6.2.5: Turbina

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La turbina se ubica aguas abajo de la cámara de combustión y transforma la energía del flujo caliente en trabajo mecánico para mover el compresor (recuerde que la turbina y el compresor están unidos por un eje). La turbina está compuesta por dos filas de palas pequeñas, una que gira a velocidades muy altas (el rotor) y la otra que permanece estacionaria (el estator). Las palas experimentan temperaturas de flujo de alrededor\(1400^{\circ} K\) y, por lo tanto, deben estar hechas de metales especiales (típicamente aleaciones de titanio) que puedan soportar el calor.

Dependiendo del tipo de motor, puede haber múltiples etapas de turbina presentes en el motor. Los motores turboventilador y turbohélice suelen emplear una turbina y un eje separados para alimentar el ventilador y la caja de cambios, respectivamente, y se denominan motores de dos cilindros. Existen configuraciones de tres carretillas para algunos motores de alto rendimiento donde una turbina adicional y una potencia de eje separan partes del compresor.

La derivación de ecuaciones que gobiernan la evolución del flujo de aire sobre la turbina son similares a las ya expuestas para el compresor. A medida que el flujo pasa a través de la turbina, la presión y la temperatura disminuyen. La disminución de la presión a través de la turbina se cuantifica con la llamada relación de presión de turbina (TPR), es decir, la relación de la presión de aire de salida a la entrada en la turbina. Usando los números de estación de la Figura 6.2, el TPR es igual a la presión de estancamiento en el punto 5 (\(p_{5t}\)) dividida por la presión de estancamiento en el punto 4 (\(p_{4t}\)), es decir,

\[TPR = \dfrac{p_{5t}}{p_{4t}}.\nonumber\]

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Figura 6.8: Turbina y pala esquemática.

Dado que el proceso puede considerarse adiabático, la presión y la temperatura están relacionadas como en la Ecuación (6.2.1.9) de manera que:

\[TPR = \dfrac{p_{5t}}{p_{4t}} = \left (\dfrac{T_{5t}}{T_{4t}} \right )^{\tfrac{\gamma}{\gamma - 1}}.\]

Nuevamente, refiriendo al lector a la Sección 6.2.1 y realizando algunas operaciones algebraicas, el trabajo mecánico de la turbina se\(W_{turb}\) puede expresar de la siguiente manera:

\[W_{turb} = (\eta_t c T_{4t}) (1 - TPR^{\tfrac{(\gamma - 1)}{\gamma}}),\label{eq6.2.5.2}\]

donde\(c\) está el calor específico del gas y\(\eta_t\) es la eficiencia de la turbina.

Las etapas de compresor y turbina trabajan unidas una a la otra. Esta relación se puede expresar ajustando el trabajo realizado por el compresor igual al trabajo realizado por la turbina, es decir,\(W_{turb} = W_{comp}\). De ahí que se garantice la conservación de la energía. Ecuación de Ecuación (6.2.3.1) y Ecuación (\(\ref{eq6.2.5.2}\)) rinde:

\[\dfrac{cT_{2t}}{\eta_c} (CPR^{\tfrac{(\gamma - 1)}{\gamma}} - 1) = (\eta_t c T_{4t}) (1 - TPR^{\tfrac{(\gamma - 1)}{\gamma}}).\]

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Figura 6.9: Boquilla de extensión variable.