Гидравлическая турбина — ротационный двигатель, превращающий механическую энергию воды, движущейся под напором, в энергию вращающегося вала. Основной рабочей частью гидротурбины является рабочее колесо, где происходит преобразование энергии. По принципу действия бывают активные и реактивные гидротурбины. В первом случае вода к рабочему колесу подается через сопла, при этом давление воды перед колесом и за ним равно атмосферному. В реактивных гидротурбинах вода подводится через направляющий аппарат, здесь давление воды перед колесом всегда больше атмосферного. За рабочим колесом давление воды в этом случае может быть больше или меньше атмосферного. На всех этапах человеческого развития водяные турбины играли важную роль. Долгие годы водяные машины служили основным источником энергии, правда, с изобретением тепловых и электрических двигателей сфера их применения значительно сузилась. Но и в этом случае, в местах с дешевыми гидроресурсами очень часто предпочтение отдавали водяным двигателям, т.к. они не требовали топлива, имели простую конструкцию и довольно высокий КПД. С изобретением водяных турбин и началом электрификации развернулось строительство гидроэлектростанций. На долю гидротурбин и сегодня приходится значительная часть производства электроэнергии во всем мире.
Прежде, чем появилась водяная турбина, человечество изобрело водяное колесо, которое успешно использовали еще в глубокой древности. Колеса отличались по конструкции и делились на нижнебойные и верхнебойные. Принцип работы нижнебойных или подливных колес состоял в том, что вода подтекала под колеса и ударяла в лопатки, после чего они начинали вращаться. КПД такого устройства был самый низкий, так как зависел лишь от силы напора воды. Правда, для их работы не требовалось строительства плотин или каналов. Мощность верхнебойных или наливных колес была выше. Устройство такого колеса заключалась в том, что по ободу барабана или большого колеса крепился ряд ковшей. Сверху из желоба в ковши наливалась вода. Когда верхний ковш наполнялся водой, он под своей тяжестью опускался вниз, при этом тянул весь обод. В результате начинало вращаться колесо, на место первого ковша приходил второй, который тоже наполнялся водой и опускался, а на его место приходил следующий пустой ковш. В нижней точке обода вода выливалась. Кроме силы напора воды в наливных колесах использовался и вес падающей воды, что увеличивало их эффективность по сравнению с подливными. Однако наливные колеса имели низкую скорость вращения, большие габариты и для их работы требовалось строительство каналов, плотин и прочих сооружений. Водяное колесо насаживалось на вал, который начинал вращаться вместе с колесом и приводил в движение молоты, насосы, ткацкие станки и прочие механизмы.
В 1750 году венгерский ученый Сегнер предложил новую модель водяного двигателя, где помимо напора и веса воды использовалась и сила реакции, которую создавал поток воды. Сосуд, в который сверху поступала вода, был соединен с осью. Внизу находились крестообразные трубки, концы которых были загнуты в одну сторону. Поступавшая в сосуд вода вытекала через трубки, создавая силу реакции, действующую во всех трубках в одну сторону и приводившую во вращательное движение все колесо. Немецкий математик Эйлер высоко оценил колесо Сегнера, высказав при этом ряд замечаний по снижению потерь энергии. В частности, горизонтальные водовыпускные трубки Эйлер предлагал заменить трубками криволинейной формы, направленными сверху вниз, а воду можно было подводить к колесу в направлении вращения и со скоростью вращения. Французский математик Понселе предложил новую конструкцию подливных колес. Лопатки колеса имели особую полукруглую форму, благодаря чему подводимая вода проходила вверх по лопатке, потом опускалась и выходила наружу. В этом случае при входе исключался удар воды о лопатки и потеря энергии водяной струи. КПД колеса достигало 70%. В 1832 году французский инженер Фурнейрон создал гидротурбину, КПД которой составило 80%. Это изобретение сыграло важнейшую роль в дальнейшем развитии турбостроения.
В XIX веке появилось несколько видов гидротурбин, которые условно делились на 2 основных типа: струйные и реактивные. Прообразом струйных турбин были нижнебойные колеса. Принцип работы состоял в том, что под сильным напором струя воды ударяла в лопатки колеса, в результате чего оно начинало вращаться. Реактивные турбины, получившие широкое распространение в ХХ веке, — это усовершенствованное колесо Сегнера. В 1884 году Пельтон усовершенствовал струйную турбину, заменив гладкие и плоские лопатки колеса на вогнутые, с острым ребром в середине, внешне они напоминали 2 соединенные вместе ложки. Работа воды практически полностью была направлена на вращения колеса, потери были минимальные, КПД турбины приближалось к 85%. В ХХ веке гидротурбины нашли широчайшее применение для выработки электроэнергии.
