簡述
水輪機是将水流能量轉換為旋轉機械能量的動力設備，它帶動發電機旋轉産生電能。水輪機和發電機連在一起稱為水輪發電機組。
水輪發電機組是水電站的核心設備。為監測、控制和保證水輪發電機組正常運行，做到安全可靠、經濟高效，在水電站安裝了一整套附屬設備系統，如快速閘門、透平油系統、壓縮空氣系統、供排水系統和自動化設備（自動勵磁裝置、調速器、水輪機自動控制系統和自動化元件等）。随着現代化計算機技術的不斷發展和廣泛應用，水電站綜合自動化水平也不斷提高，許多大中型水電站已經采用計算機監控，實現無人值班（少人值守），水電站的機電、控制設備很多，限于篇幅。
類型
按照水輪發電機組的布置方式不同，有立式、卧式和斜式三種。卧式（即橫軸）裝置的水輪發電機組，大多數适用于小型機組以及部分中型水鬥式機組；斜式裝置的水輪發電機組，主要适用于明槽貫流式、虹吸貫流式機組以及低水頭的其他型式的小型水輪發電機組；而中速和低速大、中型水輪發電機組絕大多數采用立式（豎軸）裝置方式。農村小型水電站的水輪發電機組經常通過齒輪、摩擦輪和皮帶傳動實現水輪機主軸和發電機主軸之間的連接，而大多數水輪發電機組采用水輪機主軸和發電機主軸直接連接的裝置形式。
水輪發電機的型号，是水輪發電機的類型和特點的簡明标志。我國采用漢語拼音标注法。例如SF225-48/12640，“SF”表示立式空冷水輪發電機；“225”表示水輪發電機的額定有功功率為225MW；“48”表示水輪發電機的磁極個數；“12640”表示發電機定子鐵芯外徑為12640mm。此外，“SFW”表示卧式空冷水輪發電機，“SFG”表示貫流空冷水輪發電機，“SFD”表示立式空冷水輪發電-電動機。
組成
水輪機是水輪發電機組的動力設備。水庫的水經壓力引水鋼管至主閥進入水輪機，經轉輪能量轉換後的尾水通過尾水管或尾水槽排洩至下遊。
水輪發電機是水輪發電機組的發電設備。發電機由轉子和定子組成，定子支架上有主引出電纜，發出的電流經過電纜進入母線。為了防止發電運行時水輪發電機的溫度過高，發電機設有通風冷卻措施。
為了建立發電過程中的旋轉磁場，機組配置永磁機提供磁源，由勵磁系統向發電機提供勵磁電流。水輪機主軸和發電機主軸之間的扭矩傳遞，不同的機組有不同的連接方式。小型機組中的容量較大者采用直接連接，即通過主軸法蘭用螺栓連接；單機容量低于400kw以下的機組則采用間接連接，如齒輪、摩擦輪和皮帶傳動等。
為了維持機組的正常運轉，需在基礎與主軸之間設置支承即導軸承，用來承受主軸的徑向力和軸向力，并采用潤滑措施減少主軸與軸承之間的摩擦，降低磨損，提高能量利用。水輪發電機組的軸承系統布置各不相同，承受軸向力的徑向推力軸承位置決定了機組結構布置型式。
水輪發電機組的支承系統，均設置相應的潤滑冷卻系統，嚴格控制軸瓦的溫度，保證機組正常運行。
為了防止在機組停機時低速運轉會燒壞軸瓦，需設置制動裝置通入壓縮空氣進行刹車制動。
調速器是水輪發電機組的控制設備。當用戶負荷發生變化時，給調速器輸入轉速或頻率變化信号，通過調速器操作帶動接力器改變導葉開度，實現進入水輪機流量和機組出力的改變，達到與用戶負荷新的平衡。調速器的工作方式有自動和手動兩種，小型水電站大多數采用手動運行方式。
安裝
水輪發電機組是由水輪機及受其驅動的發電機組成，用來将水體機械能轉換為電能的一套機器。水電站水輪發電機組的安裝是機組投産的一項關鍵工作，安裝質量的好壞，直接關系到将來電站的安全經濟運行。
(一)安裝常用的起重機具
水輪發電機安裝的起重機具，包括橋式起重機和吊索、吊具，還包括臨時使用的葫蘆、千斤頂。
水電站中橋式起重機按結構、動力不同又可分為：電動橋式起重機、電動雙梁或電動單梁起重機，以及手動雙梁或手動單梁起重機。
(二)水輪發電機組安裝
水輪發電機的布置形式随水輪機而定，通常中小型沖擊式水輪機和貫流式水輪機配卧式發電機；大中型混流式水輪機和軸流式水輪機配立式發電機。立式水輪發電機又分為懸式水輪發電機和傘式水輪發電機。另外，還有抽水蓄能的可逆雙速發電一電動機。
1．懸式水輪發電機安裝
(1)在基坑一期混凝土中預埋下部風洞蓋闆、下機架及定子的基礎件。
(2)在定子基坑内組裝定子和下線圈(或在安裝間組裝定子，整體吊入基坑就位)。
(3)待水輪機大件全部吊入機坑後，吊裝下部風洞蓋闆。
(4)把已組裝成整體的下部機架吊入基礎找正，澆築二期混凝土。
(5)在安裝間專設的裝配台上進行轉子裝配，然後整體吊入機坑，按水輪機主軸中心、高程、水平進行調整定位。
(6)測量轉子與定子問的空氣間隙，以轉子為基準校正定子中心．使四周空氣間隙均勻，并澆築定子基礎二期混凝土。
(7)将裝配成整體的上機架吊放于定子機座上，按轉子主軸調整中心和水平後，擰緊機座組合螺栓，鑽配剪切定位銷釘。
(8)裝配推力油槽和推力軸承，将轉子落到已研刮好的推力軸瓦上，進行發電機主軸單獨盤車，測量和調整主軸擺度。
(9)連接發電機和水輪機主軸，進行機組總軸線擺度的測量和調整。
(10)調整推力瓦受力，并按水輪機止漏環間隙，調整機組軸線的中心和垂直度。根據主軸位置和軸頸擺度方向及大小，安裝各部已刮好的導軸瓦，裝配機組空氣冷卻器，油、氣、水管路及其他附件。
2．雙鬥輪大型卧式水輪發電機安裝
(1)基礎件埋設。
(2)軸瓦研刮後将軸承座吊放到基礎件上。
(3)在安置問進行分瓣定子的下線，并把下半塊定子吊放于基礎闆上。
(4)測量并調整軸承座和定子的同心度。
(5)在安裝間組裝轉子，将其整體吊放于軸承座上。
(6)以水輪機主軸法蘭為基準，進一步校正軸承位置，使發電機主軸法蘭與水輪機主軸法蘭同心和平行，并盤車檢查，精刮軸瓦後裝配軸承及油管。
(7)将上半塊定子吊入與下半塊定子組合，進行定子線圈的聯結和絕緣包裝。
(8)盤車測量并調整機組軸線，進行主軸的聯結。
(9)測量轉子與定子間的空氣間隙，校核定子中心位置，固定基礎螺栓。
(10)安裝定子端蓋及其他附件。小型卧式水輪發電機定子及轉子均為整體運到現場，安裝時采用定子套轉子或轉子套定子的方法進行大件安裝，其他安裝工藝方法與上述卧式發電機相似。
檢修内容
不同的水力機組采用的設備型号不同，因此機組運行中的監視與檢查項目也各有不同，下面僅列出共性的檢查項目。
水輪機遇下列情況應加強機動性檢查：水輪機檢修後第一次投入運行和新設備投入運行；水輪機遇事故處理後投入運行；水輪機有比較嚴重的設備缺陷尚未消除：水輪機超有功功率和無功功率運行；頂蓋漏水量較大或頂蓋排水不暢通；洪水期或下遊水位較高；在振動區運行或做振動試驗；試驗工作結束後。為了保證設備正常運行的安全可靠性，主、輔機設備應按規定進行定期試驗、切換維護工作，發現問題及時通知檢修人員處理。機組在正常情況下要定期做如下工作：
(1)切換油壓裝置的油泵。
(2)切換進水口工作閘門的工作油泵。
(3)調速器各連杆關節注油。
(4)調速器過濾器切換。
(5)測量發電機、水輪機主軸的擺度。
(6)應根據備用機組推力瓦油膜要求定期頂轉子或手動開機空轉一次。
(7)根據水位、水質情況，及時選用取水口，以保證水質要求。
(8)機組冷卻系統過濾器定期清掃排污。
(9)各氣水分離器定期放水、排污。
(10)機組技術供水總管定期沖淤。
(11)機組冷卻系統定期正、反向運行，空氣冷卻器沖淤。
水輪機開機後的監視項目有：監視水輪機振動情況是否正常；監視機組制動裝置是否處于正常工作狀态，是否可以随時啟動；監視機旁各指示儀表指示是否正常；監視機組各部水壓是否正常；監視機組擺度、水導軸承運行情況是否正常；監視水輪機主軸密封和頂蓋排水情況是否正常；監視調速器機械液壓機構各連接部分是否良好，電氣控制回路是否正常，有功調節動作是否正常；監視機組信号和操作電源是否正常；監視機械系統和電氣系統有關設備操作項目是否完成。
水輪機停機後的監視項目有：調速器各部件連接是否異常；油壓裝置和油系統是否異常；機組軸承油面是否正常；機組轉動部分是否異常；制動系統是否複位狀态；與機組停機相關的技術供水系統是否正常；水輪機頂蓋漏水量是否大；導葉是否全關，剪斷銷是否剪斷；機旁控制盤各指示儀表指示是否正常。
油壓裝置的檢查和維護項目有：壓力罐壓力是否正常，油位是否正常，是否有漏油和漏氣現象；壓力測量及控制裝置工作是否正常；集油箱油位、油質是否合格，有無油位異常信号；各閥門位置是否正确，安全閥工作是否正常；電動機引線和接地是否完好，電壓指示是否正常，壓油泵工作是否正常。
調速器系統的檢查和維護項目有：調速器運行穩定，無異常抽動、跳動和擺動現象；正常運行時轉速指示在100%，平衡表指示在平衡位置，電調盤面各指示燈正常；開度限制、手自動切換閥、事故電磁閥在相應位置；發現調速器油壓與壓力罐油壓相差較大時，應切換過濾器并進行清洗；電液轉換器動作正常；各連接部件和管路連接良好，無松動、脫落和滲漏油現象；手動狀态下運行時開度指示與實際開度相符合；電氣櫃各電源開關、熔斷器均在投入狀态，電源指示燈指示正常，風機運轉正常；控制裝置闆面指示燈指示正常，選擇開關位置正确；各電氣元件無過熱、脫落斷線等異常情況；當機組處于穩定運行時，微機調速器面闆上平衡表應無輸出，雙微機均在運行；引導閥、主配壓閥工作正常，事故配壓閥在相應位置；主接力器反饋機構鋼絲繩無松動、無斷股、無異常現象；各端子引線良好，無脫落、斷線破損現象。
介紹
由水輪機和發電機組合而成的發電動力裝置。設置在水電站中，執行把水能轉換成電能的功能。機組中水輪機作為原動機，它利用水的能量運轉，驅動發電機發電。常用的水輪機有沖擊式、反擊式、貫流式和可逆式。發電機則均采用同步發電機。
由于水電站的自然條件和工況各異，水輪發電機組的容量和轉速變化範圍很大。可按其尺寸大小和結構特征劃分其容量和轉速（見表）。
特點水輪發電機與其他發電機相比有一些不同的特點：①它需有較大的飛輪力矩。因此，發電機的轉子直徑及整機的外形尺寸都比較大。②水電站一般離負荷中心較遠，需通過長距高壓輸電線路向負荷供電。因此，要求水輪發電機有較高的動态穩定和靜态穩定特性。③水輪發電機的轉子直徑大，選用的材料要求又不及汽輪機、燃汽輪機的高。所以，雖然其轉速不及後兩者，但仍需考慮萬一達到飛逸轉速時對材料強度的要求，以保證其可靠性。
基本數據水輪發電機組的基本數據包括額定容量、額定電壓、額定功率因數、電抗與短路比、飛逸速度、飛輪力矩等。
額定容量通常以兆伏安或千伏安計。水電站選擇機組容量和台數需考慮樞紐布置，電力系統運行的要求，機組在系統中調度的靈活性，設備制造、運輸、安裝、造價等多種因素。在保證電力系統運行安全、靈活的條件下，采用單機容量較大、台數較少的方案有利機組的高效率，并可簡化水電站的樞紐布置，加快施工進度和總投資。但通常不少于兩台。
額定電壓它的選取要從額定容量、電磁負荷、電站的技術經濟指标及電力系統輸配電設備等方面綜合考慮。一般來說，在合理範圍内，電壓取低值，電機的經濟指标要好一些。
額定功率因數對它的選擇既要考慮發電機的造價、對水電站設備和電力系統無功補償裝置的影響和投資，又要考慮由電站輸送無功功率造成的功率損失，同時，還要計及它超過設計水頭運行多發電的效益，特别是在建站初期，隻有一、兩台機組投運(其餘機組未裝完)以及可能發生棄水的情況下，更應考慮這種運行性的可能性與合理性。大型水電站多處深山狹谷，遠離負荷中心，功率因數可适當提高。通常情況下，功率因數取值為0.8～0.9。
電抗包括直軸同步電抗、直軸瞬變電抗和超瞬變電抗。直軸同步電抗(Xd)指機組正常穩定運行時，發電機直軸呈現的電抗。其值為發電機額定相電壓和額定相電流之比。減少同步電抗可提高電力系統輸送功率的極限，但須增加電機尺寸和造價。超瞬變電抗(X廐)指發電機運行狀态突變(如突然短路或自同步合閘時)的暫态過程的起始瞬間，對應電樞反應磁通磁路的磁阻最大、電抗最小。瞬變電抗(X媁)則是在暫态過程中，超瞬變電抗在過程的初始一段時間内迅速增大到某一值。這之後，電抗緩慢增大到同步電抗。X媁的變化對電力系統的靜态穩定有重大影響，減小X媁可以提高靜态穩定的儲備系數，但X媁的變化對動态穩定影響有限。X廐是計算短路電流的重要數據，對選擇水電站的電工設備有直接影響。
飛輪力矩當電力系統發生故障，水輪發電機突然和系統解列時，由于水輪機導水機構關閉需要一定時間，這一時間内，機組轉速将升高。為控制轉速上升值，要求水輪發電機具有一定的飛輪力矩(GD2)。它是指發電機轉動部分的重量和慣性直徑D的平方的乘積。它直接影響電力系統受到大幹擾時所需極限切除時間，對電力系統的暫态過程和動穩定有很大影響。在一定極限切除時間内，GD2越大可以提高輸送功率。同時GD2大，機組甩負荷後轉速上升率較低，這可以減小引水鋼管的直徑，或增加鋼管長度。但GD2加大會增加發電機重量和造價。
輔助設備水輪發電機組的輔助設備主要包括冷卻裝置、制動裝置、調速裝置等。
冷卻裝置水輪發電機的冷卻主要采用空氣冷卻，以通風系統向發電機定、轉子以及鐵心表面進行冷卻。但随着單機容量的增長，定、轉子的熱負荷不斷提高，為了在一定轉速下提高發電機單位體積的輸出功率，大容量水輪發電機采用了定、轉子繞組直接水冷的方式；或者定子繞組用水冷，而轉子用強風冷卻。
制動裝置額定容量超過一定值的水輪發電機均設有制動裝置。其作用是在發電機停機過程中，當轉速降低到額定轉速的30～40％時，對轉子實施連續制動，以避免推力軸承因低轉速下油膜被破壞而燒損軸瓦。制動裝置的另一作用是在安裝、檢修和起動前，用高壓油頂起發電機的旋轉部件。裝置采用壓縮空氣制動。
調速裝置包括調速器和油壓裝置。調速器的作用是調節水輪機轉速，以保證輸出電能的頻率符合供電要求，并實現機組操作(開機、停機、變速、增、減負荷)、安全經濟運行。為此，調速器的性能應滿足快速操作，反應靈敏，迅速穩定，運行、維修方便等要求，它還需要可靠的手動操作及事故停機裝置。
調速器分機械液壓調速器和電液壓調速器兩種。前者的主要部件為機械液壓元件。後者包括測速環節、小功率信号的綜合、變換和放大及反饋環節，其信号電源為永磁發電機。當發電機組負荷改變時，調速器迅速調節水輪機導水機構，使水輪機的流量和流速發生變化，以使機組轉速符合電能質量要求。
機型選擇不同型的水輪機适用于不同的水頭，因而對不同的電站，需選用恰當的水輪機與發電機組合。
沖擊式水輪機它依水流沖擊轉輪的方向和部位可分為切擊式、斜擊式和雙擊式。前者是唯一用于大型機組的沖擊式水輪機，水頭超過300米時，應選用切擊式水輪機。到80年代，最高水頭的切擊式機組的水頭達1763.5米，轉速為750轉／分，單機功率為22.8兆瓦，安裝于奧地利賴瑟克山水電站。後兩者隻适用小型機組，斜擊式的适用水頭為30～350米，功率為10～500千瓦，比轉速為18～45。雙擊式的适用水頭在60米以下，功率出力小于150千瓦，比轉速為25～70。這兩種機組适用于農村小水電。
反擊式水輪機依加速方式可分為混流式、軸流式和斜流式三種。混流式是應用最廣泛的一種型式，它結構簡單，尺寸小，造價低，滿負荷時效率高，比轉速為50～300，使用水頭為30～700米。到80年代，單機容量最大的混流式機組為700兆瓦，轉輪直徑9.23米，水頭變化範圍為67～108米，裝于美國大古力水電站。軸流式又可分為轉槳式、定槳式。轉槳式水輪機的平均效率較混流式高，它的比轉速高達200～850、機組尺寸小、重量輕，适用于低水頭(3～80米)和負荷變化大的水電站。但在使用水頭提高時，其過流能力易受到限制，且汽蝕系數大。到80年代；世界上尺寸最大的軸流式轉槳水輪機的直徑達11.3米，設計水頭18.6米，功率為170兆瓦。定槳式過流能力比轉槳式高，汽蝕性能也有所改善，但不能适應水頭和負荷變化大的電站。它的比轉速範圍為250～700，使用水頭為3～50米。世界上較大的機組為美國羅基裡水電站機組，容量125兆瓦。設計水頭為26.3米，轉輪直徑7.2米。斜流式水輪機的汽蝕系數小，效率高，葉片形狀簡單。其使用水頭一般為40～200米，常做為可逆式水力機械。世界上最大的斜流式機組在蘇聯傑維水電站，單機容量215兆瓦，設計水頭78.5米，轉輪直徑6米。
貫流式水輪機可分為全貫流式和半貫流式。前者水力損失小，過流能力大，效率高，結構緊湊。但轉輪的外線速度大，葉片強度要求高，密封也複雜，比轉速高（為600～1000）,使用水頭一般小于20米，可應用于大型潮汐電站。後者又分為燈泡式和豎井式。燈泡式水輪機可與發電機直接連接，裝設在同一個燈泡形殼體内，故名。燈泡式又分為直連式和行星齒輪式。直連式的使用水頭範圍6～15米，容量範圍5000千瓦；行星齒輪式使用水頭範圍在6米以下，容量範圍2500千瓦。直連式在水頭較低時轉速很低，發電機效率會降低。行星齒輪式可使轉速增加3～10倍，齒輪傳動效率可達0.98～0.99。這種水輪發電機組尺寸小、重量輕，可大大提高發電機轉速。80年代世界最大燈泡式水輪發電機容量為65.8兆瓦。豎井式也有直連式和行星齒輪式，它們的使用水頭較燈泡式稍高，容量範圍相同。它們的水力損失大，但密封、防潮性能好、安裝、檢修比燈泡式容易。
可逆式水輪機又稱水泵水輪機、發電電動機。它既可作水輪機運行，又可作水泵運行，主要用于抽水蓄能電站。可逆式水輪機也分為混流式、斜流式和軸流式3種。其中以混流式應用最廣，因為它的應用水頭範圍廣（30～600米）。世界上最高水頭的混流式可逆水輪機裝于南斯拉夫巴伊納巴什塔電站，水頭為600.3米，水泵揚程為623.1米，單機功率為315兆瓦。
特殊運行：由于水輪發電機運行調度較靈活，在電力系統中可用作調相運行和進相運行。
調相運行水輪發電機作調相機運行時向電力系統輸送感性無功功率，以改善系統的功率因數。這時，它從系統中吸取一部分有功功率以補充其銅耗、鐵耗和風摩損耗。通常采用壓水調相（見水電站）。一般調相容量為(0.6～0.75)Sx（千乏）。Sx為發電機額定容量。
進相運行電力系統中大容量高壓長距離輸電系統輕載時，線路的容性電流會使受端電壓升高。這時，系統要求水輪機作進相運行，即發電機在欠勵狀态下，向系統輸送容性無功功率和部分有功功率。水輪發電機作進相運行時具如下特點：①定子端部附近各金屬件溫升較高，最高溫度一般發生在鐵心兩端的齒部。②它的進相運行能力比汽輪機高。③進相運行時要注意靜态穩定是否滿足運行要求。發電機投入空載高壓長距離輸電系統的運行稱為充電運行，這也是進相運行的一種。
