Turbiny wodne, czyli silniki przetwarzające energię mechaniczną wody na ruch obrotowy za pomocą wirnika z łopatkami są stosowane w przemyśle już od wielu lat. Już kilkaset lat temu ludzie stosowali w przydomowych rzeczkach koła i młyny wodne, które pomagały wykorzystywać im prąd rzeki do wytwarzania energii. To właśnie koła wodne stały się późniejszym wzorem dla turbin wodnych, które dziś wykorzystywane są w przeróżnych elektrowniach wodnych. Turbiny wodne wykorzystują zarówno energię ciśnienia, jak i energię prędkości wody. To, który rodzaj turbiny zostanie zastosowany ma jednak ogromne znaczenie – w końcu nie każde źródło wody posiada ten sam spad i energię mechaniczną, a zastosowanie konkretnego rodzaju turbiny zależy od tego, w jakiej postaci doprowadza się energię do wirnika. Jak zatem dzielimy turbiny wodne i jak działają poszczególne z nich?
Podział turbin wodnych – turbiny akcyjne
Turbiny akcyjne, znane również w przemyśle jako turbiny natryskowe to te, w których woda zostaje doprowadzona do wirnika pod ciśnieniem atmosferycznym. Turbiny akcyjne wykorzystują do zamiany energii w ruch obrotowy energię kinetyczną wody. Energia ciśnienia wody na wlocie do turbiny zamieniana jest tu w dyszy na energię prędkości. Ta przenoszona jest z kolei na wirnik, w którym następuje zamiana energii kinetycznej wody na energię mechaniczną.
Młyny wodne przemieniające prąd rzeki w energię stosowane są do tej pory.
Działanie turbiny Peltona polega na tym, że woda z prędkością końcową bliską zeru spada w dół w postaci strug. Sam wirnik turbiny został umieszczony tu w powietrzu, dzięki czemu zewnętrzne powierzchnie łopatek nie stykają się z powierzchnią wody. Strumień wody, który wypływa z dyszy może być modyfikowany poprzez przesuwanie osadzonej współosiowo z dyszą iglicy. Rurociągi, które doprowadzają wodę do turbiny Peltona są zwykle bardzo długie, co powoduje konieczność zamykania dyszy przez iglicę bardzo wolno – w przeciwnym wypadku mogłoby nastąpić zbyt duże uderzenie hydrauliczne uszkadzające cały system.
Turbiny Turgo są w swoim działaniu podobne do turbiny Peltona, choć tu kształt łopatek jest nieco inny, a strumień wody nie uderza tu w pojedynczą łopatkę, a w kilka łopatek na raz (na wzór turbin parowych). Strumień cieczy uderza w wirnik zawsze pod kątem 20 stopni, dzięki czemu woda uderza w łopatki z jednej strony i wychodzi po przeciwnej stronie. Zaletą turbin Turgo jest brak ograniczenia wielkości przepływu przez oddziaływanie strumieni padających i odbitych. Z tego też powodu turbiny Turgo mogą być zasilane większą ilością wody niż turbiny Peltona.
Turbina Banki-Michella to specyficzny typ turbiny, która jest właściwie maszyną łączącą funkcje turbin akcyjnych i rekreacyjnych. Woda dopływająca rurociągiem do łopatki kierowniczej, by ta zmieniła jej przekrój wlotowy. Przepływ wody przez wirnik następuje tu od wnętrza wirnika (jak w turbinie Francisa), a następnie do dołu i na zewnątrz (jak w turbinie Peltona).
Podział turbin wodnych – turbiny reakcyjne
Turbiny reakcyjne, nazywane często naporowymi, to turbiny do których wodę doprowadza się pod ciśnieniem wyższym od atmosferycznego. Turbiny te wykorzystują więc zarówno energię ciśnienia wody, jak i jej energię kinetyczną. Ciśnienie wody jest tu na wlocie (w kierownicy) zamieniane jedynie w pewnym stopniu na prędkość. Ciśnienie wody oraz jej prędkość zostają na dalszym etapie obniżone w wirniku, gdzie energia ciśnienia i energia kinetyczna wody zostają zamienione na energię mechaniczną
W przypadku turbiny Francisa, woda do wirnika doprowadzana jest przez metalową spiralę, a następnie transportowana promieniowo przez nastawne łopatki kierownicze umieszczone na obwodzie zewnętrznym wirnika. Wirnik tego typu turbiny składa się z dwóch wieńców połączonych łopatkami tworzącymi charakterystyczne kanały o przekroju zmiennym w kierunku przepływu wody. Warto pamiętać, że łopatki w turbinie Francisa nie są przestawne.
Turbina Kaplana to ta, w której woda doprowadzana jest do spiralnej komory z prędkością c0, by następnie przepłynąć promieniowo po całym obwodzie komory przez nastawne łopatki kierownicze i zwiększyć swoją prędkość do c1 – prędkości, z którą dociera do łopatek turbiny. Następnie po raz kolejny zwiększa swoją prędkość i jest odprowadzana rurą ssącą, która odzyskuje energię straty wylotowej i zwiększa spad użyteczny wody.
Na koniec warto wspomnieć jeszcze o turbinach Deriaza, których wirnik wyposażony jest w łopatki obracane dookoła zamocowanych w piaście czopów z osiami ustawionymi ukośnie do osi wirnika.
