Реактивными называют турбины, в которых рабочее колесо находится целиком в потоке воды под напором и приводится во вращение реактивным давлением струй, протекающих между его изогнутыми лопатками, причем это давление передается на все лопатки одновременно. Рабочее колесо насажено, как правило. на вертикальный вал, через который приводится в действие электрический генератор.
Наиболее распространенными реактивными турбинами явится радиально-осевые турбины (РО) и поворотно-лопастные (ПЛ). Реже применяются пропеллерные турбины (ПР) (рис. 14.2). У турбин РО лопасти рабочего колеса неподвижно закреплены на ободе, а у турбин ПР - на втулке. У турбин ПР лопасти могут вращаться в цапфах и в зависимости от напора и расхода занимать положение, обеспечивающее наибольший коэффициент полезного действия турбины. Разновидностью поворотно-лопастной турбины являются: двухперовая турбина (рис. 14.2 г), у которой к одной цапфе прикреплены две лопасти, и диагональная поворотно-лопастная турбина (рис. 14.2 д).

Рис. 14.2. Рабочие колеса реактивных турбин.
а - радиально-осевой; б - пропеллерной; в - поворотно-лопастной; г - двухперовой поворотно-лопастной; д - диагональной поворотно-лопастной.

Гидротурбинная установка с реактивной турбиной (рис.14.3) имеет следующие основные элементы: рабочее колесо, направляющий аппарат, турбинную камеру и отсасывающую трубу.

Рис. 14.3. Гидротурбинная установка с реактивной турбиной.
1 - камера водоприемника; 2 - статор турбины; 3 - направляющий аппарат; 4 - генератор; 5-рабочее колесо турбины; 6 - турбинная (спиральная) камера; 7 - отсасывающая труба.

        Направляющий аппарат служит для изменения расхода воды, поступающей на рабочее колесо, с целью регулирования мощности турбины и поддержания постоянным числа ее оборотов, что обусловлено необходимостью обеспечения стабильной скорости вращения генератора, от которого зависит частота вырабатываемого электрического тока (принятая в СССР повсеместно частота переменного тока составляет 50 периодов в секунду). Поэтому число оборотов турбины в минуту не может быть произвольным, а выбирается по конструкции генератора. На наших заводах выпускают гидроагрегаты со следующим числом оборотов в минуту: 300, 250, 214, 187,5, ..., 88,3, 75, 60, 50 и другими, согласно справочникам. Максимальные допустимые в практике отклонения от нормального числа оборотов турбины в ту или другую сторону не должны превышать 5 - 6 %.
        Для выполнения этого условия необходимо, чтобы расход воды через турбину в каждый момент соответствовал мощности, отдаваемой генератором. При нарушении этого соответствия и уменьшении нагрузки генератора турбина, обладая излишней мощностью, пойдет в разгон; при увеличении нагрузки на генератор турбина из-за недостатка мощности не в состоянии будет обеспечить генератору нормальное число оборотов, из-за чего последний не даст нормального напряжения и требуемой мощности.
        Конструктивно направляющий аппарат состоит из системы лопаток, окружающих рабочее колесо турбины. Каждая лопатка укреплена на вертикальной оси и может на ней поворачиваться, но таким образом, что одновременно все лопатки поворачиваются один и тот же угол. Вода на турбину может поступать только из щели между лопатками, а если направляющий аппарат вести в такое положение, при котором соседние лопатки сомкнутся друг с другом, то доступ воды на рабочее колесо будет прекращен и турбина остановится. Время полного открытия или закрытия турбины колеблется от 3 до 8 с в зависимости от мощности масляного сервомотора автоматического регулятора.
        Турбинная камера является местом непосредственной установки турбины в здании ГЭС. Именно через эту камеру вода поступает к направляющему аппарату и далее на рабочее колесо турбины. Различают открытые и закрытые турбинные камеры.
        Открытые турбинные камеры (рис. 14.4) обычно применяют при напорах не выше 6-8 м и при небольших диаметрах рабочих колес. Потолок открытой камеры, как правило, находится выше свободной поверхности воды в камере. В плане такие камеры имеют прямоугольную, квадратную и криволинейную формы.

Рис. 14.4. Схема реактивной водяной турбины с открытой турбинной камерой.
1 - рабочее колесо; 2 - вал рабочего колеса; 3 - крышка турбины; 4 - направляющий аппарат; 5 - коническая отсасывающая труба; 6 - открытая турбинная камера.

Турбины средней и большой мощности устанавливают в спиральных закрытых камерах, обеспечивающих равномерную подачу воды по всей окружности направляющего аппарата (см. рис. 14.3). С этой целью сечение спиральной камеры постепенно уменьшают например так, как это показано на рис. 14.5.

Рис. 14.5. Спиральная турбинная камера из армированного бетона.
А - план, б - продольный разрез, в - поперечные сечения (1, 2, 3,..., 8).

При напорах до 25 м спиральные камеры изготавливают из железобетона, а на высокое напорных ГЭС их делают металлическими в виде улитки (рис. 14.6).

Рис. 14.6. Металлическая спиральная турбинная камера.

       Отсасывающая труба служит для отвода воды от реактивной турбины. Необходимость такой трубы вызывается следующими обстоятельствами.
        Реактивная водяная турбина обычно располагается выше уровня воды в нижнем бьефе на некоторой минимальной высоте hs над ним (см. рис. 14.4). Чтобы при этом избежать потери в напоре ГЭС, равные этой высоте hs, и хотя бы частично использовать кинетическую энергию потока, сходящего с лопастей рабочего колеса турбины, к выходному отверстию турбинной камеры присоединяется специальная труба, уходящая своим другим концом под уровень воды нижнего бьефа. Таким образом вода, выходя из рабочего колеса реактивной турбины, попадает не в атмосферу, а проходит в нижний бьеф через отсасывающую трубу, заполняя ее полностью. Использование в турбине напора hs обусловливается тем, что в отсасывающей трубе благодаря ее герметичности и погружению под уровень нижнего бьефа всегда имеется разрежение (вакуум).
        Этот вакуум равен hs +v21/2g - (v22/2g + h ) и складывается из статического вакуума hs и динамического понижения давления v21/2g, уменьшенного на величину v22/2g + h )- где v1 -скорость потока при входе в отсасывающую трубу; v2 -скорость потока при выходе из нее; v21/2g и v22/2g -соответствующие потери напора (на входе и выходе); h - потери напора в самой трубе. При отсутствии отсасывающей трубы, помимо hs, терялся бы весь скоростной напор v21/2g в виде кинетической энергии воды, выходящей с рабочего колеса турбины. Придание трубе конической формы (расширения к выходу) приводит к тому, что v22/2g < v21/2g , т. е. к уменьшению в ней потерь напора по сравнению с цилиндрической ее формой. Отсюда нетрудно видеть, что отсасывающая труба позволяет частично использовать и кинетическую энергию выходящего из турбины водного потока.
        По форме отсасывающие трубы бывают прямоосными (рис. 14.4) и изогнутыми (рис. 14.3). Выбор формы трубы для конкретной ГЭС зависит от напора, а также от типа, быстроходности и размеров турбины.