Una turbobomba es una bomba propulsora con dos componentes principales: una bomba rotodinámica y una turbina de gas impulsora , generalmente ambas montadas en el mismo eje o, a veces, engranadas entre sí. Se desarrollaron inicialmente en Alemania a principios de la década de 1940. El propósito de una turbobomba es producir un fluido a alta presión para alimentar una cámara de combustión u otro uso. Si bien existen otros casos de uso, se encuentran más comúnmente en los motores de cohetes líquidos.
Hay dos tipos comunes de bombas utilizadas en las turbobombas: una bomba centrífuga , donde el bombeo se realiza arrojando fluido hacia afuera a alta velocidad, o una bomba de flujo axial , donde las paletas estáticas y giratorias alternas aumentan progresivamente la presión de un fluido.
Las bombas de flujo axial tienen diámetros pequeños pero ofrecen aumentos de presión relativamente modestos. Aunque se necesitan varias etapas de compresión, las bombas de flujo axial funcionan bien con fluidos de baja densidad. Las bombas centrífugas son mucho más potentes para fluidos de alta densidad, pero requieren diámetros grandes para fluidos de baja densidad.
Las bombas de alta presión para misiles más grandes habían sido discutidas por pioneros de cohetes como Hermann Oberth . [1] A mediados de 1935, Wernher von Braun inició un proyecto de bomba de combustible en la firma del suroeste de Alemania Klein, Schanzlin & Becker que tenía experiencia en la construcción de grandes bombas contra incendios. [2] : 80 El diseño del cohete V-2 utilizó peróxido de hidrógeno descompuesto a través de un generador de vapor Walter para alimentar la turbobomba no controlada [2] : 81 producida en la planta de Heinkel en Jenbach , [3] por lo que las turbobombas V-2 y la cámara de combustión se probaron y combinaron para evitar que la bomba sobrepresurizara la cámara. [2] : 172 El primer motor se encendió con éxito en septiembre, y el 16 de agosto de 1942, un cohete de prueba se detuvo en el aire y se estrelló debido a una falla en la turbobomba. [2] [ verificación necesaria ] El primer lanzamiento exitoso de V-2 fue el 3 de octubre de 1942. [4]
El ingeniero principal encargado del desarrollo de turbobombas en Aerojet fue George Bosco. Durante la segunda mitad de 1947, Bosco y su grupo aprendieron sobre el trabajo de otros en materia de bombas y realizaron estudios preliminares de diseño. Los representantes de Aerojet visitaron la Universidad Estatal de Ohio, donde Florant estaba trabajando en bombas de hidrógeno, y consultaron a Dietrich Singelmann, un experto alemán en bombas de Wright Field. Posteriormente, Bosco utilizó los datos de Singelmann para diseñar la primera bomba de hidrógeno de Aerojet. [5]
A mediados de 1948, Aerojet había seleccionado bombas centrífugas tanto para hidrógeno líquido como para oxígeno líquido . Obtuvieron algunas bombas de paletas radiales alemanas de la Armada y las probaron durante la segunda mitad del año. [5]
A finales de 1948, Aerojet había diseñado, construido y probado una bomba de hidrógeno líquido (de 15 cm de diámetro). Inicialmente, utilizó cojinetes de bolas que funcionaban limpios y secos, porque la baja temperatura hacía impráctica la lubricación convencional. La bomba se hizo funcionar primero a bajas velocidades para permitir que sus piezas se enfriaran hasta la temperatura de funcionamiento . Cuando los indicadores de temperatura mostraron que el hidrógeno líquido había llegado a la bomba, se intentó acelerar de 5000 a 35 000 revoluciones por minuto. La bomba falló y el examen de las piezas señaló un fallo del cojinete, así como del impulsor . Después de algunas pruebas, se utilizaron cojinetes de superprecisión, lubricados con aceite que se atomizaba y se dirigía mediante una corriente de nitrógeno gaseoso. En la siguiente prueba, los cojinetes funcionaron satisfactoriamente, pero las tensiones eran demasiado grandes para el impulsor soldado y se desmoronó. Se fabricó uno nuevo fresando a partir de un bloque sólido de aluminio . Las dos siguientes pruebas con la nueva bomba fueron una gran decepción; los instrumentos no mostraron un aumento significativo del flujo o la presión. El problema se debió al difusor de salida de la bomba, que era demasiado pequeño y no se enfriaba lo suficiente durante el ciclo de enfriamiento, por lo que limitaba el flujo. Esto se corrigió añadiendo orificios de ventilación en la carcasa de la bomba; los orificios se abrían durante el enfriamiento y se cerraban cuando la bomba estaba fría. Con esta solución, se realizaron dos pruebas adicionales en marzo de 1949 y ambas tuvieron éxito. Se descubrió que el caudal y la presión coincidían aproximadamente con las predicciones teóricas. La presión máxima fue de 26 atmósferas (26 atm (2,6 MPa; 380 psi)) y el flujo fue de 0,25 kilogramos por segundo. [5]
Las turbobombas del motor principal del transbordador espacial giraban a más de 30.000 rpm, suministrando 150 lb (68 kg) de hidrógeno líquido y 896 lb (406 kg) de oxígeno líquido al motor por segundo. [6] El Rutherford del cohete Electron se convirtió en el primer motor en utilizar una bomba accionada eléctricamente en vuelo en 2018. [7]
La mayoría de las turbobombas son centrífugas: el fluido entra en la bomba cerca del eje y el rotor acelera el fluido a alta velocidad. Luego, el fluido pasa a través de una voluta o un difusor, que es un anillo con múltiples canales divergentes. Esto provoca un aumento de la presión dinámica a medida que se pierde velocidad del fluido. La voluta o el difusor convierte la alta energía cinética en altas presiones (cientos de bares no es poco común) y, si la contrapresión de salida no es demasiado alta, se pueden lograr altos caudales.
También existen turbobombas axiales. En este caso, el eje tiene básicamente hélices unidas al eje, y el fluido es impulsado por estas en paralelo al eje principal de la bomba. Por lo general, las bombas axiales tienden a dar presiones mucho más bajas que las bombas centrífugas, y no es raro que sean de unos pocos bares. Su ventaja es un caudal volumétrico mucho mayor. Por este motivo, son comunes para bombear hidrógeno líquido en motores de cohetes, debido a su densidad mucho menor que otros propulsores que suelen utilizar diseños de bombas centrífugas. Las bombas axiales también se utilizan comúnmente como "inductores" para bombas centrífugas, que aumentan la presión de entrada de la bomba centrífuga lo suficiente como para evitar que se produzca una cavitación excesiva en la misma.
Las turbobombas tienen fama de ser extremadamente difíciles de diseñar para obtener un rendimiento óptimo. Mientras que una bomba bien diseñada y depurada puede alcanzar una eficiencia del 70 al 90 %, no es raro encontrar cifras inferiores a la mitad. Una eficiencia baja puede ser aceptable en algunas aplicaciones, pero en cohetería es un problema grave. Las turbobombas en los cohetes son importantes y problemáticas hasta el punto de que los vehículos de lanzamiento que las utilizan han sido descritos cáusticamente como una "turbobomba con un cohete acoplado"; hasta el 55 % del coste total se ha atribuido a esta área. [8]
Los problemas más comunes incluyen:
Además, la forma precisa del propio rotor es fundamental.
Las turbobombas accionadas por turbinas de vapor se emplean cuando existe una fuente de vapor, por ejemplo, las calderas de los barcos de vapor . Las turbinas de gas se utilizan normalmente cuando no se dispone de electricidad o vapor y las restricciones de espacio o peso permiten el uso de fuentes de energía mecánica más eficientes.
Uno de estos casos son los motores de cohetes , que necesitan bombear combustible y oxidante a su cámara de combustión . Esto es necesario para los grandes cohetes de combustible líquido , ya que a menudo no es posible forzar el flujo de los fluidos o gases simplemente presurizando los tanques; la alta presión necesaria para los caudales requeridos requeriría tanques fuertes y, por lo tanto, pesados.
Los motores estatorreactores también suelen estar equipados con turbobombas, cuya turbina es accionada directamente por aire a presión externo o internamente por un flujo de aire desviado de la entrada de la cámara de combustión. En ambos casos, la corriente de escape de la turbina se descarga por la borda.
