Tovera propulsora
Una tovera propulsora o ejector d'escapament és una boquilla que converteix l'energia interna d'un gas de treball en força propulsiva; és la boquilla, que forma un jet, la que separa una turbina de gas, o generador de gas, d'un motor de reacció.[1]
Les broquetes propulsores acceleren el gas disponible a velocitats subsòniques, transòniques o supersòniques depenent de la configuració de potència del motor, la seva forma interna i les pressions a l'entrada i sortida de la broqueta. La forma interna pot ser convergent o convergent-divergent (CD). Les broquetes CD poden accelerar el jet a velocitats supersòniques dins de la secció divergent, mentre que una broqueta convergent no pot accelerar el jet més enllà de la velocitat sònica.[2]
Les broquetes propulsores poden tenir una geometria fixa o poden tenir una geometria variable per donar diferents àrees de sortida per controlar el funcionament del motor quan estan equipats amb un postcombustidor o un sistema de reescalfament. Quan els motors de postcombustió estan equipats amb una broqueta CD, l'àrea de la gola és variable. Les broquetes per a velocitats de vol supersòniques, a les quals es generen altes relacions de pressió de les broquetes, també tenen seccions divergents d'àrea variable. Els motors turbofan poden tenir una broqueta propulsora addicional i separada que accelera encara més l'aire de derivació.[3]
Les boquilles propulsores també actuen com a restrictors aigües avall, les conseqüències dels quals constitueixen un aspecte important del disseny del motor.[4]
Principis de funcionament
- Una broqueta funciona segons l'efecte Venturi per portar els gasos d'escapament a la pressió ambient, mentre els forma en un jet propulsiu; si la pressió aigües amunt de la broqueta és prou alta, el flux assolirà la velocitat sònica (estrangulació). A continuació s'explica la funció de la broqueta en la contrapressió del motor.
- L'energia per accelerar el corrent prové de la temperatura i la pressió del gas. El gas s'expandeix adiabàticament amb pèrdues baixes i, per tant, amb una alta eficiència. El gas accelera fins a una velocitat de sortida final que depèn de la pressió i la temperatura a l'entrada de la boquilla, la pressió ambient a la qual s'escapa (a menys que el flux estigui obstruït) i l'eficiència de l'expansió. L'eficiència és una mesura de les pèrdues degudes a la fricció, la divergència no axial, així com les fuites en les boquilles CD.
- Els motors de respiració d'aire creen una empenta cap endavant sobre el fuselatge impartint un moment net cap enrere als gasos d'escapament. Si l'empenta supera la resistència que experimenta l'aeronau movent-se per l'aire, s'accelerarà. El jet pot estar o no completament expandit.
- En alguns motors equipats amb postcombustió, l'àrea de la boquilla varia durant les condicions de no postcombustió o d'empenta seca. Normalment, la boquilla està completament oberta per arrencar i al ralentí. Aleshores, es pot tancar a mesura que la palanca d'empenta avança fins a assolir la seva àrea mínima abans o a l'ajust d'empenta seca militar o màxima. Dos exemples d'aquest control són el General Electric J-79 i el Klimov RD-33 del MIG-29. Els motius per variar l'àrea de la boquilla s'expliquen a la secció: Control de l'àrea de la boquilla durant el funcionament en sec.
Geometries principals
Boquilla convergent
Els broquets convergents s'utilitzen en molts motors de reacció. Si la relació de pressió del broquet és superior al valor crític (aproximadament 1,8:1), un broquet convergent s'ofegarà, cosa que provocarà que part de l'expansió a la pressió atmosfèrica tingui lloc aigües avall de la gola (és a dir, l'àrea de flux més petita), a l'estela del jet. Tot i que el moment del jet encara produeix gran part de l'empenta bruta, el desequilibri entre la pressió estàtica de la gola i la pressió atmosfèrica encara genera una mica d'empenta (de pressió).
Boquilla divergent
La velocitat supersònica de l'aire que flueix cap a un jet de reacció ultraràctica permet l'ús d'una simple tovera divergent.
Boquilla convergent-divergent (CD)
Els motors capaços de vol supersònic tenen conductes d'escapament convergents-divergents per generar un flux supersònic. Els motors de coet, el cas extrem, deuen la seva forma distintiva a les relacions d'àrea molt elevades de les seves broquetes.
Quan la relació de pressió a través d'una broqueta convergent supera un valor crític, el flux s'obstrueix i, per tant, la pressió dels gasos d'escapament que surten del motor supera la pressió de l'aire circumdant i no pot disminuir a través de l'efecte Venturi convencional. Això redueix l'eficiència de producció d'empenta de la broqueta, ja que fa que gran part de l'expansió tingui lloc aigües avall de la pròpia broqueta. En conseqüència, els motors de coet i els motors de reacció per a vol supersònic incorporen una broqueta CD que permet una major expansió contra l'interior de la broqueta. Tanmateix, a diferència de la broqueta convergent-divergent fixa utilitzada en un motor de coet convencional, les dels motors turboreactor han de tenir una geometria variable pesada i costosa per fer front a la gran variació en la relació de pressió de la broqueta que es produeix amb velocitats des de subsòniques fins a més de Mach 3.
No obstant això, les boquilles de baixa relació d'àrea tenen aplicacions subsòniques.
Tipus de broquets
Boquilla d'àrea fixa
Els motors subsònics sense postcombustió tenen broquets d'una mida fixa perquè els canvis en el rendiment del motor amb l'altitud i les velocitats de vol subsòniques són acceptables amb un broquet fix. Aquest no és el cas a velocitats supersòniques, tal com es descriu per al Concorde a continuació.
Amb una baixa relació d'àrea
A l'altre extrem, alguns turbofans civils amb una alta relació de derivació controlen la línia de treball del ventilador mitjançant una tovera convergent-divergent amb una relació d'àrea extremadament baixa (inferior a 1,01) al corrent de derivació (o escapament mixt). A baixes velocitats de l'aire, aquesta configuració fa que la tovera actuï com si tingués una geometria variable, evitant que s'ofegui i permetent-li accelerar i desaccelerar els gasos d'escapament que s'acosten a la gola i la secció divergent, respectivament. En conseqüència, l'àrea de sortida de la tovera controla la coincidència del ventilador, que, en ser més gran que la gola, allunya lleugerament la línia de treball del ventilador de la sobrepressió. A velocitats de vol més altes, l'augment del pistó a l'entrada ofega la gola i fa que l'àrea de la tovera dicti la coincidència del ventilador; la tovera, en ser més petita que la sortida, fa que la gola empenyi lleugerament la línia de treball del ventilador cap a la sobrepressió. Tanmateix, això no és un problema, ja que el marge de sobrepressió d'un ventilador és molt més gran a altes velocitats de vol.
En coets (amb una alta relació d'àrea)
Els motors de coet també utilitzen broquets convergents-divergents, però normalment són de geometria fixa per minimitzar el pes. A causa de les altes relacions de pressió associades amb el vol dels coets, els broquets convergents-divergents dels motors de coet tenen una relació d'àrea (sortida/gola) molt més gran que els que s'instal·len en els motors de reacció.
Àrea variable per a la postcombustió
Els postcombustidors dels avions de combat requereixen una boquilla més gran per evitar afectar negativament el funcionament del motor. La boquilla del iris d'àrea variable consisteix en una sèrie de pètals mòbils i superposats amb una secció transversal de la boquilla gairebé circular i és convergent per controlar el funcionament del motor. Si l'aeronau ha de volar a velocitats supersòniques, la boquilla del postcombustidor pot anar seguida d'una boquilla divergent separada en una configuració de boquilla d'ejecció, com es mostra a continuació, o la geometria divergent es pot incorporar amb la boquilla del postcombustidor en la configuració de boquilla convergent-divergent de geometria variable, com es mostra a continuació.
Els primers postcombustidors estaven encesos o apagats i utilitzaven una boquilla de doble posició, o de parpella, que només donava una zona disponible per a l'ús de la postcombustió.
Ejector
L'ejector fa referència a l'acció de bombament dels gasos d'escapament del motor, molt calents i d'alta velocitat, que arrosseguen (expulsen) un flux d'aire circumdant que, juntament amb la geometria interna de la boquilla secundària o divergent, controla l'expansió dels gasos d'escapament del motor. A velocitats subsòniques, el flux d'aire constreny els gasos d'escapament a una forma convergent. Quan es selecciona la postcombustió i l'avió accelera, les dues boquilles es dilaten, cosa que permet que els gasos d'escapament formin una forma convergent-divergent, accelerant els gasos d'escapament més enllà de Mach. 1. Les instal·lacions de motors més complexes utilitzen un flux d'aire terciari per reduir l'àrea de sortida a baixes velocitats. Els avantatges de la boquilla d'ejecció són la relativa simplicitat i fiabilitat en els casos en què els flaps de la boquilla secundària es posicionen mitjançant forces de pressió. La boquilla d'ejecció també pot utilitzar aire que ha estat ingerit per l'admissió però que el motor no necessita. La quantitat d'aquest aire varia significativament al llarg de l'envolupant de vol i les boquilles d'ejecció són molt adequades per adaptar el flux d'aire entre el sistema d'admissió i el motor. L'ús eficient d'aquest aire a la boquilla era un requisit principal per als avions que havien de navegar de manera eficient a altes velocitats supersòniques durant períodes prolongats, d'aquí el seu ús en l'SR-71, el Concorde i el XB-70 Valkyrie.
Un exemple senzill de broquet d'ejecció és la coberta cilíndrica de geometria fixa que envolta el broquet de postcombustió a la instal·lació J85 del T-38 Talon.[5] Més complexes van ser les disposicions utilitzades per a les instal·lacions J58 (SR-71) i TF-30 (F-111). Ambdues utilitzaven portes d'entrada terciàries (obertes a velocitats més baixes) i flaps superposats flotants per a un broquet final. Tant les portes d'entrada com els flaps dels broquets finals es posicionen mitjançant un equilibri entre la pressió interna de l'escapament del motor i la pressió externa del camp de flux de l'aeronau.
En les primeres instal·lacions del J79 (F-104, F-4, A-5 Vigilante), l'accionament de la tovera secundària estava connectat mecànicament a la tovera del postcombustidor. En instal·lacions posteriors, la tovera final s'accionava mecànicament per separat de la tovera del postcombustidor. Això va millorar l'eficiència (millor coincidència entre l'àrea de sortida primària/secundària i el requisit d'un nombre de Mach elevat) a Mach. 2 (B-58 Hustler) i Mach 3 (XB-70).
Geometria variable convergent-divergent
Les instal·lacions de turbofans que no requereixen un flux d'aire secundari que sigui bombat per l'escapament del motor utilitzen la boquilla CD de geometria variable. Aquests motors no requereixen l'aire de refrigeració extern que necessiten els turboreactors (carcassa calenta del postcombustidor).
La boquilla divergent pot ser una part integral del pètal de la boquilla de postcombustió, una extensió angular després de la gola. Els pètals viatgen al llarg de vies corbes i la translació axial i la rotació simultània augmenten l'àrea de la gola per a la postcombustió, mentre que la part posterior esdevé una divergència amb una àrea de sortida més gran per a una expansió més completa a velocitats més altes. Un exemple és el TF-30 (F-14).
Els pètals primaris i secundaris poden estar articulats i accionats pel mateix mecanisme per proporcionar control de la postcombustió i una alta expansió de la relació de pressió de la boquilla com a l'EJ200 (Eurofighter). Altres exemples es troben a l'F-15, F-16 i B-1B.
Característiques addicionals
Vectorització d'empenta
Les boquilles per a l'empenta vectorial inclouen la Bristol Siddeley Pegasus de geometria fixa i la F119 (F-22) de geometria variable.
Inversió d'empenta
Els inversors d'empenta d'alguns motors estan incorporats a la mateixa broqueta i es coneixen com a inversors d'empenta de destí. La broqueta s'obre en dues meitats que s'uneixen per redirigir parcialment el gas d'escapament cap endavant. Com que la zona de la broqueta influeix en el funcionament del motor, l'inversor d'empenta desplegat ha d'estar espaiat a la distància correcta del tub d'injecció per evitar canvis en els límits de funcionament del motor. Es troben exemples d'inversors d'empenta de destí al Fokker 100, Gulfstream IV i Dassault F7X.
Reducció de soroll
El soroll del jet es pot reduir afegint elements a la sortida de la boquilla que augmentin la superfície del jet cilíndric. Els turboreactors comercials i els primers motors de derivació solen dividir el jet en múltiples lòbuls. Els turbofans moderns d'alta derivació tenen serradures triangulars, anomenades chevrons, que sobresurten lleugerament dins del jet
Més temes
L'altra finalitat de la boquilla propulsora
La boquilla, en virtut de fixar la contrapressió, actua com un restrictor aigües avall del compressor i, per tant, determina què entra a la part frontal del motor. Comparteix aquesta funció amb l'altre restrictor aigües avall, la boquilla de la turbina. Les àrees tant de la boquilla propulsora com de la boquilla de la turbina fixen el flux màssic a través del motor i la pressió màxima. Mentre que ambdues àrees són fixes en molts motors (és a dir, aquells amb una boquilla propulsora fixa simple), d'altres, sobretot els que tenen postcombustió, tenen una boquilla propulsora d'àrea variable. Aquesta variació d'àrea és necessària per contenir l'efecte pertorbador sobre el motor de les altes temperatures de combustió al tub de reacció, tot i que l'àrea també es pot variar durant el funcionament sense postcombustió per alterar el rendiment de bombament del compressor a configuracions d'empenta més baixes.[6]
Per exemple, si es retirés la tovera propulsora per convertir un turboreactor en un turboeix, el paper que juga la zona de la tovera ara el pren la zona dels àleps guia o estators de la tovera de la turbina de potència.
Raons per la sobreexpansió de la boquilla de CD i exemples
La sobreexpansió es produeix quan l'àrea de sortida és massa gran en relació amb la mida de la boquilla del postcombustidor, o primària. Això va ocórrer en determinades condicions a la instal·lació J85 del T-38. La boquilla secundària o final tenia una geometria fixa de mida per a la carcassa màxima del postcombustidor. En configuracions d'empenta sense postcombustidor, l'àrea de sortida era massa gran per a la boquilla del motor tancada, cosa que provocava una sobreexpansió. Es van afegir portes flotants a l'ejector que permetien que l'aire secundari controlés l'expansió del jet primari.[7]
Raons per la subexpansió del broquet de CD i exemples
Per a una expansió completa a la pressió ambient, i per tant, a l'empenta o eficiència màxima de la broqueta, la relació d'àrea requerida augmenta amb el nombre de Mach de vol. Si la divergència és massa curta, donant una àrea de sortida massa petita, l'escapament no s'expandirà a la pressió ambient a la broqueta i es perdrà potencial d'empenta Amb l'augment del nombre de Mach, pot arribar un punt en què l'àrea de sortida de la broqueta sigui tan gran com el diàmetre de la góndola del motor o el diàmetre de la part posterior de l'avió. Més enllà d'aquest punt, el diàmetre de la broqueta esdevé el diàmetre més gran i comença a incórrer en una resistència creixent. Per tant, les broquetes estan limitades a la mida de la instal·lació i la pèrdua d'empenta que es produeix és un compromís amb altres consideracions com ara una menor resistència i menys pes.
Exemples són l'F-16 a Mach 2.0 i l'XB-70 a Mach 3.0.
Una altra consideració pot estar relacionada amb el flux de refrigeració requerit per la boquilla. Les aletes o pètals divergents s'han d'aïllar de la temperatura de la flama del postcombustidor, que pot ser de l'ordre de 3,600 °F (1,980 °C), per una capa d'aire de refrigeració. Una divergència més llarga significa més àrea a refredar. La pèrdua d'empenta per expansió incompleta es compensa amb els beneficis d'un menor flux de refrigeració. Això s'aplica a la boquilla TF-30 de l'F-14A, on la relació d'àrea ideal a Mach 2.4 estava limitat a un valor inferior.
Quant val afegir una secció divergent en termes reals?
Una secció divergent proporciona una velocitat d'escapament addicional i, per tant, empenyiment a velocitats de vol supersòniques.
L'efecte d'afegir una secció divergent es va demostrar amb la primera boquilla CD de Pratt & Whitney. La boquilla convergent es va substituir per una boquilla CD al mateix motor J57 del mateix avió F-101. L'augment de l'empenta de la boquilla CD ( 2,000 lb, 910 kg a l'enlairament a nivell del mar) en aquest motor va augmentar la velocitat de Mach d'1,6 a gairebé 2,0, permetent a la Força Aèria establir un rècord mundial de velocitat d' 1,207.6 mph (1,943.4 km/h) que estava just per sota de Mach 2 per la temperatura d'aquell dia. El veritable valor de la boquilla del CD no es va comprendre a l'F-101, ja que l'admissió no es va modificar per a les velocitats més altes assolibles.[8]
Un altre exemple va ser la substitució d'una boquilla convergent per una de CD al YF-106/P&W J75 quan no va arribar del tot a Mach. 2. Juntament amb la introducció de la boquilla CD, es va redissenyar l'entrada. Posteriorment, la USAF va establir un rècord mundial de velocitat amb l'F-106 de 1526. mph (Mach 2.43).[9]
Control de la zona del broquet durant el funcionament en sec
Alguns dels primers motors de reacció que no estaven equipats amb postcombustió, com el BMW 003 i el Jumo 004 (que tenien un disseny), tenien una tovera d'àrea variable formada per un tap de translació conegut com a Zwiebel [ceba silvestre] per la seva forma. El Jumo 004 tenia una àrea gran per a l'arrencada per evitar el sobreescalfament de la turbina i una àrea més petita per a l'enlairament i el vol per donar una velocitat d'escapament i un impuls més elevats. El Zwiebel del 004 posseïa un 40 cm (16 in) rang de desplaçament endavant/enrere per variar l'àrea de la boquilla d'escapament, accionat per un mecanisme accionat per motor elèctric dins de l'àrea divergent del cos just darrere de la turbina.
Els motors equipats amb postcombustió també poden obrir la boquilla per arrencar i al ralentí. L'empenta al ralentí es redueix, cosa que disminueix les velocitats de rodatge i el desgast dels frens. Aquesta característica del motor J75 de l'F-106 s'anomenava "Control d'empenta al ralentí" i reduïa l'empenta al ralentí en un 40%. En els portaavions, una empenta al ralentí més baixa redueix els perills de l'explosió del reacció.
En algunes aplicacions, com ara la instal·lació del J79 en diverses aeronaus, durant els avenços ràpids de l'accelerador, es pot evitar que la zona de la boquilla es tanqui més enllà d'un cert punt per permetre un augment més ràpid de les RPM i, per tant, un temps més ràpid per assolir l'empenta màxima.
En el cas d'un turborreactor de 2 carrets, com l'Olympus 593 del Concorde, l'àrea de la boquilla es pot variar per permetre l'assoliment simultani de la velocitat màxima del compressor a baixa pressió i la temperatura màxima d'entrada de la turbina en l'ampli rang de temperatures d'entrada del motor que es produeix amb velocitats de vol de fins a Mach 2.
En alguns turbofans augmentats, la línia de funcionament del ventilador es controla amb l'àrea de la boquilla tant durant el funcionament en sec com en humit per intercanviar l'excés de marge de sobrepressió per més empenyiment.
Control de la superfície del broquet durant el funcionament en humit
L'àrea de la boquilla s'augmenta durant el funcionament del postcombustidor per limitar els efectes aigües amunt sobre el motor. Per fer funcionar un turbofan per donar el màxim flux d'aire (empenta), l'àrea de la boquilla es pot controlar per mantenir la línia de funcionament del ventilador en la seva posició òptima. Perquè un turboreactor doni l'empenta màxima, l'àrea es pot controlar per mantenir la temperatura d'escapament de la turbina al seu límit.
Què passa si la boquilla no s'obre quan es selecciona el postcombustidor?
En les primeres instal·lacions de postcombustidor, el pilot havia de comprovar l'indicador de posició de la boquilla després de seleccionar el postcombustidor. Si la boquilla no s'obria per alguna raó i el pilot no reaccionava cancel·lant la selecció del postcombustidor, els controls típics d'aquella època (per exemple, el J47 de l'F-86L) podien fer que les pales de la turbina s'escalfessin i fallessin.[10]
Referències
- ↑ «Propelling Nozzle - an overview | ScienceDirect Topics» (en anglès). [Consulta: 9 febrer 2026].
- ↑ uengineeriablog. «Propelling Nozzle» (en anglès), 27-11-2015. [Consulta: 9 febrer 2026].
- ↑ «What Is a Propelling Nozzle on Airplanes? | Blog- Monroe Aerospace» (en anglès americà). [Consulta: 9 febrer 2026].
- ↑ "Jet Propulsion" Nicholas Cumpsty, ISBN 0 521 59674 2, p144
- ↑ "J85 Rejuvenation Through Technology Insertion" Brisken, Howell, Ewing, G.E.Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio, OH45215, USA
- ↑ "Jet Propulsion" Nicholas Cumpsty, ISBN 0 521 59674 2, p144
- ↑ "J85 Rejuvenation Through Technology Insertion" Brisken, Howell, Ewing, G.E.Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio, OH45215, USA
- ↑ "Test Pilot" edited by Harry Schmidt, "Mach 2 Books" Shelton CT 06484
- ↑ "Test Pilot" edited by Harry Schmidt, "Mach 2 Books" Shelton CT 06484
- ↑ Kudo, Akihiko; Miseki, Yugo Chem. Soc. Rev., 38, 1, 2009, p. 253–278. DOI: 10.1039/b800489g. PMID: 19088977.