اصل عمل جریان و ویژگی‌های ساختاری هیدروژنراتور واکنشی

توربین واکنشی نوعی ماشین هیدرولیکی است که با استفاده از فشار جریان آب، انرژی هیدرولیکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

(1) سازه. اجزای اصلی سازه‌ای توربین واکنشی شامل رانر، محفظه هدسی، مکانیزم هدایت آب و لوله مکش است.
۱) رانر. رانر جزئی از توربین هیدرولیکی است که انرژی جریان آب را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می‌کند. با توجه به جهت‌های مختلف تبدیل انرژی آب، ساختار رانر توربین‌های واکنشی مختلف نیز متفاوت است. رانر توربین فرانسیس از پره‌های پیچ خورده ساده، تاج چرخ و حلقه پایینی تشکیل شده است. رانر توربین جریان محوری از پره‌ها، بدنه رانر، مخروط تخلیه و سایر اجزای اصلی تشکیل شده است: ساختار رانر توربین جریان مایل پیچیده است. زاویه قرارگیری پره می‌تواند با شرایط کاری تغییر کند و با دهانه پره راهنما مطابقت داشته باشد. خط مرکز چرخش پره یک زاویه مایل (۴۵ تا ۶۰ درجه) با محور توربین تشکیل می‌دهد.
۲) محفظه‌ی لوله‌ی بالارو. وظیفه‌ی آن ایجاد جریان یکنواخت آب به سمت مکانیزم هدایت آب، کاهش اتلاف انرژی و بهبود راندمان توربین هیدرولیکی است. محفظه‌ی مارپیچی فلزی با مقطع دایره‌ای اغلب برای توربین‌های هیدرولیکی بزرگ و متوسط ​​با هد آب بالای ۵۰ متر و محفظه‌ی مارپیچی بتنی با مقطع ذوزنقه‌ای اغلب برای توربین‌هایی با هد آب کمتر از ۵۰ متر استفاده می‌شود.
۳) مکانیزم هدایت آب. این مکانیزم عموماً از تعداد مشخصی پره‌های هدایت جریان ساده و مکانیزم‌های چرخشی آنها که به طور یکنواخت در حاشیه رانر قرار گرفته‌اند، تشکیل شده است. وظیفه آن هدایت یکنواخت جریان آب به رانر و تغییر جریان عبوری توربین هیدرولیک با تنظیم میزان باز شدن پره هدایت کننده است، به طوری که نیازهای بار واحد ژنراتور را برآورده کند. همچنین در حالت کاملاً بسته، نقش آب‌بندی آب را ایفا می‌کند.
۴) لوله مکش. بخشی از انرژی باقی مانده در جریان آب در خروجی رانر مورد استفاده قرار نگرفته است. وظیفه لوله مکش، بازیابی این انرژی و تخلیه آب به پایین دست است. لوله مکش را می‌توان به شکل مخروط مستقیم و شکل منحنی تقسیم کرد. شکل اول ضریب انرژی بالایی دارد و عموماً برای توربین‌های کوچک افقی و لوله‌ای مناسب است. اگرچه عملکرد هیدرولیکی شکل دوم به خوبی مخروط مستقیم نیست، اما عمق حفاری آن کم است و به طور گسترده در توربین‌های واکنشی بزرگ و متوسط ​​استفاده می‌شود.

,

(2) طبقه‌بندی. توربین واکنشی بر اساس جهت جریان آب عبوری از سطح شفت دونده به توربین فرانسیس، توربین مورب، توربین محوری و توربین لوله‌ای تقسیم می‌شود.
۱) توربین فرانسیس. توربین فرانسیس (جریان محوری شعاعی یا فرانسیس) نوعی توربین واکنشی است که در آن آب به صورت شعاعی در اطراف رانر جریان می‌یابد و به صورت محوری جریان می‌یابد. این نوع توربین دارای طیف وسیعی از هد قابل استفاده (۳۰ تا ۷۰۰ متر)، ساختار ساده، حجم کم و هزینه کم است. بزرگترین توربین فرانسیس که در چین به بهره‌برداری رسیده است، توربین نیروگاه برق آبی ارتان با توان خروجی نامی ۵۸۲ مگاوات و حداکثر توان خروجی ۶۲۱ مگاوات است.
۲) توربین جریان محوری. توربین جریان محوری نوعی توربین واکنشی است که در آن آب به صورت محوری به داخل و خارج رانر جریان می‌یابد. این نوع توربین به نوع پروانه ثابت (نوع پروانه پیچشی) و نوع پروانه چرخشی (نوع کاپلان) تقسیم می‌شود. پره‌های نوع اول ثابت هستند و پره‌های نوع دوم می‌توانند بچرخند. ظرفیت تخلیه توربین جریان محوری بزرگتر از توربین فرانسیس است. از آنجا که موقعیت پره توربین روتور می‌تواند با تغییر بار تغییر کند، در طیف وسیعی از تغییر بار راندمان بالایی دارد. مقاومت کاویتاسیون و استحکام مکانیکی توربین جریان محوری از توربین فرانسیس بدتر است و ساختار آن نیز پیچیده‌تر است. در حال حاضر، هد قابل استفاده برای این نوع توربین به بیش از ۸۰ متر رسیده است.
۳) توربین لوله‌ای. جریان آب در این نوع توربین به صورت محوری از جریان محوری به سمت رانر جریان می‌یابد و هیچ چرخشی قبل و بعد از رانر وجود ندارد. محدوده هد بهره‌برداری ۳ تا ۲۰ است. این توربین دارای مزایایی از جمله ارتفاع بدنه کوچک، شرایط جریان آب خوب، راندمان بالا، حجم کم مهندسی عمران، هزینه کم، بدون حلزونی و لوله مکش منحنی است و هرچه هد آب کمتر باشد، مزایای آن آشکارتر است.
با توجه به نحوه اتصال و انتقال ژنراتور، توربین لوله‌ای به نوع لوله‌ای کامل و نوع نیمه لوله‌ای تقسیم می‌شود. نوع نیمه لوله‌ای خود به نوع حبابی، نوع شافتی و نوع امتداد شافت تقسیم می‌شود که در این میان نوع امتداد شافت به شافت شیب‌دار و شافت افقی تقسیم می‌شود. در حال حاضر، پرکاربردترین نوع، نوع لوله‌ای حبابی، نوع امتداد شافت و نوع شافتی است که بیشتر برای واحدهای کوچک استفاده می‌شوند. در سال‌های اخیر، نوع شافتی نیز برای واحدهای بزرگ و متوسط ​​استفاده می‌شود.
ژنراتور واحد لوله‌ای با امتداد محوری در خارج از کانال آب نصب می‌شود و ژنراتور با یک شفت بلند مایل یا شفت افقی به توربین آبی متصل می‌شود. ساختار این نوع امتداد شفت ساده‌تر از نوع حبابی است.
۴) توربین جریان مورب. ساختار و اندازه توربین جریان مورب (که به عنوان مورب نیز شناخته می‌شود) بین فرانسیس و جریان محوری است. تفاوت اصلی این است که خط مرکزی پره رانر با خط مرکزی توربین در زاویه خاصی قرار دارد. با توجه به ویژگی‌های ساختاری، واحد در حین کار اجازه فرو رفتن ندارد، بنابراین دستگاه محافظت از سیگنال جابجایی محوری در ساختار دوم نصب شده است تا از برخورد بین پره و محفظه رانر جلوگیری شود. محدوده هد بهره‌برداری توربین جریان مورب ۲۵ تا ۲۰۰ متر است.

در حال حاضر، بزرگترین توان خروجی نامی تک واحدی توربین شیب‌دار در جهان ۲۱۵ مگاوات (اتحاد جماهیر شوروی سابق) و بالاترین هد بهره‌برداری ۱۳۶ متر (ژاپن) است.