Introducción
El trabajo realizado en las turbinas de gas es directamente aprovechado en el eje de la turbina, como podría ser en el caso de motores turbohélice, u otras aplicaciones industriales.
Para esto es necesario tratar los gases de escape de la forma mas correcta, ya sea con toberas o con difusores, según la aplicación que se le vaya a dar.
Aplicaciones
Tiene distintas aplicaciones, las principales y más conocidas son para la propulsión de aeronaves, ya sean turborreactores o turbofán; y para la producción de energía eléctrica, con turbinas aeroderivadas o industriales.
Toberas y difusores
Según sea la aplicación que se le vaya a dar, en la salida de gases de escape en la turbina, se le pondrá una tobera o un difusor. Lo más común y popular es ver las toberas de los motores, como el de la siguiente imagen:
Para regímenes subsónicos de gases, las toberas son convergentes, como se aprecia en la imagen anterior, y tienen como misión transformar la entalpía en energía cinética, es decir, aumentan la velocidad de los gases de escape, a costa de disminuir su presión. Al aumentar la velocidad de los gases, se produce el empuje (tercera ley de Newton).
Existen otras aplicaciones donde no se necesita empuje sino energía. Este es el caso de las turbinas para la generación de energía eléctrica. En este caso, a la salida de la turbina se tiene colocado un difusor que convierte la energía cinética en entalpía, es decir, aumenta la presión de los gases de escape a costa de disminuir la velocidad. Es el caso de la turbina FT8 de Pratt & Whitney de la siguiente imagen, turbina aeroderivada del motor JT8D.
En estos sistemas, se coloca una tercera turbina (turbina de potencia), en cuyos álabes impactan los gases de escape a alta presión, haciéndola girar. Estos sistemas tienen la ventaja de que, al no haber conexión directa entre ejes, las velocidades de los mismos son diferentes. Esto es especialmente útil en el caso de la generación eléctrica, ya que se necesita que la velocidad de la turbina de potencia sea constante (velocidad de sincronismo). Este sistema creo que también es utilizado en motores de algunos helicópteros.
Tipos de toberas
Solo me voy a referir a toberas con velocidades de gases subsónicas, que son las aplicadas generalmente en aviación comercial. En aviación militar o en cohetes, con velocidades supersónicas, la física de fluidos cambia y es muy diferente. Por ejemplo, en los cohetes se puede ver como las toberas ya no son convergentes sino que son divergentes, como se aprecia en la siguiente imagen:
En este caso solo se aprecia la parte divergente de la tobera, pero en realidad es convergente-divergente, alcanzando velocidades subsónicas en la parte convergente, llegando a mach 1 en la garganta, y superando la velocidad del sonido en la parte divergente. Pero esa es otra historia.
A continuación se resume un cuadro tipo de toberas, con el comportamiento de las mismas:
Número de Mach
Se trata de un número adimensional que se define como la relación entre la velocidad del flujo y la velocidad del sonido.
Luego:
