水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械，是利用水流做功的水力機(jī)械，根據(jù)轉(zhuǎn)換水流能量方式的不同，水輪機(jī)分為沖擊式水輪機(jī)（Impulse Turbine）和反擊式水輪機(jī)（Reaction Turbine）兩大類。水輪機(jī)受水流作用而旋轉(zhuǎn)的部件稱為轉(zhuǎn)輪（Runner）。 水輪機(jī)主要類別見圖1。

圖1--水輪機(jī)主要類別圖

一、沖擊式水輪機(jī)（Impulse Turbine）

沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到噴射水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，在同一時(shí)刻內(nèi)，水流只沖擊著轉(zhuǎn)輪的一部分，而不是全部。圖2是沖擊式水輪機(jī)水流向示意圖。

圖2--沖擊式水輪機(jī)水流向示意圖

沖擊式水輪機(jī)按水流的流向可分為切擊式（又稱水斗式）、斜擊式、雙擊式三類。

圖3--水斗式、斜擊式、雙擊式水輪機(jī)示意圖

（1）水斗式水輪機(jī)（Pelton Turbine），水流由噴嘴噴射出來沿著轉(zhuǎn)輪圓周的切線方向沖擊在斗葉上做功，圖3（a）。由美國人培爾頓于1889年提出，又稱為培爾頓式水輪機(jī)。適用水頭范圍40~2000m，尤其適用超高水頭，國外最大單機(jī)出力目前已達(dá)40萬kW，是沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)。

圖4--水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

圖5--雙噴管水斗式水輪機(jī)

（2）斜擊式水輪機(jī)（Turgo Turbine、 Inclined-jet Turbine），水流由噴嘴噴射出來沿著與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)平面成某一角度（約22.5°）進(jìn)入葉片，圖3（b）。適用于高水頭，中小型的水電站。

圖6--斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

圖7--斜擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及主軸

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

（3）雙擊式水輪機(jī)（Banki Turbine、Cross-flow turbine），水流從噴嘴流出后，從轉(zhuǎn)輪外周通過徑向葉片進(jìn)入轉(zhuǎn)輪中心，進(jìn)行第一次能量交換，再從轉(zhuǎn)輪中心通過徑向葉片流出轉(zhuǎn)輪，完成第二次能量交換，圖3（c）。適用水頭范圍10~150m，結(jié)構(gòu)簡單、效率低，出力較小，應(yīng)用不多。

圖8 --雙擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪

圖9--雙擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪
（圖8、圖9來源于“小水電”QQ群）

二、反擊式水輪機(jī)（Reaction Turbine）

與沖擊式水輪機(jī)不同，反擊式水輪機(jī)同時(shí)利用了水流的勢能與動(dòng)能，水流充滿整個(gè)轉(zhuǎn)輪的空間，在轉(zhuǎn)輪葉片約束下改變流速與方向，從而對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片產(chǎn)生反作用力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。通過水輪機(jī)水流的大部分動(dòng)能與勢能都轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。反擊式水輪機(jī)可分為軸流式、混流式、斜流式和貫流式。

（1）軸流式水輪機(jī)（Axial- flow Turbine）

軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪如同風(fēng)扇葉片，工作原理與常見的風(fēng)力機(jī)相似。水流從水輪機(jī)四周水平方向向中心流入（徑向進(jìn)入），然后轉(zhuǎn)為向下方向推動(dòng)轉(zhuǎn)輪葉片做功，由于推動(dòng)轉(zhuǎn)輪葉片的水流方向與轉(zhuǎn)輪軸方向平行，故稱為軸流式水輪機(jī)。圖10是軸流式水輪機(jī)水流走向示意圖。

圖10--軸流式水輪機(jī)水流走向示意圖

軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安裝在轉(zhuǎn)輪室中，轉(zhuǎn)輪室上端是水輪機(jī)的底環(huán)，在底環(huán)上端有頂蓋，頂蓋中部有導(dǎo)軸承，是支撐水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的軸承；頂蓋中下部有密封裝置，防止高壓的水通過軸進(jìn)入頂蓋上部的設(shè)備空間；導(dǎo)葉安裝在底環(huán)與頂蓋之間，在頂蓋上方安裝控制環(huán)與接力器等導(dǎo)水機(jī)構(gòu)有關(guān)部件；在轉(zhuǎn)輪室下方連接有尾水管。水流經(jīng)過導(dǎo)葉進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功，然后再從尾水管排出，淺藍(lán)色箭頭線表示水流走向，見圖11。

圖 11--軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

軸流式水輪機(jī)分為軸流定槳式（ Propeller turbine ）和軸流轉(zhuǎn)槳式（Kaplan turbine）兩種。

圖12--軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（照片來自網(wǎng)絡(luò)）

軸流定槳式水輪機(jī)的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上，葉片安放角度不能在運(yùn)行中改變，效率曲線較陡，適用于負(fù)荷變化小或可以用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)來適應(yīng)負(fù)荷變化的電站。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)較低。缺點(diǎn)：在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)效率會(huì)急劇下降。根據(jù)其特點(diǎn)，一般用于出力較小，水頭較低以及水頭變化幅度較小的水電站。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明，故又稱卡普蘭水輪機(jī)。其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作，可按水頭和負(fù)荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持活動(dòng)導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合，從而提高平均效率，這類水輪機(jī)的最高效率有的已超過94%。但是，這種水輪機(jī)需要一個(gè)操作葉片轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，造價(jià)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。

（2）混流式水輪機(jī)（Francis Turbine、Mixed Flow Turbine）

混流式水輪機(jī)的水流從水輪機(jī)四周水平方向向中心流入轉(zhuǎn)輪（徑向進(jìn)入），然后轉(zhuǎn)為向下方向出口，水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪內(nèi)在向軸芯方向通過葉片時(shí)推動(dòng)轉(zhuǎn)輪，同時(shí)在向下通過葉片時(shí)也推動(dòng)轉(zhuǎn)輪。也就是說水流在徑向與軸向通過葉片時(shí)都做功，故稱為混流式水輪機(jī)，也稱為幅向軸流式水輪機(jī)。

混流式水輪機(jī)屬反擊式水輪機(jī)的一種，由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，又稱弗朗西斯水輪機(jī)。圖13是混流式水輪機(jī)水流走向示意圖。

圖13--混流式水輪機(jī)水流走向示意圖

混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機(jī)型式之一。

混流式水輪機(jī)主要部件包括蝸殼、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)軸承、底環(huán)、尾水管等，見圖14（為使圖片清晰簡單，圖中略去了座環(huán)）。圖中淺藍(lán)色箭頭線表示經(jīng)過水輪機(jī)的水流走向，水從蝸殼入口進(jìn)入水輪機(jī)，通過導(dǎo)葉形成向中心的環(huán)流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，推動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)做功后由下方尾水管排出。

圖14--混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)圖

混流式水輪機(jī)適用于水頭自20米直到700米的范圍內(nèi)，機(jī)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，并且效率高，但它一般是用在中水頭范圍內(nèi)（50米至400米）。單機(jī)出力從幾十千瓦到幾十萬千瓦。目前這種水輪機(jī)最大出力已經(jīng)超過70萬千瓦。我國單機(jī)容量700兆瓦混流式機(jī)組在三峽投入運(yùn)行。

圖15--混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（三峽700兆瓦機(jī)組）

圖16--混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪（照片來自網(wǎng)絡(luò)）

（3）斜流式水輪機(jī)（Diagonal Flow Turbine、Inclined Flow Turbine）

斜流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有點(diǎn)像軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，只不過通過葉片的水流是傾斜于軸向，是軸流式水輪機(jī)的變種，其水流能量損失小，通過調(diào)節(jié)葉片角度可適應(yīng)較大的水頭范圍。斜流式水輪機(jī)由于制造工藝復(fù)雜、造價(jià)高，目前使用還較少。圖17是斜流式水輪機(jī)水流走向示意圖。

圖17--斜流式水輪機(jī)水流走向示意圖

 （4）貫流式水輪機(jī)（Straight- flow Turbine）

貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與軸流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪基本相同，但轉(zhuǎn)軸是水平方向或略有傾斜，水流是沿水輪機(jī)軸線方向進(jìn)入，沿水輪機(jī)軸線方向流出。圖18是貫流式水輪機(jī)水流走向示意圖。

圖18--貫流式水輪機(jī)水流走向示意圖

貫流式水輪機(jī)的機(jī)組主要有軸伸貫流式（Shaft-extension type tabular turbine）、豎井貫流式（Pit-type turbine）、燈泡貫流式（Bulb turbine ）、全貫流式（Rim-generator turbine）四種形式，由于全貫流式水輪機(jī)制造工藝要求很高，目前應(yīng)用很少。

圖19--軸伸貫流式水輪發(fā)電機(jī)組示意圖

圖20--豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組示意圖

圖21--燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組示意圖

三、可逆式水輪機(jī)（Pump-Turbine）

可逆式水輪機(jī)也叫水泵水輪機(jī)，是一種既可以作水輪機(jī)使用又可以作水泵使用的水力機(jī)械。理論上講，混流式水輪機(jī)、軸流式水輪機(jī)、斜流式水輪機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際上要經(jīng)過專門設(shè)計(jì)才能在兩種運(yùn)行狀態(tài)下高效運(yùn)行。

四、水輪機(jī)的主要類型與適用水頭

下面一個(gè)表格列出了水輪機(jī)的主要類型與適用水頭范圍（不同資料，水頭范圍有所區(qū)別，僅供參考）。