Boquilla de tapón

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 se utilizan en aeronaves, cohetes y muchos otros dispositivos de flujo de fluidos.

Las boquillas de gatillo para mangueras de jardín son un ejemplo sencillo de boquilla de tapón y su funcionamiento. En este caso, la boquilla consta de una abertura cónica o en forma de campana con un tapón en una varilla móvil situada delante de la boquilla. El tapón se parece a una válvula de asiento . El vástago de la válvula se extiende a través del cuerpo de la boquilla hasta un gatillo, normalmente una palanca larga que recorre la parte posterior del conjunto de la boquilla. Un resorte mantiene la válvula presionada contra la abertura durante el uso normal, proporcionando así un sistema de seguridad que interrumpe el flujo de agua cuando se suelta la boquilla.

Cuando se suministra agua a la manguera, fluye a través del cuerpo de la boquilla hasta la abertura, donde normalmente avanzaría en línea recta. Justo después de salir de la abertura, encuentra un tapón que desvía el agua lateralmente en ángulo. Tras recorrer una corta distancia, el agua choca contra la parte exterior de la boquilla, que la desvía de nuevo hacia adelante. Este proceso de dos pasos hace que el agua se expulse en forma de anillo, lo que reduce la cantidad de agua que llega a un mismo punto y, por lo tanto, disminuye la erosión, además de facilitar el riego de áreas más extensas.

La forma del tapón y la abertura de la boquilla permiten ajustar el ángulo del anillo. Normalmente, su forma permite que, al tirar del tapón hacia la abertura, se interrumpa parcialmente el flujo de agua y, al mismo tiempo, se extienda al máximo. Esto se puede utilizar para rociar las plantas. Al presionar el gatillo más hacia abajo, el tapón se aleja de la abertura, reduciendo la obstrucción y la interrupción del flujo, lo que permite que el agua vuelva a formar un chorro.

Las boquillas de tapón pertenecen a una clase de boquillas compensadoras de altitud , muy parecidas a las aerospike , que, a diferencia de los diseños tradicionales, mantienen su eficiencia en un amplio rango de altitudes. ^{[ 1 ]}

De forma similar al ejemplo de la manguera de jardín, las boquillas de tapón utilizan una boquilla de cohete con forma de válvula para modificar el patrón de escape del cohete. Esto se utiliza para compensar los cambios de altitud; a menor altitud, el tapón se retrae para dispersar el escape, mientras que a mayor altitud, la menor presión atmosférica provoca que esto ocurra de forma natural. Una construcción alternativa para el mismo concepto básico consiste en utilizar dos boquillas, una dentro de la otra, y ajustar la distancia entre ellas. Este diseño ofrece la ventaja de un mejor control del escape y una refrigeración más sencilla.

Resulta confuso que el término «boquilla de tapón» también se utilice para referirse a una clase completamente diferente de boquillas de motor: las aerospikes. En teoría, la aerospike debería tener una forma similar a la de una lanza , con una base ancha y una punta larga y cónica. Sin embargo, la parte de la punta se puede cortar con escaso impacto en el rendimiento, dejando solo la base. Esto se parece mucho a un tapón de drenaje común , lo que explica el uso generalizado del término «boquilla de tapón» para este diseño.

La tobera de tapón de motor a reacción tiene sus orígenes en la cohetería ^{[ 2 ]} , pero también se ha estudiado a lo largo de los años, aunque no se ha utilizado, para aeronaves de crucero supersónicas como el Boeing SST, ^{[ 3 ]} el motor de ciclo variable propuesto por General Electric , con su tobera de tapón acústica, ^{[ 4 ]} y el Concorde. Sin embargo, se utilizó para el misil AGM-28 Hound Dog y el avión de pasajeros Tu-144. La tobera de tapón/"expansión externa" tiene un tapón central y un chorro supersónico de expansión libre en lugar de una superficie de cono divergente para contener la expansión supersónica interna como en una tobera convergente-divergente (con-di) de Delaval. El motor de avión Pratt & Whitney J52 utilizado en el misil supersónico AGM-28 Hound Dog utilizó una tobera de tapón que tuvo un mejor desempeño en la envolvente de vuelo del misil que una tobera convergente o una con-di. ^{[ 5 ]} Se utilizó un cuerpo central traslacional en el motor Kolesov RD-36-51 A sin postcombustión utilizado para el avión supersónico Tupolev Tu-144 D. El cuerpo central estaba perforado y el aire comprimido era forzado al 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 tapón de las aeronaves. ^{[ 7 ]} Un diseño de tobera de tapón evaluado en el Establecimiento Nacional de Turbinas de Gas ^{[ 8 ]} fue rechazado para el motor del Concorde debido a la penalización de peso de las características variables requeridas y las preocupaciones sobre la refrigeración adecuada del tapón durante la operación de recalentamiento. ^{[ 9 ]} Las pruebas de modelos de toberas de tapón han mostrado niveles de ruido reducidos en comparación con las toberas con-di 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 la línea de funcionamiento de un 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 en forma de "bala" con traslación longitudinal en el centro para cada diseño. Esto proporcionó control de área con una actuación relativamente simple y coincidió con la forma anular del escape de la turbina.

• Boquilla de campana
• Motor Aerospike
• Boquilla expansible

• Motor Aerospike , Jeff Scott, otoño de 1999. Este artículo ofrece una revisión exhaustiva de los diversos diseños de toberas compensadoras de altitud.