Motor exoesquelético

El motor exoesquelético (ESE) es un concepto en el diseño de turbomáquinas . Los motores de turbina de gas actuales tienen ejes giratorios centrales y discos de ventilador, y están construidos principalmente con metales pesados. Requieren cojinetes lubricados y necesitan una refrigeración extensa para los componentes calientes. También están sujetos a desequilibrios severos (o vibraciones) que podrían destruir toda la etapa del rotor , son propensos a la fatiga de alto y bajo ciclo, y están sujetos a fallas catastróficas debido a la rotura de discos por altas cargas de tracción, lo que requiere dispositivos de contención pesados. ^{[ 1 ]} Para abordar estas limitaciones, el concepto ESE invierte la configuración convencional y utiliza un diseño de rotor tipo tambor para la turbomáquina en el que las palas del rotor están unidas al interior de un tambor giratorio en lugar de radialmente hacia afuera desde un eje y discos. Se podrían utilizar múltiples rotores de tambor en un diseño de múltiples carretes .

Fundamentalmente, la configuración de tambor-rotor ESE suele constar de cuatro tambores o carcasas concéntricas de extremo abierto:

• una carcasa exterior (carcasa del motor) que soporta los cojinetes de la carcasa del tambor-rotor y la restringe,
• la carcasa del tambor-rotor que gira dentro de los cojinetes y soporta las palas del compresor y la turbina,
• una carcasa de estator estática que soporta las paletas guía,
• una carcasa interna estática hueca que proporciona una vía de flujo a través del centro del motor. ^{[ 1 ]}

En el diseño ESE, las palas giratorias están principalmente en compresión radial en lugar de tensión radial, lo que significa que se pueden usar materiales que no poseen alta resistencia a la tracción, como los materiales cerámicos , para su construcción. Las cerámicas se comportan bien en situaciones de carga de compresión donde se minimiza la fractura frágil , y proporcionarían una mayor eficiencia operativa a través de temperaturas de operación más altas y un menor peso del motor en comparación con las aleaciones metálicas que se usan típicamente en los componentes de turbomaquinaria. El diseño ESE y el uso de materiales compuestos también podrían reducir el número de piezas, reducir o eliminar la refrigeración y resultar en una mayor vida útil de los componentes. ^{[ 2 ]} El uso de cerámicas también sería una característica beneficiosa para los sistemas de propulsión hipersónica , donde las altas temperaturas de estancamiento pueden exceder los límites de los materiales de turbomaquinaria tradicionales.

La cavidad dentro de la carcasa interna podría aprovecharse de varias maneras. En aplicaciones subsónicas, ventilar la cavidad central con un flujo libre podría contribuir a una gran reducción del ruido; mientras que en aplicaciones supersónicas -hipersónicas podría utilizarse para alojar un estatorreactor o un estatorreactor supersónico (u otros dispositivos como un motor de detonación pulsada ) como parte de un motor de ciclo combinado basado en turbina . Esta disposición podría reducir la longitud total del sistema de propulsión y, por lo tanto, reducir significativamente el peso y la resistencia aerodinámica. ^{[ 1 ]}

De Chamis y Blankson: ^{[ 1 ]}

Uno de los principales desafíos reside en el diseño de los cojinetes, ya que no se conocen sistemas de lubricación capaces de soportar la magnitud de la velocidad que se encuentra en el ESE; se han sugerido cojinetes de lámina y magnéticos como posibles soluciones a este problema.

• Los cojinetes de lámina no tienen contacto directo y se deslizan sobre una fina película de aire, generada hidrodinámicamente por la velocidad de rotación, para suspender y centrar el eje. Entre las desventajas del sistema de lámina se incluyen el elevado par de arranque, la necesidad de cojinetes mecánicos de descenso y despegue, así como los componentes de posicionamiento asociados, y las altas temperaturas que genera este sistema.
• Para el sistema de cojinetes magnéticos de gran diámetro requerido en el ESE, la rigidez y el crecimiento radial tras el arranque son problemas que se presentarían. Un crecimiento radial de magnitud suficiente provocaría problemas de estabilidad, y se requeriría un sistema de posicionamiento de polos magnéticos para mantener las holguras adecuadas para el funcionamiento del sistema. Este sistema de posicionamiento requeriría detección y posicionamiento de alta velocidad. Un laminado magnético pasivo y sus elementos de montaje requerirían una alta integridad estructural para resistir las fuerzas inerciales extremadamente altas y, muy probablemente, provocarían un aumento de peso. ^{[ 2 ]}

Aunque ambos sistemas de cojinetes cumplen teóricamente con los requisitos de la aplicación exoesquelética, ninguna de las dos tecnologías está actualmente lista para operar en tamaños prácticos. Los avances en la tecnología de cojinetes de lámina indican que podrían ser necesarios 20 años para lograr cojinetes de lámina para este diámetro, y los cojinetes magnéticos parecen ser demasiado pesados ​​para esta aplicación y también requerirían un largo programa de desarrollo tecnológico. ^{[ 2 ]}

• Índice de artículos sobre aviación
• Componentes de los motores a reacción
• Lista de motores de aeronaves