El destacable impacto tecnológico y social que supuso la 2ª Revolución Industrial no habría sido posible sin el desarrollo de los motores de combustión interna alternativos. Estas máquinas fueron perfeccionándose con celeridad hasta la llegada de la Gran Guerra, momento en el cual todo el material bélico se encontraba propulsado por estos motores de pistones y máquinas de vapor. Sin embargo, en el campo de la aviación se sabía que para vencer récords de velocidad el diseño de la hélice no se podía perfeccionar más y por tanto el campo de investigación habría de centrarse en la mejora de los motores de pistones.
En los años 20 se conocía el pésimo rendimiento
termodinámico del ciclo Otto y las pérdidas mecánicas que implicaba el motor de
pistones, pero no se conseguía encontrar una solución para aviación que
permitiese mejorarlo. Era necesario recurrir a otro concepto de propulsión que
rompiese con la utilización de émbolos y la patente de 1791 de John Barber fue
el foco de atención. La máquina de este jefe de una mina de carbón se basaba en
el calentamiento de un gas, generado a partir de la combustión de madera,
carbón o petróleo; que movía las aspas de una rueda de paletas.
Primera avioneta bimotor con dos turbohélices. Esta aeronave Varga RMI-1 X/H de origen húngaro contaba con dos turbinas de gas cuyo eje estaba directamente unido a una hélice. |
Con estos resultados brillantes y tan esperanzadores es lógico pensar que este nuevo tipo de propulsión podría tener cabida en el mundo ferroviario y marítimo. De hecho, la primera locomotora de tracción turbina de gas de la que se tienen registros es de 1942, en Suiza y estuvo en servicio hasta 1952. Durante los años 50 otras empresas llegaron a probar locomotoras que alcanzaban casi los 300 Km/h, como la perteneciente a los Ferrocarriles Centrales de Nueva York. La industria naval obtuvo también buenos resultados para buques de gran tonelaje, es el caso de petroleros ingleses que contaban con turbinas British Thomson Houston. Por tanto, en los años 50 este tipo de propulsión se veía el futuro del transporte para sustituir al motor de pistones y el automóvil también iba a ser un medio más con el que experimentar.
Principio de funcionamiento de una turbina de gas
Antes de entrar a analizar el paso de las turbinas de gas por el automóvil, es preferible comentar a grandes rasgos el funcionamiento de una turbina de gas, ya que es una tecnología muy desconocida en el mundo automovilístico.
Las turbinas son máquinas de flujo continuo que producen
trabajo mecánico a partir de un sistema de álabes con formas diversas. Se
pueden clasificar en distintos grupos en función de sus componentes y flujo de
trabajo, en el caso del automóvil las turbinas utilizadas han
sido de gas. Esto es que el flujo de trabajo es un gas generado por una
combustión de un combustible y aire. A su vez dentro de las turbinas de gas se
pueden distinguir dos tipos de turbinas, las que liberan la potencia a chorro y
que se denominan turborreactores o las que liberan la potencia a un eje. En el
caso del automóvil las turbinas utilizadas propulsan un eje motriz, pero en
algunas ocasiones se ha utilizado también un escape con tobera convergente para
aprovechar esa energía del gas aún más y dotar de mayor empuje al vehículo.
Representación gráfica comparativa entre una turbina que aporta la potencia a chorro y una turbina que aporta la potencia en el eje de la hélice. El turboventilador o aerofan no es de nuestro interés en este análisis, pero constituye un hibrido entre ambas tecnologías en el que se pretende reducir el consumo de los turborreactores para los aviones comerciales. |
Del grupo de turbomáquinas axiales se distinguen las
turbinas de gas y de vapor utilizadas en centrales térmicas y de ciclo
combinado siendo el diseño de las turbinas de gas normalmente de tipo Heavy Duty o industriales donde el eje de la turbina, que mueve el compresor, es el eje de potencia de la
máquina. Por otra parte, las turbinas de gas provenientes de la aviación son
denominadas aeroderivadas, en ellas el eje de la turbina y compresor no es el que otorga potencia, es otra
turbina la que si contiene el eje de potencia y está por tanto aislada del
compresor. A su vez si la turbina de gas aporta potencia a chorro es denominada
motor a reacción o turborreactor y no es utilizada
industrialmente para producir energía eléctrica como es lógico pensar.
Con todo esto tenemos una base del funcionamiento y del tipo
de turbina de gas implementada en el automóvil. Sin embargo, al igual que
ocurre en los motores de pistones se trata de conseguir la mayor eficiencia
posible para reducir de esta forma el consumo. Por ello, las turbinas empezaron
a contar pronto con sistemas regenerativos que permitían calentar el aire
comprimido aprovechando la alta temperatura del gas de escape de la turbina
tras su expansión. El diseño de estos regeneradores es muy diverso y depende de
cada fabricante. En lo que respecta a la cámara de combustión, esta cuenta con
un sistema que permite generar un colchón de aire alrededor del centro donde se
inyecta el combustible y la combustión arranca gracias a la chispa generada por
una bujía que se retrae y protege en una carcasa cerrada cuando no se requiere
de encendido.
Primeros pasos de las turbinas de gas en el automóvil
Ya en 1928, Fritz von Opel sorprendió al mundo con un
automóvil de carreras propulsado por 24 cohetes de combustible sólido
alcanzando 238 Km/h. Esto supuso un punto de inicio para multitud de
aficionados en los lagos salados de EEUU tratando de romper records de
velocidad empleando ese tipo de tecnología y turbinas de gas de aeronaves tras
la 2ª guerra mundial. Sin embargo, ninguna marca de automóviles se sumergió en
este campo, hasta que Rover en 1950 presentó su JET 1 alcanzando una
velocidad máxima de 244 km/h.
Para esta marca británica este paso no fue difícil, ya que
contaba con experiencia desarrollando turbinas de aviación, hasta que
hubo de pasar toda su tecnología a Rolls-Royce por requerimiento del gobierno
inglés. Pronto otras marcas americanas y europeas empezaron a mostrar al público
nuevos automóviles propulsados por turbinas de gas.
Fotografía del Opel RAK-2 propulsado por 24 cohetes de combustible sólido en 1928, llegando a alcanzar los 238 Km/h |
Cada marca supo dar un enfoque diferenciador respecto a las
demás con el diseño de las carrocerías y de la tecnología de turbina con la que
contaban. Fabricantes como Plymouth recurrieron a modificar el escape del
vehículo para aprovechar aún más el gas de escape creando un efecto de empuje.
Otras aprovechando la separación de la turbina principal y la libre optaron por
eliminar el embrague, simplificando de esta forma el sistema de transmisión. Una
de las empresas que más publicidad supo sacar de esta tecnología fue General
Motors.
Los Firebird de General Motors
Eran los años 50 y el estilo de vida americana después de la
guerra parecía no tener límite. Las grandes empresas del automóvil sacan al
mercado vehículos de enormes dimensiones y equipamiento apabullantes, que al
año siguiente eran sustituidos por otros modelos totalmente distintos. General
Motors era una de las tres grandes y pretendía mostrar el futuro del automóvil
a través de las turbinas de gas y los vehículos de conducción autónoma.
El Firebird I de 1953 sería el primero de una serie que
contaba con un diseño muy similar al de una nave espacial y albergaba en su
posición trasera una enorme turbina de gas con tobera convergente incluida.
Gracias a dicha tobera los gases de escape dotaban aún de más empuje al
vehículo para alcanzar velocidades subsónicas. El mundo de la aviación ya
contaba por aquel entonces con diseños convergente-divergentes para romper la
barrera del sonido.
En 1956, este vehículo es sucedido por el Firebird II en el
que la cabina ya iba dotada de más espacio para 4 personas. El diseño de la
carrocería sigue siendo de líneas aeroespaciales como su antecesor, pero cuenta
con mayor anchura y una carrocería de aluminio. Las ventanillas, las puertas y
las ventilaciones se movían eléctricamente. En la parte trasera, dos depósitos
en forma de gota de agua iban colgados detrás de las ruedas traseras, albergando
10 galones de combustible cada uno.
En la parte delantera se pueden observar dos entradas de
aire protegidas por unas aletas y dos conos centrales que aportan al coche un
frontal algo extraterrestre. La turbina pasa ahora a encontrarse en posición
delantera con transeje central trasero para propulsar las ruedas traseras. El escape
de gases es conducido por el chasis hasta detrás de la cabina.
La nueva turbina de gas de 200 caballos cuenta con un intercambiador de calor que posibilita aprovechar la alta temperatura de los gases para precalentar la entrada a la turbina principal. Con este sistema se conseguía una eficiencia regenerativa del 80%. Este conjunto estaba diseñado en acero inoxidable para evitar la corrosión y rotaba respecto a su centro mediante un sistema de engranajes que le permitían conectarse al eje de la turbina principal. Para arrancar la turbina de gas se recurría a un motor eléctrico que hacía girar el regenerador, y por tanto la turbina principal, a 4000rpm y se desconectaba a 15.000rpm.
En 1959, llegaría el Firebird III con un diseño menos
rupturista que sus antecesores, pero con dos plazas independientes cuya puerta
se abría de forma automática. Este nuevo automóvil contaba con
asistencias para la conducción, frenos antibloqueo, aire acondicionado y un
joystick para dirigir el vehículo. Era tal el despliegue tecnológico que se requería de un motor de gasolina de 10 caballos para su correcto funcionamiento,
a parte de la turbina de gas de 225 caballos similar a la del Firebird II.
Fotografía de la cabina de pasajeros del Firebird III, en la parte izquierda del quicio de la apertura de dicha cápsula de cristal hay un sensor que permite abrir la cápsula de forma automática |
El boom de los años 50
En EEUU otras marcas siguieron los pasos de General Motors y
cabe una breve mención a la turbina diseñada por Ford Motor Company. Su diseño
era más complejo que el de las turbinas de sus rivales norteamericanos, pero
era más compacta y de alta presión dotando a la turbina de 300 caballos.
Contaba con dos compresores y un regenerador. El objetivo de Ford con esta
turbina era poder construir una serie de 20 mil automóviles con el nombre de Galaxie, pero el
coste de fabricación imposibilitó el proyecto. Otra marca americana que se
sumergió en esta tecnología fue Chrysler Corporation, pero este caso merece
especial atención y será tratado posteriormente.
Turbina de gas Ford 704 en la que se puede observar su enorme complejidad. El aire entraba previamente por la parte inferior a un compresor centrífugo de baja presión, posteriormente era introducido en un intercooler a través de una válvula estranguladora. Tras el refrigerador intermedio, el aire pasaba al compresor de alta presión, después entraba en la primera cámara de combustión y se expansionaba en la turbina de alta que hacía girar el compresor de alta. El gas posteriormente entraba a una nueva cámara de combustión de donde partía a la turbina libre y finalmente pasaba por la turbina de baja presión que hacía girar al compresor de baja presión. Los gases de escape al salir de esta última turbina pasaban por el regenerador, precalentando el aire que provenía del compresor de alta. |
Analizando el viejo continente, la situación financiera tras
la 2ª guerra mundial era preocupante sobre todo para países del Eje. Esto llevó
a Reino Unido a tomar la delantera con el Rover JET 1 mencionado anteriormente
y al mayor fabricante de automóviles europeo, FIAT. En lo que concierne a estos
últimos, destaca el interés de Dante Giacosa en 1954 por sacar un prototipo de
automóvil con turbina de gas.
Turbina de gas de FIAT de configuración Heavy Duty con tres cámaras de combustión y dos compresores centrífugos. Es importante destacar la existencia de un único eje que transmite el par motor a las ruedas traseras por un sistema de engranes al lado izquierdo, es decir en esta turbina no existe un grupo de potencia con una turbina libre. Gracias a esta combinación se facilitaba la colocación de la tobera convergente derecha, pero implicaba problemas en el arranque haciendo que el compresor pudiera entrar en zona de bombeo, motivo por el cual posee dos escalonamientos. |
El chasis del FIAT derivó del V8 Sport y la carrocería
bastante aerodinámica corrió a cuenta del ingeniero Rapi. El coche contaba con
una turbina de gas Heavy Duty de 3 cámaras de combustión, un compresor centrífugo de 2 escalonamientos y una turbina de 3 escalonamientos, así como de una tobera convergente para aumentar el empuje del vehículo. Debido
a los costes de fabricación y el consumo de 3 cámaras de combustión, FIAT no
desarrolló modelos de calle ni de competición, pero si creó en los años 70 una
turbina de gas para propulsar vehículos pesados.
Desde la Francia de la posguerra, en 1954, Renault logró records de velocidad con su Etoile Filant llegando a 192 Km/h impresionando a su piloto, Juan Manuel Fangio. El vehículo contaba con una turbina Turbomeca, una empresa francesa de turbinas, y los instrumentos de control más importantes eran el cuentarrevoluciones, el velocímetro y el termómetro indicador a la entrada a la turbina principal. Ese mismo año desde Reino Unido, Austin también decidió diseñar una turbina para el Austin Sheerline con una potencia de 125 caballos.
Muchas otras marcas se lanzaron a motorizar camiones y autobuses mediante turbinas de Boeing o Power Jets. Los años 50 fueron de esta forma el apogeo de las turbinas de gas en todos los medios de transporte. Sin embargo, el alto coste de fabricación y el escaso desarrollo de una tecnología recién nacida llevaron al fracaso a todos los proyectos mencionados y para la entrada de la década de los años 60 solo la aviación y marcas como Rover y Chrysler veían futuro a esta tecnología.
Rover, la primera en experimentar con turbinas en
automóviles
Como ya se mencionó anteriormente, durante la 2ª guerra
mundial Rover construyó la planta motriz de los primeros cazas ingleses a
reacción, los Meteor. Con la posguerra el desarrollo de motores de aviación
pasó a Rolls-Royce y por su parte Rover aprovechó sus años de investigación en
turbinas tratando de introducirlas en el mundo del automóvil. En 1950 Rover presentó el primer automóvil de turbina fabricado por una empresa de automóviles en
Silverstone con el nombre de Whizzer Jet 1.
Portada de la revista Road and Track con una fotografía del primer automóvil de turbina fabricado por una marca de automóviles, el Rover Whizzer Jet 1. |
El diseño de la carrocería y el chasis del Rover-BRM fueron
claves para la colocación de turbinas experimentales. Gracias al acuerdo de
Rover con la Organización Owen aparecieron en 1963 coches de competición que
llegaron a alcanzar en Le Mans más de 173 km/h de media. En 1965, modificando
el propulsor del vehículo y con una nueva carrocería vuelven a las 24 horas de
Le Mans terminando con una media de 195 Km/h.
Rover-BRM con un diseño aerodinámico que le permitió alcanzar records de velocidad en Le Mans a principios de los años 60. |
Paralelamente a esta incursión de Rover en el mundo de la
competición, se elaboró un prototipo cuyo propósito se alejaba del mundo de las
carreras y de la propaganda al más puro estilo de los Firebird de GM. El
vehículo estaba basado en un Rover P6 destinado al segmento de berlinas de lujo
al que se le había extraído el motor de pistones y se le había colocado una
turbina de gas de la marca. Esta contaba con dos regeneradores capaces de
reducir el consumo, la puesta en marcha se realizaba en 12 segundos facilitando
de esta forma la correcta combustión del combustible en la cámara y dotando al
vehículo posteriormente de un 0 a 100 Km/h en tan solo 8 segundos. La velocidad
máxima de este prototipo era de 185 Km/h y la turbina alcanzaba las 65.000 rpm de
régimen máximo.
Rover P6 con turbina de gas que alcanzaba una aceleración destacable al alcanzar los 100 Km/h en tan solo 8 segundos. |
Chrysler, la marca que quiso hacer popular al coche de
turbina
Durante los años 50, EEUU contaba con tres grandes del
automóvil, Ford Motor Company, General Motors y Chrysler. A pesar de ese
dominio de la industria del transporte muchas otras marcas luchaban por
sobrevivir ofreciendo innovaciones en un mercado americano en el que los
excesos estaban a la orden del día. Muchas marcas como Packard o Hudson sufrieron
esa feroz competencia de la posguerra, pero había una que casi siempre estaba
en bancarrota y de una u otra forma se salvaba del abismo, esa marca era el tercer grande.
Chrysler es popularmente conocida, junto con Oldsmobile y Duesenberg, como
una de las marcas americanas más innovadoras de la historia. Múltiples soluciones
adoptadas en automoción son gracias a esta marca, como el diseño
del primer automóvil en un túnel de viento. Siempre que se encontraba en
periodos de bonanza económica empezaba a dar rienda suelta sin frenos a sus
equipos de investigación sacando al mercado automóviles muy adelantados a su
época. El público no estaba preparado para semejantes avances y esto llevaba nuevamente
a la marca a la bancarrota. Era el ciclo continuo de una montaña rusa que en
varias ocasiones hubo de rescatar el gobierno.
Una vez presentada la cultura de dicha empresa, es lógico
pensar que al hacerse popular en los años 50 la propulsión mediante turbinas en
todos los medios de transporte, Chrysler iba a intentar sacar partida a esa
idea. Más si cabe teniendo en cuenta que contaba con una época financiera
brillante. Las primeras pruebas realizadas por la compañía tuvieron lugar con
un Plymouth Belvedere en 1954 cubriendo un trayecto de Nueva York a Los
Ángeles.
Uno de los mayores problemas fue como adaptar la turbina a
un rango de potencia variable para reducir el consumo en el tráfico
metropolitano, recurriéndose a una corona de álabes variables en el estator del
escalonamiento de la turbina libre. En lo que respecta a la instalación de un regenerador,
se experimentó con hasta 275 formas y disposiciones diferentes que optimizasen
el rendimiento regenerativo y consecuentemente el consumo.
Las turbinas fueron mejorando sus diseños y rendimientos en
varias generaciones. La más disruptiva fue quizá la cuarta versión denominada A-831-2
porque ya contaba con dos regeneradores y 130 caballos. La colocación de los
regeneradores lateralmente posibilitaba la compactación del grupo propulsor
simplificando el recorrido del aire y por tanto incrementando el rendimiento. El
régimen a potencia máxima era de 45.700 rpm girando los intercambiadores de
calor a 22 rpm. En lo que respecta a las temperaturas, destaca el salto que
existe entre la entrada y la salida del regenerador de casi 400ºC gracias al
diseño de panal similar al de Rover, pero con acero inoxidable en lugar de
material vidrio-cerámico.
El piñón del eje de la turbina motriz permitía por su parte
cambiar el régimen de 39.000 rpm a 3.600 rpm para de esta forma entrar a la
caja de cambios automática. Los álabes de la turbina eran directrices y
permitían cambiar el régimen de dicho eje incluso pudiendo ayudar en
retenciones, con ángulos de ataque negativos en los álabes del
estator.
Con el gran paso que supuso esta cuarta versión, Chrysler
estaba dispuesta a dar el salto encargando a Ghia el diseño de una carrocería
rupturista a la par que continuista con las tendencias de finales de los años
50. Tomando la base de diseño del Ford Thunderbird, diseñado por Elwood Engel,
se perfila el nuevo coupé de Chrysler para competir contra el susodicho Ford y el Chevrolet Corvette. Las formas del nuevo coupé eran tan similares a
las del Ford que acabó apelándose como “Englebird”, pero la clave estaba debajo
del capó albergando este la última evolución de las turbinas de la marca.
Chrysler Turbine en el New York World´s Fair de 1964, su estética lateral recuerda a la del Ford Thunderbird. |
De esta forma se recaudaron fondos suficientes con publicidad,
al estilo GM con los Firebird, para fabricar el vehículo en una corta tirada
que permitiese posteriormente a un selecto grupo de personas probar este
vehículo en el día a día. Así, se presentó al mercado en 1963 el
Chrysler Turbine, ya de forma oficial, y se fabricaron 50 modelos que pasaron a
formar parte de un estudio de mercado en el que familias de todos los estados
de EEUU adquirían este vehículo firmando una cláusula de responsabilidades y
sobre todo el compromiso de devolución del modelo en 1966.
Tarjeta de asistencia para los usuarios del programa de Chrysler en el que se mostraba los puntos de atención al cliente en los distintos estados del país. |
En el interior destacaba la consola central traida de la década de los años 70 a 1963, el cuadro de instrumentos contaba con un cuentarrevoluciones
de hasta 46.000 rpm, el pirómetro que marcaba la temperatura de entrada a la
turbina principal y el manómetro de aceite brillaba por su ausencia, dado que
no requiere de aceite este tipo de propulsión. Los detalles de aluminio pulido
y el cuero a juego con la pintura exterior, bronce de turbina, daban al
vehículo un toque muy elegante.
Interior del Chrysler Turbine donde se puede apreciar la consola central de un diseño adelantado a su época. |
Gracias a este programa piloto, Chrysler pudo identificar
distintos problemas, como el mal funcionamiento del motor de arranque a grandes
altitudes o el poco cuidado de la gente de esperar un tiempo al arrancar hasta
que la turbina girase por sí misma y realizar así combustiones óptimas del
combustible…Tiempo de espera que deberíamos aplicarnos todos también en el
motor de pistones...Sin embargo, los motores de turbina eran más duraderos en
comparación con los motores de pistón y sumándose a las ventajas ya conocidas,
muchos participantes alegaron un funcionamiento suave y sin vibraciones,
mantenimiento reducido y facilidad de arranque en temperaturas bajo cero. Por
otro lado, una de las desventajas de este modo de propulsión era el enorme
ruido al ralenti, pero la gente acabó adorándolo al recordar al de un avión. De
hecho, al 60% de los conductores que participaron en el programa de usuarios
les encantó el sonido y desagradó a entorno el 20%.
Por otra parte, se descubrió que la gasolina con plomo no
era un buen combustible por las erosiones que dejaba el plomo en las turbinas
de forma que se prohibió el uso de dicho combustible pasándose al aceite usado
de cocinar, al gasoil o incluso a bebidas alcohólicas, gracias a la versatilidad
de combustibles que permitía usar.
Publicidad de Chrysler en la que se ensalza la reducción de emisiones del Turbine frente a un motor de pistones. |
En abril de 1966, el proyecto llegó a su fin y Chrysler despojó
los 50 Turbine a cada familia independientemente de si el coche llegase a
producirse en serie o no. Muchas familias habían recorrido más de un millón de
millas e incluso el país entero con él y era un miembro más de la familia. A
pesar de las negativas de los propietarios y tras no encontrarse 50 museos
interesados en el vehículo, 46 Turbine fueron desguazados, quemados y prensados
en una escena muy dolorosa para dichas familias. Los 9 restantes acabaron en
museos de EEUU.
Dos Chrysler Turbine listos para ser prensados en un desguace del sur de Detroit. |
Aunque los Turbine nunca llegaron a producirse en serie, se
continuó con el desarrollo de turbinas de automóviles, ya que los gases de
escape de las turbinas contienen menos partículas e hidrocarburos sin quemar, al
ser la combustión más perfecta, que en un motor de pistones. En 1971 incluso se
continuó desarrollando un motor de turbina con fondos de la Administración
Nacional de Control de la Contaminación del Aire. El desarrollo de turbinas de
Chrysler continuó hasta mediados de la década de 1970 con versiones que se instalaron en el Dodge Aspen o en el Chrysler LeBaron.
Chrysler LeBaron Turbine de 1977 que contaba con la séptima y última generación de las turbinas de gas de la compañía. |
Tubina A-831-2 del Chrysler Turbine acompañada por algunos de los ingenieros de la empresa que formaron parte del proyecto. |