หลักการทำงานและลักษณะโครงสร้างของการไหลเข้าของน้ำในเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากังหันแบบตอบโต้

กังหันน้ำแบบสวนทางเป็นเครื่องจักรไฮดรอลิกชนิดหนึ่งที่ใช้แรงดันจากการไหลของน้ำในการแปลงพลังงานน้ำเป็นพลังงานกล

(1) โครงสร้าง ส่วนประกอบโครงสร้างหลักของกังหันน้ำแบบโต้กลับ ได้แก่ ใบพัด ห้องผันน้ำ กลไกนำทางน้ำ และท่อส่งน้ำ
1) ใบพัด (Runner) ใบพัดเป็นส่วนหนึ่งของกังหันน้ำที่แปลงพลังงานจากการไหลของน้ำให้เป็นพลังงานกลแบบหมุน โครงสร้างของใบพัดของกังหันน้ำแบบต่างๆ จะแตกต่างกันไปตามทิศทางการแปลงพลังงานน้ำ ใบพัดของกังหันฟรานซิสประกอบด้วยใบพัดบิดเกลียวที่ลื่นไหล มงกุฎ วงแหวนด้านล่าง และส่วนประกอบแนวตั้งหลักอื่นๆ ใบพัดของกังหันแบบไหลตามแนวแกนประกอบด้วยใบพัด ตัวใบพัด และกรวยระบายน้ำ และส่วนประกอบหลักอื่นๆ โครงสร้างของใบพัดกังหันแบบไหลตามแนวทแยงมีความซับซ้อนกว่า มุมการวางใบพัดสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามสภาพการทำงานและเข้ากับช่องเปิดของใบพัดนำทาง เส้นศูนย์กลางการหมุนของใบพัดจะทำมุมเฉียง (45°-60°) กับแกนของกังหัน
2) ห้องเบี่ยงน้ำ หน้าที่ของห้องนี้คือการทำให้การไหลของน้ำเข้าสู่กลไกนำน้ำเป็นไปอย่างสม่ำเสมอ ลดการสูญเสียพลังงาน และเพิ่มประสิทธิภาพของกังหัน กังหันขนาดใหญ่และขนาดกลางมักใช้ปลอกโลหะหน้าตัดวงกลมสำหรับกังหันที่มีระดับความสูงเหนือระดับน้ำ 50 เมตร และใช้ปลอกคอนกรีตหน้าตัดสี่เหลี่ยมคางหมูสำหรับกังหันที่มีระดับความสูงต่ำกว่า 50 เมตร
3) กลไกนำน้ำ โดยทั่วไปประกอบด้วยใบพัดนำน้ำรูปทรงเพรียวบางจำนวนหนึ่งและกลไกการหมุนของใบพัดเหล่านั้น ซึ่งจัดเรียงอย่างสม่ำเสมออยู่รอบขอบของใบพัด หน้าที่ของมันคือการนำน้ำให้ไหลเข้าสู่ใบพัดอย่างสม่ำเสมอ และโดยการปรับช่องเปิดของใบพัดนำน้ำ จะเปลี่ยนอัตราการไหลของน้ำในกังหันให้ตรงกับความต้องการโหลดของชุดเครื่องกำเนิดไฟฟ้า และยังทำหน้าที่ป้องกันน้ำรั่วเมื่อปิดสนิทอีกด้วย
4) ท่อระบายน้ำ (Draft tube) กระแสน้ำที่ไหลออกจากใบพัดยังคงมีพลังงานส่วนเกินที่ยังไม่ได้ถูกใช้ หน้าที่ของท่อระบายน้ำคือการนำพลังงานส่วนนี้กลับมาใช้ใหม่และระบายน้ำออกไปทางด้านล่าง ท่อระบายน้ำแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ แบบกรวยตรงและแบบโค้ง แบบกรวยตรงมีค่าสัมประสิทธิ์พลังงานสูงและโดยทั่วไปเหมาะสำหรับกังหันแนวนอนและกังหันแบบท่อขนาดเล็ก ส่วนแบบกรวยโค้งมีประสิทธิภาพทางไฮดรอลิกต่ำกว่าแบบกรวยตรง แต่มีระยะการขุดที่ตื้นกว่า และใช้กันอย่างแพร่หลายในกังหันน้ำวนขนาดใหญ่และขนาดกลาง

(2) การจำแนกประเภท ตามทิศทางแกนของการไหลของน้ำผ่านใบพัด กังหันแบบกระแทกแบ่งออกเป็นกังหันฟรานซิส กังหันแบบไหลเฉียง กังหันแบบไหลตามแนวแกน และกังหันแบบท่อ
1) กังหันฟรานซิส (Francis turbine) กังหันฟรานซิส (แบบไหลตามแนวรัศมีหรือฟรานซิส) เป็นกังหันแบบสวนทางที่น้ำไหลจากเส้นรอบวงของใบพัดไปยังทิศทางตามแนวแกน กังหันชนิดนี้สามารถใช้งานได้ในช่วงระดับความสูงของน้ำที่กว้าง (30-700 เมตร) มีโครงสร้างที่เรียบง่าย ปริมาตรเล็ก และต้นทุนต่ำ กังหันฟรานซิสที่ใหญ่ที่สุดที่ใช้งานในประเทศจีนคือโรงไฟฟ้าพลังน้ำเออร์ตัน ซึ่งมีกำลังการผลิตตามกำหนด 582 เมกะวัตต์ และกำลังการผลิตสูงสุด 621 เมกะวัตต์
2) กังหันน้ำแบบไหลตามแนวแกน กังหันน้ำแบบไหลตามแนวแกนเป็นกังหันน้ำแบบสวนทางที่น้ำไหลเข้าจากทิศทางตามแนวแกนและไหลออกจากใบพัดในทิศทางตามแนวแกนเช่นกัน กังหันชนิดนี้แบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบใบพัดคงที่ (แบบสกรู) และแบบใบพัดหมุน (แบบคาปลัน) ใบพัดของแบบแรกจะคงที่ ส่วนใบพัดของแบบหลังสามารถหมุนได้ ความสามารถในการส่งผ่านน้ำของกังหันน้ำแบบไหลตามแนวแกนนั้นมากกว่ากังหันฟรานซิส เนื่องจากใบพัดของกังหันแบบใบพัดสามารถเปลี่ยนตำแหน่งได้ตามการเปลี่ยนแปลงของภาระ จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่าในช่วงการเปลี่ยนแปลงภาระที่กว้างกว่า ประสิทธิภาพในการป้องกันการเกิดโพรงอากาศและความแข็งแรงเชิงกลของกังหันน้ำแบบไหลตามแนวแกนนั้นด้อยกว่ากังหันฟรานซิส และโครงสร้างก็ซับซ้อนกว่าด้วย ปัจจุบัน ระดับความสูงที่ใช้งานได้ของกังหันชนิดนี้อยู่ที่ 80 เมตรขึ้นไป
3) กังหันน้ำแบบท่อ กระแสน้ำของกังหันน้ำชนิดนี้ไหลออกจากใบพัดในแนวแกน โดยไม่มีการหมุนก่อนและหลังใบพัด ช่วงระดับความสูงที่ใช้งานได้คือ 3-20 กังหันน้ำชนิดนี้มีข้อดีคือ ความสูงน้อย สภาพการไหลของน้ำดี ประสิทธิภาพสูง ใช้โครงสร้างทางวิศวกรรมโยธาน้อย ต้นทุนต่ำ ไม่จำเป็นต้องใช้ท่อโค้งหรือท่อส่งน้ำแบบโค้ง และยิ่งระดับความสูงต่ำ ข้อดีก็ยิ่งชัดเจนมากขึ้น
กังหันแบบท่อแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ แบบไหลผ่านเต็มที่และแบบไหลผ่านบางส่วน ตามการเชื่อมต่อเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและโหมดการส่งกำลัง กังหันแบบไหลผ่านบางส่วนยังแบ่งย่อยออกเป็นแบบทรงกลม แบบเพลา และแบบเพลาต่อขยาย โดยแบบเพลาต่อขยายยังแบ่งออกเป็นสองประเภท คือ แกนเฉียงและแกนแนวนอน ปัจจุบัน กังหันแบบทรงกลม แบบเพลาต่อขยาย และแบบเพลาแนวตั้งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด ส่วนใหญ่ใช้ในหน่วยผลิตไฟฟ้าขนาดเล็ก ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แบบเพลาได้ถูกนำมาใช้ในหน่วยผลิตไฟฟ้าขนาดใหญ่และขนาดกลางมากขึ้นด้วย
เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบต่อเพลาทรงท่อจะติดตั้งอยู่นอกทางน้ำ และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเชื่อมต่อกับกังหันด้วยเพลาเอียงที่ยาวกว่าหรือเพลาแนวนอน โครงสร้างแบบต่อเพลานี้เรียบง่ายกว่าแบบทรงกระบอก
4) กังหันน้ำแบบไหลเฉียง โครงสร้างและขนาดของกังหันน้ำแบบไหลเฉียง (เรียกอีกอย่างว่าแบบทแยงมุม) อยู่ระหว่างกังหันน้ำแบบไหลผสมและแบบไหลตามแนวแกน ความแตกต่างหลักคือเส้นศูนย์กลางของใบพัดทำมุมกับเส้นศูนย์กลางของกังหันในระดับหนึ่ง เนื่องจากลักษณะโครงสร้างดังกล่าว กังหันน้ำจึงไม่สามารถจมลงขณะทำงานได้ ดังนั้นจึงมีการติดตั้งอุปกรณ์ป้องกันสัญญาณการเคลื่อนที่ตามแนวแกนไว้ในโครงสร้างส่วนที่สองเพื่อป้องกันอุบัติเหตุที่ใบพัดและห้องใบพัดชนกัน ช่วงระดับน้ำใช้งานของกังหันน้ำแบบไหลเฉียงอยู่ที่ 25～200 เมตร