Een werkende vloeistof bevat potentiële energie (drukhoogte) en kinetische energie (snelheidshoogte). De vloeistof kan samendrukbaar of onsamendrukbaar zijn. Turbines maken gebruik van verschillende fysische principes om deze energie te verzamelen:
Impulsturbines veranderen de stroomrichting van een vloeistof- of gasstraal met hoge snelheid. De resulterende impuls laat de turbine draaien en laat de vloeistofstroom achter met verminderde kinetische energie. Er is geen drukverandering van de vloeistof of het gas in de turbinebladen (de bewegende bladen), zoals in het geval van een stoom- of gasturbine, alle drukverlaging vindt plaats in de stationaire bladen (de straalpijpen). Alvorens de turbine te bereiken, wordt de drukhoogte van de vloeistof veranderd in snelheidshoogte door de vloeistof met een mondstuk te versnellen. Peltonwielen en de Laval-turbines maken uitsluitend gebruik van dit proces. Impulsturbines hebben geen drukhuis rond de rotor nodig, aangezien de vloeistofstraal door het mondstuk wordt gecreëerd alvorens de bladen op de rotor te bereiken. De tweede wet van Newton beschrijft de overdracht van energie voor impulsturbines. Impulsturbines zijn het meest efficiënt voor gebruik in gevallen waar het debiet laag is en de inlaatdruk hoog.
Reactieturbines ontwikkelen een koppel door te reageren op de druk of massa van het gas of de vloeistof. De druk van het gas of de vloeistof verandert wanneer het door de rotorbladen van de turbine gaat. Een drukomhulsel is nodig om de werkende vloeistof te bevatten terwijl deze op de turbinetrap(pen) inwerkt, of de turbine moet volledig in de vloeistofstroom worden ondergedompeld (zoals bij windturbines). Het omhulsel bevat en geleidt de werkvloeistof en houdt, voor waterturbines, de zuigkracht in stand die door de trekbuis wordt uitgeoefend. Francis-turbines en de meeste stoomturbines maken gebruik van dit concept. Voor samendrukbare werkvloeistoffen worden gewoonlijk meerdere turbinetrappen gebruikt om het expanderende gas efficiënt te benutten. De derde wet van Newton beschrijft de overdracht van energie voor reactieturbines. Reactieturbines zijn beter geschikt voor hogere stroomsnelheden of toepassingen waarbij de vloeistofkop (stroomopwaartse druk) laag is.
In het geval van stoomturbines, zoals die gebruikt zouden worden voor toepassingen op zee of voor elektriciteitsopwekking aan land, zou een reactieturbine van het Parsons-type ongeveer het dubbele aantal bladrijen vereisen als een impulsturbine van het de Laval-type, voor dezelfde mate van thermische energieomzetting. Hoewel dit de Parsons-turbine veel langer en zwaarder maakt, is het totale rendement van een reactieturbine iets hoger dan dat van de equivalente impulsturbine voor dezelfde thermische energieomzetting.
In de praktijk maken moderne turbineontwerpen waar mogelijk in verschillende mate gebruik van zowel reactie- als impulsconcepten. Windturbines gebruiken een aërodynamisch profiel om een reactielift van de bewegende vloeistof op te wekken en aan de rotor te geven. Windturbines winnen ook energie uit de impuls van de wind, door deze onder een hoek af te buigen. Turbines met meerdere trappen kunnen zowel reactie- als impulsrotoren onder hoge druk gebruiken. Stoomturbines waren van oudsher meer impulsgestuurd, maar evolueren steeds meer naar reactieontwerpen die vergelijkbaar zijn met die welke in gasturbines worden gebruikt. Bij lage druk expandeert het werkende medium in volume voor kleine drukverlagingen. Onder deze omstandigheden wordt de schoep strikt een reactietype ontwerp met de basis van de schoep uitsluitend impuls. De reden hiervoor is het effect van de rotatiesnelheid van elke schoep. Als het volume toeneemt, neemt de bladhoogte toe, en de basis van het blad draait met een lagere snelheid ten opzichte van de tip. Deze verandering in snelheid dwingt een ontwerper over te schakelen van impuls aan de basis, naar een tip met hoge reactie-stijl.
De klassieke methoden voor het ontwerpen van turbines werden ontwikkeld in het midden van de 19e eeuw. Vectoranalyse relateerde de vloeistofstroming met turbinevorm en rotatie. Grafische berekeningsmethoden werden aanvankelijk gebruikt. De formules voor de basisafmetingen van turbineonderdelen zijn goed gedocumenteerd en een zeer efficiënte machine kan betrouwbaar worden ontworpen voor elke vloeistofstromingstoestand. Sommige berekeningen zijn empirische of “vuistregel”-formules, andere zijn gebaseerd op de klassieke mechanica. Zoals bij de meeste engineeringberekeningen zijn vereenvoudigende veronderstellingen gemaakt.
Snelheidsdriehoeken kunnen worden gebruikt om de basisprestaties van een turbinetrap te berekenen. Het gas verlaat de stationaire schoepen van het turbinestraalmondstuk met absolute snelheid Va1. De rotor roteert met snelheid U. Ten opzichte van de rotor is de snelheid van het gas bij het botsen op de ingang van de rotor Vr1. Het gas wordt door de rotor gedraaid en verlaat het, ten opzichte van de rotor, met snelheid Vr2. In absolute termen is de uittredesnelheid van de rotor echter Va2. De snelheidsdriehoeken worden geconstrueerd met behulp van deze verschillende snelheidsvectoren. Snelheidsdriehoeken kunnen op elke doorsnede van de schoepen worden geconstrueerd (bijvoorbeeld naaf, tip, middengedeelte enz.), maar worden gewoonlijk weergegeven bij de gemiddelde radius van de trap. De gemiddelde prestatie van de trap kan worden berekend uit de snelheidsdriehoeken, bij deze straal, met behulp van de Euler vergelijking:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}
Hieruit volgt:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}
waar:
Δ h {\displaystyle \Delta h}}
de specifieke enthalpieval in fase T {4295>
de totale (of stagnatie) temperatuur aan de ingang van de turbine u {{displaystyle u}
de omtreksnelheid van de rotor Δ v w {{displaystyle \Delta v_{w}}
is de verandering in wervelsnelheid
De turbinedrukverhouding is een functie van Δ h T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}
en het rendement van de turbine.
De moderne turbineontwerpen gaan verder met de berekeningen. Computationele vloeistofdynamica rekent af met veel van de vereenvoudigende aannames die werden gebruikt om klassieke formules af te leiden en computersoftware vergemakkelijkt optimalisatie. Deze hulpmiddelen hebben de laatste veertig jaar geleid tot gestage verbeteringen in het ontwerp van turbines.
De primaire numerieke classificatie van een turbine is zijn specifieke snelheid. Dit getal beschrijft de snelheid van de turbine bij zijn maximale rendement ten opzichte van het vermogen en het debiet. De specifieke snelheid is afgeleid om onafhankelijk te zijn van de turbinegrootte. Gegeven de stromingsomstandigheden van de vloeistof en de gewenste uitgaande snelheid van de as, kan de specifieke snelheid worden berekend en een geschikt turbineontwerp worden geselecteerd.
De specifieke snelheid kan, samen met enkele fundamentele formules, worden gebruikt om een bestaand ontwerp met bekende prestaties op betrouwbare wijze te schalen naar een nieuwe grootte met overeenkomstige prestaties.
De prestaties buiten het ontwerp worden gewoonlijk weergegeven als een turbinekaart of -karakteristiek.
Het aantal bladen in de rotor en het aantal schoepen in de stator zijn vaak twee verschillende priemgetallen om de harmonischen te verminderen en de blad-passagefrequentie te maximaliseren.