水輪機概述（Hydraulic Turbine Overview）
水輪機是把水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械，是利用水流做功的水力機械，根據轉換水流能量方式的不同，水輪機分為沖擊式水輪機（Impulse Turbine）和反擊式水輪機（Reaction Turbine）兩大類。水輪機受水流作用而旋轉的部件稱為轉輪（Runner）。 水輪機主要類別見圖1。
圖1--水輪機主要類別圖
一、沖擊式水輪機（Impulse Turbine）
沖擊式水輪機的轉輪受到噴射水流的沖擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換，在同一時刻內，水流只沖擊著轉輪的一部分，而不是全部。圖2是沖擊式水輪機水流向示意圖。
圖2--沖擊式水輪機水流向示意圖
沖擊式水輪機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、雙擊式水輪機示意圖
（1）水斗式水輪機（Pelton Turbine），水流由噴嘴噴射出來沿著轉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。適用水頭范圍40~2000m，尤其適用超高水頭，國外單機出力目前已達40萬kW，是沖擊式水輪機中應用廣泛的一種水輪機。
圖4--水斗式水輪機轉輪
圖5--雙噴管水斗式水輪機
（2）斜擊式水輪機（Turgo Turbine、 Inclined-jet Turbine），水流由噴嘴噴射出來沿著與轉輪旋轉平面成某一角度（約22.5°）進入葉片，圖3（b）。適用于高水頭，中小型的水電站。
圖 6--斜擊式水輪機轉輪
圖7--斜擊式水輪機轉輪及主軸
（3）雙擊式水輪機（Banki Turbine、Cross-flow turbine），水流從噴嘴流出后，從轉輪外周通過徑向葉片進入轉輪中心，進行第一次能量交換，再從轉輪中心通過徑向葉片流出轉輪，完成第二次能量交換，圖3（c）。適用水頭范圍10~150m，結構簡單、效率低，出力較小，應用不多。
圖8 --雙擊式水輪機轉輪
圖9--雙擊式水輪機轉輪
二、反擊式水輪機（Reaction Turbine）
與沖擊式水輪機不同，反擊式水輪機同時利用了水流的勢能與動能，水流充滿整個轉輪的空間，在轉輪葉片約束下改變流速與方向，從而對轉輪葉片產生反作用力，驅動轉輪旋轉。通過水輪機水流的大部分動能與勢能都轉換成轉輪旋轉的機械能。反擊式水輪機可分為軸流式、混流式、斜流式和貫流式。
（1）軸流式水輪機（Axial- flow Turbine）
軸流式水輪機的轉輪如同風扇葉片，工作原理與常見的風力機相似。水流從水輪機四周水平方向向中心流入（徑向進入），然后轉為向下方向推動轉輪葉片做功，由于推動轉輪葉片的水流方向與轉輪軸方向平行，故稱為軸流式水輪機。圖10是軸流式水輪機水流走向示意圖。
圖10--軸流式水輪機水流走向示意圖
軸流式水輪機轉輪安裝在轉輪室中，轉輪室上端是水輪機的底環，在底環上端有頂蓋，頂蓋中部有導軸承，是支撐水輪機轉輪的軸承；頂蓋中下部有密封裝置，防止高壓的水通過軸進入頂蓋上部的設備空間；導葉安裝在底環與頂蓋之間，在頂蓋上方安裝控制環與接力器等導水機構有關部件；在轉輪室下方連接有尾水管。水流經過導葉進入轉輪室推動轉輪旋轉做功，然后再從尾水管排出，淺藍色箭頭線表示水流走向，見圖11。
圖11--軸流式水輪機的轉輪與導水機構
軸流式水輪機分為軸流定槳式（ Propeller turbine ）和軸流轉槳式（Kaplan turbine）兩種。
圖12--軸流式水輪機轉輪
軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉輪體上，葉片安放角度不能在運行中改變，效率曲線較陡，適用于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。優點：結構簡單，造價較低。缺點：在偏離設計工況時效率會急劇下降。根據其特點，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。
軸流轉槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭在1920年發明，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配合，從而提高平均效率，這類水輪機的效率有的已超過94%。但是，這種水輪機需要一個操作葉片轉動的機構，因而結構較復雜，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。（2）混流式水輪機（Francis Turbine、Mixed Flow Turbine）
混流式水輪機的水流從水輪機四周水平方向向中心流入轉輪（徑向進入），然后轉為向下方向出口，水流進入轉輪內在向軸芯方向通過葉片時推動轉輪，同時在向下通過葉片時也推動轉輪。也就是說水流在徑向與軸向通過葉片時都做功，故稱為混流式水輪機，也稱為幅向軸流式水輪機。
混流式水輪機屬反擊式水輪機的一種，由美國工程師弗朗西斯于1849年發明，又稱弗朗西斯水輪機。圖13是混流式水輪機水流走向示意圖。
圖13--混流式水輪機水流走向示意圖
混流式水輪機結構緊湊，效率較高，能適應很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機型式之一。
混流式水輪機主要部件包括蝸殼、座環、導水機構、頂蓋、轉輪、主軸、導軸承、底環、尾水管等，見圖14（為使圖片清晰簡單，圖中略去了座環）。圖中淺藍色箭頭線表示經過水輪機的水流走向，水從蝸殼入口進入水輪機，通過導葉形成向中心的環流進入轉輪，推動轉輪旋轉做功后由下方尾水管排出。
圖14--混流式水輪機結構圖
混流式水輪機適用于水頭自20米直到700米的范圍內，機構簡單，運行穩定，并且效率高，但它一般是用在中水頭范圍內（50米至400米）。單機出力從幾十千瓦到幾十萬千瓦。目前這種水輪機出力已經超過70萬千瓦。我國單機容量700兆瓦混流式機組在三峽投入運行。
圖15--混流式水輪機轉輪（三峽700兆瓦機組）
圖16--混流式水輪機轉輪
（3）斜流式水輪機（Diagonal Flow Turbine、Inclined Flow Turbine）
斜流式水輪機轉輪有點像軸流式水輪機轉輪，只不過通過葉片的水流是傾斜于軸向，是軸流式水輪機的變種，其水流能量損失小，通過調節葉片角度可適應較大的水頭范圍。斜流式水輪機由于制造工藝復雜、造價高，目前使用還較少。圖17是斜流式水輪機水流走向示意圖。
圖17--斜流式水輪機水流走向示意圖
（4）貫流式水輪機（Straight- flow Turbine）
貫流式水輪機轉輪與軸流式水輪機轉輪基本相同，但轉軸是水平方向或略有傾斜，水流是沿水輪機軸線方向進入，沿水輪機軸線方向流出。圖18是貫流式水輪機水流走向示意圖
圖18--貫流式水輪機水流走向示意圖
貫流式水輪機的機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制造工藝要求很高，目前應用很少。
圖19--軸伸貫流式水輪發電機組示意圖
圖20--豎井貫流式水輪發電機組示意圖
圖21--燈泡貫流式水輪發電機組示意圖
三、可逆式水輪機（Pump-Turbine）
可逆式水輪機也叫水泵水輪機，是一種既可以作水輪機使用又可以作水泵使用的水力機械。理論上講，混流式水輪機、軸流式水輪機、斜流式水輪機都可以實現可逆運轉，實際上要經過專門設計才能在兩種運行狀態下高效運行。
四、水輪機的主要類型與適用水頭
下面一個表格列出了水輪機的主要類型與適用水頭范圍（不同資料，水頭范圍有所區別，僅供參考）。
