Среди всех типов электрических машин гидрогенераторы занимают особое место. Это связано с тем, что будучи, как и турбогенераторы, наиболее мощными электрическими машинами, они в то же время характеризуются весьма низкими номинальными частотами вращения и потому превосходят все другие электрические машины по значениям вращающихся моментов, по своим радиальным размерам и габаритам, массам вращающихся частей и общим массам машин, динамических моментам инерции, нагрузкам на подшипники, расходам охлаждающего агента.

Размеры гидрогенераторов – самых материалоемких и трудоемких электрических машин – определяют значительную длительность цикла их производства, необходимость использования при этом большого числа специального измерительного инструмента, создаваемых заново для каждого нового типа машин.

Для изготовления гидрогенераторов требуется разнообразный парк станков, в том числе и некоторых уникальных, мощное крановое, прессовое, кузнечное и термическое оборудование, наличие развитых вспомогательных специализированных производств – литейного, сварочного, штамповочного, изоляционного и др.

Поскольку размеры и массы гидрогенераторов не позволяют транспортировать их в собранном виде до гидроэлектростанций , основные работы по сборке всех крупных узлов и машин в целом осуществляются при монтаже гидрогенераторов и представляют собой, по существу, продолжение начатого на заводе производственно-технологического процесса.

Создание и ввод в эксплуатацию гидрогенератора – одни из центральных этапов в сооружении гидроэлектростанции, строительство которой всегда является значительным событием в развитии целого экономического района.

Гидрогенераторы являются типичными представителями машин мелкосерийного или единичного производства, так как по условиям водотока для каждой строящейся ГЭС требуется, как правило, новый тип агрегата. Поэтому номенклатура выпускаемых гидрогенераторов постоянно обновляется, что позволяет с учетом накапливаемого опыта и достижений в смежных областях техники совершенствовать конструкции гидрогенераторов быстрее, чем других крупных электрических машин.

Все это вместе взятое делает гидрогенераторостроение в известной мере престижной отраслью крупного электромашиностроения, об уровне которого в целом судят по достижениям в области производства гидрогенераторов.

Несмотря на разнообразие конструкций гидрогенераторов, до настоящего времени отсутствует их классификация, что связано с трудностями выделения важнейших признаков, определяющих основные исполнения. Обычно в качестве таких признаков указывает число и расположение подшипников относительно ротора, а также системы охлаждения и возбуждения.

Одним из главных факторов, определяющих конструкцию гидрогенератора, является, безусловно, положение оси его валопровода. По этому признаку все гидрогенераторы могут быть разбиты на две группы: вертикальные и горизонтальные.

Подавляющее большинство гидрогенераторов выполняется с вертикальным валом, что обусловлено спецификой привода – гидравлической турбины, нерентабельностью, а во многих случаях и невозможностью создания гидрогенераторов больших размеров в горизонтальном исполнении по условиям обеспечения необходимых жесткостей статора и ротора, а также выполнения подшипников соответствующей грузоподъемности. Сборка, эксплуатация и ремонт крупных вертикальных машин осуществляются значительно легче, чем горизонтальных. Однако вертикальное положение валопровода приводит к появлению в конструкции гидрогенератора опорных элементов – подпятника и во многих случаях опорной крестовины, которые должны быть рассчитаны на восприятие усилий от массы вращающихся частей генератора и турбины, а также от реакций воды на ее рабочее колесо.

В свою очередь, вертикальные гидрогенераторы подразделяются на два основных типа: зонтичный, с расположением подпятника под роторам на нижней крестовине или на подставке, на крышке турбины, и подвеской , с подпятником, устанавливаемым над ротором, на верхней крестовине. Не существует четкой границы между областями применения этих двух исполнений вертикальных гидрогенераторов, во многих случаях оба могут быть использованы. Для генераторов с низкими и средними частотами вращения (до 150 об/мин) характерно в основном зонтичное исполнение, хотя имеются примеры его реализации при значительно более высоких частотах вращения, и отмечается постепенный переход к зонтичному исполнению все более быстроходных машин. Последние изготовляются, как правило, подвесного типа.

В зарубежной практике иногда различают зонтичное и полузонтичное исполнения, понимания при этом под первым выполнение ротора в виде усеченного конуса благодаря изогнутой.

Горизонтальное исполнение до недавнего времени применялось в основном для быстроходных гидрогенераторов, спариваемых, как правило, с одной или двумя (по обе стороны агрегата) ковшевыми турбинами. Горизонтальные гидрогенераторы при достаточно высоких частотах вращения оказываются более компактными и легкими по сравнению с вертикальными.

К горизонтальному расположению вала прибегали также при создании некоторых типов небольших прямоточных и приплотинных установок, не получивших, однако, сколько-нибудь существенного распространения и не имеющих большого энергетического значения. Вместе с тем развитие работ по прямоточным машинам привело к созданию нового типа энергетического оборудования – капсульного гидроагрегата, состоящего из капсульного гидрогенератора и поворотно-лопастной турбины, совмещенных в одном корпусе и расположенных под водой.

Такие агрегаты нашли широкое применение для низконапорных русловых, а также приливных ГЭС. Они характеризуются относительно небольшими частотами вращения и искусственно уменьшенными у генераторов радиальными размерами, что достигается использованием более эффективных, принудительных систем охлаждения. Единичная мощность капсульных гидроагрегатов не превышает 50МВт, однако при необходимости она может быть значительно повышена.

Обоим известным исполнениям вертикальных гидрогенераторов соответствуют свои модификации капсульных машин: подвесному – конструктивная схема с размещением подпятника и контрподпятника между турбиной и генератором, зонтичному – компоновка с расположением подпятника и контрподпятника со стороны, противоположной турбине.

Известны также весьма редкие установки небольших гидроагрегатов с наклонной осью.

Наряду с положением оси вращения в качестве другого классификационного признака для гидрогенераторов может быть предложена и их функциональная роль в энергосистеме. В этом плане все гидрогенераторы делятся на две группы: генераторы обычного исполнения, предназначенные в основном для выработки в сеть электрической энергии, и обратимые машины, в различное время работающие в генераторном (турбинном) или двигательном (насосном) режиме.

Оснащенные обратимыми гидроагрегатами гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), называемые иногда также насосно-аккумулирующим (НАЭС), служат для покрытия пиков нагрузки энергосистем либо переводятся в режим потребления активной мощности, выравнивания общий график нагрузки системы и перекачивая при этом воду из нижнего бассейна в верхний.

Обратимые гидроагрегаты в зависимости от того, совмещают или нет входящие в них единицы оборудования различные функции, могут быть четырехмашиными, трехмашиными и двухмашинными. Последние (турбина – насос и генератор – двигатель), как наиболее компактные, дешевые и простые в обслуживании, обычно предпочтительнее и с освоением обратимых машин нашли самое широкое применение.

Обратимые гидрогенераторы могут быть вертикальными и горизонтальными, зонтичными и подвесными. Особенности капсульных генераторов изложены ниже.

Заслуживает быть отмеченным отдельно, несмотря на пока единичный пример осуществления (Иовская ГЭС), асинхронизированный тип гидрогенератора (АС-генератор), позволяющий в отличие от обычных синхронных машин при вращении агрегата с различными скольжениями относительно синхронной скорости обеспечивать постоянную и номинальную частоту сети. Достигается это созданием бегущего относительно ротора с частотой скольжения магнитного поля возбуждения.

От обычных машин АС-гидрогенераторы Иовской ГЭС отличаются конструкцией ротора, выполненного неявнополюсным и снабженного двумя распределнными обмотками, сдвинутыми относительно друг друга на 90 электрических градусов. Быстродействующая система регулирования тока возбуждения в каждой из обмоток по определенным законом автоматически обеспечивает равенство частоты вращения поля ротора относительно самого ротора (с учетом ее направления) разности синхронной частоты и частоты вращения ротора.

По сравнению с обычными машинами, имеющими те же номинальные данные, АС – генераторы характеризуются несколько большими размерами и стоимостью, меньшим КПД и затрудненными условиями обслуживания, так как требуют для замены стержней любой обмотки выема ротора или подъема статора, но обладают и значительными преимуществами в отношении устойчивости их работы в сети. Асинхронизированные генераторы могут найти применение в системах, где требуется особо высокая точность поддержания частоты.

На выбор основных размеров гидрогенераторов влияет большое число факторов: требования к параметрам и режимам работы, условия охлаждения, размещения и компоновки генератора, характеристики используемых материалов и т.д. Но наиболее важными, определяющими ограничениями при проектировании каждого нового типа гидрогенератора являются следующие:

1. Уровень нагрева активных частей, и в первую очередь обмотки статора, являющейся, как правило, лимитирующей в тепловом отношении, не должен превышать допустимых значений. При системе косвенного воздушного охлаждения это требование практически сводится к тому, что градиент перепада температуры в изоляции обмотки статора должен находиться в известных пределах, определяемых характеристиками самой изоляции.

В отдельных случаях при повышенных требованиях в отношении значения синхронного индуктивного сопротивления по продольной оси, а также в ряде мощных быстроходных гидрогенераторов лимитирующей в тепловом отношении может оказаться обмотка возбуждения.

2. Гидрогенератор должен быть рассчитан на заданную угонную частоту вращения ( – коэффициент угона). При этом средние механические напряжения во всех элементах ротора, в том числе и в его обычно наиболее напряженном узле-ободе, не должен превосходить предела текучести материалов (принимаемый запас составляет, как правило, не менее 10-20%), а упругая радиальная деформация не должна достигать определенной доли размера воздушного зазора.

3. По условиям статической и динамической устойчивости работы генераторов на линию электропередачи их основные индуктивные сопротивления – синхронное   и переходное    -не должны превышать заданных значений. Величина  определяется в значительной мере линейной нагрузкой статора А и поэтому оказывает большое влияние на размеры машин. Синхронное индуктивное сопротивление, будучи функцией размера воздушного зазора, влияет на требуемую мощность возбуждения и нагрев обмотки ротора и потому также может сказываться на выборе основных размеров гидрогенератора.

4. По условиям регулирования гидравлической турбины, прочности напорного турбопровода и ограничения максимального повышения частоты вращения при сбросах нагрузки динамический момент инерции гидрогенератора  должен быть не менее определенного значения. Одной из задач конструктора является достижение последнего соответствующим выбором размеров генератора без искусственного утяжеления ротора.