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.
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.
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.
Les boquilles propulsores també actuen com a restrictors aigües avall, les conseqüències dels quals constitueixen un aspecte important del disseny del motor."Jet Propulsion" Nicholas Cumpsty, , p144
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 miniatura|Boquilla d'escapament variable, al turbofan de baixa derivació GE F404-400 instal·lat en un Boeing F/A-18 Hornet.
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) miniatura|Boquilla de coet a la V2. 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."J85 Rejuvenation Through Technology Insertion" Brisken, Howell, Ewing, G.E.Aircraft Engines, Cincinnati, Ohio, OH45215, USA 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 Mach3 (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).