Vodní turbína je točivý mechanický stroj, který přeměňuje kinetickou či tlakovou energii vody na mechanickou energii. Nejčastěji používanými vodními turbínami jsou Kaplanova, Francisova a Peltonova. Vodní turbíny mají obvykle menší otáčky než turbíny parní, proto pak také alternátory s nimi spojené mívají větší počet pólových dvojic, aby vyrobené napětí mělo frekvenci 50 Hz. Např. alternátory v elektrárně v Praze na Štvanici mají 28 pólpárů (56 pólů).

Vodní turbíny můžeme dělit dle různých hledisek:

Jedná se o nejpoužívanější typ turbíny. Turbína je přetlaková, což znamená, že pracovní kapalina (voda) mění tlak během své cesty strojem. Přitom odevzdává svou energii. Francisova turbína je na obr. 41.

Francisovy turbíny se umísťují do betonové, nebo do spirální kašny. Hřídel může být uložen buď horizontálně, nebo vertikálně.

Horizontální Francisova turbína se umísťuje buď ve stěně turbínové kašny naplněné vodou, nebo ve spirální skříni. Voda proudí do rozváděcích lopatek, které jsou regulovatelné a jsou po celém obvodu turbíny. Při průtoku rozváděcími lopatkami získá voda rychlost a směr ke vstupu do oběžného kola. Tvar lopatek oběžného kola závisí na velikosti spádu a průtoku vody. Tam voda předá svoji energii a odtéká do odpadního kanálu. Do odtoku se umísťuje tzv. kolenová savka s kruhovým průřezem, která zajišťuje spolehlivý odtok vody. Protože je konec savky pod vodní hladinou, vzniká v savce podtlak a voda ztrácí rychlost. Koleno savky je buď uvnitř kašny (mokrá savka), nebo ve strojovně (suchá savka).

Vertikální kašnová turbína bývá na dně turbínové kašny s vodou. Hřídel turbíny je ve svislé poloze a vede nahoru do strojovny. Strojovna musí být dostatečně vysoko nad spodní vodou, aby nedošlo k jejímu zatopení. Princip činnosti je stejný jako u turbíny horizontální.

Francisova turbína je vhodná v místech, kde lze zajistit konstantní rozdíl hladin i průtok, pro který je turbína navrhována. Používá se pro střední a větší průtoky a spády. Protože může pracovat i v reverzním čerpadlovém režimu, používá se často zejména u přečerpávacích elektráren.

Francisova turbína je nainstalovaná na jedné z největších vodních elektráren na světě Itaipu. V ČR je například v Hradci Králové, v přečerpávacích elektrárnách Dlouhé Stráně a Štěchovice.

Oběžné kolo může mít buď plechové lopatky zalité do kotouče a věnce kola (starší provedení, menší pevnost kola), nebo lopatky lité z jednoho kusu, které se používají pro kola velká.

Peltonovu turbínu vynalezl Lester Allan Pelton (1829-1908) v roce 1880. Tvar této turbíny je podobný zdokonalenému vodnímu kolu, viz obr. 42.

Voda je přiváděna k turbíně potrubím kruhového průřezu, které vede k jedné nebo více dýzám, které mají též kruhový průřez. Dýzy směřují proud vody na lžícovité (korečkové) lopatky oběžného kola. Voda tedy vstupuje do oběžného kola tangenciálně. Lopatky jsou rozděleny na dvě poloviny břitem, čímž se rozdělí vodní proud na dvě poloviny. Lžícovitý tvar lopatky se přitom snaží otočit směr tekoucí vody zpět. Změna směru způsobí předání energie oběžnému kolu. Voda pak odchází okrajem lopatky s minimální rychlostí do odvodního potrubí a padá do spodní nádrže.

Turbína je hřídelem spojená s rotorem alternátoru, který roztáčí. V alternátoru se indukuje elektrické napětí.

Výkon turbíny lze regulovat zasouváním regulační jehly do dýzy, čímž se ovlivňuje průřez dýzy, a tedy i velikost průtoku. Dýzy i jehly se nejčastěji provádějí v kuželovitém tvaru. K posuvu jehly se používá obvykle servomotor. Pokud je potřeba výkon rychle snížit (např. při výpadku generátoru), provede se odklonění vodního paprsku pomocí deviátoru (najíždí do paprsku z vnitřní strany), nebo deflektoru (najíždí do paprsku z vnější strany), který je umístěný mezi dýzou a oběžným kolem. Je to z toho důvodu, že není možné jehlu vzhledem k vysokému tlaku vody prudce úplně zasunout. Deflektor či deviátor mohou zasáhnout okamžitě a odkloní paprsek vody, přitom se jehla pomalu zasouvá, až úplně uzavře trysku. Po doběhnutí jehly do požadované polohy se deflektor či deviátor opět odkloní. Všechny členy jsou ovládané hydraulickým regulátorem.

Ve videu 3 si lze prohlédnout, jak závisí účinnost a výkon turbíny na průtoku a zasunutí jehly. Tím se řídí i otáčky oběžného kola a výkon.

Značný význam má počet lopatek oběžného kola, který nemá být příliš velký a vychází z těchto požadavků:

Obvyklý počet lopatek bývá 18 až 26 a závisí i na průměru oběžného kola. Kola jsou vyráběna z litiny nebo ocelolitiny.

Peltonova turbína se používá pro velké spády a malé průtoky. Někdy se též osazuje v malých vodních elektrárnách. V ČR je např. v Rudolfově. Několik velkých Peltonových turbín je v elektrárnách v okolí přehrady Grande Dixence ve Švýcarsku, kde se dosahuje spádů až 1 800 m.

Turbínu vynalezl profesor brněnské techniky Viktor Kaplan. Její konstrukce vychází ze starší Francisovy turbíny. V letech 1910 až 1912 navrhl profesor Kaplan nový tvar oběžného kola. První prototyp Kaplanovy turbíny byl vyroben v Brně v roce 1919.

Turbína je přetlaková axiální. Je vrtulová a má menší počet lopatek rozváděcího i oběžného kola (obvykle 3 až 10), které jsou navíc natáčivé. Díky tomu lze turbínu velmi dobře regulovat. To se dá využít především tam, kde není možné zajistit stálý průtok nebo spád. Lopatky oběžného kola jsou většinou odlité z nerezové oceli nebo ocelolitiny.

Model Kaplanovy turbíny ve vodní elektrárně Štěchovice je na obr. 43.

Má vyšší účinnost než Francisova turbína, je ale výrazně složitější a dražší. Používá se hlavně pro malé spády (již od 1 m) přibližně do 70 m a průtoky v řádech 10^-1–10² m³.s^-1. Je použita např. ve VE Orlík, Štěchovice, Slapy, Lipno, ale též Gabčíkovo. Často se využívá též v malých vodních elektrárnách.

Hřídel může být ve svislé (většinou u velkých elektráren) i ve vodorovné (spíše u malých VE) poloze.