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水轮发动机是水力发电的核心设备，它将水的势能和动能转化为机械能。系统主要由水库、大坝、引水系统、水轮机转轮和发电机组成。水从高处的水库通过大坝控制，经引水管道流向水轮机，推动转轮旋转，进而带动发电机产生电能。
水轮机的工作原理基于能量转换。首先，水在高处具有重力势能，其大小为mgh。当水从高处流下时，势能逐渐转化为动能，速度不断增加。高速水流冲击水轮机叶片时，动能转化为机械能，产生转矩使转轮旋转。最后，旋转的机械能通过发电机转化为电能输出。
根据工作原理和适用条件，水轮机主要分为三种类型。冲击式水轮机如佩尔顿水轮机，水流直接冲击叶片，适用于高水头场合。反击式水轮机如法兰西斯水轮机，水流充满整个转轮，适用于中等水头。轴流式水轮机中水流沿轴向通过，适用于低水头大流量的情况。不同类型的水轮机结构各异，但都遵循相同的能量转换原理。
发电机基于电磁感应原理工作。当水轮机带动转子在磁场中旋转时，转子上的导体切割磁感线，根据法拉第电磁感应定律产生感应电动势。发电机由定子和转子组成，定子产生磁场，转子在磁场中旋转。现代发电机通常产生三相交流电，三个相位之间相差120度，形成平衡的电力系统，这样的设计提高了发电效率和电能质量。
水力发电具有显著优势，是重要的清洁可再生能源。它无污染物排放，有助于减少温室气体，保护环境。经济上，水电站运行成本低，使用寿命长达50-100年，维护费用少。技术上，水轮发电机效率可达90%以上，启动快速，调节灵活，是电网调峰的理想选择。水力发电在全球能源转型中发挥着重要作用，为实现碳中和目标贡献力量。