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由水轮机驱动，将机械能转换为电能的交流同步发电机。水轮发电机的工作原理，是将转子的磁极绕组（线圈）通入直流电，产生磁场，与定子铁芯构成磁路，转子旋转时，切割磁场，在定子绕组中感生电动势及电流。 特点 （1）当电力系统发生故障或水轮发电机组出现事故时，由于水流惯性，机组不能瞬时停机，为防止转速迅速升高，要求发电机转子具有较大的飞轮力矩（参见水轮发电机飞轮力矩）。 （2）电力系统对发电机的电气参数，如电抗值、时间常数等，有一定的要求。 （3）水轮发电机的转速低、结构尺寸较大，对设计、制造、运输、安装、运行都有特殊要求。 主要技术条件 （1）水轮发电机应能在下列使用条件下连续额定运行：①海拔不超过1 000m。②冷却空气温度不超过40 ℃。③水冷式水轮发电机直接冷却部分的进水温度应为35～45 ℃，水的电导率不大于2～5 μS/cm。④空气冷却器、油冷却器和水冷式水轮发电机的热交换器的进水温度，根据用户要求在订货协议中规定；12.5mV·A及以下的水轮发电机冷却器的进水温度不超过28℃。 （2）空冷式水轮发电机转子绕组应能承受2倍额定励磁电流，时间为50 s。水内冷和加强空气冷却转子绕组应能承受2倍额定励磁电流，时间为20 s。 （3）水轮发电机和与其直接或间接连接的辅机，应能在飞逸转速下运转2min而不发生有害变形。 （4）水轮发电机各部分结构强度，应能承受电机在额定转速下及空载电压等于105%额定电压下历时3s的三相突然短路试验，而不产生有害变形。 （5）空冷式水轮发电机在热状态下应能承受150%额定电流历时2min（直接水冷水轮发电机历时1min）不发生有害变形及接头开焊等情况，此时电压应尽可能接近额定值。 （6）水轮发电机在额定运行工况下，轴承的最高温度为：推力轴承和导轴承的不超过70 ℃；座式滑动轴承的不超过80 ℃；滚动轴承的不超过95 ℃。 （7）在额定功率下，定子和转子绕组的最高温度：A级绝缘为100 ℃；E级绝缘为110 ℃；B级绝缘为120 ℃；F级绝缘为140 ℃。 类型 （1）型号标志。型号标志方法及意义如下。
例如SF 300—48/1230型水轮发电机，代表立式空气冷却，额定容量300mW，48个磁极，定子铁芯外径1 230 cm。 （2）型式分类。按主轴布置方式，分为卧式与立式。卧式水轮发电机的主轴是水平方向，一般有2个导轴承，布置在转子两侧；立式水轮发电机的主轴是垂直方向，按照推力轴承的位置分为悬式水轮发电机和伞式水轮发电机。 型式选择 水轮发电机的选型，主要取决于水轮机的型式和转速。选择时要对水电站总体布置、主厂房高度、技术经济指标、运行稳定性及维护检修等综合考虑。大中型水轮发电机组一般采用立式布置。 伞式水轮发电机可降低厂房高度，减轻机组重量，结构紧凑，但维护检修不方便。由于技术进步，大型机组可采用伞式结构，维护检修可适当解决，其他优点可充分发挥。悬式水轮发电机稳定性好，维护检修方便，但厂房高度比伞式的高。 小型水电站一般采用卧式水轮发电机。高水头水电站，采用冲击式水轮机时，发电机相应采用卧式水轮发电机。 水轮发电机的冷却，一般有密闭式空气冷却、水内冷和蒸发冷却等3种方式。密闭式空气冷却结构简单，空气清洁干燥，运行可靠，大多数机组都采用这种方式。水内冷方式，冷却能力强，可缩小电机体积和重量，但工艺复杂，对水质要求较高，维护检修困难。少数特大容量的发电机，需通过技术经济比较，确定采用空冷式或水内冷式。蒸发冷却方式冷却效率高，自循环，无毒，可减少定子铁芯长度和槽数。 主要部件及其作用 水轮发电机主要部件有转子、定子、机架、推力轴承、导轴承、励磁系统、制动装置、空气冷却器等。下图为悬式水轮发电机的纵剖面。
悬式水轮发电机纵剖面图
（1）转子。发电机的转动部分，接受励磁电流，产生旋转磁场，承受水轮机主轴传递的转矩。转子为凸极式。大中型发电机的转子受运输条件的限制，分成轮毂、轮臂、磁轭及磁极等部件，在工地组装成整体。 悬式水轮发电机轮毂是转子的中心体，与主轴采用加热装配及键连接；伞式水轮发电机为了便于推力轴承的安装及检修，常以轮毂作为主轴的一部分。 轮臂是连接轮毂、支持磁轭的部件，可采用工字形、盒形或圆盘形结构。 磁轭是固定磁极的部件，也是磁路的一部分。磁轭重量大，是产生飞轮力矩的主要部件。磁轭由2～8mm厚的钢板冲成扇形片交错叠成。磁轭的外缘有T形槽，用键固定磁极。 磁极是磁感应部件，铁芯由1.5mm厚的钢板冲片叠压而成，外部装绕组。绕组一般采用B级或F级绝缘。磁极表面装有纵、横阻尼绕组，当磁极通以直流电时感应磁场。 （2）定子。主要由铁芯、绕组、机座等部件组成。它的主要作用，是感生电动势和电流，其结构强度应能承受磁拉力、热应力和额定及短路扭矩。悬式水轮发电机还要承受推力轴承传递的轴向力。大中型发电机的定子由于受运输条件的限制，采用分瓣结构或在工地叠片和下线。 铁芯由许多扇形的厚0.5或0.35mm的低损耗高导磁硅钢片叠成。叠片内侧冲成许多矩形开口，用以嵌入绕组线棒，开口处为鸽尾形，用以打入槽楔固定绕组。 大中型水轮发电机定子绕组一般采用双层波绕组，小型的可采用圈式叠绕组。为了减小线棒股线在磁场中的不同位置产生循环电流引起的附加损耗，股线一般用360°编织换位的方法。定子绕组常采用B级或F级绝缘。 （3）推力轴承。它的主要作用是承载机组的轴向荷载，由推力头、镜板、推力轴瓦、支承部件和冷却器等组成，用油润滑。立式的轴向荷载包括水轮发电机组转动部件的重力和水轮机转轮的轴向水推力。卧式机组轴向荷载只是轴向水推力。 （4）导轴承。它的作用主要是承受水轮发电机组转动部分径向不平衡力，在一定范围内限制其径向摆动；卧式机组还要承受转动部分的重力。小型及卧式机组一般用筒式轴瓦结构，立式机组一般用分块轴瓦结构。 （5）励磁系统。一般有电机励磁和静止可控硅励磁两种方式。它的主要作用：①正常运行时，提供维持一定电压和一定无功功率所需的励磁电流。②电力系统突然短路、突然加负荷或甩负荷时，对发电机强行励磁或强行减磁。③紧急停机时进行灭磁。 （6）制动装置。它的主要作用：①机组停机转速降低到30%～40%额定转速时，对机组进行制动，避免推力轴承长时间低速转动破坏油膜使轴瓦烧损。②机组第一次启动或长时间停机再次启动时，用高压油通入制动器顶起机组转动部分，使推力轴瓦与镜板间形成油膜。 （7）空气冷却器。它的作用是降低发电机定子和转子绕组与铁芯的温度。水轮发电机内部的热空气，经过空气冷却器降温，再回到电机内部，冷却介质是水。 发展趋向 （1）增大单机容量。世界上最大单机容量20世纪70年代为700mW。美国大古力水电站第三厂房机组额定功率718mV·A，最大功率825.6mV·A，功率因数为0.975。三峡水电站单机额定容量777.8MV·A，最大容量840mV·A，功率因数为0.9。巴西、巴拉圭伊泰普水电站机组额定功率737mV·A，最大功率766mV·A，功率因数为0.95。 （2）改进结构和设计。许多机组采用伞式结构，并进一步发展为无发电机轴结构，以降低厂房高度。水轮发电机飞逸转速时的转子圆周线速度接近190m/s。为提高推力轴承的承载能力，有的大型机组采用水内冷瓦，如美国大古力、中国葛洲坝等水电站。当发电机容量超出一定范围时，为降低定子和转子的温升，采用定子绕组水冷（单水内冷）或定子、转子都用水直接冷却（双水内冷）。李家峡水电站4号400mW水轮发电机采用蒸发冷却式。 （3）发展新型机组。由于电力系统规模日益增大，峰谷负荷差也不断加大，抽水蓄能机组发展较快。20世纪50年代最大可逆式机组单机功率为60mW；60年代为220mW；80年代单机容量最大为美国腊孔山，功率为382mV·A；90年代已发展到400mW。 为了开发低水头水能资源，贯流式机组发展很快。最大灯泡贯流式发电机为美国石岛电站二厂，功率为54mV·A；俄罗斯萨拉托夫（Саратов）电站灯泡贯流式发电机功率45.9mV·A。 为缩短大型机组和抽水蓄能机组停机时间，减少制动闸板的磨损及其造成的污秽，许多水电站采用电气制动停机。 （4）加强理论分析及试验研究。许多国家采用计算机辅助设计，建立专用研究装置，解决设计、运行等方面的疑难问题，如机组的振动，推力轴承的结构，复杂部件的应力分布，疲劳强度及动平衡测试等。
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