Una boquilla propulsora es una boquilla que convierte la energía interna de un gas de trabajo en fuerza propulsora; es la boquilla, que forma un chorro, la que separa una turbina de gas , o generador de gas , de un motor a reacción .
Las boquillas propulsoras aceleran el gas disponible a velocidades subsónicas , transónicas o supersónicas dependiendo de la configuración de potencia del motor, su forma interna y las presiones de entrada y salida de la boquilla. La forma interna puede ser convergente o convergente-divergente (CD). Las boquillas CD pueden acelerar el chorro a velocidades supersónicas dentro de la sección divergente, mientras que una boquilla convergente no puede acelerar el chorro más allá de la velocidad sónica. [1]
Las boquillas propulsoras pueden tener una geometría fija o pueden tener una geometría variable para proporcionar diferentes áreas de salida para controlar el funcionamiento del motor cuando está equipado con un postquemador o un sistema de recalentamiento. Cuando los motores de postcombustión están equipados con una boquilla CD, el área de la garganta es variable. Las boquillas para velocidades de vuelo supersónicas, en las que se generan altas relaciones de presión de boquilla, [2] también tienen secciones divergentes de área variable. [3] Los motores turbofan pueden tener una boquilla propulsora adicional e independiente que acelera aún más el aire de derivación.
Las toberas propulsoras también actúan como restrictores aguas abajo, cuyas consecuencias constituyen un aspecto importante del diseño del motor. [4]
Las boquillas convergentes se utilizan en muchos motores a reacción. Si la relación de presión de la boquilla está por encima del valor crítico (aproximadamente 1,8:1), una boquilla convergente se obstruirá , lo que dará como resultado que parte de la expansión a presión atmosférica tenga lugar aguas abajo de la garganta (es decir, el área de flujo más pequeña), en la estela del chorro. Aunque el impulso del chorro todavía produce gran parte del empuje bruto, el desequilibrio entre la presión estática de la garganta y la presión atmosférica todavía genera algo de empuje (presión).
La velocidad supersónica del aire que fluye hacia un scramjet permite el uso de una simple boquilla divergente
Los motores capaces de realizar vuelos supersónicos tienen características de conductos de escape convergentes-divergentes para generar un flujo supersónico. Los motores de cohetes (el caso extremo) deben su forma distintiva a las altísimas proporciones de área de sus toberas.
Cuando la relación de presión a través de una boquilla convergente excede un valor crítico, el flujo se obstruye y, por lo tanto, la presión del escape que sale del motor excede la presión del aire circundante y no puede disminuir mediante el efecto Venturi convencional . Esto reduce la eficiencia de producción de empuje de la boquilla al provocar que gran parte de la expansión tenga lugar aguas abajo de la propia boquilla. En consecuencia, los motores de cohetes y motores a reacción para vuelos supersónicos incorporan una boquilla CD que permite una mayor expansión contra el interior de la boquilla. Sin embargo, a diferencia de la boquilla fija convergente-divergente utilizada en un motor de cohete convencional , las de los motores turborreactores deben tener una geometría variable pesada y costosa para hacer frente a la gran variación en la relación de presión de la boquilla que se produce con velocidades desde subsónicas hasta superiores a Mach 3.
No obstante, las boquillas con una relación de área baja tienen aplicaciones subsónicas.
Los motores subsónicos sin postcombustión tienen boquillas de tamaño fijo porque los cambios en el rendimiento del motor con la altitud y las velocidades de vuelo subsónico son aceptables con una boquilla fija. Este no es el caso a velocidades supersónicas como se describe para el Concorde a continuación.
En el otro extremo, algunos turboventiladores civiles con relación de derivación alta controlan la línea de trabajo del ventilador mediante el uso de una boquilla convergente-divergente con una relación de área extremadamente baja (menos de 1,01) en la corriente de derivación (o escape mixto). A bajas velocidades del aire, dicha configuración hace que la boquilla actúe como si tuviera una geometría variable evitando que se ahogue y permitiéndole acelerar y desacelerar los gases de escape que se acercan a la garganta y a la sección divergente, respectivamente. En consecuencia, el área de salida de la boquilla controla la coincidencia del ventilador, que, al ser más grande que la garganta, aleja ligeramente la línea de trabajo del ventilador del aumento. A velocidades de vuelo más altas, el aumento del ariete en la entrada obstruye la garganta y hace que el área de la boquilla dicte la coincidencia del ventilador; la boquilla, al ser más pequeña que la salida, hace que la garganta empuje ligeramente la línea de trabajo del ventilador hacia el aumento. Sin embargo, esto no es un problema, ya que el margen de sobretensión de un ventilador es mucho mayor a altas velocidades de vuelo.
Los motores de cohetes también emplean boquillas convergentes-divergentes, pero suelen ser de geometría fija para minimizar el peso. Debido a las altas relaciones de presión asociadas con el vuelo de los cohetes, las boquillas convergentes-divergentes de los motores de cohetes tienen una relación de área (salida/garganta) mucho mayor que las instaladas en los motores a reacción.
Los postquemadores de los aviones de combate requieren una tobera más grande para evitar que afecte negativamente al funcionamiento del motor. La boquilla de iris de área variable [9] consta de una serie de pétalos móviles superpuestos con una sección transversal de boquilla casi circular y es convergente para controlar el funcionamiento del motor. Si la aeronave va a volar a velocidades supersónicas, la boquilla del postquemador puede ir seguida de una boquilla divergente separada en una configuración de boquilla eyectora, como se muestra a continuación, o la geometría divergente puede incorporarse con la boquilla del postquemador en la configuración de boquilla convergente-divergente de geometría variable. , como a continuación.
Los primeros postquemadores estaban encendidos o apagados y usaban una boquilla de 2 posiciones en forma de concha, o párpado, que proporcionaba solo un área disponible para el uso de postcombustión. [10]
Eyector se refiere a la acción de bombeo del escape del motor muy caliente y de alta velocidad que arrastra (expulsa) un flujo de aire circundante que, junto con la geometría interna de la boquilla secundaria o divergente, controla la expansión del escape del motor. A velocidades subsónicas, el flujo de aire constriñe el escape a una forma convergente. Cuando se selecciona la postcombustión y el avión acelera, las dos boquillas se dilatan, lo que permite que el escape adopte una forma convergente-divergente, acelerando los gases de escape más allá de Mach 1. Las instalaciones de motores más complejas utilizan un flujo de aire terciario para reducir el área de salida a bajas velocidades. . Las ventajas de la tobera eyectora son la relativa simplicidad y fiabilidad en los casos en los que las aletas de la tobera secundaria se posicionan mediante fuerzas de presión. La boquilla eyectora también puede utilizar aire que ha sido absorbido por la admisión pero que no es necesario para el motor. La cantidad de este aire varía significativamente a lo largo de la envolvente de vuelo y las boquillas eyectoras son muy adecuadas para igualar el flujo de aire entre el sistema de admisión y el motor. El uso eficiente de este aire en la boquilla era un requisito primordial para los aviones que tenían que volar de manera eficiente a altas velocidades supersónicas durante períodos prolongados, de ahí su uso en el SR-71 , el Concorde y el XB-70 Valkyrie .
Un ejemplo simple de boquilla eyectora es la cubierta cilíndrica de geometría fija que rodea la boquilla de postcombustión en la instalación J85 en el T-38 Talon . [11] Más complejas fueron las disposiciones utilizadas para las instalaciones J58 ( SR-71 ) y TF-30 ( F-111 ). Ambos utilizaron puertas de soplado terciarias (que se abren a velocidades más bajas) y aletas superpuestas flotantes para una boquilla final. Tanto las puertas de entrada de aire como las aletas de las boquillas finales se ubican mediante un equilibrio entre la presión interna del escape del motor y la presión externa del campo de flujo de la aeronave.
En las primeras instalaciones del J79 ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ), el accionamiento de la boquilla secundaria estaba vinculado mecánicamente a la boquilla del postquemador. En instalaciones posteriores, la boquilla final se accionaba mecánicamente por separado de la boquilla del postquemador. Esto proporcionó una mayor eficiencia (mejor coincidencia del área de salida primaria/secundaria con un alto requisito de número de Mach) en Mach 2 ( B-58 Hustler ) y Mach 3 (XB-70). [12]
Las instalaciones de turboventilador que no requieren que el escape del motor bombee un flujo de aire secundario utilizan la boquilla CD de geometría variable. [13] Estos motores no requieren el aire de refrigeración externo que necesitan los turborreactores (carcasa caliente del postquemador).
La boquilla divergente puede ser una parte integral del pétalo de la boquilla del postquemador, una extensión en ángulo después de la garganta. Los pétalos viajan a lo largo de pistas curvas y la traslación axial y la rotación simultánea aumentan el área de la garganta para la postcombustión, mientras que la porción posterior se convierte en una divergencia con un área de salida más grande para una expansión más completa a velocidades más altas. Un ejemplo es el TF-30 ( F-14 ). [14]
Los pétalos primario y secundario pueden estar articulados entre sí y accionados por el mismo mecanismo para proporcionar control del postquemador y expansión de la relación de presión de la boquilla alta como en el EJ200 ( Eurofighter ). [15] Otros ejemplos se encuentran en el F-15 , F-16 , B-1B .
Las boquillas para empuje vectorial incluyen geometría fija Bristol Siddeley Pegasus y geometría variable F119 ( F-22 ).
Los inversores de empuje de algunos motores están incorporados en la propia boquilla y se conocen como inversores de empuje objetivo. La boquilla se abre en dos mitades que se juntan para redirigir el escape parcialmente hacia adelante. Dado que el área de la boquilla influye en el funcionamiento del motor (ver más abajo), el inversor de empuje desplegado debe estar espaciado a la distancia correcta del tubo de chorro para evitar cambios en los límites de funcionamiento del motor. [16] Se encuentran ejemplos de inversores de empuje objetivo en el Fokker 100, Gulfstream IV y Dassault F7X.
El ruido del chorro se puede reducir añadiendo características a la salida de la boquilla que aumentan el área de superficie del chorro cilíndrico. Los turborreactores comerciales y los primeros motores de derivación normalmente dividen el avión en múltiples lóbulos. Los turbofan modernos de alto bypass tienen dientes triangulares, llamados chevrones, que sobresalen ligeramente hacia el interior del chorro propulsor.
La boquilla, en virtud de establecer la contrapresión, actúa como un restrictor aguas abajo del compresor y, por lo tanto, determina lo que entra en la parte delantera del motor. Comparte esta función con el otro restrictor aguas abajo, la boquilla de turbina. [17] Las áreas tanto de la boquilla propulsora como de la boquilla de la turbina establecen el flujo másico a través del motor y la presión máxima. Si bien ambas áreas son fijas en muchos motores (es decir, aquellos con una boquilla propulsora fija simple), otros, sobre todo aquellos con postcombustión, tienen una boquilla propulsora de área variable. Esta variación del área es necesaria para contener el efecto perturbador sobre el motor de las altas temperaturas de combustión en el tubo de chorro, aunque el área también puede variarse durante la operación sin postcombustión para alterar el rendimiento de bombeo del compresor con ajustes de empuje más bajos. [4]
Por ejemplo, si se tuviera que retirar la tobera propulsora para convertir un turborreactor en un turboeje , el papel que desempeña el área de la tobera ahora lo asume el área de las paletas guía de las toberas de la turbina de potencia o los estatores. [18]
La sobreexpansión ocurre cuando el área de salida es demasiado grande en relación con el tamaño de la boquilla del postquemador o primaria. [19] Esto ocurrió bajo ciertas condiciones en la instalación J85 en el T-38. La boquilla secundaria o final tenía una geometría fija dimensionada para la caja de poscombustión máxima. En configuraciones de empuje sin postcombustión, el área de salida era demasiado grande para que la boquilla cerrada del motor produjera una expansión excesiva. Se agregaron puertas flotantes al eyector que permiten que el aire secundario controle la expansión del chorro primario. [11]
Para una expansión completa a la presión ambiental y, por lo tanto, un máximo empuje o eficiencia de la boquilla, la relación de área requerida aumenta con el número de Mach en vuelo. Si la divergencia es demasiado corta dando un área de salida demasiado pequeña, el escape no se expandirá a la presión ambiental en la boquilla y se perderá potencial de empuje [20] Al aumentar el número de Mach, puede llegar un punto en el que el área de salida de la boquilla sea tan grande. como el diámetro de la góndola del motor o el diámetro de la caja de popa del avión. Más allá de este punto, el diámetro de la boquilla se convierte en el diámetro más grande y comienza a sufrir una resistencia cada vez mayor. Por lo tanto, las boquillas están limitadas al tamaño de la instalación y la pérdida de empuje incurrida es una compensación con otras consideraciones como menor resistencia y menos peso.
Algunos ejemplos son el F-16 a Mach 2,0 [21] y el XB-70 a Mach 3,0. [22]
Otra consideración puede estar relacionada con el flujo de enfriamiento de la boquilla requerido. Las aletas o pétalos divergentes deben aislarse de la temperatura de la llama del postquemador, que puede ser del orden de 3600 °F (1980 °C), mediante una capa de aire de enfriamiento. Una divergencia más larga significa más área a enfriar. La pérdida de empuje debido a una expansión incompleta se compensa con los beneficios de un menor flujo de enfriamiento. Esto se aplicaba a la boquilla TF-30 del F-14A, donde la relación de área ideal a Mach 2,4 estaba limitada a un valor más bajo. [23]
Una sección divergente proporciona mayor velocidad de escape y, por tanto, empuje a velocidades de vuelo supersónicas. [24]
El efecto de añadir una sección divergente se demostró con la primera boquilla CD de Pratt & Whitney. La boquilla convergente fue reemplazada por una boquilla CD en el mismo motor J57 en el mismo avión F-101 . El mayor empuje de la boquilla CD (2.000 lb, 910 kg en el despegue al nivel del mar) de este motor elevó la velocidad de Mach 1,6 a casi 2,0, lo que permitió a la Fuerza Aérea establecer un récord mundial de velocidad de 1.207,6 mph (1.943,4 km/h). h) que estaba justo por debajo de Mach 2 para la temperatura de ese día. El verdadero valor de la boquilla CD no se realizó en el F-101 ya que la entrada no se modificó para las velocidades más altas alcanzables. [25]
Otro ejemplo fue la sustitución de una boquilla convergente por una boquilla CD en el YF-106/P&W J75 cuando no alcanzaba Mach 2. Junto con la introducción de la boquilla CD, se rediseñó la entrada. Posteriormente, la USAF estableció un récord mundial de velocidad con el F-106 de 1.526 mph (Mach 2,43). [25]
Algunos motores a reacción muy antiguos que no estaban equipados con postcombustión, como el BMW 003 y el Jumo 004 (que tenían un diseño ), [26] tenían una boquilla de área variable formada por un tapón de traslación conocido como Zwiebel [cebolla silvestre]. desde su forma. [27] El Jumo 004 tenía un área grande para arrancar para evitar el sobrecalentamiento de la turbina y un área más pequeña para el despegue y el vuelo para brindar mayor velocidad de escape y empuje. El Zwiebel del 004 poseía un rango de recorrido de avance/retroceso de 40 cm (16 pulgadas) para variar el área de la boquilla de escape, impulsado por un mecanismo impulsado por un motor eléctrico dentro del área divergente del cuerpo justo detrás de la turbina.
Los motores equipados con postquemador también pueden abrir la boquilla para arrancar y al ralentí. Se reduce el empuje en ralentí, lo que reduce la velocidad de rodaje y el desgaste de los frenos. Esta característica del motor J75 del F-106 se denominó "Control de empuje en ralentí" y reducía el empuje en ralentí en un 40%. [28] En los portaaviones, un menor empuje en ralentí reduce los peligros de la explosión de un avión.
En algunas aplicaciones, como la instalación del J79 en varios aviones, durante avances rápidos del acelerador, se puede evitar que el área de la boquilla se cierre más allá de cierto punto para permitir un aumento más rápido de las RPM [29] y, por lo tanto, un tiempo más rápido para alcanzar el empuje máximo.
En el caso de un turborreactor de 2 carretes, como el Olympus 593 en Concorde , el área de la boquilla se puede variar para permitir alcanzar simultáneamente la velocidad máxima del compresor de baja presión y la temperatura máxima de entrada a la turbina en el amplio rango de temperaturas de entrada al motor que se produce. con velocidades de vuelo de hasta Mach 2. [30]
En algunos turbofans aumentados, la línea de operación del ventilador se controla con el área de la boquilla durante la operación en seco y en húmedo para intercambiar el exceso de margen de sobretensión por más empuje.
El área de la boquilla aumenta durante el funcionamiento del postquemador para limitar los efectos aguas arriba en el motor. Para hacer funcionar un turboventilador para proporcionar el máximo flujo de aire (empuje), se puede controlar el área de la boquilla para mantener la línea de funcionamiento del ventilador en su posición óptima. Para que un turborreactor proporcione el máximo empuje, se puede controlar el área para mantener la temperatura de escape de la turbina en su límite. [31]
En las primeras instalaciones de posquemador, el piloto tenía que comprobar el indicador de posición de la boquilla después de seleccionar el posquemador. Si la boquilla no se abría por alguna razón, y el piloto no reaccionaba cancelando la selección del postquemador, los controles típicos de ese período [32] (por ejemplo, el J47 en el F-86L), podrían causar que las palas de la turbina se sobrecalentaran y fallaran. . [33]
Algunos aviones, como el Bf 109 alemán y el Macchi C.202/205, estaban equipados con "escapes de tipo eyector". Estos gases de escape convirtieron parte de la energía desperdiciada del flujo de escape de los motores (de combustión interna) en una pequeña cantidad de empuje hacia adelante al acelerar los gases calientes en dirección trasera a una velocidad mayor que la del avión. Todas las configuraciones de escape hacen esto hasta cierto punto si los gases de escape se descargan hacia atrás.
Rolls-Royce Limited patentó un dispositivo de escape que producía empuje en particular en 1937. [34] En los motores Rolls-Royce Merlin 130/131 del De Havilland Hornet de 1944 , el empuje de los escapes multieyectores equivalía a 70 CV adicionales. por motor a máxima altura.