En arbejdsvæske indeholder potentiel energi (trykhøjde) og kinetisk energi (hastighedshøjde). Fluidet kan være kompressibelt eller inkompressibelt. Flere fysiske principper anvendes af turbiner til at opsamle denne energi:
Impulsturbiner ændrer strømningsretningen for en væske eller gasstråle med høj hastighed. Den resulterende impuls drejer turbinen og efterlader væskestrømmen med formindsket kinetisk energi. Der sker ingen trykændring af væsken eller gassen i turbinebladene (de bevægelige blade), som i tilfælde af en damp- eller gasturbine, idet alt trykfaldet finder sted i de stationære blade (dyserne). Før den når frem til turbinen, ændres væskens trykhoved til hastighedshoved ved at accelerere væsken med en dyse. Peltonhjul og de Laval-turbiner anvender udelukkende denne proces. Impulsturbiner kræver ikke en trykkappe omkring rotoren, da væskestrålen skabes af dysen, inden den når frem til rotorens blade. Newtons anden lov beskriver energioverførslen for impulsturbiner. Impulsturbiner er mest effektive til brug i tilfælde, hvor flowet er lavt og indgangstrykket højt.
Reaktionsturbiner udvikler drejningsmoment ved at reagere på gassens eller væskens tryk eller masse. Gasens eller væskens tryk ændres, når den passerer gennem turbinens rotorblade. Der er behov for en trykkappe for at holde arbejdsvæsken inde, når den virker på turbinetrinene, eller turbinen skal være helt nedsænket i væskestrømmen (som f.eks. ved vindmøller). Kabinettet indeholder og leder arbejdsvæsken og opretholder for vandmøllers vedkommende det sug, der kommer fra trækrøret. Francis-turbiner og de fleste dampturbiner anvender dette koncept. For kompressible arbejdsvæsker anvendes der normalt flere turbinetrin for at udnytte den ekspanderende gas effektivt. Newtons tredje lov beskriver energioverførslen for reaktionsturbiner. Reaktionsturbiner er bedre egnede til højere strømningshastigheder eller anvendelser, hvor væskens højde (opstrøms tryk) er lav.
For dampturbiner, som f.eks. anvendes til marine anvendelser eller til elproduktion på land, vil en reaktionsturbine af Parsons-typen kræve ca. dobbelt så mange bladrækker som en impulsturbine af de Laval-typen for at opnå den samme grad af omdannelse af termisk energi. Dette gør Parsons-turbinen meget længere og tungere, men den samlede virkningsgrad af en reaktionsturbine er lidt højere end den tilsvarende impulsturbine for samme termiske energiomdannelse.
I praksis anvender moderne turbinedesigns både reaktions- og impulskoncepter i varierende grad, når det er muligt. Vindmøller anvender en flyveplade til at generere et reaktionsløft fra den bevægelige væske og overføre det til rotoren. Vindmøller får også en vis energi fra vindens impuls ved at afbøje den i en vinkel. Turbiner med flere trin kan anvende enten reaktions- eller impulsblade ved højt tryk. Dampturbiner har traditionelt været mere impulsdrevne, men bevæger sig stadig i retning af reaktionsdrevne konstruktioner svarende til dem, der anvendes i gasturbiner. Ved lavt tryk udvider driftsvæskemediet sig i volumen for små trykreduktioner. Under disse forhold bliver skråbladet udelukkende en reaktionskonstruktion, hvor basen af bladet udelukkende er af impulstypen. Årsagen er virkningen af rotationshastigheden for hvert blad. Efterhånden som volumenet øges, øges bladets højde, og bladets bund drejer med en langsommere hastighed i forhold til spidsen. Denne ændring i hastighed tvinger en konstruktør til at skifte fra impuls ved basen til en spids med høj reaktionsstil.
De klassiske turbinedesignmetoder blev udviklet i midten af det 19. århundrede. Vektoranalyse satte fluidstrømningen i forbindelse med turbinens form og rotation. I begyndelsen blev der anvendt grafiske beregningsmetoder. Formler for de grundlæggende dimensioner af turbinedele er veldokumenterede, og en meget effektiv maskine kan konstrueres pålideligt for enhver væskestrømningstilstand. Nogle af beregningerne er empiriske formler eller tommelfingerregler, og andre er baseret på klassisk mekanik. Som med de fleste tekniske beregninger er der gjort forenklende antagelser.
Velocity triangles can be used to calculate the basic performance of a turbine stage. Gasen kommer ud af de stationære turbinedyse-ledeskærme med absolut hastighed Va1. Rotoren roterer med hastigheden U. I forhold til rotoren er gassens hastighed, når den rammer rotorens indgang, Vr1. Gassen drejes af rotoren og kommer ud, i forhold til rotoren, med hastigheden Vr2. I absolutte tal er rotorens udgangshastighed dog Va2. Hastighedstrekanten er konstrueret ved hjælp af disse forskellige hastighedsvektorer. Hastighedstrekanten kan konstrueres på et hvilket som helst sted i bladet (f.eks. nav, spids, midtersektion osv.), men vises normalt ved den gennemsnitlige radius. Den gennemsnitlige ydelse for scenen kan beregnes ud fra hastighedstrianglerne ved denne radius ved hjælp af Euler-ligningen:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}
Herfra:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}
hvor:
Δ h {\displaystyle \Delta h}
er det specifikke enthalpidrop over fase T {\displaystyle T}
er den totale temperatur (eller stagnationstemperatur) ved turbinens indgang u {\displaystyle u}
er turbinens rotorperiferihastighed Δ v w {\displaystyle \Delta v_{w}}
er ændringen i hvirvelhastighed
Turbinens trykforhold er en funktion af Δ h T {\displaystyle {\frac {\frac {\Delta h}{T}}}
og turbinens virkningsgrad.
Det moderne turbinedesign fører beregningerne videre. Computational fluid dynamics gør op med mange af de forenklende antagelser, der anvendes til at udlede de klassiske formler, og computersoftware letter optimeringen. Disse værktøjer har ført til stadige forbedringer i turbinedesignet i løbet af de sidste fyrre år.
Den primære numeriske klassifikation af en turbine er dens specifikke hastighed. Dette tal beskriver turbinens hastighed ved maksimal effektivitet i forhold til effekt og strømningshastighed. Den specifikke hastighed er afledt til at være uafhængig af turbinens størrelse. I betragtning af væskestrømningsforholdene og den ønskede akseludgangshastighed kan den specifikke hastighed beregnes og et passende turbinedesign vælges.
Den specifikke hastighed kan sammen med nogle grundlæggende formler anvendes til pålideligt at skalere et eksisterende design med kendt ydelse til en ny størrelse med tilsvarende ydelse.
Den specifikke ydeevne vises normalt som et turbinekort eller en karakteristik.
Tallet af blade i rotoren og antallet af lameller i statoren er ofte to forskellige primtal for at reducere overtonerne og maksimere bladgennemløbsfrekvensen.