例題に挑戦
スキルサートのAIが生成した演習問題のサンプルです。アプリでは毎週新しい問題が追加されます。
例題1
火力発電所の熱効率向上に関する記述として、誤っているものはどれか。
- タービン途中の抽気で給水を加熱する再生サイクルを採用し、復水器へ捨てる熱量を減少させる。
- 蒸気タービンの入口蒸気条件を高温・高圧化し、超臨界圧や超超臨界圧を採用する。
- ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせたコンバインドサイクル発電を採用する。
- 復水器の真空度を低下させることで、タービン内での蒸気の膨張を促進する。
- 高圧タービンから出た蒸気をボイラで再加熱し、再びタービンへ送る再熱サイクルを採用する。
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正解: 復水器の真空度を低下させることで、タービン内での蒸気の膨張を促進する。
正解は「復水器の真空度を低下させることで、タービン内での蒸気の膨張を促進する。」です。復水器の真空度は高める（つまり圧力をより低く保つ）ことで、タービン出口の圧力が低下し、蒸気がより大きく膨張できるようになります。これにより、蒸気がタービンに対して行う仕事量が増え、熱効率が向上します。真空度を「低下させる」ことは、復水器内の圧力を上げることと同義であり、逆に熱効率を低下させる要因となります。火力発電所では海水などを用いて復水器を冷却し、可能な限り高い真空度を維持するよう設計・運用されています。
例題2
水力発電所の水車における比速度に関する記述として、正しいものはどれか。
- 比速度とは、水車のランナの直径を有効落差で除した無次元数である。
- 比速度が小さすぎると、ランナの翼表面にキャビテーションが発生しやすくなる。
- ペルトン水車は、一般にフランシス水車に比べて比速度が大きい。
- 比速度とは、1mの有効落差で1kWの出力を発生させる仮想水車の回転速度である。
- 比速度は、水車の有効落差の2乗に比例して大きくなる特性を持つ。
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正解: 比速度とは、1mの有効落差で1kWの出力を発生させる仮想水車の回転速度である。
正解は「比速度とは、1mの有効落差で1kWの出力を発生させる仮想水車の回転速度である。」です。比速度は水車の形状（型式）を決定する重要な指標であり、特定の幾何学的形状を持つ水車が、有効落差1mで出力1kWを発生する際の実回転速度として定義されます。高落差で少ない流量を用いるペルトン水車は比速度が小さく、低落差で多くの流量を用いるプロペラ水車やカプラン水車は比速度が大きくなります。また、比速度を大きく設定しすぎると、ランナの流速が速くなりすぎて圧力が下がり、キャビテーションが発生するリスクが高まるため、落差に応じた適切な比速度の選定が不可欠です。
重要用語
- 同期速度
- 交流電動機や発電機において、回転磁界が回転する理論上の速度のこと。周波数をf、極数をpとすると「120f/p」という公式で算出される。誘導電動機の実際の回転速度は、この同期速度よりもわずかに遅くなるのが一般的である。試験では計算問題として頻出するため、この基本公式を正確に暗記し、単位（min-1）に注意して扱うことが重要である。
- 滑り（すべり）
- 誘導電動機において、同期速度と実際の回転速度の差を同期速度に対する割合で示した値のこと。記号sで表され、停止状態では1、同期速度で回転すれば0となる。電動機のトルクや出力、二次銅損の計算に直結する極めて重要なパラメータである。試験では、回転速度や周波数の変化から滑りを逆算させる問題が多く、効率計算の基礎となる概念である。
- 無負荷損
- 変圧器や回転機において、負荷を接続していない状態でも発生し続ける損失のこと。主な内訳は鉄損（ヒステリシス損と渦電流損）であり、電圧が一定であれば負荷の大きさに関わらずほぼ一定であるため「固定損」とも呼ばれる。変圧器の効率計算において、負荷損（銅損）と共に全損失を構成する要素として扱われ、開放試験によって求めることができる。
- 同期リアクタンス
- 同期発電機の内部インピーダンスのうち、電機子反作用による影響と漏れリアクタンスを合算したもの。発電機の電圧変動率や送電可能な電力の安定性を評価する指標となる。試験では、百分率同期リアクタンスを用いた短絡比の計算（短絡比＝1／百分率同期リアクタンス）が頻出であり、単位法（pu法）を用いた計算に慣れておくことが合格への近道となる。
- インバータ
- 直流電力を任意の電圧・周波数の交流電力に変換する装置のこと。パワーエレクトロニクス分野の代表的な装置であり、半導体スイッチング素子を用いて出力を制御する。誘導電動機の速度制御（VVVF制御）などに広く利用されており、省エネルギー化において重要な役割を果たす。試験では、回路構成や出力波形の原理、制御手法についての知識が問われる。
- フィードバック制御
- 制御対象の出力（制御量）を検出し、目標値と比較してその差を打ち消すように入力を調整する制御方式。閉ループ制御とも呼ばれる。外乱の影響を抑制し、自動で正確な制御を行うことができる。試験の自動制御分野では、ブロック線図を用いた伝達関数の合成や、システムの安定性判別（ラウスの安定判別法など）に関する計算問題が中心となる。
- 全光束
- 光源から全ての方向に放射される光の総量のこと。単位はルーメン（lm）で表される。照明設計において、部屋の照度を決定する際の最も基礎となる指標である。試験では、光束法を用いた「平均照度 ＝ (全光束 × 器具数 × 照明率 × 保守率) ／ 面積」という公式の活用が重要であり、各係数の意味を理解し、計算ミスを防ぐ練習が必要である。
- 電機子反作用
- 電機子巻線に電流が流れることで磁束が発生し、界磁による主磁束を乱す現象のこと。直流機では磁束の歪みによる偏磁作用や減磁作用を引き起こし、整流悪化の原因となる。同期機では、負荷の力率によって主磁束を強めたり弱めたりする（増磁・減磁・交差磁化作用）。機械科目の各機器に共通する現象であり、ベクトル図を用いた理解が不可欠である。
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