水轮机是将水流能量转变为旋转机械能的一种水力机械，它主要用来带动发电机发电，是水电站厂房中的主要动力设备。水轮机和发电机连接为一整体称为水轮发电机组，简称为机组。
水流的能量包括动能和势能，而势能又包括位置势能和压力势能。根据水轮机利用水流能量情况的不同，可将水轮机分为两大类：能量转换在有压管流中进行，同时利用水流动能和势能的水轮机称为反击式水轮机；能量转换在无压大气中进行，利用水流动能的水轮机称为冲击式水轮机。
反击式水轮机有四种机型：混流式、轴流式、斜流式和贯流式。
冲击式水轮机有三种机型：水斗式、斜击式和双击式。
水轮机分类：
1.反击式水轮机
反击式水轮机的转轮是由若干个具有空间曲面的刚性叶片组成，当压力水流通过整个转轮时，由于弯曲叶道迫使水流改变其流动的方向和流速的大小，因而水流便依其动能和势能给叶片以反作用力，并形成旋转力矩迫使转轮转动作功。压力水流通过蜗壳、导水机构进入转轮作功后由尾水管引导排至下游。
按转轮区的水流相对于水轮机主轴的方向不同，反击式水轮机可分为：
图7-15 混流式水轮机
1—主轴；2—转轮叶片；3—导叶
（1）混流式水轮机。混流式水轮机的水流进入转轮前是沿主轴半径方向，在转轮内转为斜向，最后沿主轴轴线方向流出转轮，如图7-15所示。水流在转轮内在做旋转运动的同时，还进行径向运动和轴向运动，所以称为混流式。它适用于30～800m水头的水电站，属于中等水头、中等流量的机型，同时它运行稳定，效率高，目前转轮的最高效率已达94%，是应用最广泛的水轮机。世界上单机出力最大的混流式水轮发电机组在三峡水电站，单机额定出力为700MW，最大出力852MW （转轮直径有9.832m和10.416m两种，转轮重有407t和448t两种，水轮机重有3200t和3323t两种，设计流量为995.6m3/s和991.8m3/s两种，设计工作水头80.6m，工作水头范围6l～113m）。
（2）轴流式水轮机。轴流式水轮机的水流进入转轮前已经转过90°弯角，水流沿主轴轴线方向进入转轮，又沿主轴轴线方向流出转轮，如图7-16所示。水流在转轮内同时做旋转运动和轴向运动，没有径向运动，所以称为轴流式。它适用3～80m水头的水电站，属于低水头、大流量机型。
图7-16 轴流式水轮机
1—导叶；2—转轮叶片；3—轮毂
轴流式水轮机又分轴流定桨式水轮机和轴流转桨式水轮机两种。轴流转桨式水轮机的转轮叶片在工作时，能根据水库库水位和导叶开度的变化自动调节叶片角度，使水流进入转轮时对叶片头部的冲角最小，使水轮机在很大出力变化范围内，水轮机的效率都比较高。世界上单机出力最大的轴流转桨式水轮发电机组在我国福建省水口水电站，单机出力为200MW （转轮直径为8m，设计工作水头为47m，工作水头范围为30.9～57.8m，设计流量为467.7m3/s）。
世界上转轮直径最大、也是转轮直径最大的轴流转桨式水轮发电机组在我国长江葛洲坝水电站，转轮直径为11.3m （单机出力为175MW，转轮重为468t，水轮机重为2150t，设计工作水头为18.6m，工作水头范围为8.3～27m）。
图7-17 斜流式水轮机
（3）斜流式水轮机。斜流式水轮机转轮内的水流运动与混流式转轮一样，但转轮叶片又与轴流转桨式转轮叶片一样，如图7-17所示。因此其性能吸取了上述两种水轮机的优点。水流流经转轮时倾斜于轴向，故称为斜流式水轮机。这种水轮机的叶片轴线与主轴的轴线呈45°～60°的锥角，因而与轴流转桨式水轮机相比就能装置较多的叶片，应用水头范围也有所提高，一般为40～200m。1969年我国制成了第一台斜流式水轮机，并在毛家村水电站上安装运行，其单机容量为8000kW；1972年又为密云水电站制成了15000kW的斜流式水泵水轮机。目前正在试制更大容量的斜流式水泵水轮机。
（4）贯流式水轮机。贯流式水轮机的转轮结构及转轮内的水流运动与轴流式转轮完全一样，也有贯流定桨式和贯流转桨式两种形式。当轴流式水轮机的主轴装置成水平或倾斜，而且不设置蜗壳，使水流直贯转轮，水流从进入水轮机到流出水轮机几乎始终与主轴线平行贯通，“贯流式”的名称由此而得。由于水流进出水轮机几乎贯流畅通，所以水轮机的过流能力很大，只要有0.3m的水位差就能发电，适用于30m水头以下的大流量水电站，特别是潮汐电站，属于超低水头、超大流量机型。
由于发电机装置情况的不同，这种水轮机又分为全贯流式和半贯流式两种。当发电机转子安装在转轮外缘时，称为全贯流式水轮机。但由于转轮外缘线速度较大，而且密封十分困难，故现已很少使用。半贯流式水轮机的结构形式又分灯泡贯流式、轴伸贯流式、竖井贯流式、明槽式和虹吸贯流式五种，其中灯泡贯流式水轮机，其特点是将发电机装置在灯泡形的密封机壳内并与水轮机直接连接，这样结构紧凑，流道平直，水力效率也较高，如图7-18所示。它结构合理，效率较高，所以应用最多。世界上单机容量最大的灯泡贯流式水轮发电机组应用于日本的只见水电站，单机出力为65.8MW。世界上应用水头最高的灯泡贯流式水轮机在我国的洪江水电站，工作水头范围为8.4～27.3m（单机出力为46.4MW，转轮直径为5.2m）。(www.xing528.com)
图7-18 灯泡贯流式机组
2.冲击式水轮机
冲击式水轮机主要由喷管和转轮组成。来自压力钢管的高压水流通过喷嘴变为具有动能的自由射流。当高速射流冲击转轮叶片时，从进入到离开轮叶时，速度的大小和方向也都发生变化，因而将其动能传给转轮并形成旋转力矩使转轮转动。
冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同，又分为：
（1）水斗式。水流由喷嘴形成高速运动的射流，射流沿着转轮旋转平面的切线方向冲击转轮斗叶，所以又称为“切击式”水轮机，如图7-19所示。水斗式水轮机适用于100～1700m水头的水电站，属于高水头、小流量机型。世界上应用水头最高的水斗式水轮发电机组在奥地利利雷扎河水电站，工作水头为1771m。我国单机出力最大的水斗式水轮发电机组在云南以礼河三级水电站，单机出力为37.5MW。我国应用水头最高的水斗式水轮发电机组在天湖水电站，设计水头为1022.4m，转轮直径最大的水斗式水轮发电机组在草坡水电站，转轮直径为2.16m。
图7-19 水斗式水轮机
1—喷嘴；2—机壳；3—转轮；4—折流板
（2）斜击式水轮机。水流由喷嘴形成高速运动的射流，射流沿着转轮旋转平面的正面约22.5°的方向冲击转轮叶片，再从转轮旋转平面的背面流出转轮，如图7-20和图7-21所示。斜击式水轮机的效率较低，目前最高也只有85.7%。适用25～400m水头的小型水电站。
图7-20 斜击式水轮机射流与转轮的相对位置
（3）双击式水轮机。双击式水轮机的应用水头较低，没有水斗式和斜击式水轮机中的喷嘴，而是在压力管道末端接了一段与转轮宽度相等的矩形断面的喷管，如图7-22所示。它形成的水流流速比较小，水流流出喷管后，首先从转轮外圆柱面的顶部向心地进入转轮流过叶片，将大约70%～80%的水能转换成机械能，然后从转轮内腔下落绕过主轴从转轮的内圆柱面离心地第二次进入转轮流过叶片，将余下的20%～30%的水能转换成机械能，最后水流从叶片外缘离心地离开转轮。所谓的“双击”，就表示水流两次流过转轮叶片。双击式水轮机的结构简单但效率最低，适用5～100m水头的乡村小水电站。
图7-21 斜击式水轮机立体图
3.可逆式水轮机
这是一种新型的水轮机，应用在抽水蓄能电站中的可逆式水轮机正转时可作水泵运行抽水蓄能，反转时可作水轮机运行放水发电；应用在潮汐电站中的可逆式水轮机正反转都可作水泵运行抽水蓄能，正反转都可作水轮机运行放水发电。可逆式水轮机的机型有可逆混流式、可逆斜流式、可逆轴流式和可逆贯流式4种。世界上单机出力最大的可逆式水轮发电机组在美国巴斯康蒂抽水蓄能电站，单机出力为380MW （设计工作水头为393m）。抽水扬程最高的可逆式水轮机在我国西藏羊卓雍湖抽水蓄能电站，最高扬程为842m。
在生产上，按额定容量及转轮直径的大小，将水轮机也划分为大、中、小型，见表7-4。
大中型水轮发电机组均采用竖向立式装置，水轮机轴和发电机轴的中心线在同一铅垂线上，两轴通过法兰盘用螺栓刚性连接，进行直接传动。这样，可使发电机安装在较高的位置而不易受潮，机组的传动效率最高而且安装、拆卸及维护管理也都方便，水电站厂房占地面积小，也易于布置。只有对一些小型机组，有时采用卧式装置或间接传动。
图7-22 采用闸板调节的双击式水轮机
1—压力水管；2—调节闸板；3—转轮；4—喷管；5—调速手轮；6—机壳；7—尾水渠
表7-4 水轮机大、中、小型的划分
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