Dari perumusan Bernouli, menunjukan bahwa daya air dari suatu aliran memiliki bentuk energi yang berbeda-beda. Pada proses peralihan keseimbangan energi antara energi masuk ke mesin tenaga disatu pihak dengan energi mekanis yang bisa diteruskan oleh mesin tenaga ditambah energi yang ikut keluar bersama-sama air buangan dipihak lain. Persamaan keseimbangan tinggi jatuh air adalah sebagai berikut;

dari persamaan tersebut, suku sebelah kanan adalah jumlah energi yang digunakan oleh Sudu jalan Turbin untuk diubah menjadi energi mekanis.

Pada gambar 1 adalah gambar kincir air. Kincir air adalah jenis turbin air yang paling kuno, sudah sejak lama dipakai oleh masyarakat. Teknologinya sederhana, yaitu hanya dengan material kayu sudah bisa dipakai untuk membuat kincir air, tetapi untuk operasi pada tinggi jatuh air yang besar biasanya pada kincir air dibuat dari bahan besi.

Kincir air bekerja pada tinggi jatuh yang rendah biasanya antar 0,1 m hingga 12 meter, dengan kapasitas aliran yang berkisar antara 0,05 m3/dtk sampai 5 m3/dtk. Dari data tersebut pengguna kincir air adalah di daerah yang aliran airnya tidak besar dengan tinggi jatuh yang kecil. Putaran poros kincir air disini yaitu berkisar antara 2 rpm hingga12 rpm.

Turbin Impuls (Turbin Tekanan Sama)

Turbin Pelton

Prinsip dari turbin impuls ini sudah dijelaskan pada kincir air diatas. Turbin impus bekerja dengan prinsip impuls. Turbin jenis ini juga disebut turbin dengan tekanan sama karena pada aliran air yang keluar dari nosel, tekanannya yaitu sama dengan tekanan atmosfer.

Sebagai contoh pada gambar 2 adalah turbin pelton yang bekerja dengan prinsip impuls, semua energi tinggi dan tekanan ketika masuk ke sudu jalan turbin dirubah menjadi energi kecepatan. Pancaran air tersebut yang kemudian menjadi gaya tangensial F yang akan bekerja pada sudu roda jalan. Kecepatan pancaran air dari nosel adalah sebagai berikut ;

Turbin pelton ini beroperasi pada tinggi jatuh yang besar [gambar 4]. Tinggi air jatuh dihitung mulai dari permukaan atas hingga tengah-tengah pancaran air. Bentuk sudu kemudian akan terbelah menjadi dua bagian yang simetris, dengan maksud agar bisa membalikan pancaran air dengan baik dan dapat membebaskan sudu dari gaya-gaya samping [gambar 3].

Tidak semua sudu menerima pancaran air, hanya sebagaian -bagaian saja secara bergantian tergantung posisi sudut tersebut. Jumlah noselnya disini tergantung pada besarnya kapasitas air, untuk setiap roda turbin dapat dilengkapi dengan nosel 1 hingga 6.

Kemudian untuk  penampang kontruksi sudu jalan dari pelton beserta noselnya bisa dilihat pada gambar 2. Ukuran-ukuran utama pada turbin pelton adalah diameter lingkar sudu yang terkena pancaran air, atau yang disebut dengan diameter lingkaran pancar dan diameter pancaran air.

Pengaturan nosel akan menentukan kecepatan dari turbin. Untuk turbin-turbin yang bekerja pada kecepatan tinggi jumlah nosel diperbanyak. Hubungan antara jumlah nosel dengan kecepatan sepesifik adalah sebagai berikut.

dimana

nqT = kecepatan spesifik dalam z nosel (rpm)

z = jumlah nosel terpasang

Pengaturan nosel dalam turbin poros horizontal dan vertikal dapat dilihat pada gambar 4 dan 5:

Turbin aliran Ossberger

Pada turbin impuls pelton beroperasi maksimal pada head yang relatif tinggi, sehingga pada head yang operasinya rendah akan kurang efektif atau efisiensinya menjadi rendah. Karena alasan tersebut, turbin pelton jarang digunakan secara luas untuk pembangkit listrik dengan sekala kecil. Sebagai alternatif turbin jenis impuls yang dapat beroperasi pada head rendah yaitu turbin impuls aliran ossberger atau turbin crossflow.

Pada gambar 7 adalah turbin crossflow, kontruksi turbin ini terdiri dari komponen utama yaitu ;

1. Rumah turbin

2. Alat pengarah

3. Roda jalan

4. Penutup

5. Katup udara

6. Pipa isap

7. Bagian peralihan

Aliran air akan dilewatkan melalui sudu sudu jalan yang berbentuk seperti silinder, kemudian aliran air dari dalam silinder keluar melalui sudu-sudu. Jadi perubahan energi aliran air menjadi energi mekanik putar terjadi dua kali yaitu pada waktu air masuk silinder dan saat air keluar silinder. Energi yang didapat dari tahap kedua yaitu 20% nya dari tahap pertama.

Air yang masuk ke sudu diarahkan oleh alat pengarah yang sekaligus berfungsi sebagai nosel seperti pada yang terjadi pada turbin pelton. Prinsip perubahan energi disini sama seperti pada turbin impuls pelton yaitu energi kinetik dari pengarah dikenakan pada sudu-sudu dalam tekanan yang sama.

Turbin Reaksi atau Turbin Tekan Lebih

Turbin Francis

Turbin francis adalah termasuk turbin jenis ini [gambar 9]. Kontruksi turbin terdiri dari dari sudu pengarah dan sudu jalan, dan kedua sudu tersebut, semuanya terendam didalam aliran air. Air pertama akan masuk pada terusan yang berbentuk seperti rumah keong. Perubahan energi seluruhnya terjadi pada sudu pengarah dan sudu gerak.

Aliran air masuk ke sudu pengarah dengan kecepatan semakin naik degan tekanan yang semakin turun sampai roda jalan, pada roda jalan kecepatan akan naik lagi dan tekanan turun hingga dibawah 1 atm. Kemudian untuk menghindari kavitasi, tekanan harus dinaikan hingga 1 atm dengan cara pemasangan pipa isap.

Pengaturan daya yang dihasilkan disini yaitu dengan mengatur posisi pada pembukaan sudu pengarah, sehingga kapasitas air yang akan masuk ke roda turbin dapat diperkecil atau diperbesar. Turbin francis dapat dipasang dengan poros horizontal dan vertikal [gambar 10]

Turbin Kaplan

Sama seperti turbin francis, turbin kaplan cara kerjanya yaitu memakai prinsip reaksi. Turbin ini memiliki roda jalan yang mirip dengan baling-baling pada pesawat terbang [gambar 7]. Jika pada baling-baling pesawat terbang berfungsi untuk menghasilkan sebuah gaya dorong, roda jalan pada kaplan ini berfungsi untuk menghasilkan gaya F yaitu gaya putar yang dapat menghasilkan torsi pada poros turbin.

Berbeda juga dengan roda jalan pada francis, sudu-sudu pada roda jalan kaplan dapat diputar posisinya guna untuk menyesuaikan kondisi beban pada turbin [gambar 11.].