Octubre 19 2017 14:46 pm

Encuesta

¿Qué material eligirías para una tobera en tu futuro proyecto de cohete?

Yeso
0 (0%)
Escayola
0 (0%)
Masilla epoxi
1 (5.6%)
Cerámica
5 (27.8%)
Arcilla (Sin cocer)
4 (22.2%)
Madera dura
0 (0%)
Otro tipo de masilla
0 (0%)
Cemento
7 (38.9%)
Acero
1 (5.6%)
Otro metal
0 (0%)

Total de votos: 18

Votación cerrada: Abril 27 2009 14:47 pm

Autor Tema: TOBERAS  (Leído 48138 veces)

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TOBERAS
« en: Noviembre 26 2007 20:20 pm »
CONCEPTO:

Una tobera De Laval es un inyector de flujo supersónico que acelera la velocidad del fluido que la recorre a una velocidad superior a la del sonido, si la diferencia de presiones entre el interior y el exterior lo permite.

La tobera consta de una sección cónica convergente y otra divergente. Ambas secciones están comunicadas por un orifico llamado "garganta". El ángulo total del cono convergente se establece en unos 90º y el divergente en unos 30º.

La superficie de la garganta determina el comportamiento del reactor en cuanto a tiempo de empuje, presión de trabajo y fuerza de reacción.

Los cohetes suelen montar en la última sección del reactor una tobera de este tipo con objeto de acelerar aun más los gases de salida.

Una mayor velocidad de los gases produce un mayor empuje de reacción debido a la conservación de la cantidad de movimiento. La energía suplementaria adquirida se "extrae" de la temperatura de los gases que atraviesan la tobera, los cuales se enfrian al expandirse.

Los gases compactados en la sección convergente, sufren una expansión y una transformación consecuente de temperatura y por tanto de energía térmica en cinética. (Principio de conservación de la energía).

Todo esto significa que obtenemos potencia impulsora adicional hasta doblar o triplicar la obtenida si no existiera una tobera De Laval.



CONSTRUCCIÓN:


Necesitamos decidirnos por un material para construir la tobera y después moldearla.  Para ello se realizan unos moldes si fuera necesario.

Los materiales blandos como; cemento, yeso, masillas y otros, necesitan incorporar arandelas en la garganta o estrechamiento central para prevenir la erosión y consiguiente aumento de su diámetro.

Para confeccionar los moldes podemos servirnos de cartón, con el que realizaremos formas cónicas sólidas para moldear los conos convergente y divergente.


Realización de los conos de papel que formarán los moldes



Moldes de resina epoxi formados a partir de formas cónicas de papel



Los conos sólidos de masilla epoxi, los usaremos sobre el material blando que formará la tobera.



Aplicación del molde para formar el cono convergente



La arcilla queda moldeada por el cilindro exterior y por los conos.



A los pocos días, la arcilla se retrae al secarse y la retiraremos del molde



Tobera cerámica lista para su cocción



También se puede moldear por vertido de resina epoxi con ayuda de conos de papel



Molde cónico de papel rodeado de resina epoxi



TOBERAS DE CEMENTO:

Una forma clásica de realizar una tobera es mediante moldeo de cemento de anclaje.

Los moldes se deben sellar provisionalmente con silicona mientras se vierte el cemento para que este no filtre al otro lado.

El cemento de anclaje se vierte en el interior del tubo en presencia de uno de los moldes cónicos. Posteriormente se colocan las arandelas centrales y se termina de verter el cemento en presencia del molde restante.

Realizada esta operación, deben quedar las arandelas entre los dos conos negativos moldeados y el orificio que los une estará rodeado por estas.

En resumen. El cemento se vierte en dos fases formando sendos conos en cada una, quedando las arandelas atrapadas entre sus vértices.

Cuando se usa resina epoxi o materiales blandos, las arandelas deben ser sujetadas por los tornillos laterales para evitar que la tobera salga proyectada por la presión de los gases.



Tornillos de retención en una tobera



Preparación del cemento mezclándolo con agua fría (Para extender el tiempo de trabajo)



Molde cónico sellado con silicona y listo para el vertido del cemento



Tobera de cemento de anclaje terminada



Nótese la posición de la tobera y los tornillos que la retienen



RECOMENDACIONES:

Todas estas opciones son válidas cuando no tenemos acceso a que nos realicen la pieza en acero mediante torneado.

La transición entre el cono convergente y el divergente no debe tener bordes duros, sino contornos suaves para evitar las pérdidas por rozamientos.

La longitud del cono divergente debe ser tal que el área de la base de dicho cono sea unas 8 o 10 veces el área de la garganta.

Los ángulos de los conos convergente (90º) y divergente (30º), son aproximados y son válidos para cohetes de aficionado. Valores más exactos para mejorar el rendimiento, pueden obtenerse mediante programas de diseño para dinámica de fluidos.


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« última modificación: Diciembre 20 2007 18:24 pm por Salva »

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Re: TOBERAS
« Respuesta #1 en: Noviembre 26 2007 22:44 pm »
no me sorprende, las tengo muy vistas en tu pagina jeje pero como siempre increible
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Re: TOBERAS
« Respuesta #2 en: Noviembre 27 2007 00:56 am »
Yo estube investigando ese tema en muchos lado además de tu página, incluso estube estudiando algo de avionicas y aerodinámica para encontrar "el cono de ataque perfecto" pero no estoy ni cerca xD

Muy buen trabajo ^^


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Re: TOBERAS
« Respuesta #3 en: Noviembre 27 2007 17:45 pm »
que cono de ataque??? el donvergente o el divergente??? esque la forma en eque la pone salva es la que usa caso todo el mundo, una cosa
Citar
El ángulo total del cono convergente se establece en unos 45º y el divergente en unos 30º.
no serian 45 sobre la vertical de la garganta???
                  un saludo piromano88
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Re: TOBERAS
« Respuesta #4 en: Noviembre 27 2007 17:52 pm »
¡Cierto!

Menos mal que piromano88 está atento y me ha corregido.

Ha sido un error.  :llora:  El valor correcto del cono convergente es 90º en total. (45º a cada lado, tal como dices).

Lo he corregido ya. Disculpad el "gazapo".

Se recuerda a los Sres. "coheteros" que estos valores son aproximados pero funcionan aceptablemente bien en todos los casos.




He mandado a cocer la tobera de arcilla y me dicen que estará en dos días. Me cobran 50 céntimos de euro (está bien).

Esa pieza se insertará al final del tubo con resina o masilla epoxi y después se carga el propulsor, para terminar cerrando el tubo con el tapón.

También el tubo está cortado a 550 mm. Esta será la longitud total del reactor incluida la tobera cerámica, que se aloja en su interior.


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« última modificación: Noviembre 28 2007 22:26 pm por Salva »

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Re: TOBERAS
« Respuesta #5 en: Noviembre 27 2007 17:54 pm »
muchas horas hablando pero vamos que un error lo tiene cualquiera  :ok!: :ok!:
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Re: TOBERAS
« Respuesta #6 en: Noviembre 28 2007 16:16 pm »
Tengo una duda importante

Estoy buscando el material para las toberas y creo que tengo el ideal pero, ¿A qué temperatura estan sometidas las toberas durante el ascenso? Según la caja, mi material resiste altas temperaturas pero no se comporta muy bien a fuego directo T_T


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Re: TOBERAS
« Respuesta #7 en: Noviembre 28 2007 17:24 pm »
La tobera está sometida a una temperatura aproximada entre 1500ºC y 3500ºC, dependiendo del propulsor empleado.

Quienes emplean propulsores de alta potencia basados en el perclorato amónico como oxidante, necesitan materiales más sofisticados.

Es cierto que el tiempo expuesta al chorro de fuego es muy corto, dependiendo del tipo de cohete. Materiales como el grafito, la cerámica y el acero suelen aguantar bien.

Cuando no se dispone de materiales tan resistentes, se insertan arandelas de acero en el punto más delicado que es la "garganta".


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Re: TOBERAS
« Respuesta #8 en: Noviembre 28 2007 22:05 pm »
Someteré el material a pruebas de fuego directo, ya sea el propelente y un soplete xD


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Re: TOBERAS
« Respuesta #9 en: Noviembre 28 2007 23:52 pm »
ya di mi voto en la encuesta, supongo que mas adelante diras que material es el mejor,
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Re: TOBERAS
« Respuesta #10 en: Noviembre 28 2007 23:59 pm »
Claro. Esa es la idea.

Por cierto. Se aceptan propuestas de materiales que no estén en la lista.

Lógicamente el material deberá tener ciertas propiedades de dureza, resistencia al calor, etc.


Se incorporarán a la encuesta aquellos materiales sugeridos y aceptados por el sentido común.




La tobera cerámica ya está cocida. Su aspecto no ha cambiado visualmente pero la dureza es ahora muy elevada.

Ha sido pulida en aquellas partes internas por donde fluirán los gases y el diámetro de la garganta es ahora de 6 mm.

Las toberas cerámicas deben retocarse una vez cocidas. Durante el secado y la cocción, el material experimenta contracciones debidas a la pérdida de agua y a la fusión de ciertos compuestos que cambian de fase en el horno.

Es dificil predecir con exactitud el diámetro que tendrá la garganta una vez cocida la pieza, por lo que se debe hacer el orificio de menor tamaño que el calculado en el diseño SRM.

Con brocas de taladro se puede calibrar el diámetro final y con lijas o muelas se va agrandando el agujero hasta dar con la medida.


La arcilla es barata, fácil de modelar y de económica cocción


Cada arcilla tiene su coeficiente de contracción total (secado y horneado) y depende además de la temperatura de cocción.

Las arcillas rojas son las de menor variación y las porcelanas, las de mayor contracción.

La porcelana es muy indicada por su dureza (no la raya el acero) y alta resistencia térmica, pero requieren dos cocciones (bizcochado y vitrificado) y una técnica muy elaborada.

Se muestra el cono divergente y el orificio de la garganta


Los valores correspondientes a los ángulos totales de los conos convergente y divergente son, respectivamente, 90º y 30º.

La relación de expansión entre el área de la garganta y la base del cono divergente, tiene un valor aproximado de 9.

Al tratarse de una relación o cociente, es un valor adimensional. Se recomienda que este valor esté entre 8 y 10.


P.D. Se ha insertado una encuesta al principio de este tema.


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« última modificación: Diciembre 02 2007 12:52 pm por Salva »

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Re: TOBERAS
« Respuesta #11 en: Diciembre 07 2007 03:49 am »
Respecto a las toberas, ¿Es indispensable implementar el cono divergente en la tobera? Digo esto porque mi tobera de aluminio tiene un ángulo de 90º y es el cono convergente, el tema es que no tengo una solución práctica para agregarle el cono divergente de un material en extremo similar...

Una opción que tengo es usar uno de estos "pistones" que uso como tobera a modo de cono convergente y otra igual como cono divergente.

En definitiva, sería una tobera con cono convergente de 90º y cono divergente de 90º, homólogas, para ahorrar palabras.

¿Es una alternativa viable usar 2 conos homólogos?


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Re: TOBERAS
« Respuesta #12 en: Diciembre 08 2007 00:25 am »
Creo que Salva se saltó mi pregunta hoy xD


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Re: TOBERAS
« Respuesta #13 en: Diciembre 08 2007 00:28 am »
bueno soy un culocagado, pero bueno algo creo que te puedo ayudar, el cono divergente proyecta los gases a velocidad supersonica, con lo que podriamos decir que evacua mayor cantidad de gases que si no la tuebiese, es estricamente necesaria???, pues no, da una fuerza de empuje increible ??? pues si, con añadir unos gramos mas a la tobera se consigue un gran porcentaje de empuje, sin variar nada mas que eso, espero que te ayude, evidentemente Salva tiene que completar esto
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Re: TOBERAS
« Respuesta #14 en: Diciembre 08 2007 01:03 am »
Prácticamente está todo dicho por piromano88.

Es una pena renunciar a ese empuje extra que puede llegar a doblar al inicial.

El ángulo no puede ser tan grande, Morzan. Necesita estar entre 24º y 35º como límites máximos.

La explicación es compleja. Normalmente copiamos toberas que otros han diseñado y suelen ir bien.

Te sugiero la idea de la cerámica. Es barata y tiene infinitas posibilidades. La porcelana tiene una dureza superior a muchos aceros.


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Re: TOBERAS
« Respuesta #15 en: Diciembre 08 2007 02:21 am »
Mierda!

Pues bueno, creo que tendré que econtrar algun substituto...

Tal vez pueda crear el cono divergente con cerámica o poxilina.

Ahora se que la poxilina tiene resina epoxi y amina terciaria, al menos eso sale en la caja xD. El problema es que se erosiona y dilata un tanto, pero no creo que sea tanta la erosión como para afectar demasiado el cono... de cualquier manera, seguiré buscando la forma de complementar mi tobera de aluminio "prefabricada".

Como siempre, gracias Salva! y piromano88 ^^ pués este hombre se registró en el foro después de mi y mira como ha avanzado el tio! jajaja


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Re: TOBERAS
« Respuesta #16 en: Diciembre 11 2007 01:18 am »
Cuando se acerca la conclusión de un proyecto se hace necesario una serie de modificaciones porque la teoría no siempre se puede llevar literalmente a la realidad.

Como parte de las correcciones finales, la garganta de la tobera del Cormorán II ha pasado de 6 a 7 milímetros.

Este cambio ya se ha registrado en la simulación SRM y supone un segundo más de propulsión a cambio de una disminución de la fuerza de empuje.

Desde el punto de vista termodinámico es un empeoramiento del rendimiento pero algunos límites estructurales, como la resistencia del tubo, aconsejaban este cambio.

Un solo milímetro de aumento en el diámetro produce un aumento en el área de 10.21 mm cuadrados, lo que supone casi un 40% de incremento en el área inicial de la garganta.

Variaciones en la formulación de tres de los seis granos, también requerían de esta corrección, debido al aumento de la tasa de combustión al disminuir el porcentaje de aluminio del 3% al 0.5% en la mitad de los granos.

El aumento del tiempo de propulsión se debe a la disminución de la relación entre la superficie de combustión instantánea y la sección de la garganta. Como es sabido, este parámetro es el más importante de un cohete y se llama "Kn".

Todo el reactor y teoría de propulsión de un cohete se desarrolla en torno al "Kn".



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« última modificación: Diciembre 11 2007 12:40 pm por Salva »

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Re: TOBERAS
« Respuesta #17 en: Diciembre 20 2007 09:19 am »
no han escuchado de toberas hechas en piedra pomes (o pumita como quieras llamarle) y talladas en un torno?

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Re: TOBERAS
« Respuesta #18 en: Diciembre 20 2007 18:10 pm »
muy buenas. soy de tenerife, y cada vez que voy al teide tengo esa piedra en mis manos, incluso flota!!!!
no se si haz podido tenerla en las manos, pero es muy fragil, y no creo que soporte el chorro de aire caliente y el choque de presion que desprende un reactor, pero bueno, salva sabe mas de esto que yo
                            un saludo piromano88
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Re: TOBERAS
« Respuesta #19 en: Diciembre 20 2007 18:33 pm »
Lo único que se me ocurre para trabajar con la piedra pómez es impregnarla de algún tipo de resina o de cemento.

La naturaleza de este material no aporta ninguna de las características que se necesitan en una tobera.

Puede que sirva como base o esqueleto y no digo que no se use, aunque no tengo información al respecto.

En caso de usarse este material, debería insertarse en el medio las conocidas arandelas de acero. Para ello se necesitaría hacer dos mitades y unirlas posteriormente.


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