La Marina de los Estados Unidos planea actualizar las plantas de energía de turbinas de gas actualmente instaladas en sus aviones y barcos en el futuro, reemplazando los motores de ciclo Brighton convencionales por motores rotativos de detonación. Debido a esto, se espera que los ahorros de combustible asciendan a alrededor de $ 400 millones anuales. Sin embargo, el uso en serie de nuevas tecnologías es posible, según los expertos, no antes de una década.
El desarrollo de motores rotativos o giratorios en Estados Unidos lo lleva a cabo el Laboratorio de Investigación de la Marina de los EE. UU. Según las estimaciones iniciales, los nuevos motores serán más potentes y también alrededor de una cuarta parte más económicos que los motores convencionales. Al mismo tiempo, los principios básicos de operación de la planta de energía seguirán siendo los mismos: los gases del combustible quemado ingresarán a la turbina de gas, girando sus palas. Según el laboratorio de la Armada de los Estados Unidos, incluso en un futuro relativamente lejano, cuando toda la flota estadounidense funcione con electricidad, las turbinas de gas seguirán siendo responsables de generar energía, en cierta medida modificada.
Recordemos que la invención del motor a reacción pulsante se remonta a finales del siglo XIX. El inventor fue el ingeniero sueco Martin Wiberg. Las nuevas plantas de energía se generalizaron durante la Segunda Guerra Mundial, aunque eran significativamente inferiores en sus características técnicas a los motores de avión que existían en ese momento.
Cabe señalar que en este momento, la flota estadounidense cuenta con 129 barcos, que utilizan 430 motores de turbina de gas. Cada año, el costo de proporcionarles combustible es de aproximadamente $ 2 mil millones. En el futuro, cuando los motores modernos sean reemplazados por otros nuevos, la cantidad de costos de combustible cambiará.
Los motores de combustión interna actualmente en uso funcionan en el ciclo Brighton. Si define la esencia de este concepto en pocas palabras, entonces todo se reduce a la mezcla sucesiva del oxidante y el combustible, una mayor compresión de la mezcla resultante, luego, incendio y combustión con la expansión de los productos de combustión. Esta expansión solo se utiliza para impulsar, mover pistones, rotar una turbina, es decir, realizar acciones mecánicas, proporcionando una presión constante. El proceso de combustión de la mezcla de combustible se mueve a una velocidad subsónica; este proceso se llama dufflagración.
En cuanto a los nuevos motores, los científicos pretenden utilizar en ellos combustión explosiva, es decir, detonación, en la que la combustión se produce a velocidad supersónica. Y aunque en la actualidad el fenómeno de la detonación aún no ha sido completamente estudiado, se sabe que con este tipo de combustión surge una onda de choque, que se propaga a través de una mezcla de combustible y aire, provoca una reacción química, cuyo resultado es la liberación de una cantidad bastante grande de energía térmica. Cuando la onda de choque atraviesa la mezcla, se calienta, lo que provoca la detonación.
En el desarrollo de un nuevo motor, se prevé utilizar ciertos desarrollos que se obtuvieron en el proceso de desarrollo de un motor de detonación pulsante. Su principio de funcionamiento es que una mezcla de combustible precomprimida se alimenta a la cámara de combustión, donde se enciende y detona. Los productos de combustión se expanden en la boquilla, realizando acciones mecánicas. Entonces se repite todo el ciclo desde el principio. Pero la desventaja de los motores pulsantes es que la tasa de repetición de los ciclos es demasiado baja. Además, el diseño de estos motores en sí se vuelve más complejo en caso de un aumento en el número de pulsaciones. Esto se debe a la necesidad de sincronizar el funcionamiento de las válvulas, que se encargan de suministrar la mezcla de combustible, así como directamente por los propios ciclos de detonación. Los motores pulsantes también son muy ruidosos, requieren una gran cantidad de combustible para funcionar y el trabajo solo es posible con una inyección constante de combustible.
Si comparamos los motores rotativos de detonación con los pulsátiles, entonces el principio de su funcionamiento es ligeramente diferente. Así, en particular, los nuevos motores proporcionan una detonación constante y continua del combustible en la cámara de combustión. Este fenómeno se llama giro o detonación rotatoria. Fue descrito por primera vez en 1956 por el científico soviético Bogdan Voitsekhovsky. Y este fenómeno se descubrió mucho antes, en 1926. Los pioneros fueron los británicos, que notaron que en ciertos sistemas aparecía una "cabeza" resplandeciente, que se movía en espiral, en lugar de una onda de detonación plana.
Voitsekhovsky, utilizando una grabadora fotográfica que él mismo diseñó, fotografió el frente de onda, que se movía en una cámara de combustión anular en una mezcla de combustible. La detonación por espín se diferencia de la detonación del plano en que en ella surge una sola onda transversal de choque, seguida de un gas calentado que no ha reaccionado, y ya detrás de esta capa hay una zona de reacción química. Y es precisamente esa onda la que impide la combustión de la propia cámara, que Marlene Topchiyan denominó “un donut aplanado”.
Cabe señalar que los motores de detonación ya se han utilizado en el pasado. En particular, estamos hablando del motor de chorro de aire pulsante, que fue utilizado por los alemanes al final de la Segunda Guerra Mundial en los misiles de crucero V-1. Su producción fue bastante simple, su uso fue bastante fácil, pero al mismo tiempo este motor no era muy confiable para resolver problemas importantes.
Además, en 2008, el Rutang Long-EZ, un avión experimental equipado con un motor de detonación pulsante, despegó. El vuelo duró solo diez segundos a una altitud de treinta metros. Durante este tiempo, la planta de energía desarrolló un empuje del orden de 890 Newtons.
El prototipo experimental del motor, presentado por el laboratorio estadounidense de la Marina de los Estados Unidos, es una cámara de combustión anular en forma de cono que tiene un diámetro de 14 centímetros en el lado de suministro de combustible y 16 centímetros en el lado de la tobera. La distancia entre las paredes de la cámara es de 1 centímetro, mientras que el "tubo" mide 17,7 centímetros de largo.
Se utiliza una mezcla de aire e hidrógeno como mezcla de combustible, que se suministra a una presión de 10 atmósferas a la cámara de combustión. La temperatura de la mezcla es de 27,9 grados. Tenga en cuenta que esta mezcla es reconocida como la más conveniente para estudiar el fenómeno de la detonación de espín. Pero, según los científicos, en los nuevos motores será posible utilizar una mezcla de combustible formada no solo por hidrógeno sino también por otros componentes combustibles y aire.
Los estudios experimentales de un motor rotativo han demostrado su mayor eficiencia y potencia en comparación con los motores de combustión interna. Otra ventaja es el ahorro de combustible significativo. Al mismo tiempo, durante el experimento se reveló que la combustión de la mezcla de combustible en el motor rotativo de "prueba" no es uniforme, por lo que es necesario optimizar el diseño del motor.
Los productos de combustión que se expanden en la boquilla se pueden recolectar en un chorro de gas usando un cono (este es el llamado efecto Coanda), y luego este chorro se puede enviar a la turbina. La turbina girará bajo la influencia de estos gases. Por lo tanto, parte del trabajo de la turbina se puede utilizar para propulsar barcos y, en parte, para generar energía, que es necesaria para los equipos de los barcos y varios sistemas.
Los propios motores se pueden producir sin partes móviles, lo que simplificará enormemente su diseño, lo que, a su vez, reducirá el costo de la central eléctrica en su conjunto. Pero esto es solo en perspectiva. Antes de lanzar nuevos motores a la producción en serie, es necesario resolver muchos problemas difíciles, uno de los cuales es la selección de materiales duraderos resistentes al calor.
Tenga en cuenta que, por el momento, los motores de detonación rotativos se consideran uno de los motores más prometedores. También están siendo desarrollados por científicos de la Universidad de Texas en Arlington. La planta de energía que crearon se llamó "motor de detonación continua". En la misma universidad, se está investigando la selección de varios diámetros de cámaras anulares y diversas mezclas de combustibles, que incluyen hidrógeno y aire u oxígeno en diferentes proporciones.
En Rusia también se está desarrollando en esta dirección. Entonces, en 2011, según el director gerente de la asociación de investigación y producción de Saturno I. Fedorov, los científicos del Centro Científico y Técnico de Lyulka están desarrollando un motor de chorro de aire pulsante. El trabajo se está llevando a cabo en paralelo con el desarrollo de un motor prometedor llamado "Producto 129" para el T-50. Además, Fedorov también dijo que la asociación está realizando una investigación sobre la creación de aviones prometedores de la siguiente etapa, que se supone que no serán tripulados.
Al mismo tiempo, el jefe no especificó qué tipo de motor pulsante estaba en cuestión. Por el momento, se conocen tres tipos de tales motores: sin válvulas, con válvulas y de detonación. Mientras tanto, se acepta generalmente que los motores pulsantes son los más simples y económicos de fabricar.
En la actualidad, varias grandes empresas de defensa están investigando motores a reacción pulsantes de alto rendimiento. Entre estas firmas se encuentran la estadounidense Pratt & Whitney y General Electric y la francesa SNECMA.
Así, se pueden sacar ciertas conclusiones: la creación de un nuevo motor prometedor tiene ciertas dificultades. El principal problema en este momento es en teoría: qué sucede exactamente cuando la onda de choque de detonación se mueve en un círculo solo se conoce en términos generales, y esto complica enormemente el proceso de optimización de diseños. Por tanto, la nueva tecnología, aunque es muy atractiva, es poco factible a escala de producción industrial.
Sin embargo, si los investigadores logran resolver los problemas teóricos, será posible hablar de un avance real. Después de todo, las turbinas se utilizan no solo en el transporte, sino también en el sector energético, en el que un aumento de la eficiencia puede tener un efecto aún mayor.
