貴金屬
[拼音]：shuilunji
[英文]：hydraulic turbine
把水流的能量（動能、位能和壓力能）轉換為旋轉機械能的動力機械。它屬於流體機械中的透平機械。早在公元前100年前後，中國就出現了水輪機的雛形──水輪，用於提灌和驅動糧食加工器械。現代水輪機則大多數安裝在水電站內，用來驅動發電機發電。它與發電機連線在一起，組成水輪發電機組。在水電站中，上游水庫中的水經引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發電機發電。作完功的水則通過尾水管道排向下遊。水輪機的輸出功率P（千瓦）按下式計算：P＝9.804Hqη。式中H為流向水輪機的淨水頭（米）；q為流向水輪機的水流量（米3/秒）；η 為水輪機的效率，即水輪機的輸出功率與輸入功率之比。根據這個公式，水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。
分類
水輪機按工作原理可分為衝擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類（見表）。衝擊式水輪機的轉輪受到水流的衝擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換。反擊式水輪機的轉輪在水中受到水流的反作用力而旋轉，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉換。
在水斗（切擊）式水輪機（圖1）中，從噴嘴出來的射流沿轉輪圓周的切線方向射向雙U形的水斗中部，然後在水斗中轉向兩側排出。在斜擊式水輪機中，射流傾斜於轉輪軸線，從進口平面一側射向葉片，通過葉片後從另一側排出。圖2為斜擊式水輪機的轉輪和工作原理。斜擊式水輪機一般只用於2兆瓦以下的小型機組。
反擊式水輪機又可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機（圖3）中，水流徑向進入導水機構，軸向流出轉輪。在軸流式水輪機（圖4）中，水流徑向進入導葉，軸向進入和流出轉輪。在斜流式水輪機中，水流徑向進入導葉，而以傾斜於主軸某一角度的方向流進轉輪（圖5），或以傾斜於主軸的方向流進導葉和轉輪。在貫流式水輪機（圖6）中，水流沿軸向流進導葉和轉輪。
軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結構還可分為定槳式和轉槳式。定槳式的轉輪葉片是固定的；轉漿式的轉輪葉片可以在執行中繞葉片軸轉動，以適應水頭和負荷的變化。
各種水輪機大多可採用立軸式或臥軸式佈置。大型機組多數採用立軸式佈置，貫流式水輪機一般為臥軸或斜軸佈置。
表中所列的各類水輪機還可按比轉數（又稱比轉速）進一步劃分成若干系列。保持幾何相似和運動相似的同一系列水輪機比轉數相等，水力特徵相同，而與尺寸大小無關。在一定的水頭下，比轉數高，則機組轉速高、尺寸小、質量小、造價低，因此比轉數是水輪機的關鍵技術經驗指標，但比轉數的提高受氣蝕和強度條件的限制。水輪機的比轉數在數值上等於1米水頭下發出1千瓦功率時的轉速。
衝擊式水輪機
衝擊式水輪機按水流的流向分為切擊式（又稱水斗式）和斜擊式兩類。
水斗式（切擊式）水輪機
早期的衝擊式水輪機水流在衝擊葉片時，動能損失很大，效率不高。1889年，美國工程師L.A.佩爾頓發明了水斗式水輪機。它有流線型的收縮噴嘴，能把水流能量高效率地轉變為高速射流的動能。它的轉輪周圍裝有雙U形斷面的水斗。雙U形的中央設有分水刃，使進入水斗的射流能量損失減到最小限度。這些改進使效率大大提高，因此，水斗式水輪機得到了迅速推廣。
理論分析證明，當水斗節圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。這種水輪機在負荷發生變化時，轉輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用於高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩（圖7中α線），最高效率超過91％。
在水斗式水輪機中，由於1個噴管噴出的射流在同一時刻只接觸幾個水斗，有可能在1個轉輪周圍佈置幾個噴管，以提高單機輸出功率和比轉速。立軸水斗式水輪機可按需要佈置2～6個噴管；臥軸水斗式水輪機由於佈置上的原因一般只裝1～2個噴管。為提高單機功率，臥軸水斗式水輪機也可採用雙轉輪(各有1個或2個噴管)的方案，但用得較少。
水斗式水輪機前，一般都設有很長的引水管，當突然卸去機組負荷時，如果調節流量的噴針動作過快，則引水管內的水流突然減速。水流的慣性作用會引起強烈的水錘（或稱水擊），使管內的壓力上升過高，甚至造成引水鋼管破裂；反之，如果噴針的動作過慢，又會因水輪機的輸出功率下降太慢而使機組的轉速上升過高。因此，在噴嘴前方設定了折向器。當機組卸去負荷時，調速器一方面使噴針緩慢關閉，不致在管道內引起嚴重水錘，另一方面則使折向器迅速切入射流，偏轉部分或全部射流的方向，使之不射向轉輪而直接排入尾水渠，從而降低機組的轉速上升率。
20世紀80年代初，世界上單機功率最大的水斗式水輪機裝於挪威的悉·西馬電站，其單機容量為 315兆瓦，水頭為885米，轉速為300轉／分，於1980年投入執行。水頭最高的水斗式水輪機裝於奧地利的賴瑟克山電站，其單機功率為22.8兆瓦，轉速為750轉／分，水頭達1763.5米，於1959年投入執行。
斜擊式水輪機
它的結構與水斗式水輪機基本相同，只是射流方向有一個傾角，只用於小型機組。
反擊式水輪機
各種型別的反擊式水輪機都設有進水裝置。大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分佈到轉輪周圍。當水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現場澆注而成。水頭高於40米時，則常採用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。蝸殼內側裝有座環，座環沿圓周佈置有 8～24片固定導葉。座環的內側佈置活動導葉，一般有 8～32片。活動導葉繞自身軸線轉動，在調速器的操作下控制活動導葉轉角，以調節水輪機的流量和功率。各種反擊式水輪機的轉輪形狀不同，轉輪上所裝的葉片數也不同。軸流式轉輪一般裝3～8片，斜流式裝8～12片，混流式裝9～19片。
在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭下轉輪直徑小於衝擊式水輪機。它們的最高效率也高於衝擊式水輪機，但當負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。葉片固定（定漿）的反擊式水輪機因不能很好地適應水流的變化，其效率曲線較陡（圖7中d線）。 為在給定的功率和水頭下獲得較高的效率，須正確選擇轉速，合理確定轉輪的進出口尺寸。導葉和葉片的形狀應使水流平順，儘可能減小撞擊損失。在設計工況下，應使轉輪出口流速的圓周分量趨近於零，即所謂軸向出流。另外，流道的設計應保證水輪機具有良好的汽蝕效能和執行穩定性。
反擊式水輪機都設有尾水管，其作用是：回收轉輪出口處水流的動能;把水流排向下遊;當轉輪的安裝位置高於下游水位時，將此位能轉化為壓力能予以回收。對於低水頭大流量的水輪機，轉輪的出口動能相對較大，尾水管的回收效能對水輪機的效率有顯著影響。
由於尾水管的存在，轉輪出口處水流的壓力與轉輪相對於尾水位的安裝位置有關。轉輪葉片上的壓力最低點到下游水位間的距離稱吸出高度。一般來說，吸出高度越高，越容易發生氣蝕；吸出高度越低，則電站開挖深度增加，投資增大，因此需要合理選擇水輪機的安裝高程。
氣蝕是指水流依次經過區域性低壓區和高壓區時，其中的氣體和蒸氣相繼形成氣泡而又破滅的現象。對於反擊式水輪機，氣蝕問題比較突出，它常發生在葉片背面以及間隙出流和區域性脫流的區域，造成過流表面材料的破壞。氣蝕嚴重時，甚至會影響水輪機的工作特性。對氣蝕研究的結果表明：材料表面越粗糙或水中含氣體越多，氣蝕越容易發生；水中含泥沙越多，在氣蝕和泥沙磨損的聯合作用下，材料的破壞越嚴重。另外，低水頭、低負荷執行也會加劇氣蝕破壞；檢修不及時，則可能引起氣蝕破壞的惡性發展。因此，設計氣蝕效能良好的翼型和研製抗氣蝕、抗泥沙磨損的金屬材料，是現代水輪機技術發展的重要課題之一。
當反擊式水輪機前有長引水管時，過快改變流量會引起嚴重的水擊。這時，需要在靠近水輪機的引水管上設定調壓井或安全閥。這樣，當活動導葉迅速關閉時，水輪機減少的流量部分或全部地暫時進入調壓井或經安全閥洩放，以降低引水管中的流速變化率，從而減輕水擊。導葉迅速開啟時，調壓井還能補充一部分水到引水管內，有利於快速開啟時機組調整穩定和避免引水管內出現區域性降壓。
對於大功率、大尺寸的水輪機，較小的擾動力就可能引起較大的振動。因此，需要特別注意減小水力擾動、提高機器剛度和避免發生共振。
軸流式水輪機
適用於較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉數較混流式水輪機為高。
軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉輪體上，葉片安放角不能在執行中改變，效率曲線較陡（圖7中d線），適用於負荷變化小或可以用調整機組運行臺數來適應負荷變化的電站。
軸流轉槳式水輪機是奧地利工程師V.卡普蘭在1920年發明的，故又稱卡普蘭水輪機。其轉輪葉片一般由裝在轉輪體內的油壓接力器操作，可按水頭和負荷變化作相應轉動，以保持活動導葉轉角和葉片轉角間的最優配合，從而提高平均效率，其效率曲線甚為平緩(圖7中b線)。這類水輪機的最高效率有的已超過94％。
80年代，世界上尺寸最大的轉槳式水輪機（見彩圖）是中國東方電機廠製造的，裝在中國長江中游的葛洲壩電站，其單機功率為 170兆瓦，水頭為18.6米，轉速為54.6轉／分，轉輪直徑為11.3米，於1981年投入執行。世界上水頭最高的轉槳式水輪機裝在義大利的那姆比亞電站，其水頭為88.4米，單機功率為13.5兆瓦，轉速為375轉／分，於1959年投入執行。
貫流式水輪機
它的導葉和轉輪間的水流基本上無變向流動，加上採用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉彎，所以效率高，過流能力大，比轉數高，特別適用於水頭為 3～20米的低水頭電站。這種水輪機裝在潮汐電站內還可以實現雙向發電。這種水輪機有多種結構，使用最多的是燈泡式水輪機(bulb turbine)。另外，發電機轉子直接裝在水輪機葉片外緣上的全貫流式水輪機也受到許多國家的重視。燈泡式機組的發電機裝在水密的燈泡體內（圖6）。其轉輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉槳式。世界上最大的燈泡式水輪機（轉槳式）裝在美國的羅克島第二電站，其水頭為12.1米，轉速為85.7轉／分，轉輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，於1978年投入執行。
混流式水輪機
混流式水輪機是世界上使用最廣泛的一種水輪機，由美國工程師J.B.弗朗西斯於1849年發明，故又稱弗朗西斯水輪機（圖3）。與軸流轉槳式相比，其結構較簡單，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時平均效率比軸流轉槳式的低。這類水輪機的最高效率有的已超過95％。混流式水輪機適用的水頭範圍很寬，為5～700米，但採用最多的是40～300米。
混流式的轉輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者採用鑄焊結構。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損效能，可在易氣蝕部位堆焊不鏽鋼，或採用不鏽鋼葉片，有時也可整個轉輪採用不鏽鋼。採用鑄焊結構能降低成本，並使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利於提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料製造葉片、上冠和下環。中國從50年代開始採用鑄焊結構，60年代中即製成了直徑5.5米的鑄焊轉輪。
隨著單機功率的增大，水輪機轉輪直徑也隨著加大，為解決運輸問題，又研製了分瓣轉輪。轉輪上冠用螺栓組合，下環在工地焊合。由於控制了焊接變形和應力，採用了電感應加熱進行區域性熱處理，焊合後不需要再在機床上加工。尺寸更大的轉輪在不能整體或分瓣運輸時，可以採用葉片、上冠、下環在製造廠分別初加工後運往工地組焊、熱處理和切削加工的方案。美國的大古力電站所用的轉輪就採用這種方案。
世界上水頭最高的混流式水輪機裝於奧地利的羅斯亥克電站，其水頭為672米，單機功率為58.4兆瓦，於1967年投入執行。功率和尺寸最大的混流式水輪機裝於美國的大古力第三電站，其單機功率為700兆瓦，轉輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉速為85.7轉／分，於1978年投入執行。
斜流式水輪機
斜流式水輪機是瑞士工程師P.德里亞於1956年發明，故又稱德里亞水輪機。其葉片斜裝在轉輪體上，隨著水頭和負荷的變化，轉輪體內的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉動。它的最高效率稍低於混流式水輪機，但平均效率大大高於混流式水輪機。它與軸流轉槳式水輪機相比，抗氣蝕效能較好，飛逸轉速較低，適用於40～120米水頭。由於其結構複雜，造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機或不夠理想時才採用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當它在水泵工況啟動時，轉輪葉片可關閉成近於封閉的圓錐，因而能減小電動機的啟動負荷。
世界上容量最大的斜流式水輪機裝於蘇聯的潔雅電站，單機功率為215兆瓦，水頭為78.5米。
水泵水輪機
水泵水輪機用於抽水蓄能電站。在電力系統負荷低於基本負荷時，它可用作水泵，利用多餘發電能力，從下游水庫抽水到上游水庫，以位能形式蓄存能量；在系統負荷高於基本負荷時，可用作水輪機，發出電力以調節高峰負荷。因此，純抽水蓄能電站並不能增加電力系統的電量，但可以改善火力發電機組的執行經濟性，提高電力系統的總效率。50年代以來，抽水蓄能機組在世界各國受到普遍重視並獲得迅速發展。
三機式抽水蓄能機組
早期發展的或水頭很高的抽水蓄能機組大多采用三機式，即由發電電動機、水輪機和水泵串聯組成。它的優點是水輪機和水泵分別設計，可各自具有較高效率，而且發電和抽水時機組的旋轉方向相同，可以迅速從發電轉換為抽水，或從抽水轉換為發電。同時，可以利用水輪機來啟動機組。它的缺點是造價高，電站投資大。
可逆二機式抽水蓄能機組
抽水蓄能機組的抽水工況與發電工況的水頭和流量差別較小，因而有可能由同一轉輪實現抽水和發電的雙重功能，從而成為可逆二機式抽水蓄能機組。可逆二機式機組由發電電動機和水泵水輪機組成。水泵水輪機的轉輪是兩用的。進壓力水時，水泵水輪機成為一臺反擊式水輪機，驅動發電電動機(此時作發電機用)發電。 當啟動發電電動機向反方向旋轉（此時作電動機用）時，它又成為一臺水泵，從下游抽水到上游。因為要改變轉向，工況轉換時間較長。實踐證明，用水泵作水輪機執行比用水輪機作水泵執行效果好，所以現代水泵水輪機的轉輪都按水泵工況設計。高水頭混流式水泵水輪機的轉輪具有離心泵的特徵，其葉片長而少，一般只有6～7片。
可逆式水泵水輪機的抽水與發電的最優工況不相重合，如選擇同一轉速，則水泵出現最優效率的揚程不同於水輪機出現最優效率的水頭，因此選擇轉速時需要兼顧水泵和水輪機的效率，或者採用雙速電機。水泵的流量和功率隨揚程變化較大，因此水泵水輪機比較適用於水頭變化較小的純揚水發電站。否則，當水頭變化幅度大時，可能造成發電電動機長時間在負荷不滿的條件下執行。
斜流式水泵水輪機轉輪的葉片可以轉動，在水頭和負荷變化時仍有良好的執行效能，但受水力特性和材料強度的限制，到80年代初，它的最高水頭只用到136.2米（日本的高根第一電站）。對於更高的水頭，需要採用混流式水泵水輪機。
世界上最大的混流式水泵水輪機裝於聯邦德國的不來梅蓄能電站。其水輪機工況為：水頭237.5米，發電機功率660兆瓦，轉速125轉／分；水泵工況為:揚程247.3米，電動機功率700兆瓦，轉速125轉／分。
抽水蓄能電站設有上、下兩個水庫。在蓄存相同能量的條件下，提高揚程可以縮小庫容、提高機組轉速、降低工程造價。因此，300米以上的高水頭蓄能電站發展很快。世界上水頭最高的混流式水泵水輪機裝於南斯拉夫的巴伊納巴什塔電站，其單機功率為315兆瓦，水輪機水頭為600.3米，水泵揚程為623.1米，轉速為428.6轉/分，於1977年投入執行。水頭1000米左右的混流式水泵水輪機和其他型別的抽水蓄能機組尚在研製中。
水輪發電機組的負荷調節
供電系統要求經常保持穩定的電頻率。當發電機的電力負荷發生變化時，機組的轉速會隨之變化，這時調速器根據測速元件發出的訊號操縱水輪機的流量調節機構，調節水輪機的輸出功率，使之與發電機的電力負荷相適應，並使轉速恢復到額定值，達到新的平衡。
調速器的測速元件稱飛擺或擺，有機械式、液壓式和電氣液壓式 3種。其執行機構由一套連桿裝置和配壓閥等元器件組成。為保持調節穩定，還設有緩衝裝置。調速器有機械液壓式和電氣液壓式兩種。後者的調整靈敏度高，便於控制機組按預定的負荷圖執行。
水輪發電機組調節系統的發展趨勢是現實電子計算機程式控制。
展望
20世紀以來，水電機組一直向高參數、大容量方向發展。從60年代開始，蘇聯和中國相繼製成了225兆瓦的水輪發電機組，分別裝於布拉茨克和劉家峽電站。接著，蘇聯又製成了500兆瓦的混流式機組，裝於布拉斯諾雅爾斯克電站。70年代，美國的大古力第三電站安裝了700兆瓦的機組。80年代，又將有一批700兆瓦左右的混流式機組投入執行。
為了提高水電建設的經濟效益，世界各國還在研製容量更大的機組。預計，1000兆瓦左右或更大的機組將會在不久出現。
隨著電力系統中火電容量的增加和核電的發展，為解決合理調峰問題，世界各國除在主要水系大力開發或擴建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機因而得到迅速發展。
為了充分利用各種水力資源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重視，從而使貫流式水輪機和其他小型機組迅速發展。
中國已經建成單機功率為12兆瓦以下的小型水電站8萬餘座，到1981年，總裝機達7500兆瓦。另外，中國還生產了大量直接用來驅動各種機械的小型水輪機，如水輪泵等。
參考書目
程良駿主編：《水輪機》，機械工業出版社，北京，1981。
哈爾濱大電機研究所編著：《水輪機設計手冊》，機械工業出版社，北京，1976。
Н.Н.Ковалев，γидромурбины，Μащгиз，Μосκва，1972．