Un fluido de trabajo contiene energía potencial (cabeza de presión) y energía cinética (cabeza de velocidad). El fluido puede ser compresible o incompresible. Las turbinas emplean varios principios físicos para recoger esta energía:
Las turbinas de impulso cambian la dirección del flujo de un fluido o chorro de gas de alta velocidad. El impulso resultante hace girar la turbina y deja el flujo de fluido con una energía cinética disminuida. No hay cambio de presión del fluido o del gas en los álabes de la turbina (los álabes móviles), como en el caso de una turbina de vapor o de gas, toda la caída de presión tiene lugar en los álabes estacionarios (las toberas). Antes de llegar a la turbina, la cabeza de presión del fluido se transforma en cabeza de velocidad acelerando el fluido con una tobera. Las ruedas Pelton y las turbinas de Laval utilizan exclusivamente este proceso. Las turbinas de impulso no requieren una cámara de presión alrededor del rotor, ya que el chorro de fluido es creado por la tobera antes de llegar a las palas del rotor. La segunda ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de impulso. Las turbinas de impulso son más eficientes para su uso en casos en los que el flujo es bajo y la presión de entrada es alta.
Las turbinas de reacción desarrollan el par motor reaccionando a la presión o masa del gas o fluido. La presión del gas o del fluido cambia al pasar por los álabes del rotor de la turbina. Se necesita una carcasa de presión para contener el fluido de trabajo mientras actúa sobre la(s) etapa(s) de la turbina o la turbina debe estar totalmente sumergida en el flujo de fluido (como en el caso de las turbinas eólicas). La carcasa contiene y dirige el fluido de trabajo y, en el caso de las turbinas de agua, mantiene la succión impartida por el tubo de tiro. Las turbinas Francis y la mayoría de las turbinas de vapor utilizan este concepto. En el caso de los fluidos de trabajo compresibles, se suelen utilizar varias etapas de turbina para aprovechar eficazmente el gas en expansión. La tercera ley de Newton describe la transferencia de energía en las turbinas de reacción. Las turbinas de reacción son más adecuadas para velocidades de flujo más altas o para aplicaciones en las que la altura del fluido (presión aguas arriba) es baja.
En el caso de las turbinas de vapor, como las que se utilizarían para aplicaciones marinas o para la generación de electricidad en tierra, una turbina de reacción de tipo Parsons necesitaría aproximadamente el doble de filas de álabes que una turbina de impulso de tipo De Laval, para el mismo grado de conversión de energía térmica. Aunque esto hace que la turbina Parsons sea mucho más larga y pesada, el rendimiento global de una turbina de reacción es ligeramente superior al de una turbina de impulso equivalente para la misma conversión de energía térmica.
En la práctica, los diseños modernos de turbinas utilizan tanto el concepto de reacción como el de impulso en distintos grados siempre que es posible. Los aerogeneradores utilizan un perfil aerodinámico para generar una sustentación por reacción del fluido en movimiento e impartirla al rotor. Las turbinas eólicas también obtienen cierta energía del impulso del viento, desviándolo en un ángulo. Las turbinas de varias etapas pueden utilizar palas de reacción o de impulso a alta presión. Las turbinas de vapor eran tradicionalmente más de impulso, pero siguen evolucionando hacia diseños de reacción similares a los utilizados en las turbinas de gas. A baja presión, el medio fluido de funcionamiento se expande en volumen para pequeñas reducciones de presión. En estas condiciones, los álabes se convierten en un diseño estrictamente de tipo reacción, con la base del álabe únicamente de impulso. La razón se debe al efecto de la velocidad de rotación de cada pala. A medida que aumenta el volumen, aumenta la altura de la pala, y la base de la pala gira a una velocidad más lenta en relación con la punta. Este cambio de velocidad obliga al diseñador a cambiar de impulso en la base, a una punta de alta reacción.
Los métodos clásicos de diseño de turbinas se desarrollaron a mediados del siglo XIX. El análisis vectorial relacionaba el flujo de fluido con la forma y la rotación de la turbina. Al principio se utilizaron métodos de cálculo gráfico. Las fórmulas para las dimensiones básicas de las piezas de la turbina están bien documentadas y se puede diseñar de forma fiable una máquina altamente eficiente para cualquier condición de flujo de fluido. Algunos de los cálculos son fórmulas empíricas o de «regla general», y otros se basan en la mecánica clásica. Como en la mayoría de los cálculos de ingeniería, se han hecho suposiciones simplificadoras.
Los triángulos de velocidad pueden utilizarse para calcular el rendimiento básico de una etapa de turbina. El gas sale de los álabes guía de la tobera de la turbina estacionaria con una velocidad absoluta Va1. El rotor gira a la velocidad U. En relación con el rotor, la velocidad del gas al incidir en la entrada del rotor es Vr1. El gas es girado por el rotor y sale, en relación con el rotor, a la velocidad Vr2. Sin embargo, en términos absolutos la velocidad de salida del rotor es Va2. Los triángulos de velocidad se construyen utilizando estos diversos vectores de velocidad. Los triángulos de velocidad pueden construirse en cualquier sección de la pala (por ejemplo: cubo, punta, sección media, etc.), pero normalmente se muestran en el radio medio de la etapa. El rendimiento medio de la etapa puede calcularse a partir de los triángulos de velocidad, en este radio, utilizando la ecuación de Euler:
Δ h = u ⋅ Δ v w {\displaystyle \Delta h=u\cdot \Delta v_{w}}
Por lo tanto:
Δ h T = u ⋅ Δ v w T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}={\frac {u\cdot \Delta v_{w}}{T}
donde:
Δ h {\displaystyle \Delta h}
es la caída de entalpía específica a través de la etapa T {\displaystyle T}
es la temperatura total (o de estancamiento) de entrada a la turbina u {\displaystyle u}
es la velocidad periférica del rotor de la turbina Δ v w {\displaystyle \Delta v_{w}}
es el cambio en la velocidad del torbellino
La relación de presión de la turbina es una función de Δ h T {\displaystyle {\frac {\Delta h}{T}}
y del rendimiento de la turbina.
El diseño moderno de turbinas lleva los cálculos más allá. La dinámica de fluidos computacional prescinde de muchos de los supuestos simplificadores utilizados para derivar las fórmulas clásicas y los programas informáticos facilitan la optimización. Estas herramientas han permitido mejorar constantemente el diseño de las turbinas en los últimos cuarenta años.
La principal clasificación numérica de una turbina es su velocidad específica. Este número describe la velocidad de la turbina en su máxima eficiencia con respecto a la potencia y el caudal. La velocidad específica se deriva para ser independiente del tamaño de la turbina. Dadas las condiciones de flujo del fluido y la velocidad de salida del eje deseada, se puede calcular la velocidad específica y seleccionar un diseño de turbina adecuado.
La velocidad específica, junto con algunas fórmulas fundamentales, puede utilizarse para escalar de forma fiable un diseño existente de rendimiento conocido a un nuevo tamaño con el rendimiento correspondiente.
El rendimiento fuera de diseño se muestra normalmente como un mapa o característica de la turbina.
El número de palas en el rotor y el número de álabes en el estator suelen ser dos números primos diferentes para reducir los armónicos y maximizar la frecuencia de paso de las palas.