（一）水轮机的分类

现代水轮机一般分为三大类：反击式水轮机、冲击式水轮机和可逆式水轮机。

反击式水轮机主要利用水流的势能为主，动能为辅，并通过转轮转换为主轴的机械能；在这种水轮机中，从转轮的进口到出口，水流的压力是逐渐减小的，转轮中的水流具有压力并且充满整个流道。根据转轮内水流方向的特征，反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等四种型式，各类型水轮机具体特征见后述。

冲击式水轮机主要是利用水能的动能，通过转轮转变为主轴的机械能，这种水轮机中的水流沿斗叶表面流动过程中压力保持不变，有与空气接触的自由表面。根据射流的冲击特性，冲击式水轮机又可分为水斗式、斜击式和双击式三种型式。

可逆式水轮机是随着蓄能电站、潮汐电站的开发而发展起来的一种近代水轮机，既可作水轮机正向发电运行，又可作水泵反向抽水运行。在电能过剩期内它可以利用电能反向将下游的水抽向上游水库贮存。在缺电期，它可以将贮蓄的水用来发电，向电网输送有功功率。常见的可逆式水轮机有混流式、斜流式和轴流式，见表1-1。

表1-1　常见的近代水轮机

（二）各类水轮机的应用特点

1.混流式水轮机（图1-1）

图1-1　混流式水轮机

混流式水轮机中，水流首先由径向流入转轮，然后以近似于轴向流出转轮，水流在整个流道形成混合水流。中小型混流式水轮机一般使用在水头10～300m的电站，并且有设备结构简单、运行稳定可靠和效率高等优点，因此是水电站机组中应用最广泛的一种水轮机。

2.轴流式水轮机（图1-2）

图1-2　轴流式水轮机

轴流式水轮机的水流进入水轮机后在导叶至转轮之间转为轴向，然后进入转轮，转轮区域内水流是沿轴向流动的。根据水轮机转轮叶片运行时桨叶角度是否可以转动，轴流式水轮机又分为转桨式和定桨式两种。

轴流定桨式水轮机在运行时转轮叶片固定，不会转动，它制造比较简单，但是处于高效率区域的工作范围比较狭窄，离开高效率区域运行时效率就急剧下降。因此，这种水轮机多用于功率和水头变化幅度较小的中小型水电站，一般使用水头为3～50m。

轴流转桨式水轮机在运行时叶片可以随流量的变化而转动，通过叶片与导叶的协联关系进行双重调节，使机组的高效率区域显著增加，提高了机组的运行稳定性。轴流转桨式水轮机一般使用在大中型电站，一般用于水头为3～80m的大流量电站。

3.斜流式水轮机（图1-3）

图1-3　斜流式水轮机

斜流式水轮机转轮区域的水流是沿斜方向流动的。由于转轮叶片可以转动，也能像轴流转桨式水轮机一样实现双重调节，因此高效率区域的出力范围较大，又因转轮叶片与水轮机轴线斜交，能够像混流式水轮机一样运行稳定，因此它兼有两者的优点，适用水头范围约在40～200m。但转轮结构较复杂，因而在中小型机组中很少采用。

4.贯流式水轮机

贯流式水轮机流道呈卧式直线状，转轮与轴流式相似，可以做成转桨式和定桨式两种。贯流式水轮机的主要特点一是水流基本上沿轴向通过，不转弯；提高了水力效率和过水能力。二是流道外形像管子且主轴卧置，缩短了机组高度和机组之间的距离，简化了厂房建筑结构。贯流式水轮机主要适用于低水头电站；目前常见的有灯泡贯流式（图1-4）、竖井贯流式及轴伸贯流式，其使用水头约为0.8～30m。

图1-4　灯泡贯流式水轮机

5.水斗式水轮机（图1-5）

图1-5　水斗式水轮机

水斗式水轮机高效率区域宽广，其主要特点是从喷嘴出来的射流是沿转轮圆周切线方向冲击斗叶做功。一般中小型水斗式水轮机用于水头100～800m，大中型水斗式水轮机可用于水头高达1100m以上的水电站。

6.斜击式水轮机（图1-6）

图1-6　斜击式与水斗式水轮机水流进出情况比较图

（a）水斗式；（b）斜击式

斜击式水轮机主要特点是从喷嘴喷出的射流沿与转轮旋转平面成某一角度（大约为22.5°）的方向冲击转轮，从转轮的一侧进入斗叶然后再由另一侧离开斗叶，一般适用在20～220m的水头。

7.双击式水轮机（图1-7）

图1-7　双击式水轮机

工作时，来自喷嘴的水首先从转轮外圆周面上进入转轮的叶片，大约70%～80%的水能被转换成机械能，然后向心地离开叶片，下落经过转轮中心的空间后第二次从内圆周面上进入叶片，剩下的20%～30%的水流能量再转换成机械能，最后水流离心地离开转轮，“双击”的意思就表示水流二次流经叶片。它适用于水头5～100m、出力较小的场合。

（三）水轮机工作参数

水轮机的工作参数是表征水轮机工作时的技术特征值，主要参数有水头H、流量Q、功率N、效率η、额定转速n0和飞逸转速nS等。

1.工作水头

水轮机的工作水头是指水轮机进口Ⅰ—Ⅰ断面和出口Ⅱ—Ⅱ断面（图1-8）单位重量水体的能量的差值，一般用“H”表示，单位为m。

根据水轮机工作水头的定义，其基本表达式为：

式中 E——单位水体的能量，m；

Z——相对某一基准的位置高度，m；

P——压力，kPa；

V——流速，m/s；

α——动能修正系数；

r——水的比重，kN/m3；

g——重力加速度，m/s2。

水电站中电站上、下游水位差称为毛水头Hm，水轮机的工作水头H近似等于电站毛水头H m减去引水系统的水头损失hw引。即：

(www.daowen.com)

图1-8　反击式水轮机装置略图

2.流量

流量是指单位时间内通过水轮机的水流体积，常用“Q”表示，单位为m3/s。

3.功率

水轮机的功率是指水轮机轴单位时间内向外输出的机械功，用“N”表示，单位为kW。

式中 Q——水轮机的流量，m3/s；

H——水轮机工作水头，m；

η——水轮机效率，%。

4.水轮机效率

水轮机效率等于水轮机的输出功率与进入水轮机的水流功率的比值，即：

水轮机效率η由三部分组成，容积效率、水力效率和机械效率，而水轮机效率η就等于上述三项效率的乘积。由于水轮机工作过程存在能量损耗，故水轮机的效率总是小于1。

5.额定转速

设计时规定的水轮机具有的稳态转速称为额定转速，用n0表示，单位为r/min。因我国采用的电网频率为50Hz，所以水轮机额定转速和直接传动的发电机磁极对数p有以下关系：

6.飞逸转速

飞逸转速是指当水轮机突然甩去全部负荷，而水轮机导水机构不能关闭时，水流输入水轮机的全部能量除了小部分消耗于机械损失外，大部分驱动机组系统加速旋转，使机组转速急剧升高，直至转速达到某一最大值，这个达到的最大转速称为飞逸转速，用nR表示。

一般来说国产水轮机的飞逸转速与额定转速n0的关系大致范围如下：

混流式或水斗式水轮机：nR≈（1.7～2.0）n0；

转桨式水轮机保持协联关系：nR≈（2.0～2.2）n0；

转桨式水轮机协联关系破坏：nR≈（2.4～2.6）n0。

（四）水轮机型号

水轮机产品型号都有标准的规定，用专门的代码来表示，一般规定如下。

（1）水轮机产品型号由三部分代号组成，各部分之间用“-”分开。

（2）型号的第一部分，由水轮机型式及转轮型号组成。

水轮机型式用两个汉语拼音字母表示，字母为水轮机型式的名称的拼音的头两个字母，其型号代号见表1-2。

表1-2　水轮机型式的代号

转轮型号用阿拉伯数字表示，采用统一规定的比转速代号。该比转速计算时均假定效率为88%，水头以m计，出力以kW计，并取整数值。

（3）水轮机型号的第二部分是由水轮机主轴的布置型式和引水室型式的代号组成。

水轮机主轴的布置型式用一个汉语拼音字母表示，其具体规定见表1-3。

表1-3　主轴布置型式代号

水轮机引水室型式用一个汉语拼音字母表示，其规定见表1-4。

表1-4　引水室代号

（4）水轮机型号的第三部分，由水轮机转轮标称直径D1（以cm表示）或其他必要的指标组成，均用阿拉伯数字表示。

对于水斗式水轮机，型号的第三部分规定用如下方法表示：

各种水轮机的标称直径D1的值规定如下（图1-9）。

1）混流式水轮机是指转轮叶片进水边上的最大直径，如图1-9所示，图（a）为中低水头的水轮机转轮的标称直径，图（b）为高水头的水轮机转轮的标称直径。

2）冲击式水轮机的标称直径，是转轮与射流中心线相切圆的直径，如图1-9（c）。

3）轴流式、灯泡式和斜流式水轮机的标称直径是转轮叶片轴线与转轮室相交点的转轮室内径；如图1-9所示，图（d）为轴流式转轮的标称直径；图（e）为斜流式转轮的标称直径；图（f）为灯泡式转轮的标称直径。

图1-9　各类水轮机的转轮标称直径

（5）水轮机型号排列顺序规定。

（6）水轮机型号示例。

1）HL220LJ—120，表示混流式水轮机，转轮型号为220，立轴，金属蜗壳，转轮直径为120cm。

2）ZZ560—LH—300，表示轴流转桨式水轮机，转轮型号为560，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径为300cm。

3）表示一根轴上具有两个转轮的水斗式水轮机，转轮型号为30，卧轴，转轮直径为120cm，每个转轮上具有2个喷嘴，设计射流直径为10cm。

我国水轮机型号代号，以前主要是沿用苏联的代号，表示方法基本相同，但过去的第一部分中转轮型号所表示的阿拉伯数字，不是比转速代号，而是模型转轮的编号，例如HL138—LJ—350，其中138不是比转速，而是模型的编号。