Lo que falta hasta ahora es una explicación de por qué no puede expandirse de alta presión a atmosférica en una turbina de gas de una sola etapa. Hay dos tipos de turbinas de gas: turbinas de impulso y de reacción. Ambos enfrentan el mismo problema, pero es más fácil de entender en la turbina de impulso.
Una turbina de impulso acelera el gas a través de una boquilla de alta presión P1 a una presión más baja P2, aumentando su velocidad a V. El gas de movimiento rápido golpea las palas de la turbina y abandona su impulso y energía cinética, convirtiéndose en gas de movimiento lento a la presión P2.
El problema es que para algún valor de diferencia de presión, la velocidad V alcanza la velocidad del sonido (en ese gas a esa temperatura). En ese momento, las palas de la turbina son altamente ineficientes.
De un libro muy antiguo que no puedo encontrar ahora sobre turbinas de vapor (lo mismo: ¡el vapor es un gas!), La eficiencia comenzó a disminuir en algún lugar alrededor de Mach 0.5, lo que correspondió a una reducción de presión del 40% en una etapa. (La velocidad real se puede encontrar a partir de la ecuación de Bernoulli)
Lo que proporciona una manera de encontrar la cantidad de etapas que necesita para convertir eficientemente cualquier relación de presión dada en la potencia del eje. Dados los nuevos diseños de cuchillas, Mach 0.5 puede que ya no sea el límite superior, pero se aplica el mismo principio básico.
En un motor a reacción de un avión, después de varias etapas de aceleración subsónica, los gases calientes escapan a través de una última boquilla y pueden superar Mach 1 para proporcionar empuje al avión, pero no de manera muy eficiente. (Los motores del SR71 Blackbird hicieron la transición a un modo de operación diferente, prácticamente un ramjet, para la operación Mach 3)
