Hélices: es el elemento propulsor de una embarcación equipada con motor.
Las hélices convierten la energía de rotación generada por el motor, en el empuje necesario para el desplazamiento de un barco. Descontando el diseño de esta, cuanto más grande sea, más eficientemente trabajará. El problema radica en conseguir un equilibrio entre este tamaño y la capacidad del motor para hacerla rotar a su régimen de trabajo idóneo.
Su tamaño: Queda definido por dos datos; El diámetro total de la hélice y el paso de sus palas, es decir lo inclinado que están y por tanto la capacidad de impulsar agua. Estos dos datos son los más importantes para diferenciar una hélice de otra.
Generalmente un diámetro pequeño se corresponde con un motor de pequeña potencia, o con un barco diseñado para desplazarse a mucha velocidad.
El paso de la hélice se corresponde con el avance teórico que genera la hélice al girar esta una vuelta. Puesto que el agua es un medio no sólido y por tanto se producen rozamientos y deslizamientos, el avance real será siempre a regímenes de funcionamiento óptimos, algo inferior al teórico.
Paso: es lo que una hélice avanzaría teóricamente, en un medio sólido al dar una vuelta completa.
Retroceso: como la hélice se mueve en líquido, la pérdida sobre el avance teórico en un medio sólido se denomina retroceso.
Diámetro: distancia entre las puntas de la palas opuestas.
Levogira: en marcha avante gira en sentido contrario a las aguas del reloj (izquierda).
Materiales – Pueden ser de muchos tipos, entre ellos de aluminio, acero inoxidable, bronce, o materiales compuestos. Las hélices en ‘composites’ trabajan bien y no son muy caras. Las de bronce y acero inox son las que ofrecen las mejores prestaciones y duración frente al paso del tiempo, y son muy adecuadas para barcos que se desplacen a mucha velocidad:
Una hélice perfecta debería pesar lo mínimo, ser lo más rígida posible, no verse alterada por el entorno marino y poderse reparar con facilidad. Por todo ello un material muy indicado si no fuera por su elevado precio y dificultad para trabajarlo y repararlo sería el Titanio que es totalmente inmune a la oxidación, liviano y muy tenaz.
En cualquier hélice es importante tener suficiente superficie de palas, capaz de distribuir la potencia del motor entre las distintas palas y por tanto tener una superficie suficiente para desplazar todo el volumen de agua que la potencia del motor permita. Palas demasiado pequeñas causan ‘cargas’ muy altas, lo que significa que la hélice no es capaz de absorber toda la potencia transferida por el motor. El resultado es lo que conocemos como cavitación, vibraciones y en algunos casos extremos ‘picaduras’ en las palas.
Cavitación: Cuando una hélice gira sus palas expulsan el agua hacia atrás, dejando un vacío que es inmediatamente ocupado por nuevas moléculas líquidas. Si la velocidad de giro sobrepasa ciertos límites, el agua expulsada lleva tal fuerza que impide que el vacío formado pueda ser ocupado por otras moléculas de agua.
Este fenómeno se llama cavitación, la cual se manifiesta en un aumento del número de revoluciones (giro en vacío) ruidos, vibraciones y formación de espuma en la popa. El fenómeno de la cavitación está directamente relacionado con la depresión que se crea en la cara anterior de las palas de la hélice.
Por principio de Física sabemos que la temperatura del agua varía en función de la presión atmosférica: el agua hierve a 100º C (si está situada a nivel del mar) pero lo hace a menor temperatura si se sitúa en el alto de una montaña; ello es debido a que la presión atmosférica es menor. Pues bien, las palas de una hélice girando a gran velocidad crean tal depresión en su cara anterior que el agua hierve a temperatura ambiente; las burbujas que salen entonces de la hélice no son de aire, sino estrictamente de vapor de agua. Estas burbujas se desplazan rápidamente hacia atrás, hasta encontrar una zona de mayor presión donde volverán a convertirse en agua implotando (lo contrario de explotar) contra las propias palas de la hélice y arrancando en cada choque una microscópica partícula de metal.
El origen de las burbujas está en el borde de ataque de la hélice, pero el daño se manifiesta en la parte posterior con el aspecto de una corrosión, que va retrocediendo en su proceso destructivo hasta el centro de la pala.
Una hélice en cavitación puede consumirse por completo en el plazo de pocos días.
La cavitación se manifiesta con mayor intensidad cuanto mas rápido es el barco, cuanto mas deprisa giran las hélices. Se evita reduciendo las revoluciones del motor y aumentándolas paulatinamente. La cavitación disminuye, así mismo, el rendimiento del motor.
¿Por qué empujan las hélices?
En principio podríamos entender el funcionamiento de las hélices por dos caminos distintos que no son más que las dos caras de una misma moneda.
Algunos lo explican con la comparación de un ‘saca corchos’ que al girar avanza penetrando en el corcho (que sería el agua). Esta comparación es una aproximación muy simplista y adecuada sólo para hélices de palas muy anchas con las que la velocidad del agua desplazada es muy lenta.
Pero el agua no es como la madera o el corcho del ejemplo anterior. Al ‘penetrar’ la hélice, el agua es empujada hacia atrás, pues no es un sólido rígido, actuando una ley de la física, conocido como el principio de acción-reacción.
Tanta agua empujemos hacia atrás, tanto barco es empujado hacia adelante. Si por ejemplo, la hélice empuja 100 kilos (masa) de agua a 50 kilómetros por hora, y si nuestro barco pesara solo 100 kilos, este se movería a también 50 kilómetros por hora (descontando las perdidas de potencia y rozamientos). Pero si nuestro barco pesase 200 kilos, entonces se movería a la mitad de velocidad, 25 kilómetros por hora. Se conserva la cantidad de movimiento (masa de agua x velocidad de agua = masa de barco x velocidad de barco)
Puesto que el agua es un fluido, para que se produzca un empuje, tiene que haber una masa de agua desplazándose hacia atrás. Si la hélice avanzase en el agua como un saca-corchos, no habría ningún empuje. Es el caso de la hélice de un velero en punto muerto y arrastrada por el movimiento del barco. El eje del motor se mueve, la hélice gira sin producir ningún empuje.
Pero para que se produzca empuje necesariamente la hélice tiene que trasladar agua hacia atrás. Y trasladará más agua, cuanto menos avance la hélice respecto a su paso de avance teórico. Si por ejemplo una hélice tiene que avanzar 30 centímetros en cada vuelta (su paso de avance) eso es justamente lo que hará en el caso anterior del velero con el motor parado y el eje en punto muerto. Podríamos medir las revoluciones del eje para utilizarlo como corredera y medir la velocidad del barco. En el ejemplo anterior, si midiéramos 500 revoluciones por minuto, sabríamos que en ese minuto el barco habría avanzado 500 x 30 centímetros, es decir 150 metros/minuto que es más o menos 5 nudos.
Pero cuando el motor funciona, por cada vuelta de hélice, en vez de avanzar los 30 centímetros del ejemplo anterior, solo avanzará por ejemplo unos 25 centímetros. Es como si ‘resbalara’ esos 5 importantes centímetros. Decimos ‘Importantes’ porque son justamente esos centímetros los que trasladan agua hacia atrás y por tanto los que producen ‘empuje’.
Entender en detalle el funcionamiento de las hélices tiene mucha ‘tela’ pues el agua tiene distinta presión cuanto más profunda sea, y la pequeña diferencia de presión entre la parte superior del agua y la que toca a la parte inferior de la hélice es muy apreciable. De hecho esta diferencia de presión es la que provoca el empuje lateral que hace que el barco tenga tendencia a ‘irse’ a babor o estribor dependiendo del sentido de giro de la hélice.
Hélices de paso controlable. (C.P.P.)
Las hélices de paso controlable ( C.P.P. de sus siglas en inglés "controlable picth propeller") son hélices capaces de controlar el ángulo de paso de sus palas gracias a un sistema hidráulico o hidromecánico , para satisfacer la demanda de propulsión aplicada.
En la ilustración de abajo se muestran ejemplos de los dos sistemas de hélices de paso controlable mas usados:
En el ejemplo mostrado en la parte superior de la ilustración, se muestra el sistema de servo integrado en el cubo de la hélice, con tubos concéntricos en el interior del eje por los cuales se envía el fluido hidráulico para las posiciones de avante, atrás y retorno o presurización de cubo.
En el ejemplo mostrado en la parte inferior de la ilustración, se muestra el sistema de servo integrado en la caja de engranajes,con un mecanismo en el interior del eje, que transmite el movimiento avante/atrás hasta el cubo de la hélice.
Este tipo de hélices dependen para su funcionamiento de un sistema de control de demanda de la propulsión con cierto grado de complejidad y adaptados a las necesidades de cada buque en particular y a las características de su planta propulsora.
BREVE VOCABULARIO SOBRE LAS HÉLICES
Aireación. Efecto de absorción de aire por las palas de la hélice debido a la proximidad de éstas con la superficie del agua, o inducido por la carena de la embarcación; es sinónimo de ventilación.
Cavitación. Turbulencia del agua en las palas debida a una perturbación en el paso del flujo en las palas de la hélice. El agua, entonces, se transforma en vapor que produce una energía parásita que puede llegar a quemar el metal.
Contrarrotación. Para anular el efecto de par (véase efecto de par) que afecta a la conducción y endurece el timón de una embarcación, es posible, a condición de disponer de dos motores aptos para la contrarrotación, equiparlos de hélices que giren en sentido contrario. De este modo se neutraliza el par de inversión que produce cada una de las hélices.
C.P.P. (de sus siglas en inglés "controlable picth propeller"). Hélice de paso controlable.
Cuchillas. Es el nombre que familiarmente se utiliza en los ambientes de competición para designar las hélices cuyas palas tienen un borde de salida ancho y rectilíneo y un borde de ataque afilado y curvo como el filo de un cuchillo.
Cup. Es la concavidad dada a la pala de una hélice (motores fueraborda o Z Drive) con el fin de mejorar su rendimiento en el terreno de la velocidad pura. Con el mismo paso, una hélice deportiva puede permitir bajar el régimen del motor hasta 300 rpm por debajo de su máximo.
Diámetro. Hace referencia al diámetro exterior de la hélice, es decir, la distancia del centro del cubo hasta el extremo de la pala, multiplicado por dos.
Efecto de par. También “par de inversión”, es la fuerza de rotación de la hélice que genera una fuerza contraria. Si la hélice gira en sentido de las agujas del reloj, tiende a llevar el barco hacia babor. Si gira en sentido contrario, la embarcación tiene tendencia a ir hacia estribor. En marcha atrás, este fenómeno se invierte.
Paso. Es la distancia – por lo general expresada en pulgadas – que recorre la hélice después de efectuar una revolución completa. Por ejemplo, una hélice de 17 pulgadas avanza, en teoría, 43 cm en un giro.
Picking o Pitting, con este término designan los profesionales la quemadura provocada en las palas por la cavilación. Es un fenómeno que afecta en especial a las hélices de aluminio (más frágil que el acero inoxidable).
Rake. Es el grado de inclinación de la pala hacia atrás en relación a una línea imaginaria trazada en la perpendicular del cubo de la hélice. Las hélices para embarcaciones de recreo disponen de un rake que va de 5 a 20 grados, mientras que determinadas hélices de alto rendimiento pueden alcanzar hasta 30 grados de rake, lo que quiere decir que tienen un perfil hidrodinámico más plano. Ventilación. Por lo general, se debe a una inmersión insuficiente de la hélice, que toma aire al mismo tiempo que agua. Asimismo, se puede producir por una colocación demasiado elevada del motor o de un trim excesivamente positivo, que en el momento de hacer viradas cerradas crea una perturbación en el flujo de agua que alimenta la hélice. La ventilación se nota por un ruido característico y produce, a la larga, una erosión de la pintura de las palas.
HÉLICES ESPECIALES
Hélices de palas plegables
Hélices de palas plegables: se instalan en motoveleros y poseen un mecanismo que permite plegar las palas a los fines de reducir la resistencia al avance de la embarcación en las ocasiones que la misma se encuentra navegando a vela.
Hélices entubadas o "thrusters"
Son hélices especiales que son integrales a un tubo, que direcciona el chorro propulsor de manera que el conjunto funciona como propulsor y/o como timón, ya que hace posible guiar el chorro propulsor en distintas direcciones de acuerdo a la demanda.
Sistema conocido como "Stern thruster" que se instala en la popa del barco.
Sistema conocido como "Bow thruster" que se coloca en la proa del barco.
La potencia a la hélice se transmite a través de motores eléctricos o hidráulicos.
Existen trhusters fijos, de movimientos laterales y/o azimutales.
Populsor acimutal
Consiste en una hélice con eje vertical sobre el que puede darse un giro 360º. De esa manera,el propulsor puede orientar su impulso mejorando la maniobrabilidad y en casos,que sea innecesario el uso del timón.
La primera propulsión acimutal fue concebida en 1955 y desde entonces,se ha instalado en remolcadores,buques offshore,buques de crucero,ferries y especialmente los que necesitan maniobrar mucho. Este tipo de propulsores viene aplicándose cada vez en mayor medida,tanto en embarcaciones deportivas como en grandes buques,ya que les confiere una maniobrabilidad absoluta y muy diferente a los sistemas de propulsión convencionales además de otras muchas ventajas.
Estos sistemas pueden disponer de hélices de paso fijo o variable,siendo las de paso fijo las más utilizadas para remolcadores,transbordadores y barcos de abastecimiento. Por otro lado también pueden disponer de propulsores retráctiles,que se utilizan como propulsión auxiliar para posicionamiento dinámico en los buques.
Estos propulsores pueden girar sin necesidad de una línea de ejes rígida,sino con un motor eléctrico acoplado perpendicularmente al propulsor en un contenedor,denominado Pod.
Hélices contrarrotativas (CRP)
Thruster con hélices contrarrotativas.
Thruster azimutal con hélices contrarrotativas llamado también "Pod"
Hélices CLT
Las hélices Contracted Loaded Tip (CLT) tienen una importante carga en el extremo de las palas gracias a la colocación de placas de cierre en los extremos de la pala, que actúan como barrera para evitar la comunicación de agua entre ambos lados, y al apropiado diseño de la geometría de la pala y de la distribución radial de carga. Las placas de cierre están situadas de forma que produzcan la mínima resistencia viscosa y por lo tanto son paralelas al flujo entrante y adaptadas al movimiento relativo del agua, teniendo en cuenta la contracción de la vena líquida.
La depresión en la cara de succión originada por una hélice CLT es mucho menor que para una hélice convencional equivalente mientras que la sobrepresión aguas abajo es mucho mayor.
Las hélices CLT incrementan el rendimiento, reduce el riesgo de cavitación (y en consecuencia el ruido radiado) sin utilizar otras soluciones como toberas, hélices contrarrotativas, etc.
Gráficos de palas de hélices CLT
______________________________________________________________________________________Existen mas tipos de propulsores y configuraciones como los Propulsores de eje vertical Voith-Schneider o los Propulsores a chorro o hidrojet.
Ejemplo de propulsores a chorro
ENLACES RELACIONADOS
TRANSMISIONES, LÍNEAS DE EJE Y HÉLICES Parte 1
MTD UNIDAD 14 EMBRAGUES Y CAMBIO DE MARCHA
Mecanismos (Operadores de Movimiento)
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FUENTES:
M.J.D.
http://www.fondear.org/infonautic/Barco/Motores_Helices/Helices_Empuje/Helices_Empuje.htm
http://www.fondear.org/infonautic/Equipo_y_Usos/Equipamiento/Helices/Helices_marinas.htm
https://nauticajonkepa.wordpress.com/2007/11/08/tecnologia-naval-2/
http://www.masson-marine.com/
http://sistemar.sarein.com/HélicesCLT/
