Una tobera propulsora es una boquilla que convierte la energía interna de un gas de trabajo en fuerza propulsora; es la tobera, que forma un chorro, que separa una turbina de gas , o generador de gas , de un motor a reacción .
Las toberas propulsoras aceleran el gas disponible a velocidades subsónicas , transónicas o supersónicas según la configuración de potencia del motor, su forma interna y las presiones de entrada y salida de la tobera. La forma interna puede ser convergente o convergente-divergente (CD). Las toberas CD pueden acelerar el chorro a velocidades supersónicas dentro de la sección divergente, mientras que una tobera convergente no puede acelerar el chorro más allá de la velocidad sónica. [1]
Las toberas propulsoras pueden tener una geometría fija o variable para proporcionar distintas áreas de salida para controlar el funcionamiento del motor cuando están equipadas con un postquemador o un sistema de recalentamiento. Cuando los motores con postcombustión están equipados con una tobera CD, el área de la garganta es variable. Las toberas para velocidades de vuelo supersónicas, en las que se generan relaciones de presión de tobera elevadas, [2] también tienen secciones divergentes de área variable. [3] Los motores de turbofán pueden tener una tobera propulsora adicional e independiente que acelera aún más el aire de derivación.
Las toberas de propulsión también actúan como limitadores aguas abajo, cuyas consecuencias constituyen un aspecto importante del diseño del motor. [4]
En muchos motores a reacción se utilizan toberas convergentes. Si la relación de presión de la tobera es superior al valor crítico (aproximadamente 1,8:1), una tobera convergente se obstruirá , lo que provocará que parte de la expansión a presión atmosférica se produzca aguas abajo de la garganta (es decir, el área de flujo más pequeña), en la estela del chorro. Aunque el impulso del chorro sigue produciendo gran parte del empuje bruto, el desequilibrio entre la presión estática de la garganta y la presión atmosférica sigue generando algo de empuje (de presión).
La velocidad supersónica del aire que fluye hacia un estatorreactor permite el uso de una boquilla divergente simple.
Los motores capaces de realizar vuelos supersónicos tienen conductos de escape convergentes y divergentes para generar un flujo supersónico. Los motores de cohetes —el caso extremo— deben su forma distintiva a las altísimas relaciones de área de sus toberas.
Cuando la relación de presiones a través de una tobera convergente excede un valor crítico, el flujo se ahoga y, por lo tanto, la presión del escape que sale del motor excede la presión del aire circundante y no puede disminuir a través del efecto Venturi convencional . Esto reduce la eficiencia de producción de empuje de la tobera al hacer que gran parte de la expansión tenga lugar aguas abajo de la propia tobera. En consecuencia, los motores de cohetes y los motores a reacción para vuelos supersónicos incorporan una tobera CD que permite una mayor expansión contra el interior de la tobera. Sin embargo, a diferencia de la tobera convergente-divergente fija 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 tobera que se produce con velocidades desde subsónicas hasta superiores a Mach 3.
Sin embargo, las boquillas de baja relación de área tienen aplicaciones subsónicas.
Los motores subsónicos sin postcombustión tienen toberas de tamaño fijo porque los cambios en el rendimiento del motor con la altitud y las velocidades de vuelo subsónico son aceptables con una tobera fija. Esto no sucede a velocidades supersónicas, como se describe a continuación para el Concorde .
En el otro extremo, algunos turbofán civiles con una alta relación de derivación controlan la línea de trabajo del ventilador mediante una tobera convergente-divergente con una relación de área extremadamente baja (menos de 1,01) en la corriente de derivación (o de escape mixto). A bajas velocidades aerodinámicas, una configuración de este tipo hace que la tobera actúe como si tuviera una geometría variable al evitar que se obstruya y permitirle acelerar y desacelerar los gases de escape que se acercan a la garganta y la sección divergente, respectivamente. En consecuencia, el área de salida de la tobera controla el ajuste del ventilador, que, al ser más grande que la garganta, aleja ligeramente la línea de trabajo del ventilador de la oleada. A velocidades de vuelo más altas, la elevación del ariete en la admisión obstruye la garganta y hace que el área de la tobera dicte el ajuste del ventilador; la tobera, al ser más pequeña que la salida, hace que la garganta empuje la línea de trabajo del ventilador ligeramente hacia la oleada. Sin embargo, esto no es un problema, ya que el margen de oleada de un ventilador es mucho mayor a altas velocidades de vuelo.
Los motores de cohetes también emplean toberas convergentes-divergentes, pero estas suelen tener una geometría fija para minimizar el peso. Debido a las altas relaciones de presión asociadas con el vuelo de cohetes, las toberas 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 afectar negativamente al funcionamiento del motor. La tobera de iris de área variable [9] consta de una serie de pétalos móviles superpuestos con una sección transversal de tobera casi circular y es convergente para controlar el funcionamiento del motor. Si el avión va a volar a velocidades supersónicas, la tobera del postquemador puede ir seguida de una tobera divergente separada en una configuración de tobera eyectora, como se muestra a continuación, o la geometría divergente puede incorporarse con la tobera del postquemador en la configuración de tobera convergente-divergente de geometría variable, como se muestra a continuación.
Los primeros postquemadores estaban encendidos o apagados y utilizaban una boquilla tipo concha o párpado de dos posiciones que dejaba solo un área disponible para el uso de postcombustión. [10]
El término eyector hace referencia a la acción de bombeo del escape del motor, muy caliente y a alta velocidad, que arrastra (expulsa) un flujo de aire circundante que, junto con la geometría interna de la tobera 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 aumenta la velocidad, las dos toberas 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 motor 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 que las aletas de la tobera secundaria se colocan mediante fuerzas de presión. La tobera eyectora también puede utilizar aire que ha sido ingerido 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 toberas eyectoras son adecuadas para hacer coincidir el flujo de aire entre el sistema de admisión y el motor. El uso eficiente de este aire en la tobera era un requisito primordial para los aviones que tenían que volar eficientemente 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 complejos fueron los arreglos utilizados para las instalaciones J58 ( SR-71 ) y TF-30 ( F-111 ). Ambos utilizaron puertas de soplado terciarias (abiertas a velocidades más bajas) y flaps superpuestos flotantes para una boquilla final. Tanto las puertas de soplado como los flaps de la boquilla final se colocan por un equilibrio de presión interna del escape del motor y presión externa del campo de flujo de la aeronave.
En las primeras instalaciones del J79 ( F-104 , F-4 , A-5 Vigilante ), la activación de la tobera secundaria estaba vinculada mecánicamente a la tobera de postcombustión. En las instalaciones posteriores, la tobera final se accionaba mecánicamente por separado de la tobera de postcombustión. Esto proporcionó una mayor eficiencia (mejor adaptación del área de salida primaria/secundaria con un alto requisito de número de Mach) a Mach 2 ( B-58 Hustler ) y Mach 3 (XB-70). [12]
Las instalaciones de turbofán 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 de postcombustión caliente).
La tobera divergente puede ser parte integral del pétalo de la tobera de postcombustión, una extensión en ángulo después de la garganta. Los pétalos se desplazan 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 primarios y secundarios pueden estar articulados entre sí y accionados por el mismo mecanismo para proporcionar control de postcombustión y expansión de alta relación de presión de la boquilla como en el EJ200 ( Eurofighter ). [15] Otros ejemplos se encuentran en el F-15 , F-16 , B-1B .
Las toberas para empuje vectorial incluyen el Bristol Siddeley Pegasus de geometría fija y el F119 ( F-22 ) de geometría variable.
Los inversores de empuje de algunos motores están incorporados en la propia tobera y se conocen como inversores de empuje de destino. La tobera se abre en dos mitades que se unen para redirigir el escape parcialmente hacia adelante. Dado que el área de la tobera influye en el funcionamiento del motor (ver más abajo), el inversor de empuje desplegado tiene que estar espaciado a la distancia correcta del tubo de descarga para evitar cambios en los límites operativos del motor. [16] Se encuentran ejemplos de inversores de empuje de destino en el Fokker 100, Gulfstream IV y Dassault F7X.
El ruido del chorro se puede reducir añadiendo elementos a la salida de la tobera que aumenten la superficie del chorro cilíndrico. Los turborreactores comerciales y los primeros motores de derivación suelen dividir el chorro en varios lóbulos. Los turborreactores modernos de alta derivación tienen estrías triangulares, llamadas chevrones, que sobresalen ligeramente hacia el interior del chorro propulsor.
La tobera, al establecer la contrapresión, actúa como un limitador aguas abajo del compresor y, por lo tanto, determina lo que entra en la parte delantera del motor. Comparte esta función con el otro limitador aguas abajo, la tobera de la turbina. [17] Las áreas tanto de la tobera propulsora como de la tobera de la turbina establecen el flujo de masa a través del motor y la presión máxima. Si bien ambas áreas son fijas en muchos motores (es decir, aquellos con una tobera propulsora fija simple), otros, sobre todo aquellos con postcombustión, tienen una tobera propulsora de área variable. Esta variación de área es necesaria para contener el efecto perturbador en el motor de las altas temperaturas de combustión en el tubo de inyección, aunque el área también puede variar durante la operación sin postcombustión para alterar el rendimiento de bombeo del compresor en configuraciones de empuje más bajas. [4]
Por ejemplo, si se tuviera que quitar la tobera propulsora para convertir un turborreactor en un turboeje , el papel desempeñado por el área de la tobera ahora lo ocupa el área de los álabes guía o estatores de la tobera de la turbina de potencia. [18]
La sobreexpansión ocurre cuando el área de salida es demasiado grande en relación con el tamaño de la boquilla del postquemador o principal. [19] Esto ocurrió bajo ciertas condiciones en la instalación del J85 en el T-38. La boquilla secundaria o final tenía una geometría fija dimensionada para el caso de postquemador máximo. En configuraciones de empuje sin postquemador, el área de salida era demasiado grande para la boquilla del motor cerrada, lo que produjo una sobreexpansión. Se agregaron puertas flotantes al eyector para permitir que el aire secundario controlara la expansión del chorro primario. [11]
Para una expansión completa a presión ambiente, y por lo tanto, el empuje o eficiencia máximos de la boquilla, la relación de área requerida aumenta con el número de Mach de vuelo. Si la divergencia es demasiado corta, lo que da como resultado un área de salida demasiado pequeña, el escape no se expandirá a presión ambiente en la boquilla y se perderá potencial de empuje [20]. Con el aumento del 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 popa del avión. Más allá de este punto, el diámetro de la boquilla se convierte en el diámetro más grande y comienza a incurrir en una resistencia creciente. 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 una menor resistencia y un menor 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 requerido para la tobera. Las aletas o pétalos divergentes tienen que estar aislados de la temperatura de la llama del postquemador, que puede ser del orden de 3600 °F (1980 °C), por una capa de aire de enfriamiento. Una divergencia más larga significa más área para enfriar. La pérdida de empuje por expansión incompleta se compensa con los beneficios de un menor flujo de enfriamiento. Esto se aplicó a la tobera TF-30 en el F-14A donde la relación de área ideal a Mach 2.4 se limitó a un valor inferior. [23]
Una sección divergente proporciona mayor velocidad de escape y, por lo tanto, empuje a velocidades de vuelo supersónicas. [24]
El efecto de añadir una sección divergente se demostró con la primera tobera CD de Pratt & Whitney. La tobera convergente se sustituyó por una tobera CD en el mismo motor J57 del mismo avión F-101 . El aumento de empuje de la tobera CD (2000 lb, 910 kg en el despegue a nivel del mar) en este motor aumentó la velocidad de Mach 1,6 a casi 2,0, lo que permitió a la Fuerza Aérea establecer un récord mundial de velocidad de 1207,6 mph (1943,4 km/h), que estaba justo por debajo de Mach 2 para la temperatura de ese día. El verdadero valor de la tobera CD no se percibió 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 tobera convergente por una tobera CD en el YF-106/P&W J75 cuando no alcanzaba la velocidad de Mach 2. Junto con la introducción de la tobera CD, se rediseñó la entrada. Posteriormente, la USAF estableció un récord mundial de velocidad con el F-106 de 1526 mph (Mach 2,43). [25]
Algunos de los primeros motores a reacción que no estaban equipados con un postquemador, como el BMW 003 y el Jumo 004 (que tenía un diseño ), [26] tenían una tobera de área variable formada por un tapón de traslación conocido como Zwiebel [cebolla silvestre] por su forma. [27] El Jumo 004 tenía un área grande para el arranque para evitar el sobrecalentamiento de la turbina y un área más pequeña para el despegue y el vuelo para dar mayor velocidad de escape y empuje. El Zwiebel del 004 poseía un rango de 40 cm (16 pulgadas) de recorrido hacia adelante/atrás para variar el área de la tobera de escape, impulsado por un mecanismo impulsado por motor eléctrico dentro del área divergente del cuerpo justo detrás de la turbina.
Los motores equipados con postcombustión también pueden abrir la tobera para el arranque y al ralentí. El empuje al ralentí se reduce, lo que disminuye la velocidad de rodaje y el desgaste de los frenos. Esta característica del motor J75 del F-106 se denominaba "control de empuje al ralentí" y reducía el empuje al ralentí en un 40 %. [28] En los portaaviones, un menor empuje al ralentí reduce los peligros de las ráfagas de los reactores.
En algunas aplicaciones, como la instalación del J79 en varias aeronaves, durante los avances rápidos del acelerador, se puede evitar que el área de la boquilla se cierre más allá de un cierto punto para permitir un aumento más rápido de las RPM [29] y, por lo tanto, un tiempo más rápido hasta el empuje máximo.
En el caso de un turborreactor de dos carretes, como el Olympus 593 del Concorde , el área de la boquilla se puede variar para permitir el logro simultáneo de 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 turbofán aumentados, la línea de operación del ventilador se controla con el área de la boquilla durante la operación seca y húmeda para intercambiar el exceso de margen de sobretensión por más empuje.
El área de la boquilla se aumenta durante el funcionamiento del postquemador para limitar los efectos de la corriente ascendente sobre el motor. Para que un turbofán funcione de manera que proporcione el máximo flujo de aire (empuje), el área de la boquilla se puede controlar para mantener la línea de operación del ventilador en su posición óptima. Para que un turborreactor proporcione el máximo empuje, el área se puede controlar para mantener la temperatura de escape de la turbina en su límite. [31]
En las primeras instalaciones de postcombustión, el piloto tenía que comprobar el indicador de posición de la tobera después de seleccionar la postcombustión. Si la tobera no se abría por alguna razón y el piloto no reaccionaba cancelando la selección de postcombustión, los controles típicos de esa época [32] (por ejemplo, el J47 en el F-86L) podían provocar 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 escapes convertían parte de la energía residual del flujo de escape de los motores (de combustión interna) en una pequeña cantidad de empuje hacia adelante acelerando los gases calientes en dirección hacia atrás a una velocidad mayor que la del avión. Todas las configuraciones de escape hacen esto en cierta medida si los gases de escape se descargan en dirección hacia atrás.
En 1937, Rolls-Royce Limited patentó un dispositivo de escape que producía empuje en particular. [34] En los motores Rolls-Royce Merlin 130/131 del de Havilland Hornet de 1944 , el empuje de los escapes multieyectores era equivalente a 70 CV adicionales por motor a máxima altura del acelerador.