thumb|Kaplanturbin og elektrisk generator fremstilt stilisert og gjennomskåret. «Wicket gate» er det samme som «ledeskovler» på norsk og disse styrer vannstrømmen. I et kraftverk er det ofte to eller flere slike turbiner og hver av hovedkomponentene er gjerne oppstilt i hver sin etasje. thumb|Løpehjulet for en liten francisturbin thumb| Byggingen en vannturbin ved Ganz i Budapest i 1886
En vannturbin er en maskin som omformer energien i strømmende vann til roterende kinetisk energi. Vannturbiner ble utviklet på 1800-tallet, og ble mye brukt til industriell energiforsyning før elektriske kraftsystemer ble oppfunnet. Nå brukes turbiner praktisk talt kun for å generere elektrisk energi via en generator. Vannturbiner installeres som regel i kraftstasjoner med tilknytning til en demning. Termen vannkraftmaskin brukes akademisk i Norge.
Turbinen i et vannkraftverk transformerer energien i vannets strømning over til rotasjonsenergi, og generatorens rotor som turbinen driver, induserer et varierende magnetfelt som gir elektrisk energi. Enkelt sagt har alle turbiner et løpehjul (eller skovl) som vannet strømmer mot, og det skapes dermed en resulterende kraft på hjulets periferi. Ordet turbin henspiller på at maskinene er konstruert for å gi vannet en rotasjonsbevegelse. Selve energioverføringen skjer på grunn av vannets bevegelse og kraft på løpehjulet når det dreier rundt.
Turbintype og ytelse er begge bestemt av vannmengde og fallhøyde. Karakteristiske størrelser for en vannturbin er effekt [MW], vannmengde (slukeevne) [m3/s], turtall [rpm] og fallhøyde [m]. Flere andre parametre finnes også, og tilpasning av turbin og kraftverk til vassdraget er en kompleks teknisk-økonomisk optimalisering.
Det er opp gjennom tidene utviklet mange forskjellige turbintyper, men bare noen få av disse har blitt utviklet til å oppnå en virkningsgrad over 90 %. Det er tre turbintyper som i dag er nesten enerådende, og hver av disse dekker hvert sitt intervall for fallhøyde. Disse tre turbintypene er kaplanturbin (lave fall og stor vannmengde), francisturbin (mellomstore fall) og peltonturbin (store fall og lav vannmengde). Med disse tre typene dekkes en variasjon i fallhøyde fra noen få meter til godt over 1000 meter. Men her er det også store overlappinger i begge ender av intervallene. Det er spesielt for småkraftverk og minikraftverk at noen av de andre turbintypene som er utviklet brukes.
Vannturbiner utmerker seg ved å kreve lite vedlikehold og ha meget lang driftstid. Imidlertid er suspendert materiale (finkornet sand) i vannet en trussel for vannturbinen. Dette fordi selv stål av høy kvalitet slipes av en konstant strøm av små partikler, og en turbin kan bli fullstendig ødelagt av dette. I Norge er det spesielt vann fra isbreer som kan slite turbinene hurtig, men i andre land der elevene har med seg mye mer oppløst stoff kan dette være et enda større problem.
Et vannkraftverk utnytter en del av vannets kretsløp som igjen drives av solen. Vannkraft er dermed en evigvarende energikilde.
Historie Vannhjul har blitt brukt i hundrevis av år som drivkraft i industrien. Deres største ulempe er størrelsen, som begrenser både nyttbar vannmengde og fallhøyden. Overgangen fra vannhjul til moderne turbiner tok om lag hundre år. Utviklingen skjedde under den industrielle revolusjon, ved hjelp av vitenskapelige oppdagelser og metoder. De har også gjort utstrakt bruk av nye materialer og produksjonsmetoder som ble utviklet på den tiden.
Forskjellen på en turbin og et vannhjul Ordet turbin ble introdusert av den franske ingeniøren Claude Burdin tidlig på 1800-tallet og er avledet fra det latinske ordet for «hvirvlende» eller «strømning». Hovedforskjellen mellom tidlig vannturbiner og vannhjul, er at en virvelkomponent (i matematikken brukes det engelske ordet «curl», som også brukes på norsk) av det strømmende vannet overfører energi til en rotor. På grunn av denne ekstra bevegelseskomponent tillates turbinen å være betydelig mindre enn et vannhjul med samme ytelse. Da turbinene ble introdusert kunne de utnytte en større vannmengde ved å rotere raskere, samt at de kunne utnytte mye større fallhøyder. (Senere ble impulsturbiner utviklet som ikke benytter seg av virvel-prinsippet).
Tidslinje thumb|Romersk «turbinmølle» på Chemtou, Tunisia. Den tangentielle vannstrømmen fra kanalen og inn i den sirkelformede sjakten gjorde at det neddykkede horisontale hjulet som satt på en aksel roterte som en virkelig turbin. thumb|Løpehjulet til en Francis turbin, med en ytelse på nesten en million hk (tilsvarer 750 MW), blir installeres på Grand Coulee Dam, USA. thumb|Et propellignende løpehjul med en ytelse på 28 000 hk (tilsvarer 21 MW)
De tidligste kjente vannturbiner som er funnet stammer fra Romerriket. To møller med helix-turbin av nesten identisk konstruksjon ble funnet på Chemtou og Testour, i dagens Tunisia, datert til slutten av 300-tall eller tidlig 400-tall eKr. Et horisontalstilt vannhjulet med skråstilte blader ble installert på bunnen av en vannfylt sirkulær formet sjakt. Det strømmende vannet kom inn i sjakten tangentielt via en kanal, og skapte dermed en virvlende vannmasse som fikk det helt nedsenket hjulet til å opptre som en virkelig turbin .; ;
Johann Segner utviklet en reaktiv vannturbin (Segner hjul) i midten av det 1700-tallet i Kongedømmet Ungarn. Den hadde en vannrett akse, og var en forløper til dagens moderne vannturbiner. Dette er en veldig enkel maskin som fortsatt produseres i dag for bruk i minikraftverk. Segner jobbet sammen med Euler på noen av de tidligste matematiske teorier om turbindesign. På 1700-tallet hadde en viss Dr. Barker oppfunnet en lignende reaksjonshydraulisk turbin som ble brukt under demonstrasjoner i forelesninger. Den eneste kjente overlevende eksempel på denne type maskin som brukes i kraftproduksjon stammer fra 1851,og er funnet på Hacienda Buena Vista i Ponce, Puerto Rico.R. Sackett, s. 16.
I 1820 utvikler Jean-Victor Poncelet en turbin for innoverstrøm.
I 1826 utvikler Benoit Fourneyron en turbin for utoverstrøm. Dette var en maskin med høy virkningsgrad (omtrent 80%) som sendte vann gjennom et løpehjul med bladene buet i samme plan som hjulet. De stasjonære utløpetsskovlene var også buede.
I 1844 utviklet Uriah A. Boyden en turbin for utoverstrøm som forbedret ytelsen til Fourneyronturbinen. Løpehjulet til denne var formet som en francisturbin.
I 1849, James B. Francis forbedret reaksjonsturbinen med innoverstrøm med en virkningsgrad over 90 %. Han gjennomførte også avanserte tester og utviklet tekniske metoder for konstruksjon av vannturbiner. Francisturbinen er oppkalt etter ham, og er den første moderne vannturbin. Dette er fortsatt det mest brukte vannturbin i verden i dag. Francisturbin kalles også en radialstrømnings turbin, ettersom vannet strømmer fra den ytre omkretsen mot sentrum av løpehjulet.
Vannturbiner med innoverstrøm har en bedre mekanisk arrangement og alle moderne reaksjon vannturbiner er konstruert på denne måten. Fordi vannet virvler innover, akselererer det, og overfører energi til løpehjulet. Vannets trykk reduseres til atmosfærisk trykk, eller i noen tilfeller under atmosfærisk trykk, når vannet passerer gjennom bladene og mister sin energi.
Rundt 1890 ble det moderne glidelager (lager med oljefilm mellom de bevegelig og faste deler av stål) oppfunnet, nå brukes disse til å holde oppe tunge løpehjul i vannturbiner. Per 2002, ser det ut til et glidelager har en MTBF på mer enn 1300 år.
Rundt 1913 oppfant Viktor Kaplan turbinen som bærer hans navn, nemlig kaplanturbinen, som er en propell-lignende maskin. Det var en videreutvikling av francisturbinen, men revolusjonert muligheten til å utvikle vannfall med liten fallhøyde.
Forbedring av turbiners virkeområde og virkningsgrad har vært av stor viktighet helt frem til nå. Det er ønskelig at turbintypene skal kunne tilpasses innenfor størst mulige variasjonsområder både når det gjelder fallhøyde og vannmengde. Her er det både design og materialvalg (stållegeringer) som byr på utfordringer. Ved vannkraftlaboratoriet ved Norges tekniske høyskole i Trondheim greide professor Gudmund Sundby på tidlig 1920-tall, sammen med Kværner Brug, å utvikle en francisturbin med en virkningsgrad på nesten 95 %. Dette var flere prosentpoeng over hva som på denne tiden var vanlig. Selv i dag er dette omtrent det høyeste som kan oppnås for en vannturbin av denne typen. Dette mener historikere er starten på norsk turbinindustris verdensledende posisjon.Lars Thune:Statens kraft – Kraftutbygging og samfunnsutvikling. Universitetsforlaget 2006, ISBN 82-15-01054-7
Nytt konsept thumb|Figur hentet fra Lester Peltons opprinnelige patent (oktober 1880) på turbinen som bærer hans navn.
Alle vanlige vannkraftmaskiner inntil slutten av 1800-tallet (inkludert vannhjulet) var i utgangspunktet reaksjonsmaskiner; vanntrykket skapt av fallhøyden virket på maskinen og produsert mekanisk arbeid. En reaksjonsturbin har behov for å fullt ut å inneholde vann for at energioverføringen skal kunne skje.
I California i I 1866 hadde mølleren Samuel Knight oppfunnet en maskin som tok impulssystem til et nytt nivå.W. A. Doble, The Tangential Water Wheel, Transaksjons in American Institute of Mining Engineers, vol. XXIX, 1899.W. F. Durrand, The Pelton Water Wheel, Stanford University, Mechanical Engineering, 1939. Inspirert av høytrykks vannspylesystemer som ble bruket i såkalt hydraulisk gruvedrift for gullutvinning, utviklet Knight et hjul med påmonterte skåler som fanget energien som en fri vannstråle dannet. Vannstrålen hadde han fått fra et vertikalt rør (eller rørgate) som var flere hundre meter høyt og som omdannet potensiell energi til kinetisk energi. Dette kalles en impuls- eller tangentialturbin. Vannet kommer inn med en hastighet som er omtrent det dobbelte av hastigheten til skålene på periferien av hjulet, tar en «u-sving» i skålene og faller ut med lav hastighet.
Lester Pelton (1829-1908) eksperimentere i 1879 med et hjul av samme typen som Knight hadde utviklet, men han utviklet et hjul påmontert en type doble skåler, som sendte vannet ut til sidene. Disse doble skålene hadde i midten en kvass egg som kløyver vannstrålen. Dermed ble virkningsgraden høyere fordi noe av energitapet som hjulet til Knight hadde, ble eliminert. Knights hjul hadde nemmelig den svakheten at noe av vannet som ble sent ut av skålene havnet tilbake mot midten av hjulet. William Doble forbedret rundt 1895 Peltons turbinhjul med halvsylindriske skåler, med å bytte disse ut med elliptisk skåler. Denne nye elliptiske skålene ga han i tillegg et kutt, slik at vannstrålen skulle få et bedre innløp. Forbedringen innebærer at strålen får anledning til å treffe rett på eggen i midten av skålen, uten at noe av strålen blir avskåret av skålen rett foran. Dette er den moderne form av en peltonturbin, og disse oppnår i dag over 90 % virkningsgrad. Pelton hadde vært en ganske effektiv formidler av sitt design, og selv om Doble overtok Peltons selskap, endre han ikke navnet på selskapet til Doble fordi dette merkenavnet allerede var anerkjent.
Turgoturbinen (med halve skåler og vannstråle inn fra siden) og Bankiturbinen (vannstråle gjennom en rottor av vertikalt stilte lameller) var senere oppfinnelser basert på impulsturbin-typen.
Teori for virkemåten Meget enkelt sagt er prinsippet for en vannturbin at strømmende vann ledes til bladene på et løpehjul, og det strømmende vannet resulterer i en kraft på bladene. Siden løpehjulet roterer, virker kraften over en distanse. Kraft som virker over en distanse er selve definisjonen av arbeid, W= F·s, der F er kraft og s er distanse. På denne måte blir energien overført fra vannstrømmen til turbinen. Vannet ledes gjennom et rør fra en dam til turbinen, og den vertikale høydeforskjellen mellom dammen og turbinen kalles for fallhøyden. En turbin omformer vannets potensielle energi til kinetisk energi.
Vannturbiner er delt inn i to grupper; reaksjonsturbiner og impulsturbiner.