Distintas variantes
Una vez establecido el diseño base creado por Whitcomb, empresas como Boeing y Airbus ensayaron variantes y modelos sobre el modelo básico, dando por resultado distintos tipos, que a continuación se muestran:
En la figura de aquí abajo vemos los 3 tipos más difundidos: El Winglet convencional (A), el llamado “Blended Winglet”, y otra variante, llamada “Winglet elíptico” (C).
Si observamos la imagen (A), vemos que la transición entre la punta alar y la superficie vertical tiene un cambio casi en ángulo recto, generando una concentración de fuerzas aerodinámicas que requieren reforzar la estructura en la unión Winglet – ala, generando problemas de construcción y mayor peso. También la interferencia aerodinámica entre la superficie horizontal y vertical reduce su eficiencia.
Los “Blended Winglets”.
La empresa Boeing desarrolló, a partir del modelo básico de Whitcomb, mejoras en este dispositivo, sobre todo en la forma del anclaje: es así que, a fines de la década de 1990, Boeing realiza una sociedad con Aviation Partners Inc., en Seattle, Washington, para diseñar y desarrollar los Blended Winglets para sus aeronaves comerciales. Luego de análisis de distintos diseños y pruebas, se decidió que la transición del ala al Winglet sea de manera suave, con un anclaje de forma de sector circular; haciendo que el Winglet ya no sea un agregado a cada semiala, sino que esté integrada, como un todo. Esto, lógicamente, implicó que las aeronaves debían hacer un cambio estructural importante en esa región de las alas, y, además, este nuevo tipo fue posible gracias a los nuevos materiales compuestos, a base de fibras de carbono, que a finales de la década de 1990 comenzaban a ser parte de las aeronaves comerciales de serie.
En la tabla siguiente se aprecia la cronología de incorporación de este nuevo modelo, y en que aeronaves se fue instalando:
Esta incorporación de estos nuevos dispositivos a sus aeronaves, hizo que la eficiencia y el ahorro de combustible en las aeronaves sea importante. Por ejemplo, para un avión 767, el uso de Blended Winglets supone un ahorro de combustible, para el mismo alcance, entre un 4 a un 5%, ahorrando medio millón de galones EE.UU. de combustible para aviones al año por avión, que se traduce en una reducción anual de más de 4.790 toneladas de CO2 por avión, por año.
Además de la reducción de resistencia inducida, ya vista, y el ahorro de combustible, dependiendo de la aeronave, su carga, las rutas recorridas y otros factores, los Blended Winglets mejoran la eficiencia en los siguientes factores:
- Reducen los costos de operación, en vuelos cercanos al rango de diseño de la aeronave,
- Incremento de la carga paga (Payload) y el alcance.
- Reducción de los costos de mantenimiento de los motores.
- Mejora en el despegue y el franqueamiento de obstáculos, lo que permite además reducir el empuje de los motores.
- Incremento en la altitud optima de crucero.
La Tabla 2 ilustra una comparación del ahorro de combustible de aeronaves con y sin Blended Winglets:
Los Blended Winglets, en resumen, han demostrado que su uso reduce la resistencia, ahorra combustible, reduce el CO2 y el NOx, y reduce el ruido comunitario.
También pueden extender el alcance de un avión y habilitar la capacidad de carga útil adicional dependiendo de las necesidades del operador.
En principio, los Blended Winglets se entregaban como opcional al operador de una línea aérea, pero, al ir pasando los años, pasaron a ser un estándar de fábrica, y ya no se encuentra ninguna aeronave comercial que no los use.
En la siguiente imagen, podemos apreciar una imagen de un Blended Winglet en una aeronave Boeing 737–700 LV-CMK.
Los Winglets “elípticos”: sigue la evolución…
Una variante del dispositivo original de Whitcomb y del desarrollado por la Boeing, lo constituye el inventado por el Dr. Fort F. Felker, un ex investigador en túneles de viento de la NASA, y experto en el campo de la mecánica de fluidos computacional.
El diseño de Felker está basado en la distribución ideal de sustentación de un ala, que, para alcanzarla, el ala debe tener una curvatura elíptica a lo largo de su envergadura. Así fue que diseñó un Winglet en el cual, como se ve en la Figura 1 (C), su radio de curvatura varia a lo largo de su envergadura, a medida que avanza por eje “Z”. Esto asegura una distribución de sustentación elíptica, tanto en el plano horizontal, como en el vertical, disminuyendo aún más la resistencia inducida en comparación con la de un Blended Winglet.
Su geometría consiste en que el eje menor (radio menor) de la elipse que le da forma es perpendicular al eje mayor (extradós del ala), y se intersectan en un punto (centro de la elipse), formando ambos ejes un ángulo que varía entre 45 y 90º. Además, presenta un diedro de entre 0 a 15º.
Según su inventor, pruebas hechas sobre una aeronave MD-80 demostraron que, usando estos elementos, la resistencia inducida se reduce en un 10%. La Figura 4 muestra la gráfica de la resistencia inducida versus el coeficiente de sustentación, CL, para un MD-80 base y otro igual, con los Winglets elípticos:
Y en la Figura 5 siguiente, se muestra el diseño elíptico versus uno común, y la elipse base usada para el trazado:
En el próximo artículo, seguiremos viendo como la evolución de estas “pequeñas grandes alas” ha derivado en nuevos y distintos modelos.
