Хидраулична турбина је ротациона машина која хидрауличну енергију, насталу струјањем воде - трансформише у механички рад. У данашње време хидрауличне турбине се најчешће користе за покретање генератора и добијање електричне енергије из обновљивих (хидрауличних) извора енергије.Скрипте са предавања из Хидрауличних турбина на Машинском факултету у Београду, 2002/2003
Развој хидрауличних турбина мини|alt=Зегнеров точа.|Зегнеров точак. мини|alt=Пелтонова турбина.|Радно коло Пелтонове турбине. мини|alt=Франсисова турбина.|Радно коло Франсисове турбине. мини|alt=Капланова турбина.|Савремена Капланова турбина и генератор наизменичне струје. Вековима људи користе хидроенергију како би добили механички рад. У Старом веку су коришћена обртна кола, која су покретали брзи водотокови, а која су служила за погон млинова. У неким, забаченијим деловима света, и дан данас се користе овакве конструкције, првенствено због једноставности, за погон млинова. Око 1750. године професор Јохан Андреас Зегнер () је конструисао прво водно коло засновано на реакцијском принципу - Зегнеров точак. Оптимални хидраулични степен корисности Зегнеровог точка је био око 52%, што је веома мало у односу на данашње хидрауличне степене корисности модерних великих хидрауличних турбина који се крећу до 95%.
1750. године Леонард Ојлер поставља основну теорију реакцијских водних турбина у делу „Потпуна теорија машина које се покрећу реакцијом воде“). Већ 1754. године је дао и сопствену конструкцију турбине која је имала хидраулични степен корисности око 71% (Ојлерова турбина је направљена 1943. године у Цириху, а затим и испитана).
Француски инжењер Клод Бурден () је почетком 19. века побољшао Зегнерово коло и први пут га назвао турбином. Овакво коло постоји и дан данас, с тим што се уместо водне користи енергија чврстих горива.
1827. године француски инжењер Бено Фурнејрон () конструише прву „употребљиву“ турбину. У питању је била радијална центрифугална турбина са спроводним апаратом и могућношћу регулације турбине варирањем протока при константном нето паду турбине.
1837. године Карл Антон Хеншел () је дизајнирао прву аксијалну турбину, коју је касније, 1843. године патентирао Николас Жонвал (). Ова турбина је имала претечу сифона.
1838. године Американац Семјуел Хауд () је конструисао турбину веома сличној данашњој Франсисовој турбини која је постигла веома велики степен корисности - око 70%.
1868. године Американац Џејмс Бишено Франсис () је урадио нову конструкцију Хаудове турбине и постигао висок степен корисности - 86%. Од тада се све турбине овог типа зову Франсисове турбине.
1878. године немачки професор Р. Финк је унапредио регулисање код Франсисових турбина конструкцијом покретних спроводних усмерних лопатица. Пре тога су Франсисове турбине регулисане на разноразне примитивне начине који су кварили струјно поље на улазу у турбину и производили велике хидрауличне губитке.
1880. године Лестер Пелтон () конструише турбину погодну за велике падове. Касније су ове турбине назване Пелтонове турбине.
Крајем XIX века почиње нагли развој турбина у правцу брзоходости. Овај развој је проузрокован применом турбина за добијање електричне енергије - биле су потребне турбине за велике протоке са малим падовима. Захваљујући Николи Тесли дошло је до велике примене хидрауличних турбина у добијању електричне енергије. Тежње ка већој брзоходости водиле су ка мањем броју обртаја турбина што је водило ка проблему у преносу снаге до генератора. Овај проблем је актуелан и данас, али је ублажен производњом савремених вишеполних генератора који се данас примењују уместо комбинације огромног мултипликатора и генератора са малим бројем полова. Како су произвођачи генератора избегавали производњу вишеполних генератора развој турбина у погледу брзоходости је заустављен, а пројектанти хидромашинских инсталација на хидроелектранама су се довијали уградњом вишеструких турбина са хоризонталним вратилом.
1913. и 1914. године аустријски инжењер Виктор Каплан (Viktor Kaplan) пријављује велики број својих патената од којих су најбитнија следећа три: Обртно коло са аксијалним притицањем воде (лопатице се простиру радијално). Примена Финковог спроводног апарата и стварање великог безлопатичног простора у коме вода скреће за 900, тј. из радијалног у аксијални правац. Примена лопатица обртног кола које се могу покретати око своје радијалне осе.
Каплан је урадио испитивања у лабораторији фирме Фоит у Хајденхајму 1917. године, међутим пропелерно коло није било довољне крутости па су се лопатице савијале под оптерећењем. Добијени резултати су били незадовољавајући па је фирма Фоит одустала од даљег истраживања. Каплан 1919. године склапа уговор са фирмом Шторек из Брна и убрзо гради прву хидроелектрану са Каплановом турбином. Након почетног успеха фирма Шторек доживљава низ неуспеха градећи хидроелектране по упутствима Каплана, који је своје турбине пројектовао без довољно података, па је при максималним протоцима долазило до интензивне кавитације турбина. Тек касније је Дитер Тома, професор Високе техничке школе у Минхену, дао објашњење феномена кавитације и дефинисао услове кавитацијског стања увођењем кавитацијског коефицијента. Цевне турбине су развијане такође почетком XX века и представљају варијацију Капланове турбине с тим да су ово најбрзоходије турбине прилагођене равничарским рекама са великим протоцима и малим падовима. Руски извори тврде да је њихов инжењер, извесни Графтио уградио по свом патенту цевну турбину на ХЕ „Нева“ још 1912. године. Фабрика Ешер Вис је изградила ХЕ „Ростин“ у Пољској, са уграђеним цевним турбинама 1936. године. Ове турбине су имале непокретни спроводни апарат, али покретне лопатице радног кола. Негде у периоду од 1950. до 1953. године развијене су тзв. дијагоналне турбине које се брзоходости надовезују на Франсисове турбине. Ове турбине су такође варијација Капланове турбине. Прва турбина овог типа уграђена је на хидроелектрану „Сер Адам Блек“ на Нијагари 1957. године. Ова турбина је могла радити као пумпа па представља једну од најстаријих реверзибилних хидроелектрана на свету.
Закључак који се намеће је да не постоји универзални тип турбине који ће искористити све падове и протоке, већ да се за сваки конкретан случај потребна посебна турбина. Ову чињеницу су професори Машинског факултета у Београду др Мирослав Бенишек и покојни Никола Обрадовић, дипл. маш. инж. духовито истицали: Турбина је одело по мери.
Класификација хидрауличних турбина У зависности од начина претварања струјне енергије у механичку, турбине се могу поделити на: Акцијске турбине које користе само кинетичку енергију млаза, док притисна енергија остаје скоро непромењена од улаза до излаза из радног кола. Други назив за ове турбине је слободомлазне турбине. У ову групу спада Пелтонова турбина, Турго турбина која представља модификацију Пелтонове турбине, ... Реакцијске турбине код којих се у радном колу мењају све три компоненте струјне енергије (притисна, кинетичка и положајна). Код ових турбина притисна енергија је већа на улазу него на излазу па се због тога називају и притисним турбинама. У ову групу спадају Франсисове, аксијалне Капланове, аксијалне цевне и дијагоналне турбине.
Током времена развој и експериментална истраживања хидрауличних турбина су довела до важног закључка: Немогуће је са једним типом турбине остварити квалитетну размену енергије за све протоке и падове. Тако су се из читавог скупа разних развијаних турбина развила четири основна типа: Пелтонова турбина Франсисова турбина Аксијална турбина Дијагонална турбина мини|upright|alt=Пелтонова турбина|Пелтонова турбина мини|upright|alt=Дијагонална турбина|Дијагонална турбина мини|upright|alt=Франсисова турбина|Франсисова турбина - ХЕ „Три кланца“ мини|upright|alt=Капланова турбина|Капланова турбина из ХЕ „Бонвил“ након 61. године рада мини|upright|alt=Dijagram|Један од поједностављених дијаграма за одабир турбина Облик кола и конструкција турбине зависе од специфичне брзине обртања . За доношење одлуке о примени појединих типова турбина користе се разни типови дијаграма: Сводни дијаграм по руској номенклатури у функцији (Н, Р) према искуству великих фирми. Дијаграм према препорукама фирме Фојт Хидро. Дијаграм према препорукама фирме Силцер.
Избор типа кола зависи и од параметара електране. Тако се нпр. код конструисања реверзибилног агрегата машина пројектује као пумпа при чему се води рачуна да она треба да ради и као турбина.
Класификација турбина у зависности од специфичне брзине обртања: Пелтонове турбине - Н=100÷2000m; Спороходе: =4÷15, број млазница: 1÷2; Нормалне: =15÷25, број млазница: 2÷4; Брзоходе: =25÷60, број млазница: 5÷6. Франсисове турбине - Н=40÷700m; Спороходе: =80÷150; Нормалне: =150÷250; Брзоходе: =250÷450. Дијагоналне турбине - Н=30÷200m; Спороходе: =230÷280; Нормалне: =280÷340; Брзоходе: =340÷500. Аксијалне турбине - Н=3÷80m; Спороходе: =350÷450; Нормалне: =450÷650; Брзоходе: =650÷1100.
Савремене хидрауличне турбине имају савршене конструкције и високе вредности степена корисности који достижу и 95%, па спадају групу машина са највишим степенима корисности те се могу поредити са великим електричним моторима и генераторима.
Основни параметри хидрауличних турбина Основни параметри хидрауличних турбина су: Проток турбине Q [m3/s] представља ону количину воде која протекне у једној секунди кроз турбину. Треба га разликовати од протока кола турбине Qk који је мањи од Q. Бруто јединични струјни рад Ybr [J/kg]=g [m/s2] Hbr [m] електране представља разлику укупних јединичних енергија горњег и доњег нивоа воде у акумулацији и доњој води. Величина Hbr се назива бруто пад електране.
Нето јединични струјни рад турбине Yn [J/kg]=g [m/s2] Hn [m] представља укупну разлику јединичних струјних енергија на излазу и улазу из турбине. У пракси се чешће користи величина нето пад турбине Hn. У литератури се нето пад турбине углавном означава са Н без индекса „n“. Рачунски нето пад турбине Нr се одређује пре самог пројектовања турбине на основу протока, димензија електране, и др. Веза између Нbr и Нn су хидраулични губици од акумулације до улаза у турбину и од излаза из турбине до доње воде.
при чему су и хидраулични губици у „енергетским“ метрима. мини|alt=Биланс снаге.|Биланс снаге турбине. Хидраулична снага турбине Рh [W] је она количина рада у јединици времена коју би вода разменила у турбини када не би било губитака:
где је [kg/m3] густина воде. Снага турбине је снага добијена на спојници турбине: , где је Pi унутрашња снага турбине, Pgm механички губитак снаге у лежиштима и заптивачима, η укупан степен корисности турбине. Постоји још и снага кола сведена на проток кроз турбину PKn, снага кола Pk, снага потребна за савлађивање отпора на спољашњим површинама кола PgR и снага генератора (видети слику „Биланс снаге“). Укупан степен корисности η [-]. Постоји још хидраулични ηh, волуметријски ηQ, унутрашњи ηi, механички степен корисности ηm, те степен корисности генератора ηG и степен корисности агрегата ηA (видети слику „Биланс снаге“). Брзина обртања кола турбине n [min-1], тј. угаона фреквенција кола турбине ω [s-1]. Веза између ω и n:
Велике турбине које су спојене са синхроним генератором наизменичне струје морају се окретати сталном брзином како би фреквенција мреже f [Hz] имала сталну вредност (у Европи 50Hz, а у Америци 60Hz). Фреквенција, број пари полова генератора p и брзина обртања су повезани следећим изразом:
Из ових израза се види је синхрона брзина обртања за фреквенцију у мрежи од 50Hz одређена следећим изразом:
Кавитациони коефицијент σ [-] дефинише кавитацијско стање турбине (да ли се у радном колу јављају мехурови водене паре). Моделским испитивањем се утврђује која је вредност кавитационог коефицијента испод кога не сме да се иде (σkr) јер ће у противном долазити до кавитацијских оштећења.
Теоријске основе хидрауличних турбина - Ојлерова једначина за турбине Теорија турбина је заснована на основним једначинама механике флуида: Једначини континуитета