Płyn roboczy zawiera energię potencjalną (głowica ciśnieniowa) i energię kinetyczną (głowica prędkościowa). Płyn może być ściśliwy lub nieściśliwy. Turbiny wykorzystują kilka zasad fizycznych do gromadzenia tej energii:
Turbiny impulsowe zmieniają kierunek przepływu płynu o dużej prędkości lub strumienia gazu. Wynikający z tego impuls obraca turbinę i pozostawia przepływ płynu ze zmniejszoną energią kinetyczną. Nie ma zmiany ciśnienia płynu lub gazu w łopatkach turbiny (ruchomych łopatkach), tak jak w przypadku turbiny parowej lub gazowej, cały spadek ciśnienia ma miejsce w nieruchomych łopatkach (dyszach). Przed dotarciem do turbiny, głowica ciśnieniowa cieczy jest zamieniana na głowicę prędkościową poprzez przyspieszenie cieczy za pomocą dyszy. Proces ten jest wykorzystywany wyłącznie przez koła Peltona i turbiny de Lavala. Turbiny impulsowe nie wymagają osłony ciśnieniowej wokół wirnika, ponieważ strumień cieczy jest tworzony przez dyszę przed dotarciem do łopatek wirnika. Drugie prawo Newtona opisuje transfer energii dla turbin impulsowych. Turbiny impulsowe są najbardziej wydajne w przypadku, gdy przepływ jest niski, a ciśnienie wlotowe wysokie.
Turbiny reakcyjne rozwijają moment obrotowy poprzez reakcję na ciśnienie lub masę gazu lub płynu. Ciśnienie gazu lub płynu zmienia się, gdy przechodzi on przez łopatki wirnika turbiny. Obudowa ciśnieniowa jest niezbędna do zatrzymania płynu roboczego działającego na stopień(i) turbiny lub turbina musi być całkowicie zanurzona w przepływie płynu (tak jak w przypadku turbin wiatrowych). Obudowa zawiera i kieruje ciecz roboczą oraz, w przypadku turbin wodnych, utrzymuje ssanie przekazywane przez rurę zrzutową. Turbiny Francisa i większość turbin parowych wykorzystuje tę koncepcję. W przypadku ściśliwych cieczy roboczych, aby efektywnie wykorzystać rozprężający się gaz, zwykle stosuje się wiele stopni turbiny. Trzecie prawo Newtona opisuje transfer energii dla turbin reakcyjnych. Turbiny reakcyjne są lepiej dostosowane do wyższych prędkości przepływu lub zastosowań, w których wysokość podnoszenia cieczy (ciśnienie wstępne) jest niska.
W przypadku turbin parowych, takich jak używane do zastosowań morskich lub do wytwarzania energii elektrycznej na lądzie, turbina reakcyjna typu Parsonsa wymagałaby około dwukrotnie większej liczby rzędów łopatek niż turbina impulsowa typu de Lavala, dla tego samego stopnia konwersji energii cieplnej. Chociaż czyni to turbinę Parsonsa znacznie dłuższą i cięższą, ogólna sprawność turbiny reakcyjnej jest nieco wyższa niż równoważnej turbiny impulsowej dla tej samej konwersji energii cieplnej.
W praktyce, nowoczesne konstrukcje turbin wykorzystują zarówno koncepcje reakcyjne, jak i impulsowe w różnym stopniu, gdy tylko jest to możliwe. Turbiny wiatrowe wykorzystują profil aerodynamiczny do generowania siły nośnej z poruszającego się płynu i przenoszenia jej na wirnik. Turbiny wiatrowe uzyskują również pewną ilość energii z impulsu wiatru, odchylając go pod kątem. Turbiny wielostopniowe mogą wykorzystywać zarówno łopatki reakcyjne, jak i impulsowe przy wysokim ciśnieniu. Turbiny parowe były tradycyjnie bardziej impulsowe, ale nadal zmierzają w kierunku konstrukcji reakcyjnych, podobnych do tych stosowanych w turbinach gazowych. Przy niskim ciśnieniu czynnik roboczy rozszerza swoją objętość przy niewielkich spadkach ciśnienia. W tych warunkach łopatki stają się konstrukcją ściśle reakcyjną, z podstawą łopatki wyłącznie impulsową. Wynika to z wpływu prędkości obrotowej każdej łopatki. Wraz ze wzrostem objętości, wysokość łopatki wzrasta, a podstawa łopatki obraca się z mniejszą prędkością w stosunku do końcówki. Ta zmiana prędkości zmusza projektanta do przejścia od impulsu u podstawy do końcówki o wysokiej reakcji.
Klasyczne metody projektowania turbin zostały opracowane w połowie XIX wieku. Analiza wektorowa powiązała przepływ cieczy z kształtem i obrotem turbiny. Początkowo stosowano graficzne metody obliczeniowe. Wzory na podstawowe wymiary części turbiny są dobrze udokumentowane, a wysoce wydajna maszyna może być wiarygodnie zaprojektowana dla dowolnych warunków przepływu cieczy. Niektóre z obliczeń są empiryczne lub oparte na „zasadzie kciuka”, a inne są oparte na mechanice klasycznej. Podobnie jak w przypadku większości obliczeń inżynierskich, przyjęto założenia upraszczające.
Trójkąty prędkości można wykorzystać do obliczenia podstawowej wydajności stopnia turbiny. Gaz opuszcza łopatki kierujące nieruchomej dyszy turbiny z prędkością bezwzględną Va1. Wirnik obraca się z prędkością U. Względem wirnika prędkość gazu uderzającego o wejście do wirnika wynosi Vr1. Gaz jest obracany przez wirnik i wylatuje z wirnikiem z prędkością Vr2. Jednak w wartościach bezwzględnych prędkość wylotowa wirnika wynosi Va2. Trójkąty prędkości są konstruowane przy użyciu tych różnych wektorów prędkości. Trójkąty prędkości mogą być skonstruowane w dowolnym przekroju przez łopatkę (na przykład: piasta, czubek, środek i tak dalej), ale zwykle są pokazywane na średnim promieniu sceny. Średnia wydajność dla stopnia może być obliczona z trójkątów prędkości, przy tym promieniu, używając równania Eulera:
Δ h = u ⋅ Δ v w {{displaystyle ΔDelta h=u ΔDelta v_{w}}
Wynika z tego, że:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {displaystyle {{frac {Delta h}{T}}={{frac {u}cdot \\\\\u005_{w}}{T}}}
gdzie:
Δ h {frac {Delta h}
jest spadkiem entalpii właściwej w całym stopniu T {{displaystyle T}}.
oznacza temperaturę całkowitą (lub temperaturę stagnacji) na wejściu do turbiny u {{displaystyle u}
oznacza prędkość obwodową wirnika turbiny Δ v w {{displaystyle \Delta v_{w}}
jest zmianą prędkości wiru
Przełożenie ciśnienia w turbinie jest funkcją Δ h T {displaystyle {frac {Delta h}{T}}}
oraz sprawności turbiny.
Nowoczesne konstrukcje turbin prowadzą obliczenia dalej. Obliczeniowa dynamika płynów pozbywa się wielu upraszczających założeń stosowanych do wyprowadzania klasycznych wzorów, a oprogramowanie komputerowe ułatwia optymalizację. Narzędzia te doprowadziły do stałej poprawy w projektowaniu turbin w ciągu ostatnich czterdziestu lat.
Podstawową klasyfikacją numeryczną turbiny jest jej prędkość właściwa. Liczba ta opisuje prędkość turbiny przy jej maksymalnej sprawności w odniesieniu do mocy i natężenia przepływu. Prędkość właściwa jest niezależna od wielkości turbiny. Biorąc pod uwagę warunki przepływu cieczy i pożądaną prędkość wyjściową wału, prędkość specyficzną można obliczyć i wybrać odpowiednią konstrukcję turbiny.
Prędkość specyficzna, wraz z niektórymi podstawowymi wzorami, może być użyta do niezawodnego skalowania istniejącej konstrukcji o znanej wydajności do nowej wielkości o odpowiedniej wydajności.
Wydajność pozaprojektowa jest zwykle wyświetlana jako mapa turbiny lub charakterystyka.
Liczba łopatek w wirniku i liczba łopatek w stojanie są często dwiema różnymi liczbami pierwszymi w celu zmniejszenia harmonicznych i zmaksymalizowania częstotliwości przechodzenia łopatek.