Основой изучения работы гидравлических электрических станций (ГЭС), преобразующих энер­гию воды в электрическую энергию, является наука, на­зываемая гидравликой; она включает в себя гидростати­ку, изучающую равновесие жидкостей, и гидродинамику, изучающую движение жидкостей.

Мощность потока воды, протекающего через некото­рое сечение (створ), зависит от расхода воды, вы­соты между уровнем воды в верхнем по течению бас­сейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по те­чению бассейне (нижнем бьефе) в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассей­нов называется напором. Мощность потока в створе (К_вт) зависит от расхода и напора.

В двигателях ГЭС используется только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, эти потери учитываются коэффициентом полезного действия.

Напор увеличивают на равнинных реках с помощью плотины, а в горных местностях строят спе­циальные обводные каналы, называемые деривационны­ми.

В гидравлических турбинах преобразуется энергия воды в механическую энергию вращения вала турбины. Турбина называется активной, если используется дина­мическое давление воды, и реактивной, если использует­ся статическое давление при реактивном эффекте.

Если скорость движения воды, вытекающей из турби­ны, равна нулю, то вся кинетическая энергия воды, не считая потерь, превращается в механическую энергию турбины.

Внутри сопла расположена регулирующая игла, перемещением которой меняется выходное сечение сопла, а следовательно, и расход воды.

В реактивной гидравлической турбине на лопа­стях рабочего колеса преобразуется как кинетическая, так и потенциальная энергия воды в механическую энер­гию турбины. Вода, поступающая на рабочее колесо тур­бины, обладает избыточным давлением, которое по мере протекания воды по проточному тракту рабочего колеса уменьшается. При этом вода оказывает реактивное давление на лопасти турбины и слагающая потенциальной энергии воды превращается в механическую энергию ра­бочего колеса турбины.

За счет кривизны лопастей изменяется направление потока воды, при котором, как и в активной турбине, кинетическая энергия воды в результате действия цен­тробежных сил превращается в механическую энергию.

На электрических станциях турбина и генератор свя­заны общим валом. Частоты их вращения не могут выби­раться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора и частоты переменного тока, которая должна соответствовать стандартной.

В последнее время стали применяться горизонтальные агрегаты (капсульные), в которых генератор заключен в герметичную капсулу, обтекаемую водой. КПД таких агрегатов выше (95 – 96 %) благодаря лучшим гидравли­ческим условиям обтекания. Такими агрегатами обору­дованы, например, Киевская и Каневская ГЭС.

При сооружении ГЭС обычно решают комплекс на­роднохозяйственных задач, в который, помимо выработки электрической энергии, входит регулирование стока воды и улучшение судоходства реки, создание орошаемых мас­сивов, развитие энергоемких производств, использующих местное сырье, и т.д.

На равнинных реках ГЭС с плотинной схемой концен­трации напора разделяются на два типа: русловые и приплотинные. В настоящее время на равнинных реках сооружают станции, напор которых достигает 100 м, например, на Братская ГЭС, построенная на Ангаре.