将水能转变为旋转机械能的水力原动机。现代水轮机分为反击式和冲击式两大类。转换能量的主要工作部件是转轮。在转轮内主要利用水的位能和压能的水轮机，称为反击式水轮机。反击式水轮机又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等。在转轮内主要利用水的动能的水轮机，称为冲击式水轮机。水流具有自由表面。根据转轮的进水特征，冲击式水轮机又分为水斗式、斜击式和双击式等。

发展概况 最古老的水力原动机是水轮。中国在2000多年前出现了水碓，用水轮驱动碾米，代替人力舂米。世界上第一台反击式水轮机是由法国工程师富聂隆（Fourneyron）于1827年发明的。这台水轮机的功率为6马力。1849年美国工程师法兰西斯（J.B.Francis）发明了混流式水轮机。1884年美国工程师培尔顿（L.A.Pelton）发明了水斗式水轮机。1913年捷克工程师卡普兰（V.Kaplan）发明了轴流转桨式水轮机。混流式、轴流转桨式和水斗式水轮机是在水力发电中广泛应用的水轮机。轴流定桨式水轮机在小型水电站中用得较多，图1为水轮机基本类型的示意图。可逆式水泵—水轮机，是一种既能用水泵工况运行、又能以水轮机工况运行的水力机械。它是水力机械的一个重要发展。已广泛应用于抽水蓄能电站和潮汐电站上。近年来，可逆斜流式水泵—水轮机的发展更快。世界上第一台可逆斜流式水泵—水轮机（水头18～27米，容量3.4万千瓦），是英国电气公司在1957年制造的，它安装在加拿大的亚当·别克二级（SirAdam Beck No.2）电站上。目前该型水泵—水轮机的应用水头已扩展到200米。中国在1974年颁发了反击式水轮机暂行系列型谱。中国长江葛洲坝水利枢纽安装的水轮机为世界上最大的轴流转桨式水轮机之一。该水轮机参数如下：容量17.55万千瓦；水头8.3～27米；标称直径11.3米；过水能力1130米³/秒。中国对于多泥沙河流上水电站的水轮机受泥沙磨损的防治措施特别重视。

转轮叶片设计 转轮叶片的形状尺寸的设计，必须根据水轮机基本方程：

水轮机

式中 H为水轮机的工作水头（米）；U₁和U₂为转轮进出口的圆周速度（米/秒）：V₁和V₂为转轮进、出口的绝对流速（米/秒）；α₁和α₂为绝对流速与圆周切向之间的夹角（度）；g为重力加速度（米/秒²）；η_n为水轮机的水力效率。

水轮机还有机械损失和容积损失，所以水轮机的总效率为η＝η_h·η_m·η_v。式中η_m为机械效率，η_v为容积积效率。水轮机几何尺寸的大小，用转轮的标称直径D₁表示。转轮及其通流部分几何相似的若干个大小不同的水轮机组成一个轮系。要决定同一轮系的一个水轮机的必需参数，可以用相似公式换算。每一水轮机轮系用比转速n_s来表征。比转速是同轮系的某一尺寸的水轮机在1米水头下发出1马力功率时的水轮机轴的转速。选择水轮机时，比转速n_s是一个重要参数，应全面考虑以下情况：在给定的水头和功率下，比转速愈大，则轴的转速愈大，而发电机在转速增大时造价降低，因此采用比转速大的水轮机是有利的。但要考虑到反击式水轮机中出现汽蚀现象，易引起机组振动、效率降低及材料损坏。

图1 水轮机的基本类型示意图

图2 混流式水轮机示意图

图3 混流式水轮机的综合特性曲线

反击式水轮机的主要部件有蜗壳、导水机构、转轮和尾水管等。图2为混流式水轮机的示意图。冲击式水轮机的主要部件有喷嘴、转轮和机壳等。

图4 水轮机的运转特性曲线

水轮机特性 表征水轮机的各参数间关系的曲线，称为水轮机特性曲线。水轮机的工作性能用模型水轮机的综合特性曲线和原型水轮机的运转特性曲线表示。综合特性曲线（图3）由模型试验取得。在综合特性曲线上，横坐标表示单位流量Q_i（升/秒）；纵坐标表示单位转速n_i（转/分）。在该图上绘出了效率η等值线、汽蚀系数σ等值线、导叶开度α等值线及出力限制线1。运转特性曲线（图4）是由综合特性曲线换算得出的。它表示原型水轮机效率η与出力N、水头H之间的关系（当水轮机转速为常数时）通常还标示出力限制线和允许吸出高H_s等值线。

各种类型水轮机的适用条件如下表所示（见下页）。

发展趋势 增大单机容量；提高比转速，扩大每一型号的水轮机的水头应用范围；改进及研究新型号；采用高强度材料，提高水轮机设备的质量、可靠性及耐久性等。

附表

附表（续）-1