水輪機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。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，推動水輪機轉輪 >旋轉，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。
??????? 水輪機的分類
??????? 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。 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%。
??????? 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(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，將此位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
??????? 　　適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉數(shù)較混流式水輪機為高。
??????? 　　軸流定槳式水輪機>的葉片固定在轉輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運行中改變，結構簡單，效率較低，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。一般安裝高度在3-80m。其轉輪葉片一般由裝在轉輪體內(nèi)的油壓接力器操作，可按水頭和負荷變化作相應轉動，以保持活動導葉轉角和葉片轉角間的最優(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%。典型例子就是葛洲壩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(shù)高，特別適用于水頭為3～20米的低水頭小型河床電站。 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)。其轉輪既可以設計成定槳式，也可以設計成轉槳式。其中又可以細分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機(轉槳式半貫流)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
??????? 　　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。與軸流轉槳式相比，其結構較簡單，運行穩(wěn)定，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%?；炝魇剿啓C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(huán)。典型例子是我國的劉家峽。
??????? 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輪體上，隨著水頭和負荷的變化，轉輪體內(nèi)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。
??????? 基本概念和發(fā)展史
??????? 　水輪機是一種將水能轉換為機械能的動力機械。在大多數(shù)情況下，將這種機械能通過發(fā)電機轉換為電能，因此水輪機是為水能利用和發(fā)電服務的。
??????? 　　水是人類在生活和生產(chǎn)中能依賴的最重要的自然資源之一，我們的祖先很早以前就和洪水開展了斗爭并學會了利用水能。公園前二千多年的大禹治水，至今還為人們所稱頌。公元37年中國人發(fā)明了用水輪帶動的鼓風設備-水排，公元260-270年中國人創(chuàng)造了水碾，公元220-300年間發(fā)明了用水輪帶動的水磨，這些水力機械結構簡單，制造容易。缺點是笨重、出力小、效率低。真正大規(guī)模地對水力資源合理開發(fā)和利用，是在近代工業(yè)發(fā)展和有關發(fā)電、航運等技術發(fā)展以后。
??????? 　　水利資源的綜合開發(fā)和利用，是指通過修建水利樞紐工程來進行對河流水力資源在防洪、灌溉、航運、發(fā)電以及水產(chǎn)等發(fā)明的綜合利用。
??????? 　　我國的水電發(fā)展設備事業(yè)也是在新中國成立以后才有了蓬勃發(fā)展，1975年我國還只能自行設計制造7.5萬千瓦的新安江水電站，到現(xiàn)在我國已能自行設計制造單機容量70萬千瓦的混流式水輪機發(fā)電機組及單機容量17萬千瓦的軸流轉槳式水輪發(fā)電機組。現(xiàn)在，我國的水力設備的設計、制造水平已達到世界先進水平。我國設計、制造的水力發(fā)電設備遠銷到美國、加拿大、菲律賓、土耳其、南斯拉夫、越南等國，受到了這些國家的歡迎。
??????? 五．水輪機常見事故、危險源分析
??????? 在水電安全管理工作中，機械設備安全管理占有極其重要地位，是安全管理的重要組成部分近年來，隨著水利水電施工的不斷發(fā)展和要求，機械化程度越來越高，機械的種類、數(shù)量在不斷增加，設備安全管理力度也應增大。特別是工程施工中，機械傷人事故時有發(fā)生。機械事故也屢見不鮮，給企業(yè)和員工的財產(chǎn)造成巨大損失。
??????? 7 d3 k0 U0 @) U6 T! x, U. c由于水輪機發(fā)電機組的結構比較復雜，有機械部分、電氣部分以及油、氣、水系統(tǒng)，它受系統(tǒng)和用戶運行方式的影響，還受天氣等自然條件影響。容易發(fā)生故障或者不正常運行狀態(tài)。某一次故障可能是一種偶然情況，但對整個機組運行來說又是一種必然事件。運行人員應從思想、技術、組織等各個方面做好充分準備。
??????? % A& ?$ R4 J# g; q$ ?（1）運行人員平時應加強理論學習，盡可能掌握管轄設備的工作原理和運行性能。
??????? & _4 B+ u- ^9 Q" T' H/ i（2）運行人員應熟悉各設備安裝為止，各切換開關、切換片位置。
??????? . O) x) q. [" @2 Z' k7 I$ T$ T（3）運行班組應針對各種主要故障制定事故處理預案并落實到人。3
??????? （4）運行現(xiàn)場應準備必要的安全防護用具及應急工具。
??????? （5）運行人員應由臨危不亂沉著應對的心理素質(zhì)。
??????? 水輪機常見事故、危險源分析
??????? 1 機組過速
??????? 　　機組帶負荷運行中突然甩負荷時，由于導葉不能瞬時關閉，在導葉關閉的過程中水輪機 的轉速就可能增高20%~40%，甚至更高。當機組轉速升高至某一定值（其整定值由機組的轉動慣量而定，一般整定為140%額定轉速）以上，則機組出現(xiàn)過速事故。由于轉速的升高，機組轉動部分離心力急劇增大，引起機組擺度與振動顯著增大，甚至造成轉動部分與固定部分的碰撞。所以應防止機組過速。
??????? 　　為了防止機組發(fā)生過速事故，目前多數(shù)電站是設置過速限制器、事故電磁閥或事故油泵，并裝設水輪機主閥或快速閘門。這些裝置都通過機組事故保護回路自動控制。
??????? 機組發(fā)生過速時的現(xiàn)象有?
??????? 　 （1）機組噪音明顯增大。
??????? 　 （2）發(fā)電機的負荷表指示為零，電壓表指示升高（過電壓保護可能動作）。
??????? 　 （3）“水力機械事故”光字牌亮，過速保護動作，出現(xiàn)事故停機現(xiàn)象。
??????? 　???? （4）過速限制器動作，水輪機>主閥（或快速閘門）全開位置紅燈熄滅（即正在關閉過程）若過速保護采用事故油泵，則事故油泵起動泵油，關閉導水葉。