La boquilla de tapón es un tipo de boquilla que incluye un cuerpo central o tapón alrededor del cual fluye el fluido de trabajo. Las boquillas de tapón tienen aplicaciones en aeronaves, cohetes y otros numerosos dispositivos de flujo de fluidos.
Las boquillas de gatillo de las mangueras de jardín comunes son un ejemplo simple de la boquilla de tapón y su método de funcionamiento. En este ejemplo, la boquilla consta de una abertura cónica o en forma de campana con un tapón en una varilla móvil colocada delante de la boquilla. El tapón parece similar a una válvula de asiento . El vástago de la válvula recorre el cuerpo de la boquilla hasta un "gatillo", normalmente una palanca larga que baja por la parte posterior del conjunto de la boquilla. Un resorte mantiene la válvula presionada contra la abertura durante el uso normal, lo que proporciona un corte a prueba de fallos que detiene el flujo de agua cuando se cae la boquilla.
Cuando se suministra agua a la manguera, fluye a través del cuerpo de la boquilla hacia la abertura, donde normalmente fluiría en línea recta en un arroyo. Justo después de salir de la abertura, se encuentra con el tapón, que desvía el agua hacia un lado en un ángulo. Después de recorrer una corta distancia, el agua se encuentra con el exterior de la abertura de la boquilla, que la desvía hacia adelante nuevamente. Este proceso de dos pasos hace que el agua sea expulsada en un patrón en forma de anillo, lo que hace que menos agua llegue a un lugar determinado y, por lo tanto, reduce la erosión y, al mismo tiempo, facilita el riego de áreas más grandes.
La forma del tapón y de la abertura de la boquilla permite ajustar el ángulo del anillo. Normalmente, este tiene una forma que, cuando se tira del tapón hacia la abertura, corta parcialmente el flujo de agua y, al mismo tiempo, hace que se extienda hasta el ángulo más amplio posible. Esto se puede utilizar para "rociar" las plantas. Cuando se presiona más el gatillo, el tapón se aleja de la abertura, lo que provoca menos bloqueos e interrupciones del flujo, lo que finalmente permite que el agua vuelva a formar un chorro.
Las toberas de tapón pertenecen a una clase de toberas de compensación de altitud , muy similares a las aerospike , que, a diferencia de los diseños tradicionales, mantienen su eficiencia en un amplio rango de altitudes. [1]
De manera similar al ejemplo de la manguera de jardín, las boquillas de tapón utilizan una boquilla con forma de cohete con un tapón con forma de vástago para permitir que se cambie el patrón del escape del cohete. Esto se utiliza para ajustarse a los cambios de altitud; a altitudes más bajas, el tapón se tira hacia atrás para hacer que el escape se extienda, mientras que a altitudes más altas, la menor presión del aire hará que esto suceda de forma natural. Una construcción alternativa para el mismo concepto básico es utilizar dos boquillas, una dentro de la otra, y ajustar la distancia entre ellas. Este patrón tiene la ventaja de un mejor control sobre el escape y de sistemas de refrigeración más sencillos.
De manera confusa, el término "tobera de tapón" también puede usarse para referirse a una clase completamente diferente de toberas de motor, las aerospikes. En teoría, la aerospike debería parecerse más o menos a una lanza , con una base ancha y un cuerpo delantero largo y cónico. Sin embargo, la parte de la "punta" se puede cortar con solo efectos menores en el rendimiento, dejando solo la sección de la base. Esto se parece mucho a un tapón de drenaje común y conduce al uso generalizado del término "tobera de tapón" para este diseño también.
La tobera de tapón de motor a reacción tiene su origen en la cohetería [2], pero también se ha estudiado a lo largo de los años, aunque no se ha utilizado, en aviones de crucero supersónicos como el Boeing SST [3] , el propuesto motor de ciclo variable de General Electric, con su tobera de tapón acústica [4] y el Concorde. Sin embargo, se utilizó en el misil AGM-28 Hound Dog y en el avión de pasajeros Tu-144. La tobera de tapón o "expansión externa" tiene un tapón central y un chorro supersónico de expansión libre en lugar de una superficie cónica divergente para contener la expansión supersónica interna como en una tobera convergente-divergente delaval (con-di). El motor de avión Pratt & Whitney J52 utilizado en el misil supersónico AGM-28 Hound Dog utilizaba una tobera de tapón que funcionaba mejor en la envolvente de vuelo del misil que una tobera convergente o una con-di. [5] En el motor Kolesov RD-36-51 A sin postcombustión utilizado para el avión supersónico Tupolev Tu-144 D se utilizó un cuerpo central de traslación. El cuerpo central estaba perforado y se introducía aire comprimido en el chorro de escape a través de las perforaciones para atenuar el ruido. [6] El peso y la refrigeración son preocupaciones típicas con las toberas de bujía de los aviones. [7] Un diseño de tobera de bujía evaluado en el National Gas Turbine Establishment [8] fue rechazado para el motor Concorde debido a la penalización de peso de las características variables requeridas y a las preocupaciones sobre la refrigeración adecuada de la bujía durante la operación de recalentamiento. [9] Las pruebas del modelo de tobera de bujía han demostrado niveles de ruido reducidos en comparación con las toberas de convección-difusión tradicionales. [10]
Las toberas de propulsión para aeronaves subsónicas han utilizado un cuerpo central/bala/cono para proporcionar el área de salida de la tobera necesaria para establecer correctamente una línea de funcionamiento del compresor axial en su mapa. Los primeros motores turborreactores alemanes operativos con compresores axiales, el Jumo 004 y el BMW 003 , necesitaban áreas de tobera de escape diferentes para funcionar correctamente en cada uno de los regímenes operativos: arranque/ralentí, ascenso, alta velocidad, gran altitud. [11] Se eligió una tobera con un cuerpo restrictivo de "bala" de traslación hacia adelante/atrás en el centro para cada diseño. Proporcionaba control de área con un accionamiento relativamente simple y coincidía con la forma anular del escape de la turbina.
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