水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。

中文名

水轮机

外文名

hydroturbine

用途

发电

原理

把水流的能量转换为旋转机械能

性质

机械工程学术语

简介

水轮机

水轮机及辅机是重要的水电设备是水力发电行业必不可少的组成部分，是充分利用清洁可再生能源实现节能减排、减少环境污染的重要设备，其技术发展与我国水电行业的发展规模相适应。在我国电力需求的强力拉动下，我国水轮机及辅机制造行业进入快速发展期，其经济规模及技术水平都有显著提高，我国水轮机制造技术已达世界先进水平。

我国水轮机及辅机制造行业综合实力明显增加，全行业呈现出蓬勃发展、充满活力的可喜局面，行业趋好的标志表现在经济运行质量的提高和经济效益的显著增长。

2010年，我国水轮机及辅机制造行业规模以上（全年销售收入在500万元以上）企业68家，实现销售收入44.70亿元，同比增长2.35%；实现利润总额3.23亿元，同比增长4.16%。

2010年，我国水电装机规模达到2.11亿千瓦，新增核准水电规模1322万千瓦，在建规模7700万千瓦。根据我国对国际社会做出的“2020年非石化能源将达到能源总量15%”承诺，我国水电行业2020年装机容量须达到3.8亿千瓦。而即使按照我国公布的《可再生能源中长期发展规划》，确定到2020年水电装机容量要达到3亿千瓦，国内11年内将新增单机容量50千瓦以上的大型水电机组近300台，每年平均新装25台50万千瓦及以上大型水电机组。若按2020年达到3.8亿千瓦的装机容量，我国所需的水轮机及辅机设备将进一步增加，我国水轮机及辅机行业发展前景广阔。[1]

发展过程

早期的冲击式水轮机的水流在冲击叶片时，动能损失很大，效率不高。1889年，美国工程师佩尔顿发明了水斗式水轮机，它有流线型的收缩喷嘴，能把水流能量高效率地转变为高速射流的动能。水轮机之最（整个本段可以全部不要了，这段上面80%的都过时了，都被取代了。很老的资料了，参考价值不大，所以建议去除本段）　20世纪80年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的悉·西马电站，其单机容量为315兆瓦，水头885米，转速为300转/分，于1980年投入运行。水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，其单机功率为22.8兆瓦，转速750转/分，水头达1763.5米，1959年投入运行。

80年代，世界上尺寸最大的转桨式水轮机是中国东方电机厂制造的，装在中国长江中游的葛洲坝电站，其单机功率为170兆瓦，水头为18.6米，转速为54.6转/分，转轮直径为11.3米，于1981年投入运行。世界上水头最高的转桨式水轮机装在意大利的那姆比亚电站，其水头为88.4米，单机功率为13.5兆瓦，转速为375转/分，于1959年投入运行。

世界上水头最高的混流式水轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其水头为672米，单机功率为58.4兆瓦，于1967年投入运行。功率和尺寸最大的混流式水轮机装于美国的大古力第三电站，其单机功率为700兆瓦，转轮直径约9.75米，水头为87米，转速为85.7转/分，于1978年投入运行。

世界上最大的混流式水泵水轮机装于联邦德国的不来梅蓄能电站。其水轮机水头237.5米，发电机功率660兆瓦，转速125转/分；水泵扬程247.3米，电动机功率700兆瓦，转速125转/分。世界上容量最大的斜流式水轮机装于苏联的洁雅电站，单机功率为215兆瓦，水头为78.5米。[1]

分类

水轮机

水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。[1]冲击式水轮机

冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。[1]

反击式水轮机

综述

反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。

轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。

各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。

在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。

反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此位能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。[1]

轴流式水轮机

适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。

轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上。一般安装高度在3-50m。，叶片安放角不能在运行中改变，结构简单，效率较低，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。

轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。一般安装高度在3-80m。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。典型例子就是葛洲坝。

贯流式水轮机

的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为3～20米的低水头小型河床电站。

这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。

灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。其中又可以细分为贯流式和半贯流式。世界上最大的灯泡式水轮机(转桨式半贯流)装在美国的罗克岛第二电站，水头12.1米，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。

混流式水轮机

是世界上使用最广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，运行稳定，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5～700米，但采用最多的是40～300米。

混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。典型例子是我国的刘家峡。

斜流式水轮机

是瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40～120米水头。

由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。

发展史

水轮机

水轮机是一种将水能转换为机械能的动力机械。在大多数情况下，将这种机械能通过发电机转换为电能，因此水轮机是为水能利用和发电服务的。水是人类在生活和生产中能依赖的最重要的自然资源之一，我们的祖先很早以前就和洪水开展了斗争并学会了利用水能。公元前二千多年的大禹治水，至今还为人们所称颂。公元37年中国人发明了用水轮带动的鼓风设备-水排，公元260-270年中国人创造了水碾，公元220-300年间发明了用水轮带动的水磨，这些水力机械结构简单，制造容易。缺点是笨重、出力小、效率低。真正大规模地对水力资源合理开发和利用，是在近代工业发展和有关发电、航运等技术发展以后。

水利资源的综合开发和利用，是指通过修建水利枢纽工程来进行对河流水力资源在防洪、灌溉、航运、发电以及水产等发明的综合利用。我国的水电发展设备事业也是在新中国成立以后才有了蓬勃发展，1975年我国还只能自行设计制造7.5万千瓦的新安江水电站，我国已能自行设计制造单机容量70万千瓦的混流式水轮机发电机组及单机容量17万千瓦的轴流转桨式水轮发电机组。我国的水力设备的设计、制造水平已达到世界先进水平。我国设计、制造的水力发电设备远销到美国、加拿大、菲律宾、土耳其、南斯拉夫、越南等国，受到了这些国家的欢迎。[1]

水轮机牌号

反击式

混流式 HL

转流式 ZZ

轴流式 ZD

斜流式 XL

贯流转浆式 GZ

贯流定浆式 GD

冲击式

水斗式 CJ[1]

斜击式 XJ

双击式 SJ

应用

水泵水轮机主要用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷低于基本负荷时，它可用作水泵，利用多余发电能力，从下游水库抽水到上游水库，以位能形式蓄存能量；在系统负荷高于基本负荷时，可用作水轮机，发出电力以调节高峰负荷。因此，纯抽水蓄能电站并不能增加电力系统的电量，但可以改善火力发电机组的运行经济性，提高电力系统的总效率。50年代以来，抽水蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展。

早期发展的或水头很高的抽水蓄能机组大多采用三机式，即由发电电动机、水轮机和水泵串联组成。它的优点是水轮机和水泵分别设计，可各自具有较高效率，而且发电和抽水时机组的旋转方向相同，可以迅速从发电转换为抽水，或从抽水转换为发电。同时，可以利用水轮机来启动机组。它的缺点是造价高，电站投资大。

斜流式水泵水轮机转轮的叶片可以转动，在水头和负荷变化时仍有良好的运行性能，但受水力特性和材料强度的限制，到80年代初，它的最高水头只用到136.2米(日本的高根第一电站)。对于更高的水头，需要采用混流式水泵水轮机。

抽水蓄能电站设有上、下两个水库。在蓄存相同能量的条件下，提高扬程可以缩小库容、提高机组转速、降低工程造价。因此，300米以上的高水头蓄能电站发展很快。世界上水头最高的混流式水泵水轮机装于南斯拉夫的巴伊纳巴什塔电站，其单机功率为315兆瓦，水轮机水头为600.3米；水泵扬程为623.1米，转速为428.6转/分，于1977年投入运行。[1]

20世纪以来，水电机组一直向高参数、大容量方向发展。随着电力系统中火电容量的增加和核电的发展，为解决合理调峰问题，世界各国除在主要水系大力开发或扩建大型电站外，正在积极兴建抽水蓄能电站，水泵水轮机因而得到迅速发展。为了充分利用各种水力资源，潮汐、落差很低的平原河流甚至波浪等也引起普遍重视，从而使贯流式水轮机和其他小型机组迅速发展。

工作参数

水头H（米）

连续水流两断面间单位能量的差值称为水头。水头是水轮机的一个重要参数，它的大小直接影响着水轮机出力的大小和水轮机型式的选择。[1]

流量

单位时间内流经水轮机的水量（体积）称为水轮机的流量，用Q表示。通常用立方米/秒为单位。

出力

单位时间内流经水轮机的水流所具有的能量，称为通过水轮机的“水流的出力”，用Np^0表示。Np^0=9.81QH（千瓦）。

效率

水轮机的出力N通过水轮机水流的出力Np^0之比，称为水轮机的效率，用η表示。显然效率是表面水轮机对水流能量的有效利用程度，是一个无量纲的物理量，用百分数（%）表示。

转速

水轮机主轴在单位时间内的旋转次数，称为水轮机的转速，用n表示，通常采用“转/分”作单位。