Pracovní kapalina obsahuje potenciální energii (tlakovou výšku) a kinetickou energii (rychlostní výšku). Kapalina může být stlačitelná nebo nestlačitelná. K získání této energie využívají turbíny několik fyzikálních principů:
Impulzní turbíny mění směr proudění kapaliny nebo proudu plynu s vysokou rychlostí. Vzniklý impuls roztočí turbínu a proud tekutiny opustí se sníženou kinetickou energií. V lopatkách turbíny (pohyblivých lopatkách) nedochází ke změně tlaku kapaliny nebo plynu jako v případě parní nebo plynové turbíny, veškerý pokles tlaku se odehrává ve stacionárních lopatkách (tryskách). Před dosažením turbíny se tlaková výška kapaliny změní na rychlostní výšku urychlením kapaliny pomocí trysky. Peltonova kola a de Lavalovy turbíny používají výhradně tento proces. Impulsní turbíny nevyžadují tlakovou skříň kolem rotoru, protože proud kapaliny je vytvořen tryskou před dosažením lopatek na rotoru. Druhý Newtonův zákon popisuje přenos energie u impulzních turbín. Impulsní turbíny jsou nejúčinnější pro použití v případech, kdy je průtok nízký a vstupní tlak vysoký.
Reakční turbíny vyvíjejí točivý moment reakcí na tlak nebo hmotnost plynu nebo kapaliny. Tlak plynu nebo kapaliny se mění při průchodu lopatkami rotoru turbíny. K zadržení pracovní kapaliny, která působí na stupeň (stupně) turbíny, je zapotřebí tlaková skříň nebo musí být turbína zcela ponořena do proudu kapaliny (jako je tomu u větrných turbín). Tlaková skříň zadržuje a usměrňuje pracovní kapalinu a u vodních turbín udržuje sání způsobené tažnou trubicí. Tuto koncepci využívají Francisovy turbíny a většina parních turbín. U stlačitelných pracovních kapalin se k účinnému využití expandujícího plynu obvykle používá více stupňů turbíny. Třetí Newtonův zákon popisuje přenos energie u reakčních turbín. Reakční turbíny jsou vhodnější pro vyšší rychlosti proudění nebo pro aplikace, kde je nízký výtlak kapaliny (tlak proti proudu).
V případě parních turbín, které by se používaly pro námořní aplikace nebo pro výrobu elektřiny na souši, by reakční turbína Parsonsova typu potřebovala pro stejný stupeň přeměny tepelné energie přibližně dvojnásobný počet řad lopatek než impulzní turbína de Lavalova typu. Ačkoli je proto Parsonsova turbína mnohem delší a těžší, celková účinnost reakční turbíny je při stejné přeměně tepelné energie o něco vyšší než u ekvivalentní impulzní turbíny.
V praxi moderní konstrukce turbín využívají v různé míře jak reakční, tak impulzní koncepci, kdykoli je to možné. Větrné turbíny využívají k vytváření reakčního vztlaku pohybující se kapaliny a jeho přenášení na rotor aerodynamický kryt. Větrné turbíny také získávají určitou energii z impulsu větru tím, že jej vychylují pod úhlem. Turbíny s více stupni mohou používat buď reakční, nebo impulzní lopatky při vysokém tlaku. Parní turbíny byly tradičně spíše impulzní, ale nadále směřují k reakčním konstrukcím podobným těm, které se používají u plynových turbín. Při nízkém tlaku se pracovní médium při malém snížení tlaku objemově zvětšuje. Za těchto podmínek se lopatky stávají výhradně reakčním typem konstrukce, přičemž základna lopatek je výhradně impulsní. Důvodem je vliv rychlosti otáčení každé lopatky. Se zvětšujícím se objemem se zvětšuje výška lopatky a základna lopatky se otáčí pomaleji než špička. Tato změna otáček nutí konstruktéra přejít od impulzu u základny ke špičce s vysokou reakcí.
Klasické metody návrhu turbín byly vyvinuty v polovině 19. století. Vektorová analýza spojovala proudění tekutiny s tvarem a otáčením turbíny. Zpočátku se používaly grafické metody výpočtu. Vzorce pro základní rozměry částí turbíny jsou dobře zdokumentovány a vysoce účinný stroj lze spolehlivě navrhnout pro jakékoliv podmínky proudění tekutiny. Některé z výpočtů jsou empirické nebo „pravidlové“ vzorce a jiné vycházejí z klasické mechaniky. Stejně jako u většiny technických výpočtů byly použity zjednodušující předpoklady.
Pro výpočet základního výkonu stupně turbíny lze použít rychlostní trojúhelníky. Plyn vystupuje ze stacionárních vodicích lopatek trysky turbíny absolutní rychlostí Va1. Rotor se otáčí rychlostí U. Vzhledem k rotoru je rychlost plynu při dopadu na vstup do rotoru Vr1. Plyn se otáčí rotorem a vzhledem k rotoru vystupuje rychlostí Vr2. V absolutním vyjádření je však výstupní rychlost rotoru Va2. Pomocí těchto různých rychlostních vektorů se sestrojí rychlostní trojúhelníky. Rychlostní trojúhelníky lze sestrojit v libovolném úseku lopatek (například: náboj, špička, střední část atd.), ale obvykle se zobrazují na středním poloměru stupně. Střední výkon stupně lze vypočítat z rychlostních trojúhelníků při tomto poloměru pomocí Eulerovy rovnice:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}.
Tudíž:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}}}
kde:
Δ h {\displaystyle \Delta h}
je měrný úbytek entalpie přes stupeň T {\displaystyle T}
je celková vstupní (nebo stagnační) teplota turbíny u {\displaystyle u}
je obvodová rychlost rotoru turbíny Δ v w {\displaystyle \Delta v_{w}}
je změna vírové rychlosti
Tlakový poměr turbíny je funkcí Δ h T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}}.
a účinnosti turbíny.
Moderní konstrukce turbín přenáší výpočty dále. Výpočetní dynamika tekutin upouští od mnoha zjednodušujících předpokladů používaných k odvození klasických vzorců a počítačový software usnadňuje optimalizaci. Tyto nástroje vedly v posledních čtyřiceti letech k neustálému zlepšování návrhu turbín.
Primární číselnou klasifikací turbíny jsou její specifické otáčky. Toto číslo popisuje otáčky turbíny při její maximální účinnosti vzhledem k výkonu a průtoku. Měrné otáčky jsou odvozeny tak, že jsou nezávislé na velikosti turbíny. Vzhledem k podmínkám proudění tekutiny a požadovaným výstupním otáčkám hřídele lze vypočítat specifické otáčky a zvolit vhodnou konstrukci turbíny.
Specifické otáčky spolu s některými základními vzorci lze použít ke spolehlivému škálování stávající konstrukce se známým výkonem na novou velikost s odpovídajícím výkonem.
Výkon mimo návrh se obvykle zobrazuje jako mapa nebo charakteristika turbíny.
Počet lopatek v rotoru a počet lopatek ve statoru jsou často dvě různá prvočísla, aby se snížily harmonické a maximalizovala frekvence průchodu lopatek.
Počet lopatek v rotoru a počet lopatek ve statoru jsou často dvě různá prvočísla.