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 , donde 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 giratoria.
Un conjunto de paletas guía estáticas o paletas de boquilla acelera y agrega remolino al fluido y lo dirige a la siguiente fila de palas de turbina montadas en un rotor de turbina.
Los ángulos en el sistema absoluto se indican con alfa (α) y los ángulos en el sistema relativo se indican con beta (β). En la figura se muestran los componentes axiales y tangenciales de las velocidades absolutas y relativas. También se muestran los valores estáticos y de estancamiento de presión y entalpía en los sistemas absoluto y relativo.
A menudo se supone que el componente de velocidad axial permanece constante a lo largo de la etapa. De esta condición obtenemos,
c x = c 1 cos α 1 = c 2 cos α 2 := w 2 cos β 2 = c 3 cos α 3 = w 3 cos α 3
Además, para velocidad axial constante se obtiene una relación útil:
tan α 2 + tan α 3 = tan β 2 + tan β 3
En la figura se muestra una turbina de impulso de una sola etapa.
No hay ningún cambio en la presión estática a través del rotor de una máquina de impulso. La variación de presión y velocidad del fluido a través de la etapa también se muestra en la Figura.
La velocidad absoluta del fluido aumenta correspondientemente a la caída de presión a través de la fila de paletas de la boquilla en la que se produce la única transformación de energía. La transferencia de energía se produce únicamente a través de la fila de palas del rotor. Por lo tanto, la velocidad absoluta del fluido disminuye a través de esto como se muestra en la figura. En ausencia de una caída de presión a través de las palas del rotor, las velocidades relativas en su entrada y salida son las mismas para un flujo sin fricción. Para obtener esta condición, los ángulos de las palas 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 utiliza una gran caída de presión tendrá una velocidad periférica de su rotor imprácticamente alta. Esto conduciría a un diámetro mayor o a una velocidad de rotación muy alta. Por tanto, las máquinas con grandes caídas de presión emplean más de una etapa.
Uno de los métodos para emplear expansión multietapa en turbinas de impulso es generar alta velocidad del fluido haciendo que se expanda a través de una gran caída de presión en la fila de palas de la boquilla. Este fluido de alta velocidad luego transfiere su energía en varias etapas empleando muchas filas de palas de rotor separadas por filas de palas guía fijas. En la figura se muestra una turbina de impulso compuesto de velocidad.
La disminución de la velocidad absoluta del fluido a través de las dos filas de palas del rotor (R 1 y R 2 ) se debe a la transferencia de energía; la ligera disminución en la velocidad del fluido a través de las paletas guía fijas (F) se debe a pérdidas. Dado que 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. Dicha etapa se conoce como velocidad o etapa de Curtis y cada turbina Curtis (pala con boquilla en movimiento, pala fija y pala en movimiento) 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 el que la caída de presión total se divide en varias etapas de impulso. Éstas se conocen como etapas de presión compuesta o Rateau. Debido a la caída de presión comparativamente menor, las filas de álabes de tobera son subsónicas (M < 1). Por lo tanto, dicha etapa no sufre las discapacidades de las etapas de velocidad.
La figura muestra la variación de presión y velocidad del vapor a través de las dos etapas de presión de una turbina de impulso. Las palas de las boquillas en cada etapa reciben flujo en la dirección axial.
Algunos diseñadores emplean etapas de presión hasta la última etapa. Esto 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 presión y velocidad del gas en ellas. La presión del gas disminuye continuamente tanto en las filas de aspas fijas como en las 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 está acelerando en todas partes. Estos factores hacen que las etapas de reacción sean aerodinámicamente más eficientes, aunque la pérdida por fuga en la punta aumenta debido a la diferencia de presión relativamente mayor entre las palas del rotor.
Las turbinas de reacción de múltiples etapas emplean una gran caída de presión dividiéndola en valores más pequeños en etapas individuales. Así, las etapas de reacción son como las etapas de presión compuesta, con un nuevo elemento de "reacción" introducido en ellas, es decir, de acelerar también el flujo a través de las filas de palas del rotor.
El parámetro de relación de velocidad de pala a gas (relación de velocidad) σ = u/c 2 . Las eficiencias de las etapas de la turbina también se pueden representar en función de esta relación. En la figura se muestran estos gráficos para algunas etapas de impulso y reacción.
El rendimiento de las turbinas de vapor suele presentarse de esta forma. Las curvas en la Figura también muestran los valores óptimos de la relación de velocidades 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 describe 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 velocidad de la máquina. A veces es más conveniente utilizar una relación de velocidades 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 ocurren en una turbina real debido a la fricción del disco y del cojinete. 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 ve que la energía que llega al eje después de tener en cuenta las pérdidas en cascada de etapas (pérdidas aerodinámicas de la boquilla y de las palas del rotor) y la pérdida de salida es aproximadamente el 85% del valor ideal; las pérdidas en el eje son una proporción insignificante de este valor.
