源開発は急速に減少していった。1937（昭和12）年た。その後、ソ連がこの発電所を接収し、水車を撤去しから終戦の1945（昭和20）年に至る水力・火力併せててソ連国内へ移設したと伝えられているが、詳細は不明の新設発電所による発電開始量は表5.3のように急速にである。そのため、残念なことに、この水車は日立製作減少している。

所のサプライリストには記載されていない。
表5.3
年

度

発電開始量（kW）

1937-1945年の間の国内発電設備の発電開始量

1937

1938

1939

1940

1941

1942

1943

1944

1945

43万

58万

75万

76万

36万

26万

19万

–

6万

電力の逼迫を受けて政府は電力の末端に至るまで統まならないため水車の製造とともに発電所建設工事も制を徹底するため、1942（昭和17）年4月、日本発送電

遅延し、結局その多くは日の目を見ないまま昭和20年

株式会社の配電部門を全国9地区に分け各地区ごとに配に至り注文取消しとなった。注文取り消しとなった水電株式会社を設立した。これが戦後の9電力会社体制の車は、電業社のみでも74台、出力で122万2千kWに及ん

ベースとなった。

だという（13）。

昭和18年には、軍需産業の繁忙のため電力の需要は急速に増大した。そのため応急措置として、戦時対策
緊急水車が多数発注された。しかし、資材の調達がま発電用水車の技術発展の系統化調査

135

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ136

6 第二次大戦後の復興期における水力開発と水車
この事故に鑑み、日本発送電では、同発電所と同時

6.1 終戦直後の電力事情と水車の事故期に設置された山梨県の駒橋発電所のEW社製の4,250kW水車も、新製水車に置き換えて更新した。

1945（昭和20）年8月の終戦とともに国内産業の多

もう1件の事故は、昭和25年6月に発生した同じく日

くの工場は生産を停止した。そのため余剰電力が生じ、本発送電の大井川発電所の3号機水圧鉄管の破裂事故

配電会社は薪炭不足に悩む一般家庭に電熱器の使用なである （17）。原因は、入口弁や水車のガイドベーンをどを奨励した。しかし翌年春から産業が復興し始め、操作する油圧系の圧油ポンプの所内電源が不安定とな

昭和21年9月には早くも電力が不足する事態となった。

り、油圧低下をきたして入口弁が急閉鎖したことによ昭和22年に入り電力不足は顕著になり計画停電などがると言われている。3号機水圧鉄管の下部は過大な水実施されるようになった。

圧により破裂して平板に近い状態にまで開口し、またこのように電力需給は極度に逼迫したが、経済情勢

水圧鉄管の上部は、逆に負圧となり、座屈により潰れはまだ混乱の中にあり、本格的な電源開発を行なえるて平らになった。開口した水圧鉄管から噴出した大量状態ではなかった。しかし戦時中に資材不足で工事がの水は、建屋ならびに放水路まで破壊した。このとき、中断されていたいくつかの発電所の工事が再開され、

1、2号機が停止作業中の事故であったため、作業員3

昭和21年には日本発送電（株）の宮下発電所

名の方々が痛ましい犠牲となった。

（21,000kW×2台）などが運転を開始している。それ以外には昭和23年までは新規開発はなく、わずかに農

これらの事故は、多くの教訓を残し、以後の機器設計や保守技術に反映された。

村電化用や工場の自家発電用の数百kWの水車が少しばかり製作されただけである。

6.2 戦後の復興のための大規模電源開発

このような終戦前後の混乱期にあって、水力発電業
界では2つの大きい事故を経験した。
一つは、昭和20年5月に発生した日本発送電（株）

画の審議を開始し、翌年6月に33地点、さらに同年9月の猪苗代第一発電所の水車のケーシング破裂事故であに追加5地点の水力発電所の着工を許可した。これに

る

（16）

。これは、大正2年にドイツのフォイト社から輸より戦後の電源開発が本格的に始まった。

入した落差107.8mの9,000kW横軸フランシス水車6台

その後、過度経済力集中排除法の指定を受け、日本の内の1台、2号機のケーシングが破裂したものである。

発送電（株）は1951（昭和26）年に解体され、9電力水車をほぼ50％出力で運転していたときに突然鋳鉄会社に再編成された。それに伴い、多くの水力発電所

製ケーシングの上部が破裂して飛散し、0.8m×3.7mのの建設工事も地域ごとに9電力会社に引き継がれた。

開口を生じて水が噴出した。この原因は、鋳鉄製ケー

しかしながらこれらの電力会社は資本的にも弱く、電シングの腐食による老朽化が進行していたところへ部

源開発の投資もままならない状態であった。そのため、分負荷運転時の大きい水圧脈動が加わり、疲労破壊を1952（昭和27）年7月に電源開発促進法を公布し、そ起こしたものであることが判明した。当時は終戦直前

れに基づいて同年9月に国の特殊会社として電源開発の至って物資が不足していた時であったため、急遽、株式会社（3分の2を国、3分の1を9電力が分担出資）

同材質（FC15）のケーシングを電業社で製作して応を設立して電源開発に当たらせた。これ以後、戦後の急復旧した。しかしその後、昭和22年8月、別のケー

大規模水力電源開発が軌道に乗り、佐久間、奥只見、シングでも同じ事故が発生した。そこで日本発送電

田子倉、御母衣を始め多くの大容量の水力発電所が全（株）では、翌年、翌々年にかけて鋳鋼製ケーシング

国にわたって電源開発株式会社によって建設されるよに置き換えた。なお、撤去したケーシングをいろいろうになった（18）。

検査したところ無数の微小な鋳巣があることが分か

他方、9電力会社でも資力のある会社は大規模電源

り、最後に水圧による破壊試験を実施したところ、見開発に取り組むようになった。この時期に建設された

かけよりもはるかに低い水圧で破壊してしまったとい

主な水力発電所を表6.1に示す。

う。なお、昭和20年に応急復旧された2号機も、その後鋳鋼製ケーシングに置き換えられている。

136

政府は1948（昭和23）年11月から電源開発5カ年計

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ137

表6.1
事業者

戦後の復興期に建設された主な水力発電所（単機出力50,000kW以上、1963年まで）
発電所

水車形式

関西電力

丸山

立軸フランシス

落 差
80.7m

単機出力×台数
70,000kW×2

メーカー
日立1/電業社1

完成年
1954

電源開発

佐久間

立軸フランシス129.0m96,000kW×4

日立2/東芝2

1956

電源開発

田子倉

立軸フランシス118.2m108,000kW×4

新三菱重工

1959

北陸電力

和田川第二

立軸4射ペルトン

470.0m

68,900kW×2

富士電機

1959

中国電力

滝山川

立軸フランシス314.4m53,200kW×1

日立

1959

電源開発

奥只見

立軸フランシス190.2m137,000kW×3

東芝

1960

関西電力

読書第二

立軸フランシス

117.0m

78,000kW×1

新三菱重工

1960

電源開発

滝

立軸カプラン

37.0m

50,000kW×2

新三菱重工

1961

電源開発

御母衣

立軸フランシス200.0m128,000kW×2

日立

1961

関西電力

黒部川第四

立軸6射ペルトン

588.0m

95,800kW×3

フォイト2/日立1

1961

電源開発

十津川第二

立軸フランシス

90.0m

61,500kW×1

東芝

1962

関西電力

天ヶ瀬

立軸斜流

57.0m

50,000kW×2

新三菱重工

1962

九州電力

一ツ瀬

立軸フランシス

152.4m102,000kW×2

東芝

1963

電源開発

大鳥

立軸カプラン

51.0m

100,000kW×1

日立

1963

電源開発

七色

立軸フランシス

69.3m

87,300kW×1

新三菱重工

1963

電源開発

御母衣第二

立軸フランシス454.0m66,300kW×1

東芝

1963

関西電力

新黒部川第三立軸フランシス290.0m

60,000kW×1

日立

1963

表6.1の大容量水車の多くは当時の記録品であり、多れ以上である。ただしこの材料も難点があり、高熱かくの新技術が採用された。各機種について以下に記す。

ら冷却された状態では焼入れ状態となって硬くて脆い（1）ステンレス鋼製ランナの製造技術性質になることである。このため鋳造後や鋳造欠陥の従来、フランシス水車のランナの多くは、炭素鋼

補修溶接などを行なった後には、必ず600度C程度に加（SC46など）の一体鋳造で製作されていた。しかし戦後、熱してから徐冷する焼鈍処理を行なわなくてはならな

ステンレスなどの特殊鋳鋼に関する技術開発が進み、いし、また溶接時には、割れを防ぐため300度C位に予水車ランナにも土砂磨耗やキャビテーション壊食に対熱しなければならない。

する強度に優れたステンレス鋳鋼製ランナを採用するようになった。

一般にフランシス水車の羽根間のスペースは、大型
ランナといえども、狭隘部は200-300mmしかないこと

ランナ用のステンレス鋼としては、米国の内務省開が多い。そのため、鋳造欠陥の補修溶接を行なう作業

拓局（Dept. of Interior, Bureau of Reclamation）がオー者は300度Cまで予熱されたランナ内で、長時間、溶接

ステナイト系の18Cr-8Niステンレス鋳鋼が耐キャビテ作業をすることが要求される。そのため、水冷ジャケーション性に優れているとして推奨したことから米国

ットを内蔵した耐熱防護服などを着用して作業するこでは多く用いられた。しかし、この材料は炭素鋼などとも必要となる。

に比べ強度が低いことや熱膨張率が炭素鋼に比べ2倍も国内で始めて13Crステンレス鋳鋼製ランナを採用し大きいことから加工時の切削や研削による熱で変形したのは、1954（昭和29）年に運転を開始した関西電力

やすく、かつ加工硬化を起こすため切削性が良くないの丸山発電所用フランシス水車（日立製）であると言など、扱い難い点が多々あった。またNi含有量が多い

われている。これ以後、13Cr鋼製ランナは国内でもことから材料も高価でありわが国ではランナ本体の材段々用いられるようになった。

料としては多くは用いられなかった。むしろわが国で

ただし、13Cr鋼を採用した当初は、予熱管理の不備

は、18Cr-8Niステンレス鋼は溶接性が良いことから、から、しばしば溶接方法の不適合による割れなどの事

炭素鋼製ランナのキャビテーション発生部位の保護の故を起こした。そのため一部のユーザーは採用に慎重ために施工される肉盛溶接の材料として多用された。

であったが、その後製造技術が改善され、1965年頃か

このようなことから、わが国ではランナ本体にはマルテンサイト系の13Crステンレス鋼が多く用いられた。

らは広く用いられるようになった。
（2）鋼板製ケーシングの製造技術

この材料は、耐腐食性などは18Cr-8Ni鋼にやや劣るが、1920年代から用いられ始めた鋼板製ケーシングは、キャビテーション壊食や土砂磨耗に対する強度はほぼ

もっぱらリベット接ぎ手を用いて製作されていた（図18Cr-8Ni鋼に遜色がなく、かつ強度は炭素鋼並みかそ

6.1）。

発電用水車の技術発展の系統化調査

137

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ138（鉄道省

千手発電所用

図6.1 リベット接ぎ手を用いたケーシングの例
60,000馬力フランシス水車ケーシング、日立製、1936年；写真提供： 日立製作所）

その後、溶接技術が発達するに従い、ケーシングに

奥只見発電所のフランシス水車は、当時の国内最大

も溶接構造が段々取り入れられるようになった。佐久

容量機であるが、ケーシングは輸送限界内の寸法まで

間発電所用機については、電業社製の1、2号機は鋼板工場で溶接した上、現地の組立工事は、リベット接ぎ

製ケーシングを鋳鋼製ステーリングに工場溶接し、こ手よりも工期短縮が可能なフランジ接ぎ手構造を採用

れを現地にてフランジ接続する方法、日立製の3、4号

している（図6.2）。

機は鋼板製ステーリングに鋼板製ケーシングをリベット接続する方法を採っている。

（電源開発

138

図6.2 フランジ接続のケーシングの例
奥只見発電所用137,000kWフランシス水車ケーシング、東芝製、1960年； 写真提供：東芝）

ケーシングを現地で溶接して組み立てるいわゆる現（38,000kW、富士電機製）であったといわれている。し地溶接ケーシングがわが国で最初に採用されたのは、かしこれらは落差40m以下の低落差機であった。この

昭和27年に完成した東北電力

後、1960（昭和35）年に完成した電源開発

柳津発電所用カプラン

田子倉発

水車（29,000kW、三菱重工業製）や昭和31年に完成し電所用フランシス水車（108,000kW三菱重工業製）では、た電源開発

落差が118mの大容量機であったためケーシング板厚が秋葉第二発電所用カプラン水車

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ139

最大45mmにも及ぶものであったが、現地溶接で施工さった。なお、初期の頃は、図6.3に示したように、現地れた。このような厚板のケーシングの現地溶接は、当溶接の開先が正確に加工されているかどうかをチェッ時発達途上にあった溶接技術の最先端を行くもので、クするために工場でケーシング全体の仮組立を実施し東京大学の協力の下に溶接施工要領書を作成して施工ていたが、1990年代に入ってからは、隣接するセクシ

（18）

したという

。

ョン同士の仮組立のみで良しとする例も多くなり、最これ以後、ケーシングは、特殊な場合を除き、現地

近ではそれも省略することが多くなった。

の組立溶接も含めてすべて溶接で製作されるようにな（米国

図6.3 現地溶接を採用したケーシングの溶接開先の精度確認のための工場仮組立
バウンダリー発電所用 210,000kWフランシス水車、東芝製、1984年； 写真提供：東芝）（3）高落差カプラン水車の出現
カプラン水車は、元来40m以下の落差に適用されることが多かったが、わが国では、戦後、これの高落差への適用が進められた。
まず1957年に運転を開始した関西電力の殿山発電所
用機（71.0m、17,000kW、日立製）が初めて国内で70mを超える落差に適用された。次いで1959年には熊本県営の市房第一発電所用機（73.7m、15,800kW、日立製）
で記録を更新した。
その後まもなく1963年に、運転を開始した電源開発の大鳥発電所用機（51.0m、100,000kW、日立製）は50mを超える高落差機で、今に至るも国内の最大容量機である。この水車は、このような高落差機であるにも拘らず、羽根とステムを分割してボルト締めするラ
ンナ羽根の分割構造や溶接構造ガイドベーンの採用な（7）。
ど、当時の多くの新技術を採用している（図6.4）

図6.4 大鳥発電所用 カプラン水車のランナ（わが国最大容量のカプラン水車、
日立製；写真提供：日立製作所）

発電用水車の技術発展の系統化調査

1392_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ140（4）立軸ペルトン水車の導入と一体鋳造ランナの製造技術の確立

それまでのペルトン水車は個々のバケットをランナ
ディスクの外周にボルト締めする構造であったが、高大容量ペルトン水車には噴射ノズルを多数配置でき

落差大容量になるに及び、しばしばバケットの取付ける立軸ペルトン水車が用いられる。しかしわが国では部が破損してバケットが飛散する事故が発生した。そもともと高落差地点が少なく、高落差用のペルトン水のためバケットとディスクを13Crステンレス鋳鋼で一車に関しては欧米メーカーに後れを取っていた。1953

体鋳造する製法が考案されたが、当時はまだスイスの年に白根発電所用に国産初の12,000kW 立軸ペルトン水

Georg Fischer社のみがその技術を実用化していたに過車が日立製作所により製作されたが、2万kW以上の国

ぎなかった。日立製作所では、フォイト社に発注され産機が作られるようになったのは、1959年以降である。

たペルトン水車が一体鋳造ランナを採用していること

そのため、1959年に運転を開始した北陸電力 和田川もあって、この黒部川第四発電所用機に始めて13Crス

第二発電所用の立軸4射ペルトン水車（470m、

テンレス鋳鋼製一体鋳造ランナを国産化して採用する

68,900kW）は経験の豊富なドイツのフォイト社と提携こととした。しかしながら、13Crステンレス鋳鋼の鋳していた富士電機に発注された。ついで1961年に運転造技術そのものがまだ発展段階にあったときであり、を開始した関西電力 黒部川第四発電所用の立軸6射ペかつ複雑な形状のペルトン水車ランナを一体で鋳造す

ルトン水車も、4台中2台はフォイト社から輸入された。

ることは非常に難しく、日立製作所ではこの製作に非

他の2台は国内メーカー育成のためもあって日立製作所

常な苦労を重ねたという。しかしこの経験によってわに発注されたが、日立への発注分は当初は3号機1台のが国でも13Crステンレス鋳鋼製一体鋳造ペルトンラン

みで、増設の4号機はかなり後に発注され、1973年に運ナの製作技術が確立した。

転が開始された（図6.5）。

図6.5 関西電力 黒部川第四発電所用 95,800kW立軸6射ペルトン水車（わが国最大容量のペルトン水車、日立製；写真提供：日立製作所）

140

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ141

7 揚水発電用ポンプ水車の開発と急速な大容量化
容量を超え、火主水従時代に入った。その後も需要増

7.1 揚水発電の必要性に対応するための大量の火力発電所の建設が見込まれたばかりでなく、1963年には日本初の原子力発電所で1960（昭和35）年代後半からわが国経済は急上昇し、ある日本原電の東海発電所（12,500kW）が運転を開それに伴い、電力需要も急増した。これに対処するた

始し、将来、大容量火力と原子力の急増が予想される

め、昭和30年代に入り火力発電所が次々と建設され、に至った（図7.1）。

1963（昭和38）年にはついに火力発電容量が水力発電

図7.1

わが国の発電設備容量（含：自家用）の変遷（参考資料（15）より作成）

この大容量火力発電や原子力発電は、本来、ベース
負荷用であり、負荷変動に対する応答速度も遅く、系
統の周波数や電圧を安定的に維持するには問題がある。この対策としては、即応電源としての水力発電所

7.2 可逆ポンプ水車の出現とそれに伴う新技術の開発わが国では、すでに1933（昭和8）年に、日本海電の建設が必要であるが、1950年代の大容量水力の建設

気（現が一段落した後は、国内の経済的な大容量水力の開発

8,950kWのペルトン水車に3,800kWの6段タービンポン

地点はほとんど無くなってしまった。このような背景

プが併設され、揚水発電所として運用されていた。まから、1955年頃から国内の電力会社では、深夜のオフ

た1934年には、中央電気（現 東北電力）の池尻川発

ピーク時の火力や原子力の余剰電力を利用して揚水電所でも1,350kWの横軸フランシス水車と1,120kWのし、この水を用いて昼間のピーク時に発電する揚水発ポンプを一軸で発電電動機に連結したいわゆる横軸タ電に注目するようになった。揚水発電による主なメリ

ンデム式ポンプ水車が設置され、揚水発電が行なわれットを下記に示す。

た。これらの先駆的な小規模の揚水発電所はいずれも・深夜電力の吸収による火力発電所の負荷率向上

季節による出水量を調整するためのいわゆる季節調整

・揚水発電所の即応性による系統周波数や電圧の安定用の揚水発電所であり、現在の揚水発電所とはニーズ

維持・系統事故時などにおける即応予備力としての寄与による信頼性の向上

北陸電力）の小口川第三発電所において、が異なる。
1954年、米国のアリスチャルマーズ（Allis
Chalmers）社（以後AC社と略記）が1台の機械で水発電用水車の技術発展の系統化調査

1412_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ142

車とポンプの両用に使える可逆ポンプ水車を開発し（図7.2）、フラットアイアン（Flatiron）発電所で落差91.4m、8,950kWのポンプ水車の実用運転を開始した。
さらに1957年にはハイワシー（Hiwassee）発電所で77.7m、59,500kWの大容量機の運転を開始した。これ
らの情報を受けて、1955年ごろから国内メーカーも相次いで可逆ポンプ水車の開発研究に着手した。
この研究成果を活かしてわが国で初めて建設された可逆ポンプ水車を用いた揚水発電所は、四国電力の大森川発電所である。この発電所には日立製のフランシ
ス形可逆ポンプ水車（落差118m、水車出力12,200kW）が設置され、1959（昭和34）年に運転を開始した（図図7.27.3）。この機械は、わが国の揚水発電所のパイロット

揚水発電用ユニットの形式

プラント的な存在として、貴重な発電所である。
これに引き続き、1962（昭和37）年には中部電力の畑薙第一発電所が運転を開始した。これは5万kWクラスの本格的な機械であったので、リスクを分散するため、3台中1台（51,800kW機）をAC社製とし、2台（45,400kW
機）を日立製作所製としている。このリスク分散の発注方法は、後の東京電力矢木沢発電所でも採用された。
なお、この後1970年までに、表7.1に示すようなポンプ水車が国内の揚水発電所に設置された。これらによって、国内メーカーのポンプ水車の設計・製造技術

図7.3は急速に進歩した。
表7.1

142

大森川発電所用可逆ポンプ水車のランナ（四国電力提供）

初期のポンプ水車（6）（10）

会社名

発電所

落差（m）

水車出力（kW）

台

数

運転開始年

メーカー

四国電力

大森川

118.0

12,200

1

1959

日立

中部電力

畑薙第一

101.8

51,800/45,400

1+2

1962

AC：1、日立：2

関西電力

三尾

137.0

36,000

1

1963

日立

電源開発

池原Ⅰ期

129.5

80,000

2

1964

日立

神奈川県

城山

181.4

65,000

2+2

1964

日立：2、東芝：2

東京電力

矢木沢

111.0

87,0002+1

1965

AC：2、日立：1

電源開発

池原Ⅱ期

129.5

110,000

2

1966

日立

中国電力

新成羽川

94.7

78,000

3

1968

日立

電源開発

長野

107.5

113,000

2

1968

日立

東京電力

水殿

79.8

64,000

2

1964

日立

東京電力

安曇

134.9

108,500

4

1970

東芝

関西電力

喜撰山

220.0

240,000

1+1

1970

東芝：1、日立：1

これらの初期のポンプ水車の実用化には、在来の水ナ羽根は図7.4のような長い羽根となり、在来の水車車専用機とは全く異なる技術の開発が要求された。こよりもむしろ遠心ポンプに似た羽根形となる。かつ羽れらの内の主な問題点を以下に示す。

根枚数も水車が11-17枚なのに対し、ポンプ水車は6-9（1）ランナの設計枚である。

ポンプ水車のランナは、ポンプ運転のときのランナ

一見遠心ポンプの羽根のようであるが、遠心ポンプ

内の流れが、流路が拡大する減速流となる。そのためのランナを逆転して水車として運転しても、多くの場

流路の急拡大による流れの剥離を防止するため、ラン合、水車出力が足りず、ポンプ水車として十分な性能

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ143は得られない。そのため、ポンプ水車として、水車出

とんど受けない。したがって、非常停止時のガイドベ

力とポンプ入力のバランスが取れた性能が得られるよーン急閉鎖による水圧鉄管の水圧上昇も、直線閉鎖でうに設計する必要がある。

かつ管路内の水柱を剛体とみなして水撃圧を計算する
アリエビの式によって、かなりの精度で計算することが可能であった。
しかし、ポンプ水車の場合は、水車運転からの負荷遮断時といえども遮断による主機の回転速度上昇により流量が著しく急減する現象を起こし、それによる水圧上昇が起こる。よって回転系の慣性などを考慮した
回転速度変化を考慮しないと正確な水撃計算が出来ない。またポンプ運転からのポンプ入力遮断時の過渡現
象では、発電電動機が系統から切り離された途端、急速な回転速度低下を起こし揚水能力が急減する。これ
により、負の水撃、すなわち水圧降下を起こすが、これも回転系の慣性とポンプ入力により決まる減速度を考慮しないと正確な予測が出来ない（図7.5）。
初期のポンプ水車が製作された頃は、まだコンピュ

図7.4

ポンプ水車のランナと水車のランナ（2）ガイドベーンの設計

ータが十分発達していなかったこともあって、これらの過渡現象の予測計算に非常に苦労した。これらの現象は、ポンプ水車の広範囲の非設計点の特性、いわゆ

ガイドベーンも、在来の水車に用いられているようる完全特性を考慮しなければならない。そのため、大に羽根出口を薄くした形状では、ポンプ運転時に流れ森川発電所の工事誌（19）によれば、完全特性の非線形が剥離し振動を起こす。よって、初期のポンプ水車で関数による近似なども含め、低速アナログ計算機によは、ポンプ運転中の振動を防止するためガイドベーン

るシミュレーション、手数のかかる在来の図式解法、軸にブレーキを設置したものもある。しかしこれは、

ディジタル計算機によるルンゲ・クッタ・ギル法によ

ガイドベーンの入口に丸みを持たせることにより振動る逐次計算などのいろいろな計算手法を用いて、このを避けることができることが分かり、現在はそのよう予測計算を実施している。アナログ計算機のフローチな形状に設計されている。

ャートを作成して各計算要素をセットする手数や図式

また、この他にも、ガイドベーンの形状が不適当だ

解法の作図などには膨大な労力を要する。またディジと、後述のように、ポンプ運転の起動時に水圧鉄管に激タル計算機による計算といえども、数百枚に及ぶパン

しい水撃波の自励振動を起こすので注意が必要である。

チカードによる入力を要するほか、出力もグラフを描（3）非常停止時の過渡現象計算

かせることが出来なかったためラインプリンタからの在来水車の流量は、ガイドベーンの開度にほぼ比例して変化し、かつ主機の回転速度変動による影響をほ

図7.5

膨大な数字の羅列をグラフ化する作業を要するなど、いずれも大変な労力を要する作業であった。

ポンプ水車の過渡現象の例（実測値と計算値の比較：点線は計算値）（資料提供：東芝）

発電用水車の技術発展の系統化調査

143

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ144

7.3

ポンプ水車導入初期のトラブルの克服と急速な関連技術の確立

機構の剛性との関係でガイドベーン開度の微小変化を生じて揚水量を変化させ、これが鉄管側の水撃波を増1965年前後から大容量の揚水発電所の建設が急速に幅するように作用して自励的に水撃波の振動を生ずる

進められたため、国内メーカーは一挙に5万〜10万kW

ことが分かった。この問題は、その後、ガイドベーン

級の大容量ポンプ水車を設計・製作することとなっの支持軸の位置を変えて形状を改良することによってた。これらの実用化の初期には、いくつかの予測しな回避できることが判明し、現在のポンプ水車は、すべかったポンプ水車特有のトラブルや、新技術への挑戦てこのタイプのガイドベーンになっている。

を経験した。以下にその内の主なものについて述べる。

（3）上部貯水池の初充水試運転に関する技術の確立（1）水車負荷遮断時のガイドベーン閉鎖渋滞

大容量揚水発電所は、河川から上部貯水池への自然負荷遮断時の非常停止において、従来の水車専用機

流入の無いいわゆる純揚水発電所として建設されること同様にガイドベーンを直線的に閉鎖したところ、閉とが多い。在来の発電所では、試運転前に上部貯水池

鎖途中で閉動作が渋滞したり、ガイドベーンが押し戻に湛水し、発電方向に水車を徐々に回転するメタル馴

されていったん開く現象が発生した。

らし運転などを経て定格速度による運転に入り、そのこれは、在来水車と異なり、急速に直線閉鎖した場
合に運転状態が逆転ポンプ領域（下記注参照）に深く入り込み、ガイドベーンが開方向の大きい水力モーメントを受けることによるものである。

後、水車の運転状態をチェックしながら段階的に出力を上げて試運転を行なう。
しかし、純揚水発電所では、予め上部貯水池に湛水することが出来ないので、試運転は上部貯水池の初充またある発電所では、ガイドベーンの全閉直前にこ水のための初揚水試験から試運転を開始しなければなの水力モーメントが急に開方向から閉方向に転じて急らない。初揚水試験においては、低回転では揚水する

激な水圧上昇を起こした。

ことが出来ないので、いきなり定格回転速度においてこれらはガイドベーンの閉鎖速度を途中で遅くする

全出力運転を行なうこととなる。従来の試運転とは全

いわゆる2段閉鎖方法を採用することにより防止でき

く異なり、これには入念な事前準備が必要である。

ることが分かり、現在のポンプ水車ではすべて、この
2段閉鎖方法を採用している（図7.5 a） 参照）。

表7.1の発電所の中で、城山発電所と喜撰山発電所
が純揚水発電所であるが、これらの発電所ではこのよ（注）逆転ポンプ領域：ランナは水車方向に回っていうな慎重な準備の下に無事初揚水試験に成功し、以後るがランナの速度上昇による大きい遠心力で水が逆の純揚水発電所の試運転技術を確立した。

に揚水状態になる運転領域

以上の他にも、コンピュータによる過渡現象計算法（2）ポンプ起動時の自励水撃波の発生のグレードアップ、可逆回転軸受の開発、ポンプ起動

ポンプ運転の起動時には、起動トルクを小さくする

時の制御方法やポンプ充水の際の過渡時にランナに加ため、一般に圧縮空気でランナ周辺の水を押し下げ、わる水推力の制御など、ポンプ水車特有の問題があっランナを空転状態にして起動する。しかる後、定格回たが、これらを逐次解決して可逆ポンプ水車に関する転数に達して発電電動機が電力系統に並列された後、設計ならびに制御に関する技術を確立した。

空気を抜き、ランナに充水して締切り圧が発生した時

これらの技術の集大成が、1970年に運転を開始した

点でガイドベーンを開き、揚水を開始する。この一連

関西電力の喜撰山発電所の240,000kWポンプ水車であの起動操作において、回転中のランナに充水して締切る。この水車は、当時の世界最大容量のポンプ水車でり圧が発生した状態でガイドベーンを小開したとこあった米国トムソーク（Taum Sauk）発電所のポン

ろ、水圧鉄管に激しい水撃波の自励振動が発生し、1プ水車（落差267m、出力225,000kW）を凌ぐ大容量機

秒程度の間隔で発電所の建屋が家鳴り震動してポンプであったが、初揚水試験も含め、試運転は全くノート起動が出来ないという事態が発生した。このときは、ラブルであった。この成功は、わが国のポンプ水車の応急的に、入口弁を閉じたままでガイドベーンを予め設計・製作ならびに制御の技術がほぼ完成の域に達し開いておき、その後、入口弁を開くことによって起動たことを立証するものであった。

するという変則的な起動方法（いわゆる入口弁起動法）を採って凌いだ。
この自励振動は、ポンプ起動時のガイドベーン小開時におけるガイドベーンに働く水力モーメントが鉄管

144側の水圧変動により変化し、これがガイドベーン支持

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ145

7.4

電所に小容量ではあるが1,300kWの斜流水車（落差

斜流ポンプ水車の出現と衰退、斜流水車で延命

46.65m、東芝製）が設置され運転を開始した。この水車は、商用運転では発電運転のみであるが、試運転の以上述べたポンプ水車は、いわゆるフランシス形ポ時には斜流ポンプ水車のパイロットプラントとしてポンプ水車と称されるもので、フランシス水車と同様、ンプ水車としての揚水試験も実施した。したがって、

ランナ羽根は三次元曲面の固定羽根である。ところが、ランナ羽根などはポンプ水車として設計されている。

1957年、英国のイングリッシュ・エレクトリック

なお、この発電所では落差変動幅が大きいため、わが（English Electric）社によって世界で初めてカナダの国で初めての極数変換による二速度発電機

ナイアガラにあるSir Adam Beck No. 2発電所向けに（600/720min–1）が採用されている。

可動ランナ羽根の斜流ポンプ水車が製作され、運転を

斜流ポンプ水車はポンプ運転時の入力調整ができる開始した。これは可動羽根であるため水車運転時の部というメリットを期待されて、その後、名頃の経験に

分負荷効率がよく、かつポンプ運転時に揚水量を変え基づいて計画された四国電力てポンプ入力を調整することが可能である。

69.5m、出力：13,500kW、日立製）を皮切りに、表7.2のような大容量の斜流ポンプ水車が作られた。

これを受けてわが国でも1960年に四国電力の名頃発
表7.2

穴内川発電所（落差：

わが国で製作された大容量斜流ポンプ水車（10）（11）水車運転時

ポンプ運転時回転数

運転

メーカー、台数

電力会社

発電所名

四国電力

穴内川

69.5

13,50075.0

10,730

360

1964

日立1

四国電力

蔭平

89.7

47,70094.0

37,500

240

1968

日立1

中部電力

高根第一

136.2

88,000137.6

99,400277

1969

日立2、三菱2

北海道電力

新冠

117.0

102,000

122.0

103,000

231

1974

三菱2

中部電力

馬瀬川第一

104.9

149,000

109.7

−

180

1976

日立2

北海道電力

高見

115.2

103,000

118.0

102,000

231

1983

三菱1

北海道電力

高見

115.2

103,000

122.3

140,000–1

落差（m） 出力（kW） 揚程（m） 入力（kW） （min ） 開始年

208〜254 1993

三菱1（可変速機）

表中馬瀬川第一発電所の斜流ポンプ水車は、世界最大容量機である（図7.6）。

しかしながら、斜流ポンプ水車のランナ羽根は、水大きい長所とは言えなくなり、1993年に製作された高車運転とポンプ運転では水流が逆となることから、ラ見発電所用機を最後に、斜流ポンプ水車が国内の新設

ンナ羽根に作用する水力モーメントが最小となる位置

揚水発電所に採用されることはなくなった。

（通常は羽根の上流側前縁から3分の1くらいの位置）
で羽根を支えることができず、羽根中央部で羽根を支えなければならない。そのためランナ羽根に作用する
水力モーメントが非常に大きくなる。このため、ランナ羽根を操作する油圧サーボモータが非常に大きくなるばかりでなく、ランナボス内の操作機構も強度的に非常に苛酷な状態になる。また、斜流ポンプ水車は、ポンプ運転時のキャビテーション性能がフランシス形
ポンプ水車に比べて劣るので、据付け高さを低くする必要がある。
これらの短所があるため、斜流ポンプ水車を用いた揚水発電所は建設費が嵩み、経済的にフランシス形ポンプ水車に比べて劣る。またポンプ運転時の入力調整が可能であるという最大の長所も、1990年にフランシス形ポンプ水車の可変速運転が実用化されるに及んで

図7.6

中部電力 馬瀬川第一発電所用
斜流ポンプ水車（日立製）（写真提供：日立製作所）

発電用水車の技術発展の系統化調査

145

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ146

一方、斜流形の水車専用機の方は、ランナ羽根に作

5,500kW、日立製作所製）が製作されたが、1962年に用する水力モーメントが最小となる位置でランナ羽根

運転を開始した関西電力の天ヶ瀬発電所用機（57.0m、を支えることができるのでランナ羽根の操作機構の設

50,000kW、三菱重工製）は一挙に出力記録を押し上計がポンプ水車に比べてはるかに容易となる。しかもげた大容量機である。しかもそれまでの斜流水車は斜可動羽根であるため、同程度の落差に適用されるフラ流角が45度のものであったが、低落差にはそれよりもンシス水車よりも部分負荷効率が良く、またカプラン

速度を高く取れる斜流角の大きいものが有利であるた水車よりも高落差に適用できることから、常時水量のめ、この天ヶ瀬発電所用機では斜流角60度が始めて採少ない河川の発電所用としては優れており、水車専用用された。以後国内ではカプラン水車の適用落差を上機としての斜流水車はその後も多数製作されている。

回る60〜90mにはこの斜流角60〜70度の斜流水車が多1961年には東北電力

新大倉発電所用機（96.9m、a）傾斜角45度の例（電源開発 魚梁瀬発電所用）（97.4m、43,600kW；写真提供：東芝）
図7.7

146

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

く採用された（図7.7）。

b）傾斜角60度の例（関西電力 天ヶ瀬発電所用）（57.0m、50,000kW；写真提供：三菱重工業）

斜流水車ランナの例

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ147

8 輸出用大容量水車と製造技術の発達る。ここではわが国メーカーの技術水準を記録する意

8.1 国産水車の海外への進出

味で、これらの中から20万kW以上（カプラン水車は8万kW以上、バルブ水車は2万kW以上）の主な水車を1960年代に入り、国内の大規模電源開発が一段落し表8.1に示した。これを見ると、水車メーカーが国際たのに伴い、国内メーカーは輸出に注力するようにな

競争に打ち勝つための技術、大容量機を製作するためった。海外プラントは大容量の計画が多く、国内メーの製造技術をいかに開発・発展させてきたかが窺え

カーはそれまでの10万kWクラスの製造経験を基に海る。

外の20万〜30万kWクラスのプロジェクトに次々と挑

なお、表8.1は大容量機に限定したが、これ以下の戦して行った。この輸出ブームは第一次石油ショック

容量の水車も多数輸出されており、例えば輸出の最盛（1973年10月）および第二次石油ショック（1979年2月）

期においては、ベネズエラでは日立の水車が、インドにより世界的大不況となる1980年頃まで続いた。これ

ネシアやトルコでは東芝製の水車が、またタスマニア

以後、為替レートが円高になったこともあってわが国では富士電機の水車がその国の水力発電容量の過半数からの水車の輸出のテンポはやや低下したが、最近はを占めた。

また国際調達などにより競争力を回復してきつつあ
表8.1 1965年以降にわが国から輸出された大容量水車（発電所名は原語による。 F：フランシス水車、K：カプラン水車、B：バルブ水車、P/T：ポンプ水車）（a）日立製作所（10）
国

名

発電所名

最大出力MW 最高落差 m 台数
3
115.0
218.5

完成年
1966

備
F

考

ベネズエラ

Guri Ⅰ

ベネズエラ

Guri Ⅰ

270.0

136.0

3

1972

F

パキスタン

Tarbela

216.0

136.5

4

1972

F

米国

Ludington

343.0

107.7

6

1973

P/T

米国

Castaic

261.0

328.0

6

1973

P/T

米国

Blenheim Gilboa

300.0

339.0

4

1973

P/T

米国

Bear Swamp

320.0

228.6

2

1974

P/T

ベネズエラ

Guri Ⅰ

340.0

136.0

1

1975

F

カナダ

Mica

492.0

182.9

2

1975

F

ベネズエラ

Guri Ⅰ

400.0

136.0

3

1976

F

米国

Brownlee

265.0

81.0

1

1980

F

南アフリカ

Drakensberg

300.0

451.7

1

1981

P/T,東芝とJV（日立製作分）

米国

Helms

414.0

531.6

3

1984

P/T

中国

Minghu

257.0

316.5

4

1984

P/T

ベネズエラ

Guri Ⅱ

730.0

146.0

7

1984〜86韓国

Samrangjin

370.0

345.0

2

1985

ベネズエラ

Guri Ⅱ

730.0

146.0

3

1985〜88

ブラジル

Foz do Areia

430.3

135

4

1989

F

中国

Shuikou

235.0

57.8

2

1993

K、国産最大カプラン水車

米国

Rocky Mountain

320.0

210.3

3

1995

P/T

ベネズエラ

Macagua II

216.0

50.5

12

1996

F

インド

Sardar Sarovar

224.4

116.6

6

―

P/T

中国

Lingjintan

30.93

10.5

9

1998

B

中国

Hong Jiang

48.19

27.3

5

2002

B

中国

Xilongchi

306.0

687.7

4

建設中

P/T、東芝とJV（水平分業）

F、当時世界最大容量機
P/T
F、東芝とJV（東芝製作分）（注）Guri Ⅱの設計は日立、Drakensbergの設計は東芝、Xilongchiは東芝と日立の共同設計

発電用水車の技術発展の系統化調査

147

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ148（24）（b）東芝（6）

国

発電所名

名

最大出力MW 最高落差 m 台数

オーストラリア

Tumut 3

283.0

161.5

3

完成年
1971

F

備

考

オーストラリア

Tumut 3

283.0

161.5

3

1971

P/T、
タンデム式

カナダ

G. M. Shrum

282.0

166.0

3

1971

F

米国

Grand Coullee 3

620.0

87.0

3

1972

F、本体部分のみ製作

セルビア

Bajina Basta

315.0

600.3

2

1982

P/T、当時世界最高落差

南アフリカ

Drakensberg

300.0

451.7

3

1980

P/T,日立とJV（東芝製作分）

南アフリカ

Drakensberg

300.0

451.7

1

1981

P/T,日立とJV（日立製作分）

イラク

Mosul 1

193.0

77.2

4

1983

F

米国

Boundary

210.0

80.2

2

1985

F
F、
日立とJV（東芝製作分）

ベネズエラ

Guri Ⅱ

730.0

146.0

3

1985〜88

ボスニア

Visegrad

111.0

47.0

3

1988

K

ブルガリア

Chaira

216.0

676.8

4

1994

P/T、当時世界最高落差インド

Purulia

259.3

214.5

4

2001

P/T、三菱とJV

インド

Kol Dam

228.8

131.2

4

2007

F

中国

Xilongchi

306.0

687.7

4

建設中

P/T、
日立とJV(水平分業）（注）Puruliaの設計は東芝（c）三菱重工業（11）国名

最大出力MW 最高落差 m 台数

完成年

備

Malpaso

218.0

95.5

4

1966

F

カナダ

G. M. Shrum

266.0

170.7

5

1967

F

メキシコ

Chicoasen

318.0

185.0

5

1979

F

1982

F

考

メキシコ

Caracol

214.0

101.3

3

タイ

Shinakarin

205.0

121.0

1

1984

P/T

米国

J. S. Eastwood

235.0

402.0

1

1986

P/T

タイ

Shinakarin

205.0

121.0

1

1991

P/T

インド

Purulia

259.3

214.5

4

2001

P/T、東芝とJV（c）富士電機（現
国

148

発電所名

メキシコ

名

（20）
富士フォイ
トハイドロ）

発電所名

最大出力MW 最高落差 m 台数

完成年

備

考

473

2

1976

P/T

306.0

164.6

1

1977

F

495.0

130.15

4

1977

F、当時国産最大容量機

Chongpyong

206.0

500.0

2

1979

P/T

Main Canal Headworks

26.8

12.8

1

1983

B

6.4

2

1986

B、
ランナ径:7.3m

22.9

10

1988

K、
ランナ更新、
ランナ径7.4m

13.8

8

1994

B

18.0

6

1994

B

韓国

Chongpyong

206.0

カナダ

G. M. Shrum

カナダ

Revelstoke

韓国
米国
米国

New Martinsville

20.04

米国

Wells Dam

96.9

パキスタン

Chashma

23.7

中国

百龍灘

33.0

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ149

く進歩した。それらの中から主なものを以下に記す。

8.2 大形水車の製造技術の発達（1）高能率大容量自動溶接法の導入

これらの水車は、従来の国内向けの水車に比べ、大い溶接技術が実用化され、大形水車の製造に大いに寄

1955年頃から溶接技術は、図8.1に示すように新し形のものが多く、そのため大形水車の製造技術が大き

図8.1

与した。

溶接技術の発展と実用化

溶接工が施工する手溶接の分野では、初期のフラッ・サブマージアーク溶接

クスで被覆された溶接棒を用いた時代から、CO2ガスでこれは溶接装置が溶接線に沿ったガイドレール上

シールドして溶金の酸化を防ぎなおかつ通電中に溶接を自動走行しながら溶接するものである。まず装置

ワイヤが自動で供給されるようにしたCO2半自動溶接の先頭部分から細粒状の溶接フラックスをホッパー

や、CO2に代わり、アルゴンなどの不活性ガスをシールから溶接開先部分に供給し、そのフラックスを通しドガスに用いたMIG溶接（Metal Inert Gas Welding：て開先部に挿入したノズルを通して溶接ワイヤを自ガスシールド消耗電極式アーク溶接法）などが利用さ動で送り込み、その先端でアークを生じさせて溶接れるようになり、大きく能率が向上した。またフラッを行なうものである。このとき、アーク近傍のフラクス入りワイヤによるガスシールドなしのセルフシー

ックスは融けて溶融スラグを形成し、外気による溶

ルドアーク溶接法なども作業性を向上させた。

融金属の酸化を防ぐ。

この中でも大形構造物の溶接の能率向上に大きく寄

この溶接法は、装置を走行させるガイドレールの与したのは、サブマージアーク溶接（Submerged

関係で、直線もしくは円筒状構造物（パイプ、タンArc Welding）と消耗ノズル式エレクトロスラグ溶接クなど）の軸方向または周方向溶接（この場合は溶（別名：CES溶接（Compact Electro-Slag Welding））

接装置を固定して、円筒状構造物をその下で回転さである。

せる）など、溶接線が単純な形状の場合にしか適用できない。しかし、かなり大きい開先でも1パスで溶接できる能率の高い方法である（図8.2）。

発電用水車の技術発展の系統化調査149

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ150

図8.2

サブマージアーク溶接の概要とその施工状況

・エレクトロスラグ溶接によって溶接ワイヤと母材を溶かしながら溶接する

この方法は、溶接しようとする部材を数十mmのものである。溶接の進行に応じて水冷の当て金も順

溶接ギャップを空けて離して置き、そのギャップの次上に移動させて溶接金属を盛上げて行く。このと両側に銅製の水冷ジャケットを持った当て金を当て

き、供給ワイヤと母材を絶縁するようにフラックスて溶融スラグや溶融金属が流れ出さないように囲を被覆したノズルをワイヤに装着し、フラックスとみ、この溶接ギャップの中のスラグ浴中に上部からワイヤを一緒に溶融するようにしたものが消耗ノズ

溶接ワイヤを連続的に供給して溶融スラグの抵抗熱

ル式エレクトロスラグ溶接である。

（a）溶接方法の概要（b）施工状況（厚板の突合せ溶接の例）

図8.3

150

エレクトロスラグ溶接の概要とその施工状況

エレクトロスラグ溶接は、溶接しようとする部材

位時間当たりの溶接量を非常に多くすることがでの位置決めや溶融金属が流れ出さないようにする当

き、300-400mmの板厚の溶接などにも適用される。

て金の取付けなどの段取りに時間がかかる。また溶

このような溶接技術の発達に伴い、大形水車の主軸接線が常に垂直に近くなるように溶接部材を支持す

やランナなどの主要部品も溶接構造で製作されるようる要があり、大形構造物に適用するには大型のポジになった。

ショナー（構造部材を任意の角度に固定できる台）（2）ランナの溶接構造化と材料開発を必要とする。しかし、溶接ギャップの中に数本の水車ランナの場合、重量50-100トンを超えるようなワイヤを同時に挿入して大電流を流すことにより単大型ランナを一体鋳造で製作できる鋳鋼工場は、世界

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ151

的にもそう多くはない。このような背景から、大容量

熱管理の不備から、しばしば溶接方法の不適合による水車が製作されるようになった1950年ごろから、欧米

割れなどの事故を起こした。

では大型ランナの溶接構造化が進められた。わが国で1969年から1975年にかけては、表8.2のような溶接も1955年から1960年にかけて溶接ランナが試験的に製構造のランナが製作されている。初期のものは普通鋳作されるようになった。当時は比較的溶接性の良い普鋼（SC46）と溶接用鋼板（SM41）の組み合わせであ

通鋳鋼（SC46またはSC49）製のランナに適用された。

る。その後1975年頃になって、溶接性の良い13Cr 4Ni

しかし、普通鋳鋼は、キャビテーションの壊食に対すステンレス鋳鋼（SCS5）が開発されるにおよび、ス

る強度（キャビテーションに対する耐食性）が低く、テンレス鋼のランナも多数溶接構造で製作されるようキャビテーション発生部位には18Cr-8Niステンレス鋼になった（後述（5）参照）。なお、ランナをエレクトなどの耐食性に優れた金属を肉盛溶接する必要があっロスラグ溶接で組立てる場合は、ランナをポジショナ

た。そこで13Crステンレス鋳鋼製の羽根などを溶接でーに載せて溶接線が垂直に近い状態になるように支持組立てる13Crステンレス鋼製溶接ランナの製作が試みして施工する（図8.4）。また最近では多軸溶接ロボッられた。しかし、13Crステンレス鋼は前述のように溶

トによる溶接組立も実施されている（図8.5）。

接性が悪く、このため、13Cr鋼を採用した当初は、予
表8.2
発電所名

出力 ランナ径 重量（MW） （mm） （ton）

東京電力

安曇

109

5,290

ブラジル

イリヤソルテーラ 165.5

7,391

283

5,826

オーストラリア ツマット3

初期の代表的な溶接ランナ
使用材料

製作年 製作者

SC46＋SM41

1969

東芝

SM41

1970

日立

66

SC46＋SM50

1971

東芝

66

米国

ラディントン

343

8,375

300

SC46＋SM41C

1971

日立

九州電力

大淀川第二

11.2

2,120

5

SCS5

1991

東芝

電源開発

新豊根

230

5,430

107

SCS5

1993

東芝

備

考

エレクトロスラグ溶接採用

エレクトロスラグ溶接採用

9軸溶接ロボット使用

図8.4 エレクトロスラグ溶接中のランナ（Ludington 発電所用 343,000kWポンプ水車 日立製）
（写真提供：日立製作所）

図8.5 9軸溶接ロボットによるランナの溶接（新豊根発電所用 230,000kWポンプ水車 東芝製）
（写真提供：東芝）（3）溶接構造化の拡大による材料構成の変化

たは円が多いので、自動送りのサブマージアーク溶接

大型水車の主軸は、直径が2mにも及ぶものがあり、で製作されることが多い。

鍛造するのが困難となる。そのため溶接構造の主軸が以上のような溶接方法の採用により、1950年から用いられるようになった。図8.6にその構造例を示す。

1980年ごろにかけて水車の製造に用いられる材料構成

多くの場合、フランジ部分は厚板鋼板または鍛造で製は大きく変化し、1950年ごろは全材料のほぼ40〜50%を作され、軸本体は、リング鍛造もしくは鋼板を巻いて占めていた鋳鍛鋼は、1980年には10％程度にまで低下

溶接して製作される。主軸の溶接線は、単純な直線まし、鋼板の使用比率が80%以上を占めるまでになった。

発電用水車の技術発展の系統化調査151

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ152（5）ランナ用の新しい13Cr系ステンレス鋼の導入
1 9 7 5 年 前 後 か ら 、ス ウ ェ ー デ ン の ボ フ ォ ー ス 社（Bofors）で13Crステンレス鋼よりも溶接性の良い
13Cr 4Niもしくは13Cr 6Niステンレス鋳鋼が開発され、これがわが国へも導入された。この鋼は、13Crス
テンレス鋼が100%マルテンサイト組織を持つのに対し、焼入れ焼戻しをした後も残留オーステナイトを20〜30％含有し、溶接時の予熱温度が100-150度Cでよい
ため、作業性が格段に改善された。ただし、この鋼は鋳造後の冷却過程においてオーステナイト組織からマル
テンサイト組織へ変態する温度が150度C位と低く、か
図8.6

溶接構造の主軸の例（7）つその時の変態膨張が13Crステンレス鋼に比べて非常に大きいため、鋳造後に急冷すると不均一な変態膨張（4）ランナ羽根の三次元曲面のNC加工を生じて、製品に大きい割れを生ずることがある。こ

切削作業の合理化のため、わが国でもコンピュータ

れを避けるため、従来の13Crステンレス鋼よりも数倍による数値制御の工作機、すなわちNC加工機が導入

長い時間をかけて徐冷する必要がある。この鋼を採用されるようになった。しかし1970年くらいまでは、した初期には、このことがよく分かっていなかったた

NC加工のソフトも十分でなく、平面とか円周加工なめに、鋳造時に、大きい割れを生ずる事故に遭遇した。

らびに簡単な曲面加工が出来る程度であった。その頃、いずれにしても1980年頃には、これらの問題点を解

東芝では米国からグランドクーリー第三発電所用の大決して大型の13Cr 4Niステンレス鋼の一体鋳造ラン型フランシス水車のランナ部品を受注した。これはラナおよび溶接構造のランナを製作する技術を確立し

ンナ羽根曲面の加工精度に対する要求が厳しく、東芝

た。この鋼種は、その後SCS5としてJIS規格にも採用

では新たに三次元曲面を加工するソフトを開発し、こされた。

のランナ羽根を加工した。現在では水車ランナの羽根

なお、1990年ごろからヨーロッパ（主としてフランの多くはNC加工で切削されているが、水車ランナ羽ス）では、13Cr4Niステンレス鋼よりも強度、耐腐食性

根をNC加工で切削したのは、これが世界で始めてでならびに耐キャビテーション性が優れているというこある。図8.7に当時のNC加工状況を示す。

とから、マルテンサイトにフェライト組織が混在した
2相ステンレス系の17Cr4Niステンレス鋼が多く用いられている。しかしわが国では、コストが少し高いこともあり、落差800m級の超高落差ポンプ水車に対しても13Cr4Niステンレス鋼で十分な強度があることから、
17Cr4Niステンレス鋼はほとんど使用されていない。

図8.7 ランナ羽根の5軸NCによる三次元曲面加工（1971（昭和46）年）（写真提供：東芝）

152

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ153

9 海外へ輸出した記録品
9.1 大型プロジェクトの共同受注（1）グランドクーリー第三発電所の例
1970年 に 米 国 内 務 省 開 拓 局 （ Bureau of
Reclamation）からグランドクーリー第三発電所用のフランシス水車（定格出力620,000kW、最大出力：
710,000kW）3台が発注された。この水車は、出力こそ世界最大の三峡発電所の水車（定格出力：710,000kW、最大出力：840,000KW）より小さいが、落差が低いので流量が多く、ランナ直径は9.8mもあり、三峡の水車とほぼ同じという巨大水車である。
このような巨大プロジェクトの場合、リスク分散な
らびにいろいろな分野で競争力のあるメーカーを集めてグループを組み応札する方法が採られる。またこのプロジェクトの当時、米国ではバイ・アメリカン法が施行されていて、外国からの政府調達品には高い関税が賦課されることになっていた。その関係で、これを受注するに当たり、米国の国内メーカーを主契約者とする下記のような国際コンソーシアムを組んで対応した。なおこの主契約者は水車を全く製造したことは無く、製造の日程管理と相互連絡のみを担当し、設計は図9.1 グランドクーリー第三発電所用
フランシス水車 ステーリング（写真提供：東芝）（2）グリ II

発電所の例

日立製作所では、ベネズエラのグリ

I 発電所の増Dominion Engineering 、他の部品の製造技術は製作

設にあわせ、下記のような大容量機を納入している。

を分担した各メーカーが対応した。

これらはすべて日立製作所が単独で受注し、製作した

主契約者：Willamette Iron Works（米国）
設計者：Dominion Engineering（カナダ）（現

G.E. Canada）

製作分担：
ケーシングとドラフトチューブ
Chicago Bridge（米国）
ガイドベーンとサーボモータ
Dominion Engineering（カナダ）

ものである。
立軸フランシス水車
218,500kW

×

3台

1966年

270,000kW

×

3台

1972年

340,000kW

×

1台

1975年

400,000kW

×

3台

1976年

合計

3,005,500kW

その後、上記グリ Iの実績をもとに、グリ II 発電所

上記を除く本体静止部にも下記のような当時世界最大容量のフランシス水車

東芝（日本）を大量に納入した。なお、この受注に当たって、日立

溶接組立前のランナ部品
東芝（日本）
ランナの現地組立溶接と現地据付け作業
General Electric（米国）

製作所は東芝とコンソーシアムを組み、内3台は東芝が分担して製作した。なお、水車の設計はすべて日立が行なった。これが国内メーカー間の大規模な協調受
注の始まりである。

なお、前節で述べたように、東芝では、このとき、

730,000kW

ランナ羽根の曲面加工に世界で始めてNC加工を採用

合計

×

10台

1984年〜1988年

7,300,000kWした（8.2（4）参照）。またこの巨大水車のステーリング製作に当たっては、エレクトロスラグ溶接（8.2（1）参照）を大々的に採用した（図9.1参照）。

発電用水車の技術発展の系統化調査

153

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ154

図9.2

グリⅡ発電所用

730,000kWフランシス水車ケーシング

工場仮組立（写真提供：日立製作所）

このように1千3百万kWを超える巨大プロジェクト

系統の信頼度向上が差し迫った要請であったこともの機器を日本メーカーが一手に引き受けて納入したのあり、この発電所では、揚水から発電への切替えに10は、当時の日本の水車が世界に多数輸出されたことを数分かかる可逆ポンプ水車よりも短時間で揚水運転か象徴する特筆すべきことであると言えよう（図9.2）。

ら発電運転に切り替えられるタンデム式揚水発電ユニ

これらを契機に、海外の大型プロジェクトに対応すットを採用することとした（図9.4参照）。

る場合、多くのメーカー間の協調や外国メーカーとのタンデム式揚水発電ユニットは、可逆ポンプ水車を

国際協調が行なわれるようになった。これらによって、用いた揚水発電ユニットより高価であるが、運転切り製造技術の発達はもとより、メーカー相互の技術ノウ

替えが迅速で機動性に富むので、系統の信頼度の低いハウもある程度交換されるようになり、相互の技術の場合には、信頼度の向上に有効である。

進展に役立った。

9.2

この発電所は、タンデム式揚水発電ユニット3台と発電専用の水車3台よりなるものである。タンデム式

タンデム式揚水発電ユニットの記録品

揚水発電ユニットは283,000kWの水車と194,000kWのポンプを一軸に連結し、これを発電電動機に繋ぐもの

1955年ごろからオーストラリアでは、同国東南部のスノウイーマウンテン一帯の豊富な水資源を中西部ので、この種ユニットとしては、当時世界最大の容量を持つものである。

農地に導く大規模な分水・灌漑計画を推進していた。

それまでにタンデム式揚水発電ユニットはヨーロッ

1966年にこの一環としてツマット第三発電所を建設す

パでは多数実用されていたが、その多くは数万kWかることになった。この発電所は、水資源の運用ととも

ら10万kW程度であった。わが国では、わずかに表9.1に、同国の小容量の電力系統の信頼度向上の目的もあのようなものが製作されていたに過ぎない。

って、6台中3台を揚水可能な揚水発電ユニットとすることとした。

表9.1

わが国におけるタンデム式揚水発電ユニット
機器の出力定格

電力会社

発電所名

中央電気＊

製作年

横軸タンデム東芝

1934

21,000横軸タンデム日立

1951

56,500立軸タンデム

日立

1959

ポンプ
（kW）

池尻川

1,350

1,120

東北電力

沼沢沼

23,000九州電力

諸塚

54,000

＊ ：現

154

メーカー

水車（kW）

東北電力

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

形式

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ155

これらのタンデムユニットは、小容量であることも一般に、ポンプの起動・停止操作は振動の激しい締あって、ほとんどすべてがポンプの充水起動方式を採め切り運転状態を通過するので、ほぼ1分程度の時間用している。これは空転起動した場合、空転状態のポで行なう。これより長い時間をかけて起動・停止を行

ンプに充水する際に急激な圧力変動や振動を生じるた

なうことは激しい振動により機器の寿命を損なうのでめである。

避けなければならない。そのため、ポンプの起動・停ところが、このツマット第三発電所用のタンデムユ

止時には、ポンプ入力が1分以内に100%近く変化する

ニットでは、大容量であることとポンプ起動時間を短こととなり、電力系統の電力潮流や周波数に少なから縮するためにポンプの空転起動を採用することとしぬ擾乱を引き起こす。

た。このような大容量ポンプの空転起動は世界最初でそこでワイバンホー発電所では、ポンプの起動・停あるが、東芝では水圧鉄管側から逆充水する特別な充止時にポンプの急激な入力変化を補償するように直結

水制御を行なうことによって、1973年、この方式のポしている水車出力をコンピュータ制御し、ポンプの起ンプ起動に見事成功した。

動・停止時のみならず発電から揚水、揚水から発電な

この実績を買われ、1977年、東芝ではさらに大容量

どのすべての運転モード切替えにおいて、ポンプ入力の同国のワイバンホー発電所用タンデムユニット2基と水車出力の合計の電力が任意の変化率で変化するよも受注した。このタンデムユニットは、325,000kWの

うに制御する技術を開発して実用化した。この制御方

水車と240,000kWのポンプを組み合わせたものであ法は現在においてももっとも進んだタンデムユニット

る。このユニットは容量的に世界最大であるばかりでの制御技術である。

なく、落差が116.2mと低いために機器寸法も非常に大きい。発電電動機の上端からポンプ吸込み管の下端まで約50mあり、地上最大の立軸回転機といえる（図9.3）。

図9.4

ワイバンホー発電所の運転モード切替え所要時間

図9.3 ワイバンホー発電所 タンデム式ポンプ水車（発電電動機：三菱電機、水車・ポンプ：東芝製）

発電用水車の技術発展の系統化調査

155

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ156

10 コンピュータ導入による技術の高度化
10.1 初期のコンピュータの水車設計への応用

10.2 大形コンピュータの導入による設計
計算の高度化

ディジタルコンピュータが実際に水車の設計に使用

1970年ごろから大規模集積回路（LSI）を用いた大されだしたのは、技術計算用の汎用プログラム言語の容量のコンピュータが出現し、計算速度、記憶容量とFORTRANが使用できるようになってからである。コも一段と向上した。これに伴い、大量の計算処理を要

ンピュータのハードウエアも1960年頃にIBMでIBM-する技術計算が実用されるようになった。これ以後、7070、7090などの大型コンピュータが開発され、これ現在に至るまでのコンピュータ応用の概要を以下に記が1965年頃には国内メーカーにも導入され、FOR-す。

TRANでプログラムされた複雑な技術計算に威力を発（1）有限要素法による応力解析

揮するようになった。1965〜70年頃には、次のような

まず技術計算に大きく寄与したのは、1970年頃から技術計算が行なわれるようになり、設計技術が大幅に導入され始めた有限要素法（FEM）である。これに向上した。

より、従来は複雑な形状の部品を単純なはり、平板、・主 要 部 品 の 構 造 計 算 、 た だ し こ れ は 有 限 要 素 法円筒などに置き換えて単純化して実施していた応力計（FEM）などが実用化される前の段階で、従来の構算やたわみ計算が、複雑な形状のままで実施出来るよ

造計算をプログラム化したものである。

うになり、応力解析の精度が格段に向上した。

・ポンプ水車の過渡現象計算、1965〜70年にかけて国

従来、複雑な形状の物体の応力分布を調べるには、

内では揚水発電所が建設されるようになったが、ポ樹脂で模型を作り、それに荷重を印加して偏光を当て、ンプ水車の場合、水車と異なり、特性の非線形性がそのときに現れる縞模様を数えて応力分布を求める光

強く、従来の単純な水撃計算では計算できない。以

弾性実験によっていたが、この有限要素法による応力

前から複雑な水撃現象の逐次計算を行なう図式計算

解析が出来るようになり、光弾性実験は行なわれなく法が考案されていたが、その計算を実際に行なうのなった。

に数週間の時間を要していた。そこで、これを計算（2）内部流れ解析

するプログラムを各社が開発した。

従来、物体周りの流れの流速分布や圧力分布などを・ケーシングやドラフトチューブなどの三次元構造を計算で求めるには、複素ポテンシャルを用いた写像法持つ鋼構造物の設計図作成ならびに板取り図の計算

や翼に沿って吹き出しや渦を分布させる特異点法、ま作図。これにより設計工数が大幅に削減された。

たは流れの可視化による実験などによらざるを得なか・カプラン水車やフランシス水車のランナ羽根の三次ったが、いずれも二次元問題に応用するのが精一杯で元曲面の設計計算ならびにそれに基づくランナ羽根

しかも膨大な労力を必要とした。そのため、水車の設のNC加工データの作成（図10.1）。

計計算などに応用されることはなかった。
大容量のコンピュータの出現に伴い、大量の計算処理が可能となったため、水車の流路内の流れの計算にも有限要素法、有限体積法、差分法、境界要素法などを適用するようになった。すなわち、流路内をメッシ
ュにより多数の要素に分割し、これらの各要素の基礎
方程式を連立して解く計算法が次々と開発され応用されるようになった。
この計算モデルも、当初の1970〜75年頃は、ある解析面内における二次元解析（2D解析）からスタートした。しかし、フランシス水車のランナなどの三次元

図10.1 世界で始めて公表された
模型水車ランナのNC加工（東芝）
Waterpower & Dam Construction 誌
1979年10月号 所載

156

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

形状の流路に対しては二次元解析では役に立たず、やがて二次元の解析面を三次元方向に積み重ねて三次元空間内での流れを模擬する準三次元解析（Q3D解析）

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ157へと進んだ。しかし、この準三次元解析では、二次元な流れモデルとして渦度を加味したオイラー解析が行

解析面を横切る流れは考慮されないため、現実の流れ

なわれるようになった。しかしその後、数値粘性などとは一致しなかった。このようなことから、1990年頃を考慮した乱流モデルや離散渦による乱流モデルなど

から以後は、完全に流れを三次元空間内で扱う三次元が提案され、1990年頃からは粘性による渦を扱った乱解析（3D解析）が開発され、広く行なわれるように流解析が広く行なわれるようになった。現在では、k-なった。

ε モ デ ル と か 離 散 渦 モ デ ル 、LES（ Large Eddy

また取り扱う流れも、当初は簡単な非粘性渦なし流

Simulation）、DNS（Direct Navier Stokes

equation）

れのいわゆるポテンシャル流れとしての解析であったなどの乱流モデルを用いた三次元粘性流れ解析が、水が1980年代後半に入り非粘性流れと粘性流れの中間的車の開発研究や設計計算に多く使われている（図10.2）。

図10.2 三次元粘性流れ解析の例（ポンプ水車の静止部・回転部 一体解析）

従来は、水車の各部分について、個々に流れ解析がる非定常力なども計算できるようになった。

行なわれていたが、1995年頃から水車の入口から出口

また、水車全体の内部流れの粘性解析が出来るようまでを連続した流路として解析する手法が用いられるになると、摩擦や乱流によるエネルギーの散逸などもようになった。その場合、静止部のガイドベーンの出評価できるようになり、水車内で生ずる損失を計算す

口流れの速度や角度を平均化して下流のランナの入口

ることが可能となる。これを利用して、いろいろな運

条件として与える方法と、ガイドベーンの出口流れを転状態における損失を算定して効率を予測する、いわ平均化しないでそのままランナの入り口の境界条件にゆる性能予測が行なわれるようになった。

する方法とがある。後者は可変メッシュなどの高等な変わった解析としては、気液二相流の非定常流を扱テクニックを要するが、これによりランナ羽根に加わったキャビテーション気泡の挙動の解析、固液二相流

発電用水車の技術発展の系統化調査

157

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ158

を扱った土砂粒子の挙動解析による土砂磨耗の予測、

けようというものである。

水車に流入した魚の魚体表面の圧力や剪断応力を解析

・数個の設計モデルに付き、粘性流れ解析などで損失して魚の生存率を評価する研究なども行なわれていを計算してそれらの性能予測を行う。

る。この魚の問題は、わが国ではあまり問題にされな・各評価項目について成績の良いモデルを選び、そのいが、米国では、回遊性の鮭の稚魚などが水車内を流モデルの設計パラメータを掛け合わせて次世代のモ下した際の生存率が資源保護対策として重要視されてデルを設計する。

おり、国の多額の補助金によって研究されている。
（3）性能予測と新しいランナの設計手法

・この手順を繰り返し、評価項目について成績のより良いモデルを作り出す。

以上の解析は、水車の流路形状が与えられ、その中・この手順の途中で、初期設計条件の壁をブレークスの流れがどうなっているかを調べ、その流れの損失なルーするための設計パラメータの突然変異も加味す

どを計算しようとするものである。これに対し、要求る。

性能を満たすようなランナとかドラフトチューブの形

・以上の手続きを、数十世代にわたり繰り返す。

状を求めるいわゆる逆解法に関する研究も進められて

上記により、最高効率点の損失と部分負荷時の効率いる。しかし、この逆解法は非常に難しく、簡単な問を評価項目とした場合の各ランナの評価ポイントをプ

題しか成功していない。

ロットした例を図10.3に示す。この例で分かるように、これに代わる方法として最近注目を集めているの多くの設計モデルの中から、部分負荷効率はやや劣る

が、遺伝アルゴリズムを用いた設計手法である。これが最高効率は優れているモデルとか、その逆の特性をは予めいくつかの評価項目を設けておき、次のような持ったモデルを選択することも可能となった。

手続きを経て、所期の性能を持った設計モデルを見つ

図10.3 遺伝アルゴリズムによる設計モデルの評価の例（21）（最高効率点の効率と部分負荷時の効率を評価した例）

この方法は、1世代ごとに多数のランナの性能予測計算を行なって性能を評価する要があり、膨大な計算を必要とする。しかし、この方法は、従来の固定観念による設計手法と異なり、図10.4に示したような斬新な形状のランナを産み出す可能性があり、今後の発展が期待できる。

図10.4 遺伝アルゴリズムにより設計されたランナの例（21）158

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ159

御装置全体に拡大され、遠方制御や給電指令ネットワ

10.3 その他のコンピュータ応用ークのディジタル化と相俟って、水力発電所の制御性を格段に向上させた。現在では、100万〜200万kW級（1）模型水車試験装置の自動化
現状では、流れの数値解析が発達しても、水車の性の大容量揚水発電所も全て無人で、中央給電指令室から所轄の電力制御所を通しての運転指令で遠方制御さ能を0.1-0.2％の精度で予測することは出来ず、また非れている。

設計点の大きい剥離流れを伴うような運転状態の性能（3）CAD、CAM、CATの導入は予測出来ない。そのため水車性能の正確な予測には1975（昭和50）年頃までは設計技術計算は大型コン模型水車による性能試験が欠かせない。国内各社は、ピュータを用いてバッチ処理（一括集中処理）する方

それぞれ高精度の流量計や圧力計などの測定器を備え式であった。入力もパンチカードシステムで、数千枚た模型水車試験装置を保有している。

に及ぶパンチカードを持ち込んで処理する状況であっ1970年頃にプロセス制御用のミニコンが開発され、た。その後、タイムシェアリングシステムによるコン

これを用いて1975-80年頃にかけて各社の模型水車試

ピュータの利用や入出力のオンライン化が図られ、設験装置のデータ計測とデータ処理などが自動で行なわ計技術計算が迅速化された。1980（昭和55）年以降、れるようになり、模型試験が迅速に実施できるように

オフィスコンピュータ、パーソナルコンピュータなった。また一部の試験装置では、定型的な効率測定（PC）が急速に普及した。1985年以降はPCの性能向上試験やキャビテーション性能測定試験などの試験を、もあって、従来の大型コンピュータにオンラインで接試験装置の起動から落差や回転速度などの運転条件の続する方式から、PC上に専用ソフトをインストール

変更を全て自動で行なえるようにしたものもある。

して業務を行なうダウンサイジングの方向へ移ってい（2）調速機や水力発電所の運転制御装置のコンピューった。1990年代に入ると、EWS（エンジニアリング

タ化
1910年代に国産の調速機が製作されて以来、1955年頃までは、いわゆる機械式調速機で、フライボール式の速度検出機構によりパイロット弁を操作し、速度調
整や負荷調整を行なっていた。このため、水車の起動時に発電機を系統に並列する前の無負荷運転を安定しワークステーション）やPCの高性能化、WORD、
EXCELなどの市販ソフトの高機能化により、従業員全員にPCを配備してOA体制が著しく進歩した。
このような流れの中にあって、CAD/CAM/CATの一貫システムの構築が図られた。
（注）CAD：Computer Aided Designて行なう調整や、並列後の定常運転における負荷変動

CAM：Computer Aided Manufacturingに対する応答など異なる制御ニーズに対応するため、

CAT：Computer Aided Testing

ダッシュポットによるダンピングを切り替える装置をつけるなど、調整が非常に面倒であった。

CADシステムが出現する前は、1970年代からの大型コンピュータによる自動製図システムがあり、ラン

1956年に至り、スウェーデンのASEA社製の電気式ナの設計、ケーシングやドラフトチューブの製図や板調速機が輸入されたが、これらの調整が簡単に行なえ取り展開作業のコンピュータ化が行なわれていた。

ることから国内メーカーも電気式調速機の開発に努

1980年前後からミニコンCADが普及してきてCADにめ、1957年には真空管や磁気増幅器を用いた国産の電よる製図が主流となり、1990年頃からは個人端末で利気式調速機が使われるようになった。

用できるPC-CADとかEWS-CADが導入された。水車

この電気式調速機は、その後改良が加えられ、1976

は、発電所ごとに仕様が異なり、その都度新しく設計

年ごろにはPID制御（比例・積分・微分制御）を用いが行なわれる。その設計業務を迅速に行なうための対た高い制御性を持つPID調速機が作られるようになっ

話型設計システムなども構築されるようになった。

た。しかし、これらはまだアナログ式の制御回路によるものであった。

1990年代半ばからは、NC加工機の増大と共に
CAD/CAMシステムの適用が拡がり、特にランナの1980年前後に、これらの電気回路がマイクロコンピ

製作では設計から鋳造用木型の製作、溶接ロボットのュータに置き換えられてディジタル化され、ディジタ

操作ソフトの作成、ランナ羽根面のNC加工、最終寸

ル型PID調速機が誕生した。このコンピュータ化によ法検査などの全プロセスを通してCAD/CAM/CATのり、これ以後の調速機は、水車を制御するためのいろ

一貫システムも構築されている（図10.5）。

いろな機能を備えて高機能化が図られた。このディジ
タル化は、調速機にとどまらず水車や発電機の運転制

発電用水車の技術発展の系統化調査

159

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ160

図10.5

[

160

ロボットとポジショナーを連動して制御する
ランナの自動溶接システム
ロボットアームとランナ羽根の干渉の有無も事前にコンピュータシミュレーションでチェック（写真提供：東芝）

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March]2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ161

11 世界をリードする超高落差ポンプ水車の開発
11.1 ポンプ水車の高落差化

11.2 高落差化にともなう技術問題とその克服

揚水発電所は、言うなれば電力貯蔵システムである。

関西電力

奥吉野発電所は、1979（昭和54）年にその電力貯蔵量は、落差と有効貯水量の積で決まる。

500m級としては国内で3番目に運転を開始した発電所

したがって、ある量の電力を貯蔵するのに、落差が高である。1980年、1年前から運転を開始したばかりのいほど貯水池を小さくすることができる。またポンプ

この発電所の1期分3台のポンプ水車すべてのランナ

水車の出力も落差と流量の積に比例するため、ある出に、多数の疲労亀裂が発生しているのが発見された

力を出すのに落差が高いほど流量が少なくて済み、機（図11.2参照）。従来、水車ランナの羽根出口後縁から械寸法も小さくできる。したがって、落差が高いほど発生するカルマン渦と羽根の共振によるランナの疲労

貯水池も発電所建屋も小さくでき、全体の建設費が削破壊は知られていたが、この疲労亀裂の発生部位はそ減できる。このようなことから、ポンプ水車の適用落

れらとは全く異なる部位であった。

差の高落差化が要請され、メーカーも高落差機の開発に努めるようになった。
まず1972（昭和47）年、電源開発

沼原（ぬまっぱら）発電所で世界で始めて落差が500mを超えるポン
プ水車（図11.1参照）が運転を開始した。
これ以後、国内では、九州電力（株）大平発電所、
関西電力（株）奥吉野発電所などの500m級の揚水発電所が、世界に先駆けて建設されるようになった。

図11.2

奥吉野発電所ポンプ水車のランナの疲労亀裂（資料提供：東芝）

そこで関西電力では事故調査委員会を設置して、ポンプ水車の製作者の東芝と共にこの原因究明に当たった。
疲労亀裂は、どれも鋳造欠陥もしくはそれらを補修した補修溶接の欠陥から発生していたが、その欠陥だ
けが原因で亀裂を生ずるとするには疑いが残った。その後、さらに調査した結果、このランナには、ランナ
羽根とガイドベーンとの動・静翼干渉による特異な振図11.1

沼原発電所用ポンプ水車（日立製）（7）（資料提供：日立製作所）

動が生じており、それが大きい振動応力を発生していることが判明した。そのため、通常では問題にならな
い程度の材料欠陥から疲労亀裂が発生したものであることが判明した。
この種の振動は、従来の水車や低落差のポンプ水車
では、全く問題にならなかったものである。
そこで、東芝では、実機の動・静翼干渉による水圧発電用水車の技術発展の系統化調査

161

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ162

脈動およびそれとのランナの共振状態を模型で再現で場合、模型の水車出力もしくはポンプ入力は、寸法比

きる実落差模型試験を実施して原因の究明に当たっの二乗に比例するので、実機の64分の1となる。またた。実落差模型試験の原理を簡単に説明すると、実機共振状態を正確に把握するためには、110％程度の過のポンプ水車ランナと同材質で全く相似に製作された

速度試験も必要であるが、その場合は落差・揚程は回模型ランナは寸法に反比例した固有振動数を持つ。例

転速度の二乗、出・入力はその三乗に比例して増加す

えば奥吉野発電所用機の場合、8分の1の模型ポンプ水る。結局、奥吉野の場合、実落差模型試験の模型の運車を製作すると、そのランナは実機の8倍の固有振動

転要項は、表11.1のようになり、約470mm径のランナ数を持つ。一方、動・静翼干渉による水圧脈動の振動を持つ模型ポンプ水車を約4,500min-1、4,500kWで試数は回転速度に比例するから、ランナと動・静翼干渉

験することが必要となる。

による水圧脈動との共振の有無を調べるには、8分の1

東芝ではこのような大出力の模型試験を行なうたの模型を実機の8倍の回転速度で試験すればよいこと

め、模型ポンプ水車を2台製作し、1台をポンプ、1台がわかる。しかるとき、ランナの周速度は実機と同じを水車として運転し、その出・入力の差分のみを電動となるから、水の流動状況を実機と相似に保つには実機から注入するようにした図11.3 のような実落差模型機と同じ落差で模型を運転しなければならない。この試験装置を用いてこの振動現象の究明に当たった。

表11.1

実落差模型試験の例（奥吉野発電所の場合）

実機運転要項
定格回転速度時

定格回転速度時

110％過速度時

526

526

636

207,000

3,234

4,304

水
車
運
転

有効落差（m）

回転速度（min –1 ）

514

4,112

4,523

ポ
ン
プ
運
転

全揚程（m）

539

539

652

214,000

3,344

4,451

514

4,112

4,523

水車出力（kW）

ポンプ入力（kW）–1

回転速度（min ）

図11.3

ポンプ水車実落差模型試験装置（東芝の例）

東芝が実施したこのような実験ならびに理論解析によって、下記のような事実が新しく判明した

（22）

。

に低下することがある。その低下率は振動モードにより異なる。

・ランナとガイドベーン間の動・静翼干渉により、ガ・500m以上の落差で運転されるランナでは、動・静イドベーン枚数とランナ羽根枚数の組み合わせによ

翼干渉による水圧脈動の周波数がランナの固有振動って決まる特異なパターンを持った水圧脈動がラン数に近くなる場合があり、その場合、ランナが共振

ナ外周に発生し、これによりランナが励振される。

して異常に高い振動応力を生じ、疲労破壊を起こす・ランナには、このパターンと同様な振動モードを持つ固有振動数が存在する。
・この固有振動数は、ランナの周辺の水の付加質量効
果により、気中で測定された固有振動数の半分以下

162

模型運転要項

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

可能性がある。
・ランナの形状を調整して固有振動数を変えることにより、この共振を避けることができる。

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ163

日本における超高落差ポンプ水車の開発に刺激さし、このような超高落差のポンプ水車が安全に運転でれ、世界の多くの国で500mもしくはそれ以上の落差

きるかどうかを確認するため、国内メーカー3社（東を持つ揚水発電所が計画されるようになった。1975年

芝、日立、三菱重工）にポンプ水車の信頼性に関するに発注された旧ユーゴスラビア（現セルビア）のバイ

共同研究を発注した。これを受けて、日立、三菱重工

ナバスタ（Bajina Basta）発電所は世界で始めて揚程も実落差模型試験装置を設置して追試験を行い、東芝

が600mを超える揚水発電所であったが、これを東芝と同様な事実を確認した。この結果、東京電力は葛野が受注して落差記録を更新した。この成功を見て同じ

川発電所のポンプ水車が十分な信頼性を持って製作でく東欧圏のブルガリアが1980年にチャイラ（Chaira）

きることを確認し、この発電所のポンプ水車を3社に発電所を計画したが、これも東芝が受注してさらに落

分割して発注した。このうち日立と三菱重工に発注さ差記録を更新した。

れた1号機と2号機は、1999（平成11）年に相次いで運この2発電所のうち、バイナバスタ発電所は、奥吉転を開始し、わが国のポンプ水車の技術の高さを世界

野発電所の事故以前に設計されたものであるが、現地に証明した。なお、3号機と4号機は可変速機として東試験においてランナの実働応力測定を行なった結果、

芝に発注されているが、その後のわが国の経済不況に幸いにもランナの共振点が離れていてランナの振動応よる電力需要停滞により据付け工事が延期され、いま力は安全なレベルであった。この後設計されたチャイ

だに運転には至っていない。

ラ発電所は、設計段階で実落差模型試験を実施してラ

わが国の高落差ポンプ水車の製作実績は世界の先端

ンナ固有振動数の調整を行なったものであるが、現地を切っているが、この高落差ポンプ水車のランナの振試験でもランナの実働応力測定を行ない、振動応力が動応力の解明がそれを可能にしたといっても過言では所期の低い水準であることを確認した。

ない。これらの研究結果によりランナの振動応力がい

1987（昭和62）年、東京電力では、世界最高の落差

かに低減され、その後の超高落差ポンプ水車の発達に

約750mの葛野川（かずのがわ）発電所の建設を計画寄与したかは、図11.4により端的に知ることができる。

図11.4

ランナの振動現象解明によるランナ振動応力の低減（資料提供：東芝）

東京電力では、葛野川発電所に引き続き世界屈指の高落差・大容量である神流川（かんながわ）発電所の建設を進めた。ここに設置されるポンプ水車は、運転17）年に既に運転を開始している。
表11.2に葛野川発電所用機および神流川発電所用機の主な要項を示す。

落差では葛野川発電所用機に次いで世界第2位、出力においては世界第1位であり、その1号機は2005（平成発電用水車の技術発展の系統化調査

163

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ164

表11.2

葛野川発電所用機および神流川発電所用機の主な要項

葛野川発電所用機
1・2号機

3・4号機

1〜6号機

水
車
運
転

最高落差（m）

728

728

675

最大出力（kW）

412,000

412,000

482,000

回転速度（min–1）

500

482〜492

500

ポ
ン
プ
運
転

最高揚程（m）

778

782

728

最大入力（kW）

460,000

460,000

464,000–1500

480〜520500

回転速度（min ）備考

落差：世界最高世界最高落差・単機出力：世界最大
単機出力：世界第2位 最大出力の可変速機
落差：世界第2位

ポンプ水車においては、ランナ外周の周速度が落差うに制御することが、設計上重要である。

の平方根に比例する関係にあり、高落差になるほどラ（3） 高圧・高周速度に耐える主軸封水装置の開発

ンナ外径が大きく、かつ回転速度が高くなる。しかし高速で回転する主軸に沿っての漏水・漏気を防ぐた

ランナ外径については、輸送限界による制約があり、

め、高圧・高周速度に耐える主軸封水装置が必要で回転速度についてはキャビテーションが発生するといある。主軸の周速度は毎秒30m、かつ水圧は1MPa

う制約がある。キャビテーションの発生は、ポンプ水程度になる。この高圧の水が漏れないように主軸に車の据付高さを下部貯水池水位より低く据付ければ抑強く押し付けられた状態で数千時間の運転に耐える

制できるが、これも土木建設費や機器の設計の関係で、封水装置を製作するのは容易ではない。事実、高落

100〜150m程度低くするのが限度である。

差ポンプ水車を実用化した初期においては、数十時500m以上の落差で運転される超高落差機の信頼性

間しか運転できないこともあった。経験のない欧米向上には、ランナの振動応力のみならず、主なものでメーカーが中国に500m級の高落差ポンプ水車を多も、以下のような技術開発の結果が織り込まれている。

数輸出したが、その多くは、主軸封水装置の耐久性（1）耐疲労強度の高いランナ素材の開発

で問題を起こした。わが国では、現在、700m級の一般に材質は13Cr-4Niステンレス鋳鋼が用いられるポンプ水車でもこの種の問題を生じないような技術

が、高落差機では応力が高いので、鋳造欠陥の少なを確立しているが、この技術は、高落差ポンプ水車

い高品質の鋳鋼素材が求められる。このため、鋳造の重要なノウハウの一つである。

時の凝固解析などにより鋳造欠陥の低減が図られる（4）ポンプ起動時のランナ周囲の水面押し下げ時の問題

一方、微小欠陥、特に表面直下の微小欠陥を検出す

ポンプ起動時には、起動トルクを軽減するためラン

るための非破壊検査方法なども新しく開発された。

ナ周囲に圧縮空気を吹き込み、ランナ内の水を下方（2）ランナに作用する水スラストの制御

164

神流川発電所用機に押し下げる。このとき押し下げた水面の水位がラ

大容量の高落差機ではランナの上面と下面におのおンナに近いとランナが攪拌した空気による気流で水の8,000から10,000tonの水圧力がかかる。ランナのが巻き上げられ、回転するランナに干渉して大きい

上下の形状は相似ではないので、この水圧力にアン

抵抗トルクを生ずる。また水位が低すぎると、波立バランスを生じ、その差分がランナに加わる水スラった水面に巻き込まれた気泡が下流側に流出し、圧ストとなる。この水スラストはスラスト軸受への負縮空気が過大に消費され、空気圧縮機の容量が不足

担を軽減するため、通常、500ton程度に抑える。まする問題を生ずる。

た、非常停止の過渡状態ではこれが大きく上下に変高落差機では、当初、低落差のポンプ水車の経験に動するが、これが過大に変動しないよう制御しなけ

基づいて押し下げ水位を決めていたが、高落差機でればならない。特に、回転部の重量を超える上向き

は空気の密度が大きく気流の攪拌力が強いため、抵の逆スラストを生ずると、回転部の浮き上がりを生

抗トルクの増大や空気の過大流出の問題を生じた。

じ、機器を損傷するおそれがある。したがって、い現在では、これを克服するため、高落差機には特別かなる運転状態でも水スラストが過大にならないよ

なドラフトチューブの形状を採用している。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ165

以上により、わが国の高落差ポンプ水車の実績は、/東芝）で製作中のもの、後者は海外メーカーの実

世界のトップを行くまでになっている。世界におけ績の中で最高揚程のものである。これを見ると、る高揚程ポンプ水車の実績を図11.5に示す。西龍池

1970年以降、日本製が常に高落差（高揚程）のトッ（Xilongchi）、天荒坪（Tianhuangping）はともにプを走っていることが分かる。

中国の揚水発電所であるが、前者は日本連合（日立

図11.5 世界における高揚程ポンプ水車の実績（2006年現在、建設中のものを含む）

発電用水車の技術発展の系統化調査

165

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ166

12 揚水発電に関する新技術
12.1 揚水発電所の役割の増大と可変速
揚水発電の出現時間を示したが、このような急激な負荷変化に対してわが国の電力は、電圧や周波数のばらつきが少なく、水力、特に揚水発電所によって対応する必要がある。

は、ミドル負荷対応の火力ならびにピーク負荷対応の停電事故もほとんど無くて、品質と信頼性が高いことはよく知られている。これには送電線の二重化などの設備投資によるところも大きいが、水力、特に揚水発電の寄与するところが大きい。
電力の系統運用における揚水発電の機能を列挙すると次のようなことが挙げられる。
7貯水池式水力発電所と同様、急激な負荷変動に対する即応性が高い
例えば東京電力の平均的な週日の負荷変動は図12.1のように変化する。この中で朝の8時〜9時の時間帯における負荷の上昇率は、700万〜900万kW/時に達し、
実に1時間に大容量原子力発電所5〜7基分にも相当する。また昼食時には数十分で300万〜500万kWにも達する負荷変動が起こる。表12.1に各種電源の応答所要
表12.1

電

源

各種電源の応答所要時間

起動時間

負荷応答

用

途

1〜2日

ベース電源

原子力発電

数日

大容量火力発電DSS：4〜5時間

90分

ベース電源

週初：7〜8時間

180分

またはミドル電源

中・小火力発電DSS：3〜4時間

60分

ミドル電源

水力発電所

5〜10分

1〜2分

ピーク電源

揚水発電所

5〜10分

1〜2分

ピーク電源

7運転待機による電力系統の事故時における予備力の供給が低下すると系統の電圧低下を生ずる。この他の発電所や変電所で事故が発生して電力の供給ため周波数と電圧を一定に保つには、有効電力と無に支障を生じた場合、貯水池式水力と揚水発電所は、効電力が常に需要に合わせて適正に送電されなけれ緊急予備力として直ちに起動して対応することがでばならない。

きる。このような予備力を保持していることは電力

有効電力は、前述のように、揚水発電などの即応系統の信頼性を確保する上で重要であり、自由化さ電源によってバランスを保つようにする。また無効れた電力市場では、このような緊急予備力も、商品

電力は、発電機の電圧を調整することによってバラとして取引される。

ンスさせる。

7水面押し下げによる空転運転により、調相運転を行
い、電圧調整に寄与

166

図12.1 東京電力の電力需要日変化曲線（東京電力 ホームページより抜粋）

ここで、無効電力の供給にはエネルギーを必要としないので、同期機を電力系統につなぎ、この同期送電線を介して、発電所からは有効電力と無効電機の電圧を調整することによって無効電力の調整が力が需要地に向けて送られている。もし有効電力の可能である。これが同期調相機と呼ばれる機械の役供給が需要量を下回ると周波数の低下を生じ、逆に割で、変電所などに設置されている。この役目は、上回ると周波数が上昇する。また同様に、無効電力

水力発電所の同期発電機の電圧調整を行なうことに

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ167

よってもできるが、揚水発電所の場合は、ポンプ起7停電からの送電系統の立ち上げ

動のためにランナの周囲の水を押下げる装置を持っ送電線が完全に停電した状態から発電所を起動すており、これを利用してランナを空転させ、有効電る場合、火力発電所などではまず補機を起動する電力と無関係に無効電力のみを調整するいわゆる調相源が必要である。水力発電所は自分自身が保持して運転を行なうことができ、系統の電圧維持に貢献すいる操作用の油圧タンクの油圧さえあれば、まず自ることができる。

分自身を起動して発電し、それで送電線を充電して7夜間の余剰電力の吸収による大容量原子力や火力の他の発電所の起動を可能にすることができる。この負荷率の向上に寄与ような機能をブラックスタート機能というが、揚水

冬季などの電力需要の低迷期においては、夜間の発電所もこの機能を持っているものが多く、これに電力需要が大容量原子力や火力のベース電源の容量

よって万一の停電時でも系統の復旧を迅速に行なう

を下回ることがある。このような時は、揚水発電所

ことができる。

で揚水運転を行い、余剰電力を吸収するとともに、

以上のような機能は、一般の水力発電所でも可能で

昼間のピーク需要に備えてエネルギーを貯水池の貯あるが、揚水発電所は一般の水力発電所に比べて大容水の形で蓄積する。

量発電所に対する地理的・水理的制約が少なく、建設

これにより、原子力や火力は出力を絞ることなく地点の選定が容易である。また高落差にすれば大容量一定負荷で運転することができ、系統全体の熱効率発電所でも小さい貯水池でよいので環境や景観に対すの向上、原子力・火力プラントの長寿命化に寄与す

る影響も小さい。このようなことから日本では、2004年

ることができる。

現在、発電設備容量の構成は表12.2のようになっている。

表12.2

わが国の一般電気事業用発電設備の電源構成（2004年末現在）（上段：万kW、下段：％）

一般水力

揚水水力

石炭火力

LNG火力

石油火力

その他火力

地熱発電

原子力

合

計

2,060

2,466

3,784

5,993

4,333

355

52

4,712

23,755

8.7

10.4

15.9

25.2

18.2

1.4

0.2

19.8

100.0

（資源エネルギー庁資料による）すことによりこの遅れをカバーし、短時間ではあるが12.2 可変速揚水発電の出現

数分の一秒で出力を数十％変えることが可能となる。
さらにポンプ水車の揚水運転では、従来の定速度機

上述のように、電力の品質を高める上で、水力発電の場合、そのときの落差（揚程）とH-Q特性（揚程-揚や揚水発電の即応性を高めることは非常に重要である

水量特性）によって揚水量が決まり、さらにそれによが、1990（平成2）年に可変速揚水発電の技術がわがってポンプ入力が決まるので、任意に入力を調整する

国で開発され、東京電力

矢木沢発電所において世界ことができない。しかし可変速機では、ある落差におで始めて実用化された。これにより、揚水発電ユニッ

いてもポンプ水車の運転速度を変えることによりある

トの即応性が一段と向上した。

程度揚水量を変えることが可能となり、それによりポすなわち、発電電動機の速度を可変にすれば、速度

ンプ入力を変えることも可能となる。冬季の深夜などを変えることによって回転部分の慣性エネルギーを出では、ほとんどの電力が原子力や大容量火力で賄われし入れすることができ、それによって短時間ではあるているために、負荷変動があっても迅速に追随するこが有効電力を迅速に出し入れすることが可能となる。

とができないが、可変速機で揚水運転をしていれば、従来の水力発電ユニットでは、水車のガイドベーン開

その入力を調整することにより、ある程度周波数を調度を変えて流量を調整し、それによって出力を変えて整することが可能となる。

いた。そのため、水圧鉄管の水撃や鉄管内の水の慣性

従来の同期発電電動機と可変速発電電動機のシステによる遅れなどで、ガイドベーン開度を変えても出力

ムの相違を図12.2に示す。すなわち、従来の同期機でが変化するまでには数秒から十数秒の遅れが出る。しは発電電動機のロータを直流で励磁していたため、磁かし、可変速機の場合は、回転速度を変える指令を出極の極性が一定であるが、可変速機ではロータを巻線

発電用水車の技術発展の系統化調査

167

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ168

形にし、それを低周波交流で励磁することによってロ

かるように、発電運転ではガイドベーンを変えて出力ータに低周波の回転磁界を生じさせる。これにより、調整をする一方で回転速度を微妙にコントロールしてロータはステータ側の系統周波数の回転磁界とロータ

回転エネルギーの出し入れを行ない、正確に指令電力側の低周波数の回転磁界との差分の周波数に相当するに追随していることが分かる。揚水運転でも同様であ回転速度で回転することとなる。この方式を低周波交るが、揚水運転の方は単に速度を変えて揚水量を調整

流二次励磁方式という。

するだけなので、回転速度の調整も発電運転ほどには可変速機がいかに水車出力とかポンプ入力を正確に

複雑ではない。

調整できるかの例を図12.3に示す。この例を見ると分

図12.2

168

同期発電電動機と可変速発電電動機のシステムの相違

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ169

図12.3

可変速機の出・入力制御の例 （関西電力（資料提供：関西電力）

大河内発電所）

このようなメリットがあるため、可変速機は定速機に比べかなり高価であるに関らず、矢木沢発電所以後、わが国では多くの可変速機が製作され、運転されるようになった。世界の可変速機の実績を図12.4に示すが、わが国以外でこの交流二次励磁方式の大容量可変速機が実用化されたのは、わが国より約10年遅れて運転を開始したドイツのゴルディシュタール（Goldistahl）
発電所が最初である。

図12.4 世界における可変速揚水発電機の実績（注）図の中で△は日本以外の実績を示す。
2006年現在、本格的なものはGoldistahlのみである。

発電用水車の技術発展の系統化調査

169

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ170

水池からの海水浸透対策、強風下における上部貯水池

12.3 海水揚水発電と大深度地下揚水発電からの海水の飛散などによる周辺の野生動物・植生などへの影響評価などについての調査研究を実施した。

今まで述べたように、揚水発電の主たる目的は電力

この成果を受けて、1990年から、沖縄本島の北部にの需給調整であり、それ自体がエネルギーを生み出す

出力30,000kW、落差136mの海水揚水発電実証試験プ

ものではない。そのため揚水発電所は建設コストを下ラント（沖縄やんばる海水揚水発電所）の建設に着手げることが重要である。そのようなことから上部貯水した。この発電所は、海水用ポンプ水車の他に、当時池を海岸近くに設置し、海を下部貯水池として使用す

最先端であったGTOサイリスタを用いた可変速発電

るアイデアが1970年代からあった。このような揚水発

電動機も組み合わせ、その実用性評価を行なった。発電所で問題となるのは、水車や冷却用の海水を扱う補電所は1999(平成11)年3月に運転を開始し、2003年まで

機類の海水に対する耐食性と上部貯水池にくみ上げた5年間の実証試験運転を行なった。結果的には、基礎海水による環境汚染の問題である。

研究に基づき選択した材料や塗装で十分対応できるこ

これらの問題を解明するべく旧通商産業省が1981〜とが立証できた。なお、この発電所の上部貯水池は、

1985年にかけて「海水揚水技術実証試験調査」を実施

全面ゴムシートを張り、その下には漏水排水管を張りした。この調査研究は、電源開発（株）を幹事会社とし巡らして漏水を検知するようにしたが、これも全く問て水車メーカーや土木建設業者などが参画し、主とし題が無かった。

て、水車材料の耐食性、高流速下における耐食塗料の耐久性、海生生物の水車・水路への付着の防止、上部貯

図12.5

170

沖縄やんばる海水揚水発電所

図12.5にこの発電所の建設工事中の上部貯水池およびその鳥瞰写真を示す。

上部貯水池の施工状況と鳥瞰図（写真提供：電源開発（株））

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ171

このように山の上に上部貯水池を設ける方式は、大容量揚水発電所になると上部貯水池の環境への影響がの向上
・海水用ポンプ水車の開発、耐海水性二相ステンレス生じる懸念が拭えない。そこで土木学会では1988〜

鋼の鋳・鍛造法などの開発

1996年にかけて下部貯水池を大深度地下に設ける地下・超高落差揚水発電機器の設計

揚水発電所建設についての問題点などの検討を進め

・地下深部（深度1,000m）の地質調査試験機器の開発。

た。この後、地下揚水発電所の開発課題の明確化とそ

孔内載荷試験機、透水試験機の開発の対処方法を検討し、その技術的可能性と経済性評価

・地下深部地質の調査・評価手法の開発を行なうべく資源エネルギー庁から（財）新エネルギ

・地下揚水発電に関する環境影響評価手法

ー財団に地下揚水発電に関する技術調査が委託されこの調査研究により、実機大ランナの試験製作によた。具体的には土木総合評価、地下深部評価、電気機る確証を行なったほか、深度1,000mの地下岩盤の変形器、環境評価の分野ごとに調査・研究が行なわれた。

特性、透水性なども精度よく調査できることを実証し電気機器関係は電源開発（株）を幹事会社として1997

た。

〜2001年にかけて技術調査を実施した。このとき、上

この結果、落差800m以上を確保することを前提と部貯水池として地上の天然または人工貯水池を用いる

すれば、2,000MW規模の地下揚水発電所を、在来の揚案と海を用いる案の両案を検討した。このときの検討

水発電所と同等の工期と建設単価で建設できる目途を

課題は次のような事項である

（23）

。

得た。ただ残念ながら、その後の国内の経済不況から

・大深度地下空洞の合理的な設計・施工方法と経済性

図12.6

具体的な建設計画は進展していない（図12.6）。

大深度地下海水揚水発電所の概略構想図（資料提供：（財）新エネルギー財団）

なお、米国では下記の2箇所で地下揚水発電計画

Mount Hope計画（海水ではない）が検討されているというが、まだ具地体化はしていない。

発電所出力：2,000MW（400MW×5台）

Summit計画

地下空洞：地下760mの鉱山の廃坑利用

現

：詳細不明

地

点

：オハイオ州アクロン近郊

発電所出力：1,500MW

地下空洞：地下670mの鉱山の坑道利用

現：1991年にFPRC

状

点

状

：ニュージャージー州

認可済み

発電用水車の技術発展の系統化調査

171

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ172

13 考察
以上、明治時代に「発電用水車」がわが国に導入されてから現代に至る技術の発展経過について概観してうになったと言える。

きた。明治から昭和初期にかけてのわが国の近代産業

その後、ある形状のランナの流れや性能を評価すの発展を支えた電力の基幹電源として、水力発電は大るのではなく、逆に、所期の性能を発揮できるようきい役割を果たし、水車も近代化・大容量化の一途をなランナの翼形を求めるという逆解法も試みられた

辿ってきた。第二次大戦後は、復興電源として活躍し、が、これはかなり難しく、十分な成果は得られなかまた海外に進出して多くの巨大プロジェクト用の水車った。

を作った。また国内においては、1960年代以降、揚水これに代わるものとして、2000年頃から遺伝アル発電の急速な発展にあわせ、世界をリードする高落差

ゴリズムを用いた設計法が試みられている。またこ

ポンプ水車が開発され、世界に誇るポンプ水車が誕生のほかにもこれに類したいくつかの技術が最近成果した。以下、これらを支えた各分野の技術について考を挙げつつあり、今後の発展が期待されている。

察する。

わが国の水車産業は、今まで述べてきたように高なお、石油ショックの後、国産エネルギーの開発が落差化、高速化と大容量化に邁進してきたが、これ叫ばれ、1980年前後から国内の中小水力の開発が推進は現在ではかなり限界まで来たと思われる。今後のされた。このとき、中小水力の経済性を改善するため、わが国の水車産業の国際競争力を高めるには、性能機器のコストダウン、建設・保守の省力化技術がいろ面で、次のような開発をさらに進める必要があろう。

いろ開発された。中でもガイドベーンやランナベーン

1. 非設計点の性能改善、操作機構の電動化、油潤滑軸受から水潤滑軸受への転2. さらなる高速化（キャビテーション性能の改善）

換、グリース潤滑軸受から無給油軸受への転換、各種構造の標準化・合理化などが大いに進められた。しかし本報告書では紙面の都合でこれらに関する記述を割による小形化の達成（2） 材料と製造技術の進歩と今後の対策
水車は水を滑らかに流すために三次元曲面で構成愛した。この点はご容赦願いたい。

される部品が多い。そのため当初は、ランナは元よ（1）設計手法の進歩と今後の性能改善

り、ケーシング、ステーベーン、ガイドベーン、ド水車の設計理論の根本は水力学、流体力学である。
明治時代から昭和中期（1970年頃）までは、フラン

172

計は、経験を脱却した科学的な手法で行なわれるよ

ラフトチューブに至るまで鋳造により製作されていた。

シス水車やペルトン水車のランナの設計は、角運動

しかし水車の大型化に伴ない、一体で鋳造して製量理論に基づく古典的な設計理論（いわゆるオイラ

作するのが困難となった。一方、昭和初期から溶接ーの式）によってランナ羽根の入口角や出口角を定技術が徐々に発達し、ケーシング、ドラフトチュー

め、その間の羽根曲線は単に水を滑らかに流すといブなどが鋼板溶接構造で作られるようになった。

うことで経験的に決める手法が取られていた。プロ

1960年頃から、輸送限界一杯の巨大な水車が多く

ペラ水車については、戦後、キャビテーション防止

作られるようになり、それに伴なって製造技術も大のため羽根面の圧力分布などを考慮した翼理論が適きく進歩してきた。特に、第8章でも述べたように、用されたこともあるが、主流は古典的な設計理論の

戦後1960年代における溶接技術の発達は目覚しく、域を出なかった。

300mmに及ぶ厚板の溶接が可能なエレクトロスラ

これが大きく変わったのは、大型コンピュータのグ溶接などが導入され、ランナも含めたほとんどの出現により数値流体力学が発展してからである。第水車部品が鋼板溶接構造で製作されるようになっ10章に述べたように、当初は不完全なポテンシャル

た。現在では、比較的鋳造が容易な小形水車のラン流れ解析などで単に流速分布や圧力分布を計算する

ナやガイドベーンを除き、ほとんどすべての水車部だけであった。その後1990年代に入り、三次元の粘品は鋼板溶接構造で製作されている。また1990年頃

性流れ解析コードによって摩擦損失などの諸損失もから溶接ロボットの導入が各分野で積極的に始まっ計算できるようになり、設計段階である程度の性能

たが、水車もその例に漏れず、ランナやケーシング

評価が出来るようになった。ここに至り、水車の設の溶接にロボットが利用されるようになった。

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ173

一方、機械加工においても、1970年代早々に、世Water Forum）」（2003年、京都）、「再生可能エネ

界に先駆けてわが国でランナの三次元曲面を加工す

ルギーに関する国際会議（International

るNC加工が実用化された。

Conference for Renewable Energies）」（2004年、わが国の水車の製造技術は、1960〜70年代にかけて目覚しく進歩したが、大量生産ではない水車は製ボン）などにおいても水資源ならびに水力エネルギーの開発は焦眉の急であると指摘された。

造コストに占める労務費の比率が高く、現在、国際

しかしながら、このように世界の水力開発に対す的なコスト競争では苦しい立場にある。わが国の水るニーズが高まる一方において、水力資源の多くを車産業は、これらの競争に立ち向かうために、製造保有する開発途上国の資金難が大きい障害になって面で下記のような対応が必要であろう。

いる。この一つの原因として、十分な投資を得られ

1. LCC（Low Cost Country）への製造移転

るような説得力のある開発計画や運用などを含めた

2. 溶接ロボットなどの利用による新生産システムの資金回収計画などを立案する技術者の不足などが指開発
3. 耐キャビテーション材料、耐摩耗性材料などの高摘されている。
また、発電所の保守に当たる技術者の不足も深刻

機能材料の開発による技術の差別化である。このため大規模水力発電所を建設しても、（3）わが国における将来の水力開発への対応

その保守や事故の予防に関する技術力が必ずしも十世界のエネルギー需要の増大によるエネルギーコ

分でなく、事故発生のリスクが指摘されている。

ストの上昇ならびにエネルギーの環境負荷などの面

持続可能なエネルギーとしての水力開発を推進

から、最近、原子力発電が再び脚光を浴びてきた。

し、かつその運用面におけるリスクを軽減するには、わが国でも、かつて言われていたような原子力発電

わが国からの水力発電の開発、運用、保守などに関と揚水発電の組合せによるベストミックスが、再びする技術の移転が重要である。水車に関しても、そ注目されている。その点で揚水発電は、超電導蓄エの基本計画、設計、製造、保守などの技術移転を大ネルギーシステム（SMES）などのより応答速度のいに進める必要がある。

速い蓄エネルギーシステムが出現するまでは、原子力発電などを補完する変動負荷対応の大規模蓄エネ
ルギーシステムとして重用されるであろう。
しかし一方では、電力自由化を控え、電力会社が多額の投資を必要とする原子力発電や揚水発電の新しい建設を手控え、短期で投資回収が容易なLNGを燃料とするコンバインドサイクル発電とか燃料電池による分散電源などを推進する動きがある。当面はこの辺を天秤にかけた模索が続くと思われる。
これとは別に、国産の持続可能エネルギー開発の一端として小水力の開発が叫ばれているが、経済性に乏しいのが問題である。こちらは土木工事費も含めた徹底したコストダウンが必要なことは勿論であるが、国産エネルギー保護のための補助金などの政策的対応も必要と思われる。
（4）

世界における水力開発への対応
2004年のInternational Energy Outlookによれば、

世界の電力需要は今後24年間に倍増し、その中で持続可能なエネルギーは57％増加すると予測されている。この持続可能エネルギーの開発の中でも水力エ
ネルギーの開発に対する期待は大きく、「持続可能な開発に関する世界サミット（World Summit on
Sustainable Development）」（2002年、ヨハネスブ
ルグ）、「第3回世界水フォーラム（Third World

発電用水車の技術発展の系統化調査

173

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ174

14 まとめ水車は設置する場所の落差と流量、さらには流れ込み式発電所のように常時小流量で運転するものとか貯水池
式水力や揚水水力のようにピーク負荷対応で短時間に大流量による発電を行なうものなど、その地点々々や用途により設計仕様が異なる。よって、発電所ごとに設計落差、仕様流量の値が異なるため、水車は発電所ごとに新設計をされて製作される。言うなれば一つ一つの製品が試作品であるという宿命を持つ。しかも製作しても、工場での試運転は出来ず、多くは現地でコンクリートに埋設されて据付けられた後に始めて通水して試運転となる。
そのため、設計者は常に新設計にチャレンジして行かねばならない。このようなことから、水車の設計者は各々が担当した水車に非常な愛着を持っている。
これは、発電所を計画し、運転仕様を決め、しかる後発電所を建設したり運転を担当する電力会社の技術者にとっても同じことで、水力発電関係者は自分が担当した発電所や機械に対する思い入れが非常に深い。そのため多くの電力会社が、水力発電に関する技術史をまとめている。
今回の調査に当たっては、訪問したメーカー、電力会社の方々から、こういった各社の史料を沢山貸与もしくは提供していただいた。それらを拝見すると、先人たちが各々担当した水車や発電所に対して並々ならぬ愛着を持っておられるのに今更ながら感銘を受けた。
水車は、機械としての寿命が非常に長く、土砂磨耗などによる部品の交換はあっても本体は20年〜30年と使用され、周辺の地域の人々からも愛着を持たれていることが多い。そのため、機械としての寿命を終えても、その地域の公園とか博物館などに文化財あるいは史跡として保管・展示されているものが多い。今回の系統化調査では、それらについての調査は全く出来なかったが、例えば参考文献（9）などには、中部地方に存する水力発電の産業遺産（展示品や史料など）が詳細にリストアップされている。
これらをたどって行くと、いかにわが国の先人たちが、電力利用やそれをまかなう電源開発に非常な情熱と驚くべき技術力をもって取り組んできたかを知ることができ、感銘を受けると同時にわれわれがその技術を継承し後世に伝える責任を痛感する。
本報告書は、非常に限られた情報しか収録できなかったが、いささかでもその面で役に立てば幸である。

174

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ175■ 謝辞
今回実施した「発電用水車についての技術発展の系統化調査」を進めるに際しては、多くの方々から多大のご協力を賜わった。特に調査票の作成・提出や多くの貴重な資料の提供などで下記の方々には特に面倒をお掛けしご協力を頂いた。ここに深く感謝申し上げる。
電源開発株式会社

田生宏禎氏、相良秀晃氏、千葉和彦氏

東京電力株式会社

坂本幸治氏、加藤 基氏

関西電力株式会社

阿黒克俊氏、和田武士氏、奥出邦夫氏

中部電力株式会社

江本邦夫氏、古村清司氏

四国電力株式会社

国松直斗氏

京都市上下水道局

橋本 悟氏

琵琶湖疏水記念館

井垣成量氏

八百津町教育委員会

辻 常美氏、藤本清久氏

旧八百津発電所資料館

村瀬宏明氏

株式会社日立製作所

新倉和夫氏、井原一男氏

株式会社東芝本間 啓氏、河瀬洋三氏

三菱重工業株式会社

坂 久征氏

不動技研

坂元 篤氏

富士フォイトハイドロ株式会社 木本 裕氏
なお、ご提供頂いた資料は膨大なもので、紙数の関係で今回取りまとめた報告書にはごく一部しかご紹介できなかった。ご提供頂いた各社には、折角の資料を活かせなかったことをお詫びし、お許しを乞いたい。
各社でまとめられている技術史などの中には、非常な労力をかけて収集した膨大な資料を収録した貴重なものがあり、その情報量は本報告書の比ではない。これらの技術史などは参考文献にあげたが、今回の調査でも非常に参考になったことを付言して、ご提供頂いた各社へのお礼の言葉に代えたい。

添付資料：−
付録1 参考文献付録2 発電用水車の技術の変遷（年表）付録3 平成18年度 資料登録候補一覧表

発電用水車の技術発展の系統化調査175

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ176

付録1〈参考文献、資料など〉（順不同）（1） 内丸最一郎 「水力タービン」 技報堂、1954（昭和29）年10月（2） 電力土木技術協会 水力技術百年史編纂委員会編 「水力技術百年史」2.5章 水車・発電機、1992（平成4）年6月、（非売品）（3）（社）
日本工学会・（財）
啓明会 著作発行 「明治工業史 機械篇、地学篇」 1930（昭和5）年12月25日（4） 京都市上下水道局疏水事務所編 「琵琶湖疏水」 1988（昭和63）年3月初版（5） 京都市水道局・京都新聞社編 「琵琶湖疏水の100年（叙述編）」

1990年（6） 東芝水車100年史編集委員会編 「東芝水車100年史」 2000年9月、（非売品）（7） 日立 水車のあゆみ 編集委員会編 「日立水車のあゆみ」 1978（昭和53）年4月、（非売品）（8） 田沢昌孝 「吾が水車工業二十五年の追憶」 昭和16年6月、（非売品）（9） 中部電力（株） 総務部社史編纂グループ編 「時の遺産−中部地方電気事業史料目録集」 2001（平成13）年5月（10） 日立製作所 「Delivery Record - Hydraulic Turbines and Pump-turbines」 2006年（11） 三菱重工業 「三菱水車 製作実績表」 2003（平成15）年（12） 日本工営（株） 「日本工営三十五年史」 1981(昭和56)年6月、（非売品）（13） 電業社原動機製造所 「電業社原動機製造所四十五年史」 1955（昭和30）年、（非売品）（14） 電業社機械製作所 「三好松吉追悼誌」 1981（昭和56）年4月、（非売品）（15）（財）日本経営史研究所編 「日本電力業史データベース」；http://www.jbhi.or.jp/toukei.html)（16） 東京電力工務部編 「東京電力 水力発電技術史」 1995（平成7）年3月、（非売品）（17） 中部電力静岡支店 大井川電力センター編 「大井川−流域の文化と電力−」 2001（平成13）年11月、（非売品）（18） 電源開発（株）「工務部門技術史−先達に学ぶ」 1998（平成10）年4月（非売品）（19） 四国電力（株）「大森川発電所 工事誌」 1960（昭和35）年、（非売品）（20） 富士電機システムズ（株）「主要納入先表 水車」 2004（平成16）年3月（21） Enomoto, Y. et al.

Design Optimization of a Francis Turbine Runner using Multi-Objective Genetic Algorithm ,Proceedings The 22nd IAHR Symposium, Stockholm, June 2004（22） Tanaka, H. Vibration Behavior and Dynamic Stress of Runners of Very High Head Reversible Pump-turbines , Special
Book, IAHR Symposium-Belgrade, 1990
（23） 資源エネルギー庁、新エネルギー財団 「平成13年度
14）年3月（24）（株）
東芝 「Reference List - Hydraulic Turbines」

176

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March

地下揚水発電技術調査−地下揚水発電技術マニュアル」 2002（平成付録2

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ177

発電用水車の技術発展の系統化調査

177

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ178

178

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ179

発電用水車の技術発展の系統化調査

179

付録3

2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ180

180

国立科学博物館技術の系統化調査報告 Vol.8 2007.March2_3発電用水車 10.9.22 18:53 ページ181

発電用水車の技術発展の系統化調査

181

科学博冊子vol.8・奥付 10.9.22 18:36 ページ1

本報告は平成18年度科学研究費補助金特定領域研究『日本の技術革新―経験蓄積と知識基盤化―』
計画研究「産業技術史資料に基づいた日本の技術革新に関する研究」（17074009）の研究成果である。

国立科学博物館
技術の系統化調査報告 第8集
平成19（2007）
年3月30日■編集

独立行政法人

国立科学博物館

産業技術史資料情報センター（担当：コーディネイト・エディット 永田 宇征 田里 誠、エディット 久保田稔男）■発行

独立行政法人〒110-8718

国立科学博物館
東京都台東区上野公園 7-20

TEL：03-3822-0111■デザイン・印刷株式会社ジェイ・スパーク

正誤表（第８集３編 発電用水車の系統化調査）

年月日

箇所

誤

正

2007年3月30日

ｐ１７８ 表中「世界・日本の状況」行の「１９９０～２０００」の列▼１９７３１ドル１００円時代に▼１９７３ １ドル１００円時代に