Nejstaršími vodními motory v historii lidstva se stala dřevěná vodní kola, tj. vodorovné hřídele opatřené na obvodě lopatkami. Už v antice je používali Řekové a později i Římané. Od římského architekta a "inženýra" Vitruvia, žijícího v 1. stol. př. n. l., známe první popis takovéhoto kola. Z popisu je zřejmé, že se jednalo o vodní kolo na spodní pohon, tzn. že nápor tekoucí vody působil jen na několik spodních lopatek. Účinnost tohoto druhu vodního kola byla velmi nízká a tak se jeho výstupní výkon pohyboval kolem 0,37 kW (což odpovídá výkonu ruční elektrické vrtačky).

Schéma vodního kola podle Vitruvia.
Vlevo vlastní kolo, vpravo ozubený převod a nahoře mlýn.

Proto přibližně ve 2. století n. l. se v kopcovitých oblastech začalo používat vodní kolo na vrchní pohon. Zde se využilo většího vodního spádu, kdy svoji energii předávala kolu i padající voda. Tady už maximální výkon dosahoval asi 2 kW (což např. odpovídá výkonu soustruhu). Během středověku pak tento výkon vzrostl až na "neuvěřitelných" 37 kW a umožnil tak založit slávu mnoha mlýnů, hamrů a mnoha dalších řemesel. Teoretické zdůvodnění výhod tohoto druhu vodního kola však přišlo až v 18. století.

Přesto francouzský vojenský inženýr Jean Victor Poncelet (1788 - 1867) vymyslel vodní kolo na spodní pohon, které dosahovalo účinnosti téměř 70 %! Jak toho dosáhl? Velmi jednoduše: rovné lopatky nahradil lopatkami zakřivenými! Tato kola se sice velmi rychle rozšířila ale ani to nestačilo. A tak jiný francouzský "voják", Claude Burdin (1790 - 1873) kolo dále zdokonalil a jako první použil název turbína (z latinského turbo - otáčím). Jeho žák, Benoit Fourneryon (1802 - 1867), získal první cenu vypsanou francouzskou Akademií věd za nejúčinnější vodní motor roku 1832. Jeho první turbína, navržená pro francouzské železárny, už dosahovala 60 otáček za minutu při výkonu 40 kW. Později stavěl turbíny pracující při 2 300 otáčkách za minutu a dávající výkon 45 kW. Účinnost těchto turbín přesahovala 80 %.

Navzdory této pozoruhodné účinnosti Fourneryonova turbína vykazovala určité nedostatky vyplývající z radiálního výstupu proudu vody procházejícího turbínou. A tak americký inženýr anglického původu James Bicheno Francis (1815 – 92) zkonstruoval svoji turbinu tak, že ve své podstatě původní Fourneryonovu turbínu obrátil “naruby”: vodu nechal vstupovat věncem rozváděcích lopatek zvenčí do oběžného kola, které se otáčelo uvnitř prstence s rozváděcími lopatkami. Z oběžného kola vystupovala voda ve směru osy (axiálně). Protože u této turbíny do oběžného kola vstupuje voda s vyšším tlakem, než s jakým z něho dole vytéká, je Francisova turbína turbínou přetlakovou.

Oběžné kolo francisovy turbíny o výkonu 1,42 MW
(z původní elektrárny na pražském ostrově Štvanice z let 1913 - 1914)

Díky správnému zakřivení lopatek, ke kterému dospěl na mnoha modelech, dosáhly hned jeho první turbíny z roku 1850 účinnosti vyšší než u jeho předchůdců. Přesto se jim Evropa tvrdošíjně vyhýbala, protože jejich konstrukci zpočátku nikdo nedokázal prověřit výpočtem. Teprve po řadě zdokonalení a zejména když německý profesor R. Fink u ní roku 1878 použil natáčivé rozváděcí lopatky, umožňující regulovat průtok vody oběžným kolem, rozšířily se Francisovy turbíny po celém světě.

Schéma Peltonovy turbíny.
Vlevo ostřikovací tryska s regulační jehlou.

V roce 1829 se americkému farmáři v Ohiu narodil syn Lester. Po studiích a mnoha životních peripetiích se tento Lester Allen Pelton dostal do Camptonville v Nevadě, kde se začalo těžit zlato. Doly používaly k těžbě zlata všechny tehdejší možnosti. Přemýšlivému Lesterovi se však nelíbilo, že doly na výrobu páry pro parní stroje spotřebovaly velké množství dřeva a že okolní lesy rychle ubývaly, přičemž řeka Yuba tudy protékala bez valného užitku. V roce 1878 experimentoval s několika typy vodních kol. Traduje se, že ten správný nápad dostal, když stříkající hadicí zaháněl krávu a proudem vody se jí strefil mezi nozdry: vodní pramen se tak rozdělil, otočil téměř o 180 ° a vrátil se po vnějším okraji nozder zpět. Zda tato historka je skutečná nebo vymyšlená, těžko dnes posoudit. Je však jisté, že lopatky Peltonovy turbiny jsou dvojité (jako dvě naběračky vedle sebe) a vracejí proud vody zpět, čímž využívají velkou část kinetické energie proudící vody, která je přiváděna z vysoce položené nádrže a proudí na lopatky regulovatelnou tangenciální tryskou (později i několika tryskami). Účinnost těchto turbín je kolem 90 %. Protože se Peltonovy turbíny používají pro vysoké spády (dosahují hodnoty až 1 km), kdy výtoková rychlost vody je až 500 km/hod., musejí být tyto turbíny vybaveny zařízením (tzv. odchylovač vodního paprsku), které v případě potřeby odchýlí vodní paprsek mimo lopatky turbíny (voda nejde “zavřít”, protože silný dynamický ráz by měl za následek roztržení potrubí).

Patnáctitunové oběžné kolo Peltonovy turbíny, které svými 13 680 kW do roku 1987
zásobovala 16 000 domácností v Nevada City
(převzato z http://www.coolspots.com/spots/nev/page209601.html)

Účinnost předchozích turbín dosahuje až 90 %. To ale platí jen za předpokladu optimálního průtoku vody. Při sníženém průtoku se účinnost rapidně snižuje. To byl hlavní důvod, proč začal profesor Vysoké školy technické v Brně inženýr Viktor Kaplan (1876 – 1934) Francisovu turbínu upravovat. Tak dlouho rozšiřoval její protáhlé mezilopatkové kanály, až nakonec dospěl k oběžnému kolu ve tvaru lodního šroubu s natáčivými lopatkami. Právě natáčením lopatek oběžného kola lze podle měnícího se průtoku vody optimálně nastavovat nátokové úhly vodního proudu a zachovat tak vysokou účinnost i při polovičním průtoku. Patentové řízení probíhalo v letech 1912 - 1913 a první turbina tohoto typu začala pracovat roku 1918 v přádelně v rakouském Ulmu, první turbína na území tehdy nové Československé republiky byla instalována roku 1921 v Poděbradech.

Schéma Kaplanovy turbíny.
Voda prochází radiálním rozváděcím kolem s natáčecími
lopatkami na axiální otočné kolo s 3 - 10 natáčecími lopatkami.

Jak to bývá, i v tomto případě se vynálezce a jeho vynález stali terčem kritiky, přestože praxe potvrdila její přednosti. Nicméně jeden vážný problém Kaplan musel řešit: byla to “nemoc”, která postihovala ploché lopatky oběžných kol, tzv. kavitace. Účinkem sání (podtlaku) se totiž voda na spodní části lopatek vypařuje (vaří), vzniklé bublinky páry a plynů putují do míst vyššího tlaku kde zaniknou při implozi, což má za následek jednak poměrně nebezpečné vibrace a jednak silnou korozi. Zatímco vynálezce se pod tíhou boje i praktických problémů zdravotně zhroutil, jeho turbína nakonec zvítězila.

Model Kaplanovy turbíny v Národním technickém muzeu v Praze.
Na rozdíl od expozice v NTM bývá většinou svislá.
(obr. převzat z "dobře utajené" stránky http://www.ntm.cz/ak-39.htm)

TVývoj současných hydraulických turbín se štěpí do dvou skupin. V prvém případě směřuje trend ke stále většímu spádu a stále větším jednotkám. Kaplanovy turbíny jsou nyní používány do spádu až 70 m (Orlická přehrada 70,5 m), Francisovy turbíny do 610 m. Největší spád na světě (asi 1 770 m) používá Peltonova turbína v rakouském Reissecku, největší samostatná jednotka je v Itaipuu v Brazílii, kde je 18 Francisových turbín o 700 MW (celkem tedy 12 600 MW).

Obří hydroelektrárna  Itaipu v Brazílii na řece Parama
(převzato ze stránky http://www.abb.com/global/abbzh/abbzh260.nsf?OpenDatabase&db=
/global/abbzh/ABBZH262.nsf&v=e&e=us&c=1545DF11BFE94889C1256833006CB3A4)

Na druhé straně se obnovují “malé vodní elektrárny” postavené do 30. let nebo se budují nové. I když jejich provoz není tak levný jako jejich velkých “kolegyň”, přece jen ubývání fosilních paliv a šetrnost k přírodě začínají být dostatečnými důvody.