¿Por qué el escape de la góndola del motor Boeing 787 tiene una forma tan inusual?

Bueno, se ve bonito, ¿no?

Boeing quería reducir el ruido generado por el chorro de los motores. Muchos aeropuertos de todo el mundo están implementando nuevas regulaciones de ruido.

Como lo menciona Boeing :

Para combatir el sonido de la ráfaga de chorro desde la parte trasera del motor, Boeing, General Electric y la NASA desarrollaron bordes dentados llamados chevrones para la parte posterior de la góndola y la boquilla de escape del motor. Los chevrones reducen el ruido de los chorros al controlar la forma en que el aire se mezcla después de pasar a través y alrededor del motor.

Los revestimientos acústicos y los chevrones son supresores de ruido tan efectivos que se pueden eliminar del fuselaje varios cientos de libras de aislamiento acústico.

Como la NASA estuvo involucrada, afirman (parafraseando) :

Los chevrones son el patrón de diente de sierra que se ve en los bordes de salida de algunas toberas de motores a reacción. A medida que el aire caliente del núcleo del motor se mezcla con el aire más frío que sopla a través del ventilador del motor, los bordes moldeados sirven para suavizar la mezcla, lo que reduce la turbulencia que genera el ruido.

... El nuevo Boeing 787 se encuentra entre los jets más modernos que se basan en chevrones para reducir los niveles de ruido del motor. Tiene galones en las góndolas o carcasas de los ventiladores.

Creo que ambas respuestas son correctas, pero me gustaría dedicar algo de tiempo a describir los fenómenos que los cheurones intentan reducir para poder complementar las respuestas ya proporcionadas.

Entonces, ¿qué está pasando en un motor? Tenemos un gas caliente a gran velocidad saliendo del núcleo del motor, y otro gas a mayor velocidad que el aire exterior pero mucho más lento que el núcleo, encima, y ​​tenemos el flujo de aire exterior. En realidad me falta uno que explicaré más adelante.

Bien, entonces, entre flujos de aire con diferentes propiedades (especialmente velocidad diferente) hay una capa donde ambos flujos de aire se mezclan para crear uno diferente con propiedades promedio (decir promedio es una simplificación), la mezcla en una región llamada "capa de mezcla". Desafortunadamente, en los motores típicos, la forma en que ambas capas se mezclan es turbulenta. Aquí hay una imagen típica de una simulación de una capa de mezcla.

Esta mezcla turbulenta crea sonido. En realidad es fácil ver un fenómeno similar en una flauta. Si lo abres, puedes ver que cuando soplas estás introduciendo aire que llega a una cavidad donde se produce el sonido (en realidad, hay otro fenómeno, la resonancia, pero me gustaría ilustrar que la turbulencia crea sonido). Otro ejemplo es cuando agitas un objeto afilado en el aire (como una cuchilla); si lo hace lo suficientemente rápido, escuchará un sonido.

Ese fenómeno exacto ocurre alrededor de los motores, pero el sonido es más fuerte. ¿Por qué? Porque la diferencia entre velocidades es realmente alta. Un planeador parece silencioso aunque las alas actúen como aspas... pero la diferencia de velocidad no es tan grande.

Entonces, lo que sabemos ahora es que cuanto menor es la diferencia, menor es la turbulencia, más silencioso es el sonido. Esos galones que ves en el Boeing 787 en realidad tienen ese objetivo. En realidad, están creando otra capa de fluido a una velocidad intermedia entre el aire que pasa por la parte externa del motor (flujo secundario del ventilador) y el flujo externo, por lo que el salto de propiedades es menor, las turbulencias se reducen y el sonido es más silencioso.

Entonces, para mostrarte los flujos en un motor, tomé tu foto e introduje algunas flechas:

Básicamente, el aire azul procedente de la parte exterior de la góndola se mezcla con el aire procedente del ventilador (flecha roja). Tener los cheurones significa que algunas partes se mezclan antes que otras, creando una distorsión positiva en la capa de mezcla como "creando un tercer flujo". La flecha verde muestra el aire del núcleo del motor, pero hay otro flujo de aire entre el núcleo del motor y el ventilador, la flecha violeta.

Lo que se muestra en las respuestas anteriores para los motores Conway y JTD-8 son dispositivos que utilizan el mismo principio, pero en realidad no son lo mismo. En los motores a reacción anteriores no había un gran flujo secundario del ventilador como en la actualidad y la mezcla estaba directamente entre el núcleo del motor y el flujo externo, por lo que es el mismo principio, pero la gran diferencia entre las velocidades creó la necesidad de una mezcla más agresiva. Este dispositivo se llama kit de silencio .

Finalmente, para responder a su pregunta, no hay beneficio aerodinámico; hay una pena. El beneficio es aeroacústico.

Sin embargo, hay un beneficio indirecto: se reduce la cantidad de material de amortiguación acústica necesaria para que la cabina sea lo suficientemente silenciosa. Eso ahorra peso y, por lo tanto, combustible.

En realidad, antes se usaban trucos similares en los aviones Boeing para reducir el ruido de los aviones.

El Rolls-Royce Conway (como se usa en el Boeing 707) tenía un escape festoneado que mejoraba la mezcla del chorro y reducía el ruido del escape. Dado que el Conway también fue el primer motor de derivación operativo, la velocidad de escape más baja de este diseño ya ayudó a reducir el ruido. En el momento del desarrollo, los ingenieros esperaban que el motor se instalara en las raíces de las alas y, sin embargo, la relación de derivación era de solo 0,25.

También el JTD-8 del Boeing 737-100 usó un diseño de silenciador similar:

En todos los casos, la idea es aumentar la superficie entre los gases de escape rápidos y calientes y el aire ambiente y alargar el proceso de mezcla intensivo en ruido .

Consulte también esta pregunta para obtener más información.

El objetivo principal de los chevrones en los motores es reducir el ruido del motor.

La mayoría de los aviones civiles utilizan motores turbofan de alto bypass, que producen una cantidad significativa de ruido, especialmente en condiciones de alto empuje. El ruido de las aeronaves (motor) es especialmente crítico durante las fases de despegue y aproximación, ya que afecta a las personas en el área alrededor del aeropuerto y también a la tripulación de tierra. La reducción del ruido de los aviones ha sido una de las áreas de enfoque de los fabricantes de aeronaves civiles desde el (fallido) programa SST.

Fuente: adg.stanford.edu

Como se puede ver, el ruido del motor es quizás el contribuyente más importante para el ruido total de la aeronave. Por lo tanto, la reducción del ruido del motor se vuelve primordial. La mayoría de los motores turboventiladores de derivación alta tienen dos regiones de flujo: el núcleo central y el ventilador circundante. Estas regiones normalmente no se mezclan entre sí en la boquilla corta.

" Airbus Lagardère - GP7200 motor MSN108 (1) " por Dr Brains - Trabajo propio. Con licencia CC0 a través de Commons .

El siguiente esquema muestra el funcionamiento de un motor turboventilador de derivación alta típico utilizado en aviones civiles.

" Operación Turbofan " por K. Aainsqatsi - Trabajo propio. Licenciado bajo CC BY 2.5 a través de Commons .

Por lo general, las relaciones de derivación altas reducen el ruido. La fuente principal del ruido del chorro es la mezcla turbulenta de las capas de cizallamiento en el escape del motor. Estas capas de corte contienen inestabilidades que conducen a vórtices altamente turbulentos que generan las fluctuaciones de presión responsables del sonido.

[2012, V. Parezanovic] Fuente: http://www.berndnoack.com/

Una de las medidas para reducir el ruido es mezclar el núcleo y los gases de derivación de manera efectiva. La NASA llevó a cabo investigaciones en esta área y evaluó varias configuraciones diferentes.

Fuente: NASA- Innovaciones en Aeronáutica

Estos estudios revelaron que aunque los mezcladores lobulados reducían mejor el ruido, la pérdida de empuje asociada era mayor y los chevrones ofrecían la solución óptima. Luego se probaron dos soluciones, con pestañas y chevrones (vuelo simulado) en varias configuraciones.

Estas pruebas mostraron que la configuración con chevrones en las boquillas de los abanicos solo causó la menor reducción en el coeficiente de empuje. Esta probablemente fue la razón por la que se seleccionó.

Además de esto, se llevó a cabo una investigación para desarrollar sistemas que optimizarían la 'inmersión' del cheurón en el flujo del chorro en función de las condiciones de vuelo. Se desarrollaron aleaciones con memoria de forma activadas por calor que permitirían la inmersión total del chevron en el flujo del chorro durante requisitos de alto empuje (por ejemplo, durante el despegue) y no sumergirlo durante el crucero, donde la eficiencia del empuje es de mayor importancia.

Chevrones de geometría variable para control de inmersión (AIAA 2006-2546) (imagen de Boeing)