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 juntas. Inicialmente se desarrollaron en Alemania a principios de los años 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 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 la alternancia de paletas estáticas y giratorias aumenta progresivamente la presión de un fluido.
Las bombas de flujo axial tienen diámetros pequeños pero dan aumentos de presión relativamente modestos. Aunque se necesitan múltiples 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.
Los pioneros de los cohetes, como Hermann Oberth, habían discutido las bombas de alta presión para misiles más grandes . [ especificar ] A mediados de 1935, Wernher von Braun inició un proyecto de bomba de combustible en la empresa Klein, Schanzlin & Becker del suroeste de Alemania , que tenía experiencia en la construcción de grandes bombas contra incendios. [1] : 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 [1] : 81 producida en la planta de Heinkel en Jenbach , [2] por lo que las turbobombas V-2 y la cámara de combustión fueron probados y combinados para evitar que la bomba sobrepresurice la cámara. [1] : 172 El primer motor 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. [1] [ se necesita verificación ] El primer lanzamiento exitoso del V-2 fue el 3 de octubre de 1942. [3]
El ingeniero principal para el desarrollo de turbobombas en Aerojet fue George Bosco. Durante la segunda mitad de 1947, Bosco y su grupo conocieron el trabajo de bombas de otros e hicieron estudios preliminares de diseño. 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 en Wright Field. Posteriormente, Bosco utilizó los datos de Singelmann para diseñar la primera bomba de hidrógeno de Aerojet. [4]
A mediados de 1948, Aerojet había seleccionado bombas centrífugas tanto para hidrógeno líquido como para oxígeno líquido . Obtuvieron algunas bombas alemanas de paletas radiales de la Armada y las probaron durante la segunda mitad del año. [4]
A finales de 1948, Aerojet había diseñado, construido y probado una bomba de hidrógeno líquido (15 cm de diámetro). Al principio se utilizaban rodamientos de bolas que funcionaban limpios y secos, porque la baja temperatura hacía que la lubricación convencional no fuera práctica. La bomba se operó primero a bajas velocidades para permitir que sus piezas se enfriaran a la temperatura de funcionamiento . Cuando los medidores de temperatura mostraron que había llegado hidrógeno líquido a la bomba, se intentó acelerar de 5.000 a 35.000 revoluciones por minuto. La bomba falló y el examen de las piezas apuntó a una falla del rodamiento, así como del impulsor . Después de algunas pruebas, se utilizaron cojinetes de súper precisión, lubricados con aceite atomizado y dirigido por una corriente de nitrógeno gaseoso. En el siguiente recorrido, los cojinetes funcionaron satisfactoriamente pero las tensiones fueron demasiado grandes para el impulsor soldado y se rompió. Se hizo uno nuevo fresando un bloque sólido de aluminio . Las dos siguientes pruebas con la nueva bomba fueron una gran decepción; los instrumentos no mostraron ningún aumento significativo de flujo o presión. El problema se debió al difusor de salida de la bomba, que era demasiado pequeño y no estaba suficientemente enfriado durante el ciclo de enfriamiento, por lo que limitaba el flujo. Esto se corrigió agregando orificios de ventilación en la carcasa de la bomba; Las rejillas de ventilación se abrieron durante el enfriamiento y se cerraron cuando la bomba estaba fría. Con esta solución, se realizaron dos ejecuciones adicionales en marzo de 1949 y ambas tuvieron éxito. Se encontró que el caudal y la presión concordaban 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. [4]
Las turbobombas del motor principal del transbordador espacial giraban a más de 30.000 rpm, entregando 150 lb (68 kg) de hidrógeno líquido y 896 lb (406 kg) de oxígeno líquido al motor por segundo. [5] El Rutherford del Electron Rocket se convirtió en el primer motor en utilizar turbobombas impulsadas eléctricamente en vuelo en 2018. [6]
La mayoría de las turbobombas son centrífugas: el fluido ingresa a la bomba cerca del eje y el rotor acelera el fluido a alta velocidad. Luego, el fluido pasa a través de una voluta, que es un tubo que se agranda progresivamente (en forma de espiral); o un difusor, que es un anillo con múltiples canales divergentes. Esto provoca un aumento de la presión dinámica a medida que se pierde la velocidad del fluido. La voluta o difusor convierte la alta energía cinética en altas presiones (cientos de bares no es raro), y si la contrapresión de salida no es demasiado alta, se pueden lograr altos caudales.
También existen turbobombas axiales. En este caso, el eje esencialmente tiene hélices unidas al eje, y éstas fuerzan el fluido en paralelo al eje principal de la bomba. Generalmente, las bombas axiales tienden a dar presiones mucho más bajas que las bombas centrífugas, y no es raro que lleguen unos pocos bares. Su ventaja es un caudal volumétrico mucho mayor. Por este motivo, son habituales para bombear hidrógeno líquido en motores de cohetes, debido a su densidad mucho menor que la de otros propulsores que suelen utilizar diseños de bombas centrífugas. Las bombas axiales también se utilizan comúnmente como "inductores" para bombas centrífugas, que elevan la presión de entrada de la bomba centrífuga lo suficiente como para evitar que se produzca 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 lograr una eficiencia del 70% al 90%, cifras inferiores a la mitad no son infrecuentes. La baja eficiencia puede ser aceptable en algunas aplicaciones, pero en cohetes esto es un problema grave. Las turbobombas en los cohetes son tan importantes y problemáticas que los vehículos de lanzamiento que las utilizan han sido descritos cáusticamente como una "turbobomba con un cohete adjunto": hasta el 55% del costo total se ha atribuido a esta área. [7]
Los problemas comunes incluyen:
Además, la forma precisa del propio rotor es fundamental.
Las turbobombas accionadas por turbinas de vapor se emplean cuando hay una fuente de vapor, por ejemplo, en 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 lugar o de peso permiten el uso de fuentes más eficientes de energía mecánica.
Uno de esos casos son los motores de cohetes , que necesitan bombear combustible y oxidante a su cámara de combustión . Esto es necesario para los grandes cohetes líquidos , ya que muchas veces no es factible 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 Ramjet también suelen estar equipados con turbobombas, siendo impulsada la turbina directamente por aire externo de corriente libre o internamente por un flujo de aire desviado de la entrada de la cámara de combustión. En ambos casos, el flujo de escape de la turbina se vierte por la borda.
