Boquilla de propulsión

En muchos motores a reacción se utilizan toberas convergentes. Si la relación de presión de la tobera supera el valor crítico (aproximadamente 1,8:1), la tobera convergente se estrangula , lo que provoca que parte de la expansión a presión atmosférica tenga lugar aguas abajo de la garganta (es decir, en la zona de menor flujo), en la estela del chorro. Aunque el impulso del chorro sigue generando gran parte del empuje bruto, el desequilibrio entre la presión estática de la garganta y la presión atmosférica también genera cierto empuje (de presión).

La velocidad supersónica del aire que fluye hacia un estatorreactor permite el uso de una tobera divergente simple.

Los motores capaces de vuelo supersónico poseen conductos de escape convergentes-divergentes para generar flujo supersónico. Los motores de cohete —el caso extremo— deben su forma distintiva a la altísima relación de área de sus toberas.

Cuando la relación de presión a través de una tobera convergente supera un valor crítico, el flujo se estrangula y, por lo tanto, la presión de los gases de escape que salen del motor supera la presión del aire circundante y no puede disminuir mediante el efecto Venturi convencional . Esto reduce la eficiencia de la tobera en la producción de empuje, ya que gran parte de la expansión tiene lugar aguas abajo de la propia tobera. En consecuencia, los motores de cohete y los motores a reacción para vuelo supersónico incorporan una tobera convergente-divergente (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.

No obstante, las boquillas con una baja relación de área tienen aplicaciones subsónicas.

Los motores subsónicos sin postcombustión tienen toberas de tamaño fijo porque las variaciones en el rendimiento del motor con la altitud y las velocidades de vuelo subsónicas son aceptables con una tobera fija. Esto no ocurre a velocidades supersónicas, como se describe para el Concorde más adelante .

En cohetes (con alta relación de área)

Los motores de cohete también emplean toberas convergentes-divergentes, pero estas suelen ser de geometría fija para minimizar el peso. Debido a las altas presiones asociadas al vuelo de cohetes, las toberas convergentes-divergentes de los motores de cohete tienen una relación de área (salida/garganta) mucho mayor que las que se utilizan en los motores a reacción.

Los postquemadores en los aviones de combate requieren una tobera más grande para evitar afectar negativamente el funcionamiento del motor. La tobera de iris de área variable ^{[ 9 ]} consta de una serie de pétalos móviles y superpuestos con una sección transversal de tobera casi circular y es convergente para controlar el funcionamiento del motor. Si la aeronave 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 a 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 de dos posiciones, tipo concha o párpado, que dejaba solo un área disponible para el uso de postcombustión. ^{[ 10 ]}

El término eyector se refiere a la acción de bombeo del escape del motor, que, al ser muy caliente y a alta velocidad, arrastra (expulsa) un flujo de aire circundante que, junto con la geometría interna de la tobera secundaria o divergente, controla la expansión del escape. A velocidades subsónicas, el flujo de aire comprime el escape dándole una forma convergente. Cuando se activa la postcombustión y la aeronave acelera, 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 su relativa simplicidad y fiabilidad en los casos en que las aletas de la tobera secundaria se posicionan 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 en la envolvente de vuelo, y las toberas eyectoras son idóneas para igualar el flujo de aire entre el sistema de admisión y el motor. El uso eficiente de este aire en la tobera era un requisito fundamental para las aeronaves que debían volar de forma 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 sencillo de tobera eyectora es la cubierta cilíndrica de geometría fija que rodea la tobera de postcombustión en la instalación J85 del T-38 Talon . ^{[ 11 ]} Más complejos eran los sistemas utilizados para las instalaciones J58 ( SR-71 ) y TF-30 ( F-111 ). Ambos empleaban compuertas de soplado terciarias (que se abren a velocidades más bajas) y flaps superpuestos flotantes para la tobera final. Tanto las compuertas de soplado como los flaps de la tobera final se posicionan 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 ), la activación de la tobera secundaria estaba conectada mecánicamente a la tobera del postquemador. En instalaciones posteriores, la tobera final se activaba mecánicamente de forma independiente de la tobera del postquemador. Esto proporcionó una mayor eficiencia (mejor coincidencia entre el área de salida primaria y secundaria y el requisito de un número Mach elevado) a Mach  2 ( B-58 Hustler ) y Mach  3 (XB-70). ^{[ 12 ]}

Las instalaciones de turbofán que no requieren un flujo de aire secundario bombeado por el escape del motor utilizan la tobera CD de geometría variable. ^{[ 13 ]} Estos motores no requieren el aire de refrigeración externo necesario para los turborreactores (carcasa del postquemador caliente).

La tobera divergente puede ser parte integral del pétalo de la tobera del postquemador, una extensión angular después de la garganta. Los pétalos se desplazan a lo largo de trayectorias 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 mayor 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 de postcombustión y expansión de alta relación de presión de la tobera como en el EJ200 ( Eurofighter ). ^{[ 15 ]} Otros ejemplos se encuentran en el F-15 , F-16 , B-1B .

La tobera, al 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 tobera de la turbina. ^{[ 17 ]} Las áreas tanto de la tobera de propulsión como de la tobera 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 tobera de propulsión fija simple), otros, sobre todo aquellos con postcombustión, tienen una tobera de propulsión de área variable. Esta variación de área es necesaria para contener el efecto perturbador sobre el motor de las altas temperaturas de combustión en el tubo de escape, aunque el área también puede variar durante el funcionamiento sin postcombustión para modificar el rendimiento de bombeo del compresor con ajustes de empuje más bajos. ^{[ 4 ]}

Por ejemplo, si se retirara la tobera de propulsión para convertir un turborreactor en un turboeje , la función que desempeñaba el área de la tobera la asume ahora el área de los álabes directores 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 tobera del postquemador o tobera primaria. ^{[ 19 ]} Esto ocurrió bajo ciertas condiciones en la instalación del J85 en el T-38. La tobera secundaria o final tenía una geometría fija dimensionada para el caso de postquemador máximo. Con ajustes de empuje sin postquemador, el área de salida era demasiado grande para la tobera del motor cerrada, lo que provocaba sobreexpansión. Se añadieron compuertas flotantes al eyector, lo que permitía que el aire secundario controlara la expansión del chorro primario. ^{[ 11 ]}

Para una expansión completa a la presión ambiente, y por lo tanto el empuje máximo de la tobera o eficiencia, la relación de área requerida aumenta con el número de Mach de vuelo. Si la divergencia es demasiado corta dando un área de salida demasiado pequeña el escape no se expandirá a la presión ambiente en la tobera y habrá una pérdida de potencial de empuje ^{[ 20 ]} Con un número de Mach creciente puede llegar un punto en el que el área de salida de la tobera sea tan grande como el diámetro de la góndola del motor o el diámetro de la parte posterior de la aeronave. Más allá de este punto el diámetro de la tobera se convierte en el diámetro mayor y comienza a incurrir en un arrastre creciente. Las toberas están, por lo tanto, limitadas al tamaño de instalación y la pérdida de empuje incurrida es una compensación con otras consideraciones como menor arrastre, menor peso.

Ejemplos de ello 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 refrigeración necesario para la tobera. Los flaps 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 refrigeración. Una divergencia mayor implica una mayor superficie a refrigerar. La pérdida de empuje debida a una expansión incompleta se compensa con las ventajas de un menor flujo de refrigeración. Esto se aplicó a la tobera TF-30 del F-14A, donde la relación de área ideal a Mach 2,4 se limitó a un valor inferior. ^{[ 23 ]}   

Una sección divergente proporciona una mayor velocidad de escape y, por lo tanto, mayor 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 mayor empuje de la tobera CD ( 2000 lb, 910 kg en el despegue a nivel del mar) en 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 1207,6 mph (1943,4 km/h) , ligeramente inferior a Mach 2 para la temperatura de ese día. El verdadero potencial de la tobera CD no se aprovechó en el F-101, ya que la entrada de aire 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 Mach  2. Junto con la introducción de la tobera CD, se rediseñó la entrada de aire. 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 deslizante 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 proporcionar una mayor velocidad de escape y empuje. El Zwiebel del 004 poseía un rango de recorrido hacia adelante/atrás de 40 cm (16 in) para variar el área de la tobera de escape, impulsado por un mecanismo accionado por un motor eléctrico dentro del área divergente del cuerpo justo detrás de la turbina.  

Los motores equipados con postquemador también pueden abrir la tobera para el arranque y en ralentí. El empuje en 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 denominó «Control de empuje en ralentí» y redujo el empuje en ralentí en un 40 %. ^{[ 28 ]} En los portaaviones, un menor empuje en ralentí reduce los riesgos derivados de la ráfaga de los reactores.

En algunas aplicaciones, como la instalación J79 en varias aeronaves, durante avances rápidos del acelerador, se puede impedir que el área de la tobera 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 dos ejes, como el Olympus 593 del Concorde , el área de la tobera puede variarse para permitir el logro simultáneo de la velocidad máxima del compresor de baja presión y la temperatura máxima de entrada de la turbina en el amplio rango de temperaturas de entrada del motor que se produce con velocidades de vuelo de hasta Mach  2. ^{[ 30 ]}

En algunos turbofanes aumentados, la línea de operación del ventilador se controla con el área de la tobera tanto durante el funcionamiento en seco como en húmedo para intercambiar un margen de sobretensión excesivo por un mayor empuje.

El área de la tobera aumenta durante el funcionamiento con postcombustión para limitar los efectos aguas arriba en el motor. Para que un turbofán proporcione el máximo flujo de aire (empuje), el área de la tobera puede controlarse para mantener la línea de operación del ventilador en su posición óptima. Para que un turborreactor proporcione el máximo empuje, el área puede controlarse para mantener la temperatura de escape de la turbina en su límite. ^{[ 31 ]}

En las primeras instalaciones de postcombustión, el piloto debía comprobar el indicador de posición de la tobera tras seleccionar la postcombustión. Si la tobera no se abría por algún motivo y el piloto no reaccionaba cancelando la selección de la postcombustión, los controles típicos de la época ^{[ 32 ]} (por ejemplo, el J47 en el F-86L) podían provocar el sobrecalentamiento y el fallo de los álabes de la turbina. ^{[ 33 ]}

Ciertos 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 de los gases de escape de los motores (de combustión interna) en un pequeño empuje hacia adelante, acelerando los gases calientes hacia atrás a una velocidad superior a la de la aeronave. Todas las configuraciones de escape logran esto en cierta medida si los gases de escape se descargan hacia atrás.

Un dispositivo de escape productor de empuje en particular fue patentado por Rolls-Royce Limited en 1937. ^{[ 34 ]} En los motores Rolls-Royce Merlin 130/131 del de Havilland Hornet de 1944 , el empuje de los escapes de eyector múltiple equivalía a 70 CV adicionales por motor a máxima potencia.