水轮机（英文名：hydroturbine）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。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。按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。
早在公元前100年前后，中国就出现了筒车机的雏形——水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。公元220—300年间发明了用水轮带动的水磨。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。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。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。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。
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。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。
发展历程
早在公元前100年前后，中国就出现了筒车机的雏形——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。
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，其单机容量为315兆瓦，水头885米，转速为300转/分钟，于1980年投入运行。水头最高的水斗式水轮机装于奥地利的赖瑟克山电站，其单机功率为22.8兆瓦，转速750转/分钟，水头达1763.5米，1959年投入运行。80年代，世界上尺寸最大的转桨式水轮机是中国东方电机厂制造的，装在中国长江中游的葛洲坝电站，其单机功率为170兆瓦，水头为18.6米，转速为54.6转/分钟，转轮直径为11.3米，于1981年投入运行。世界上水头最高的转桨式水轮机装在意大利的那姆比亚电站，其水头为88.4米，单机功率为13.5兆瓦，转速为375转/分钟，于1959年投入运行。世界上水头最高的混流式水轮机装于奥地利的罗斯亥克电站，其水头为672米，单机功率为58.4兆瓦，于1967年投入运行。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。
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。2023年5月16日，中国首台150兆瓦级大型冲击式水轮机转轮在德阳市下线，该转轮由东方电气自主研制。该次下线的转轮用于四川省雅安市田湾河金窝水电站，计划6月初投入运行。同年6月7日，中国单机容量最大的冲击式水电机组完成国产化改造，成功并网发电。标志着东方电气自主研制的，具有全产业链完全自主知识产权的国产化首台150兆瓦级大型冲击式转轮，成功实现工程应用。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，这标志着中国在高水头、大容量冲击式水轮机组核心装备领域实现历史性突破。该转轮将应用于西藏扎拉水电站。扎拉水电站由大唐西藏能源开发有限公司建设，是国家“藏电外送”骨干工程和世界在建综合难度最大的冲击式水电项目，电站装机2台全球单机容量最大、技术难度最高的500兆瓦冲击式机组。该机组作为国家能源局能源领域首台（套）重大技术装备项目，具有高海拔、高水头、大容量等技术特点，是服务国家“加快西南水电基地建设”战略的主力机型。
结构组成
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。
水轮机主轴密封装设在水导轴承与转轮之间，是减少主轴与固定部件之间漏水的装置。所有机型的主轴密封结构及工作原理相似，都由工作密封和检修密封两部分组成。
水导轴承主要由轴承支架、水导瓦、轴瓦间隙调整装置、油封装置以及外循环冷却系统等组成，水导轴承的作用是承受水轮机主轴的径向载荷，控制主轴的摆度，维持机组轴线及旋转中心。
导水机构主要包括顶盖、底环、活动导叶、固定导叶、导叶轴承及密封、导叶传动机构等，活动导叶均布在座环与转轮之间的环形空间内，支撑在顶盖和底环上，并能绕自身的轴线旋转。导水机构的作用是当负荷变化时，调节水轮机的流量，以使水轮机保持固定不变的转速。通过导叶传动机构同时转动所有导叶，当导叶围绕自身的轴线旋转一个角度，即改变了导叶的开度，改变水流过流面积，使得水轮机的流量发生相应的变化。当机组需要停机时，关闭导叶，全部活动导叶首尾相接，关闭了水流进入转轮的通道，从而达到停机的目的。
顶盖和底环属于水轮机导水机构中重要的组成部分，作为水轮机的固定部分，水轮机中许多重要、精密的部件都要与之紧密连接，并以顶盖作为刚性支撑。顶盖的主要功能包括支撑活动导叶及导叶操作机构，安装固定止漏环，支撑水导轴承和主轴密封，安装水导轴承的冷却系统和主轴密封的管道系统。
固定导叶是机组座环的一部分，连通座环两端的环形结构，起到支撑机组转动部分和发电机重量的作用，并将载荷转递到基础上，不能改变蜗壳所形成的水流环量。固定导叶为整铸不锈钢结构。
导叶传动机构由控制环、连板、偏心销、剪断销（ALSTOM公司和哈电机组为拉断销）、拐臂、膨胀销等零部件组成。控制环嵌套在顶盖的导向环上，通过双连板和接力器推拉杆连接，通过连杆和导叶拐臂连接，导叶拐臂与导叶之间通过2个锥销和膨胀销套传递操作力矩。调速系统动作时，接力器带动控制环作圆周运动，控制环带动每个导叶转动，通过控制环将接力器的控制力均匀分配给每一个导叶，保证所有导叶的准确位置和同步性。
工作原理
反击式水轮机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。
主要类型
水轮机按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。
冲击式水轮机
冲击式水轮机按射流冲击转轮的方式不同分为水斗式、斜击式和双击式三种机型。水斗式是应用较广泛的一种冲击式水轮机，适用于高水头、小流量的电站。小型水斗式水轮机水头范围在100～300米，出力在2000千瓦以下，大型水斗式水轮机可用于水头高达700米以上的水电站。水斗式水轮机习惯又称冲击式水轮机。斜击式和双击式水轮机结构简单便于制造，但效率较低，多用在出力很小的乡村小电站。与反击式水轮机相比，冲击式水轮机中的水流是以射流的形式冲击作用转轮的，从而使转轮输出机械力矩。冲击式水轮机的轴承、主轴和飞轮的结构形式与反击式水轮机基本相同。中小型冲击式水轮机的转轮一般都位于下游水位以上的空气中，转轮到下游水位这段位置水头无法利用。
双击式水轮机
双击式水轮机工作时，喷嘴将压力水管的高速水流喷射到转轮上部叶片，对叶片进行第一次冲击，大约70%～80%的水能转换为机械能。然后，水流穿过转轮中心，进入转轮下部，再对下部叶片进行第二次冲击，剩下的水流能量再转化为机械能，最后水流从转轮下部叶片流出外圆柱面落入尾水渠中。“双击”表示水流二次流经叶片，因此，这种水轮机叫双击式水轮机（图7-10）。其适用于水头5～80米，出力较小的场合。双击式水轮机效率很低，但制造容易，转轮叶片叶型简单，一般只用在小型机组中。双击式水轮机的转轮由两个圆盘和一定数量的叶片组成。叶片形状为圆弧形或渐开线形，后者效率较高，但制造工艺复杂。水轮机的效率与叶片数量有关，在一定范围内，叶片越多效率越高，负荷变化时影响效率变化也越小，叶片一般采用24片。为了减少水轮机主轴穿过转轮中心所造成的水能损失，目前常采用分段主轴，分段主轴在圆盘两端通过法兰与主轴连接，从而避免了主轴穿过转轮中心，提高了水轮机的效率。双击式水轮机的过流量，主要与转轮宽度有关，可按照流量的变化选定相应的转轮宽度。因此，转轮的直径和转速，可在较大的范围内进行选择，这样就能制造直径小、转速高、成本低的双击式水轮机。
水斗式水轮机
水斗式水轮机主要由喷嘴、喷针、转轮、折向器、机壳和尾水渠等部件组成。核心部件转轮由轮盘、轮毂和均布在轮毂四周的水斗组成。水斗为并列双椭圆体的表面，由喷嘴形成的射流冲击水斗，从而推动转轮主轴转动输出旋转机械能。最高效率略低于混流式，部分负荷时高效范围较宽。结构简单、维修方便，但制造工艺有较高要求。卧轴机组可单轮或双轮带动一台发电机，转轮可用单喷嘴或双喷嘴驱动；立轴机组喷嘴数最多为6个。大型的适用水头为300~1700m，最大水头已达1767m，最大单机容量已达315MW；小型水斗武水轮机的适用水头为40~250m。
斜击式水轮机
斜击式水轮机主要由喷嘴和转轮等组成。转轮由外轮圈、内轮毂和其间所固定的若干单碗形斗叶组成。喷嘴射流以22.5°的角度斜冲转轮正面的叶片后从背面流出。结构简单、造价低廉，但效率低。仅应用于小型电站。适用水头为20~100m。
反击式水轮机
反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。各种类型的反击式水轮机都设有进水装置，大、中型立轴反击式水轮机的进水装置一般由蜗壳、固定导叶和活动导叶组成。蜗壳的作用是把水流均匀分布到转轮周围。当水头在40米以下时，水轮机的蜗壳常用钢筋混凝土在现场浇注而成；水头高于40米时，则常采用拼焊或整铸的金属蜗壳。
在反击式水轮机中，水流充满整个转轮流道，全部叶片同时受到水流的作用，所以在同样的水头下，转轮直径小于冲击式水轮机。它们的最高效率也高于冲击式水轮机，但当负荷变化时，水轮机的效率受到不同程度的影响。反击式水轮机都设有尾水管，其作用是：回收转轮出口处水流的动能；把水流排向下游；当转轮的安装位置高于下游水位时，将此势能转化为压力能予以回收。对于低水头大流量的水轮机，转轮的出口动能相对较大，尾水管的回收性能对水轮机的效率有显著影响。
轴流式水轮机
轴流式水轮机适用于较低水头的电站。在相同水头下，其比转数较混流式水轮机为高。轴流定桨式水轮机的叶片固定在转轮体上，叶片安放角不能在运行中改变，效率曲线较陡，适用于负荷变化小或可以用调整机组运行台数来适应负荷变化的电站。轴流转桨式水轮机是奥地利工程师卡普兰在1920年发明的，故又称卡普兰水轮机。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%。
贯流式水轮机
贯流式水轮机的导叶和转轮间的水流基本上无变向流动，加上采用直锥形尾水管，排流不必在尾水管中转弯，所以效率高，过流能力大，比转数高，特别适用于水头为3~20米的低水头电站。这种水轮机装在潮汐电站内还可以实现双向发电。这种水轮机有多种结构，使用最多的是灯泡式水轮机。灯泡式机组的发电机装在水密的灯泡体内。其转轮既可以设计成定桨式，也可以设计成转桨式。世界上最大的灯泡式水轮机（转桨式）装在美国的罗克岛第二电站，水头12.1米，转速为85.7转/分，转轮直径为7.4米，单机功率为54兆瓦，于1978年投入运行。
混流式水轮机
混流式水轮机是世界上使用较广泛的一种水轮机，由美国工程师弗朗西斯于1849年发明，故又称弗朗西斯水轮机。与轴流转桨式相比，其结构较简单，最高效率也比轴流式的高，但在水头和负荷变化大时，平均效率比轴流转桨式的低，这类水轮机的最高效率有的已超过95%。混流式水轮机适用的水头范围很宽，为5～700米，但采用最多的是40～300米。混流式的转轮一般用低碳钢或低合金钢铸件，或者采用铸焊结构。为提高抗汽蚀和抗泥沙磨损性能，可在易气蚀部位堆焊不锈钢，或采用不锈钢叶片，有时也可整个转轮采用不锈钢。采用铸焊结构能降低成本，并使流道尺寸更精确，流道表面更光滑，有利于提高水轮机的效率，还可以分别用不同材料制造叶片、上冠和下环。
斜流式水轮机
斜流式水轮机是瑞士工程师德里亚于1956年发明，故又称德里亚水轮机。其叶片倾斜的装在转轮体上，随着水头和负荷的变化，转轮体内的油压接力器操作叶片绕其轴线相应转动。它的最高效率稍低于混流式水轮机，但平均效率大大高于混流式水轮机；与轴流转桨水轮机相比，抗气蚀性能较好，飞逸转速较低，适用于40～120米水头。由于斜流式水轮机结构复杂、造价高，一般只在不宜使用混流式或轴流式水轮机，或不够理想时才采用。这种水轮机还可用作可逆式水泵水轮机。当它在水泵工况启动时，转轮叶片可关闭成近于封闭的圆锥因而能减小电动机的启动负荷。世界上容量最大的斜流式水轮机装于苏联的洁雅电站，单机功率为215兆瓦，水头为78.5米。水泵水轮机主要用于抽水蓄能电站。在电力系统负荷低于基本负荷时，它可用作水泵，利用多余发电能力，从下游水库抽水到上游水库，以势能形式蓄存能量；在系统负荷高于基本负荷时，可用作水轮机，发出电力以调节高峰负荷。因此，纯抽水蓄能电站并不能增加电力系统的电量，但可以改善火力发电机组的运行经济性，提高电力系统的总效率。50年代以来，抽水蓄能机组在世界各国受到普遍重视并获得迅速发展。
工作参数
水头
水头是指水流集中起来的落差，即水电站上、下游水位之间的高度差，现用H0表示，单位是m。作用在水电站水轮机的工作水头H（或称静水头）还要从总水头H。中扣除水流进入水闸、拦污栅、管道、弯头和闸阀等所造成的水头损失h1，以及从水轮机出来，与下游接驳的水位降h2，即H=H0-h1-h2。总水头（H0）也称毛水头；工作水头H表示单位重量的水体为水轮机提供的能量值。水电站的上游水位为水库水位（或前池水位）。
流量
流量是指单位时间通过水轮机水体的容积，单位是立方米/s，常用Q表示。一般取枯水季节河道流量的1～2倍作为水电站的设计流量。
出力
出力是指水轮机轴输出的机械功率，即水轮机的出力。单位常用kW。
功率
水电站功率（也称出力）的理论值，等于每秒钟通过筒车机水的重量与水轮的工作水头的乘积。水电站的实际功率是理论功率与发电机组效率之积。小水电站的机组效率为60%~80%；而大型水电站的机组效率为80%~90%。现代大型水轮机组的最高效率可达90％～95%。“水电站装机容量”是指水电站中全部发电机组的铭牌容量的总和，也就是水电站的最大发电功率。水电站年发电量的单位是kWh，它等于电站内各发电机组年发电量的总和；每台发电机组的年发电量值，是它的实际发电功率（出力）与一年内运行小时数的乘积。
比转速
比转速可理解为水轮机在1m工作水头下运转（并处于最优工况），恰好发出1kW功率的转轮转速。它是一个与水轮机直径（大小）无关的参数；反映出水轮机的转速、水头和输出功率之间的关系；同一类型的水轮机，当满足相似条件时，其比转速为常数，因此可用它来代表同系列水轮机的特征。不同类型的水轮机比转速值各不相同，随着水轮机适应的水头愈高，它的比转速值愈小。
水轮机牌号
在中国规定，水轮机牌号由三部分组成，每一部分之间用“一”分开。第一部分由汉语拼音字母和阿拉伯数字组成，前者表示水轮机型式，后者表示转轮型号。第二部分由两个汉语拼音字母组成，前一个表示水轮机主轴布置型式，后一个表示引水室特征。第三部分是以厘米为单位的转轮标称直径。
标准规范
在中国，2020年6月，国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布了《水轮机基本技术条件》，标准号：GB/T 15468-2020。2025年2月，国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会发布了《大中型水轮机进水阀门基本技术规范》，标准号为：GB/T 14478-2025，规范于2025年9月1日实施，该规划中国标准分类号（CCS）为K55；国际标准分类号（ICS）为27.140。
应用现状
截至2021年，水轮机是水电站中最重要的工作部件，它通过水流的冲击产生旋转带动发电机旋转发电。截至2022年，欧洲的趋势倾向于在水头高度达500m时，使用脉冲式水轮机，其性能基本上高达1%~2%；但在瀑布下使用这种类型的水轮机会引起机械问题。虑到在开发资源中的弹性操作，美国的趋势倾向于在任何超过300m的瀑布下，使用反作用式水轮机。但水轮机和发电机的成本会增加，因为在小瀑布下，水流速度低，反作用式水轮机和发电机的直径均需增加。