Turbobomba

Una turbomba axial diseñada y construida para el motor de cohetes M-1

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. 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.

Hay dos tipos de turbobombas: una bomba centrífuga, donde el bombeo se realiza lanzando fluido hacia el exterior a alta velocidad, o una bomba de flujo axial, donde las paletas alternas giratorias y estáticas elevan 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.

Historia

El cohete V-2 usó una turbomba circular para presurizar el propulsor.

Desarrollo temprano

Los pioneros de los cohetes, como Hermann Oberth, hablaron sobre las bombas de alta presión para misiles más grandes. 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. El diseño del cohete V-2 usó peróxido de hidrógeno descompuesto a través de un generador de vapor Walter para impulsar la turbobomba no controlada producida en la planta de Heinkel en Jenbach, por lo que se probaron y combinaron las turbobombas V-2 y la cámara de combustión para evitar que la bomba sobrepresionara la cámara. 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 bomba turbo. El primer lanzamiento exitoso de V-2 fue el 3 de octubre de 1942.

Desarrollo de 1947 a 1949

El ingeniero principal para el desarrollo de turbobombas en Aerojet fue George Bosco. Durante la segunda mitad de 1947, Bosco y su grupo aprendieron sobre el trabajo de bombas de otros 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.

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 Marina y las probaron durante la segunda mitad del año.

A finales de 1948, Aerojet había diseñado, construido y probado una bomba de hidrógeno líquido (15 cm de diámetro). Inicialmente, utilizaba rodamientos de bolas que funcionaban limpios y secos, porque la baja temperatura hacía que la lubricación convencional fuera poco práctica. La bomba se hizo funcionar primero a bajas velocidades para permitir que sus piezas se enfriaran a 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 indicó una falla del cojinete, así como del impulsor. Después de algunas pruebas, se utilizaron cojinetes de superprecisión, lubricados con aceite atomizado y dirigidos por una corriente de nitrógeno gaseoso. En la siguiente ejecución, los cojinetes funcionaron satisfactoriamente, pero las tensiones eran demasiado grandes para el impulsor soldado y se partió. Se hizo uno nuevo fresando un bloque sólido de aluminio. Las siguientes dos pruebas con la bomba nueva fueron una gran decepción; los instrumentos no mostraron aumentos significativos de flujo o presión. El problema se atribuyó al difusor de salida de la bomba, que era demasiado pequeño y no se enfrió lo suficiente durante el ciclo de enfriamiento, por lo que limitó el flujo. Esto se corrigió agregando orificios de ventilación en la carcasa de la bomba; las ventilaciones 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 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.

Después de 1949

Las turbobombas del motor principal del transbordador espacial giraban a más de 30 000 rpm, lo que proporcionaba al motor 68 kg (150 lb) de hidrógeno líquido y 406 kg (896 lb) de oxígeno líquido por segundo. El Rutherford de Electron Rocket se convirtió en el primer motor en usar turbobombas eléctricas en vuelo en 2018.

Turbobombas centrífugas

En turbobultos centrífugos un disco giratorio tira el líquido al borde.

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. El fluido pasa luego a través de un difusor que es un tubo que se ensancha progresivamente, lo que permite recuperar la presión dinámica. El difusor convierte la alta energía cinética en altas presiones (no es raro que cientos de bares) y, si la contrapresión de salida no es demasiado alta, se pueden lograr caudales elevados.

Turbobombas axiales

Compresores axiales

También existen turbobombas axiales. En este caso, el eje esencialmente tiene hélices unidas al eje, y el fluido es forzado por estas en paralelo con el eje principal de la bomba. Generalmente, las bombas axiales tienden a dar presiones mucho más bajas que las bombas centrífugas, y unos pocos bares no son raros. Sin embargo, siguen siendo útiles: las bombas axiales se usan comúnmente como "inductores" para bombas centrífugas, que elevan la presión de entrada de la bomba centrífuga lo suficiente para evitar que se produzca una cavitación excesiva en la misma.

Complejidades de las turbobombas centrífugas

Las turbobombas tienen la reputación de ser extremadamente difíciles de diseñar para obtener un rendimiento óptimo. Mientras que una bomba bien diseñada y depurada puede gestionar una eficiencia del 70 al 90 %, cifras inferiores a la mitad que no son infrecuentes. La baja eficiencia puede ser aceptable en algunas aplicaciones, pero en cohetería este es un problema grave. Las turbobombas en los cohetes son lo suficientemente importantes y problemáticas como para que los vehículos de lanzamiento que utilizan una se hayan descrito cáusticamente como "turbobombas con un cohete acoplado"; hasta el 55 % del costo total se ha atribuido a esta área.

Los problemas comunes incluyen:

1. flujo excesivo desde el borde de alta presión de vuelta a la entrada de baja presión a lo largo de la brecha entre el casquillo de la bomba y el rotor,
2. recirculación excesiva del líquido en la entrada,
3. exceso de vórtice del fluido ya que deja el casquillo de la bomba,
4. cavitación dañina para impulsar superficies de hoja en zonas de baja presión.

Además, la forma precisa del propio rotor es fundamental.

Turbobombas de accionamiento

Las turbobombas impulsadas por turbinas de vapor se emplean cuando hay una fuente de vapor, p. las calderas de los barcos de vapor. Las turbinas de gas se utilizan generalmente cuando no se dispone de electricidad o vapor y las restricciones de lugar o peso permiten el uso de fuentes de energía mecánica más eficientes.

Uno de esos casos son los motores de cohetes, que necesitan bombear combustible y oxidante en su cámara de combustión. Esto es necesario para grandes cohetes de líquido, ya que a menudo no es factible forzar el flujo de fluidos o gases mediante la simple presurización de los tanques; la alta presión necesaria para los caudales requeridos necesitaría tanques fuertes y pesados.

Los motores estatorreactores también suelen estar equipados con turbobombas, y la turbina se impulsa directamente por aire de ariete de flujo libre externo o internamente por el flujo de aire desviado de la entrada de la cámara de combustión. En ambos casos, la corriente de escape de la turbina se vierte por la borda.