Un fluid de lucru conține energie potențială (înălțimea de presiune) și energie cinetică (înălțimea de viteză). Fluidul poate fi compresibil sau incompresibil. Turbinele utilizează mai multe principii fizice pentru a colecta această energie:
Turbinele de impuls schimbă direcția de curgere a unui fluid de mare viteză sau a unui jet de gaz. Impulsul rezultat învârte turbina și lasă curgerea fluidului cu energie cinetică diminuată. Nu există nicio schimbare de presiune a fluidului sau a gazului în paletele turbinei (paletele în mișcare), ca în cazul unei turbine cu abur sau cu gaz, toată scăderea de presiune are loc în paletele staționare (duzele). Înainte de a ajunge la turbină, capul de presiune al fluidului este transformat în cap de viteză prin accelerarea fluidului cu ajutorul unei duze. Roțile Pelton și turbinele de Laval utilizează exclusiv acest procedeu. Turbinele cu impuls nu necesită o carcasă de presiune în jurul rotorului, deoarece jetul de fluid este creat de duză înainte de a ajunge la paletele de pe rotor. A doua lege a lui Newton descrie transferul de energie pentru turbinele cu impulsuri. Turbinele cu impulsuri sunt cele mai eficiente în cazurile în care debitul este redus și presiunea de intrare este ridicată.
Turbinele cu reacție dezvoltă cuplul prin reacția la presiunea sau masa gazului sau a fluidului. Presiunea gazului sau a fluidului se modifică pe măsură ce trece prin paletele rotorului turbinei. Este necesară o carcasă de presiune pentru a conține fluidul de lucru în timp ce acesta acționează asupra etajului (etajelor) turbinei sau turbina trebuie să fie complet scufundată în fluxul de fluid (cum este cazul turbinelor eoliene). Învelișul conține și dirijează fluidul de lucru și, în cazul turbinelor de apă, menține aspirația impusă de tubul de aspirație. Turbinele Francis și majoritatea turbinelor cu abur utilizează acest concept. În cazul fluidelor de lucru compresibile, se folosesc de obicei mai multe trepte de turbină pentru a exploata eficient gazul în expansiune. A treia lege a lui Newton descrie transferul de energie pentru turbinele de reacție. Turbinele de reacție sunt mai potrivite pentru viteze de curgere mai mari sau pentru aplicații în care înălțimea fluidului (presiunea din amonte) este scăzută.
În cazul turbinelor cu abur, cum ar fi cele care ar fi utilizate pentru aplicații marine sau pentru producerea de energie electrică pe uscat, o turbină de reacție de tip Parsons ar necesita aproximativ dublul numărului de rânduri de palete față de o turbină de impuls de tip de Laval, pentru același grad de conversie a energiei termice. În timp ce acest lucru face ca turbina Parsons să fie mult mai lungă și mai grea, randamentul global al unei turbine de reacție este ușor mai mare decât cel al unei turbine de impuls echivalente pentru aceeași conversie a energiei termice.
În practică, proiectele moderne de turbine utilizează atât conceptele de reacție, cât și cele de impuls, în diferite grade, ori de câte ori este posibil. Turbinele eoliene utilizează un profil aerodinamic pentru a genera o portanță de reacție din fluidul în mișcare și a o transmite rotorului. De asemenea, turbinele eoliene obțin o parte din energie din impulsul vântului, prin devierea acestuia la un unghi. Turbinele cu mai multe etaje pot utiliza fie palete de reacție, fie palete de impuls la presiune ridicată. În mod tradițional, turbinele cu abur erau mai mult cu impuls, dar continuă să se orienteze către modele cu reacție, similare celor utilizate la turbinele cu gaz. La presiune joasă, mediul fluidului de operare se dilată în volum pentru reduceri mici de presiune. În aceste condiții, lamelele devin strict de tip reacție, baza lamei fiind exclusiv de impuls. Motivul se datorează efectului vitezei de rotație pentru fiecare paletă. Pe măsură ce volumul crește, înălțimea lamei crește, iar baza lamei se rotește la o viteză mai mică în raport cu vârful. Această schimbare de viteză forțează un proiectant să treacă de la impuls la bază, la un vârf cu stil de reacție ridicat.
Metodele clasice de proiectare a turbinelor au fost dezvoltate la mijlocul secolului al XIX-lea. Analiza vectorială a corelat curgerea fluidului cu forma și rotația turbinei. La început s-au folosit metode de calcul grafic. Formulele pentru dimensiunile de bază ale pieselor turbinei sunt bine documentate și o mașină foarte eficientă poate fi proiectată în mod fiabil pentru orice condiție de curgere a fluidului. Unele dintre calcule sunt empirice sau formule de tip „regulă empirică”, iar altele se bazează pe mecanica clasică. Ca în cazul majorității calculelor inginerești, s-au făcut ipoteze simplificatoare.
Triunghiurile de viteză pot fi utilizate pentru a calcula performanța de bază a unui etaj de turbină. Gazul iese din paletele de ghidare ale ajutajului staționar al turbinei la viteza absolută Va1. Rotorul se rotește cu viteza U. În raport cu rotorul, viteza gazului în momentul în care lovește intrarea în rotor este Vr1. Gazul este rotit de rotor și iese, în raport cu rotorul, cu viteza Vr2. Cu toate acestea, în termeni absoluți, viteza de ieșire din rotor este Va2. Triunghiurile de viteză se construiesc folosind acești diverși vectori de viteză. Triunghiurile de viteză pot fi construite în orice secțiune a paletei (de exemplu: butuc, vârf, secțiune mediană ș i așa mai departe), dar, de obicei, sunt prezentate la raza medie a etajului. Performanța medie a etapei poate fi calculată din triunghiurile de viteză, la această rază, folosind ecuația lui Euler:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}.
În concluzie:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}}
unde:
Δ h {\displaystyle \Delta h}
este căderea specifică de entalpie de-a lungul etapei T {\displaystyle T}
este temperatura totală (sau de stagnare) de intrare în turbină u {\displaystyle u}
este viteza periferică a rotorului turbinei Δ v w {\displaystyle \Delta v_{w}}
este modificarea vitezei de vârtej
Raportul de presiune al turbinei este o funcție de Δ h T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}.
și de randamentul turbinei.
Proiectarea modernă a turbinelor duce calculele mai departe. Dinamica fluidelor computațională renunță la multe dintre ipotezele simplificatoare utilizate pentru a deriva formulele clasice, iar programele informatice facilitează optimizarea. Aceste instrumente au condus la îmbunătățiri constante în proiectarea turbinelor în ultimii patruzeci de ani.
Clasificarea numerică primară a unei turbine este viteza sa specifică. Acest număr descrie viteza turbinei la randamentul său maxim în raport cu puterea și debitul. Viteza specifică este derivată pentru a fi independentă de dimensiunea turbinei. Date fiind condițiile de curgere a fluidului și viteza de ieșire a arborelui dorită, viteza specifică poate fi calculată și se poate selecta un proiect de turbină adecvat.
Viteza specifică, împreună cu unele formule fundamentale, poate fi utilizată pentru a scala în mod fiabil un proiect existent cu performanțe cunoscute la o nouă dimensiune cu performanțe corespunzătoare.
Prezentarea în afara proiectului este în mod normal afișată sub forma unei hărți sau caracteristici a turbinei.
Numărul de palete din rotor și numărul de palete din stator sunt adesea două numere prime diferite pentru a reduce armonicele și a maximiza frecvența de trecere a paletelor.
.