Waterwheel - Suisha

Japanese: 水車 - すいしゃ

A prime mover that uses the flow of water to rotate an impeller and generate mechanical power.

History of the Waterwheel

Western

Waterwheels have been in use since before Christ. There have been various types since ancient times, including those with vertical and horizontal bearings. Various methods of spraying water have been devised over the ages, but they are broadly divided into three types: top-shot type (water is sprayed from above the wheel), center-shot type (water is sprayed from the middle of the wheel), and bottom-shot type (the wheel is simply placed in the water flow).

It is unclear where waterwheels originated. It is said that they were first used in Western Asia to turn stone mills for grinding grains. They were then introduced to Europe and developed in the Middle Ages. It is said that Arabs floated flat-bottomed boats on the Tigris River and attached down-shot waterwheels to them to power flour mills and paper mills. Waterwheels made great strides during the Renaissance. For example, we can get a glimpse of their development in the book on mining and metallurgy, De Re Metallica. There is a record of a large waterwheel with a diameter of 11 meters being used to drain water from mines. They also came to be widely used as a source of power for bellows in ore crushers and metallurgical furnaces.

In 1682, a water-powered device was constructed on the Seine River in France using 13 water wheels with a diameter of about 8 meters, which raised the water to a height of 163 meters by driving 235 pumps. Water wheels were the main driving force in the manufacturing era, and contributed greatly to the spread of labor tools driven by natural forces. In 1759, Smeaton studied windmills and water wheels, and reported that the top-shot type was the most efficient type for water wheels. Furthermore, in the 18th century, water wheels were also used in England as a power source to drive bellows for blowing air into blast furnaces, and Arkwright used water wheels as a power source for spinning machines. However, research into steam engines also became popular around this time, and steam engines as driving forces appeared soon after. As the steam engine developed, water wheels were gradually replaced by steam engines. The development of water wheels greatly contributed to the development of mechanical technology, promoting the development of gears, shafts, bearings, cranks, linkages, and other devices.

[Akira Suzumebe and Tadashi Kinoshita]

Japan

It is said that waterwheels were introduced to Japan in 610 (the 18th year of the reign of Empress Suiko). The Nihon Shoki records that the Goguryeo monk Doncho built a waterwheel. However, it is unclear what shape it had.

In Japan, waterwheels for pumping water for irrigation were encouraged and became widespread. For example, the illustrated scroll "Ishiyama-dera Engi" depicts a system in which waterwheels are used to pump water into rice paddies. Waterwheels were not used in earnest for rice polishing until the mid-Edo period. In the early 18th century, rice polishing for the sake brewing industry in Itami was mainly done by hand, but waterwheels soon began to be used. However, there were many problems regarding water use, which seems to have delayed the development of waterwheels in some areas. In 1744 (Enkyo 1), the first waterwheel was installed in Kawachi Province (present-day Minamikawachi County, Osaka Prefecture), where the owner of the waterwheel would give a note to the village headman, elders, and general peasants, and they would agree not to turn the waterwheel during the rice-growing season, i.e., the summer. From ten days before the seasonal festival in May until after the tenth day of the autumn equinox, the water intake of the waterwheel was to be locked and sealed. In other words, because the canal was built to irrigate rice fields, agriculture took priority and water was only allowed to be used during the off-season. Furthermore, if the irrigation canal was damaged while the waterwheel was in operation, the owner of the waterwheel had to bear the full cost of repairs. Thus, there were always serious disputes between the waterwheel owners and the farmers, and problems over water rights.

It has also been pointed out that the slow development and spread of waterwheels in Japan may have been related to diet. In other countries, flour-based foods were common, which required a large amount of flour milling equipment, and waterwheels came into widespread use. In contrast, in Japan, people rarely milled grains and ate them, so human power was sufficient, without the need for powerful energy sources such as waterwheels. It is true that flour-based foods were common in other countries, but the period when waterwheels made great strides was when they began to be used in mining and manufacturing. Considering the fact that waterwheels were used as a major source of power in Japan from the end of the Edo period to the Meiji era, it can be said that the delay in the development of waterwheels (machinery) was due to the fact that mining and manufacturing was decidedly behind Europe, rather than a problem of diet.

In the late Edo period, waterwheels also came to be used in Japan to squeeze oil from rapeseed and cottonseed. They were also used to produce medicinal powders, paints such as chalk powder, and incense powder. In the Kiryu region, a water-powered yarn twisting machine was invented, and the Saga and Mito domains introduced Western-style reverberatory furnace technology from Europe, using waterwheels to blow air into the furnaces and as a power source for machines to cut cannon barrels. The Sado Kinzan Emaki scroll depicts the use of waterwheels to crush gold ore, and the Kagoshima domain used waterwheels to power spinning machines introduced from Europe.

It was only in the Meiji era that waterwheels began to be used in earnest as a power source in the machinery industry. Starting with the installation of a waterwheel as a power source at the Hiroshima Cotton Spinning Mill in the early Meiji era, a succession of technologies were introduced to build a modern Japan under the policy of enriching the country and strengthening the military and encouraging industry, and the number of businesses using waterwheels as a power source increased. By 1909 (Meiji 42), excluding agricultural waterwheels, the number of waterwheels in factories employing five or more workers was 2,390 (according to the Factory Statistics Table). However, the electricity industry began in Japan only slightly later than in Europe, and the use of electricity as an industrial motive power was also early on, so waterwheels did not become the main power source for the machinery industry for as long as they did in Europe.

Like other countries, the electric power industry in Japan started out with a focus on electric lighting, but by 1913 (Taisho 2), 56% of the total demand for electricity had come to be used for industrial purposes (including lighting in factories). This indicates that electric motors began to be used as a power source in factories. Waterwheels were used to generate this electricity. Modern waterwheels are used for hydroelectric power generation.

In addition to hydroelectric power generation, there are many places today where waterwheels are still used for rice polishing, flour milling, lumber milling, and water pumping.

[Akira Suzumebe and Tadashi Kinoshita]

China

In China, the water mill (a pounding mill using a water wheel) appeared at the beginning of the Later Han dynasty, the water thunder (a tool for crushing grains with rollers using a water wheel) and the water quarry (a grinding mill using a water wheel) were developed during the Three Kingdoms and Six Dynasties, and the cylinder wheel (a water wheel for irrigation) during the Tang and Song dynasties. The ingenious structure of these tools is described in detail in the Yuan Dynasty's Book of Wang Zhennong and the Ming Dynasty's Complete Book of Agricultural Administration and Heavenly Creations. The Ming Dynasty's water wheels were used to blow air into bellows for foundry and for spinning, the Qing Dynasty's water mills were used to make clay and fragrant wood, and the water grinder (a stone mill turned by a water wheel) was used to grind tea leaves since the Song dynasty.

[Akira Suzumebe and Tadashi Kinoshita]

Modern waterwheel

The propeller turbine, Francis turbine, and Pelton turbine used today were invented in the 19th century and are used for hydroelectric power generation. Also called water turbines, the shaft of the water wheel is directly connected to a generator, which rotates it. Since the possibility of long-distance transmission of electricity was demonstrated at the 1891 Exposition held in Frankfurt am Main, Germany, water wheels have been the driving force behind modern industrial development.

Also, from the 1960s, pumped-storage power generation began, in which pumps were used to raise water to high reservoirs at night or on weekends when electricity was plentiful, and then used to turn water turbines to generate electricity when electricity demand peaked.Pump-turbines were developed to enable both pumping and driving the generators with a single machine.

Nowadays, the water head that can be used by a water turbine ranges from a few meters to 1,800 meters, and the output of a single turbine can be as high as 700 megawatts. Pump turbines are also being manufactured with heads and heads of up to 700 meters, and outputs of up to 400 megawatts per unit. The difference in height between the water level of a reservoir and the water level of the discharging river is called the total head or natural head, and the head that can be effectively used by a turbine, minus losses between the reservoir and the turbine inlet, is called the effective head.

[Shigeru Ikeo]

kinds

Water turbines are divided into impulse turbines and reaction turbines based on the action of water on the impeller. Impulse turbines use only the kinetic energy of water, and Pelton turbines are one type. Reaction turbines use both the kinetic and pressure energy of water, and Francis turbines, propeller turbines, and diagonal flow turbines belong to this type. These turbines are selected according to the head and water volume. Since the end of the 20th century, renewable energy has been attracting attention in relation to global warming, and hydroelectric energy is one type of renewable energy. In Japan, areas suitable for large-scale hydroelectric power generation have already been developed, and in order to increase hydroelectric energy in the future, it is necessary to promote small-scale hydroelectric power generation. Crossflow turbines, which are intermediate between impulse turbines and reaction turbines, are used for small-scale hydroelectric power generation of less than 1,000 kilowatts.

(1) Pelton turbine: Used when the head is large (500-1500 meters) and the amount of water is small. It was developed in 1870 by the American Lester Allen Pelton (1829-1908). 18-30 bowl-shaped buckets are attached to the outer periphery of the impeller, and water spurting from the nozzles hits the buckets from the tangential direction of the outer periphery of the impeller and reverses direction, causing the impeller to rotate due to the impulse. Normally, it is a horizontal axis type with one or two nozzles, but when the amount of water is large, a vertical axis type is used with four to six nozzles. The rotation speed changes with fluctuations in load, but this is adjusted by moving the needle valve in the nozzle to adjust the amount of water. Representative Pelton turbines include the vertical shaft type 6-nozzle turbine with a head of 580 meters and an output of 95.8 megawatts at the Kansai Electric Power Company's Kurobe River No. 4 Power Station in Japan, and the vertical shaft type 6-nozzle turbine with a head of 1,883 meters and an output of 420 megawatts at the Beudron Power Station in Switzerland. Currently, there are almost no locations in Japan suitable for installing Pelton turbines.

(2) Francis turbines Compared to Pelton turbines, Francis turbines have a smaller head and are used when the head is medium, between 40 and 500 meters, and the amount of water is large. As technological developments have expanded the range of applicable heads, many Francis turbines are being manufactured. They were made in 1849 by the American J. B. Francis. Water flows from the volute through guide vanes with movable blades into the spaces between the many blades of the impeller. In the impeller, the kinetic energy and pressure energy of the flow are converted into mechanical energy and transmitted to the main shaft as power. In this way, the flow rotates the impeller and finally exits the waterway through the draft pipe. The guide vanes rotate the shaft on which the blades are attached, changing the direction of the water flowing into the impeller and adjusting the amount of water according to the load fluctuations of the turbine. In addition, by attaching a draft pipe, the height between the impeller outlet and the water discharge surface can be effectively utilized. Examples of large-capacity Francis turbines include the one at Hokuriku Electric Power's Arimine Daiichi Power Station (Toyama Prefecture) in Japan (head 430 meters, output 266 megawatts), and the one at the Guri II Power Station in Venezuela (146 meters, 730 megawatts).

(3) Propeller turbines Propeller turbines and their improved version, the Kaplan turbine, are used when there is a low head of 20 to 40 meters and a large water volume. The shape of the impeller is similar to a ship's propeller, and after leaving the guide vanes, the water flows parallel to the axis and enters the impeller. An impeller has 4 to 8 blades attached to a boss (the part that holds the blades, directly connected to the rotating shaft). Those with fixed blades are simply called propeller turbines, while those with a rotating shaft that can rotate and change the angle of the blades attached to the boss are called Kaplan turbines. The latter was invented in 1912 by the Austrian Viktor Kaplan (1876-1934). The mechanism that moves the blades is located inside the boss, and the blade mounting shaft is rotated by a hydraulic mechanism in response to a signal from the governor. When the water volume changes, the direction of the water flow also changes, and the blades can automatically tilt appropriately accordingly. Therefore, compared to fixed-blade propeller turbines, they are more efficient at handling a wider range of water volumes, and most large turbines are of this type. When the head is even smaller and a Kaplan turbine is not suitable, a tubular turbine with a horizontal axis and a cylindrical casing is used. In this case, the generator is also directly connected to the impeller and installed inside the cylindrical casing. Representative examples include the vertical-axis Kaplan turbine with a head of 51 meters and an output of 100 megawatts at the Otori Power Station (Fukushima Prefecture) of Electric Power Development Co., Ltd. (J-Power) located upstream of the Tadami River, and the tubular turbine with a head of 6.1 meters and an output of 5.6 megawatts at the Koshi Power Station in India.

(4) Diagonal flow turbine: This type of turbine was put into practical use in the 1960s and is used when the head is 50 to 150 meters and the water volume is relatively large. The structure from the volute to the guide vanes is the same as that of a Francis turbine, but the impeller blades are in an oblique flow path. The impeller has 8 to 10 blades, which are inclined at an angle of 45 to 70 degrees to the axis. When the guide vanes open and close to change the water volume and water flow direction, the angle of the impeller blades is also changed accordingly, and a Delia turbine is used that can achieve high efficiency over a wide load range. The impeller blades are moved in the same way as the Kaplan turbine. A typical Delia turbine is the one at Kyushu Electric Power's Matsubara Power Plant (Oita Prefecture) with a head of 84 meters and an output of 54.6 megawatts.

(5) Pump-turbine A machine that performs both the functions of a water wheel and a pump by rotating a single impeller forward and backward to generate pumped storage power. Pump-turbines in practical use include Francis, Delia, and Kaplan types, but the majority of pump-turbines today are of the Francis type due to their economical efficiency and ease of operation and maintenance. Francis-type pump-turbines are suitable for high head and high drop applications. Examples of large-capacity pump-turbines include the Kannagawa Power Station (Gunma and Nagano prefectures) of Tokyo Electric Power Company, which has a drop of 675 meters and a capacity of 482 megawatts in Japan, and the Helms Power Station in the United States, which has a drop of 541 meters and a capacity of 414 megawatts. Delia-type pump-turbines are suitable for medium head and medium drop applications, about 30 to 150 meters. Kaplan-type pump-turbines are suitable for low head and low drop applications, and are mainly used in tidal power plants that use the ebb and flow of the tides, but there are no examples of them being used in Japan yet due to the lack of suitable power generating sites.

(6) Cross-flow turbine Also known as a once-through turbine. The impeller is a cylindrical cage shape with 20 to 30 arc-shaped blades sandwiched around the circumference of a pair of main plates. Water passes through the guide vanes and flows into the center from the top of the horizontal impeller, then flows out from the center at the bottom. Usually, the guide vanes are divided into two in the axial direction, and good efficiency can be maintained over a wide range of loads by switching between them depending on the load. It is used at locations with a relatively small flow rate and a head of 5 to 100 meters, with an output of 1,000 kilowatts or less.

[Shigeru Ikeo]

"History of Technological Development" by Kamo Giichi (1943, Takayama Shoin) ▽ "Studies on the History of Chinese Agriculture" by Amano Gennosuke (1962, Ochanomizu Shobo) ▽ "Waterwheels and Pump-waterwheels" by Ishii Yasuo (1962, Denki Shoin) ▽ "Japanese Waterwheels" edited by Kuroiwa Toshiro, Tamaki Masami and Maeda Kiyoshi (1980, Diamond Inc.) ▽ "Fluid Machinery" by Oba Tosaburo and Kamiyama Shinichi (1980, Maruzen) ▽ "Japanese Working Waterwheels - Actual Survey Report" edited by the National Museum of Nature and Science (1983, Quori) ▽ "Hydroelectric Power Generation" by Sato Kiyofumi (1987, Tokyo Denki University Press) ▽ "Technical History of Waterwheels" by Izumi Ryo (1988, Shibunkaku Publishing) ▽ "The History of the Waterwheel - Industrialization and Use of Hydraulic Power in Western Europe" by T.S. Reynolds, translated by Sueo Michiyuki et al. (1989, Heibonsha)" ▽ "Modern Mechanical Engineering Series 3: Fluid Machinery" by Sudo Kozo, Yamazaki Shinzo, Osaka Hideo and Hayashi Nori (1990, Asakura Shoten)" ▽ "Waterwheels and Culture in Japan" by Maeda Kiyoshi (1992, Tamagawa University Press)" ▽ "Japan's 300 Industrial Heritage Sites 2: Wind and Waterwheels, Prime Mover, Machine Tools, Electricity, Electricity and Communications, Applied Chemistry and Brewing, Precision and Industrial Machinery" edited by the Society of Industrial Archaeology, Maeda Kiyoshi et al. (1994, Dobunkan Publishing)" ▽ "A Journey to Active Waterwheels in the Japanese Archipelago" by Kono Hiroaki (1997, Shogakukan)" ▽ "Introduction to Mechanical Engineering Series: Fluid Energy and Fluid Machinery" by Takahashi Toru (1998, Rikogakusha)" ▽ "Waterwheels and Windmills in the Middle East" by Sueyuki Sueko (1999, Kansai University Press)" ▽ "Waterwheels and Climate" edited by Akitoshi Hiraoka (2001, Kokon Shoin) ▽ "Hydroturbines" edited by the Turbo Machinery Society, New Revised Edition (2007, Japan Industrial Publishing)"

Structure of a watermill
© Tomoyuki Narashima ">

Structure of a watermill

Type of water turbine
©Shogakukan ">

Type of water turbine

Main types and structures of water wheels
©Shogakukan ">

Main types and structures of water wheels

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

水の流れを利用して、羽根車を回転させ、機械的動力を得る原動機。

水車の歴史

西洋

水車は、すでに紀元前から使われている。古くから種々の型があり、水車の軸受が縦(たて)型のもの、横型のものがある。水をかける方法も時代とともにさまざまに考えられてきたが、大きく、上射式（水車の上から水をかける）、中射式（水車の中ほどから水をかける）、下射式（水の流れに水車を入れるだけ）の三つの型式に区別される。

　水車の起源がどこであるかはさだかでない。西アジア近辺で穀物を粉にする石臼(いしうす)を回すことに使ったのが最初ではないかといわれている。それがヨーロッパに伝わり中世に発達した。アラビア人はティグリス川に平底船を浮かべ、それに下射式水車を取り付けて、粉搗(こなつ)き工場・製紙工場などに動力を供給していたという。ルネサンス期になると水車は飛躍的に発達する。たとえば、鉱山冶金(やきん)書の『デ・レ・メタリカ』をみても、その発達ぶりをかいまみることができる。直径11メートルもの大型の水車が鉱山の排水のために使われた記録が残っている。さらには、鉱石粉砕機・冶金炉用のふいごの動力源などとして広く使われるようになった。

　1682年、フランスのセーヌ川に、直径約8メートルの水車を13台使った水力装置が組み立てられ、235台のポンプを動かして163メートルの高さまで水をあげたという。水車は、マニュファクチュア時代の主要な原動機であり、自然力によって動かされる労働用具の普及に大きく貢献した。1759年、スミートンは風車・水車について研究し、水車の場合は上射式がもっとも効率的であることを報告した。さらに、18世紀ごろには、イギリスで溶鉱炉の送風用のふいごを動かすための動力源としても使われるようになり、アークライトは紡績機械の動力源として水車を利用している。しかし、このころから蒸気機関の研究も盛んになり、原動機としての蒸気機関もこのすぐ後に登場してくる。そして、この蒸気機関が発達するとともに、水車は徐々に蒸気機関にとってかわられた。水車の発達は、機械技術の発展に大きく貢献し、歯車、軸、軸受、クランク、リンク装置などの発達を促してきた。

［雀部　晶・木下　忠］

日本

日本に水車が伝わったのは、610年（推古天皇18）のころといわれている。『日本書紀』には、高句麗(こうくり)の僧曇徴(どんちょう)が碾磑(てんがい)（みずうす）をつくったという記録がある。しかし、これがどのような姿・形をしていたかはさだかでない。

　日本では、灌漑(かんがい)のための揚水用の水車が奨励され普及した。たとえば絵巻『石山寺縁起』にも、水車を使って水田に水を入れるシステムが描かれている。水車が本格的に精米用に使われるようになったのは、江戸時代中期になってからである。伊丹(いたみ)の酒造業の精米は、18世紀初頭は人力が中心であったが、すぐに水車が使われ始めた。一方、水の利用をめぐってのトラブルも多く、そのために水車の発達が遅れた地域もあったとみられる。1744年（延享1）に初めて水車が設置された河内(かわち)国（大阪府）の今日の南河内郡では、水車の持ち主が村の庄屋(しょうや)・年寄・惣百姓(そうびゃくしょう)に一札入れ、水稲作の時期、すなわち夏の間は水車を回さない約束を取り付けられていた。5月の節供の10日前から秋の彼岸(ひがん)10日過ぎまでは、水車の取水口に錠がかけられ封印されることになっていた。つまり、水路が水田の灌漑用としてつくられたために、農業優先で、農閑期しか水の利用が認められなかった。さらに水車稼動中に用水路が破損した場合には、水車の持ち主が修理代のすべてを負担しなければならなかった。このように水車の持ち主と農民の間には、つねに深刻な争いがあり、水利権についての問題を抱えていた。

　日本で水車の発達と普及が遅かったのは、食生活の関係もあったのではないかという指摘もある。諸外国の食生活は、粉食が発達していたから大量の製粉設備が必要となり、水車が多く利用されるようになった。一方、日本の場合、穀物を粉にして食することは少なく、そのため水車などの強力なエネルギーを用いなくても、人力で十分であった、とする説である。確かに諸外国では、粉食ということもあったであろうが、水車が飛躍的に発展する時期は、鉱工業に水車が利用されるようになってからである。幕末から明治時代には、日本でも水車が大きな動力源として活躍している事実をみれば、食生活という問題よりも、ヨーロッパに比べて鉱工業が決定的に遅れていたことが、水車（機械）の発達の遅れを招いたといえるのである。

　江戸時代後期には、日本でも菜種(なたね)や綿実の油絞りにも水車が使用されるようになった。さらに、薬種粉末、胡粉(ごふん)などの絵の具、線香の粉末などの製造に水車が利用される。そして桐生(きりゅう)地方では、水力（水車）を利用する撚糸(ねんし)機が発明され、佐賀藩、水戸藩では洋式の反射炉技術をヨーロッパから導入し、その反射炉への送風に水車を利用したり、砲身を削るための機械の動力源を水車に求めるようになった。『佐渡金山絵巻』のなかには、金鉱石の粉砕に水車を利用している描写があり、また鹿児島藩ではヨーロッパから導入した紡績機械の動力源に水車を利用した。

　明治時代になって、ようやく機械工業のなかでも本格的に動力源として水車が使われるようになった。明治初年に広島綿糸紡績所の動力として水車が設置されたのをはじめ、その後の富国強兵・殖産興業政策の下で近代日本を築くためとして、相次いで技術導入が行われ、それとともに水車を動力源として使用する事業所が増大していった。そして1909年（明治42）には、農業用の水車を除き、5人以上の職工を有する工場での水車台数は2390台（『工場統計表』による）になっていた。しかし、日本ではヨーロッパに比べてやや遅れただけで電気事業が始まったため、工業原動力として電力を使うことも早く、ために水車がヨーロッパのように長い年月にわたって機械工業の動力源の主流となることはなかった。

　日本の電気事業は、諸外国と同様に、電灯需要を主流として出発したが、1913年（大正2）には電力総需要の56％が工業用電力（工場内電灯分も含まれる）として使われるようになっている。すなわち、工場で使われる動力源に電動機も使われ始めたことを示している。そして、この電力を発生させる手段として水車が使われていったのである。現代の水車は、水力発電用として活躍している。

　なお、水力発電用以外に、精米・製粉・製材・揚水用として、今日もまだ水車を利用しているところも少なくない。

［雀部　晶・木下　忠］

中国

中国では後漢(ごかん)の初めに水碓(すいたい)（水車利用の搗臼(つきうす)）が現れ、三国・六朝(りくちょう)に水碾(すいてん)（水車によりローラーで穀物をひきつぶす用具）、水磑(すいがい)（水車利用の磨臼(すりうす)）、唐・宋(そう)に筒車(とうしゃ)（灌漑用の水車）が発達する。それらの構造の巧みさは元(げん)の『王楨農書(おうていのうしょ)』や明(みん)の『農政全書』および『天工開物』に詳しい。明の水車は鋳造用ふいごの送風や紡績に、清(しん)の水碓は陶土や香木をつくのに、水磨(すいま)（水車で石臼を回す）は宋代以来茶の葉をひくのに用いられた。

［雀部　晶・木下　忠］

現代の水車

現在用いられているプロペラ水車、フランシス水車、ペルトン水車は19世紀に発明されたもので、水力発電用に用いられる。水力タービンともよばれており、水車の軸は発電機に直結され、これを回転させる。1891年にドイツのフランクフルト・アム・マインで開かれた博覧会で電力の長距離送電の可能性が実証されて以来、水車は近代工業発達の原動力となった。

　また、1960年代からは、電力に余裕のある夜間や週末にポンプを使って水を高所の貯水池に揚水し、電力需要のピーク時にその水を使って水車を回して発電する揚水発電が行われるようになり、揚水と発電機の駆動とを一つの機械で行うためにポンプ水車が開発された。

　今日では水車の利用できる水の落差は数メートルから1800メートルに及ぶものがあり、1台の水車の出力も700メガワット程度の大きなものがある。また、ポンプ水車では、揚程、落差が700メートル、1台の出力が400メガワット程度のものまで製作されている。貯水池の水面と放流河川の水面との高さの差を全落差または自然落差とよび、それから貯水池と水車入口との間の損失などを差し引いた、水車が有効に利用できる落差を有効落差という。

［池尾　茂］

種類

水車は、羽根車に対する水の作用上から衝動水車と反動水車に分けられる。衝動水車は水の運動エネルギーだけを利用するもので、ペルトン水車がこの形式である。反動水車は水の運動エネルギーと圧力エネルギーの両方を利用するもので、フランシス水車、プロペラ水車、斜流水車がこの形式に属する。これらの水車は落差と水量に応じて選定される。20世紀終盤からは、地球温暖化に関連して再生可能エネルギーが注目されているが、水力エネルギーも再生可能エネルギーの一つである。日本では、大規模な水力発電に適したところはすでに開発されており、今後水力エネルギーを増やしていくためには、小規模の水力発電を推し進めていく必要がある。1000キロワット以下の小水力発電用水車として、衝動水車と反動水車の中間に位置するクロスフロー水車が用いられている。

(1)ペルトン水車　落差が大きく（500～1500メートル）水量が少ない場合に用いられる。1870年にアメリカのペルトンLester Allen Pelton（1829―1908）によって開発された。羽根車の外周上に18～30個の椀形(わんがた)のバケット（水受け）が取り付けられ、ノズルから噴出する水が羽根車の外周接線方向からバケットに当たってその方向を反転し、そのときの衝動力で羽根車が回転する。通常、横軸型でノズルの数は1～2本であるが、水量の多いときには縦軸型を使用し、ノズルの数は4～6本とする。負荷の変動により回転数が変化するが、その調節はノズル内のニードル弁を動かして水量を調整して行う。代表的なペルトン水車としては、日本では関西電力黒部川第四発電所の落差580メートル、出力95.8メガワットの縦軸型6ノズルのものがあり、外国ではスイスのビュードロン発電所の落差1883メートル、出力420メガワットの縦軸型6ノズルのものがある。現在では、日本にはペルトン水車の設置に適した場所はほとんどなくなってきている。

(2)フランシス水車　ペルトン水車に比べて落差が小さく、40～500メートルの中落差で水量の多い場合に用いられる。技術開発による適用落差範囲の拡大のためフランシス水車が多く製作されるようになっている。1849年にアメリカのJ・B・フランシスによりつくられたもので、水は渦形室から可動翼をもつ案内羽根（ガイドベーン）を通って、羽根車の多数の羽根の間へ流入する。羽根車において、流れの運動エネルギーと圧力エネルギーは機械的エネルギーに変換され、動力として主軸に伝えられる。流れはこのようにして羽根車を回転させ、最後に吸出し管から放水路に出ていく。案内羽根は羽根の取付け軸を回転させることにより、羽根車に流入する水の方向を変化させ、水車の負荷変動に応じて水量の調節を行うことができる。また、吸出し管を取り付けることにより、羽根車出口と放水面との間の高さを有効に利用することができる。大容量のフランシス水車としては、日本では北陸電力有峰第一発電所(ありみねだいいちはつでんしょ)（富山県）のもの（落差430メートル、出力266メガワット）、外国ではベネズエラのグリⅡ発電所のもの（146メートル、730メガワット）がある。

(3)プロペラ水車　プロペラ水車およびその改良型であるカプラン水車は、20～40メートルの低落差で大水量の場合に用いられる。羽根車の形は船のプロペラに似ており、水は案内羽根を出たのち、軸に平行に流れて羽根車に入る。羽根車はボス（羽根の取付け部品で、回転軸と直結している）に4～8枚の羽根を取り付けたもので、固定羽根のものを単にプロペラ水車といい、羽根のボスへの取付け軸が回転でき、角度を変えることのできるものをカプラン水車という。後者は1912年にオーストリアのカプランViktor Kaplan（1876―1934）が考案したもので、羽根を動かす機構はボスの中にあり、調速機からの信号により油圧機構を用いて羽根の取付け軸を回転させるようになっている。水量が変わると水流の方向も変化するが、それに応じて羽根は自動的に適切な傾きをとることができる。そのため固定翼のプロペラ水車に比べて、広い範囲の水量に対して効率よく働く特徴があり、大型のものはほとんどこの形式となっている。落差がさらに小さく、カプラン水車が適当でないときに横軸で円筒形ケーシングをもつチューブラ水車が用いられる。この場合、発電機も羽根車と直結して円筒形ケーシング内に設けられている。代表的なものとしては、只見(ただみ)川上流にある電源開発（Jパワー）大鳥発電所（福島県）の落差51メートル、出力100メガワットの縦軸カプラン水車、インドのコシ発電所の落差6.1メートル、出力5.6メガワットのチューブラ水車がある。

(4)斜流水車　1960年代に入って実用化された水車で、落差50～150メートル、比較的大水量のときに用いられる。渦形室から案内羽根までの構造はフランシス水車と同じであるが、羽根車の羽根が斜めの流路にある点が異なる。羽根車上の羽根枚数は8～10枚で、軸と45～70度の傾斜角をもつ。案内羽根の開閉に伴い水量と水流の方向が変化するとき、対応して羽根車羽根の角度も変化させ、広い負荷範囲で高い効率が得られるようにしたものをデリア水車という。羽根車羽根はカプラン水車と同様な方法で動かされる。代表的なデリア水車として、九州電力松原発電所（大分県）の落差84メートル、出力54.6メガワットのものがある。

(5)ポンプ水車　一つの羽根車を正逆回転させることにより、水車とポンプの作用を兼用させ、揚水発電を行うための機械。実用化されているポンプ水車には、フランシス型、デリア型、カプラン型があるが、現在では経済性や運転保守の容易さからフランシス型が大部分である。フランシス型ポンプ水車は、高揚程、高落差用に適し、大容量のものとしては、日本では東京電力神流川発電所(かんながわはつでんしょ)（群馬県・長野県）の落差675メートル、出力482メガワットのもの、外国ではアメリカのヘルムス発電所の541メートル、414メガワットのものがある。デリア型ポンプ水車は約30～150メートルの中揚程、中落差の所に適する。カプラン型ポンプ水車は低揚程、低落差に適し、主として潮の干満を利用する潮力発電所に利用されるが、適当な発電地点がないため、日本ではまだ実用例はない。

(6)クロスフロー水車　貫流水車ともいう。羽根車は円筒籠(かご)形で1対(つい)の主板の円周上に円弧上の羽根が20～30枚挟んである。案内羽根を通過した水が横型の羽根車の上部から中心に流れ込み、その後下部で中心から外に流れ出る。通常、案内羽根は軸方向に2分割されており、負荷に応じて切換運転することにより、広い負荷範囲にわたって良好な効率を保つことができる。落差5～100メートルで比較的小流量の地点で用いられ、出力は1000キロワット以下である。

［池尾　茂］

『加茂儀一著『技術発達史』（1943・高山書院）』▽『天野元之助著『中国農業史研究』（1962・御茶の水書房）』▽『石井安男著『水車とポンプ水車』（1962・電気書院）』▽『黒岩俊郎・玉置正美・前田清志編『日本の水車』（1980・ダイヤモンド社）』▽『大場利三郎・神山新一著『流体機械』（1980・丸善）』▽『国立科学博物館編『日本の稼動水車――実態調査報告書』（1983・クオリ）』▽『佐藤清史著『水力発電』（1987・東京電機大学出版局）』▽『出水力著『水車の技術史』（1988・思文閣出版）』▽『T・S・レイノルズ著、末尾至行他訳『水車の歴史――西欧の工業化と水力利用』（1989・平凡社）』▽『須藤浩三・山崎慎三・大坂英雄・林農著『現代機械工学シリーズ3　流体機械』（1990・朝倉書店）』▽『前田清志著『日本の水車と文化』（1992・玉川大学出版部）』▽『産業考古学会・前田清志他編『日本の産業遺産300選2　風・水車　原動機　工作機械　電力　電気・通信　応用化学・醸造　精密・産業機械』（1994・同文舘出版）』▽『河野裕昭著『日本列島現役水車の旅』（1997・小学館）』▽『高橋徹著『機械工学入門シリーズ　流体のエネルギーと流体機械』（1998・理工学社）』▽『末尾至行著『中近東の水車・風車』（1999・関西大学出版部）』▽『平岡昭利編『水車と風土』（2001・古今書院）』▽『ターボ機械協会編『ハイドロタービン』新改訂版（2007・日本工業出版）』