Основой изучения работы 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, определяется расходом воды через турбину Q, высотой между уровнем воды в верхнем по течению бассейне (верхнем бьефе) и уровнем воды в нижнем по течению бассейне (нижнем бьефе) (напором турбины) H в месте сооружения плотины. Разность уровней верхнего и нижнего бассейнов называется напором.
Мощность потока в створе (кВт) можно определить посредством расхода Q (мЗ/с) и напора H (м):
P = 9,81QH.
В двигателях ГЭС можно использовать только часть мощности потока воды в створе из-за неизбежных потерь мощности в гидротехнических сооружениях, турбинах и генераторах, учитываемых коэффициентом полезного действия 
. Таким образом, приближенно мощность ГЭС
Р = 9,81 Q Н .
Годовая выработка электроэнергии ГЭС (кВт·ч) определяется как
,
где Qi –средний годовой расход реки на i-том рассматриваемоммучастке, м3/с; Нi – падение уровня реки (напор) на i-том участке, м; n – число участков; 8760 – число часов в году.
Напор Н увеличивают на равнинных реках с помощью плотины (рис. 3.21 а), а в горных местностях строят специальные обводные каналы, называемые деривационными (рис. 3.21 б). Деривационная схема позволяет получить сосредоточенный перепад (напор) путем отвода воды из естественного русла по искусственному водоводу, имеющему меньший продольный уклон. Благодаря этому уровень воды в конце водовода оказывается выше уровня воды в реке; эта разность уровней и является напором гидроэлектростанции.
Рис.3. 21. Схема создания напора:
а - с помощью плотины; б - с помощью деривационного канала:
1 - канал; 2 - напорный бассейн; 3 - турбинные водоводы; 4 - здание ГЭС; 5 - русло реки; 6 – плотина
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 (рис. 3.22).
Рис. 3.22. Общий вид рабочих колес гидротурбин:
а - схема турбинной установки; 1 –бассейн верхнего уровня (бьефа); 2 – турбинный трубопровод; 3 - сопло; 4 - рабочее колесо; 5 - кожух; 6 – регулировочная игла (отклонитель); 7 - лопасти (ковши); б) – радиально-осевое; в – пропеллерное; г) – поворотно-лопастное; д) – двухперовое;
е) - диагональное
В ковшовой активной турбине (рис. 3.22 а) потенциальная энергия гидростатического давления в суживающейся насадке (сопле) полностью превращается в кинетическую энергию движения воды. Рабочее колесо турбины 4 выполнено в виде диска, по окружности которого расположены ковшеобразные лопасти. Вода, огибая поверхности лопастей, меняет направление движения. При этом возникают центробежные силы, действующие на поверхности лопастей, и энергия движения воды преобразуется в энергию вращения колеса турбины.
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 (отклонитель 6) (рис. 3.22), 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 турбины. Рабочее колесо реактивной турбины в отличие от активной полностью находится в воде, т.е. поток воды поступает одновременно на все лопасти рабочего колеса.
У радиально-осевых турбин (рис. 3.22 б) лопасти рабочего колеса имеют сложную кривизну, поэтому вода, поступающая с направляющего аппарата, постепенно меняет направление с радиального на осевое. Такие турбины используют в широком диапазоне напоров от 30 до 600 м. В настоящее время созданы уникальные радиально-осевые турбины мощностью 700 МВт.
Пропеллерные турбины (рис. 3.22 в) обладают простой конструкцией и высоким КПД, однако у них с изменением нагрузки КПД резко уменьшается.
У поворотно-лопастных гидротурбин (рис.3.22 г) в отличие от пропеллерных лопасти рабочего колеса поворачиваются при изменении режима работы для поддержания высокого значения КПД.
Двухперовые турбины (рис. 3.22 д) имеют спаренные рабочие лопасти, что позволяет повысить расход воды. Широкое применение их ограничено конструктивными сложностями.
Сложная конструкция свойственна также диагональным турбинам (рис. 3.22 е), у которых рабочие лопасти поворачиваются относительно своих осей.
Радиально-осевые турбины установлены на Братской, Красноярской ГЭС и др. Поворотно-лопастными турбинами оборудованы Куйбышевская, Волгоградская, Каховская и Кременчугская ГЭС и др.
На электрических станциях турбина и генератор связаны общим валом. Частоты их вращения не могут выбираться произвольно. Они зависят от числа пар полюсов ротора генератора (р) и частоты переменного тока (f), которая должна соответствовать стандартной и определяется по формуле
.
Кроме того, необходимо учитывать, что при небольших частотах вращения турбины получаются громоздкими и дорогими. Чтобы получить скорости агрегатов, близкие к оптимальным, при больших напорах используют турбины с малыми значениями коэффициента быстроходности, а при небольших напорах - большими значениями этого коэффициента.
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;
- приплотинные.
При напоре до 30 м здание станции, как и плотина, воспринимает напор и располагается в русле реки. Такие ГЭС называются русловыми. Так как с ростом напора увеличивается объем строительныхработ по сооружению зданий русловых гидроэлектростанций, то при напорах, превышающих 25 - 30 м, здание станции помещается за плотиной. Такие ГЭС называются приплотинными. На них весь напор воспринимается плотиной.