La combustión con ganancia de presión (PGC) es el proceso en estado estacionario utilizado en las turbinas de gas en el que se limita la expansión del gas causada por la liberación de calor. Desarrollado por primera vez a principios del siglo XX como uno de los primeros diseños de turbinas de gas, el concepto fue abandonado en gran medida tras la llegada de los motores a reacción isobáricos en la Segunda Guerra Mundial . [1]
Como alternativa a las turbinas de gas convencionales, la combustión con ganancia de presión evita la expansión del gas manteniéndolo a un volumen constante durante la reacción, provocando un aumento en la presión de estancamiento . La combustión posterior produce una detonación , en lugar de la deflagración utilizada en la mayoría de las turbinas. Hacerlo permite una extracción de trabajo adicional en lugar de una pérdida de energía debido a la pérdida de presión en la turbina.
Varias variaciones diferentes de turbinas utilizan este proceso, siendo el más destacado el motor de detonación por impulsos y el motor de detonación giratoria . En los últimos años, la combustión con ganancia de presión ha vuelto a ganar relevancia y actualmente está siendo investigada para su uso en sistemas de propulsión y generación de energía debido a su potencial para mejorar la eficiencia y el rendimiento respecto a las turbinas convencionales. [2] [3] [4]
Las turbinas de gas se han investigado desde finales del siglo XVIII, comenzando con la patente de John Barber en 1791. Más de un siglo después, Ægidius Elling construyó una turbina en 1903 que generó 11 CV (8,2 kW), la primera turbina de gas en producir trabajo neto positivo. En 1909, Hans Holzwarth construyó la primera turbina de combustión con aumento de presión. Inicialmente operando a 200 bhp (147 kW), las mejoras posteriores al motor aumentaron su potencia a 5000 bhp (3728 kW) en 1939. Sin embargo, la acertadamente llamada Turbina de Explosión perdería popularidad entre ingenieros e inventores a medida que los diseños de combustión continua ganaran terreno debido a a su uso en prototipos de motores a reacción . [5] [1]
El concepto de propulsión pulsada no es nuevo ni exclusivo de la combustión con ganancia de presión. De hecho, el misil alemán V1 utilizaba un chorro de impulsos que funcionaba a 45 Hz. Durante la carrera espacial , el concepto del Proyecto Orión de la NASA utilizó la fuerza de las explosiones nucleares encendidas detrás de la nave espacial para generar empuje . Este proceso se conoce como propulsión por pulsos nucleares y estilísticamente es similar al motor de detonación por pulsos . [6]
A mediados del siglo XX, los científicos e ingenieros aeronáuticos estadounidenses intentaban estudiar las propiedades de las ondas de detonación . Para ello, se creó una primitiva cámara de detonación giratoria. Este desarrollo se convirtió en la base del motor de detonación rotativo , uno de los principales conceptos de motor PGC, aunque fue ignorado en gran medida en su momento debido a su inestabilidad. [7]
Sin embargo, a medida que las turbinas de gas se optimizan cada vez más, la investigación de PGC está ganando terreno en la propulsión de aviones, la generación de energía e incluso la propulsión de cohetes. En enero de 2008, un avión propulsado por detonación por impulsos completó su primer vuelo como proyecto cooperativo entre el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea e Innovative Scientific Solutions, una empresa de investigación y desarrollo de productos. Actualmente, varias organizaciones han desarrollado motores PGC funcionales (principalmente RDE), pero ninguno ha sido puesto en uso comercial debido a desafíos de desarrollo. [7] [8] [9]
La mayoría de las turbinas de gas constan de una entrada a través de la cual entra aire atmosférico a la turbina. Luego, el aire se presuriza a través de un compresor antes de mezclarlo con el combustible. La mezcla de aire y combustible, también conocida como fluido de trabajo, se quema en una deflagración (una reacción de combustión que se propaga a velocidad subsónica), lo que hace que la mezcla se expanda en volumen mientras se mantiene una presión constante. Finalmente, el producto de la combustión es expulsado del escape para producir empuje. Este proceso se conoce como ciclo de Brayton y se ha utilizado como método estándar de propulsión a chorro y diseño de turbinas durante aproximadamente un siglo. [10] [11]
A diferencia del ciclo Brayton utilizado en la mayoría de las turbinas, la combustión con ganancia de presión se basa en el ciclo Humphrey . En lugar de un sistema isobárico en el que el volumen del gas se expande a medida que se agrega calor a la cámara de combustión, el volumen del fluido de trabajo permanece constante a medida que aumenta su presión durante la combustión. [12] Mientras que el ciclo de Brayton describe una deflagración subsónica, el ciclo de Humphrey ocurre en una detonación (una reacción de combustión que se propaga a velocidad supersónica). [13] La reacción ocurre tan rápidamente que la mezcla no tiene tiempo de expandirse, provocando un aumento de presión, antes de ser expulsada a través del escape para producir empuje. Todo el proceso ocurre rápidamente y las turbinas producirán entre 20 y 200 detonaciones por segundo. [14] [15]
Debido a que el fluido de trabajo se quema a un volumen constante, no hay pérdida de presión a través de la turbina, lo que aumenta el trabajo neto generado por cada ciclo. Sin embargo, dado que el trabajo se realiza mediante una serie de detonaciones, en lugar de una reacción constante que genere empuje, el proceso es naturalmente más inestable en comparación con una turbina convencional. [3] [16]
La turbina PGC moderna más simple es el motor de detonación por pulsos . Al no tener casi partes móviles, el PDE es externamente similar a un ramjet , un tipo de motor a reacción sin ventiladores de compresor que solo es viable a velocidades supersónicas. Primero, el aire ingresa a la boquilla de admisión y viaja directamente a la cámara de combustión para mezclarse con el combustible inyectado. Allí, la mezcla se enciende mientras se cierra el frente de la cámara, lo que produce una onda de detonación que comprime y quema la mezcla, antes de que el fluido de trabajo sea expulsado a velocidades supersónicas a través del escape. [17] [6]
Debido a la simplicidad del motor y la similitud anatómica con los estatorreactores y los scramjets , los motores de detonación por impulsos se pueden implementar como un motor de ciclo combinado, lo que puede mejorar el rendimiento y la confiabilidad de los estatorreactores. Los motores de ciclo combinado convencionales tienen piezas móviles complejas que esencialmente se vuelven inútiles a altas velocidades, un problema que los motores PDE/ramjet no tendrán. [17] [6]
Además de los PDE, existen muchos otros conceptos de motores PGC, incluidos los combustores de pulso resonante y los rotores de ondas de combustión interna, por nombrar algunos. Sin embargo, la mayor parte de la investigación moderna sobre PGC se concentra en torno al motor de detonación rotatorio (RDE), cuyo objetivo es resolver muchos de los problemas que encuentran los PDE. [3]
El principal inconveniente de la detonación por impulsos es la naturaleza intermitente de las combustiones. No sólo la reacción es difícil de controlar, sino que la combustión intermitente también pierde potencia debido al tiempo que lleva repostar la cámara de combustión después de la purga, en la que no se produce empuje. [17] [6] El motor de detonación giratorio tiene como objetivo abordar ambos problemas. Si bien los PDE implican una serie de detonaciones repetidas para encender lotes de aire que ingresan a la cámara de combustión, los RDE pueden evitar esto utilizando una única onda de detonación que gira alrededor del espacio entre cilindros concéntricos. A través de los cilindros fluye una entrada de aire continua, que se comprime y se quema a medida que pasa a través de la onda de detonación giratoria. Esto elimina la necesidad de producir detonaciones constantemente, ya que solo utiliza una única detonación cíclica y permite un flujo constante más estable, en lugar del empuje pulsante producido por las PDE. [18] [19]
Los cohetes químicos modernos todavía utilizan reacciones de deflagración para generar empuje, que se están optimizando cada vez más hasta sus límites. Como resultado, los motores de combustión ganan presión, en su mayoría RDE, para atraer una atención significativa como un posible método para mejorar el rendimiento de los cohetes. Actualmente, las agencias espaciales de varios países, incluidas la NASA y JAXA , así como numerosas universidades y empresas privadas, están investigando los motores de cohetes con ganancia de presión. [9] La propulsión por detonación, que es más eficiente energéticamente que las reacciones de deflagración convencionales, puede aumentar la eficiencia entre un 5% y un 10%, lo que puede reducir la masa del cohete y aumentar el tamaño de la carga útil. [20]
Como se mencionó anteriormente, las turbinas de ganancia de presión también se han investigado y desarrollado ampliamente para su uso en la propulsión de aviones. Los motores de combustión con ganancia de presión pueden mejorar el rendimiento y reducir la complejidad de los motores ramjet/scramjet combinados a través de sus similitudes de diseño compartidas. Además, esto puede incluso permitir que se utilicen estatorreactores combinados PDE/RDE en condiciones no adecuadas para los estatorreactores convencionales. Además, los turborreactores con ganancia de presión requieren mucha menos complejidad, especialmente en los compresores, en comparación con las turbinas normales. Esto no sólo ahorrará recursos en la fabricación, sino que también permitirá que los diseños produzcan un mayor empuje en motores más pequeños. [6] [19]
Aparte de la fisión nuclear , el gas natural contiene la mayor densidad energética de los combustibles más utilizados. [21] Como tal, para reducir las emisiones de carbono , las plantas de generación de electricidad están recurriendo cada vez más a turbinas de gas a partir de petróleo crudo y carbón . Si bien las turbinas convencionales generan grandes cantidades de energía de manera más eficiente que otros combustibles fósiles, al igual que en el sector aeroespacial, están comenzando a alcanzar sus límites. [22]
De manera similar a su uso potencial en propulsión, las turbinas de combustión con ganancia de presión pueden ofrecer una mejora a las centrales eléctricas de gas. Además de una mejor eficiencia, los RDE pueden funcionar a concentraciones de hidrógeno mucho más altas , lo que mejora aún más el rendimiento debido a la mayor densidad energética del hidrógeno en comparación con los petroquímicos . La relativa simplicidad de los RDE también puede mejorar la confiabilidad y la facilidad de mantenimiento, aunque esto puede verse contrarrestado por el aumento de tensión que el proceso mismo ejerce sobre el motor. [22]
Si bien PGC ofrece un rendimiento y una eficiencia mejorados, existen graves fallas y desafíos que los investigadores inicialmente no pudieron resolver, lo que impide que la tecnología se utilice ampliamente.
Dado que las PDE son efectivamente propulsores de explosión intermitente, el ciclo que siguen es mucho más inestable y más difícil de controlar que el de las turbinas convencionales. Esto hace que las PDE sean muy difíciles de integrar en las estructuras de los aviones , ya que los impulsos de alta energía del motor pueden hacer que la entrada se desactive y detenga la reacción, además de ejercer una gran tensión sobre la góndola o cualquier otra parte adyacente. El ruido del escape también es motivo de preocupación. En las pruebas, las detonaciones altamente energéticas produjeron hasta 122 dB a una distancia de 3 m en un PDE de 20 Hz. Para las unidades comerciales ampliadas que operan a mayor potencia y frecuencia, la contaminación acústica será un problema grave si no se implementan medidas efectivas de amortiguación . [6]
Además, debido a la alta energía requerida para iniciar las detonaciones, las PDE con cámaras de combustión más cortas necesitarán utilizar combustión por deflagración en el encendido inicial y acelerar las ondas de presión a través de un proceso llamado Transición de Deflagración a Detonación (DDT). Esto requiere colocar obstáculos en el camino de la onda de deflagración para inducir un flujo turbulento , lo que acelera la onda pero requiere más complejidad en la estructura del motor. [17]
Si bien los RDE resuelven muchos de los problemas encontrados en los PDE, no están exentos de fallas. El flujo constante del motor, junto con la necesidad de mantener la detonación, requiere una enorme entrada de aire para mezclarse rápidamente con el combustible en una distancia más corta que la mayoría de las PDE, que normalmente son bastante alargadas. Además, la tensión ejercida sobre el motor por el proceso de detonación era simplemente demasiado para que el motor la soportara durante los primeros años de desarrollo. Sin embargo, los avances en la ciencia de los materiales y los procesos de fabricación han mejorado la viabilidad de las RDE hasta el punto en que muchas organizaciones creen que la investigación y el desarrollo valen la pena. [9] [18] [19]