水轮机

把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械
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水轮机（英文名：hydroturbine[1]）是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。[3]水轮机主要由主轴、水导轴承、顶盖、底环、活动导叶、固定导叶、导叶轴承及密封、导叶传动机构等构成，其中水轮机的固定过流部件主要有压力钢管、蜗壳、座环、底环、基础环、尾水管及其他附件。[4]按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。[5]
早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。[3][6]公元220—300年间发明了用水轮带动的水磨。[7]1912年奥地利工程师V·卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。20世纪40-50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。[3]20世纪80年代初，世界上单机功率最大的水斗式水轮机装于挪威的悉·西马电站。1978年，功率和尺寸最大的混流式水轮机装于美国的大古力第三电站，其单机功率为700兆瓦，转轮直径约9.75米，水头为87米，转速为85.7转/分钟。[6]2019年6月，中国百万千瓦级水轮机已完成全部关键部件验收，标志着该水轮机项目研制成功。这是中国在建装机容量最大的水轮机。[8][9]2025年7月2日，中国自主研制的世界首台单机容量最大500兆瓦、转轮尺寸最大6.23米的冲击式水轮机核心部件——转轮在哈电电机成功并发运。[10]
反击式水轮机工作原理主要是利用水流的压能（一小部分为水流动能）做功。水流通过转轮叶片时，因叶片的作用，水流改变了压力、流速，从而对叶片产生了反作用力，形成转矩，使转轮旋转。冲击式水轮机是利用水流的动能，推动水轮机转轮旋转做功的。它不用尾水管、蜗壳和复杂的导水机构，因此构造较反击式水轮机简单，便于维护管理。[2]现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。[5]

发展历程

早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。公元37年中国人发明了用水轮带动的鼓风设备——水排；公元260—270年中国人创造了水碾；公元220—300年间发明了用水轮带动的水磨。这些水力机械结构简单，制造容易，但缺点是笨重、出力小、效率低。1912年奥地利工程师V·卡普兰设计出第一台转桨轴流式水轮机，故称为卡普兰水轮机。其转轮叶片一般由装在转轮体内的油压接力器操作，可按水头和负荷变化作相应转动，以保持活动导叶转角和叶片转角间的最优配合，从而提高平均效率，这类水轮机的最高效率有的已超过94%。但是，这种水轮机需要一个操作叶片转动的机构，因而结构较复杂，造价较高，一般用于水头、出力均有较大变化幅度的大中型水电站。20世纪40-50年代又相继出现贯流式和斜流式水轮机，同时水轮机又发展为水泵水轮机，应用于抽水蓄能电站。[3][7][6]