Perfiles Aerodinámicos: Familas y tipos

Ingeniería en Aeronáutica!

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Instituto Politécnico Nacional

AERODINÁMICA Perfiles Aerodinámicos: Familias y Tipos

Daniel Bazán Mejía 5AV1 Febrero 2013

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TABLA DE CONTE NIDO Perfiles Aerodinámicos: Tipos! Perfiles Aerodinámicos! Clasificación de Perfiles Aerodinámicos! Clasificación según forma!

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Perfiles asimétricos!

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Perfiles simétricos!

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Clasificación según sus características !

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Perfiles de Flujo laminar!

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Perfiles de alta sustentación!

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Perfiles de bajo momento Perfiles Críticos! Clasificación según velocidad de operación!

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Perfiles subsónicos!

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Perfiles transónicos!

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Perfiles supersónicos!

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Perfiles Aerodinámicos: Familias! Perfiles NACA!

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Serie de 4 dígitos !

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Serie de 5 dígitos!

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Modificaciones a Series de 4 y 5 dígitos!

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Serie 1!

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Serie 7!

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Serie 8 !

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Cuadro comparativo de las series de perfiles NACA !

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Otras familias de perfiles! Perfiles Wortmann !

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Perfiles Vertol

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Perfiles OA!

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Perfiles RAE!

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Bibliografía!

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PERFILES AER ODINÁMICOS: TIPOS “Most people don’t realize that mankind can be divided into two great classes: those who take airfoil selection seriously, andFlying, those who Peter Garrison, Sept.don’t.” 2002

Perfiles Aerodinámicos Un perfil aerodinámico es la forma de un ala o pala(de una hélice, un rotor o turbina) o vela como se observa en sección transversal. Un cuerpo con forma de perfil aerodinámico movido a través de un fluido produce una fuerza ae rodinámica. La componente de esta fuerza perpendicular a la dirección del movimiento se llama elevación. El componente paralelo a la dirección de movimiento se denomina arrastre.

Nomenclatura del perfil aerodinámico y fuerzas involucradas.

Este fenómeno del aire en las proximidades de la superficie de sustentación curvada crea líneas de corriente que resulta en una menor presión en un lado y una presión más alta en el otro. Esta diferencia de presión está acompañada por una diferencia de velocidad, a través de principio de Ber noulli, por lo que los campos de velocidad resultantes sobre la superficie de sustentación tiene una velocidad media más alta en la superficie superior que en la superficie inferior. La fuerza de elevación puede estar directamente relacionada con la diferencia de velocidad media superior / inferior sin el cálculo de la presión por el uso del concepto de la circulación y el teorema de Kutta Joukowski. Según el propósito que se persiga en el diseño, los perfiles pueden ser más finos o gruesos, curvos o poligonales, simétricos o no, e incluso el perfil puede ir variando a lo largo del ala. Aerodinámica !

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Clasificación de Perfiles Aerodinámicos C LASIFICACIÓN SEGÚN FORMA P ERFILES ASIMÉTRICOS Los perfiles asimétricos pueden tener una amplia variedad de diseños de superficie superior e inferior. Tiene un mayor coeficiente de sustentación que el perfil simétrico. En estos perfiles, el borde superior tiene una forma diferente a la del borde inferior, que cambia la forma en que el aire fluye sobre ella. Esto hace que el aire se mueva más rápido, lo que genera más sustentación.

NACA 4415, ejemplo de perfil asimétrico.

ERFILES SIMÉTRICOS P Estos perfiles no tienen curvatura. Son adecuados para aplicaciones de alas rotativas porque no tienen casi ningún movimiento del centro presión, este permanece relativamente constante bajo diferentes ángulos de ataque, dando los mejores razones de resistencia/levantamiento para toda la gama de velocidades desde la raíz hasta la punta de la pala del rotor. El perfil simétrico ofrece un rendimiento aceptable en esas condiciones alternantes. Sin embargo, el perfil simétrico produce menos levantamiento que un asimétrico y también tiene características al desplome relativamente indeseables. Otras ventajas son un menor costo y facilidad de construcción. Son usados en las palas de helicópteros y en los perfiles alares de aviones acrobáticos.

Deta"e de perfil alar simétrico del Extra EA-300. Aerodinámica !

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C LASIFICACIÓN SEGÚN SUS CARACTERÍSTICAS P ERFILES DE F LUJO LAMINAR Los perfiles de flujo laminar se desarrollaron srcinalmente para el propósito de hacer volar un avión más rápido. El ala de flujo laminar es generalmente más delgado que el perfil aerodinámico convencional, el borde de ataque es más puntiagudo y su superficies superior e inferior son casi simétricos. La mayor y más importante diferencia entre los dos tipos de perfil es que la parte más gruesa de un ala laminar se produce al 50 % de la cuerda, mientras que en el diseño convencional la parte más gruesa está en 25 % de la cuerda. El efecto logrado por este tipo de diseño de ala es mantener el flujo laminar a través de un mayor porcentaje de la cuerda del ala y para controlar el punto de transición. La resistencia, por lo tanto, se reduce considerablemente ya que la superficie de sustentación laminar necesita menos energía para deslizarse por el aire. La distribución de la presión sobre el ala de flujo laminar es mucho más uniforme ya que la curvatura del ala desde el borde de ataque hasta el punto de máxima curvatura es más gradual que en el perfil aerodinámico convencional. Sin embargo, al desplome, el punto de transición se mueve más rápidamente hacia adelante.

Perfil de flujo laminar para avión RC.

P ERFILE S DE ALT A SUSTENTACIÓN Los perfiles de alta sustentación son de todas formas ventajosos en aviones de tipo commuter, donde una mayor carga alar provee un mejor desempeño en régimen de crucero. Estos perfiles permite que aviones grandes tengan alas más pequeñas con alto alargamiento. Un coeficiente de sustentación máximo alto permite entonces maniobrar sin riesgo de entrar en pérdida. P ERFILES DE BAJO MOMENTO Los perfiles de bajo momento de cabeceo encuentran aplicación principalmente como palas del rotor del helicópteros, ya que tienen una baja tendencia a girar hacia delante. P ERFILES C RÍTICOS Los perfiles críticos son aquellos para los que la velocidad sónica es apenas alcanzada en algunas porciones de la superficie aerodinámica. El flujo en todos los demás puntos es subsónico.

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C LASIFICACIÓN SEGÚN VELOCIDAD DE OPERACIÓN P ERFILES SUBSÓNICOS Son aquellos perfiles utilizados para aeronaves destinadas a volar no mas allá de la velocidad del sonido. Usualmente su centro aerodinámico esta a 25-50% de la cuerda. Tienen bordes mas redon deados que los perfiles supersónicos.

Ejemplos de Perfiles NACA usados en el régimen subsónico.

P ERFILES TRANSÓNICOS Un perfil aerodinámico supercrítico es un perfil diseñado, principalmente, para retrasar la apari ción de ondas de resistencia en el régimen de velocidad transónica. Perfiles aerodinámicos super críticos se caracterizan por su superficie superior aplanada, muy arqueada (curvada ) sección trasera, y un mayor radio de borde de ataque en comparación con las formas tradicionales de la superfi cie de sustentación. Los perfiles supercríticos se diseñaron en la década de 1960, por el entonces ingeniero de la NASA Richard Whitcomb. Mientras que el diseño fue desarrollado inicialmente como parte de un proyecto de transporte supersónico de la NASA, desde entonces ha sido aplica do principalmente a aumentar la eficiencia de combustible de muchos aviones subsónicos cercanos a alcanzar el numero de Mach. La forma de superficie sustentadora supercrítico se incorpora en el diseño de un ala supercrítica.

El perfil aerodinámico supercrítico, abajo, mantiene un menor número de Mach sobre el extradós que el perfil aerodinámico convencional, arriba; esto induce ondas de choque mas débiles.

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P ERFILES SUPERSÓNICOS Un perfil aerodinámico supersónico es una geometría de sección transversal diseñada para generar levantamiento eficiente a velocidades supersónicas. La necesidad de tal diseño surge cuando una aeronave se requiere para funcionar consistentemente en el régimen de vuelo supersónico. Perfiles supersónicos tienen generalmente una sección delgada formada ya sea de planos en ángulo o arcos opuestos (llamados "perfiles de cuña doble" y "perfiles biconvexos", respectivamente), con bordes de ataque y salida muy afilados. Los bordes afilados evitan la formación de ondas de choque individuales al frente del perfil medida que se mueve a través del aire. Esta forma es en contraste con los perfiles aerodinámicos subsónicos, que a menudo tienen bordes redondeados que conducen a reducir la separación de flujo en un amplio intervalo de ángulo de ataque. Un borde redondeado se comportaría como un cuerpo no currentilíneo en vuelo supersónico y así se formaría un arco de choque, lo que aumenta considerablemente la fricción de onda. Sin embargo,un borde de ataque afilado implica que el perfil será más sensible a cambios en el án gulo de ataque. Por lo tanto, para aumentar la sustentación a bajas velocidades, aviones supersónicos también utilizan dispositivos hipersustentadores, tales como flaps y slats.

Perfil supersónico con ondas de choque oblicuas y ondas de expansión.

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PERFILES AER ODINÁMICOS: FAMILIAS Perfiles NACA La NACA (National Advisory Committee for Aeronautics: Comité Consejero Nacional para la Aeronáutica) fue una agencia federal de los Estados Unidos fundada el 3 de marzo de 1915 para emprender, fomentar, e institucionalizar las investigaciones aeronáuticas. El 1 de octubre de 1958 se disolvió la agencia, y sus recursos y personal formaron el núcleo de la recién creada NASA (National Aeronautics and Space Administration: Administración Nacional de la Aeronáutica y el Espa cio). Los perfiles NACA son formas aerodinámicas de alas de aviones elaborados por NACA. La forma de los perfiles de ala NACA se describe utilizando una serie de dígitos que siguen a la palabra "NACA". Los parámetros en el código numérico que se pueden introducir en las ecuaciones para generar exactamente la sección transversal de la superficie de sustentación y calcular sus propiedades.

S ERIE DE

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DÍGITOS

La serie de perfiles NACA de cuatro dígitos definen el perfil de la siguiente manera: • Primera cifra máxima curvatura que describe como porcentaje de la cuerda. • En segundo dígito describe la distancia de curvatura máxima desde el borde de ataque en decenas de porcentajes de la cuerda. • Los dos últimos dígitos describen espesor máximo del perfil como por ciento de la cuerda. Por ejemplo, el perfil NACA 2412 tiene una curvatura máxima de 2 % encontrado al 40% desde el borde de ataque con un espesor máximo de 12% de la cuerda. Los perfiles NACA de cuatro dígitos por defecto tienen un grosor máximo de 30 % de la cuerda desde el borde de ataque.

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S ERIE DE

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DÍGITOS

Por otra parte la serie NACA de cinco dígitos describe formas aerodinámicas más complejas: • El primer dígito, cuando se multiplica por 0,15, da el coeficiente de levantamiento de diseño (CL). • Los dígitos segundo y tercero, cuando se divide por 2, la, dan la distancia de curvatura máxima desde borde de ataque (como porcentaje de la cuerda). • El cuarto y quinto dígito dan el espesor máximo del perfil (como por ciento de la cuerda ). Por ejemplo, el perfil NACA 12018 es un perfil aerodinámico con un espesor máximo de % 18 de la cuerda, con curvatura máxima situada en 10 % de la cuerda, con un coeficiente de sustentación de diseño de 0,15

M ODIFICACIONES A

S ERIES DE

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Y

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DÍGITOS

Las series de cuatro y cinco dígitos se pueden modificar con un código de dos dígitos precedidos por un guión en la secuencia siguiente: • Un dígito para describir la redondez del borde de ataque con 0 siendo agudo, 6 siendo el mismo que los valores srcinales del perfil, y más grandes indican un borde de ataque más redondeado. • Un dígito que describe la distancia de máximo espesor del borde de ataque en decenas de por ciento de la cuerda. Por ejemplo, el perfil NACA 1234-05 es un NACA 1234 con un borde afilado de ataque y espesor máximo 50% de la cuerda desde el borde de ataque. Además, para una descripción más precisa del perfil todos los números pueden ser presentados en forma decimal.

S ERIE

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Un nuevo enfoque de diseño aerodinámico pionero la década de 1930 en el quedeseada. la formaAn ae -rodinámica era matemáticamente diseñada afue partir de lasencaracterísticas de elevación tes de esto, las formas aerodinámicas se creaban primero y luego se median sus características en un túnel de viento. Los perfiles “1-series” se describen por cinco dígitos con la siguiente secuencia: • El número "1" indica la serie.

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• Un dígito describe la distancia de la zona de presión mínima en decenas de por ciento de la cuerda. • Un guión. • Un dígito describe el coeficiente de sustentación en décimas. • Dos dígitos que describen el espesor máximo en porcentaje de la cuerda. Por ejemplo, el perfil NACA 16-123 tiene zona de presión mínima al 60% de la cuerda con un coeficiente de elevación de 0.1 y un espesor máximo de 23 % de la cuerda.

S ERIE

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El reciente progreso en la maximización del flujo laminar logrado identificando por separado las zonas de baja presión en el intradós y extradós. Así el perfil aerodinámico es descrito por siete dí gitos en la secuencia siguiente: • El número "7" que indica la serie. • Un dígito que describe la distancia de la zona de presión mínima en el extradós en decenas de por ciento de la cuerda. • Un dígito que describe la distancia de la zona de presión mínima en el intradós en decenas de por ciento de la cuerda. • Una letra en referencia a un perfil de las series NACA estándar. • Un dígito que describe el coeficiente de sustentación en décimas. • Dos dígitos que describen el espesor máximo en decenas de por ciento de la cuerda. • "a=" seguido por un número decimal que describe la fracción de la cuerda sobre la que se man tiene el flujo laminar. a = 1 es el valor predeterminado si no se da. Por ejemplo, el perfil NACA 712A315 tiene áreas de presión mínima al 10 % de la cuerda en el extradós y al 20% de la cuerda en el intradós, utilizando el perfil estándar "A", tiene un coeficiente de levantamiento de 0.3 y un espesor máximo al 15% de la cuerda.

S ERIE

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Usado para los perfiles aerodinámicos supercríticos diseñados para maximizar independientemente el flujo de aire por encima y por debajo del ala. La numeración es idéntico a los perfiles de la se rie 7, excepto que la secuencia comienza con un "8" para identificar la serie. Aerodinámica !

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C U ADRO COMPARA NACA S ERIE 4 dígitos

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TIVO DE L

V ENTAJAS • Buenas características al desplome.

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AS SERIES

DE PERFIL

D ESVENTAJAS • Bajo coeficiente de sustentación má ximo.

ES

A PLICACIONES • Aviación general. • Estabilizadores horizontales.

• Bajo rangodedepresión movimiento • Resistencia relativamente alta. de centro a • Momento de cabeceo alto. altas velocidades.

• Simétricas:

• Rugosidad del área tiene pocos efectos.

• Aspas de helicóptero

• Jets supersónicos

• Cubiertas • Misiles / aletas de cohetes

5 dígitos

• Mayor coeficiente de sustentación máximo.

• Comportamiento pobre al desplome. • Aviación general. • Resistencia relativamente alta.

• Momento de cabeceo bajo.

• Commuter.

• Rugosidad tiene poco efecto.

Serie 1

• Evita picos de presión baja.

• Bombarderos de motor de pistón.

• Jets del negocios. • Relativamente bajo levantamiento.

• Hélices para aeronaves • Hélices para buques.

• Baja resistencia a alta velocidad.

Serie 6

• Alto coeficiente de susten- • Alta resistencia fuera del rango óptitación máxima. mas condiciones de operación. • Optimizado para la alta velocidad.

• Momento de cabeceo alto. • Comportamiento pobre al desplome.

• Cazas de motor de pistón. • Jets del negocios. • Jets entrenadores. • Jets supersónicos

• Muy susceptible a la rugosidad.

Serie 7

• Arrastre muy bajo sobre un pequeño rango de condiciones de operación. • Momento de cabeceo bajo.

• Máximo coeficiente de levantamiento reducido.

• Pocas veces se ha utilizado.

• Alta resistencia fuera del rango óptimo de condiciones de operación. • Comportamiento pobre al desplome. • Muy susceptible a la rugosidad.

Serie 8

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• Desconocido.

• Desconocido.

• Muy pocas veces se ha utilizado.

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Otras familias de perfiles P ERFILES

W ORTMANN

En la década de los 60‘s el alemán Franz Xaver Wortmann desarrollo la familia de perfiles FX, identificando los perfiles con las letras FX seguido de dos números, un guión y cuatro números. Por ejemplo para el perfil FX 63-137: (19)63 fue el año en el que fue diseñado el perfil y 137 es por 10 veces la curvatura máxima en porcentaje.

Perfil Wortmann FX 63-137

P ERFILES

V ERTOL

Durante los años de 1975 al 1987 la empresa Boeing desarrollo la familia de perfiles Vertol, diseñados con la ayuda de métodos numéricos basados en el análisis de la interacción de la capa limite con un método potencial junto con un análisis de flujo transónico viscoso. Ejemplos de esta familia de perfiles son: VR-12 y VR-15.

P ERFILES

OA

La ONERA (Office National d'Études et de Recherches Aérospatiales: Oficina Nacional de Estudios e Investigaciones Aerospaciales), el centro de investigación aerospacial francesa, en la década de los 70’s desarrollo la familia de perfiles OA, la cual se caracteriza por combinar altos coeficientes de levantamiento y altos números de Mach de divergencia. Ejemplos de esta familia de perfiles son: OA-206, OA-209 ERFILES P R AlaEbritánica RAE (Royal Aircraft Establishment) y Westland Helicopters deDesde finales de 1960

sarrollaron perfiles para rotores. Ejemplos de esta familia de perfiles son: RAE-9615 y RAE-9645

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BIBLIOGRAFÍA SupercriticalAirfoil. (s.f.). Recuperado el 5 de febrero de 2013, de http://en.wikipedia.org/wiki/Supercritical_airfoil Profile. (s.f.). Recuperado el 5 de febrero de 2013, de http://www.oocities.org/capecanaveral/hall/6801/profile.html Clasificación de los perfiles. (s.f.). Recuperado el 5 de febrero de 2013, de

http://es.wikipedia.org/wiki/Perfil_alar#Clasificaci.C3.B3n_de_los_perfiles Airfoil History Class. (s.f.). Recuperado el 5 de febrero de 2013, de http://users.cybercity.dk/~cws19202/airfoil_history_class.htm The NACA Airfoil Series. (s.f.). Recuperado el 5 de febrero de 2013, de

http://people.clarkson.edu/~pmarzocc/AE429/The%20NACA%20airfoil%20series.pdf Wortmann Aerofoils. (s.f.). Recuperado el 5 de febrero de 2013, de http://library.propdesigner.co.uk/html/wortmann_aerofoils.html

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