問 題
次の文章は、水車のキャビテーションに関する記述である。
運転中の水車の流水経路中のある点で( ア )が低下し、そのときの( イ )以下になると、その部分の水は蒸発して流水中に微細な気泡が発生する。その気泡が( ア )の高い箇所に到達すると押し潰され消滅する。このような現象をキャビテーションという。
水車にキャビテーションが発生すると、ランナやガイドベーンの壊食、効率の低下、( ウ )の増大など水車に有害な現象が現れる。
吸出し管の高さを( エ )することは、キャビテーションの防止のため有効な対策である。
上記の記述中の空白箇所(ア)、(イ)、(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
(ア) (イ) (ウ) (エ)
- 流速 飽和水蒸気圧 吸出し管水圧 低く
- 流速 最低流速 吸出し管水圧 高く
- 圧力 飽和水蒸気圧 吸出し管水圧 低く
- 圧力 最低流速 振動や騒音 高く
- 圧力 飽和水蒸気圧 振動や騒音 低く
解 説
( ア )と( イ )を含む文章には「水が蒸発して気泡となる」というようなことが書いてあります。つまり、これは水が蒸発(気化)して水蒸気になるということですが、水が水蒸気に変わる条件は、水の温度が沸点以上になるか、あるいは水の圧力が飽和水蒸気圧以下になるかのどちらかです。
温度のほうは周知の事実だと思いますが、圧力が低いと蒸発しやすくなるというのは、山の上では水の沸点が下がるということを知っていれば、納得しやすいと思います。
山頂は高さの分だけ大気圧が低くなりますが、すると水の沸点が下がり、お湯を沸かしてコーヒーやインスタントラーメンを作っても、地上と違って100℃まで加熱できないので、美味しくなくなるという事実があります(格別な場所で食べるから美味しく感じる、という可能性はありますけど…)。
…というわけで、( ア )には「圧力」、( イ )には「飽和水蒸気圧」が入るので、この時点で選択肢は(3)か(5)に絞れます。
そもそも、水の流速が変化したところで水は水のままなので、( ア )に「流速」を入れるのはおかしく、( イ )に「最低流速」を入れるのもおかしいので、消去法でも(1)、(2)、(4)は消せます。
( ウ )について、気泡が圧力で押しつぶされると、ランナなどに強い衝撃を与えるので、振動や騒音が起こるとともに、機器への損傷を与えます(気泡を押しつぶすというのは、梱包材のプチプチをつぶすイメージです。あれの強烈版だと思ってください)。よって、( ウ )には「振動や騒音」が入ります。
この時点で正解は(5)だと確定しますが、念のため、( エ )も確認しておきます。
( エ )ではキャビテーションの防止策が問われていますが、主要な対策としては以下の5つが挙げられます。どれも大事なので、この問題とは関係なくても押さえておくことをお勧めします。
- 水車の比速度を上げすぎない
- 吸出し管の高さを低くする
- 吸出し管内に適度に空気を吹き込む
- 負荷のムラをなるべくなくし、均一な運転をする
- 壊食の起こる部位に、腐食しにくい金属素材を用いる
よって、( エ )は上記の2番目より、「低く」が入ります。
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