Generador de vórtices

Un generador de vórtices ( VG ) es un dispositivo aerodinámico que consiste en una pequeña aleta generalmente unida a una superficie sustentadora (o perfil aerodinámico , como el ala de un avión ) ^{[ 1 ]} o a una pala de rotor de una turbina eólica . ^{[ 2 ]} Los VG también pueden unirse a alguna parte de un vehículo aerodinámico, como el fuselaje de un avión o un automóvil. Cuando el perfil aerodinámico o el cuerpo se mueve con respecto al aire, el VG crea un vórtice [ ^{1 ] [ 3 ] que} , al eliminar parte de la capa límite de movimiento lento en contacto con la superficie del perfil aerodinámico, retrasa la separación del flujo local y la entrada en pérdida aerodinámica , mejorando así la efectividad de las alas y las superficies de control , como flaps , elevadores , alerones y timones . ^{[ 3 ]}

Los generadores de vórtices se utilizan con mayor frecuencia para retrasar la separación del flujo . Para lograr esto, a menudo se colocan en las superficies externas de los vehículos ^{[ 4 ]} y las palas de las turbinas eólicas. Tanto en las aeronaves como en las palas de las turbinas eólicas, generalmente se instalan bastante cerca del borde de ataque del perfil aerodinámico para mantener un flujo de aire constante sobre las superficies de control en el borde de salida. ^{[ 3 ]} Los VG suelen ser rectangulares o triangulares, aproximadamente tan altos como la capa límite local , y se extienden en líneas transversales, generalmente cerca de la parte más gruesa del ala. ^{[ 1 ]} Se pueden ver en las alas y las colas verticales de muchos aviones comerciales .

Los generadores de vórtices se colocan oblicuamente de manera que tengan un ángulo de ataque con respecto al flujo de aire local ^{[ 1 ]} para crear un vórtice en la punta que atrae aire exterior energético y de rápido movimiento hacia la capa límite de movimiento lento en contacto con la superficie. Una capa límite turbulenta tiene menos probabilidades de separarse que una laminar y, por lo tanto, es deseable para garantizar la eficacia de las superficies de control del borde de salida. Los generadores de vórtices se utilizan para desencadenar esta transición. Otros dispositivos, como los vortilones , las extensiones del borde de ataque y los manguitos del borde de ataque ^{[ 5 ]} , también retrasan la separación del flujo en ángulos de ataque elevados al reenergizar la capa límite. ^{[ 1 ] [ 3 ]}

Algunos ejemplos de aeronaves que utilizan generadores de vórtices son el ST Aerospace A-4SU Super Skyhawk y el Symphony SA-160 . En los diseños transónicos de ala en flecha, los generadores de vórtices mitigan los posibles problemas de entrada en pérdida por choque (por ejemplo, Harrier , Blackburn Buccaneer , Gloster Javelin ).

Muchas aeronaves incorporan generadores de vórtices de paletas desde su fabricación, pero también existen proveedores de posventa que venden kits de VG para mejorar el rendimiento STOL de algunas aeronaves ligeras. ^{[ 6 ]} Los proveedores de posventa afirman (i) que los VG reducen la velocidad de pérdida y las velocidades de despegue y aterrizaje, y (ii) que los VG aumentan la eficacia de los alerones, elevadores y timones, mejorando así la controlabilidad y la seguridad a bajas velocidades. ^{[ 7 ]} Para aviones de construcción casera y experimentales , los VG son económicos, rentables y se pueden instalar rápidamente; pero para instalaciones en aeronaves certificadas, los costos de certificación pueden ser elevados, lo que convierte la modificación en un proceso relativamente costoso. ^{[ 6 ] [ 8 ]}

Los propietarios instalan generadores de vórtices (VG) de posventa principalmente para obtener beneficios a bajas velocidades, pero una desventaja es que dichos VG pueden reducir ligeramente la velocidad de crucero. En pruebas realizadas en un Cessna 182 y un Piper PA-28-235 Cherokee , revisores independientes han documentado una pérdida de velocidad de crucero de 1,5 a 2,0 nudos (2,8 a 3,7 km/h) . Sin embargo, estas pérdidas son relativamente menores, ya que el ala de un avión a alta velocidad tiene un ángulo de ataque pequeño, lo que reduce la resistencia del VG al mínimo. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}  

Los propietarios han informado que, en tierra, puede ser más difícil eliminar la nieve y el hielo de las superficies de las alas con generadores de vórtices (VG) que de un ala lisa, pero los VG generalmente no son propensos a la formación de hielo en vuelo, ya que se encuentran dentro de la capa límite del flujo de aire. Los VG también pueden tener bordes afilados que pueden rasgar la tela de las cubiertas del fuselaje y, por lo tanto, pueden requerir la fabricación de cubiertas especiales. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Para aeronaves bimotores, los fabricantes afirman que los generadores de vórtices reducen la velocidad de control de un solo motor ( Vmca ), aumentan el peso bruto y el combustible cero, mejoran la efectividad de los alerones y el timón, proporcionan un vuelo más suave en turbulencias y hacen de la aeronave una plataforma de instrumentos más estable. ^{[ 6 ]}

Algunos kits VG disponibles para aviones bimotores ligeros pueden permitir un aumento en el peso máximo de despegue . ^{[ 6 ]} El peso máximo de despegue de un avión bimotor está determinado por los requisitos estructurales y los requisitos de rendimiento de ascenso con un solo motor (que son menores para una velocidad de pérdida menor). Para muchos aviones bimotores ligeros, los requisitos de rendimiento de ascenso con un solo motor determinan un peso máximo menor en lugar de los requisitos estructurales. En consecuencia, cualquier cosa que se pueda hacer para mejorar el rendimiento de ascenso con un solo motor inoperativo producirá un aumento en el peso máximo de despegue. ^{[ 8 ]}

En los EE. UU. desde 1945 ^{[ 11 ]} hasta 1991, ^{[ 12 ]} el requisito de ascenso con un motor inoperativo para aviones multimotor con un peso máximo de despegue de 6000 lb (2700 kg) o menos era el siguiente:  

Todos los aviones multimotor que tienen una velocidad de pérdida${\displaystyle V_{s0}}$superior a 70 millas por hora deberá tener una tasa de ascenso constante de al menos${\displaystyle 0.02(V_{s0})^{2}}$en pies por minuto a una altitud de 5000 pies con el motor crítico inoperativo y los motores restantes funcionando a no más de la potencia continua máxima, la hélice inoperativa en la posición de mínima resistencia, el tren de aterrizaje retraído, los flaps de las alas en la posición más favorable…

dónde${\displaystyle V_{s0}}$es la velocidad de pérdida en la configuración de aterrizaje en millas por hora.

La instalación de generadores de vórtices suele producir una ligera reducción en la velocidad de pérdida de un avión ^{[ 4 ]} y, por lo tanto, reduce el rendimiento de ascenso requerido con un motor inoperativo. La menor exigencia de rendimiento de ascenso permite un aumento en el peso máximo de despegue, al menos hasta el peso máximo permitido por los requisitos estructurales. ^{[ 8 ]} Un aumento en el peso máximo permitido por los requisitos estructurales generalmente se puede lograr especificando un peso máximo sin combustible o, si ya se especifica un peso máximo sin combustible como una de las limitaciones del avión, especificando un nuevo peso máximo sin combustible más alto. ^{[ 8 ]} Por estas razones, los kits de generadores de vórtices para muchos aviones ligeros bimotores vienen acompañados de una reducción en el peso máximo sin combustible y un aumento en el peso máximo de despegue. ^{[ 8 ]}

El requisito de velocidad de ascenso con un motor inoperativo no se aplica a los aviones monomotor, por lo que las ganancias en el peso máximo de despegue (basadas en la velocidad de pérdida o consideraciones estructurales) son menos significativas en comparación con las de los aviones bimotores de 1945 a 1991.

Después de 1991, los requisitos de certificación de aeronavegabilidad en los EE. UU. especifican el requisito de ascenso con un motor inoperativo como un gradiente independiente de la velocidad de pérdida, por lo que hay menos oportunidad para que los generadores de vórtices aumenten el peso máximo de despegue de los aviones multimotor cuya base de certificación es FAR 23 en la enmienda 23-42 o posterior. ^{[ 12 ]}

Dado que el peso de aterrizaje de la mayoría de las aeronaves ligeras se determina por consideraciones estructurales y no por la velocidad de pérdida, la mayoría de los kits VG solo aumentan el peso de despegue y no el de aterrizaje. Cualquier aumento en el peso de aterrizaje requeriría modificaciones estructurales o volver a probar la aeronave con el mayor peso de aterrizaje para demostrar que aún se cumplen los requisitos de certificación. ^{[ 8 ]} Sin embargo, después de un vuelo prolongado, es posible que se haya consumido suficiente combustible, lo que haría que la aeronave volviera a estar por debajo del peso máximo de aterrizaje permitido.

Se han utilizado generadores de vórtices en la parte inferior de las alas de los aviones de la familia Airbus A320  para reducir el ruido generado por el flujo de aire sobre las rejillas de ecualización de presión circulares de los depósitos de combustible. Lufthansa afirma que de este modo se puede lograr una reducción del ruido de hasta 2 dB. ^{[ 13 ]}

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• Generadores de vórtices: 50 años de beneficios en el rendimiento , una historia de los VG.