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Vortex Generators

         

Os vortex generators (geradores de vórtices) têm sido utilizados na maioria dos aviões comerciais. Observando com cuidado, pode-se ver geradores de vórtices instalados em pontos específicos em aviões da Boeing: por exemplo, no extradorso das asas e nas naceles dos motores dos 737 e 767 (vide figura abaixo). Esses dispositivos foram instalados em cada caso para melhorar as qualidades de vôo, mas cada caso é uma história a parte. Uma breve descrição sobre o que os geradores de vórtices fazem é necessária:

O que todos eles possuem em comum, é que eles atuam como pequenas asas, cada um criando sustentação perpendicular à sua própria superfície. Criando sustentação, eles induzem um vórtice que pode influenciar o escoamento do ar de duas formas distintas:

O vórtice interage com a camada limite na superfície da aeronave introduzindo ar com maior energia cinética das camadas superiores dentro da camada limite, que já perdeu bastante energia devido ao atrito com a superfície. A camada limite é reenergizada e assim os geradores de vórtices funcionam como retardadores do estol em pontos específicos onde são instalados. Os geradores de vórtices instalados nas asas do 737, do 757 e do 767 são aplicações que se utilizam desse fenômeno.
(O gerador de vórtex reduz a espessura da camada limite e retarda sua separação da superfície)

O vórtice é orientado pela colocação apropriada do gerador de vórtex de forma a redirecionar o fluxo de ar de modo que interações indesejáveis são evitadas. Com esse mecanismo, os geradores atuam como defletores de fluxo. Os grandes geradores de vórtices instalados nas naceles dos motores do 737-300 e dos 767 são exemplos desse tipo de aplicação.

Os geradores de vórtices têm sido usados para aumentar a velocidade de cruzeiro, melhorar o controle a baixas e altas velocidades, reduzir vibrações aerodinâmicas, etc. No casos dos Boeings 737, 757 e 767, os geradores de vórtex são empregados para melhorar a estabilidade longitudinal (pitch) em alta velocidade e para reduzir a velocidade de estol no pouso.

GERADORES DE VÓRTEX NAS ASAS DO B767:

Durante a fase inicial de projeto do 767, foram estabelecidos requerimentos mais rigorosos de estabilidade longitudinal. Especificamente, os novos requerimentos estabeleceram critérios de força nos comandos (stick force) vs fator carga (carga g) para manobras em ângulos de ataque acima do ângulo de intial buffet (pré-estol). Uma relação reduzida entre a força no manche e o fator carga nestas condições é algo comum em aviões de cauda baixa e asas enflexadas. Isso se deve ao fato da ponta da asa estolar antes da raiz, o que altera a estabilidade longitudinal e reduz a relação stick force x load factor.

Apesar da probabilidade da aeronave ser colocada nessa situação ser muito pequena, a história tem mostrado que perdas de controle em alta velocidade (jet upsets), seguidas por recuperações com alto fator carga ( muitos g`s) ocorrem com alguma freqüência em vôos comerciais.

Era o desejo da Boeing que seus novos requerimentos fossem cumpridos por meio de um bom projeto aerodinâmico, embora uma solução por meio de um sistema de controle artificial tenha sido cuidadosamente estudada. Essa última solução não era desejada pois traria mais custo e complexidade à aeronave.

Os testes iniciais em túnel de vento do 767 mostraram, como esperado, que a configuração com a melhor eficiência em cruzeiro teria características de estabilidade longitudinal similar às aeronaves anteriores e que não atenderiam aos novos requisitos.

Para uma maior eficiência, a asa é desenhada para produzir uma distribuição elíptica da sustentação em cruzeiro, como mostra a figura abaixo:

Essa distribuição da sustentação reduz o arrasto induzido pela sustentação e é obtida pela escolha apropriada de perfis e torsão da asa ao longo da envergadura. Numa asa enflexada, o maior aumento de sustentação com a variação do ângulo de ataque ocorre do meio para a ponta, como mostra a figura abaixo:

Isto ocorre porque o enflexamento faz com que essa seção da asa tenha um ângulo de ataque maior que a raiz devido à influência do upwash da raiz (a raiz cria no fluxo de ar um momento para cima que afeta o ângulo de ataque no resto da asa). A ponta, por sua vez, sofre influência do vórtice de ponta de asa, que reduz seu ângulo de ataque efetivo e por isso o coeficiente de sustentação nessa parte diminui rapidamente.

Outro fator importante é o fluxo transversal da camada limite (a camada limite se desloca da raiz para a ponta), que torna a asa mais suscetível à separação do fluxo (estol).

A perda de sustentação nas pontas das asas em ângulos de ataque elevados é a causa direta da redução da relação entre a força no manche e o fator carga em aviões com asas enflexadas. A conseqüência disso é que o manche torna-se excessivamente leve quando próximo ao estol, facilitando a perda de controle. Várias modificações no design foram estudadas como opções para cumprir os novos requerimentos:

Várias configurações com cauda em T foram estudadas para separar a cauda da influência do fluxo das asas.
A distribuição da sustentação ao longo da envergadura foi modificada pela torsão das asas para reduzir a sustentação nas pontas.
O perfil da raiz foi modificado de modo que esta estolasse antes das pontas.

Todas as opções acima resultaram num avião bem menos eficiente. Uma solução melhor era necessária, e os geradores de vórtices foram a solução. Os testes no túnel de vento foram bastante positivos porque foi comprovado que apenas uns poucos vórtices localizados na asa próximos à nacele do motor eram suficientes para obter as características desejadas.

Os testes de vôo com o protótipo sem os geradores de vórtices confirmaram os resultados iniciais do túnel de vento. Quando os geradores foram instalados, as características de força no manche no pré-estol) atingiram os requerimentos de projeto. Os vórtices ainda aumentaram a intensidade do buffet (trepidação do pré-estol), melhorando o aviso ao piloto conforme este puxa o manche próximo ao estol. O melhor de tudo é que esta solução requer apenas sete pequenos geradores de vórtices em cada asa, cujo peso e arrasto são desprezíveis.

VÓRTICES DE NACELE:

Os grandes geradores de vórtices instalados nas naceles dos motores são chamados nacelle chines. As aeronaves modernas utilizam motores de alta razão de derivação (by-pass) montados em suportes (pylons) sob a asa. De forma a minimizar a altura dos trens de pouso (e reduzir seu peso), os motores são instalados bem próximos à asa.

Essa proximidade dos grandes motores com a asa resulta numa interação do fluxo de ar em torno dos motores com o fluxo que passa sobre a asa, em ângulos de ataque elevados, e pode causar uma redução na performance da aeronave. O principal efeito é a perda de sustentação na configuração de pouso, pois em grandes ângulos de ataque os vórtices gerados em torno da nacele separam-se desta e escoam sobre o extradorso da asa. Normalmente o efeito desses vórtices seria benéfico, mas como a asa em grande ângulo de ataque gera campos de pressão adversos, os vórtices causam uma separação prematura da camada limite sobre a asa. O resultado é menos sustentação do que seria possível sem a interferência do vórtex da nacele.

A solução foi o desenvolvimento de um grande gerador de vórtex instalado na parte interna da nacele do motor, chamado pela Boeing de vortex control device (VCD), mas é mais conhecido como nacelle chine. O gerador de vórtex é dimensionado e posicionado para controlar o vórtice da nacele para que ele não interfira negativamente na asa. O resultado é que a perda de sustentação é evitada.

Devido à condensação do ar sob certas condições atmosféricas, o vórtice que se separa da nacele é claramente visível da cabine de comando.

Em termos de performance, o gerador de vórtex na nacele reduz a velocidade de aproximação em 5 nós e a extensão de pista em aproximadamente 80 metros para o 767-200. Esse dispositivo contribui significativamente para a performance de pouso do 767, a um custo mínimo.

CONCLUSÃO:

Os geradores de vórtices são uma ferramenta aerodinâmica valiosa que pode ser utilizada pelos projetistas para melhorar as qualidades de vôo. O uso racional desses dispositivos resulta em características de vôo muito melhores e têm contribuído em vários projetos da Boeing para:

projetos aerodinâmicos mais eficientes com menor consumo de combustível.
aeronaves mais simples e baratas de comprar e manter.

FONTE: TRADUZIDO DO TEXTO ORIGINAL DE LUDOVIC ANDRE WWW.SMARTCOCKPIT.COM

Bernardo Fiusa

 

 

 
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