turbinas axiales

Desarrollo de Motores

8

Turbina Axial

TURBINAS AXIALES

8.1
8.1.1

DISEÑO DE LA TURBINA DE ALTA PRESIÓN (HPT)
INTRODUCCIÓN

La HPT es el elemento inmediatamente posterior a la cámara de combustión. De esta
turbina se va a obtener la potencia necesaria para mover el HPC y algunos mecanismos
auxiliares.
La finalidad de la turbina es conseguir trabajo del flujo de gas que loatraviesa a cambio
de una disminución de la presión y temperatura de éste. En el estátor (Nozzle Guide
Vane, NGV) se incrementa la velocidad tangencial del flujo, produciéndose una caída
de presión. En cambio en el rótor la velocidad tangencial se reduce. La energía cinética
absoluta del flujo disminuye al pasar por el rótor.
Como consecuencia de su situación va a tener un diseño crítico. Lastemperaturas a las
que va a estar sometida (tanto NGV como rótor) hacen que se tengan que diseñar álabes
refrigerados y la utilización de materiales especiales resistentes a altas temperaturas.
Aún con todos los avances tecnológicos que hoy en día se están realizando, la
temperatura de salida de la cámara es un límite que no se puede superar si quiere que
estos elementos tengan un buencomportamiento mecánico.
A diferencia del caso del diseño del compresor, la relación de radios interior y exterior
es muy alta (ξi ≈ 0.8) lo que conduce a que la teoría bidimensional sea más precisa que
en el caso del compresor.
El diseño de este elemento se realiza en el radio medio, rm.
En el caso de motores militares lo más común es que la turbina de alta conste de un solo
escalón. Este se diseñade forma que se produzca una expansión crítica en la directriz
del NGV. En el caso de que la HPT fuera multietapa (motores civiles), el primer escalón
se diseñaría de la misma forma mientras que el resto se diseñarían para obtener un grado
de reacción de 0.5 en el radio medio con una distribución de trabajo específico por
escalón óptima.
8.1.2

ECUACIONES DE ACOPLAMIENTO

Para el diseñode la HPT se dispone de una condición que hasta este nivel del diseño no
se había utilizado, la ecuación de acoplamiento de potencias entre HPT y HPC
WHPT = WHPC + WAUX + WPERD

[8.1]

donde WAUX representa la potencia que se extrae para mecanismos auxiliares y WPERD
son las pérdidas en los cojinetes de los ejes, fricción del aire con los discos (windage
losses), etc, y que representanalrededor del 1/10000 del total
Como la HPT está solidariamente unida al HPC, se tiene que verificar que ambos giran
a las misma velocidad angular
Ω HPT = Ω HPC

⇒

N HPT = N HPC

[8.2]

Además, por continuidad, se tiene que el gasto que atraviesa la turbina es

Página 8 - 1

Desarrollo de Motores

G HPT = G HPC + c ⋅ G BLEED

Turbina Axial

[8.3]

donde c es el gasto decombustible y GBLEED el gasto que se sangra del compresor. En la
expresión [8.3] no se ha tenido en cuenta el gasto de aire de refrigeración que sale del
NGV y atraviesa la sección del rótor
De las ecuaciones [8.1] y [8.3], se obtiene el trabajo específico (en valor absoluto) que
proporciona el fluido a la turbina
τ HPT =

WHPT
G HPT

[8.4]

Para el diseño del primer escalón, se impone quese produzca una expansión crítica en la
directriz del NGV. Esta condición se traduce en
Taw = Ts + r ⋅

2
W2
2 ⋅ Cp

[8.5]

donde
Taw

Temperatura adiabática de la superficie del estátor (Turbine Blade
Temperature,TBT)

Ts

Temperatura estática del gas en la sección (Static Outlet Temperature,
SOT)

R

Factor de recuperación, r ≈ 0.85

Esta expansión crítica se suponepolitrópica en vez de isentrópica. Para tener en cuenta
este hecho, se utiliza un exponente n que depende del rendimiento politrópico, ηp
n −1 γ −1
=
⋅ ηp
n
γ

[8.6]

Valores típicos de ηp están entre 0.9 y 0.94.
Interesa que Taw sea lo más baja posible, esto se puede conseguir de dos maneras:
a)

Disminuyendo Ts, lo cual provoca que V2 aumente

b)

Disminuyendo W2, lo cual produce...