Реактивная гидротурбина с вертикальным валом. Вода поступает вначале в спиральную камеру, окружающую направляющий аппарат, и затем — через каналы между неподвижными лопатками направляющего аппарата на рабочее колесо турбины. Лопасти колеса имеют специальную форму, вода проходит по суживающимся каналам и сливается вдоль вертикальной оси вниз, во всасывающую трубу. Лопатки направляющего аппарата можно поворачивать с помощью специального механизма, который называется сервомотором. Этим суживаются или расширяются каналы направляющего аппарата и меняется количество воды, пропускаемое на рабочее колесо, а значит — и мощность турбины.
На рисунке показана схема лопастной реактивной турбины. Ее колесо имеет так же, как и колесо активной турбины, множество лопастей специальной формы. Вокруг колеса помещается неподвижный металлический пояс, направляющий аппарат, разделенный перегородками на каналы особой формы. Вода поступает сразу во все каналы кожуха (как показано стрелками) и движется вдоль каналов сразу на все лопасти колеса.
Обратите внимание, как эти лопасти устроены: они выгнуты так, что проход между ними суживается к центру колеса. Кроме того, «узкие горлышки» оказываются направленными не по радиусу, а как бы отогнутыми в сторону от него. Вот и получается, что вода, попадая на колесо, проходит но суживающимся каналам между лопастями, постепенно ускоряясь, а выходит она с лопастей под некоторым углом к радиусу, вызывая тот же эффект, что и в «сегнеровом колесе»: как бы отталкиваясь от лопастей, вода их вращает. И чем больше вода «разгоняется» в суживающихся каналах лопастей, тем больше та реактивная сила, которая отталкивает колесо, вращает его. Так как поступление и истечение воды идет непрерывно, — колесо непрерывно вращается. При этом всё колесо всегда залито водой.
Можно подводить воду и так, что ось колеса будет вертикальной, как это делается, например, в турбине Днепровской гидроэлектростанции.
Весьма большое распространение получил еще один вид реактивных гидротурбин — пропеллерные, и прежде всего с поворачивающимися лопастями.
Такими турбинами оборудуется сейчас Куйбышевская и другие гидроэлектростанции.
Пропеллерная турбина имеет вертикальный вал, заканчивающийся втулкой, напоминающей головку снаряда. Ко втулке прикрепляется несколько пропеллерных лопастей (крыльев), причем с помощью специального механизма допускается поворот лопастей вокруг своей оси, так что они могут принимать разный угол наклона. Вода на такое колесо падает сверху, проходя через каналы направляющего аппарата. Когда вода скользит по винтовым поверхностям лопастей, она их отталкивает и тем самым вращает вал гидротурбины.
Поворотное устройство для лопастей сделано потому, что для получения разных мощностей требуется разное количество воды, а при этом и разный угол наклона лопастей, при котором данное количество лучше всего используется турбиной. Тогда вода будет экономно расходоваться, а турбина всегда будет работать с высоким коэффициентом полезного действия.
Поворотное устройство усложняет и удорожает турбину, поэтому его делают только для мощных турбин. Для турбин малых, которые ставят, например, на колхозных электростанциях, используют пропеллерные турбины без поворотного устройства лопастей.
Коэффициент полезного действия лучших современных гидравлических турбин доходит до 94 %, то есть почти вся энергия падающей воды используется для получения механической работы вращения. Размеры крупных современных гидротурбин очень велики. Так, например, диаметр рабочего колеса поворотно-лопастной турбины мощностью в 100 тысяч киловатт равен 9 метрам.
Современные гидротурбины — это сложные металлические сооружения. В Советском Союзе производство гидротурбин было начато в 1924 году.
Первые турбины обладали мощностью в 50—100 киловатт (68—136 лошадиных сил). Их мощность была в 10–20 раз выше мощности обычного водяного колеса.
Рабочее колесо с поворачивающимися лопастями пропеллерной гидротурбины Куйбышевской ГЭС.
Но наша промышленность недолго задерживалась на таких турбинах. Уже в 1927 году гидротурбины стали выпускать мощностью в 3700 киловатт (5032 лошадиных силы), а в 1930–1933 годах до 15 000 киловатт (20 400 лошадиных сил).
Казалось бы, если один водяной двигатель — турбина — дает свыше 20 000 лошадиных сил в то время, как простое водяное колесо дает всего 5–6 лошадиных сил, — это ли не вершина техники?