水輪機是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械，它屬于流體機械中的透平機械。
早在公元前100年前后，中國就出現(xiàn)了水輪機的雛形——水輪，用于提灌和驅(qū)動糧食加工器械?，F(xiàn)代水輪機則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機，推動水輪機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。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。
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(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)換。
沖擊式水輪機按水流的流向可分為切擊式(又稱水斗式)和斜擊式兩類。斜擊式水輪機的結構與水斗式水輪機基本相同，只是射流方向有一個傾角，只用于小型機組。
早期的沖擊式水輪機的水流在沖擊葉片時，動能損失很大，效率不高。1889年，美國工程師佩爾頓發(fā)明了水斗式水輪機，它有流線型的收縮噴嘴，能把水流能量高效率地轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚偕淞鞯膭幽堋?br>
理論分析證明，當水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。這種水輪機在負荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用于高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過91％。
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(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)／分，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(zhuǎn)速750轉(zhuǎn)/分，水頭達1763.5米，1959年投入運行。
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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導葉和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的；轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉(zhuǎn)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。
軸流式水輪機適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)數(shù)較混流式水輪機為高。軸流定槳式水輪機的葉片固定在轉(zhuǎn)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(diào)整機組運行臺數(shù)來適應負荷變化的電站。
軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭在1920年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機。其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，以保持活動導葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)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％。
80年代，世界上尺寸最大的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為54.6轉(zhuǎn)／分，轉(zhuǎn)輪直徑為11.3米，于1981年投入運行。世界上水頭最高的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速為375轉(zhuǎn)／分，于1959年投入運行。
貫流式水輪機的導葉和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)彎，所以效率高，過流能力大，比轉(zhuǎn)數(shù)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(nèi)還可以實現(xiàn)雙向發(fā)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(fā)電機裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉(zhuǎn)槳式。世界上最大的燈泡式水輪機(轉(zhuǎn)槳式)裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，于1978年投入運行。
混流式水輪機是世界上使用最廣泛的一種水輪機，由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，故又稱弗朗西斯水輪機。與軸流轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(huán)。
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。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(zhuǎn)輪直徑約9.75米，水頭為87米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)／分，于1978年投入運行。
斜流式水輪機是瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上，隨著水頭和負荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應轉(zhuǎn)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(zhuǎn)槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(lián)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(tǒng)負荷低于基本負荷時，它可用作水泵，利用多余發(fā)電能力，從下游水庫抽水到上游水庫，以位能形式蓄存能量；在系統(tǒng)負荷高于基本負荷時，可用作水輪機，發(fā)出電力以調(diào)節(jié)高峰負荷。因此，純抽水蓄能電站并不能增加電力系統(tǒng)的電量，但可以改善火力發(fā)電機組的運行經(jīng)濟性，提高電力系統(tǒng)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(fā)展。
早期發(fā)展的或水頭很高的抽水蓄能機組大多采用三機式，即由發(fā)電電動機、水輪機和水泵串聯(lián)組成。它的優(yōu)點是水輪機和水泵分別設計，可各自具有較高效率，而且發(fā)電和抽水時機組的旋轉(zhuǎn)方向相同，可以迅速從發(fā)電轉(zhuǎn)換為抽水，或從抽水轉(zhuǎn)換為發(fā)電。同時，可以利用水輪機來啟動機組。它的缺點是造價高，電站投資大。
斜流式水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的葉片可以轉(zhuǎn)動，在水頭和負荷變化時仍有良好的運行性能，但受水力特性和材料強度的限制，到80年代初，它的最高水頭只用到136.2米(日本的高根第一電站)。對于更高的水頭，需要采用混流式水泵水輪機。
世界上最大的混流式水泵水輪機裝于聯(lián)邦德國的不來梅蓄能電站。其水輪機水頭237.5米，發(fā)電機功率660兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分；水泵揚程247.3米，電動機功率700兆瓦，轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分。
抽水蓄能電站設有上、下兩個水庫。在蓄存相同能量的條件下，提高揚程可以縮小庫容、提高機組轉(zhuǎn)速、降低工程造價。因此，300米以上的高水頭蓄能電站發(fā)展很快。世界上水頭最高的混流式水泵水輪機裝于南斯拉夫的巴伊納巴什塔電站，其單機功率為315兆瓦，水輪機水頭為600.3米；水泵揚程為623.1米，轉(zhuǎn)速為428.6轉(zhuǎn)/分，于1977年投入運行。
20世紀以來，水電機組一直向高參數(shù)、大容量方向發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)中火電容量的增加和核電的發(fā)展，為解決合理調(diào)峰問題，世界各國除在主要水系大力開發(fā)或擴建大型電站外，正在積極興建抽水蓄能電站，水泵水輪機因而得到迅速發(fā)展。
補充 水輪機接力器水輪機由下述主要部件組成：轉(zhuǎn)動部分、導水機構、埋入部分、主軸密封、受油器、回復機構及油管路布置、軸承、接力器、離心開關等。 水輪機轉(zhuǎn)動部分由轉(zhuǎn)輪體、葉片、活塞、接力器等組成，轉(zhuǎn)輪有四個葉片。漿葉接力器裝設在轉(zhuǎn)輪體下游側(cè)泄水錐內(nèi)，采用活塞缸往復運動，活塞固定不動的結構形式。
機械控制設備系統(tǒng)。包括水輪機的調(diào)速設備，如接力器及操作柜，事故閥門的控制設備，其它各種閘門、減壓閥、攔污柵等操作控制設備。
主接力器與配壓閥相同的是,也由活塞及殼體組成,但活塞的閥盤只有一個,接力器是雙側(cè)進油的,活塞的左、右油腔分別與配壓閥Ⅰ的上、下油孔相連。2運動過程分析主接力器與水輪機的導水機構直接相連,控制著水輪機的流量,即控制著水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速。
水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的組成
調(diào)速器的作用：以轉(zhuǎn)速偏差為依據(jù)，迅速自動地調(diào)節(jié)導葉開度，已達到改變出力恢復轉(zhuǎn)速的目的。
調(diào)速器主要有以下幾個部分組成：
測量機構：測量機組轉(zhuǎn)速偏差，并把偏差信號轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰菩盘?，然后輸出?/p>
放大機構(引導閥+輔助接力器、主配閥+主接力器，二級放大)：位移變化→油壓變化。
執(zhí)行機構：主接力器，控制導葉開度，改變流量，控制水輪機的引用流量，以調(diào)節(jié)機組的出力。
反饋機構：緩沖器和杠桿機構，當調(diào)節(jié)使 = 時，反饋信號使調(diào)節(jié)停止。
