El motor exoesquelético ( ESE ) es un concepto en el diseño de turbomáquinas . Los motores de turbina de gas actuales tienen ejes giratorios centrales y discos de ventilador y están construidos principalmente con metales pesados. Requieren cojinetes lubricados y necesitan una refrigeración extensa para los componentes calientes. También están sujetos a desequilibrios severos (o vibraciones) que podrían acabar con toda la etapa del rotor , son propensos a la fatiga de ciclo alto y bajo y están sujetos a fallas catastróficas debido a estallidos de discos por cargas de alta tensión, lo que requiere dispositivos de contención pesados. [1] Para abordar estas limitaciones, el concepto ESE invierte la configuración convencional y utiliza un diseño de rotor de tipo tambor para la turbomáquina en el que las palas del rotor están unidas al interior de un tambor giratorio en lugar de radialmente hacia afuera desde un eje y discos. Se podrían utilizar rotores de tambor múltiples en un diseño de carrete múltiple .
Básicamente, la configuración de rotor de tambor ESE generalmente consta de cuatro tambores o carcasas concéntricos de extremos abiertos:
En el diseño ESE, las palas giratorias están principalmente en compresión radial en lugar de tensión radial, lo que significa que se pueden utilizar materiales que no poseen una alta resistencia a la tracción, como los materiales cerámicos , para su construcción. La cerámica se comporta bien en situaciones de carga de compresión donde se minimiza la fractura frágil y proporcionaría una mayor eficiencia operativa a través de temperaturas de funcionamiento más altas y un peso del motor más ligero en comparación con las aleaciones de metal que normalmente se utilizan en los componentes de turbomaquinaria. El diseño ESE y el uso de materiales compuestos también podrían reducir el número de piezas, reducir o eliminar la refrigeración y dar como resultado una mayor vida útil de los componentes. [2] El uso de cerámica también sería una característica beneficiosa para los sistemas de propulsión hipersónica , donde las altas temperaturas de estancamiento pueden superar los límites de los materiales de turbomaquinaria tradicionales.
La cavidad dentro de la carcasa interna podría aprovecharse de varias maneras diferentes. En aplicaciones subsónicas, la ventilación de la cavidad central con un flujo de corriente libre podría contribuir potencialmente a una importante reducción del ruido; mientras que en aplicaciones supersónicas -hipersónicas podría utilizarse para alojar un estatorreactor o un estatorreactor de combustión supersónica (u otros dispositivos como un motor de detonación por pulsos ) como parte de un motor de ciclo combinado basado en turbina . Una disposición de este tipo podría reducir la longitud total del sistema de propulsión y, por lo tanto, reducir significativamente el peso y la resistencia. [1]
De Chamis y Blankson: [1]
Uno de los principales desafíos está en el diseño de los cojinetes, ya que no se conocen sistemas lubricados que puedan soportar la magnitud de velocidad encontrada en el ESE; se han sugerido cojinetes magnéticos y de láminas como posibles soluciones a este problema.
Aunque ambos sistemas de cojinetes cumplen teóricamente los requisitos de la aplicación exoesquelética, ninguna de las tecnologías está actualmente lista para funcionar en tamaños prácticos. Los avances en la tecnología de cojinetes de láminas indican que pueden pasar 20 años hasta lograr cojinetes de láminas para este diámetro, y los cojinetes magnéticos parecen ser demasiado pesados para esta aplicación y también enfrentarían un largo programa de desarrollo tecnológico. [2]