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(jù)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(nèi)，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，國外最大單機出力目前已達40萬kW，是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種水輪機。

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

（圖片來源于網(wǎng)絡）

（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
（圖8、圖9來源于“小水電”QQ群）

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(chǎn)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(huán)，在底環(huán)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(huán)與頂蓋之間，在頂蓋上方安裝控制環(huán)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(jīng)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（照片來自網(wǎng)絡）

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(diào)整機組運行臺數(shù)來適應負荷變化的電站。優(yōu)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(jù)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(fā)明，故又稱卡普蘭水輪機。其轉輪葉片一般由裝在轉輪體內(nèi)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(yōu)配合，從而提高平均效率，這類水輪機的最高效率有的已超過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(nèi)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(fā)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(huán)、導水機構、頂蓋、轉輪、主軸、導軸承、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)）。圖中淺藍色箭頭線表示經(jīng)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(huán)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(nèi)，機構簡單，運行穩(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）。單機出力從幾十千瓦到幾十萬千瓦。目前這種水輪機最大出力已經(jīng)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（照片來自網(wǎng)絡）

（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(diào)節(jié)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(fā)電機組示意圖

圖20--豎井貫流式水輪發(fā)電機組示意圖

圖21--燈泡貫流式水輪發(fā)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(xiàn)可逆運轉，實際上要經(jīng)過專門設計才能在兩種運行狀態(tài)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(qū)別，僅供參考）。