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Alas vs palas

Por Despegamos

Índice
1. Conceptos
2. Ala de un avión
3. Pala de un aerogenerador
4. Comparación del ala de un avión con la pala de un aerogenerador
5. Propuestas de mejora

1. Conceptos

a. Un avión vuela porque es capaz de generar una sustentación igual a su propio peso. La sustentación es creada por el ala debido a un fenómeno físico descrito por primera vez por Daniel Bernoulli. Aunque no toda la sustentación se explica por el Principio de Bernoulli, da una imagen bastante clara de lo que ocurre.

b. D. Bernoulli descubrió que, cuando un fluido (gas o líquido) que pasa por un tubo en el cuál se ha practicado una restricción (disminución de área), la velocidad del mismo aumenta y en paralelo su presión disminuye. Esto es una consecuencia del principio de conservación de la energía. Al pasar por una restricción, la energía cinética (velocidad) aumenta, por lo que tiene que disminuir su energía potencial (presión) para que la suma de ambas se mantenga constante.

c. Lo anterior se ve claramente en un tubo de venturi (efecto venturi), como el de la figura 1.

figura1

Figura 1

d. En el ala de un avión ocurre algo similar. Su perfil (airfoil, en inglés) tiene una forma especial, de manera que el aire incidente acelera su velocidad en la parte superior creando una depresión y se decelera en la parte inferior creando una presión. El resultado de esta combinación depresión–presión es una fuerza hacia arriba y hacia atrás.

alta velocidad/baja presión
figura2
baja velocidad/alta presión

e. Distribución de presiones. Cuando un perfil se mueve en un fluido o tiene movimiento relativo respecto del perfil, aparece una distribución de presiones similar a la de la figura2. Si el perfil forma un determinado ángulo (ángulo de ataque) con la corriente fluida, la distribución de las presiones y de velocidades sobre las superficies del perfil cambiarán. El ángulo entre la velocidad no perturbada V0 y la cuerda se llama ángulo de ataque y se representa por α. Ver figura 2.

figura2_2

Figura 2

f. El resultado de la distribución de presiones sobre la superficie es una fuerza resultante. Esta fuerza se considera aplicada en un punto llamado Centro de Presión (CP). Se puede descomponer en dos componentes, una perpendicular a la velocidad relativa y otra paralela a ella. A la fuerza perpendicular se le llama sustentación (L) y a la fuerza paralela resistencia (D). Ver figura 3.

figura_angulo de ataque_peqnio

Figura 3

g. Si un perfil está sometido a unas condiciones dadas de velocidad y densidad, la sustentación y la resistencia cambiarán, si el ángulo de ataque cambia. El estudio de la dependencia de la sustentación y resistencia de un perfil con respecto al ángulo de ataque se realiza mediante unos coeficientes adimensionales llamados, respectivamente, de sustentación (CL) y de resistencia (CD).

h. Pruebas realizadas con perfiles muestran que, normalmente, existe una variación lineal del coeficiente de sustentación CL con el ángulo de ataque α a lo largo de una gama de ángulos considerable. Sin embargo, se llega a un punto en el que el ángulo de ataque es tal, que el aire que fluye sobre su superficie, no puede mantenerse en contacto con ella. Ver figura 4.

figura34

Figura 4

i. En este punto la curva del coeficiente de sustentación comienza a apartarse de una variación lineal. Si se sigue aumentando el ángulo de ataque después del punto de separación, se alcanza un ángulo en el que el coeficiente de sustentación es máximo. Después de este punto, el coeficiente CL decrece rápidamente o brúscamente, dependiendo del perfil. A esta zona se le llama de “entrada en pérdida” (Stoll, en inglés) y al ángulo correspondiente, se le conoce, como ángulo de entrada en pérdida.
j. Lo dicho anteriormente se ve claramente en la figura 5.

figura5

Figura 5

k. En el caso del coeficiente resistencia, también hay una relación que liga el valor de este coeficiente CD con el ángulo de ataque α. Sin embargo, en este caso la curva es notablemente diferente de la correspondiente al coeficiente de sustentación. La mayor parte de los perfiles tienen una curva como la indicada en la figura 6.

figura_coeficiente de resistencia

Figura 6

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2. Ala de un avión

a. El ala es el componente del avión que permite generar la sustentación, en cualquiera de las cinco condiciones de vuelo: despegue, subida, crucero, descenso y aterrizaje. Para ello su sección recta es un perfil aerodinámico que se comporta como se ha indicado en el apartado 1. Este perfil debe trabajar en la zona donde la sustentación sea máxima y la resistencia mínima.

b. El perfil, por sí solo, no es capaz de asegurar una operación lo suficientemente alejada de la zona de entrada en pérdida por lo que al ala se le dota de unos accesorios llamados dispositivos hipersustentadores. Entre estos, están los flaps, flaps de borde de ataque y slats o ranuras.

c. Flaps. Es el método más normal de aumentar la sustentación. Son dispositivos móviles con perfil aerodinámico, situados en el borde de salida. El efecto del flap es incrementar la curvatura del perfil (incremento de la presión/depresión). A medida que aumenta el coeficiente de sustentación, también aumenta la resistencia, con lo que disminuye la velocidad, condiciones deseables durante el descenso y el aterrizaje. Ver figura 7.

flaps

Figura 7

d. Flaps de borde de ataque. Con objeto de aumentar la capacidad de sustentación se añaden otros dispositivos similares en el borde de ataque. Actúan de dos formas: por incremento de la curvatura y por proporcionar un flujo más suave en el extradós del ala. Proporcionando una curvatura especial al borde de ataque o poniendo un flap, como se indica en la figura, es permisible al ala adoptar un mayor ángulo de ataque sin que aparezca la tendencia a la separación del flujo. Sin tal dispositivo, las líneas de corriente sobre el borde de ataque pierden mucha energía y tienden a separarse. Ver figura 8.

alas_aire

alas_aire1

Figura 8

e. Slats o ranuras. Puede conseguirse impedir la separación de las líneas de corriente en el extradós aportando energía a la corriente de aire inmediatamente detrás del borde de ataque, donde aparece la tendencia a la separación. Esto puede hacerse captando la alta presión que existe debajo del ala, a través de una ranura que hace fluir aire a la parte superior del perfil. Puede ser fija o móvil para permitir que la ranura cierre a pequeños ángulos de ataque. Ver figura 9.

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Figura 9

f. Hemos visto que en un perfil hay una diferencia de presiones entre el extradós y el intradós. En la naturaleza se observa que hay un movimiento de aire de las zonas de mayor presión a las de menor, con el objeto de equilibrarlas. Considerando el ala como un todo, se observa un flujo de aire en los extremos, de la zona de mayor presión a la de menor presión.

Esto induce un torbellino (llamado vórtice) en las puntas de las alas que influye en la circulación general de la misma haciendo que el aire en la parte superior vaya hacia atrás y hacia dentro, y en la parte inferior, hacia atrás y hacia fuera. En tales condiciones el aire, inmediatamente detrás del ala tiene un movimiento de remolino o turbulencia más predominante en los extremos y de menor intensidad en el centro. Ver figura 10.

borde_ataque

Figura 10

g. El fenómeno descrito en el párrafo anterior es causante de una resistencia adicional, llamada resistencia inducida, que es responsable de aprox. el 25% de la resistencia ofrecida al avance de un avión comercial. Ver figura 11.

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Figura 11
vortice

h. Para reducir esta resistencia inducida, se colocan en los extremos de las alas unos dispositivos llamados “winglets”, cuya misión es reducir la formación de estos vórtices o torbellinos. Figuras 12 y 13.

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Figura 12

winglet_airbus

winglet
Figura 12

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3. Pala de un aerogenerador

a. Un aerogenerador es un generador eléctrico movido por una turbina accionada por el viento. Transforma la energía cinética del viento en energía mecánica que mueve un alternador eléctrico.

b. El elemento que transforma la energía cinética del viento en energía mecánica de rotación se le llama hélice o también turbina. Está compuesto de dos o más frecuentemente de tres palas unidas por su extremo a un eje.

c. Del mismo modo que en las alas, la misión de la pala es generar una fuerza, que la haga girar alrededor del eje. Para ello, su sección recta tiene un perfil aerodinámico similar al de aquellas. En virtud del mismo mecanismo, cada pala genera una fuerza que puede descomponerse en dos componentes perpendiculares: una hacia atrás, que es absorbida por el soporte del aerogenerador y otra perpendicular a la anterior, que es la que hace girar a la pala alrededor del eje. Ver figura 14.

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Figura 14

d. Las palas son muy similares a las alas, o mejor, a las hélices de los aviones. Como éstas, su sección recta es un perfil aerodinámico, por lo que todo lo dicho en cuanto a ángulos de ataque, resistencia, sustentación, entrada en pérdida, etc. es aplicable a las palas. Ver figura 15.

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Figura 15

e. Debido a su movimiento de giro, las palas deben estar alabeadas a lo largo de toda su longitud, para asegurar que el ángulo de ataque sea el mismo en cualquier sección. Esto se explica porque, siendo la velocidad de viento más o menos constante, no lo es la velocidad lineal de rotación de la pala, que se incrementa a medida que se aleja del eje de giro. Esto hace que la composición geométrica de ambas (su suma vectorial), de una resultante que es mayor a medida que nos alejamos del eje, por lo que el ángulo de ataque es distinto en las puntas que en los encastres. Para evitar esto se va alabeando la pala a medida que nos alejamos del eje. Ver figura 16.

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Figura 16

f. Dada una velocidad constante de la hélice, si la velocidad del viento cambia, también cambia la resultante de ambas y, por tanto, el ángulo de ataque del viento respecto a la pala. Para evitar ángulos que provoquen desprendimiento de la corriente en el extradós, se hace que la pala pueda girar alrededor de su eje longitudinal para que pueda adaptarse a unas condiciones de velocidad del viento cambiantes. Esta característica es una forma de control que permite que la hélice gire a unas revoluciones constantes, correspondientes a la potencia nominal, y, también, para proteger a la maquina cuando se producen vientos excesivos. Ver figura 17.

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Figura 17

g. Considerando a la pala en su conjunto, vemos que, de la misma forma que en las alas, la diferencia de presión crea unos torbellinos en las puntas de las mismas, condicionando también el movimiento del aire según se ve en la figura. Como las palas están girando, estos torbellinos también giran. La presencia de éstos no es deseable desde el punto de vista energético, ya que es energía que se desperdicia. Así como en las alas la resistencia inducida es importante, probablemente aquí el desperdicio energético también lo es, aparte del régimen turbulento que se crea aguas debajo de la pala. Ver figura 18.

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Figura 18

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4. Comparación del ala de un avión con la pala de un aerogenerador

a. Comparando el ala de un avión con la pala de un aerogenerador se ve que la primera es un elemento más sofisticado que la segunda, pues está dotada de dispositivos que aseguran un funcionamiento seguro en cada una de las fases de vuelo, en muy distintas condiciones (cambios de velocidad, densidad, etc.). En definitiva, todos estos dispositivos lo que pretenden es mantener un flujo laminar en cada circunstancia, alejando al perfil de la zona de entrada en pérdida. Aún así, la turbulencia generada por el paso de un avión es muy importante.

b. Frente a las alas, la pala de un aerogenerador está limpia de dispositivos, teniendo como método de control, casi único, el giro longitudinal de las palas para asegurar el mantenimiento de las revoluciones frente a una velocidad del viento cambiante. Los torbellinos engendrados por la punta de pala siguen el giro de la misma y se expanden hacia atrás y hacia fuera (por la fuerza centrífuga).

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5. Propuestas de mejora

a. Teniendo en cuenta la experiencia acumulada con las alas de los aviones sería interesante mejorar el diseño de las palas en dos sentidos:

i. Eliminación/Disminución de los torbellinos de punta de pala. –Para ello podrían instalarse en las puntas unos dispositivos similares a los “winglets”, que corten el paso del aire de la zona de mayor presión a la de menor–. Esto daría lugar a un incremento de la potencia extraída del aire y a una disminución de la turbulencia aguas abajo de la máquina eólica.

zona_sobrepresion

ii. Prevención del desprendimiento de la corriente en el extradós. Esto podría conseguirse mediante la instalación de un “slat” o ranura en el borde de ataque de la pala. Probablemente sería más efectiva instalarla en la zona de alta velocidad, de la mitad hacia la punta. Esto mejoraría el control y la turbulencia aguas abajo.

Alas vs palas

b. Quizá podrían conseguirse condiciones aerodinámicas menos turbulentas si se utilizasen perfiles más estrechos. No sé si esto tendría condicionantes estructurales. Tal vez ya se han llegado a soluciones de compromiso entre la fineza aerodinámica y la resistencia estructural, asegurada por los materiales disponibles.

BIBLIOGRAFIA
Wikipedia
Página Web de Airbus Industrie.
Energía eólica. Pedro Fernández Diez. Universidad de Cantabria (España).
Documento DS-1420 de la compañía Boeing.

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