HELICES

                                               Por Ing. Naval Roberto R. Alonso

  

Voy a tratar de resumir los conceptos fundamentales y características  que definen a este  equipo principal de propulsión mecánica.

Obviaremos entrar por su complejidad en los análisis matemáticos de los métodos para calcular cual es la hélice mas eficiente para un determinado tipo de motor y casco;  pero es necesario tener un conocimiento básico para hablar con alguna propiedad sobre este mecanismo que adorna mas de un escudo y decora como símbolo inconfundible náutico aún cuando no está en uso.

            Para los que deseen bucear mas profundo en el cálculo de las hélices acotaré que  este gran invento que algunos autores le adjudican en sus esbozos iniciales  al genial Leonardo da Vinci y que otros asignan allá por en el año  1802 al coronel americano e inventor John Stevens. Fue basado en el concepto del “disco impulsor” como conclusión de la 1º Teoría de la Cantidad de Movimiento .

La realidad indicó que en ese estadio de análisis no se podían obtener ni relaciones ni medir eficiencia alguna de este invento que, originariamente estaba destinado a competir con las ruedas de paletas que salían como molinos hidráulicos a ambas bandas de los buque con propulsión mecánica mas antiguos o mas destacadamente  en la popa en los románticos vapores fluviales que surcaron el Mississippi. A la par de incómodas e ineficientes durante los rolidos excesivos  en aguas abiertas, las paletas fueron paulatinamente  condenadas desde que se vieron los buenos resultados de las primeras aplicaciones prácticas  de las hélices en buque mayores.

            El siguiente camino de cálculo que se abordó para entender con mayor propiedad su principio de funcionamiento nos  aparece asentado  como 2º “Teoría de los Elementos de Pala”. Esta teoría fijó ya  las relaciones entre la fuerza aplicada (par torsor del motor) y, el empuje obtenido. La teoría avanzó mas prolijamente considerando a la pala de la hélice constituida por “franjitas elementales “ o superficies separadas desde el centro del eje en rotación según el radio. Impuso  definiciones para el cálculo en estas franjas elementales como: Superficie Proyectada – Superficie Desarrollada  (que es la que mas se aproxima al área elemental de empuje aplicado) y, la definición de   Superficie Expandida. Como se observó mas tarde esta teoría erró  conceptualmente al considerar la eficiencia de la hélice en un líquido ideal = 1.

            Pero la teoría que trajo la luz al nuevo mundo para este  “tirabuzón del agua” fue la llamada “Teoría de la Circulación” (que no tiene nada que ver con los cortes de ruta ni los piqueteros)  pero  que tan bien fuera desarrollada por Kuta Jukoski para la sustentación de los aviones. Gracias a esto los investigadores Prandtl; Betz y Hembolt desarrollaron su aplicación en hélices de barcos tal cual hoy nos servimos de ellas.

            Este teorema de Kuta Jukoski  dice : “Que si un perfil del tipo alar se desplaza respecto al fluido a una velocidad V, se originará una fuerza de sustentación normal a la velocidad V que es posible calcular”

            Este es el concepto fundamental del elemento geométrico que  hace útil la energía rotativa originada en un motor alternativo  a pistones ,transformándola en un empuje axial por medio del eje  en el sentido de avance del barco.

                       

¿QUE ES EL PASO DE LA HÉLICE?

 

            Aunque la hélice que tengamos delante tenga dos , tres o cuatro palas “el paso” se define como la medida (en pulgadas o metros)  que recorre una pala al girar sin resbalamiento una vuelta completa. Es entonces una dimensión mensurable que depende de la geometría de su diseño.

Se concluye por simplificación: El diámetro es la otra característica que nos ubica geométricamente para definir a la hélice. Los fabricantes de hélices graban sobre el núcleo – que es la parte mas gruesa próxima al eje  desde donde parecen nacer las palas de la hélice como pétalos de una flor, el  P X D es decir: El paso y el diámetro que cada una tiene.

 Por una razón sencilla de identificación no es fácil a simple vista ya que esta dimensiones hay que medirlas sobre un plato de calibración especial que tiene circunferencias de ranuras muy finas donde se encastran los triángulos que representan el paso en el intervalo  que ocupa la pala.

 

RESUMIENDO

 El paso de la hélice es por identificación como la rosca de un tornillo. Si tiene rosca Whitworth  avanzará mas rápido hacia la tuerca en cada vuelta  (la tuerca es la representación ideal de un fluido sin resbalamiento) Avanzará mas rápido que un tornillo  de igual diámetro pero  con rosca milimétrica. Es decir tendremos en este caso que dar mas vueltas al tornillo para avanzar lo mismo. Esto es entonces porque el tornillo milimétrico o de “paso fino” como justamente se llama, tiene menos paso.

Así mismo las hélices pueden ser (mirándolas desde la popa del barco) de “paso derecho” si se enroscan en el agua girando en el sentido de las agujas del reloj o a la inversa de “paso  izquierdo” si para avanzar debe girar en sentido dextrógiro ( contrariamente a las agujas del reloj)

 

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

 

            Siempre la mayor eficiencia  se logrará con la hélice que tenga el mayor diámetro y la menor aceleración de empuje . Mayor diámetro que se compatibilizará con el vano disponible en el codaste para instalarla o, el tamaño que nos permita el pie de gallo ya instalado en el barco y que sustenta o soporta  al eje o árbol propulsor. Además en todos los casos se deberá respetar una luz o distancia mínima entre el casco y la pala de la hélice, mayor a una pulgada  (1” = 2,54 cm) o mas si es posible.  Una hélice con menor diámetro significa menor masa de agua en movimiento, por lo que para igualar el empuje habrá que acelerar mas a la masa en movimiento , o sea incrementar el paso de una hélice sustituta de menor diámetro.

            Hay que evitar poner una hélice con un número de palas que sea múltiplo del número de cilindros del motor: Ej. Si tenemos un motor de 8 cilindros, no debemos instalar hélices de 2 o de 4 palas. Si en cambio de tres o cinco. Esto se hace para evitar  vibraciones torsionales  y sincronismos  inducidos  por empuje axial de las  palas, a pesar de que esas deficiencias puedan estar resguardadas por la masa rotante del volante del motor o el  manchón elástico  de acoplamiento entre cajas y árbol propulsor.

            El paso de la hélice tiene que estar compatibilizado en cálculo con el número de revoluciones del motor propulsor y con la curva de potencia que el mismo motor presente. Si por ejemplo diseñamos una hélice que tenga poco paso, el motor podrá estar trabajando muy liviano buscando mas empuje (carga) a mayores RPM. Girará en vacío, el barco andará muy lentamente he incluso podrá dispararse en vueltas ocasionando daños mecánicos o  carbonizando dentro de  los cilindros y largando humo negro por el escape originado en el  exceso de combustible no quemado enviado por la bomba de inyección  a las cámaras de combustión .

Si por el contrario nos excedemos en el paso (considerando en este análisis siempre un mismo diámetro de hélice en cuestión). El motor propulsor no podrá levantar  mas que un número  vueltas limitado (sin llegar al máximo); comenzará a recalentarse y podrá indicarlo con mayores temperaturas en los gases de escape o largando humo blanco por el escape. Humo que es  originado por un mayor consumo de aceite presente en las cámaras de combustión.

Es por eso que al considerar la velocidad a alcanzar andando a motor no podemos obviar el análisis de las características  que presenta el casco para alcanzar su velocidad  optima “navegando la ola” o lo que es lo  mismo el número de Froude correspondiente (ver mi artículo de Propulsión en  Timoneles del mes agosto ppdo).

  Además las formas del casco “perturbarán” el flujo continuo de agua  que llega desde la proa hasta la posición de la hélice moderadamente ordenado,  disminuyendo por tanto su eficiencia . Por esto es fundamental asegurar un flujo libre de interferencias y con líneas suaves hacia la posición en que trabajará la hélice.

            Hay otros factores como las bajas profundidades o falta de limpieza del fondo del casco que alteran los resultados teóricos de alcanzar cuando se calcula la hélice al aumentar la resistencia friccional.

 

CAVITACIÓN                                                        

Aunque un poco complejo de entender, no podemos dejar de explicar ¿ que es la cavitación?

Este fenómeno se comenzó a advertir cuando fueron instaladas las primeras turbinas a vapor para propulsión en los buques militares ,al tener estas un  mayor número de RPM que las máquinas alternativas.

Cuando las hélices trabajan a un número alto de revoluciones hay zonas de las palas (bordes de diámetro extremo donde es mayor la velocidad lineal ) y de la cara de empuje de las palas donde se produce un aumento de la presión que, hasta puede hacerse mayor que la presión hidrostática en la que trabajan las palas normalmente.

En realidad la caída de presión en un punto no necesita ser igual a la presión en ese punto de la pala, sino solo la presión menos la presión de vaporización del agua a la temperatura que esta esté.

Si esto ocurre en esos puntos de la pala se rechaza al agua formando cavidades vacías o burbujas de vapor de agua que “implotan” produciendo picareteo o golpeteo que junto con el oxígeno que se desprende de las burbujas forman un fenómeno mecánico y químico  notable con  daños de erosión al material constitutivo de la hélice.

Primero para tratar de solucionarlo  se fijó un límite al empuje (en kilos) por unidad de superficie de pala para evitarlo . Después vieron los investigadores que la velocidad lineal también intervenía para que se produjera este fenómeno nocivo que disminuye la eficiencia de la propulsión y a veces suena como metralla o se confunde con vibraciones en la popa.

 Fue finalmente Ackeret quién en el año 1932 inventó el túnel de cavitación donde se pudieron hacer los ensayos del fenómeno y jugar con las variables para evitarlo.

 

MATERIAL Y FORMA CONSTRUCTIVA DE LAS HELICES

 

El material mas usual es el bronce en sus distintas aleaciones de manganeso o fósforo. Para hélices de barcos de labor se utiliza el acero fundido. Cuando es necesario un material inalterable y muy resistente a la corrosion se fabrican en acero inoxidable. Para el caso de lanchas y motores fuera de borda para embarcaciones livianas se construyen en aleaciones navales de aluminio.

La hélices pueden fabricarse “al calibre”, esto es con el modelo de madera  de una sola pala repetido en el noyo o molde de tierra de fundición tantas veces como palas deba tener; o “con modelo completo” tal sea este exactamente e igual en número de palas y diseño de su núcleo . Es en el núcleo donde se maquinará con precisión y de acuerdo a normas S.A.E. el cono de montaje que irá rigurosamente ajustado al cono del árbol propulsor que  une la hélice con el motor dentro del barco.       

Como cualquier masa rotante las hélices deben balancearse estática y dinámicamente para evitar un punto o nodo origen de vibraciones producido por este defecto cuando el conjunto ya esté armado y en navegación de prueba.

 

Hay distintos tipos de diseño de perfiles y palas de  hélices que están patentados. Se han desarrollado hélices contrarrotantes y hélices con  toberas para canalizar mas eficientemente el flujo y aumentar notablemente el  empuje . Se han diseñado hélices de superficie para lanchas de velocidad  y sistemas de propulsión ajustables en calado o retractables al interior del casco. Se utiliza el mismo principio de hélice empujando lateralmente para los bow thrusters  de maniobra de barcos mayores .  Se inventaron hélices plegables para veleros, Se diseñaron hélices de paso variable y paso controlable para ajustarlas adecuadamente  a distintos rangos de velocidad o carga del barco. Todos  hasta ahora utilizan  la hélice como elemento que ha demostrado ser el sistema de propulsión mas eficiente a relativamente bajas velocidades.

Porque si de velocidades altas se habla, esto es  mayor a los 20 o 22 nudos y mas,  estimo que la turbina de chorro de agua  es el elemento mas moderno para conseguir no solo velocidad sino maniobrabilidad con seguridad. Tema este que desarrollaremos en un próximo artículo.  Hasta la próxima.

 

  

Bibliografía Consultada:

                        High Speed Small Craft de Peter Du Cane

                         Revista Bootsparade - Verlag Schult KG Hamburgo

                        Cruceros y Lanchas Veloces  de Juan Baader

                        Apuntes del Autor en la Cátedra de  Teoría del Buque II U.T.N.

                        The Effect of Shallow Water on Ship Speed  by H. Lackenby                 

 

 

 

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