Cómo funciona el motor de detonación giratorio

Puede pensar en un motor de detonación giratorio como un tipo de motor de detonación por pulsos, con un giro. Esta es una turbina de gas General Electric Frame 7FA. Cortesía de General Electric Company

Un motor diseñado para un barco no cabe en un automóvil ... pero los tipos de automóviles tienden a sentirse intrigados por la última tecnología en explosiones y auges. Después de todo, un motor es un motor, capaz de una potencia inmensa (y quién sabe cuándo estas innovaciones llegarán al sector civil)..

Entonces, con eso en mente, echemos un vistazo al motor de detonación giratoria, un tipo de turbina de gas que está diseñada para la eficiencia, con su ciclo consistente y cuidadosamente construido de inyecciones y explosiones. No es exactamente nuevo, la patente se otorgó hace unos 20 años, pero a fines de 2012, apenas está rascando la superficie de su potencial para generar energía para grandes modos de transporte..

Los investigadores dicen que el motor de detonación giratorio también podría adaptarse para generar energía eléctrica para barcos y aviones totalmente eléctricos ... una vez que estemos lo suficientemente avanzados para tener barcos y aviones fiables impulsados ​​principalmente por electricidad, es decir.

El ejército de los Estados Unidos decidió invertir en la investigación y el desarrollo del motor de detonación giratoria, en parte, porque la tecnología es fácilmente escalable: el tamaño del motor se puede aumentar y la producción de energía también aumentará. (Lo crea o no, no siempre funciona de esa manera). Por lo tanto, nunca lo sabremos: tal vez el motor de detonación giratoria pueda reducirse algún día y su generación de energía suave pueda impulsar todo tipo de material rodante..

Tendemos a pensar en las presiones creadas dentro de un motor como una "detonación" más controlada que desorganizada; queremos que sea predecible, no caótica. Pero si un motor puede controlar un ciclo típico con suficiente precisión para producir potencia constante, también puede controlar las detonaciones. Y el estallido de presión que produce una detonación puede resultar en un motor más eficiente, si se aprovecha correctamente. Normalmente, un motor mezcla aire con combustible para prepararlo para la detonación, que es cuando el combustible libera su energía. Sin embargo, la eficiencia de la liberación de energía del combustible depende en gran medida del tipo de motor..

Aquí es donde el motor de detonación giratoria se diferencia de los tipos más comunes de motores de turbina de gas. El aire y el combustible se mezclan (como de costumbre) antes de inyectarlos en una cámara de combustión larga y circular, en lo que "Physics Today" ha descrito como "una forma circular secuencial". La primera detonación pone en marcha un ciclo en el que la presión de ignición continúa alrededor de la cámara, encendiendo cada inyección en secuencia. La presión de cada encendido mantiene el ciclo en movimiento. Luego, la presión fuerza a los gases de escape a salir de la cámara de combustión a través de una boquilla de escape, que en realidad es el empuje generado por el motor, y pasa a alimentar cualquier tipo de vehículo en el que esté instalado el motor (en este caso, típicamente, un barco o un avión).

El motor de detonación giratorio es en realidad una variación de otro diseño de motor: el motor de onda de detonación de pulsos. Aunque los motores de detonación por pulsos proporcionan ahorros de energía en comparación con muchos otros tipos de motores, todavía tienen sus propias ineficiencias. Una razón es la cámara de combustión, que debe purgarse después de cada pulso. El motor de detonación giratorio es una mejora con respecto al diseño de impulsos, porque la onda de detonación circula constantemente alrededor de la cámara, eliminando la necesidad de perder tiempo y energía purgando.

Debido a que las detonaciones crean presiones extremas, se puede diseñar un motor de detonación sin el compresor adicional que generalmente se requiere. Los compresores no solo son típicamente complejos, sino que su funcionamiento también consume mucha energía. Sin embargo, agregar un compresor a un motor de detonación lo hace aún más eficiente. Esta compatibilidad facilita la adaptación de vehículos con motor de turbina de gas para su uso con tecnología de motor de detonación [fuente: Green Car Congress].

La modernización de los barcos de la Armada existentes, como el destructor de misiles guiados USS Arleigh Burke (DDG 51) que se muestra aquí, con tecnología de motor de detonación giratoria podría generar millones de dólares en ahorros cada año. Cortesía de la Marina de los EE. UU., Foto del periodista de segunda clase Patrick Reilly

La Marina de los Estados Unidos está obteniendo todo el crédito por su reciente inversión en la tecnología (y animando el ciclo de noticias), pero el motor de detonación giratorio ha estado en proceso durante algunas décadas, en este momento. La patente del motor se presentó en 1982 y se concedió en 1988 a un inventor de Rockville, Maryland, llamado Shmuel Eidelman. (En realidad, la patente se llama "motor de detonación rotatoria", en lugar de "rotar"; no está claro cuándo cambió el nombre).

Shmuel Eidelman ha sido un hombre ocupado. Ha recibido 14 patentes desde 1982, centrándose en aeronáutica, propulsión y productos químicos a través de su trabajo con corporaciones científicas y organizaciones militares [fuente: PatentBuddy]. Entonces, cuando se presentó la patente, parecía que la Marina había empujado la turbina de gas todo lo que pudo, y era hora de comenzar a pensar de nuevo..

La Marina de los EE. UU. Estaba inicialmente interesada en motores de detonación por pulsos (como se describió anteriormente) e invirtió en investigación para desarrollar estos sistemas de ahorro de combustible. Los investigadores de la Armada dicen que maximizar el potencial de este tipo de motor se basa en comprender su compleja física [fuente: Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU.]. El motor de detonación giratorio sigue siendo un motor de turbina de gas, como los motores que actualmente alimentan la flota de barcos y aviones de la Armada, pero ajustar y refinar el ciclo desbloquea mucha energía adicional. Los investigadores de la Marina creen que los motores de detonación rotativos tienen el potencial de reducir el consumo de combustible en los equipos nuevos en un 25 por ciento, lo que supondría un ahorro anual de entre 300 y 400 millones de dólares [fuente: Quick]. Otro beneficio del sistema es que podría configurarse para encender un motor eléctrico, lo que, en teoría, permitiría a las flotas militares comenzar la transición a trenes de transmisión eléctricos (potencialmente) más limpios, más baratos y más eficientes..

Los motores de detonación giratorios aún no están listos para funcionar, por lo que las simulaciones son el mejor predictor de su eficiencia, pero aún son lo suficientemente prometedoras como para que la Marina esté avanzando con el desarrollo. No hay una ETA públicamente conocida para su finalización o implementación, pero es probable que el motor de detonación giratorio llegue, al menos algún día, a una base naval cercana a usted..

Nota del autor: Cómo funciona el motor de detonación giratorio

No parece que nadie haya sugerido (todavía no, de todos modos) que el motor de detonación giratorio podría tener potencial para ser utilizado en automóviles o camiones. Fue inventado por un tipo que se especializó en tecnología militar y la Marina de los Estados Unidos está impulsando su desarrollo. El tamaño real del modelo de motor en desarrollo no se ha mencionado en ninguna parte, por lo que todo esto es especulación. Pero sabemos esto: obviamente es lo suficientemente grande como para propulsar barcos y aviones, y eso es mucha más potencia de la que necesita un automóvil. ¿Dónde estaría la eficiencia en ese?

Pero años de escribir sobre automóviles y tecnología de transporte me han demostrado que muchas de las cosas que usamos todos los días se desarrollaron originalmente para propósitos completamente diferentes, y los autos de carrera y los vehículos militares son dos fuentes comunes. A pesar de que los autos eficientes en combustible van en una dirección diferente (híbridos, eléctricos y biocombustibles), no es incomprensible decir que algún día, alguien podría encontrar una manera de reducir un motor de turbina de gas súper eficiente y colocarlo debajo del capó de un coche.

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Fuentes

• Patentes de Google. "Patente US4741154 - Motor de detonación rotativa". (17 de febrero de 2013) http://www.google.com/patents/US4741154
• Congreso de coches verdes. "Los investigadores de la Armada proyectan que los motores rotativos de onda de detonación podrían producir un aumento de potencia del 10 por ciento, una reducción del 25 por ciento en el consumo de combustible sobre las turbinas de gas". 2 de noviembre de 2012. (13 de febrero de 2013) http://www.greencarcongress.com/2012/11/rdwe-20121102.html
• PatentBuddy. "Eidelman, Shmuel". 2013. (17 de febrero de 2013) http://www.patentbuddy.com/Inventor/Eidelman-Shmuel/11310789
• Física hoy. "La Armada de los Estados Unidos está desarrollando un motor de detonación giratorio". 6 de noviembre de 2012. (13 de febrero de 2013) http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2012/11/us-navy-developing-rotating-detonation-engine/
• Rápido, Darren. "La Marina de los Estados Unidos investiga el uso de motores de detonación giratorios que ahorran combustible". Gizmag.com. 4 de noviembre de 2012. (13 de febrero de 2013) http://www.gizmag.com/us-navy-nrl-rotating-detonation-engine/24862/
• Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. "Los investigadores de la Marina buscan motores de detonación rotativos para impulsar el futuro". 2 de noviembre de 2012. (13 de febrero de 2013) http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2012/Navy-Researchers-Look-to-Rotating-Detonation-Engines-to-Power -el futuro