水輪機(jī)是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械 >，它屬于流體機(jī)械中的透平機(jī)械。早在公元前100年前后，中國(guó) 就出現(xiàn)了水輪機(jī)的雛形--水輪，用于提灌和驅(qū)動(dòng)糧食加工器械?，F(xiàn)代水輪機(jī)則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī) 發(fā)電。在水電站中，上游水庫(kù) 中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪 >旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的水則通過(guò)尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大。
??????? 水輪機(jī)的分類(lèi)
??????? 水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī) <兩大類(lèi)。沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪 受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中水流的壓力不變，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中水流的壓力能和動(dòng)能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。
??????? 沖擊式水輪機(jī)
??????? 沖擊式水輪機(jī)按水流的流向可分為切擊式(又稱(chēng)水斗式)和斜擊式兩類(lèi)。斜擊式水 輪機(jī)的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機(jī)基本相同，只是射流方向有一個(gè)傾角，只用于小型機(jī)組。 理論分析證明，當(dāng)水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時(shí)，效率最高。這種水輪機(jī)在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)輪的進(jìn)水速度方向不變，加之這類(lèi)水輪機(jī)都用于高水頭電站，水頭變化相對(duì)較小，速度變化不大，因而效率受負(fù)荷變化的影響較小，效率曲線(xiàn) 比較平緩，最高效率超過(guò)91%。
??????? 反擊式水輪機(jī)
??????? 　　反擊式水輪機(jī)可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉，軸向進(jìn)入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機(jī)中，水流徑向進(jìn)入導(dǎo)葉而以?xún)A斜于主軸某一角度的方向流進(jìn)轉(zhuǎn)輪，或以?xún)A斜于主軸的方向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機(jī) >中，水流沿軸向流進(jìn)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。
??????? 軸流式、貫流式和斜流式水輪機(jī)按其結(jié)構(gòu)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(yùn)行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以適應(yīng)水頭和負(fù)荷的變化。
??????? 　　各種類(lèi)型的反擊式水輪機(jī)都設(shè)有進(jìn)水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機(jī)的進(jìn)水裝置一般由蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周?chē)．?dāng)水頭在40米以下時(shí)，水輪機(jī)的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場(chǎng)澆注而成；水頭高于40米時(shí)，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。
??????? 　　在反擊式水輪機(jī)中，水流充滿(mǎn)整個(gè)轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時(shí)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(jī)。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機(jī)，但當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，水輪機(jī)的效率受到不同程度的影響。 反擊式水輪機(jī)都設(shè)有尾水管，其作用是：回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動(dòng)能；把水流排向下游；當(dāng)轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時(shí)，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對(duì)于低水頭大流量的水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪的出口動(dòng)能相對(duì)較大，尾水管的回收性能對(duì)水輪機(jī)的效率有顯著影響。
??????? 軸流式水輪機(jī)
??????? 　　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(jī)為高。
??????? 　　軸流定槳式水輪機(jī)>的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運(yùn)行中改變，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率較低，適用于負(fù)荷變化小或可以用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)來(lái)適應(yīng)負(fù)荷變化的電站。
??????? 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是奧地利工程師卡普蘭 >在1920年發(fā)明的，故又稱(chēng)卡普蘭水輪機(jī)。一般安裝高度在3-80m。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(fù)荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保持活動(dòng)導(dǎo)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(lèi)水輪機(jī)的最高效率有的已超過(guò)94%。典型例子就是葛洲壩的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無(wú)變向流動(dòng)，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(guò)流能力大，比轉(zhuǎn)數(shù)高，特別適用于水頭為3～20米的低水頭小型河床電站。 這種水輪機(jī)裝在潮汐電站內(nèi)還可以實(shí)現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機(jī)有多種結(jié)構(gòu)，使用最多的是燈泡式水輪機(jī)。
??????? 燈泡式機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計(jì)成定槳式，也可以設(shè)計(jì)成轉(zhuǎn)槳式。其中又可以細(xì)分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機(jī)(轉(zhuǎn)槳式半貫流)裝在美國(guó)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(jī)功率為54兆瓦，于1978年投入運(yùn)行。
??????? 混流式水輪機(jī)
??????? 　　是世界上使用最廣泛的一種水輪機(jī)，由美國(guó)工程師弗朗西斯 于1849年發(fā)明，故又稱(chēng)弗朗西斯水輪機(jī)。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負(fù)荷變化大時(shí)，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類(lèi)水輪機(jī)的最高效率有的已超過(guò)95%?；炝魇剿啓C(jī)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(jié)構(gòu)。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(shí)也可整個(gè)轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)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(jī)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(guó)的劉家峽。
??????? 斜流式水輪機(jī)
??????? 　　是瑞士 工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱(chēng)德里亞水輪機(jī)。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上，隨著水頭和負(fù)荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線(xiàn)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。它的最高效率稍低于混流式水輪機(jī)，但平均效率大大高于混流式水輪機(jī)；與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)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(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機(jī)，或不夠理想時(shí)才采用。這種水輪機(jī)還可用作可逆式水泵水輪機(jī)。當(dāng)它在水泵工況 啟動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)負(fù)荷。
??????? 基本概念和發(fā)展史
??????? 　水輪機(jī)是一種將水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的動(dòng)力機(jī)械。在大多數(shù)情況下，將這種機(jī)械能通過(guò)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能，因此水輪機(jī)是為水能利用和發(fā)電服務(wù)的。
??????? 　　水是人類(lèi)在生活和生產(chǎn)中能依賴(lài)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(kāi)展了斗爭(zhēng)并學(xué)會(huì)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(chēng)頌。公元37年中國(guó)人發(fā)明了用水輪帶動(dòng)的鼓風(fēng)設(shè)備-水排，公元260-270年中國(guó)人創(chuàng)造了水碾，公元220-300年間發(fā)明了用水輪帶動(dòng)的水磨，這些水力機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易。缺點(diǎn)是笨重、出力小、效率低。真正大規(guī)模地對(duì)水力資源合理開(kāi)發(fā)和利用，是在近代工業(yè)發(fā)展和有關(guān)發(fā)電、航運(yùn)等技術(shù)發(fā)展以后。
??????? 　　水利資源的綜合開(kāi)發(fā)和利用，是指通過(guò)修建水利樞紐工程來(lái)進(jìn)行對(duì)河流水力資源在防洪、灌溉、航運(yùn)、發(fā)電以及水產(chǎn)等發(fā)明的綜合利用。
??????? 　　我國(guó)的水電發(fā)展設(shè)備事業(yè)也是在新中國(guó)成立以后才有了蓬勃發(fā)展，1975年我國(guó)還只能自行設(shè)計(jì)制造7.5萬(wàn)千瓦的新安江水電站，到現(xiàn)在我國(guó)已能自行設(shè)計(jì)制造單機(jī)容量70萬(wàn)千瓦的混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及單機(jī)容量17萬(wàn)千瓦的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組?，F(xiàn)在，我國(guó)的水力設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造水平已達(dá)到世界先進(jìn)水平。我國(guó)設(shè)計(jì)、制造的水力發(fā)電設(shè)備遠(yuǎn)銷(xiāo)到美國(guó)、加拿大、菲律賓、土耳其、南斯拉夫、越南等國(guó)，受到了這些國(guó)家的歡迎。
??????? 五．水輪機(jī)常見(jiàn)事故、危險(xiǎn)源分析
??????? 在水電安全管理工作中，機(jī)械設(shè)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(lái)，隨著水利水電施工的不斷發(fā)展和要求，機(jī)械化程度越來(lái)越高，機(jī)械的種類(lèi)、數(shù)量在不斷增加，設(shè)備安全管理力度也應(yīng)增大。特別是工程施工中，機(jī)械傷人事故時(shí)有發(fā)生。機(jī)械事故也屢見(jiàn)不鮮，給企業(yè)和員工的財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。
??????? 7 d3 k0 U0 @) U6 T! x, U. c由于水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有機(jī)械部分、電氣部分以及油、氣、水系統(tǒng)，它受系統(tǒng)和用戶(hù)運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)。某一次故障可能是一種偶然情況，但對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行來(lái)說(shuō)又是一種必然事件。運(yùn)行人員應(yīng)從思想、技術(shù)、組織等各個(gè)方面做好充分準(zhǔn)備。
??????? % A& ?$ R4 J# g; q$ ?（1）運(yùn)行人員平時(shí)應(yīng)加強(qiáng)理論學(xué)習(xí)，盡可能掌握管轄設(shè)備的工作原理和運(yùn)行性能。
??????? & _4 B+ u- ^9 Q" T' H/ i（2）運(yùn)行人員應(yīng)熟悉各設(shè)備安裝為止，各切換開(kāi)關(guān)、切換片位置。
??????? . O) x) q. [" @2 Z' k7 I$ T$ T（3）運(yùn)行班組應(yīng)針對(duì)各種主要故障制定事故處理預(yù)案并落實(shí)到人。3
??????? （4）運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)準(zhǔn)備必要的安全防護(hù)用具及應(yīng)急工具。
??????? （5）運(yùn)行人員應(yīng)由臨危不亂沉著應(yīng)對(duì)的心理素質(zhì)。
??????? 水輪機(jī)常見(jiàn)事故、危險(xiǎn)源分析
??????? 1 機(jī)組過(guò)速
??????? 　　機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行中突然甩負(fù)荷時(shí)，由于導(dǎo)葉不能瞬時(shí)關(guān)閉，在導(dǎo)葉關(guān)閉的過(guò)程中水輪機(jī) 的轉(zhuǎn)速就可能增高20%~40%，甚至更高。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升高至某一定值（其整定值由機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量而定，一般整定為140%額定轉(zhuǎn)速）以上，則機(jī)組出現(xiàn)過(guò)速事故。由于轉(zhuǎn)速的升高，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分離心力急劇增大，引起機(jī)組擺度與振動(dòng)顯著增大，甚至造成轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分的碰撞。所以應(yīng)防止機(jī)組過(guò)速。
??????? 　　為了防止機(jī)組發(fā)生過(guò)速事故，目前多數(shù)電站是設(shè)置過(guò)速限制器、事故電磁閥或事故油泵，并裝設(shè)水輪機(jī)主閥或快速閘門(mén)。這些裝置都通過(guò)機(jī)組事故保護(hù)回路自動(dòng)控制。
??????? 機(jī)組發(fā)生過(guò)速時(shí)的現(xiàn)象有?
??????? 　 （1）機(jī)組噪音明顯增大。
??????? 　 （2）發(fā)電機(jī)的負(fù)荷表指示為零，電壓表指示升高（過(guò)電壓保護(hù)可能動(dòng)作）。
??????? 　 （3）“水力機(jī)械事故”光字牌亮，過(guò)速保護(hù)動(dòng)作，出現(xiàn)事故停機(jī)現(xiàn)象。
??????? 　???? （4）過(guò)速限制器動(dòng)作，水輪機(jī)>主閥（或快速閘門(mén)）全開(kāi)位置紅燈熄滅（即正在關(guān)閉過(guò)程）若過(guò)速保護(hù)采用事故油泵，則事故油泵起動(dòng)泵油，關(guān)閉導(dǎo)水葉。