La combustió per guany de pressió (PGC) és el procés d'estat no estacionari utilitzat en les turbines de gas en què l'expansió del gas causada per l'alliberament de calor està restringida. Desenvolupat per primera vegada a principis del segle XX com un dels primers dissenys de turbines de gas, el concepte es va abandonar en gran part després de l'aparició dels motors de reacció isobàrics a la Segona Guerra Mundial.
Com a alternativa a les turbines de gas convencionals, la combustió per guany de pressió impedeix l'expansió del gas mantenint-lo a un volum constant durant la reacció, provocant un augment de la pressió d'estancament. La combustió posterior produeix una detonació, en lloc de la deflagració que s'utilitza a la majoria de turbines. Això permet una extracció de treball addicional en lloc d'una pèrdua d'energia a causa de la pèrdua de pressió a través de la turbina.
Diverses variacions diferents de turbines utilitzen aquest procés, sent les més destacades el motor de detonació per polsos i el motor de detonació rotativa. En els darrers anys, la combustió per guany de pressió ha tornat a guanyar rellevància i actualment s'està investigant per al seu ús en sistemes de propulsió i generació d'energia a causa del seu potencial per millorar l'eficiència i el rendiment respecte a les turbines convencionals.
Història Història primerenca miniatura|220x220px|Prototip de la turbina d'explosió Holzwarth. Les turbines de gas s'han investigat des de finals del segle XVIII, començant amb la patent de John Barber de 1791. Més d'un segle després, Ægidius Elling va construir una turbina el 1903 que generava 11 CV (8,2) kW), la primera turbina de gas que va produir treball net positiu. El 1909, Hans Holzwarth va construir la primera turbina de combustió amb guany de pressió. Inicialment funcionava a 200 CV (147 kW), les millores posteriors al motor van augmentar la seva potència a 5000 CV (3728) kW) el 1939. Tanmateix, la turbina d'explosió, encertadament anomenada, perdria popularitat entre els enginyers i inventors a mesura que els dissenys de combustió contínua guanyaven força a causa del seu ús en prototips de motors de reacció.
Interès renovat El concepte de propulsió pulsada no és nou ni exclusiu de la combustió amb guany de pressió. De fet, el míssil V1 alemany utilitzava un impulsor de ràdio que funcionava a 45 Hz. Durant la cursa espacial, el concepte Projecte Orion de la NASA va utilitzar la força d' explosions nuclears enceses darrere de la nau espacial per generar empenyiment. Aquest procés es coneix com a propulsió nuclear per polsos i és estilísticament similar al motor de detonació per polsos. miniatura|Avions amb motor PGC A mitjans del segle XX, científics i enginyers aeronàutics nord-americans intentaven estudiar les propietats de les ones de detonació. Per fer-ho, es va crear una cambra de detonació rotativa primitiva. Aquest desenvolupament es va convertir en la base del motor de detonació rotatiu, un dels conceptes principals de motor PGC, tot i que va ser ignorat en gran manera en aquell moment a causa de la seva inestabilitat.
Tanmateix, a mesura que les turbines de gas s'estan optimitzant cada cop més, la recerca en PGC està guanyant terreny en la propulsió d'aeronaus, la generació d'energia i fins i tot la propulsió de coets. El gener de 2008, un avió impulsat per detonació de pols va completar el seu primer vol com a projecte cooperatiu entre el Laboratori de Recerca de les Forces Aèries i Innovative Scientific Solutions, una empresa de recerca i desenvolupament de productes. Actualment, diverses organitzacions han desenvolupat motors PGC que funcionen (principalment RDE), però cap s'ha utilitzat comercialment a causa dels reptes de desenvolupament.
Concepte i comparació amb les turbines convencionals Visió general de les turbines convencionals miniatura|Dels punts 2 al 3, l'augment de pressió s'atura mentre que el volum augmenta, limitant el treball net realitzat pel cicle de Brayton. La majoria de turbines de gas consten d'una entrada a través de la qual entra l'aire atmosfèric a la turbina. L'aire es pressuritza a través d'un compressor abans de barrejar-lo amb el combustible. La barreja aire-combustible, també coneguda com a fluid de treball, es crema en una deflagració (una reacció de combustió que es propaga a velocitat subsònica), que fa que la barreja s'expandeixi en volum mentre manté una pressió constant. Finalment, el producte de combustió s'expulsa pels gasos d'escapament per produir empenta. Aquest procés es coneix com a cicle de Brayton i s'ha utilitzat com a mètode estàndard de propulsió a reacció i disseny de turbines durant aproximadament un segle.
Cicle de Humphrey A diferència del cicle Brayton utilitzat a la majoria de turbines, la combustió per guany de pressió es basa en el cicle Humphrey. En lloc d'un sistema isobàric en què el volum de gas s'expandeix a mesura que s'afegeix calor a la cambra de combustió, el volum de fluid de treball es manté constant a mesura que la seva pressió augmenta durant la combustió. Mentre que el cicle Brayton descriu una deflagració subsònica, el cicle Humphrey es produeix en una detonació (una reacció de combustió que es propaga a velocitat supersònica). La reacció es produeix tan ràpidament que la mescla no té temps d'expandir-se, provocant un guany de pressió, abans de ser expulsada a través de l'escapament per produir empenta. Tot el procés es produeix ràpidament, i les turbines produiran entre 20 i 200 detonacions per segon. miniatura|El mateix gràfic de pressió a volum per al cicle de Humphrey mostra un augment de pressió a volum constant, maximitzant el seu treball net. Com que el fluid de treball es crema a un volum constant, no hi ha pèrdua de pressió a través de la turbina, cosa que augmenta el treball net generat per cada cicle. Tanmateix, com que el treball es realitza mitjançant una sèrie de detonacions, en lloc d'una reacció constant que genera empenyiment, el procés és naturalment més inestable en comparació amb una turbina convencional.
Dissenys i variacions Motor de detonació per polsos La turbina PGC moderna més senzilla és el motor de detonació per polsos. Com que consta gairebé sense parts mòbils, l'EDP és externament similar a un estatorreactor, un tipus de motor de reacció sense ventiladors del compressor que només és viable a velocitats supersòniques. Primer, l'aire entra per la boquilla d'admissió i viatja directament a la cambra de combustió per barrejar-se amb el combustible injectat. Allà, la mescla s'encén mentre la part frontal de la cambra es tanca, produint una ona de detonació que comprimeix i crema la mescla, abans que el fluid de treball sigui expulsat a velocitats supersòniques a través de l'escapament.
A causa de la simplicitat del motor i la similitud anatòmica amb els estatorreactors i els scramjets, els motors de detonació per pols es poden implementar com a motor de cicle combinat, cosa que pot millorar el rendiment i la fiabilitat dels estatorreactors. Els motors de cicle combinat convencionals tenen parts mòbils complexes que essencialment es tornen inútils a altes velocitats, un problema que els accionaments PDE/estatorreactor no tindran.
Motor de detonació rotatiu A part de les PDE, existeixen molts altres conceptes de motor PGC, com ara combustors de pols ressonants i rotors d'ones de combustió interna. Tanmateix, la major part de la recerca moderna sobre PGC es concentra al voltant del motor de detonació rotatiu (RDE), que pretén resoldre molts dels problemes que troben les PDE. miniatura|Un prototip RDE desenvolupat per la NASA per a propulsió de coets El principal inconvenient de la detonació per polsos és la naturalesa intermitent de les combustions. No només és difícil controlar la reacció, sinó que la combustió intermitent també perd potència a causa del temps que triga a reomplir la cambra de combustió després de la purga, durant la qual no es produeix cap empenta. El motor de detonació rotativa pretén abordar aquests dos problemes. Mentre que les PDE impliquen una sèrie de detonacions per encendre lots d'aire que entren a la cambra de combustió, les RDE poden evitar-ho utilitzant una única ona de detonació que gira al voltant de l'espai entre cilindres concèntrics. Una entrada d'aire contínua flueix a través dels cilindres, que es comprimeix i es crema a mesura que passa per l'ona de detonació rotativa. Això elimina la necessitat de produir detonacions constantment, ja que només utilitza una única detonació cíclica i permet un flux constant més estable, en lloc de l'empenta pulsada produïda per les PDE.
Aplicacions i reptes tècnics Propulsió Els coets químics moderns encara utilitzen reaccions de deflagració per generar empenyiment, que s'han optimitzat fins als seus límits. Com a resultat, els motors de combustió amb guany de pressió, principalment RDE, han atret l'atenció com a possible mètode per millorar el rendiment dels coets. Actualment, les agències espacials de diversos països, com ara la NASA i la JAXA, així com nombroses universitats i empreses privades, estan investigant els motors de coets amb guany de pressió. La propulsió per detonació, que és més eficient energèticament que les reaccions de deflagració convencionals, pot augmentar l'eficiència entre un 5 i un 10%, cosa que pot reduir la massa del coet i augmentar la mida de la càrrega útil.
Com s'ha esmentat anteriorment, les turbines de guany de pressió també s'han investigat i desenvolupat àmpliament per al seu ús en la propulsió d'aeronaus. Els motors de combustió amb guany de pressió poden millorar el rendiment i reduir la complexitat dels motors combinats de ramjet/scramjet a través de les seves similituds de disseny compartides. Això pot fins i tot permetre que els ramjets combinats PDE/RDE s'utilitzin en condicions inadequades per als ramjets convencionals. A més, els turboreactors de guany de pressió requereixen una complexitat significativament menor, especialment en els compressors, en comparació amb les turbines normals. Això no només estalviarà recursos en la fabricació, sinó que també permetrà que els dissenys produeixin un empenyiment més alt en motors més petits.
Generació d'energia A part de la fissió nuclear, el gas natural conté la densitat d'energia més alta dels combustibles més utilitzats. Per tant, per reduir les emissions de carboni, les plantes generadores d'electricitat recorren cada cop més a turbines de gas a partir de petroli cru i carbó. Tot i que les turbines convencionals generen grans quantitats d'energia de manera més eficient que altres combustibles fòssils, igual que en la indústria aeroespacial, comencen a arribar als seus límits.
De manera similar al seu ús potencial en la propulsió, les turbines de combustió amb guany de pressió poden oferir una millora a les centrals elèctriques de gas. A més d'una millor eficiència, les RDE poden funcionar a concentracions d'hidrogen molt més altes, millorant encara més el rendiment a causa de la major densitat d'energia de l'hidrogen en comparació amb els productes petroquímics. La relativa simplicitat de les RDE també pot millorar la fiabilitat i la facilitat de manteniment, tot i que això es pot contrarestar per l'augment de l'estrès que el procés en si exerceix sobre el motor.
Reptes d'enginyeria i implementació Tot i que el PGC ofereix un rendiment i una eficiència millorats, hi ha defectes i reptes greus que els investigadors inicialment no van poder resoldre, cosa que impedeix que la tecnologia s'utilitzi àmpliament.