높은 곳의 물이 낙하할 때 물의 위치에너지를 이용하여 러너(runner:회전차) 속을 물이 지나게 해서 기계적 동력을 얻는 회전형 원동기.

옛날의 수차는 수평형과 수직형이 있는데, 수평형에는 물을 수차바퀴 둘레의 상부에서 물받이판에 낙하시키는 상사식(上射式) 수차, 가슴부에서 낙하시키는 중사식 수차, 하부에서 유동력을 작용시키는 하사식 수차의 3종류가 있다. 이들의 수차는 현재 농촌 등에 약간 남아 있는데 점차 자취를 감추어가고 있다.

현대의 수차는 주로 수력발전용에 사용되고 있는 것으로 수력터빈이라고 불리는데 수차의 축은 발전기에 직결되어 이것을 회전시킨다. 수차의 출력은 유효낙차를 H m, 유량(流量)을 Q m3/s , 물의 비중량을 γ kg/m3, 수차의 효율을 δ %라고 할 때 γQH /75hp 또는 9.8QH kW이다. 1대의 수차 출력이 20만 kW 이상의 큰 것도 있다.

수차는 낙차와 유량에 따라서 그 형식이 선택되는데 펠턴수차·프랜시스수차·프로펠러수차로 분류된다. 또 임펠러(러너)에 대한 물의 작용에서 물의 속도에너지만을 이용하는 충동수차(衝動水車)와 속도에너지와 낙하하는 압력에너지의 양쪽을 이용하는 반동수차(反動水車)로 나눌 수도 있다. 펠턴(Pelton)수차는 충동형이고 프랜시스(Francis)수차와 프로펠러수차는 반동형수차이다.

⑴ 펠턴수차:이 수차는 낙차가 크고 유량이 적을 경우에 사용된다. 1870년 미국의 L.A.펠턴에 의해 개발되었는데, 러너의 외측에 다수의 버킷(bucket:물받이판)이 붙어 있어서 노즐로부터 분출되는 물이 버킷에 접선방향으로 유입하여 버킷 속에서 그 방향이 반전되고 그 때의 운동량의 변화로 충동력이 생기고 이 힘에 의하여 러너가 회전한다. 보통 수평축형이고 노즐의 수는 1~2개이다. 그러나 유량이 많을 때에는 수직형을 사용하고 노즐의 수는 4~6개로 많아진다.

부하의 변동에 따라 회전속도가 변화하나 그 조절은 노즐 속의 니들밸브를 움직여서 유량을 조절함으로써 회전을 조절한다. 버킷은 러너의 둘레에 볼트로 고정되며 그 수는 러너의 지름에 따라 다르지만 보통 18~30개이다. 버킷에서 나온 물은 송수면까지 자연낙하하므로 러너부터 송수면까지의 낙차는 유효하게 이용할 수 없다.

⑵ 프랜시스수차:펠턴수차에 비해 낙차가 작고 유량이 많을 때에 사용된다. 현재 가장 많이 사용되고 있다. 1855년경 미국의 J.B.프랜시스가 만들었다. 물은 나사선형의 케이싱으로 들어가 가동날개[可動翼]로 된 안내깃을 지나 러너의 여러 깃 사이로 흐르면서 러너를 회전시킨다. 그 후 흡출관을 지나 방수면으로 나간다. 러너는 보통 일체(一體)로 주조·제작되며, 재료로는 주강(鑄鋼)이 많이 쓰인다.

안내깃은 유입되는 물을 유도하지만, 고정된 축을 회전시킴으로써 물을 적당한 방향으로 흐르게 한다. 또 유입구의 크기를 조정하여 수차에 걸리는 부하의 변동에 따라 수량을 조절할 수도 있다. 흡출관은 통상 L자형이고 그 단면적은 점점 커지는 형태를 이루고 있다. 흡출관을 장치함으로써 러너의 출구와 방수면 사이의 높이를 효과 있게 낙차로 이용할 수 있다.

⑶ 프로펠러수차:프로펠러수차 및 그 개량형인 카플란(Kaplan)수차는 저낙차·대유량일 경우에 사용한다. 러너의 형상은 선박의 프로펠러와 비슷하고, 물은 안내깃을 나온 후 넓은 방을 지나 축에 평행으로 유동하여 러너로 들어간다. 4~8매의 깃이 보스에 설치되어 있는데 낙차가 큰 것일수록 매수가 많다.

깃이 보스에 고정되어 있는 경우를 프로펠러수차라 하고, 깃의 설치축이 회전이 가능하고 유량의 변동에 따라 적당히 깃의 각도를 변화시킬 수 있는 수차를 카플란수차라고 한다. 가동깃식은 1912년 오스트리아의 V.카플란이 고안한 것인데 깃을 움직이는 기구(機構)는 보스 속에 들어 있으며, 조속기(調速機)로부터의 지령에 따라 유압기구(油壓機構)를 사용하여 피스톤을 움직이고 피스톤로드에 의하여 깃이 설치된 축이 회전된다.

유량이 변하였을 때 물의 유동방향이 변화하는데, 이에 따라서 깃은 자동적으로 적당한 각도를 취할 수 있고, 그 때문에 고정날개의 프로펠러수차에 비해 수량의 큰 변화에도 상관없이 효율적으로 운전할 수 있다. 대형 수차일수록 이 형식이다.