水轮机的工作原理

　　水轮机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。

　　冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。斜击式水轮机的结构与水斗式水轮机基本相同，只是射流方向有一个倾角，只用于小型机组。

　　早期的冲击式水轮机的水流在冲击叶片时，动能损失很大，效率不高。1889年，美国工程师佩尔顿发明了水斗式水轮机，它有流线型的收缩喷嘴，能把水流能量高效率地转变为高速射流的动能。

　　理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91％。

　　不论何种类型的水轮机均系利用水流的能量给叶片的反力推动转轮作功，以达到能量转换的目的。水流传递给水轮机的功率为9.81，其中Q为通过水轮机的流量；H为有效水头;为水轮机水力效率。水轮机得到的功率为M（M为水流对转轮的作用力矩,为角速度）。水轮机基本方程式为： Hηs = 1/g(u1v1cosa1-u2v2cosa2)　　式中g为重力加速度；v1、v2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度；u1、u2分别为转轮进口、出口的旋转速度；a1、a2分别为水流进入和流出转轮时的绝对速度与圆周分速度的夹角。在设计水轮机转轮的通流部分时应遵循这一基本方程式。　　反击式水轮机利用水流的压能（位能）和动能，水流经过转轮叶片时受叶片的作用而改变压力与流速的大小和方向，而对转轮叶片产生反作用，形成转轮的旋转力矩使水轮机工作。冲击式水轮机利用水流的动能，通过喷嘴把高压水流全部转化为动能以高速射向转轮叶片而使转轮旋转。