水轮发电机（hydraulic generatorset）是与水轮机连接配套的发电机组的统称，是用于生产电能的动力设备，用于水力发电厂。通常用同步发电机，亦有使用小型异步发电机。大中型水轮发电机多为立式结构，立式水轮发电机由转子、定子、上机架、下机架、推力轴承、上导轴承、下导轴承及通风冷却系统等组成。

1755年，俄国圣彼得堡院士莱昂哈德·欧拉建立了水轮机基本方程式。1878年，首台水轮机驱动直流发电机在法国巴黎西尔米吐水电厂投产发电。19世纪末至20世纪初水轮发电机处于雏形阶段。电压等级多样，频率杂乱，交、直流电争端不断。1913年，瑞典通用电机公司设计制造了单相卧式600kW水轮发电机组。由西屋电气公司制造的美国Adams水电站的发电机（当时最大容量）则基本代表了水轮发电机起步期阶段的制造水平。1921至1950年，水轮发电机标准化、统一化，同时产生现代水轮发电机雏形，使水轮发电机发展进入成长期。20世纪50年代至80年代，为水轮发电机技术高速发展的黄金时期。单机容量连创新高，大批大型水电站投入运行。1952年，中国自主制造了第一台800kW混流式机组。20世纪80年代后期，大型水电站主要集中在中原地区、巴西等发展中国家。2003年，三峡水电站首批水轮发电机组并网发电，单机容量70万kW（840MVA），2007年三峡右岸首台70万kW全空冷水轮发电机组投产发电，此后，蒸发冷却技术在水轮发电机组得到广泛应用。2012年，向家坝水电站首批机组投产，共安装8台容量为80万kW（即800MW）的发电机组，全部采用全空冷技术，为当时世界上水电单机容量最大的空冷发电机组。2021年6月28日，全球在建规模最大、单机容量最大、技术难度最高的水电工程——金沙江白鹤滩水电站首批2台机组投产发电。

水轮发电机根据电磁感应原理设计。按水轮发电机安装方式不同，可分为卧式和立式两种。对于立式机组，根据推力轴承位置的不同又分为悬式水轮发电机和伞式水轮发电机。按水轮发电机的冷却方式不同，可分为空气冷却（空冷）和内冷却（内冷）两种型式。按水轮发电机的功能不同，分为常规水轮发电机和非常规的蓄能式水轮发电机两种。水轮发电机单机容量不断提高、采用X形叶片等新技术提高运行可靠性、采用了陶瓷涂层新技术减轻泥沙磨损等是水轮发电机的发展趋势。

1755年，俄国圣彼得堡院士莱昂哈德·欧拉建立了水轮机基本方程式，并依此制造出了反击式水轮机，但效率不高。1824年，法国学者勃尔金在此基础上做了弯板叶道转轮的改进，但效率仍低于65%。此后，勃尔金的学生富聂隆和俄国人萨富可夫分别提出导叶不动的离心式水轮机，效率可达70%。

1878年，首台水轮机驱动直流发电机在法国巴黎西尔米吐水电厂投产发电。19世纪末至20世纪初水轮发电机处于雏形阶段。电压等级多样，频率杂乱，交、直流电争端不断。具有代表性的水轮发电机有：1891年，德国法兰克福世界博览会照明使用的一台约224kW的卧式水轮发电机。定子采用闭口槽结构，以铜棒包裹石棉板作为绝缘塞入槽内；端部为裸铜棒，转子内嵌环形励磁绕组的爪形绕组，伞形齿轮由立式水轮机驱动。

1893年，瑞典通用公司为瑞典Hellsjon水电厂设计制造了4台344kW三相交流卧式水轮发电机组。1903年，瑞士BBC公司为意大利一家纺纱厂（Festi-Rasini）生产的3台600kW三相交流立式水轮发电机组。1913年，瑞典通用电机公司设计制造了单相卧式600kW水轮发电机组。由西屋电气公司制造了美国Adams水电站的发电机（当时最大容量）则基本代表了水轮发电机起步期阶段的制造水平。

20世纪20年代至50年代，为水轮发电机成长期。具有代表性的电站有：西屋公司设计制造了加拿大Queenston电站6台3.6万kW和4台4.4万kW水轮发电机组。1947年，通用电气设计制造了第聂伯电站9万kW机组重建发电。1949年苏联设计制造了9万kW机组相继发电，电站总装机容量达64.8万kW。美国大古力第一、第二电厂于1933年7月开始建设，装有18台10.8万kW水轮发电机组。1921至1950年，水轮发电机标准化、统一化，同时产生现代水轮发电机雏形，使水轮发电机发展进入成长期。

20世纪50年代至80年代，为水轮发电机技术高速发展的黄金时期。单机容量连创新高，大批大型水电站投入运行。1952年，中国自主制造了第一台800kW混流式机组，从1958年起，中国先后自主研制了7.25万kW的新安江机组，22.5万kW、30万kW的刘家峡机组，24万kw的五强溪机组，30.25万kW的岩滩机组，70万kW的三峡机组等。在轴流转桨式机组方面，先后自主研制了5万kW的三门峡市机组，15万kW的铜街子机组，17万kW的葛洲坝机组等。1958年，苏联古比雪夫电站装机20台，单机容量12.35万kW，出口电压13.8kV。1961年，苏联电力工厂和乌拉尔电器厂联合设计，由电力工厂制造了布拉克兹水轮发电机组投运，单机容量22.5万kW。

1973年，美国大古力电站扩建，三期首台60万kW机组于1975年投运。1978年，首台70万kW机组投运，由加拿大通用电气设计制造。1984年，伊泰普电站投产发电，装机18台，单机容量70万kW，由西门子股份公司公司和英国广播公司公司设计制造。

20世纪80年代后期，大型水电站主要集中在中国、巴西等发展中国家。瑞士Bieudron电站第一台46.5万kW冲击式水轮机组于1998年投运。该高转速水轮机（428r/min）是世界上水头最高（1883m）的水轮机。1997年，李家峡电站首台机组投运，该电站共安装5台40万kW水轮发电机组，其中4号机组首次采用蒸发冷却技术。1998年，二滩水电站首台机组发电，6台55万kW水轮发电机组采用全空冷冷却技术。2003年，三峡水电站首批水轮发电机组并网发电，单机容量70万kW（840MVA）。2007年三峡右岸首台70万kW全空冷水轮发电机组投产发电，此后，蒸发冷却技术在水轮发电机组得到广泛应用。

2012年，向家坝水电站首批机组投产，共安装8台容量为80万kW（即800MW）的发电机组，全部采用全空冷技术，为当时世界上水电单机容量最大的空冷发电机组。2021年6月28日，全球在建规模最大、单机容量最大、技术难度最高的水电工程——金沙江白鹤滩水电站首批2台机组投产发电。白鹤滩水电站总装机容量1600万千瓦，是中国实施“西电东送”的国家重大工程。水电站大坝为300米级特高混凝土双曲拱坝，共安装16台中国自主研制的全球单机容量最大功率百万千瓦水轮发电机组。发电机组实现了中国高端装备制造了重大突破。

水轮发电机是一种凸极式三相同步发电机，其磁极均匀地挂在磁轭外圆上并凸出在外。同步发电机是根据电磁感应原理设计的，定子和转子是发电机的基本组成部分，它通过转子磁场和定子绕组间的相对运动，将机械能转变为电能。外圈静止部分为水轮发电机定子，内圈部分为水轮发电机凸极转子，当转子通入直流电后产生恒定不变的磁场，转子在原动机的带动下旋转时，转子磁场和定子导体就有了相对运动，即定子三相对称绕组切割磁力线，便在定子三相绕组中产生了三相感应电动势。随着转子连续均匀旋转，在定子绕组上就感应出一个周期不断变化的交流电动势，这就是同步发电机的工作原理。

从发电机工作原理可知，磁路是发电机建立磁场的必要条件。对于旋转发电机，每对相邻磁极扇形段有一个磁路。励磁电流是维持磁场恒定的关键，一般励磁电流由直流励磁机或交流电源通过整流变成直流后供给。励磁系统是水轮发电机的重要组成部分，它由励磁主电路和励磁调节电路两部分组成。交流电势的额定频率为ƒ,它决定于发电机的磁极对数ρ和转速n，其计算公式为：ƒ=nρ/60(Hz)。交流电势的相位关系：转子不停地旋转，A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°，相序为A-B-C。当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，该磁场与转子同速度，同方向旋转，即为同步。

水轮发电机用于水力发电厂，水资源属于可再生能源之一，水轮发电机利用水资源可以实现水力发电，为社会发展提供足够的电力能源。

水轮发电机普遍采用立式结构。立式水轮发电机主要由定子、转子、上机架下机架、推力轴承、导轴承、空气冷却器和永磁机等部件组成。

水轮发电机转子由主轴、轮毂、轮、磁轭、端压板、风扇、磁极、制动闸板等组成。

主轴是用来传递转矩，并承受转动部分的轴向力，通常用高强度钢整体锻成，或由铸造的法兰与锻造的轴简拼焊而成；轮毂是主轴与轮之间的连接件，轮臂是用来固定磁轭并传递扭矩的，大、中型机组的轮一般为焊接结构；磁轭的主要作用是产生转动惯量和挂装磁极，同时也是磁路的一部分，直径小于4m的磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板组成，大于4m时则由3~5mm的钢板冲片叠成一整圆用键固定在轮臂外端；磁极是产生磁场的主要部件，由磁极铁芯、励磁线圈和阻尼绕组三部分组成，并用“T”形结构固定在磁轭上。

水轮发电机定子由机座、铁芯和线圈等部件组成。

定子机座是一个承重和受力部件，它不仅承受上机架荷重并传到基础，还支承着铁芯、线圈、冷却器和盖板等部件，对悬吊型水轮发电机而言还承受整个机组转动部分重量（包括水推力），机座还承受径向力（磁拉力和铁芯热膨胀力）和切向力（正常和短路时引起的力）。因此，机座须具有足够的刚度，防止定子变形和振动。机座一般采用钢板焊接，大型水轮发电机多采用盒形结构。上环与上机架相连，下环与基础板相连，基础板埋入混凝土内，由基础螺栓固定。为了承受短路切向力，在下环与基础板间装有径向销钉，见图2-68。在中环上安装着定子铁芯，为保证铁芯的装配质量，在中环垂直方向焊有数条定位筋，用托板固定在各中环上，也有因运输条件限制或通风需要取消上、下环结构，用简单的连接件与上机架和基础相连。近年来，有些大尺寸定子，为了保持机组圆度，避免发电机运行时因机座和定子铁芯的热膨胀不一致而使定子产生翘曲变形，采用所谓“浮动式机座”。机座放置在基础板上，取消了基础螺栓，用固定在基础板上的定位销和机座上的径向槽定位，机座膨胀或收缩时，机座仅需克服机座与基础板间的摩擦力可自由伸缩，而不变动机组中心，保持了定子圆度，从而避免了定子变成椭圆形而导致铁芯冲片破坏、定子温升过高、定子振动等现象。

定子铁芯是定子的一个重要部件。它是磁路的主要组成部分并用以固定线圈。在发电机运行时，铁芯要受到机械力、热应力及电磁力的综合作用。由于铁芯中的磁通量是随着转子的旋转而交变的，为提高效率、减少铁芯涡流损耗，铁芯一般由0.35~0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的扇形硅钢片叠压而成。空冷式发电机铁芯沿高度方向分成若干段，每段高40~45mm，段与段间以“工”字形衬条隔成通风沟，供通风散热之用。铁芯上、下端有齿压板，通过定子拉紧螺杆将叠片压紧铁芯外圆有鸽尾槽，通过定位筋和托板将整个铁芯固定在机座的内侧。铁芯内圆有矩形嵌线槽，用以嵌放线圈绕组。

近年来，为了减小机座承受的径向力和减小铁芯的轴向波浪度，有的发电机采用所谓“浮动式铁芯”，其特点是在冷态时，铁芯与机座定位筋间预留有一较小间隙，当铁芯受热膨胀时，此间隙减小或消失，当机座与铁芯温度不一致时，相互之间可以自由膨胀，从而大大减小机座承受的径向力。为使铁芯相对于机座能自由膨胀和收缩，铁芯上下两端采用小齿压板，并在齿压板调整螺栓与机座环板接触处加二硫化钼润滑。

定子线圈的主要作用是产生电势和输送电流。定子线圈是用扁铜线绕制而成，然后再在它的外面包上绝缘材料。水轮发电机定子线圈主要采用圈式和条式两种。圈式线圈由若干匝组成，每一匝又可由多股绝缘铜线组成。圈式线圈的两个边分别嵌人定子槽内上下层，许多圈式线圈嵌人定子槽内后按照一定的规律联接起来组成叠绕组。双层圈式线圈多用于中小型水轮发电机大型水轮发电机也有采用单匝叠绕线圈，为了便于制造，工艺上可将线圈分成两半，分别弯曲成杆型线棒，包扎绝缘并经处理后下线，然后把有关的两个边联起来焊在一起。条式线圈在水轮发电机中普遍采用。它是在定子铁芯槽中沿高度方向放两个线棒，嵌线后，用纤焊方式将线棒彼此联接起来，组成双层绕组。每个线棒由小截面的单根铜股线组成。线棒中的股线沿宽度方向布置两排，高度方向彼此间要进行换位，以降低涡流损耗和减小股线间温差。

推力轴承要承受水轮发电机组转动部分的全部重量及轴向水推力，并把这些力传递给荷重机架。推力轴承一般由推力头、镜板、推力瓦、轴承座及油槽等部件组成。常用的推力轴承有以下三种结构形式：刚性支柱式推力轴承；液压支柱式推力轴承；平衡块支柱式推力轴承。

刚性支柱式推力轴承一般由推力头、镜板、轴瓦、支柱螺栓、轴承座、油槽及冷却器组成。其特点是推力瓦由头部为球面的支柱螺栓所支承，通过调整该螺栓的高度而使轴瓦保持在同一水平面上，以使各瓦块受力均匀。刚性支柱式优点是结构简单，加工容易；缺点是安装时调水平、受力不易调准，调整工作量较大，运行时各瓦块的负荷不均衡（这种现象是由加工和安装误差以及负荷变化引起的），因此一般应用在中、小容量机组。

液压支柱式推力轴承的特点是推力瓦由弹性油箱支承，各油箱由油道相连并充入一定的压力油。安装时，各瓦面的高度和水平调整精度要求不高，各瓦之间的不均匀负荷通过油压平衡。运行时各瓦的不均匀负荷由弹性油箱均衡，使各瓦受力均匀。因此，液压支柱式推力轴承具有能自动调整轴瓦负荷、承载能力大、调整简单、维护方便、瓦温温差小（一般为1~3℃，刚性支柱高达20~30℃）、寿命长等优点。现这种型式的推力轴承在大型机组中已得到愈来愈多的应用。

平衡块支柱式推力轴承是利用上下两排平衡块互相搭接（上、下平衡块接触面和下平衡块与油盘上垫板接触面，均为圆柱面与平面接触），当受力时，由于杠杆原理，平衡块互相动作，连续自动调整每块瓦的受力，使各瓦负荷达到均匀。它的优点是结构简单、加工方便、安装调整容易；缺点是在运行时压应力很高的铰支点（线）由于限位销钉精度的影响会出现滑动摩擦现象，从而使均衡负荷的能力不稳定。在试验中发现，平衡块的灵敏度随着转速的增加而有所降低。平衡块结构推力轴承在中国经过多年运行考验，证明这种结构能适应中、低速推力轴承的各种工况，运行性能是良好的。中国运行的大负荷推力轴承-长江葛洲坝170MW水轮发电机推力轴承，就是这种结构型式。

定子的机座采用分瓣结构，安装时需要组圆焊接，并进行消缺及探伤，并对连接环进行调整焊接。定子铁心由扇形电工钢片拼装叠成，为了散热的需要，定子铁心中留有径向通风沟。

转子包括转子中心体、支臂、转子磁轭、转子键槽板等部件。转子为凸极式转子，极数多，直径大，轴向长度短，整个转子在外形上与汽轮发电机大不相同。转子磁极由厚度为1-2mm的钢片叠成。磁极两端有磁极压板，用来压紧磁极冲片和固定磁极绕组，而且磁极与磁极轭部采用T形或鸽尾形连接。

其他部件包括主轴、下机架及上机架等。

按水轮发电机安装方式不同，可分为卧式和立式两种。通常小容量（单机容量小于1MW）的水轮发电机一般采用卧式，适合配用混流式、贯流式、冲击式水轮机；中等容量的两种皆可；大型水轮发电机则广泛采用立式结构，且由于其转速较低，水轮发电机均做成凸极式，适合配用混流式和轴流式水轮机。水轮发电机的结构型式在很大程度上与水轮机的特性和类型有关。

对于立式机组，根据推力轴承位置的不同又分为悬式水轮发电机和伞式水轮发电机。悬式水轮发电机：推力轴承布置在转子上方的上部荷重机架上，把整个机组转动部分悬挂起来，一般适用于高中速（在100r/min以上）水轮发电机，其优点是机组径向机械稳定性好，推力轴承磨损小，维护与检修方便；缺点是机组较高，消耗钢材较多。伞式水轮发电机：推力轴承布置在发电机转子下方的下机架或水轮机顶盖上，一般适用于低速（在150r/min以下）水轮发电机，其优点是机组高度低，可降低厂房高度节约钢材；缺点是推力轴承损耗大，不便于安装、检修与维护。

按水轮发电机的冷却方式不同，可分为空气冷却（空冷）和内冷却（内冷）两种型式。发电机在运行中有大电流通过定子绕组、转子绕组，在铁芯上也会产生涡流，这些均会使发电机的温度升高。为保证发电机能正常运行，必须采用有效的冷却措施，使发电机定、转子的温升控制在设计范围内。根据机组的特点可采用不同的冷却方式，空冷式应用较为广泛。

空冷式是利用空气循环来冷却水轮发电机内部所产生的热量，且水轮发电机多采用密闭式自循环空气冷却。发电机上下风洞盖板将发电机密封在风洞中，当发电机转子转动时，由于风扇和支臂等的作用形成强劲的气流，经由转子通风沟、定子通风沟将发电机的热量带出，这些受热后的空气通过布置在定子外围的空气冷却器冷却后从风道回到转子上下。这些空气并不与外界进行交换，而是密闭循环，从而达到使发电机冷却的目的。

内冷式又分为水冷却和蒸发冷却两种。水冷却包括双水内冷却和半水冷却。双水内冷却即将经过处理的冷却水通入定子和转子绕组空心导线内部，直接带走发电机产生的热量，定子与转子绕组都复杂，一般不采用；半水冷却即定子绕组为水冷却而转子仍为空气通风冷却。蒸发冷却式是将液态冷却介质通入定子空心铜线内，通过液态介质蒸发，利用汽化传输热量进行发电机冷却，这是中国具有自主知识产权的一项新型的冷却方式。

按水轮发电机的功能不同，分为常规水轮发电机和非常规的蓄能式水轮发电机两种。常规水轮发电机一般为同步发电机；而蓄能式水轮发电机为发电电动机，有双向运转的要求，通常转速较高。

据不完全统计，截至2020年，中国已投产的各类大中型水电机组500余台，其中混流式水轮机组最多，达320余台。中国总装机百万千瓦及以上的大型水电站100余座，其中已建成20座在建和待建80余座。中国已投产的巨型机组单机容量已从三峡、小湾、龙滩等水电站的70万kW发展到溪洛渡水电站的77万kW、向家坝水电站的80万kW，乌东德水电站12台85万kW机组和白鹤滩水电站16台100万kW机组在制造和安装阶段。经过近50年的实践，中国水轮机技术取得巨大进步，其中400m水头段以下的混流式机组研制水平已达到国际先进水平。

自20世纪60年代世界上第一台50万kW混流式水轮机在苏联克拉斯诺亚尔斯克边疆区电站投运以来，提高水轮机比转速、增大单机容量的风潮在全球兴起，世界各国陆续投产发电的水轮发电机组均呈此态势。

水轮机朝着大容量方向发展，机组运行可靠性越来越受到重视。压力脉动、空蚀与损、材料机械与化学性能都会直接影响机组的可靠性指标。可靠性的先进指标为：可用系数大于或等于95%，大修周期8~10年，使用寿命40年以上。为此，采用了一系列新技术和一整套改良方案，诸如：

（1）混流式水轮机采用新型的X形叶片，改善非设计工况下运行稳定性，提高运行可靠性；

（2）设计出高效率、低转速、大流量转轮，降低了转轮内的流速（从40~50m/s下降到36m/s以下），改善水轮机抗磨损能力，延长大修周期和使用寿命；

（3）控制加工质量，减少水力、机械不平衡力和残余应力；

（4）采用新工艺、新材料、新结构，控制三（漏水、漏油、漏气），提高可用率：（5）机组整机动力特性轴系稳定计算，严格避免共振；

（6）高精度测试技术与电站机组运行在线监测、事故诊断技术同步发展。

水轮机材料从铸铁、铸钢到不锈钢，一方面提高了强度，另一方面又改善了抗空蚀能力。为了减轻泥沙磨损，采用了陶瓷涂层新技术。为了提高水轮机转轮叶片的材质和型线的一致性，减轻铲磨劳动强度，采用了模压叶片新技术、数控加工工艺。除此之外，在转轮焊接和热处理技术及叶片几何型线测量技术以及微焊成型等一系列技术上都有所突破，有力地保障了水轮机性能的提高。

一方面水力优化设计改善了水力性能，效率最高可达95%左右，同时提高了运行稳定性；另一方面，研制出了新型的X形叶片转轮，其最大优点是能控制叶片背面压力分布不均，以解决叶片背面的空蚀问题，同时可减少尾水管中心涡带，以改善尾水管内的压力脉动，在高水头混流式水轮机上广泛应用。

提高比转速，减小水轮机转轮直径，提高发电机组转速，减小机组尺寸；提高大部件刚度，简化部件结构，通过采用新工艺、新技术，减少工序和工艺装备来降低成本。