水轮机，英文名称为turbine, water turbine或 hydraulic turbine，是一种将水能(water energy)转换成旋转机械能(rotational mechanical energy)的机械装置。水轮机通过主轴(main shaft/turbine shaft)带动发电机(generator)将旋转机械能转换成电能(electricalenergy)。水轮机与发电机通过主轴联接而成的整体称为水轮发电机组(turbine-generator unit)，简称机组（unit）,是水电站主要设备之一, 见图1。

水轮机种类很多，目前按水轮机对水流能量的转换特征的不同而分为两大类，即反击式水轮机（reaction turbine）和冲击式水轮机（impulse turbine）。每种水轮机根据转轮区内水流流动特征和转轮（runner）结构特征的不同又进一步细分。

图1 水轮发电机组纵剖面图

（图中箭头代表水流方向，上半部分为发电机，下半部分为水轮机）

1. 反击式水轮机

反击式水轮机转轮区内的水流在通过转轮叶片（runner blade）流道时，始终是连续的充满整个转轮的有压流动，并在转轮空间曲面型叶片的约束下，连续不断地改变流速的大小和方向，从而对转轮产生一个反作用力，驱动转轮旋转。当水流通过转轮后，其动能（kinetic energy）和势能（potential energy）（包括位能和压能）均大部分被转换成转轮的旋转机械能。

反击式水轮机按转轮区内水流相对于主轴流动方向的不同，分为混流式水轮机（mixed flow turbine）、轴流式水轮机（axial flow turbine）、斜流式水轮机（diagonal flow turbine）和贯流式水轮机（tubular turbine）四种。根据转轮叶片是否可以转动，又将轴流式、斜流式和贯流式分为定桨式水轮机（fixed blade turbine）和转浆式水轮机（adjustable blade turbine）。

1.1 混流式水轮机

水流沿径向流入转轮，然后以轴向流出转轮。混流式水轮机又称为弗朗西斯水轮机，因为其由美国工程师（Francis）于1849年发明，应用水头范围广、结构简单、运行稳定且效率高，是目前应用较广泛的一种水轮机。

图2 混流式水轮机示意图

1.2 轴流式水轮机

水流在导叶与转轮之间由径向流动转变为轴向流动，而在转轮区内保持轴向流动。根据转轮叶片在运行中能否转动，分为轴流定桨式和轴流转桨式两种。轴流定桨式水轮机的转轮叶片是固定不变的，因而结构简单、造价较低，但在偏离设计工况时效率会急剧下降，因此主要适用于水头（head）较低、出力(output)较小以及水头变化幅度较小的水电站。轴流转桨式是由奥地利工程师卡普兰（Kaplan）于1920年发明，故又称为卡普兰水轮机（Kaplan turbine），其叶片（blade）可根据运行工况的改变而转动，从而扩大了**率区的范围，提高了运行稳定性。但是，这种水轮机需要有一个操作叶片转动的机构，因此其结构较复杂，造价较高，一般应用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。

图3 轴流式水轮机示意图

1.3 斜流式水轮机

水流在转轮区内沿着与主轴成某一角度的方向流动。斜流式水轮机是为了提高轴流式水轮机的适用水头而在轴流转桨式水轮机的基础上改进提出的新机型，由瑞士工程师德里亚（Deriaz）于1956年发明，故又称德里亚水轮机（Deriaz turbine），其结构形式及性能特征与轴流转桨式水轮机类似，但由于其倾斜桨叶操作机构的结构特别复杂，加工工艺要求和造价均较高，一般只在大中型水电站中使用。

1.4 贯流式水轮机

贯流式水轮机（tubular turbine）是一种流道近似直筒状的卧轴式水轮机，不设引水蜗壳，叶片可采用固定的或可转动的两种。根据发电机装置形式的不同，可分为全贯流式和半贯流式两类。

全贯流式水轮机的发电机转子直接安装在转轮叶片的外缘，优点是流道平直、过流量大、效率高。但由于转轮叶片外缘的线速度大、周线长，旋转密封困难，很少使用。

半贯流式水轮机有轴伸式水轮机（S-type turbine）、竖井式水轮机（pit turbine）和灯泡式水轮机（bulb turbine）。

轴伸贯流式水轮发电机组采用卧式布置，也有倾斜安装的。

竖井贯流式水轮机是将发电机组安装在水轮机上游侧的一个混凝土竖井中，水轮机部分主要由导叶机构、转轮室、转轮、尾水管组成，转轮主轴伸入混凝土竖井中，通过齿轮箱等增速装置连接到发电机。

图5 竖井贯流式水轮机组剖面图

灯泡贯流式水轮机组的发电机密封安装在水轮机上游侧一个灯泡型的金属壳体中，发电机水平方向安装，发动机主轴直接连接水轮机转轮。灯泡贯流式水轮机组的水轮机部分由转轮室、导叶机构、转轮、尾水管组成；发电机轴直接连接到转轮，一同安装在钢制灯泡外壳上，发电机在灯泡壳内，转轮在灯泡尾端，发电机轴承通过轴承支持环固定在灯泡外壳上，转轮端轴承固定在灯泡尾端外壳上，发电机轴前端连接到电机滑环与转轮变桨控制的油路装置。钢制灯泡通过上支柱、下支柱固定在混凝土基础中，上支柱也是人员出入灯泡的通道。

图6 灯泡贯流式水轮机组剖面图

2.冲击式水轮机

冲击式水轮机的转轮始终处于大气中，来自压力钢管的**水流在进入水轮机之前已转变成高度**射流（high speed water jet），该射流冲击转轮的部分轮叶，并在轮叶的约束下发生流速大小和方向的改变，从而将其动能大部分传递给轮叶，驱动转轮旋转。在射流冲击轮叶的过程中，射流内的压力基本保持大气压不变，而转轮出口流速明显的减少。

冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同，分为水斗式水轮机（tangential flow turbine）、斜击式水轮机（turgo turbine）和双击式水轮机（cross flow turbine）。

2.1 水斗式水轮机

从喷嘴出来的高速**射流沿转轮圆周切线方向垂直冲击轮叶。水斗式水轮机由美国工程师培尔顿（Pelton）于1989年发明，又称为培尔顿水轮机（Pelton turbine）。水斗式水轮机适用于高水头、小流量的水电站。

图7 水斗式水轮机示意图

2.2 斜击式水轮机

从喷嘴出来的**射流沿着与转轮旋转平面成一角度的方向，从转轮的一侧进入轮叶，再从一侧流出轮叶。与水斗式水轮机相比，斜击式水轮机过流量大，但效率较低，一般多用于中小型水电站。

2.3 双击式水轮机

从喷嘴出来的射流先后两次冲击转轮叶片。

图8 双击式水轮机水流方向示意图

综上所述所述，水轮机的主要类型如下图6所示。