水輪發電機（hydraulic generatorset）指以水輪機為原動機將水能轉化為電能的發電機。水流經過水輪機時，將水能轉換成機械能，水輪機的轉軸又帶動發電機的轉子，將機械能轉換成電能而輸出，是水電站生產電能的主要動力設備，用于水力發電廠。通常用同步發電機，亦有使用小型異步發電機。大中型水輪發電機多為立式結構，立式水輪發電機由轉子、定子、上機架、下機架、推力軸承、上導軸承、下導軸承及通風冷卻系統等組成。
1755年，俄國圣彼得堡院士萊昂哈德·歐拉建立了水輪機基本方程式。1878年，首臺水輪機驅動直流發電機在法國巴黎西爾米吐水電廠投產發電。美洲第一座水電站于1882年建在美國威斯康星州，采用直流發電機。1889年后，開始使用三相交流發電機。19世紀末至20世紀初水輪發電機處于雛形階段。電壓等級多樣，頻率雜亂，交、直流電爭端不斷。1913年，瑞典通用電機公司設計制造了單相臥式600kW水輪發電機組。由西屋電氣公司制造的美國Adams水電站的發電機（當時最大容量）則基本代表了水輪發電機起步期階段的制造水平。1921至1950年，水輪發電機標準化、統一化，同時產生現代水輪發電機雛形，使水輪發電機發展進入成長期。20世紀50年代至80年代，為水輪發電機技術高速發展的黃金時期。單機容量連創新高，大批大型水電站投入運行。1952年，中國自主制造了第一臺800kW混流式機組。20世紀80年代后期，大型水電站主要集中在中國、巴西等發展中國家。2003年，三峽水電站首批水輪發電機組并網發電，單機容量70萬kW（840MVA），2007年三峽右岸首臺70萬kW全空冷水輪發電機組投產發電，此后，蒸發冷卻技術在水輪發電機組得到廣泛應用。2012年，向家壩水電站首批機組投產，共安裝8臺容量為80萬kW（即800MW）的發電機組，全部采用全空冷技術，為當時世界上水電單機容量最大的空冷發電機組。2021年6月28日，全球在建規模最大、單機容量最大、技術難度最高的水電工程——金沙江白鶴灘水電站首批2臺機組投產發電。
水輪發電機根據電磁感應原理設計。按水輪發電機安裝方式不同，可分為臥式和立式兩種。對于立式機組，根據推力軸承位置的不同又分為懸式水輪發電機和傘式水輪發電機。按水輪發電機的冷卻方式不同，可分為空氣冷卻（空冷）和內冷卻（內冷）兩種型式。按水輪發電機的功能不同，分為常規水輪發電機和非常規的蓄能式水輪發電機兩種。水輪發電機單機容量不斷提高、采用X形葉片等新技術提高運行可靠性、采用了陶瓷涂層新技術減輕泥沙磨損等是水輪發電機的發展趨勢。
發展歷史
1755年，俄國圣彼得堡院士萊昂哈德·歐拉建立了水輪機基本方程式，并依此制造出了反擊式水輪機，但效率不高。1824年，法國學者勃爾金在此基礎上做了彎板葉道轉輪的改進，但效率仍低于65%。此后，勃爾金的學生富聶隆和俄國人薩富可夫分別提出導葉不動的離心式水輪機，效率可達70%。
起步期
1878年，首臺水輪機驅動直流發電機在法國巴黎西爾米吐水電廠投產發電。19世紀末至20世紀初水輪發電機處于雛形階段。電壓等級多樣，頻率雜亂，交、直流電爭端不斷。具有代表性的水輪發電機有：1891年，德國法蘭克福世界博覽會照明使用的一臺約224kW的臥式水輪發電機。定子采用閉口槽結構，以銅棒包裹石棉板作為絕緣塞入槽內；端部為裸銅棒，轉子內嵌環形勵磁繞組的爪形繞組，傘形齒輪由立式水輪機驅動。
1893年，瑞典通用公司為瑞典Hellsjon水電廠設計制造了4臺344kW三相交流臥式水輪發電機組。1903年，瑞士BBC公司為意大利一家紡紗廠（Festi-Rasini）生產的3臺600kW三相交流立式水輪發電機組。1913年，瑞典通用電機公司設計制造了單相臥式600kW水輪發電機組。由西屋電氣公司制造了美國Adams水電站的發電機（當時最大容量）則基本代表了水輪發電機起步期階段的制造水平。
成長期
20世紀20年代至50年代，為水輪發電機成長期。具有代表性的電站有：西屋公司設計制造了加拿大Queenston電站6臺3.6萬kW和4臺4.4萬kW水輪發電機組。1947年，通用電氣設計制造了第聶伯電站9萬kW機組重建發電。1949年蘇聯設計制造了9萬kW機組相繼發電，電站總裝機容量達64.8萬kW。美國大古力第一、第二電廠于1933年7月開始建設，裝有18臺10.8萬kW水輪發電機組。1921至1950年，水輪發電機標準化、統一化，同時產生現代水輪發電機雛形，使水輪發電機發展進入成長期。
高速發展期
20世紀50年代至80年代，為水輪發電機技術高速發展的黃金時期。單機容量連創新高，大批大型水電站投入運行。1952年，中國自主制造了第一臺800kW混流式機組，從1958年起，中國先后自主研制了7.25萬kW的新安江機組，22.5萬kW、30萬kW的劉家峽機組，24萬kw的五強溪機組，30.25萬kW的巖灘機組，70萬kW的三峽機組等。在軸流轉槳式機組方面，先后自主研制了5萬kW的三門峽市機組，15萬kW的銅街子機組，17萬kW的葛洲壩機組等。1958年，蘇聯古比雪夫電站裝機20臺，單機容量12.35萬kW，出口電壓13.8kV。1961年，蘇聯電力工廠和烏拉爾電器廠聯合設計，由電力工廠制造了布拉克茲水輪發電機組投運，單機容量22.5萬kW。
1973年，美國大古力電站擴建，三期首臺60萬kW機組于1975年投運。1978年，首臺70萬kW機組投運，由加拿大通用電氣設計制造。1984年，伊泰普電站投產發電，裝機18臺，單機容量70萬kW，由西門子股份公司公司和英國廣播公司公司設計制造。
成熟期
20世紀80年代后期，大型水電站主要集中在中國、巴西等發展中國家。瑞士Bieudron電站第一臺46.5萬kW沖擊式水輪機組于1998年投運。該高轉速水輪機（428r/min）是世界上水頭最高（1883m）的水輪機。1997年，李家峽電站首臺機組投運，該電站共安裝5臺40萬kW水輪發電機組，其中4號機組首次采用蒸發冷卻技術。1998年，二灘水電站首臺機組發電，6臺55萬kW水輪發電機組采用全空冷冷卻技術。2003年，三峽水電站首批水輪發電機組并網發電，單機容量70萬kW（840MVA）。2007年三峽右岸首臺70萬kW全空冷水輪發電機組投產發電，此后，蒸發冷卻技術在水輪發電機組得到廣泛應用。
2012年，向家壩水電站首批機組投產，共安裝8臺容量為80萬kW（即800MW）的發電機組，全部采用全空冷技術，為當時世界上水電單機容量最大的空冷發電機組。2021年6月28日，全球在建規模最大、單機容量最大、技術難度最高的水電工程——金沙江白鶴灘水電站首批2臺機組投產發電。白鶴灘水電站總裝機容量1600萬千瓦，是中國實施“西電東送”的國家重大工程。水電站大壩為300米級特高混凝土雙曲拱壩，共安裝16臺中國自主研制的全球單機容量最大功率百萬千瓦水輪發電機組。發電機組實現了中國高端裝備制造了重大突破。
工作原理
水輪發電機是一種凸極式三相同步發電機，其磁極均勻地掛在磁軛外圓上并凸出在外。同步發電機是根據電磁感應原理設計的。水輪發電機的轉速將決定發出的交流電的頻率，為保證這個頻率的穩定，就必須穩定轉子的轉速。定子和轉子是發電機的基本組成部分，它通過轉子磁場和定子繞組間的相對運動，將機械能轉變為電能。外圈靜止部分為水輪發電機定子，內圈部分為水輪發電機凸極轉子，當轉子通入直流電后產生恒定不變的磁場，轉子在原動機的帶動下旋轉時，轉子磁場和定子導體就有了相對運動，即定子三相對稱繞組切割磁力線，便在定子三相繞組中產生了三相感應電動勢。隨著轉子連續均勻旋轉，在定子繞組上就感應出一個周期不斷變化的交流電動勢，這就是同步發電機的工作原理。
從發電機工作原理可知，磁路是發電機建立磁場的必要條件。對于旋轉發電機，每對相鄰磁極扇形段有一個磁路。勵磁電流是維持磁場恒定的關鍵，一般勵磁電流由直流勵磁機或交流電源通過整流變成直流后供給。勵磁系統是水輪發電機的重要組成部分，它由勵磁主電路和勵磁調節電路兩部分組成。交流電勢的額定頻率為?,它決定于發電機的磁極對數ρ和轉速n，其計算公式為：?=nρ/60(Hz)。交流電勢的相位關系：轉子不停地旋轉，A、B、C三相繞組先后切割轉子磁場的磁力線，所以三相繞組中電勢的相位是不同的，因為定子繞組在安放時，空間角度相差120°，相序為A-B-C。當發電機并列帶負荷后，三相繞組中的定子電流（電樞電流）將合成一個旋轉磁場，該磁場與轉子同速度，同方向旋轉，即為同步。
特點
應用領域
水輪發電機用于水力發電廠，水資源屬于可再生能源之一，水輪發電機利用水資源可以實現水力發電，為社會發展提供足夠的電力能源。
主要結構
立式水輪發電機結構
水輪發電機普遍采用立式結構。立式水輪發電機主要由定子、轉子、上機架下機架、推力軸承、導軸承、空氣冷卻器和永磁機等部件組成。
轉子
水輪發電機轉子由主軸、輪轂、輪、磁軛、端壓板、風扇、磁極、制動閘板等組成。
主軸是用來傳遞轉矩，并承受轉動部分的軸向力，通常用高強度鋼整體鍛成，或由鑄造的法蘭與鍛造的軸簡拼焊而成；輪轂是主軸與輪之間的連接件，輪臂是用來固定磁軛并傳遞扭矩的，大、中型機組的輪一般為焊接結構；磁軛的主要作用是產生轉動慣量和掛裝磁極，同時也是磁路的一部分，直徑小于4m的磁軛可用鑄鋼或整圓的厚鋼板組成，大于4m時則由3~5mm的鋼板沖片疊成一整圓用鍵固定在輪臂外端；磁極是產生磁場的主要部件，由磁極鐵芯、勵磁線圈和阻尼繞組三部分組成，并用“T”形結構固定在磁軛上。
定子
水輪發電機定子由機座、鐵芯和線圈等部件組成。
機座
定子機座是一個承重和受力部件，它不僅承受上機架荷重并傳到基礎，還支承著鐵芯、線圈、冷卻器和蓋板等部件，對懸吊型水輪發電機而言還承受整個機組轉動部分重量（包括水推力），機座還承受徑向力（磁拉力和鐵芯熱膨脹力）和切向力（正常和短路時引起的力）。因此，機座須具有足夠的剛度，防止定子變形和振動。機座一般采用鋼板焊接，大型水輪發電機多采用盒形結構。上環與上機架相連，下環與基礎板相連，基礎板埋入混凝土內，由基礎螺栓固定。為了承受短路切向力，在下環與基礎板間裝有徑向銷釘，見圖2-68。在中環上安裝著定子鐵芯，為保證鐵芯的裝配質量，在中環垂直方向焊有數條定位筋，用托板固定在各中環上，也有因運輸條件限制或通風需要取消上、下環結構，用簡單的連接件與上機架和基礎相連。近年來，有些大尺寸定子，為了保持機組圓度，避免發電機運行時因機座和定子鐵芯的熱膨脹不一致而使定子產生翹曲變形，采用所謂“浮動式機座”。機座放置在基礎板上，取消了基礎螺栓，用固定在基礎板上的定位銷和機座上的徑向槽定位，機座膨脹或收縮時，機座僅需克服機座與基礎板間的摩擦力可自由伸縮，而不變動機組中心，保持了定子圓度，從而避免了定子變成橢圓形而導致鐵芯沖片破壞、定子溫升過高、定子振動等現象。
定子鐵芯
定子鐵芯是定子的一個重要部件。它是磁路的主要組成部分并用以固定線圈。在發電機運行時，鐵芯要受到機械力、熱應力及電磁力的綜合作用。由于鐵芯中的磁通量是隨著轉子的旋轉而交變的，為提高效率、減少鐵芯渦流損耗，鐵芯一般由0.35~0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的扇形硅鋼片疊壓而成。空冷式發電機鐵芯沿高度方向分成若干段，每段高40~45mm，段與段間以“工”字形襯條隔成通風溝，供通風散熱之用。鐵芯上、下端有齒壓板，通過定子拉緊螺桿將疊片壓緊鐵芯外圓有鴿尾槽，通過定位筋和托板將整個鐵芯固定在機座的內側。鐵芯內圓有矩形嵌線槽，用以嵌放線圈繞組。
近年來，為了減小機座承受的徑向力和減小鐵芯的軸向波浪度，有的發電機采用所謂“浮動式鐵芯”，其特點是在冷態時，鐵芯與機座定位筋間預留有一較小間隙，當鐵芯受熱膨脹時，此間隙減小或消失，當機座與鐵芯溫度不一致時，相互之間可以自由膨脹，從而大大減小機座承受的徑向力。為使鐵芯相對于機座能自由膨脹和收縮，鐵芯上下兩端采用小齒壓板，并在齒壓板調整螺栓與機座環板接觸處加二硫化鉬潤滑。
定子線圈
定子線圈的主要作用是產生電勢和輸送電流。定子線圈是用扁銅線繞制而成，然后再在它的外面包上絕緣材料。水輪發電機定子線圈主要采用圈式和條式兩種。圈式線圈由若干匝組成，每一匝又可由多股絕緣銅線組成。圈式線圈的兩個邊分別嵌人定子槽內上下層，許多圈式線圈嵌人定子槽內后按照一定的規律聯接起來組成疊繞組。雙層圈式線圈多用于中小型水輪發電機大型水輪發電機也有采用單匝疊繞線圈，為了便于制造，工藝上可將線圈分成兩半，分別彎曲成桿型線棒，包扎絕緣并經處理后下線，然后把有關的兩個邊聯起來焊在一起。條式線圈在水輪發電機中普遍采用。它是在定子鐵芯槽中沿高度方向放兩個線棒，嵌線后，用纖焊方式將線棒彼此聯接起來，組成雙層繞組。每個線棒由小截面的單根銅股線組成。線棒中的股線沿寬度方向布置兩排，高度方向彼此間要進行換位，以降低渦流損耗和減小股線間溫差。
推力軸承
推力軸承要承受水輪發電機組轉動部分的全部重量及軸向水推力，并把這些力傳遞給荷重機架。推力軸承一般由推力頭、鏡板、推力瓦、軸承座及油槽等部件組成。常用的推力軸承有以下三種結構形式：剛性支柱式推力軸承；液壓支柱式推力軸承；平衡塊支柱式推力軸承。
剛性支柱式（抗重螺栓支承）
剛性支柱式推力軸承一般由推力頭、鏡板、軸瓦、支柱螺栓、軸承座、油槽及冷卻器組成。其特點是推力瓦由頭部為球面的支柱螺栓所支承，通過調整該螺栓的高度而使軸瓦保持在同一水平面上，以使各瓦塊受力均勻。剛性支柱式優點是結構簡單，加工容易；缺點是安裝時調水平、受力不易調準，調整工作量較大，運行時各瓦塊的負荷不均衡（這種現象是由加工和安裝誤差以及負荷變化引起的），因此一般應用在中、小容量機組。
液壓支柱式（彈性油箱支承）
液壓支柱式推力軸承的特點是推力瓦由彈性油箱支承，各油箱由油道相連并充入一定的壓力油。安裝時，各瓦面的高度和水平調整精度要求不高，各瓦之間的不均勻負荷通過油壓平衡。運行時各瓦的不均勻負荷由彈性油箱均衡，使各瓦受力均勻。因此，液壓支柱式推力軸承具有能自動調整軸瓦負荷、承載能力大、調整簡單、維護方便、瓦溫溫差小（一般為1~3℃，剛性支柱高達20~30℃）、壽命長等優點。現這種型式的推力軸承在大型機組中已得到愈來愈多的應用。
平衡塊支柱式
平衡塊支柱式推力軸承是利用上下兩排平衡塊互相搭接（上、下平衡塊接觸面和下平衡塊與油盤上墊板接觸面，均為圓柱面與平面接觸），當受力時，由于杠桿原理，平衡塊互相動作，連續自動調整每塊瓦的受力，使各瓦負荷達到均勻。它的優點是結構簡單、加工方便、安裝調整容易；缺點是在運行時壓應力很高的鉸支點（線）由于限位銷釘精度的影響會出現滑動摩擦現象，從而使均衡負荷的能力不穩定。在試驗中發現，平衡塊的靈敏度隨著轉速的增加而有所降低。平衡塊結構推力軸承在中國經過多年運行考驗，證明這種結構能適應中、低速推力軸承的各種工況，運行性能是良好的。中國運行的大負荷推力軸承-長江葛洲壩170MW水輪發電機推力軸承，就是這種結構型式。
臥式水輪發電機結構
定子
定子的機座采用分瓣結構，安裝時需要組圓焊接，并進行消缺及探傷，并對連接環進行調整焊接。定子鐵心由扇形電工鋼片拼裝疊成，為了散熱的需要，定子鐵心中留有徑向通風溝。
轉子
轉子包括轉子中心體、支臂、轉子磁軛、轉子鍵槽板等部件。轉子為凸極式轉子，極數多，直徑大，軸向長度短，整個轉子在外形上與汽輪發電機大不相同。轉子磁極由厚度為1-2mm的鋼片疊成。磁極兩端有磁極壓板，用來壓緊磁極沖片和固定磁極繞組，而且磁極與磁極軛部采用T形或鴿尾形連接。
其它部件
其他部件包括主軸、下機架及上機架等。
類型
臥式和立式
按水輪發電機安裝方式不同，可分為臥式和立式兩種。通常小容量（單機容量小于1MW）的水輪發電機一般采用臥式，適合配用混流式、貫流式、沖擊式水輪機；中等容量的兩種皆可；大型水輪發電機則廣泛采用立式結構，且由于其轉速較低，水輪發電機均做成凸極式，適合配用混流式和軸流式水輪機。水輪發電機的結構型式在很大程度上與水輪機的特性和類型有關。
懸式與傘式
對于立式機組，根據推力軸承位置的不同又分為懸式水輪發電機和傘式水輪發電機。懸式水輪發電機：推力軸承布置在轉子上方的上部荷重機架上，把整個機組轉動部分懸掛起來，一般適用于高中速（在100r/min以上）水輪發電機，其優點是機組徑向機械穩定性好，推力軸承磨損小，維護與檢修方便；缺點是機組較高，消耗鋼材較多。傘式水輪發電機：推力軸承布置在發電機轉子下方的下機架或水輪機頂蓋上，一般適用于低速（在150r/min以下）水輪發電機，其優點是機組高度低，可降低廠房高度節約鋼材；缺點是推力軸承損耗大，不便于安裝、檢修與維護。
空冷式與內冷式
按水輪發電機的冷卻方式不同，可分為空氣冷卻（空冷）和內冷卻（內冷）兩種型式。發電機在運行中有大電流通過定子繞組、轉子繞組，在鐵芯上也會產生渦流，這些均會使發電機的溫度升高。為保證發電機能正常運行，必須采用有效的冷卻措施，使發電機定、轉子的溫升控制在設計范圍內。根據機組的特點可采用不同的冷卻方式，空冷式應用較為廣泛。
空冷式是利用空氣循環來冷卻水輪發電機內部所產生的熱量，且水輪發電機多采用密閉式自循環空氣冷卻。發電機上下風洞蓋板將發電機密封在風洞中，當發電機轉子轉動時，由于風扇和支臂等的作用形成強勁的氣流，經由轉子通風溝、定子通風溝將發電機的熱量帶出，這些受熱后的空氣通過布置在定子外圍的空氣冷卻器冷卻后從風道回到轉子上下。這些空氣并不與外界進行交換，而是密閉循環，從而達到使發電機冷卻的目的。
內冷式又分為水冷卻和蒸發冷卻兩種。水冷卻包括雙水內冷卻和半水冷卻。雙水內冷發電電動機采用離子水直接內冷方式，將經過處理的冷卻水通入定子線圈、轉子線圈及定子鐵芯的空心導線內部，直接帶走發電機產生的熱量，該方式可提高發電電動機的制造界限。半水冷卻即定子繞組為水冷卻而轉子仍為空氣通風冷卻。蒸發冷卻式是將液態冷卻介質通入定子空心銅線內，通過液態介質蒸發，利用汽化傳輸熱量進行發電機冷卻，這是中國具有自主知識產權的一項新型的冷卻方式。
常規式與非常規式
按水輪發電機的功能不同，分為常規水輪發電機和非常規的蓄能式水輪發電機兩種。常規水輪發電機一般為同步發電機；而蓄能式水輪發電機為發電電動機，有雙向運轉的要求，通常轉速較高。
中國現狀
據不完全統計，截至2020年，中國已投產的各類大中型水電機組500余臺，其中混流式水輪機組最多，達320余臺。中國總裝機百萬千瓦及以上的大型水電站100余座，其中已建成20座在建和待建80余座。中國已投產的巨型機組單機容量已從三峽、小灣、龍灘等水電站的70萬kW發展到溪洛渡水電站的77萬kW、向家壩水電站的80萬kW，烏東德水電站12臺85萬kW機組和白鶴灘水電站16臺100萬kW機組在制造和安裝階段。經過近50年的實踐，中國水輪機技術取得巨大進步，其中400m水頭段以下的混流式機組研制水平已達到國際先進水平。
發展趨勢
單機容量不斷提高
自20世紀60年代世界上第一臺50萬kW混流式水輪機在蘇聯克拉斯諾亞爾斯克邊疆區電站投運以來，提高水輪機比轉速、增大單機容量的風潮在全球興起，世界各國陸續投產發電的水輪發電機組均呈此態勢。
采用新技術提高運行可靠性
水輪機朝著大容量方向發展，機組運行可靠性越來越受到重視。壓力脈動、空蝕與損、材料機械與化學性能都會直接影響機組的可靠性指標。可靠性的先進指標為：可用系數大于或等于95%，大修周期8~10年，使用壽命40年以上。為此，采用了一系列新技術和一整套改良方案，諸如：
（1）混流式水輪機采用新型的X形葉片，改善非設計工況下運行穩定性，提高運行可靠性；
（2）設計出高效率、低轉速、大流量轉輪，降低了轉輪內的流速（從40~50m/s下降到36m/s以下），改善水輪機抗磨損能力，延長大修周期和使用壽命；
（3）控制加工質量，減少水力、機械不平衡力和殘余應力；
（4）采用新工藝、新材料、新結構，控制三（漏水、漏油、漏氣），提高可用率：（5）機組整機動力特性軸系穩定計算，嚴格避免共振；
（6）高精度測試技術與電站機組運行在線監測、事故診斷技術同步發展。
材料和制造工藝的發展
水輪機材料從鑄鐵、鑄鋼到不銹鋼，一方面提高了強度，另一方面又改善了抗空蝕能力。為了減輕泥沙磨損，采用了陶瓷涂層新技術。為了提高水輪機轉輪葉片的材質和型線的一致性，減輕鏟磨勞動強度，采用了模壓葉片新技術、數控加工工藝。除此之外，在轉輪焊接和熱處理技術及葉片幾何型線測量技術以及微焊成型等一系列技術上都有所突破，有力地保障了水輪機性能的提高。
能量特性、氣蝕特性不斷優化
一方面水力優化設計改善了水力性能，效率最高可達95%左右，同時提高了運行穩定性；另一方面，研制出了新型的X形葉片轉輪，其最大優點是能控制葉片背面壓力分布不均，以解決葉片背面的空蝕問題，同時可減少尾水管中心渦帶，以改善尾水管內的壓力脈動，在高水頭混流式水輪機上廣泛應用。
提高比轉速，降低制造成本
提高比轉速，減小水輪機轉輪直徑，提高發電機組轉速，減小機組尺寸；提高大部件剛度，簡化部件結構，通過采用新工藝、新技術，減少工序和工藝裝備來降低成本。
參考資料 >
能源裝備熱詞:水輪發電機.國家能源局.2025-07-30
全球單機容量最大 白鶴灘水電站首批機組投產發電.中國政府網.2024-10-30