水輪機是將水能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機械能的一種水力原動機。根據(jù)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)換水流能量方式的不同，水輪機分成兩大類：反擊式水輪機和沖擊式水輪機。反擊式水輪機包括混流式、軸流式、斜流式和貫流式水輪機;沖擊式水輪機分為水斗式、斜擊式和雙擊式水輪機。

一、反擊式水輪機

反擊式水輪機轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)的水流在通過轉(zhuǎn)輪葉片流道時，始終是連續(xù)充滿整個轉(zhuǎn)輪的有壓流動，并在轉(zhuǎn)輪空間曲面型葉片的約束下，連續(xù)不斷地改變流速的大小和方向，從而對轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生一個反作用力，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)水流通過水輪機后，其動能和勢能大部分被轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機械能。

01、混流式水輪機

如圖所示，水流從四周沿徑向進入轉(zhuǎn)輪，然后近似以軸向流出轉(zhuǎn)輪。混流式水輪機應(yīng)用水頭范圍較廣，約為20～700m，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定且效率高，是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的一種水輪機。

混流式水輪機

1—主軸;2—葉片;3—導(dǎo)葉

02、軸流式水輪機

如圖所示，水流在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動，而在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)水流保持軸向流動，軸流式水輪機的應(yīng)用水頭約為3～80m。軸流式水輪機在中低水頭、大流量水電站中得到了廣泛應(yīng)用。根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片在運行中能否轉(zhuǎn)動，又可分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機兩種。軸流定槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片是固定不動的，因而結(jié)構(gòu)簡單、造價較低，但它在偏離設(shè)計工況運行時效率會急劇下降，因此，這種水輪機一般用于水頭較低、出力較小以及水頭變化幅度較小的水電站。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片可以根據(jù)運行工況的改變而轉(zhuǎn)動，從而擴大了高效率區(qū)的范圍，提高了運行的穩(wěn)定性。但是，這種水輪機需要有一個操作葉片轉(zhuǎn)動的機構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價較高，一般用于水頭、出力均有較大變化幅度的大中型水電站。

軸流式水輪機

1—導(dǎo)葉;2—葉片;3—輪轂

03、斜流式水輪機

如圖所示，水流在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi)沿著與主軸成某一角度的方向流動。斜流式水輪機的轉(zhuǎn)輪葉片大多做成可轉(zhuǎn)動的形式，具有較寬的高效率區(qū)，適用水頭在軸流式與混流式水輪機之間，約為40～200m。它是在50年代初為了提高軸流式水輪機適用水頭而在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機基礎(chǔ)上改進提出的新機型，其結(jié)構(gòu)形式及性能特征與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機類似，但由于其傾斜槳葉操作機構(gòu)的結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜，加工工藝要求和造價均較高，所以一般只在大中型水電站中使用，目前這種水輪機應(yīng)用還不普遍。

斜流式水輪機

1—蝸殼;2—導(dǎo)葉;3—轉(zhuǎn)輪葉片;4—尾水管

04、貫流式水輪機

貫流式水輪機是一種流道近似為直筒狀的臥軸式水輪機，它不設(shè)引水蝸殼，葉片可做成固定的和可轉(zhuǎn)動的兩種。根據(jù)其發(fā)電機裝置形式的不同，分為全貫流式和半貫流式兩類。

全貫流式水輪機的發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣。它的優(yōu)點是流道平直、過流量大、效率高。但由于轉(zhuǎn)輪葉片外緣的線速度大、周線長，因而旋轉(zhuǎn)密封困難。目前這種機型已很少使用。

半貫流式水輪機有軸伸式、豎井式和燈泡式等裝置形式，如圖所示，其中軸伸式和豎井式結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，但效率較低，一般只用于小型水電站。目前廣泛使用的是燈泡貫流式水輪機，其結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性好、效率較高，其發(fā)電機布置在被水繞流的鋼制燈泡體內(nèi)，水輪機與發(fā)電機可直接聯(lián)接，也可通過增速裝置聯(lián)接。

全貫流式水輪機

1—轉(zhuǎn)輪葉片;2—轉(zhuǎn)輪輪緣;3—發(fā)電機轉(zhuǎn)子輪輞;4—發(fā)電機定子;5、6—支柱;7—軸頸;8—輪轂;9—錐形插入物;10—拉緊桿;11—導(dǎo)葉;12—推力軸承;13—導(dǎo)軸承

軸伸貫流式水輪機

1—轉(zhuǎn)輪;2—水輪機主軸;3—尾水管;4—齒輪轉(zhuǎn)動機構(gòu);5—發(fā)電機

豎井貫流式水輪機

燈泡貫流式水輪機

1—轉(zhuǎn)輪葉片;2—導(dǎo)葉;3—發(fā)電機定子;4—發(fā)電機轉(zhuǎn)子;5—燈泡體

貫流式水輪機的適用水頭為1～25m，適用于低水頭、大流量的水電站。由于其臥軸式布置及流道形式簡單，所以土建工程量少，施工簡便，因而在開發(fā)平原地區(qū)河道和沿海地區(qū)潮汐等水力資源中得到較為廣泛的應(yīng)用。目前我國自行研制的最大的燈泡貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑為5.5m，單機出力為15MW。

二、沖擊式水輪機

沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪始終處于大氣中，來自壓力鋼管的高壓水流在進入水輪機之前已轉(zhuǎn)變成高速自由射流，該射流沖擊轉(zhuǎn)輪的部分輪葉，并在輪葉的約束下發(fā)生流速大小和方向的改變，從而將其動能大部分傳遞給輪葉，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。在射流沖擊輪葉的整個過程中，射流內(nèi)的壓力基本不變，近似為大氣壓。

沖擊式水輪機按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式不同可分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種。

01、水斗式水輪機

水斗式水輪機，亦稱切擊式水輪機，如圖所示。從噴嘴出來的高速自由射流沿轉(zhuǎn)輪圓周切線方向垂直沖擊輪葉。這種水輪機適用于高水頭、小流量的水電站，特別是當(dāng)水頭超過400m時，由于結(jié)構(gòu)強度和氣蝕等條件的限制，混流式水輪機已不太適用，則常采用水斗式水輪機。大型水斗式水輪機的應(yīng)用水頭約為300～1700m，小型水斗式水輪機的應(yīng)用水頭約為40～250m。目前水斗式水輪機的最高水頭已用到1767m(奧地利萊塞克電站)，我國天湖水電站的水斗式水輪機設(shè)計水頭為1022.4m。

水斗式水輪機

02、斜擊式水輪機

如圖所示，從噴嘴出來的自由射流沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成一角度的方向，從轉(zhuǎn)輪的一側(cè)進入輪葉再從另一側(cè)流出輪葉。與水斗式相比，其過流量較大，但效率較低，因此這種水輪機一般多用于中小型水電站，適用水頭一般為20～300m。

斜擊式轉(zhuǎn)輪

(a)轉(zhuǎn)輪;(b)斜擊式轉(zhuǎn)輪進水示意圖

1—管帽;2—針閥;3—輪葉;

03、雙擊式水輪機

如圖所示，從噴嘴出來的射流先后兩次沖擊在轉(zhuǎn)輪葉片上。這種水輪機結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，但效率低、轉(zhuǎn)輪葉片強度差，僅適用于單機出力不超過1000kW的小型水電站，其適用水頭一般為5～100m。

帶有閘板閥門的雙擊式水輪機

1—工作輪;2—噴嘴;3—調(diào)節(jié)閘板;4—舵輪;5—引水管;6—尾水槽

三、應(yīng)用水頭

水輪機類型及應(yīng)用水頭范圍