En arbetsvätska innehåller potentiell energi (tryckhöjd) och kinetisk energi (hastighetshöjd). Vätskan kan vara kompressibel eller inkompressibel. Flera fysikaliska principer används av turbiner för att samla in denna energi:
Impulsturbiner ändrar flödesriktningen hos en vätska eller gasstråle med hög hastighet. Den resulterande impulsen snurrar turbinen och lämnar vätskeflödet med minskad kinetisk energi. Det sker ingen tryckförändring av vätskan eller gasen i turbinbladen (de rörliga bladen), som i fallet med en ång- eller gasturbin, all tryckminskning sker i de stationära bladen (munstyckena). Innan den når turbinen omvandlas vätskans tryckhöjd till hastighetshöjd genom att vätskan accelereras med ett munstycke. Peltonhjul och de Laval-turbiner använder uteslutande denna process. Impulsturbiner kräver ingen tryckhölje runt rotorn eftersom vätskestrålen skapas av munstycket innan den når rotorns blad. Newtons andra lag beskriver energiöverföringen för impulsturbiner. Impulsturbiner är mest effektiva när flödet är lågt och inloppstrycket högt.
Reaktionsturbiner utvecklar vridmoment genom att reagera på gasens eller vätskans tryck eller massa. Gasens eller vätskans tryck ändras när den passerar genom turbinens rotorblad. Det behövs en tryckhölje för att innesluta arbetsvätskan när den verkar på turbinstegen, eller så måste turbinen vara helt nedsänkt i vätskeströmmen (t.ex. vid vindturbiner). Höljet innehåller och leder arbetsvätskan och, för vattenturbiner, upprätthåller det sug som utgår från dragröret. Francis-turbiner och de flesta ångturbiner använder detta koncept. För komprimerbara arbetsvätskor används vanligtvis flera turbinsteg för att utnyttja den expanderande gasen på ett effektivt sätt. Newtons tredje lag beskriver energiöverföringen för reaktionsturbiner. Reaktionsturbiner lämpar sig bättre för högre flödeshastigheter eller tillämpningar där vätskans höjd (tryck uppströms) är låg.
För ångturbiner, som t.ex. skulle användas för marina tillämpningar eller för elproduktion på land, skulle en reaktionsturbin av Parsons-typ kräva ungefär dubbelt så många bladrader som en impulsturbin av de Laval-typ, för samma grad av omvandling av värmeenergi. Detta gör Parsons-turbinen mycket längre och tyngre, men den totala verkningsgraden för en reaktionsturbin är något högre än för en motsvarande impulsturbin för samma termiska energiomvandling.
I praktiken använder moderna turbinkonstruktioner både reaktions- och impulskoncept i varierande grad när det är möjligt. Vindturbiner använder en flygplatta för att generera ett reaktionslyft från den rörliga vätskan och överföra det till rotorn. Vindturbiner får också viss energi från vindens impuls genom att avleda den i en vinkel. Turbiner med flera steg kan använda antingen reaktions- eller impulsblad vid högt tryck. Ångturbiner har traditionellt varit mer impulsdrivna men fortsätter att utvecklas mot reaktionskonstruktioner som liknar dem som används i gasturbiner. Vid lågt tryck expanderar det verksamma vätskemediet i volym för små tryckminskningar. Under dessa förhållanden blir bladkonstruktionen strikt av reaktionstyp med bladets bas enbart av impulstyp. Detta beror på effekten av rotationshastigheten för varje blad. När volymen ökar, ökar bladhöjden och bladets bas snurrar med lägre hastighet än spetsen. Denna förändring i hastighet tvingar en konstruktör att byta från impuls vid basen till en spets med hög reaktionsstil.
Klassiska metoder för turbinkonstruktion utvecklades i mitten av 1800-talet. Vektoranalys relaterade vätskeflödet till turbinens form och rotation. Grafiska beräkningsmetoder användes till en början. Formler för turbindelarnas grunddimensioner är väldokumenterade och en högeffektiv maskin kan på ett tillförlitligt sätt konstrueras för alla flödesförhållanden i vätskan. En del av beräkningarna är empiriska formler eller tumregler, medan andra är baserade på klassisk mekanik. Som med de flesta tekniska beräkningar har förenklande antaganden gjorts.
Hastighetstrianglar kan användas för att beräkna den grundläggande prestandan för ett turbinsteg. Gasen kommer ut ur de stationära turbinmunstyckena med absolut hastighet Va1. Rotorn roterar med hastigheten U. I förhållande till rotorn är gasens hastighet när den träffar rotorns ingång Vr1. Gasen vänds av rotorn och kommer ut, i förhållande till rotorn, med hastigheten Vr2. I absoluta tal är dock rotorns utgångshastighet Va2. Hastighetstrianglarna konstrueras med hjälp av dessa olika hastighetsvektorer. Hastighetstrianglarna kan konstrueras vid vilken sektion som helst av bladet (t.ex. navet, spetsen, mitten av bladet osv.), men visas vanligen vid den genomsnittliga radien. Medelprestanda för steget kan beräknas från hastighetstrianglarna, vid denna radie, med hjälp av Eulers ekvation:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}
Härav:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}}}
var:
Δ h {\displaystyle \Delta h}
är den specifika enthalpiförlusten över steget T {\displaystyle T}
är den totala temperaturen (eller stagnationstemperaturen) vid turbinens inlopp u {\displaystyle u}
är turbinrotorns perifera hastighet Δ v w {\displaystyle \Delta v_{w}}
är förändringen av virvelhastigheten
Turbinens tryckförhållande är en funktion av Δ h T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}}
och turbinens verkningsgrad.
Den moderna turbinkonstruktionen för beräkningarna vidare. Beräkningsbaserad strömningsdynamik gör sig av med många av de förenklande antaganden som används för att härleda klassiska formler och datorprogram underlättar optimering. Dessa verktyg har lett till ständiga förbättringar av turbinkonstruktionen under de senaste fyrtio åren.
Den primära numeriska klassificeringen av en turbin är dess specifika hastighet. Detta tal beskriver turbinens hastighet vid maximal verkningsgrad med avseende på effekt och flödeshastighet. Den specifika hastigheten härleds till att vara oberoende av turbinens storlek. Med tanke på flödesförhållandena och den önskade axelutgångshastigheten kan den specifika hastigheten beräknas och en lämplig turbinkonstruktion väljas.
Den specifika hastigheten kan tillsammans med vissa grundläggande formler användas för att på ett tillförlitligt sätt skala en befintlig konstruktion med känd prestanda till en ny storlek med motsvarande prestanda.
Prestanda utanför konstruktionen visas normalt som en turbinkarta eller -karaktäristik.
Antalet blad i rotorn och antalet lameller i statorn är ofta två olika primtal för att minska övertonerna och maximera bladgenomgångsfrekvensen.