En turbomáquinas , una turbina axial es una turbina en la que el flujo del fluido de trabajo es paralelo al eje, a diferencia de las turbinas radiales , en las que el fluido circula alrededor de un eje, como en un molino de agua . Una turbina axial tiene una construcción similar a la de un compresor axial , pero funciona a la inversa, convirtiendo el flujo del fluido en energía mecánica rotatoria .
Un conjunto de álabes guía estáticos o álabes de tobera aceleran y añaden remolino al fluido y lo dirigen a la siguiente fila de álabes de turbina montados en un rotor de turbina.
Los ángulos en el sistema absoluto se indican con alfa ( α ) y los ángulos en el sistema relativo con beta ( β ). En la figura se muestran los componentes axial y tangencial de las velocidades absolutas y relativas. También se muestran los valores estáticos y de estancamiento de la presión y la entalpía en los sistemas absolutos y relativos.
A menudo se supone que el componente de velocidad axial permanece constante a lo largo de la etapa. De esta condición obtenemos: Además, para una velocidad axial constante se obtiene una relación útil:
En la figura se muestra una turbina de impulso de una sola etapa.
No hay cambios en la presión estática a través del rotor de una máquina de impulsos. La variación de la presión y la velocidad del fluido a través de la etapa también se muestra en la Figura.
La velocidad absoluta del fluido aumenta en correspondencia con la caída de presión a través de la fila de álabes de la tobera, en la que se produce la única transformación de energía. La transferencia de energía se produce únicamente a través de la fila de álabes del rotor. Por lo tanto, la velocidad absoluta del fluido disminuye a través de ésta, como se muestra en la figura. En ausencia de cualquier caída de presión a través de los álabes del rotor, las velocidades relativas a su entrada y salida son las mismas para un flujo sin fricción. Para obtener esta condición, los ángulos de los álabes del rotor deben ser iguales. Por lo tanto, el factor de utilización viene dado por
Cuando la caída de presión disponible es grande, no se puede utilizar toda en una etapa de turbina. Una etapa única que utilice una gran caída de presión tendrá una velocidad periférica del rotor imprácticamente alta. Esto daría lugar a un diámetro mayor o a una velocidad de rotación muy alta. Por lo tanto, las máquinas con grandes caídas de presión emplean más de una etapa.
Uno de los métodos para emplear la expansión en varias etapas en las turbinas de impulso es generar una alta velocidad del fluido haciendo que se expanda a través de una gran caída de presión en la fila de álabes de la tobera. Este fluido de alta velocidad luego transfiere su energía en varias etapas empleando muchas filas de álabes del rotor separadas por filas de álabes guía fijos. En la figura se muestra una turbina de impulso de velocidad compuesta.
La disminución de la velocidad absoluta del fluido a través de las dos filas de álabes del rotor (R 1 y R 2 ) se debe a la transferencia de energía; la ligera disminución de la velocidad del fluido a través de los álabes guía fijos (F) se debe a pérdidas. Como la turbina es del tipo de impulso, la presión del fluido permanece constante después de su expansión en la fila de álabes de la tobera. Cada etapa se denomina etapa de velocidad o etapa de Curtis, donde cada turbina (tobera-álabes móviles-álabes fijos-álabes móviles) se cuenta como una etapa.
Hay dos problemas principales en las etapas de velocidad compuesta:
Para evitar estos problemas, se emplea otro método de utilización de una relación en la que la caída de presión total se divide en varias etapas de impulso, conocidas como etapas de presión compuesta o de Rateau. Debido a la caída de presión comparativamente menor, las filas de álabes de la tobera son subsónicas (M < 1). Por lo tanto, una etapa de este tipo no sufre las desventajas de las etapas de velocidad.
La figura muestra la variación de la presión y la velocidad del vapor a través de las dos etapas de presión de una turbina de impulso. Las palas de la tobera en cada etapa reciben el flujo en dirección axial.
Algunos diseñadores emplean etapas de presión hasta la última etapa, lo que da como resultado una turbina de menor longitud en comparación con el tipo de reacción, con una penalización en la eficiencia.
La figura muestra dos etapas de reacción y la variación de la presión y la velocidad del gas en ellas. La presión del gas disminuye continuamente en las filas de álabes tanto fijos como móviles. Dado que la caída de presión en cada etapa es menor en comparación con las etapas de impulso, las velocidades del gas son relativamente bajas. Además de esto, el flujo se acelera en todo momento. Estos factores hacen que las etapas de reacción sean aerodinámicamente más eficientes, aunque la pérdida por fugas en la punta aumenta debido a la diferencia de presión relativamente mayor a través de las palas del rotor.
Las turbinas de reacción de varias etapas aprovechan una gran caída de presión, dividiéndola en valores más pequeños en etapas individuales. Por lo tanto, las etapas de reacción son como las etapas de presión compuesta, pero con un nuevo elemento de "reacción" introducido en ellas, es decir, la aceleración del flujo a través de las filas de álabes del rotor.
El parámetro de relación de velocidad de las palas respecto del gas (relación de velocidad) σ = u/c 2 . Las eficiencias de las etapas de la turbina también se pueden representar gráficamente en función de esta relación. En la figura se muestran gráficos de este tipo para algunas etapas de reacción e impulso.
El rendimiento de las turbinas de vapor se presenta a menudo de esta forma. Las curvas de la Figura también muestran los valores óptimos de la relación de velocidad y el rango de fuera de diseño para varios tipos de etapas. La etapa de reacción del cincuenta por ciento muestra un rango más amplio. Otro aspecto importante que se representa aquí es que en aplicaciones donde las altas velocidades del gas (debido a la alta relación de presión) son inevitables, es aconsejable emplear etapas de impulso para lograr valores prácticos y convenientes del tamaño y la velocidad de la máquina. A veces es más conveniente utilizar una relación de velocidad isentrópica. Esta es la relación entre la velocidad de la pala y la velocidad isentrópica del gas que se obtendría en su expansión isentrópica a través de la relación de presión de la etapa.
Las pérdidas se producen en una turbina real debido a la fricción entre los discos y los cojinetes. La figura muestra el diagrama de flujo de energía para la etapa de impulso de una turbina axial. Los números entre paréntesis indican el orden de energía o pérdida correspondiente a 100 unidades de trabajo isentrópico (h 01 – h 03ss ).
Se observa que la energía que llega al eje después de tener en cuenta las pérdidas en cascada de etapas (pérdidas aerodinámicas de la tobera y de las palas del rotor) y las pérdidas de salida es de aproximadamente el 85 % del valor ideal; las pérdidas en el eje son una proporción insignificante de este valor.
