水輪機（英文名：hydroturbine）是把水流的能量轉換為旋轉機械能的動力機械，它屬于流體機械中的透平機械。水輪機主要由主軸、水導軸承、頂蓋、底環、活動導葉、固定導葉、導葉軸承及密封、導葉傳動機構等構成，其中水輪機的固定過流部件主要有壓力鋼管、蝸殼、座環、底環、基礎環、尾水管及其他附件。按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。
早在公元前100年前后，中國就出現了筒車機的雛形——水輪，用于提灌和驅動糧食加工器械。公元220—300年間發明了用水輪帶動的水磨。1912年奧地利工程師V·卡普蘭設計出第一臺轉槳軸流式水輪機，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。20世紀40-50年代又相繼出現貫流式和斜流式水輪機，同時水輪機又發展為水泵水輪機，應用于抽水蓄能電站。20世紀80年代初，世界上單機功率最大的水斗式水輪機裝于挪威的悉·西馬電站。1978年，功率和尺寸最大的混流式水輪機裝于美國的大古力第三電站，其單機功率為700兆瓦，轉輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉速為85.7轉/分鐘。2019年6月，中國百萬千瓦級水輪機已完成全部關鍵部件驗收，標志著該水輪機項目研制成功。這是中國在建裝機容量最大的水輪機。2025年7月2日，中國自主研制的世界首臺單機容量最大500兆瓦、轉輪尺寸最大6.23米的沖擊式水輪機核心部件——轉輪在哈電電機成功并發運。
反擊式水輪機工作原理主要是利用水流的壓能（一小部分為水流動能）做功。水流通過轉輪葉片時，因葉片的作用，水流改變了壓力、流速，從而對葉片產生了反作用力，形成轉矩，使轉輪旋轉。沖擊式水輪機是利用水流的動能，推動水輪機轉輪旋轉做功的。它不用尾水管、蝸殼和復雜的導水機構，因此構造較反擊式水輪機簡單，便于維護管理。現代水輪機則大多數安裝在水電站內，用來驅動發電機發電。在水電站中，上游水庫中的水經引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發電機發電。
發展歷程
早在公元前100年前后，中國就出現了筒車機的雛形——水輪，用于提灌和驅動糧食加工器械。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。公元37年中國人發明了用水輪帶動的鼓風設備——水排；公元260—270年中國人創造了水碾；公元220—300年間發明了用水輪帶動的水磨。這些水力機械結構簡單，制造容易，但缺點是笨重、出力小、效率低。1912年奧地利工程師V·卡普蘭設計出第一臺轉槳軸流式水輪機，故稱為卡普蘭水輪機。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最優配合，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。20世紀40-50年代又相繼出現貫流式和斜流式水輪機，同時水輪機又發展為水泵水輪機，應用于抽水蓄能電站。
20世紀80年代初，世界上單機功率最大的水斗式水輪機裝于挪威的悉·西馬電站，其單機容量為315兆瓦，水頭885米，轉速為300轉/分鐘，于1980年投入運行。水頭最高的水斗式水輪機裝于奧地利的賴瑟克山電站，其單機功率為22.8兆瓦，轉速750轉/分鐘，水頭達1763.5米，1959年投入運行。80年代，世界上尺寸最大的轉槳式水輪機是中國東方電機廠制造的，裝在中國長江中游的葛洲壩電站，其單機功率為170兆瓦，水頭為18.6米，轉速為54.6轉/分鐘，轉輪直徑為11.3米，于1981年投入運行。世界上水頭最高的轉槳式水輪機裝在意大利的那姆比亞電站，其水頭為88.4米，單機功率為13.5兆瓦，轉速為375轉/分鐘，于1959年投入運行。世界上水頭最高的混流式水輪機裝于奧地利的羅斯亥克電站，其水頭為672米，單機功率為58.4兆瓦，于1967年投入運行。1978年，功率和尺寸最大的混流式水輪機裝于美國的大古力第三電站，其單機功率為700兆瓦，轉輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉速為85.7轉/分鐘。
2019年6月，中國百萬千瓦級水輪機已完成全部關鍵部件驗收，標志著該水輪機項目研制成功。這是中國在建裝機容量最大的水輪機。2023年5月16日，中國首臺150兆瓦級大型沖擊式水輪機轉輪在德陽市下線，該轉輪由東方電氣自主研制。該次下線的轉輪用于四川省雅安市田灣河金窩水電站，計劃6月初投入運行。同年6月7日，中國單機容量最大的沖擊式水電機組完成國產化改造，成功并網發電。標志著東方電氣自主研制的，具有全產業鏈完全自主知識產權的國產化首臺150兆瓦級大型沖擊式轉輪，成功實現工程應用。2025年7月2日，中國自主研制的世界首臺單機容量最大500兆瓦、轉輪尺寸最大6.23米的沖擊式水輪機核心部件——轉輪在哈電電機成功并發運，這標志著中國在高水頭、大容量沖擊式水輪機組核心裝備領域實現歷史性突破。該轉輪將應用于西藏扎拉水電站。扎拉水電站由大唐西藏能源開發有限公司建設，是國家“藏電外送”骨干工程和世界在建綜合難度最大的沖擊式水電項目，電站裝機2臺全球單機容量最大、技術難度最高的500兆瓦沖擊式機組。該機組作為國家能源局能源領域首臺（套）重大技術裝備項目，具有高海拔、高水頭、大容量等技術特點，是服務國家“加快西南水電基地建設”戰略的主力機型。
結構組成
水輪機主要由主軸、水導軸承、頂蓋、底環、活動導葉、固定導葉、導葉軸承及密封、導葉傳動機構等構成，其中水輪機的固定過流部件主要有壓力鋼管、蝸殼、座環、底環、基礎環、尾水管及其他附件。
水輪機主軸密封裝設在水導軸承與轉輪之間，是減少主軸與固定部件之間漏水的裝置。所有機型的主軸密封結構及工作原理相似，都由工作密封和檢修密封兩部分組成。
水導軸承主要由軸承支架、水導瓦、軸瓦間隙調整裝置、油封裝置以及外循環冷卻系統等組成，水導軸承的作用是承受水輪機主軸的徑向載荷，控制主軸的擺度，維持機組軸線及旋轉中心。
導水機構主要包括頂蓋、底環、活動導葉、固定導葉、導葉軸承及密封、導葉傳動機構等，活動導葉均布在座環與轉輪之間的環形空間內，支撐在頂蓋和底環上，并能繞自身的軸線旋轉。導水機構的作用是當負荷變化時，調節水輪機的流量，以使水輪機保持固定不變的轉速。通過導葉傳動機構同時轉動所有導葉，當導葉圍繞自身的軸線旋轉一個角度，即改變了導葉的開度，改變水流過流面積，使得水輪機的流量發生相應的變化。當機組需要停機時，關閉導葉，全部活動導葉首尾相接，關閉了水流進入轉輪的通道，從而達到停機的目的。
頂蓋和底環屬于水輪機導水機構中重要的組成部分，作為水輪機的固定部分，水輪機中許多重要、精密的部件都要與之緊密連接，并以頂蓋作為剛性支撐。頂蓋的主要功能包括支撐活動導葉及導葉操作機構，安裝固定止漏環，支撐水導軸承和主軸密封，安裝水導軸承的冷卻系統和主軸密封的管道系統。
固定導葉是機組座環的一部分，連通座環兩端的環形結構，起到支撐機組轉動部分和發電機重量的作用，并將載荷轉遞到基礎上，不能改變蝸殼所形成的水流環量。固定導葉為整鑄不銹鋼結構。
導葉傳動機構由控制環、連板、偏心銷、剪斷銷（ALSTOM公司和哈電機組為拉斷銷）、拐臂、膨脹銷等零部件組成。控制環嵌套在頂蓋的導向環上，通過雙連板和接力器推拉桿連接，通過連桿和導葉拐臂連接，導葉拐臂與導葉之間通過2個錐銷和膨脹銷套傳遞操作力矩。調速系統動作時，接力器帶動控制環作圓周運動，控制環帶動每個導葉轉動，通過控制環將接力器的控制力均勻分配給每一個導葉，保證所有導葉的準確位置和同步性。
工作原理
反擊式水輪機主要是利用水流的壓能（一小部分為水流動能）做功。水流通過轉輪葉片時，因葉片的作用，水流改變了壓力、流速，從而對葉片產生了反作用力，形成轉矩，使轉輪旋轉。沖擊式水輪機是利用水流的動能，推動水輪機轉輪旋轉做功的。它不用尾水管、蝸殼和復雜的導水機構，因此構造較反擊式水輪機簡單，便于維護管理。
主要類型
水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水輪機的轉輪受到水流的沖擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換；反擊式水輪機的轉輪在水中受到水流的反作用力而旋轉，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉換。
沖擊式水輪機
沖擊式水輪機按射流沖擊轉輪的方式不同分為水斗式、斜擊式和雙擊式三種機型。水斗式是應用較廣泛的一種沖擊式水輪機，適用于高水頭、小流量的電站。小型水斗式水輪機水頭范圍在100～300米，出力在2000千瓦以下，大型水斗式水輪機可用于水頭高達700米以上的水電站。水斗式水輪機習慣又稱沖擊式水輪機。斜擊式和雙擊式水輪機結構簡單便于制造，但效率較低，多用在出力很小的鄉村小電站。與反擊式水輪機相比，沖擊式水輪機中的水流是以射流的形式沖擊作用轉輪的，從而使轉輪輸出機械力矩。沖擊式水輪機的軸承、主軸和飛輪的結構形式與反擊式水輪機基本相同。中小型沖擊式水輪機的轉輪一般都位于下游水位以上的空氣中，轉輪到下游水位這段位置水頭無法利用。
雙擊式水輪機
雙擊式水輪機工作時，噴嘴將壓力水管的高速水流噴射到轉輪上部葉片，對葉片進行第一次沖擊，大約70%～80%的水能轉換為機械能。然后，水流穿過轉輪中心，進入轉輪下部，再對下部葉片進行第二次沖擊，剩下的水流能量再轉化為機械能，最后水流從轉輪下部葉片流出外圓柱面落入尾水渠中。“雙擊”表示水流二次流經葉片，因此，這種水輪機叫雙擊式水輪機（圖7-10）。其適用于水頭5～80米，出力較小的場合。雙擊式水輪機效率很低，但制造容易，轉輪葉片葉型簡單，一般只用在小型機組中。雙擊式水輪機的轉輪由兩個圓盤和一定數量的葉片組成。葉片形狀為圓弧形或漸開線形，后者效率較高，但制造工藝復雜。水輪機的效率與葉片數量有關，在一定范圍內，葉片越多效率越高，負荷變化時影響效率變化也越小，葉片一般采用24片。為了減少水輪機主軸穿過轉輪中心所造成的水能損失，目前常采用分段主軸，分段主軸在圓盤兩端通過法蘭與主軸連接，從而避免了主軸穿過轉輪中心，提高了水輪機的效率。雙擊式水輪機的過流量，主要與轉輪寬度有關，可按照流量的變化選定相應的轉輪寬度。因此，轉輪的直徑和轉速，可在較大的范圍內進行選擇，這樣就能制造直徑小、轉速高、成本低的雙擊式水輪機。
水斗式水輪機
水斗式水輪機主要由噴嘴、噴針、轉輪、折向器、機殼和尾水渠等部件組成。核心部件轉輪由輪盤、輪轂和均布在輪轂四周的水斗組成。水斗為并列雙橢圓體的表面，由噴嘴形成的射流沖擊水斗，從而推動轉輪主軸轉動輸出旋轉機械能。最高效率略低于混流式，部分負荷時高效范圍較寬。結構簡單、維修方便，但制造工藝有較高要求。臥軸機組可單輪或雙輪帶動一臺發電機，轉輪可用單噴嘴或雙噴嘴驅動；立軸機組噴嘴數最多為6個。大型的適用水頭為300~1700m，最大水頭已達1767m，最大單機容量已達315MW；小型水斗武水輪機的適用水頭為40~250m。
斜擊式水輪機
斜擊式水輪機主要由噴嘴和轉輪等組成。轉輪由外輪圈、內輪轂和其間所固定的若干單碗形斗葉組成。噴嘴射流以22.5°的角度斜沖轉輪正面的葉片后從背面流出。結構簡單、造價低廉，但效率低。僅應用于小型電站。適用水頭為20~100m。
反擊式水輪機
反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導水機構，軸向流出轉輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導葉，軸向進入和流出轉輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉輪，或以傾斜于主軸的方向流進導葉和轉輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導葉和轉輪。軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結構還可分為定槳式和轉槳式。定槳式的轉輪葉片是固定的；轉槳式的轉輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉動，以適應水頭和負荷的變化。各種類型的反擊式水輪機都設有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導葉和活動導葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉輪周圍。當水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現場澆注而成；水頭高于40米時，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。
在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉輪直徑小于沖擊式水輪機。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機，但當負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。反擊式水輪機都設有尾水管，其作用是：回收轉輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當轉輪的安裝位置高于下游水位時，將此勢能轉化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉輪的出口動能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著影響。
軸流式水輪機
軸流式水輪機適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉數較混流式水輪機為高。軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉輪體上，葉片安放角不能在運行中改變，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。軸流轉槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭在1920年發明的，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最優配合，從而提高平均效率，這類水輪機的最高效率有的已超過94%。
貫流式水輪機
貫流式水輪機的導葉和轉輪間的水流基本上無變向流動，加上采用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉彎，所以效率高，過流能力大，比轉數高，特別適用于水頭為3~20米的低水頭電站。這種水輪機裝在潮汐電站內還可以實現雙向發電。這種水輪機有多種結構，使用最多的是燈泡式水輪機。燈泡式機組的發電機裝在水密的燈泡體內。其轉輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉槳式。世界上最大的燈泡式水輪機（轉槳式）裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉速為85.7轉/分，轉輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，于1978年投入運行。
混流式水輪機
混流式水輪機是世界上使用較廣泛的一種水輪機，由美國工程師弗朗西斯于1849年發明，故又稱弗朗西斯水輪機。與軸流轉槳式相比，其結構較簡單，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時，平均效率比軸流轉槳式的低，這類水輪機的最高效率有的已超過95%。混流式水輪機適用的水頭范圍很寬，為5～700米，但采用最多的是40～300米。混流式的轉輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結構。為提高抗汽蝕和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕部位堆焊不銹鋼，或采用不銹鋼葉片，有時也可整個轉輪采用不銹鋼。采用鑄焊結構能降低成本，并使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利于提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環。
斜流式水輪機
斜流式水輪機是瑞士工程師德里亞于1956年發明，故又稱德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉輪體上，隨著水頭和負荷的變化，轉輪體內的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉動。它的最高效率稍低于混流式水輪機，但平均效率大大高于混流式水輪機；與軸流轉槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉速較低，適用于40～120米水頭。由于斜流式水輪機結構復雜、造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機，或不夠理想時才采用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當它在水泵工況啟動時，轉輪葉片可關閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動機的啟動負荷。世界上容量最大的斜流式水輪機裝于蘇聯的潔雅電站，單機功率為215兆瓦，水頭為78.5米。水泵水輪機主要用于抽水蓄能電站。在電力系統負荷低于基本負荷時，它可用作水泵，利用多余發電能力，從下游水庫抽水到上游水庫，以勢能形式蓄存能量；在系統負荷高于基本負荷時，可用作水輪機，發出電力以調節高峰負荷。因此，純抽水蓄能電站并不能增加電力系統的電量，但可以改善火力發電機組的運行經濟性，提高電力系統的總效率。50年代以來，抽水蓄能機組在世界各國受到普遍重視并獲得迅速發展。
工作參數
水頭
水頭是指水流集中起來的落差，即水電站上、下游水位之間的高度差，現用H0表示，單位是m。作用在水電站水輪機的工作水頭H（或稱靜水頭）還要從總水頭H。中扣除水流進入水閘、攔污柵、管道、彎頭和閘閥等所造成的水頭損失h1，以及從水輪機出來，與下游接駁的水位降h2，即H=H0-h1-h2。總水頭（H0）也稱毛水頭；工作水頭H表示單位重量的水體為水輪機提供的能量值。水電站的上游水位為水庫水位（或前池水位）。
流量
流量是指單位時間通過水輪機水體的容積，單位是立方米/s，常用Q表示。一般取枯水季節河道流量的1～2倍作為水電站的設計流量。
出力
出力是指水輪機軸輸出的機械功率，即水輪機的出力。單位常用kW。
功率
水電站功率（也稱出力）的理論值，等于每秒鐘通過筒車機水的重量與水輪的工作水頭的乘積。水電站的實際功率是理論功率與發電機組效率之積。小水電站的機組效率為60%~80%；而大型水電站的機組效率為80%~90%。現代大型水輪機組的最高效率可達90％～95%。“水電站裝機容量”是指水電站中全部發電機組的銘牌容量的總和，也就是水電站的最大發電功率。水電站年發電量的單位是kWh，它等于電站內各發電機組年發電量的總和；每臺發電機組的年發電量值，是它的實際發電功率（出力）與一年內運行小時數的乘積。
比轉速
比轉速可理解為水輪機在1m工作水頭下運轉（并處于最優工況），恰好發出1kW功率的轉輪轉速。它是一個與水輪機直徑（大小）無關的參數；反映出水輪機的轉速、水頭和輸出功率之間的關系；同一類型的水輪機，當滿足相似條件時，其比轉速為常數，因此可用它來代表同系列水輪機的特征。不同類型的水輪機比轉速值各不相同，隨著水輪機適應的水頭愈高，它的比轉速值愈小。
水輪機牌號
在中國規定，水輪機牌號由三部分組成，每一部分之間用“一”分開。第一部分由漢語拼音字母和阿拉伯數字組成，前者表示水輪機型式，后者表示轉輪型號。第二部分由兩個漢語拼音字母組成，前一個表示水輪機主軸布置型式，后一個表示引水室特征。第三部分是以厘米為單位的轉輪標稱直徑。
標準規范
在中國，2020年6月，國家市場監督管理總局、中國國家標準化管理委員會發布了《水輪機基本技術條件》，標準號：GB/T 15468-2020。2025年2月，國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會發布了《大中型水輪機進水閥門基本技術規范》，標準號為：GB/T 14478-2025，規范于2025年9月1日實施，該規劃中國標準分類號（CCS）為K55；國際標準分類號（ICS）為27.140。
應用現狀
截至2021年，水輪機是水電站中最重要的工作部件，它通過水流的沖擊產生旋轉帶動發電機旋轉發電。截至2022年，歐洲的趨勢傾向于在水頭高度達500m時，使用脈沖式水輪機，其性能基本上高達1%~2%；但在瀑布下使用這種類型的水輪機會引起機械問題。慮到在開發資源中的彈性操作，美國的趨勢傾向于在任何超過300m的瀑布下，使用反作用式水輪機。但水輪機和發電機的成本會增加，因為在小瀑布下，水流速度低，反作用式水輪機和發電機的直徑均需增加。
參考資料 >
我國百萬千瓦級水輪機研制成功 在建裝機容量最大.深圳新聞網.2024-03-11
【走進新國企·打卡新坐標】世界水電“珠峰”看白鶴灘水電站勃發中國力度.國務院國有資產監督管理委員會.2024-03-11
世界首臺500兆瓦沖擊式機組轉輪在哈研制成功.黑龍江省人民政府.2025-07-05
國內首臺150兆瓦級大型沖擊式水輪機轉輪在四川德陽下線.界面新聞.2025-07-05
“中國心”水電成功并網發電！國內單機容量最大的沖擊式水電機組實現國產化.百家號.2025-07-05
標準號:GB/T 15468-2020.國家標準全文公開系統.2025-07-05
標準號:GB/T 14478-2025.國家標準全文公開系統.2025-07-05