Nel motore a getto la turbina ha la funzione di utilizzare parte dell'energia posseduta dai gas provenienti dalla camera di combustione.

Ciò avviene mediante l'espansione dei gas, con conseguente calo di pressione e temperatura attraverso la cessione dell'energia meccanica necessaria alla rotazione del compressore ed al funzionamento degli accessori trascinati dal motore.

In un motore turbogetto circa il 75% dell'energia disponibile dai prodotti della combustione viene utilizzata per muovere il compressore.

Nel motore a flusso assiale la turbina è composta basicamente da un gruppo rotante e uno statorico.

Lo statore è costituito da una o più serie di palette fisse, il cui profilo crea degli ugelli, che convogliano i gas verso le palette rotoriche. Le palette statoriche sono denominate "NGV" ed il loro disegno riveste grande importanza nell'efficienza del gruppo turbina. La serie di palette statoriche stabilisce, per ciascuno stadio della turbina, l'area totale di passaggio dei gas ed influenza pertanto il flusso attraverso il motore. Ove l'area totale di passaggio fosse troppo grande, si avrebbe un basso rendimento della turbina, viceversa, un'area di passaggio troppo piccola determinerebbe una strozzatura del flusso, con conseguente tendenza a fenomeni di stallo, specie ad alte potenze ed alle rapide variazioni di giri.

Il getto dei gas caldi, convogliati attraverso lo statore turbina, viene diretto contro le palette rotanti con un’angolazione tale, da consentire la trasformazione dell'energia cinetica propria dei gas, in energia meccanica assorbita dalla turbina.

Il numero di stadi di una turbina varia in dipendenza di numerosi fattori, quali: il numero degli alberi (motore mono o bialbero); la relazione tra la potenza richiesta al flusso dei gas, la velocità di rotazione a cui detta potenza deve essere prodotta ed il diametro della turbina.

Tuttavia, nei moderni motori a getto, aventi alti rapporti di compressione, e soprattutto nei turbofan ad elevato rapporto di by-pass, la tendenza dei costruttori è di aumentare il numero degli stadi costituenti la turbina al fine di assorbire la massima quantità d’energia possibile per muovere il fan.

Come già detto, la turbina è l'organo del motore che ha il compito di sfruttare gran parte dell'energia fornita dal carburante per muovere il compressore e quindi il motore stesso. Il suo rendimento assume pertanto grande importanza. Per rendimento della turbina s’intende il rapporto tra il lavoro meccanico effettivamente prodotto dalla turbina ed il lavoro meccanico che essa sarebbe in grado di produrre in assenza di perdite e d’attriti.

Uno degli elementi che influenza maggiormente il rendimento della turbina è la velocità media di rotazione delle palette.

Ciò avviene in quanto la caduta di pressione dei gas attraverso la turbina è proporzionale al quadrato della velocità delle palette.

Quindi a maggiori velocità di rotazione corrispondono minori perdite in turbina. D'altra parte la maggiore velocità di rotazione provoca anche uno sproporzionato aumento delle sollecitazioni che agiscono sul disco turbina, con conseguente necessità di aumentarne grandemente la sezione e pertanto il peso.

Il giusto equilibrio tra questi fattori in contrasto tra loro deriva normalmente in fase di progetto da un compromesso tra rendimento e peso.

Le turbine vengono classificate in tre tipi:

- turbina ad azione

- turbina a reazione

- turbina ad azione e reazione (miste).

Nel diagramma in figura è mostrato il principio di funzionamento di una turbina ad azione. I gas provenienti dalla camera di combustione secondo il vettore Vi, attraversano il primo stadio statorico della turbina NGV (NOZZLE GUIDE VANES) che ne modificherà la direzione ed il verso, secondo il vettore Vi 1, incrementandone anche l'intensità, a causa dell'interspazio convergente delle palette. Si avrà quindi nello statore un aumento della velocità ed una diminuzione della pressione.

I gas che colpiscono le palette rotoriche, in movimento secondo il vettore V rot, daranno luogo ad una velocità relativa secondo il vettore V rel. La velocità relativa si manterrà pressochè costante nell'attraversare l'interspazio delle palette rotoriche di sezione costante, ma cambierà solo di direzione e verso. La velocità assoluta d’uscita V usc sarà data dalla risultante della velocità relativa V rel e V rot rappresentata dal vettore V usc.

La pressione nel rotore si mantiene pressochè costante. Come si può notare dalla figura, si è avuto in questo tipo di turbina un forte calo della velocità assoluta fra entrata ed uscita. Una turbina quindi, che assorbe prevalentemente energia di velocità; (cinetica) viene definita turbina ad azione.

Nel diagramma vettoriale di figura è mostrato il funzionamento di una turbina a reazione.

La parte statorica è pressochè uguale a quella della turbina ad azione, dove i gas provenienti dalla camera di combustione subiranno una modifica della direzione e verso ma anche un incremento dell'intensità a causa del profilo convergente dell'interspazio delle palette, da Vi a Vi 1. I gas uscenti dallo statore secondo Vi 1, incontrano le palette rotoriche in movimento secondo V rot, pertanto i gas si muoveranno rispetto al rotore secondo la velocità relativa V rel. Si avrà nello statore, un incremento della velocità a discapito della pressione. I gas che attraversano l'interspazio delle palette rotoriche, secondo V rel, subiranno, a causa del profilo convergente un notevole incremento della velocità. Ci sarà quindi, a causa dell'incremento della velocità relativa un forte recupero della velocità assoluta d’uscita V usc a discapito della pressione. Una turbina, quindi che assorbe prevalentemente energia di pressione viene definita turbina a reazione.

Per meglio capire i principi di funzionamento della turbina sia essa ad azione che a reazione prendiamo per esempio in considerazione le barche a vela ed il loro modo di funzionamento. Le vele non sono altro che delle pale di turbina che utilizzando l'energia di un flusso d’aria in movimento (vento) riescono a trasformarla in forza propulsiva necessaria a creare il movimento del mezzo. Come si può vedere dal dettaglio "A" della figura le vele opportunamente posizionate ed investite dal vento, sono soggette ad una serie di forze, per ogni unità di superficie, la cui sommatoria può essere rappresentata dalla risultante secondo il vettore "R". Tale forza si scompone in due componenti, una di sbandamento "S" ed una d’avanzamento "A". La forza di sbandamento "S" viene contrastata con una pinna immersa in acqua, capace di generare una resistenza idrodinamica uguale ed opposta alla forza "S", mentre la componente "A" viene utilizzata per la propulsione del mezzo. Come si purappresentano altro che una porzione di turbina ad azione, mossa cioè utilizzando l'energia cinetica ò notare, le vele non di un flusso dSe esaminiamo ora la barca in movimento secondo il dettaglio "B", con il vento laterale e quindi di ’aria (GAS). diversa direzionenotare che pur variando la posizione delle vele si otterrà una diversa forza risultante "R" con un , possiamo aumento della componente di sbandamento "S" ed una riduzione della componente d’avanzamento "A". Quest'ultima si annullerdel vento assume una piccola angolazione frontale e quindi la barca non potrebbe più à non appena la direzione avanzarerealizzare la forza propulsiva anche quando il vento spira con un’ampia angolazione . Le barche tuttavia, riescono a anteriore come da dettaglio "C". Il flusso del vento incanalato nell'interspazio fra le vele di (55° + 60°) disponendo le vele sezione convergenteun'accelerazione tale da realizzare una forza propulsiva di reazione in grado di far muovere la , subisce barcaqueste condizioni le vele rappresentano una vera e propria sezione di turbina a reazione.

Le turbine installate nei motori sono normalmente miste, di tipo azione e reazione. Le palette rotoriche, vengono sottoposte sia ad un effetto d’azione nella sezione d’entrata e, successivamente, di reazione nella sezione d’uscita. A parità di velocità di rotazione del disco della turbina, la velocità tangenziale delle palette non sarà costante, in ogni punto delle palette ma minima nella zona della radice e massima all'estremità in funzione del differente diametro del disco.

Laddove la velocità tangenziale è più bassa, risulta più efficiente un profilo prossimo al tipo azione, mentre dove è più alta risulta più efficiente un profilo prossimo al tipo reazione. Per ottimizzare, quindi, il rendimento della turbina, le palette presentano un graduale angolo di svergolamento in modo da trasformare il profilo gradualmente da uno prossimo ad azione pura alla radice, fino ad uno prossimo alla reazione pura all'estremità. L'angolo di svergolamento e, quindi, il rapporto d’azione e reazione nei vari punti delle palette, è determinato dal progettista in funzione dei diametri interni ed esterni, della velocità di rotazione e della condizione di lavoro della turbina.

La turbina può essere ad uno o più stadi. Ciascuno stadio è costituito da una serie di palette statoriche (NGV) e da una serie di palette rotoriche montate su apposito disco.

Se il motore è del tipo a doppio albero si avranno due gruppi turbina; una per trascinare il compressore d’alta pressione ed una per trascinare il compressore di bassa pressione.

Il gruppo rotorico della turbina è un complesso che viene bilanciato come gruppo assemblato (bilanciatura dinamica) e consiste di palette in lega d’acciaio montate su dischi rotanti. Il sistema più largamente usato per il fissaggio delle palette sui dischi è quello della radice a pino rovescio.

Le palette rotanti sono comunemente munite di schermo esterno la cui funzione è di ridurre le sollecitazioni da vibrazioni, consentendo pertanto il loro alleggerimento e creando un anello esterno con relativa tenuta a coltello per contenere le perdite aerodinamiche delle estremità delle palette.

Le turbine aeronautiche sono soggette ad alta velocità ed elevate temperature di funzionamento. La prima condizione causa elevate forze centrifughe, la seconda richiede che la turbina debba operare entro i limiti di temperatura sopportabili dai materiali, che ove venissero superati ne ridurrebbero drasticamente le caratteristiche di resistenza. La parte termicamente più sollecitata di una turbina è senza alcun dubbio il primo stadio ed in particolar modo lo statore (NGV) poichè situato all'uscita della camera di combustione.

E' su questi elementi che l'elevata temperatura e l'elevata velocità dei gas esercitano il loro effetto di bruciatura ed erosione.

Per aumentare la resistenza della turbina e/o le temperature di lavoro, oltre a rivestire le palette con riporti di materiali molto resistenti, cementati o ceramici, si utilizza un sofisticato sistema di raffreddamento attraverso il convogliamento d’aria, prelavata a valle del compressore, ed inviata nelle palette sia statoriche sia rotoriche.

L'aria opportunamente convogliata viene inviata in una sorta di passaggi a labirinto ricavati all'interno delle palette e quindi scaricata da una serie di finissimi fori ubicati sui bordi d’entrata (nose holes) ed uscita e sul ventre e dorso (gill holes). Il flusso d’aria cosi convogliato protegge le palette in seguito ad un duplice effetto; crea una pellicola d’aria più fredda sulla superficie delle palette stesse, che sfruttando il fenomeno dello strato limite, evita il di retto contatto dei gas caldi sulla superficie nuda contenendo l'effetto d’erosione e sottrarre calore dall'interno garantendo un buon raffreddamento.

Tale sistema di raffreddamento è tanto più evoluto quanto più critiche sono le condizioni di lavoro della turbina.

Normalmente solo il primo e secondo stadio presentano tale sistema mentre sui successivi è normalmente inesistente poichè le temperature si sono notevolmente abbassate in seguito all'espansione sugli stadi precedenti. Il flusso d’aria prelevato per tale sistema inoltre non penalizza il rendimento globale del motore poichè la massa d’aria viene rimessa dai fori nel flusso di gas che andranno a cedere comunque energia agli stadi successivi.

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