Гидравли́ческая турби́на (гидротурбина), гидравлический двигатель, преобразующий механическую энергию потока воды в энергию вращающегося вала. Основным рабочим органом гидравлической турбины, в котором происходит преобразование энергии, является лопастное вращающееся рабочее колесо, соединённое валом с ротором гидрогенератора. Совокупность гидравлической турбины и гидрогенератора называется гидроагрегатом.

Основные характеристики гидравлической турбины:

• установленная мощность, прямо пропорциональная напору и расходу воды;

• максимальный напор, равный разности отметок уровней воды в верхнем и нижнем бьефах за вычетом гидравлических потерь в водоподводящем тракте;

• максимальный расход (количество воды, которое способна пропустить турбина в единицу времени);

• КПД, равный отношению полезной мощности, отдаваемой валом турбины, к мощности подводимого потока воды;

• диаметр рабочего колеса;

• т. н. синхронная частота вращения, равная, как правило, частоте вращения ротора гидрогенератора;

• высота отсасывания (максимальная разность отметок расположения рабочего колеса и уровня нижнего бьефа, при которой не возникают недопустимые кавитационные явления).

Мощность крупнейших гидравлических турбин превышает 700 МВт, они применяются при напорах до 2 тыс. м. Диаметр рабочих колёс турбин крупных гидроэлектростанций достигает 11 м, лучшие гидротурбины имеют КПД, превышающий 96 %.

По принципу действия гидравлические турбины разделяют на реактивные (напорноструйные) и активные (импульсные или свободноструйные). В реактивных турбинах рабочее колесо полностью погружено в воду, а поток по всей длине проточного тракта является напорным. Это делает возможным использование рабочим колесом как кинетической, так и потенциальной энергии протекающей жидкости. Поэтому скорость потока перед входом на рабочее колесо даже при высоких напорах может быть сравнительно небольшой. Лопасти рабочего колеса имеют такую форму, чтобы в результате перепадов давления на них возникали подъёмные силы, которые заставляют рабочее колесо вращаться. В активных турбинах рабочее колесо вращается в воздухе под действием свободной струи воды, которая может отдать колесу только свою кинетическую энергию. В связи с этим скорость струи воды перед рабочим колесом должна быть максимально большой. Поэтому в активных турбинах вода подводится к колесу через сопло, преобразующее низкоскоростной поток в высокоскоростной. Лопасти рабочего колеса отклоняют направленную на них струю, чтобы увеличить изменение импульса воды и максимизировать действующие на лопасти силы.

Главными показателями, характеризующими вид (систему) гидравлической турбины, являются форма и устройство её проточного тракта, состоящего из трёх основных элементов: рабочего колеса и устройств, подводящих и отводящих от него воду.

Реактивные гидравлические турбины разделяют на:

• осевые;

• диагональные;

• радиально-осевые.

У осевых гидротурбин (по зарубежной терминологии – турбины Каплана) поток поступает на рабочее колесо и выходит в осевом направлении. В зависимости от крепления лопастей на втулке рабочего колеса осевые гидравлические турбины разделяют на пропеллерные (с жёстким закреплением) и поворотно-лопастные (в зависимости от условий работы угол установки лопастей может изменяться в пределах примерно 35°). Поворотно-лопастные турбины сложнее пропеллерных, но у них выше энергетические показатели.

Диагональные гидротурбины (турбины Дериаса – Квятковского) отличаются от осевых тем, что лопасти рабочего колеса установлены с наклоном к оси вращения (угол 30–60°). Бывают как с жёстко установленными, так и с поворотными лопастями.

У радиально-осевых гидротурбин (турбины Френсиса) поток поступает на рабочее колесо в радиальном направлении, а выходит из него в осевом. Лопасти этого вида турбин жёстко заделаны в ступицу и обод колеса.

У турбин с жёстко закреплёнными лопастями режим работы, мощность и расход воды регулируются только открытием направляющего аппарата; у гидравлических турбин с поворотными лопастями – как открытием направляющего аппарата, так и угловым положением лопастей рабочего колеса. В последнем случае лопастная система рабочего колеса может быть лучше приспособлена к потоку, формируемому направляющим аппаратом, и поэтому КПД таких турбин оказывается высоким в широком диапазоне мощностей и напоров. Турбины с поворотными лопастями рабочего колеса называются турбинами двойного регулирования. Турбины с жёстко закреплёнными лопастями называются турбинами одинарного регулирования.

Активные гидравлические турбины разделяют на:

• ковшовые (турбины Пелтона);

• наклонно-струйные (турбины Тюрго);

• двукратные (турбины Банки);

• осевые кольцевые (турбины Сфиндекса).

Наиболее распространены ковшовые гидравлические турбины. Лопасти рабочего колеса этого вида турбин похожи на ковши, что и дало название турбине. Ковшовые турбины используются при напорах более 400–600 м; мощность регулируют изменением расхода.

Крупные реактивные турбины покрывают широкую область напоров – от 1–2 до 600–700 м, при этом области применения турбин разных видов по напору перекрываются. При напорах 50–70 м могут быть приняты и осевые, и диагональные, и радиально-осевые турбины. При более высоких напорах используют активные турбины. Для турбин малой мощности (100–3000 кВт) границы применения по напору снижаются, например, радиально-осевые турбины могут оказаться целесообразными при напорах 20–25 м, а ковшовые – при напорах 150–200 м. Выбор оптимального решения производится на основании технико-экономических сопоставлений различных возможных вариантов.

Первые гидравлические двигатели, к которым применим термин «гидравлическая турбина», появились более 300 лет назад как результат совершенствования водяных колёс. Эти турбины имели лопастные рабочие колёса, вращающиеся в воздухе под воздействием свободной водяной струи. Первая реактивная гидравлическая турбина была изобретена в 1827 г. французским инженером Б. Фурнероном; она имела на рабочем колесе мощность 4,4 кВт, но из-за плохих энергетических свойств подобные гидравлические турбины уже не применяются. В 1855 г. американский инженер Дж. Френсис изобрёл радиально-осевое рабочее колесо с неповоротными лопастями, а в 1887 г. немецкий инженер Финк предложил направляющий аппарат с поворотными лопатками. В 1889 г. американский инженер А. Л. Пелтон запатентовал активную – ковшовую – гидротурбину, в 1920 г. чешский инженер В. Каплан получил патент на поворотно-лопастную турбину. После того как в 1880-х гг. была разработана система передачи электрического тока на большие расстояния и появилась возможность сосредоточить производство электроэнергии на электростанциях, началась новая эпоха в истории турбостроения. Радиально-осевые, поворотно-лопастные и ковшовые гидравлические турбины широко применяют для выработки электрической энергии. Преобразование энергии водного потока в электрическую энергию изучает такая отрасль энергетики, как гидроэнергетика. Помимо гидроэлектростанций, гидравлические турбины небольшого размера с рабочим колесом, подобным радиально-осевому, применяют в буровых установках для привода вращающегося инструмента, разрушающего твёрдую горную породу.