Un elemento rotor-estator en la sección de turbina de una turbina de gas que extrae energía cinética y térmica del flujo de gases calientes para producir par en un eje; las etapas de turbina convierten la caída de entalpía en trabajo mecánico útil a través de una o más filas de álabes.

Principio

Aprovechar la expansión de gases de combustión a alta temperatura y presión mediante álaves giratorios y toberas estacionarias cuidadosamente perfiladas de modo que los cambios de presión y velocidad generen sustentación sobre los álaves, produciendo par y controlando la carga de las palas, las necesidades de refrigeración y la eficiencia de la etapa.

Demostración

En un turboshaft, una etapa de turbina de alta presión inmediatamente aguas abajo del combustor extrae energía para accionar el compresor (generador de gas), mientras que una etapa de turbina de potencia de baja presión separada puede extraer la energía restante para accionar el eje de salida a través de una caja de cambios.

Aplicación incorrecta

Diseñar perfiles de palas de turbina optimizados únicamente para la máxima eficiencia en un punto operativo sin tener en cuenta el flujo de refrigeración, picos de temperatura transitorios ni cargas fuera de diseño, lo que incrementa el riesgo de fluencia, fatiga o fallo de los álaves.

Consecuencia

Etapas de turbina bien diseñadas logran la extracción de potencia requerida con distribuciones de temperatura y esfuerzo aceptables, permitiendo la entrega fiable de potencia en el eje y preservando la vida útil y los márgenes de rendimiento del motor.

Inversión

Una tobera o difusor de escape que direcciona el flujo para producir empuje sin extraer trabajo del eje es el opuesto conceptual de una etapa de turbina que retira intencionalmente energía del flujo.

Límite

Cubre etapas de turbina axiales y radiales dentro de las secciones de turbina de alta, intermedia y baja presión; excluye etapas de compresor, componentes del combustor y toberas aguas abajo que no están destinadas a extraer potencia de eje.

Tensión semántica

Hay tensión entre diseñar para máxima eficiencia isentrópica por etapa y diseñar para durabilidad mecánica y margen de refrigeración; los compromisos cambian las formas óptimas de los álaves y el número de etapas según la misión y los materiales.

Síntesis

Una etapa de turbina es el módulo funcional de expansión de gas —toberas fijas y álaves giratorios— donde la entalpía de los gases de combustión se convierte en par en un eje; equilibradas correctamente entre etapas, suministran la potencia mecánica necesaria a compresores y cargas externas.