1.3 水轮机比转速、型号和转轮直径
1.3.1 水轮机的系列和比转速
尺寸大小不同但几何形状相似的水轮机，称之为同一系列。从相似理论和试验可以证明，同一系列的水轮机由于几何形状彼此相似，如果工况也相似（例如都以最大功率工作或都以最高效率工作），那么它们的工作性能也有一定的相似性。同一系列的任一水轮机在相似工况下其工作水头H（m）、转速n（r/min）和功率P（kW）之间保持着以下关系：
由于尺寸大的水轮机的效率比尺寸小的水轮机的效率要大一些，因而严格说来，这个关系中还应当加入效率的影响，但在研究比转速时，这个影响可以不予考虑。
对于另外一个系列的水轮机，得出的是另外一个常数：
从式（1－5）或式（1－6）可看出，此常数值等于同系列各几何相似的水轮机当水头为1m，输出功率为1kW时的转速，称为比转速，用ns表示，单位为m·kW。即
比转速随水轮机运行工况的不同而不同，几何相似的同系列水轮机在相似工况下比转速相等。因此，ns是表征同系列转轮基本特性的一个参数。在我国，规定了以额定工况下的比转速作为同一系列水轮机的系列代号。
从式（1－7）中可看出，比转速随着水头的增大而降低。不同类型的水轮机适用水头范围不同，相应的比转速也不同。同一类型的水轮机，其比转速则互相接近。轴流式水轮机的比转速较高，约在200～900m·kW范围内，混流式水轮机次之，为50～350m·kW，水斗式水轮机则在10～35m·kW范围内。
在相同水头和功率的情况下，ns越大则转速n也越大，相应地可使水轮机转轮的直径减小，并使其同轴的发电机直径也减小。但是，ns越大水轮机空化现象越严重。关于空化和空蚀问题将在2.6节中详细讨论。
必须注意，比转速高的水轮机的转速也高，这是对相同水头和功率的情况来说的。在不同的水电站上，比转速高的水轮机并不一定具有较高的转速。例如，装在低水头水电站上的轴流式水轮机，虽然其比转速较高，但由于水头小，所以相对于装在高水头水电站上的混流式水轮机来说，转速相对是较低的。通常在水电站上看到的情况是：轴流式水轮机的转速较低，混流式水轮机的转速较高，水斗式水轮机的转速更高。
1.3.2 水轮机的型号和转轮直径
比转速仅能标志某一系列水轮机的性能，对于某一个具体的水轮机，是用它的型号来标志的。水轮机的型号不仅表示出水轮机的型式和所属的系列，而且表示出它的代表性尺寸——转轮公称直径D。此外，在型号中还表明水轮机的装置方式和进水方式。
根据《水轮机、蓄能泵和水泵水轮机型号编制方法》（GB/T28528—2012），水轮机的型号由3部分组成，各部分之间用“－”（其长度相当于半个汉字宽）隔开，各部分的组成及含义如下：
第1部分由水轮机型式和转轮代号组成。水轮机型式用汉语拼音字母表示（表1－1）；转轮代号用模型转轮编号和/或水轮机原型额定工况比转速表示，模型转轮编号与比转速之间采用“/”符号分隔，比转速代号用阿拉伯数字表示，单位为m·kW。
表1－1 水轮机型式的代表符号
第2部分对于反击式水轮机由两个汉语拼音字母组成，分别表示水轮机主轴布置型式和结构特征，代表符号见表1－2；对于冲击式水轮机只有1个汉语拼音字母表示水轮机主轴布置型式。
表1－2 水轮机主轴布置型式及结构特征的代表符号
第3部分用阿拉伯数字表示，反击式水轮机表示为转轮直径（cm）；水斗式和斜击式水轮机表示为：转轮直径（cm）/作用在每个转轮上的喷嘴数×射流直径（cm）；双击式水轮机表示为：转轮直径（cm）/转轮宽度（cm）。
水轮机转轮直径是指水轮机转轮上的规定部位的直径。作为水轮机结构特征参数，也称公称直径。各类型水轮机转轮公称直径D规定如下（图1－28）：混流式水轮机指转轮叶片出水边正面和下环相交点的直径D2（过去是指转轮叶片进水边正面和下环相交点的直径D1）；轴流转桨式、斜流转桨式和贯流转桨式水轮机均指水轮机转轮叶片转动轴线与转轮室交点处的直径D1；轴流定桨式水轮机指转轮叶片外缘圆柱形转轮室的内径D1；斜流定桨式水轮机指转轮叶片出水边外缘对应的转轮室的内径D1；冲击式水轮机指转轮水斗与射流中心线相切的节圆直径D1。
图1－28 各类型水轮机转轮公称直径
对于水轮机转轮直径D的规定系列尺寸可参见表3－5。
水轮机型号的示例如下：
（1）HLA153/××－LJ－300：表示混流式水轮机，转轮代号为模型转轮编号A153和/或水轮机原型额定工况比转速××m·kW，立轴，金属蜗壳，转轮直径为300cm。
（2）ZZ560－LH－800：表示轴流转桨式水轮机，转轮代号为水轮机原型额定工况比转速560m·kW，立轴，混凝土蜗壳，转轮直径为800cm。
（3）GZ006－WZ－275：表示轴伸贯流转桨式水轮机，转轮代号为模型转轮编号006，卧轴，转轮直径为275cm。
（4）CJ30－W－120/2×10：表示水斗式水轮机，转轮代号为水轮机原型额定工况比转速30m·kW，卧轴，转轮直径为120cm，两个喷嘴，射流直径为10cm。
（5）SJ115－W－40/20：表示双击式水轮机，转轮代号为水轮机原型额定工况比转速115m·kW，卧轴，转轮直径为40cm，转轮宽度为20cm。