MDULO II. CARENAS. RESISTENCIA AL AVANCE

EL SISTEMA PROPULSIVO DEL BUQUE: LA HLICE

A principios del siglo XIX, el ingeniero checo Josef Ressel invent lo que hoy conocemos como hlice. Su objetivo era el de transmitir por medio de las palas la energa cintica que estas generan. Esto, es lo que hace la hlice.

La primera vez que utiliz la hlice como medio de propulsin fue en el curso del ro Krka en Carniola.

Aos ms tarde, en 1821, introdujo su invento en la ruta que comunicaba el puerto de Trieste con Venecia, servido por un vapor de ruedas, que era ineficiente.

Pero no fue hasta el 28 de Noviembre de 1826 que Josef pidi la patente austraca. En 1829 modific el Civetta, un barco a vapor, el cual zarp ese mismo ao.

Llevaba una hlice montada movida por una mquina de vapor. El buque lleg hasta los seis nudos, pero la prueba se trunc, ya que la mquina de vapor se rompi.

Ericcson hizo que la armada britnica se interesara en este nuevo invento.

Al cabo de poco tiempo se traslad a los Estados Unidos, cuya marina de guerra aplic la hlice a la mayora de sus nuevos barcos.

De esta forma, todas las embarcaciones mercantes del mundo empezaron a usarla y se empez a avanzar en el desarrollo de la tcnica nutica y de la navegacin.

Las autoridades prohibieron futuros experimentos, y, tras muchos intentos, en el ao 1843, Marc I. Brunel dise el buque Great Britain, el primer barco basado en el nuevo invento que revolucion la poca nutica de ese momento: la hlice.

La hlice usada en este buque se debe al ingeniero sueco John Ericcson. Esta hlice naval (patentada en 1836), basada en el concepto de J. Ressel, pero perfeccionada, pretenda reemplazar la rueda de paletas que se utilizaba entonces.

A partir de 1875 se empezaron a publicar los primeros fundamentos tericos de los procedimientos para el proyecto de hlices. Estos mtodos fueron evolucionando de forma progresiva, incorporando desarrollos realizados en el campo aeronutico.

En esos ltimos aos, se incorporaron los ordenadores en las tareas de diseo, cosa que permiti utilizar modelos matemticos cada vez ms complejos para realizar el diseo de las hlices marinas.

A mediados del siglo XX se realizaron extensos trabajos de investigacin, cuya finalidad era poder explicar de forma ms precisa los fenmenos de interaccin entre la hlice y el flujo que se desarrolla en la popa del buque.

1. DEFINICIONES

La hlice puede recibir muchas definiciones:

- Elemento formado por una serie de dispositivos que se denominan palas o labes, dispuestos de forma concntrica sobre un eje y que giran alrededor de ste en un mismo plano.

- Propulsor que accionado mecnicamente produce una fuerza o empuje a lo largo del eje de rotacin cuando gira en un fluido lquido o de gas.

- Conjunto de aletas helicoidales que giran alrededor de un eje y empujan el fluido ambiente produciendo en l una fuerza de reaccin que se utiliza para la propulsin de buques.

- Elemento que transforma la energa mecnica que se genera en el motor en fuerza impulsora.

- Elemento fsico que se instala o se conecta en el eje del motor. El motor se encargar de hacer girar la hlice a las revoluciones necesarias por minuto para ejercer la fuerza de presin del agua.

Las primeras hlices empleadas se usaron hace miles de aos y fueron para los molinos de viento y de agua. Actualmente, las hlices y todos sus dispositivos se usan para muchas cosas, pasando por un simple sistema de refrigeracin hasta la generacin de electricidad o la propulsin de medios de transporte, como el buque.

El tamao de la hlice est condicionado por dos factores: su dimetro total y el peso de las palas (inclinacin de las palas y capacidad de impulsar agua).

Un dimetro pequeo est asociado a un motor de pequea potencia.

La hlice perfecta debera pesar lo mnimo, ser lo ms rgida posible, no verse alterada por el entorno marino y que se pueda reparar con facilidad.

Por todo esto, un buen material de construccin seria el titanio, ya que es inmune a la oxidacin, liviano y muy tenaz.

Pero como desventajas encontramos su elevado precio y su dificultad para trabajarlo y repararlo.

El funcionamiento de la hlice se debe al diferente flujo que se produce entre las caras activa y pasiva, debido a la forma de las secciones de la pala y a su ngulo de ataque (paso de la hlice).

Este diferente flujo provoca un empuje, por las diferencias de presin que aparecen, de manera similar a como ocurre en las alas de un avin.

El resultado es que cada pala produce un empuje en la direccin del avance del barco, gracias al movimiento rotatorio del conjunto.

Partes de la hlice

- Eje: barra donde se monta la hlice y que la hace girar.

- Ncleo: cuerpo central donde se afirman el eje a las palas.

- Capacete: pieza en forma de capuchn que protege el agujero para que no entre agua.

- Pala: piezas que salen del ncleo. Produce empuje de la embarcacin mediante el giro.

Caractersticas

- Paso: avance cuando da una vuelta completa.

- Retroceso: diferencia entre el avance hipottico y el avance real.

- Dimetro: circunferencia circunscrita a los extremos de las palas.

- Sentido de giro: dextrgiras (paso a la derecha mirando desde proa) o levgiras (paso a la izquierda).

3. PUNTOS MS IMPORTANTES DE UNA HLICE

1. Dimetro El dimetro es el crculo mximo que describen los extremos de las palas

en su rotacin. En una lnea de hlice dada, el dimetro suele incrementarse en las hlices utilizadas en embarcaciones lentas y disminuye en las rpidas.

Si todas las variables son constantes:

- El dimetro se incrementar cuando se aumente la potencia utilizada.

- El dimetro crecer cuando las revoluciones por minuto de la hlice disminuyan (menor velocidad del motor y/o mayor reduccin del engranaje).

- El dimetro debera incrementarse al aumentar la superficie de la hlice.

Si nos fijamos en la figura que viene a continuacin, vemos las distancias de proteccin de la hlice, mirando el % del dimetro de la hlice.

1. Distancia mnima entre las puntas de las palas y el casco (17%)

2. Distancia mnima entre las puntas de las palas y la quilla (4%)

3. Distancia mnima entre el dormido de popa y la hlice a un 35% del dimetro de la hlice (27%)

4. Distancia mxima entre la hlice y el timn a un 35% del dimetro de la hlice (10%)

5. Distancia mxima al extremo del eje libre (4 veces el dimetro del eje)

Como conclusin:

- Las distancias a las puntas de las palas deben ser lo ms pequeas posibles dentro de las normas para que la hlice pueda ser lo ms grande posible.

- La distancia entre la hlice y el timn debe ser pequea para mantener el control de la direccin.

- La distancia entre el dormido de popa y la hlice debe ser grande.

2. Pitch

El pitch de una hlice es el desplazamiento que hace una hlice en un giro de 360.

El pitch es la distancia terica que una hlice se movera a travs del agua en cada revolucin. Por ejemplo, si tenemos una hlice de 17 pulgadas de paso, est avanzar 43 cm (17 pulgadas) por cada vuelta completa asumiendo que no hay deslizamiento, es decir, en un medio slido.

En el agua, la hlice avanza con menos desplazamiento por culpa del deslizamiento.

3. Rake

El rake o el paso o la cada de la hlice es la curvatura o ngulo en que las palas toman de inclinacin hacia delante o hacia atrs en relacin con el eje propulsor. En la figura que tenemos a continuacin tenemos dos ejemplos de diferente rake.

Se representan casos distintos de paso menor y mayor.

Desde el punto de vista del motor, la longitud y el rake afectan en su funcionamiento.

Si la hlice tiene mayor paso (mayor resistencia), mayor ser la cantidad de agua recogida por la superficie de la hlice y, en consecuencia, el motor perder algunas revoluciones por minuto.

En cambio, a menor paso (menor resistencia), menor ser la cantidad de agua recogida por la hlice y el motor ganar revoluciones por minuto.

En la imagen que tenemos a continuacin, observamos el flujo de agua interceptado por las hlices (lneas de color rojo) de menor y mayor rake. A mayor rake, mayor cantidad de lneas de flujo de agua intercepta nuestra hlice, en consecuencia, mayor ser la cantidad de agua que se ponga en movimiento.

4. Cup

El cup de una hlice es una especie de taza en el borde de la salida del agua de la hlice con forma de cuchilla. El labio de esta curva en la salida de la hlice es la que le permite obtener un mejor corte en el agua. Todo esto provoca una reduccin de la ventilacin, ms deslizamiento y permite una mejor salida de agua en muchos casos.

2. TIPOS DE HLICES

A) SEGN EL NMERO DE PALAS

Una hlice de una pala sera lo ms deseable si sta pudiera tolerar la vibracin.

De esta forma, para obtener un nivel aceptable de equilibrio con mucha menos vibracin, lo mejor es utilizar una hlice de dos palas. Al aadirse palas, el rendimiento disminuye, pero tambin el nivel de vibraciones.

La mayora de hlices estn compuestas por tres palas formando un compromiso entre vibracin, tamao adecuado, rendimiento y coste. La diferencia de rendimiento entre una hlice de dos o tres palas se considera menos significativa que la diferencia de vibraciones.

El argumento tradicional dice que las hlices de cuatro o ms palas son para barcos ms lentos, y las de tres o menos palas son las ms adecuadas para barcos ms rpidos. A pesar de esto, hay otros factores, como el consumo de carburante, el rendimiento y la aceleracin en la arrancada que se tienen que tener en cuenta a la hora de escoger una hlice.

Pasar de tres a cuatro palas significa aumentar la superficie de palas en contacto con el agua y, por lo tanto, aumentar la capacidad de desplazamiento de agua y el empuje del motor.

Para que el motor trabaje de forma ms eficiente con ms palas, stas debern tener menor ngulo de ataque (paso de la hlice). Es decir, para un mismo motor, una hlice de cuatro palas debera tener un paso menor para permitir que el motor pueda trabajar a las mismas revoluciones que con una hlice de tres palas.

Las mejoras al utilizar una hlice de cuatro palas darn:

- Mayor aceleracin.

- Mejor tiempo de planeo.

- Mejor control del buque en bajas y medias velocidades.

- Ganancia en la eficiencia del combustible (en muchas ocasiones).

- Mejor capacidad de arrastre para grandes cargas.

- Capacidad para navegar en mala mar y disminuir los fenmenos de ventilacin y de cavitacin.

Todo esto ocurre a pesar de que en teora se disminuye el rendimiento de la hlice al aumentar el nmero de palas.

Hlices monopalas

Hlices de una pala. Para compensar el efecto de la ausencia de la masa que le falta a la pala, se suele fabricar con una masa pequea colocada en la raz de la pala. Tiene su mejor aplicacin en modelos de velocidad pura.

Hlices bipalas

Hlices de dos palas. Suelen ser las de uso ms extendido en veleros por su sencillez de uso y fabricacin. No presenta notable resistencia al avance.

Hlices tripalas

Hlices de tres palas colocadas a 120 entre s. Confieren a los modelos un sonido y aspecto realsticos, por lo que son muy utilizadas en el mundo de las maquetas.

Hlices de ms de tres palas

Existen hlices de cuatro, cinco y ms palas, pero su uso no est muy extendido en las embarcaciones de recreo debido a la poca variedad que tienen de tamao y aplicaciones. Su uso queda reducido prcticamente al uso de las maquetas o en grandes buques mercantes.

B) SEGN SU FORMA Y MATERIAL DE CONSTRUCCIN

Las formas y el material que se usan en la construccin de las hlices son tan variables como tipos de embarcacin en las cuales se las va a utilizar. Pero se pueden distinguir dos tipos de hlices en funcin de su construccin: modulares y moldeadas.

1. Modulares

Hlices utilizadas en barcos de gran porte. Su construccin se basa en el ensamblado de grandes piezas de material, normalmente acero, y que en conjunto forman la propela totalmente armada.

2. Moldeadas

Hlices utilizadas en barcos de eslora mxima no superior a 200 pies (60 metros aproximadamente). Son de una sola pieza de fundicin montada sobre un mango elstico sobre el eje de la misma.

Por norma general es de goma o de material similar y sirve para amortiguar los golpes que pueda recibir la hlice estando en funcionamiento.

Actualmente se construyen hlices ntegramente de materiales plsticos y polmeros basados en la estructura del nylon, ofreciendo varias ventajas, como poco peso, gran resistencia y bajo precio.

B) MATERIALES DE CONSTRUCCIN:

Los materiales pueden ser:

Aluminio

Las hlices de aluminio son las ms utilizadas por los motores de uso general. Como ventajas encontramos su bajo coste y su facilidad en romperse en caso de colisin con algn elemento duro sumergido. De esta forma protege los dispositivos ms delicados del motor.

Por el contrario, el aluminio es un material muy quebradizo y con el tiempo su superficie se vuelve porosa y frgil perdiendo ductilidad.

Bronce

Las hlices de bronce tienen una gran resistencia al deterioro que causa el agua en los materiales metlicos que componen los dispositivos de propulsin, sobre todo aquellos que actan en medios con una salinidad muy alta, como el agua marina. De cierta manera absorben los golpes, ya que permiten algn grado de deformacin.

Acero inoxidable

Las hlices de acero inoxidable son las preferidas por los navegantes, pero no las ms recomendadas. Su extrema dureza le preserva de roturas y deformaciones a la hora de colisiones, pero el esfuerzo que no es absorbido es transmitido de forma peligrosa a los elementos de transmisin. Tambin es relativamente liviana y prcticamente son inmunes a los ataques qumicos del agua. Otra desventaja que tiene este tipo de hlices es su elevado coste.

Acero al carbono

Este tipo de hlices estn construidas ntegramente con acero al carbono de baja dureza. Esta aleacin permite absorber ms y mejor los golpes, ya que presentan un cierto grado de ductilidad que les permite a las palas que se deformen sin romperse.

Como ventaja tambin encontramos su resistencia a la salinidad y su bajo peso. Por lo que refiere el precio, se encontrara por encima de las hlices de aluminio, pero por debajo de las hlices de acero inoxidable.

Las hlices de carbono son utilizadas en equipos de alto rendimiento. Renen las mejores ventajas de cada tipo de material usado en la construccin de las hlices. Su nica desventaja es su elevado precio.

C) SEGN SU SISTEMA DE PROPULSIN

En este apartado encontraremos todos los tipos de hlice en funcin de cmo trabajan este tipo de hlices. Adems veremos los sistemas de propulsin ms avanzados que existen y que ya se utilizan en algunas embarcaciones.

1. Hlices de paso fijo

Este tipo de hlices es la ms comn debido a su relativo bajo precio. Tambin se conocen como de paso constante; lo que significa que el paso en toda la superficie del aspa, exceptuando sus ngulos, no cambia. Estas hlices se utilizan en la mayora de embarcaciones comerciales, como pueden ser remolcadores, pesqueros de diferentes tipos (arrastreros), etc.

SEGN SU SISTEMA DE PROPULSIN

2. Hlices de paso variable

Como acabamos de comentar, la mayora de las hlices son de paso fijo, es decir, tienen un paso constante, pero hay algunas aplicaciones especiales (grandes buques o embarcaciones de alta velocidad) donde es necesario obtener la mxima eficiencia posible.

En este tipo de hlices, el paso puede variar en cada radio dependiendo del diseo, pero lo ms comn es encontrarse aquellas donde usualmente se reduce el paso cerca de las puntas para reducir la presin de las aspas y la posibilidad de cavitacin.

SEGN SU SISTEMA DE PROPULSIN

3. Hlices de paso controlable

Este tipo de hlices permiten al operador ajustar el paso a voluntad dependiendo del tipo de operacin que se tenga que realizar. Esto es debido al mecanismo hidrulico o mecnico que permite que las aspas giren sobre su propio eje. Ofrecen una gran ventaja en cuanto al costo de operacin, pero son considerablemente ms caras que las slidas.

SEGN SU SISTEMA DE PROPULSIN

4. Hlices de extremos de pala cargados

Existen diversas patentes, que se diferencian en la forma y disposicin de las placas de cierre.

Este tipo de hlice incorpora unas placas de cierre en los extremos de las palas que permiten que la distribucin radial de empuje en la pala tenga su mximo ms cerca del extremo, mejorando de esta forma su rendimiento.

La resistencia mecnica de las palas es ms crtica que en una hlice convencional.

5. Hlices contrarrotativas

Son hlices de palas fijas montadas coaxialmente en el mismo eje. Se caracterizan por una mayor eficacia propulsiva, al incrementarse el rendimiento rotativo relativo.

Su diseo es muy complejo, debido a los problemas de cavitacin que pueden aparecer en la segunda hlice, por lo que se utilizan muy raramente.

6. Propulsores de eje vertical

Consisten en un disco que gira alrededor de un eje vertical y del que cuelgan varias palas. Estas van cambiando su posicin durante el giro, de tal manera que adoptan siempre un ngulo conveniente como para que el empuje siempre se produzca en la direccin deseada.

El propulsor acta tambin de timn y de mecanismo de inversin de marcha, proporcionando gran maniobrabilidad.

SEGN SU SISTEMA DE PROPULSIN

1. Sistemas de tobera

Las hlices en tobera estn rodeadas por un perfil hidrodinmico, cuya principal ventaja es el incremento del empuje, cerca del 40%. Existen diferentes tipos de perfiles que reducen la velocidad, pero ya hay nuevos diseos que la aumentan comparadas con cualquier hlice standard. Hay toberas diseadas para obtener el mximo desempeo hacia delante y otras para ambas direcciones, es decir, empuje hacia proa y hacia popa. El flujo de agua se acelera en el disco de la hlice debido a la presencia de la tobera.

Esto permite aumentar el coeficiente de estela y el rendimiento de la hlice. ste rendimiento es notable cuando el resbalamiento de la hlice es importante, como ocurre en los remolcadores.

Existen sistemas que permiten que se pueda girar la tobera alrededor de un eje vertical. De esta manera el propulsor se puede hacer utilizar como timn.

Diferencia entre hlices con y sin tobera

2. Azimutales

Opcin ms avanzada cuando la maniobrabilidad es realmente valiosa para la operacin del barco, ya que estos sistemas giran 360 y el empuje puede direccionarse hacia cualquier lado. Sus ventajas principales son la eficiencia elctrica, su mejor uso del espacio y menores costes de mantenimiento.

Los buques con este tipo de hlices no necesitan remolcadores para atracar, aunque los requieren para maniobrar en lugares difciles. Existen con o sin tobera y se aplican para embarcaciones comerciales que operan por debajo de 14 nudos.

3. Water Jets

Estos propulsores a chorro consisten en una turbo bomba que aspira el agua del mar y la expulsa a gran velocidad a travs de una tobera, orientable en la mayora de los casos, lo que permite la maniobra. Este sistema tiene un gran rendimiento para altas velocidades, mientras que es muy poco eficiente para bajas velocidades.

Las calificamos como hlice debido a su parecido, pero realmente acta ms como bomba que como hlice, ya que est instalado en el interior del buque.

4. Dobles hlices SCHOTTEL

Es el sistema de propulsin superior para todo buque en el rango de media velocidad.

Este sistema convierte la potencia del motor en la potencia de empuje ptima y brinda la posibilidad de rotacin de la parte sumergida en 360, posibilitando de esta forma que el total de la potencia de entrada sea usada para la maniobra de la embarcacin.

Las dos hlices giran en la misma direccin.

Las caractersticas que nos proporciona el principio hidrodinmico son:

- Distribucin de la potencia entre dos hlices disminuye la carga en la hlice aproximadamente un 50%.

- Recuperacin de las prdidas rotacionales de la hlice frontal por medio de un sistema de difusor integrado que consiste en ejes y aletas.

4. SELECCIN DEL TIPO DE HLICE La seleccin de una hlice de palas fijas o de palas orientables para una

aplicacin particular tiene diferentes factores. Estos factores pueden determinarse para conseguir el mximo rendimiento respecto a:

- Limitacin de ruido.

- Facilidad de mantenimiento.

- Coste de la instalacin.

A. TAMAO

La determinacin del dimetro de la hlice para una potencia a una velocidad de la hlice y una velocidad del buque es bastante complejo. Para algunas hlices existen procedimientos matemticos, pero tambin se pueden dirigir directamente las cuestiones al fabricante de la hlice.

El tamao de una hlice no se puede calcular solo de forma terica, sino que tambin se tiene que adaptar al buque.

El buque debe disponer del espacio suficiente para la hlice, incluyendo un huelgo suficiente entre la hlice y el casco. Debido a los efectos hidrodinmicos y/o de cavitacin, el casco del buque y el timn pueden ser excitados mecnicamente, lo que puede causar fuertes vibraciones en la popa y en el timn, con la posibilidad de fallos mecnicos.

B. SENTIDO DE GIRO

El sentido de giro puede tener consecuencias respecto a la maniobrabilidad y el rendimiento.

C. RENDIMIENTO

Se ha detectado y comprobado que el giro presente en el campo de la estela, debido al flujo alrededor del buque, en el disco de la hlice puede conducir a un incremento en el rendimiento de la hlice cuando el sentido de giro de la misma es opuesto al sentido de giro del campo de la estela.

D. SELECCIN DEL NMERO DE PALAS

El nmero de palas vara, normalmente, de tres a siete. Para los buques mercantes se utilizan cuatro, cinco o seis palas, pese a que muchos remolcadores y buques pesqueros utilizan normalmente hlices con tres palas. En aplicaciones navales militares, donde el ruido generado es un factor muy importante, predominan hlices de cinco palas como mnimo.