Descripción breve

Una boquilla De Laval (o boquilla convergente-divergente) es un tubo estrechado en el centro con forma de reloj de arena. Acelera un gas caliente a presión que fluye a través de ella hasta alcanzar velocidades supersónicas, convirtiendo la energía térmica y de presión en energía cinética direccional.

Uso / Función

• Turbinas de vapor: Dirigir chorros de vapor de alta velocidad sobre los álabes de la turbina para maximizar la potencia mecánica.
• Propulsión de cohetes: Acelerar los gases de escape a altas velocidades supersónicas para generar empuje hacia adelante.
• Eyectores supersónicos y bombas de chorro: Crear succión intensa o vacío elevado en procesos químicos e industriales.
• Escala: Desde pequeños eyectores de laboratorio hasta masivas toberas de cohetes industriales.

Principio de funcionamiento

La boquilla funciona aprovechando las propiedades termodinámicas y de dinámica de gases de fluidos compresibles al pasar de régimen subsónico a supersónico.

1. Sección convergente: El gas subsónico entra por el extremo ancho. A medida que la sección transversal disminuye hacia la garganta, el gas se acelera mientras su presión y temperatura disminuyen.
2. Garganta: En el punto más estrecho (la garganta), si la relación de presión es suficiente, el gas alcanza la velocidad del sonido (Mach 1).
3. Sección divergente: A partir de la garganta, a medida que la sección transversal se expande, el gas compresible supersónico continúa acelerándose en lugar de frenarse, alcanzando velocidades supersónicas (Mach > 1).
4. Conversión de energía: La energía térmica y de presión del recipiente de alta presión se convierte eficientemente en energía cinética de salida.

Cómo crearlo

1. Calcular dimensiones: Determinar el área de la garganta y la relación del área de salida en función de la presión de entrada disponible y la relación de presión objetivo.
2. Mecanizado del perfil interno: Tornear un cilindro de latón, bronce o acero resistente al calor en un torno, mandrinando un cono convergente suave (unos 20° de ángulo total) hasta el diámetro exacto calculado para la garganta.
3. Mandrinado del cono divergente: Mecanizar un cono de salida que se expanda gradualmente (típicamente entre 10° y 12° de ángulo total) desde la garganta hasta la boca de salida para evitar la separación del flujo.
4. Pulido: Pulir las paredes internas hasta dejarlas a espejo con abrasivos finos para eliminar rugosidades que causen turbulencias o ondas de choque internas.
5. Montaje: Enroscar o acoplar mediante bridas la entrada ancha a una cámara de gas a presión o caldera de vapor.

Materiales necesarios

• Materiales esenciales:
  • Acero o Acero inoxidable: Alta resistencia y tolerancia térmica para toberas de vapor o gases de combustión.
  • Latón o Cobre: Alta conductividad térmica y fácil mecanizado para toberas de ensayo con aire comprimido.
• Herramientas:
  • Torno o Torno para roscar: Para mandrinado y torneado cónico interno preciso.
  • Calibrador o Pie de rey: Para verificar los diámetros de garganta y salida.
• Posibles sustitutos:
  • Madera dura densa o resina epoxi: Aceptables para demostraciones con gas frío o baja presión.

Variantes y mejoras

• Tobera cónica: Diseño simple de paredes cónicas rectas; fácil de fabricar pero ligeramente menos eficiente debido a la divergencia radial del gas a la salida.
• Tobera de campana (parabólica): Contorno curvo que redirige el gas de forma paralela al eje central, reduciendo la longitud y maximizando el empuje axial.
• Tobera aerospike: Tobera con compensación de altitud que mantiene alta eficiencia a diferentes presiones atmosféricas.

Límites y riesgos

• Sobreexpansión y subexpansión: Operar a presiones ambientales distintas a las de diseño genera pérdidas de eficiencia y ondas de choque internas.
• Estrés térmico y erosión: El flujo de gas a alta temperatura puede derretir o erosionar la estrecha zona de la garganta, destruyendo la geometría de la boquilla.
• Requisito de presión: El flujo supersónico requiere una relación de presión crítica (presión de entrada aproximadamente el doble de la ambiental); de lo contrario, el flujo permanece subsónico.