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Autor: Rubn Heras Zurita Director: Javier De Balle de Dou

Trabajo final de carrera para la obtencin de la Diplomatura en Navegacin Martima

Barcelona, Noviembre de 2013

El sistema propulsivo del buque: las hlices marinas y el fenmeno de la cavitacin

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A la mar me voy, mis hechos dirn quin soy.


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INDICE

LISTA DE FIGURAS 7

LISTA DE TABLAS 9

OBJETIVOS 10

RESUMEN 11

METODOLOGIA 12

MOTIVACIN 13

INTRODUCCIN 14

EL SISTEMA PROPULSIVO DEL BUQUE: LA HLICE 14

Definiciones 15

Partes de la hlice 17

Caractersticas 17

EL FENMENO DE LA CAVITACIN 18

Partes y fenmenos en la hlice que pueden causar cavitacin 19 Nmero de palas 19 Superficie de la palas 20 Seccin de las palas 20 Ncleo 20 Cada 21 Espacio libre entre la hlice y el casco y vano de la hlice 21

PARTE I: EL SISTEMA PROPULSIVO DEL BUQUE: LA HLICE 22

TIPOS DE HLICES 22

SEGN EL NMERO DE PALAS 22

Hlices monopalas 23

Hlices bipalas 24

Hlices tripalas 24

Hlices de ms de tres palas 25

SEGN SU FORMA Y MATERIAL DE CONSTRUCCIN 26

Modulares 26

Moldeadas 26 Aluminio 27 Bronce 27 Acero inoxidable 28 Acero al carbono 28 Carbono 29 Materiales compuestos 29

SEGN SU SISTEMA DE PROPULSIN 30

Hlices de paso fijo 30

Hlices de paso variable 31

Hlices de paso controlable 31

Sistemas de tobera 33

Azimutales 34

Water Jets 35


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Dobles hlices SCHOTTEL 36

TIPOS DE HLICES CON DISEO AVANZADO 38

AQUAFOIL 38

AQUAQUAD 38

PROPULSORES DE PERFORACIN DE LA SUPERFICIE 39

AQUAPOISE 55 39

AQUAPOISE 65 39

AQUAQUIN 40

PROPULSORES ALTAMENTE SESGADOS 40

AQUASTAR 41

PROPULSOR KAPLAN 41

HLICES DE EXTREMOS DE PALA CARGADOS 42

Ventajas 42

HLICES CONTRARROTATIVAS 43

PROPULSORES DE EJE VERTICAL 45

Voith-Schneider 46

Kirsten-Boeing 46

HLICES CON HIPERCAVITACIN 47

HLICES PARCIALMENTE SUMERGIDAS 47

DETALLES TCNICOS DE LA HLICE 48

GEOMETRA 48

SELECCIN DEL TIPO DE HLICE 49

TAMAO 49

SENTIDO DE GIRO 50

RENDIMIENTO 51

MANIOBRABILIDAD 52

MANIOBRABILIDAD CON UNA HLICE 52

MANIOBRABILIDAD CON DOS HLICES 52

SELECCIN DEL NMERO DE PALAS 54

DEFINICIONES 54

PUNTOS MS IMPORTANTES DE UNA HLICE 55

DIMETRO 55

PITCH 58

RAKE 58

CUP 60

PARMETROS PARA ESCOGER LA HLICE ADECUADA 61

SELECCIN DE LA HLICE CORRECTA 61

TAMAO 62

Dimetro 62

Altura 62

CURVATURA 62

SENTIDO DE GIRO 63

Hlices dextrgiras y levgiras 63

PROBLEMAS A EVITAR 63

Ventilacin 63

Cavitacin 63


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PARTE II: EL FENMENO DE LA CAVITACIN 64

GERMINACIN Y FASES 64

EL CRECIMIENTO DE LAS BURBUJAS 64

EL COLAPSO 65

TIPOS DE CAVITACIN 66

SEGN LA FORMA DE PRODUCIRSE 66

Cavitacin de vapor 66

Cavitacin gaseosa 66

SEGN EL GRADO DE DESARROLLO 67

Cavitacin incipiente 67

Cavitacin desarrollada 67

Cavitacin separada 67

Supercavitacin 67

SEGN SU MOROFOLOGA 69

Cavitacin de burbujas aisladas 69

Cavitacin de nube 70

Cavitacin de lmina 71

Cavitacin de vrtice 72

Cavitacin de estra 72

Cavitacin en torbellinos en el extremo de la pala 73

Cavitacin en torbellinos producidos por interaccin hlice - codaste 73

Cavitacin en torbellinos producidos por interaccin hlice - hlice 74

Cavitacin en torbellinos originados por el ncleo del propulsor 74

Cavitacin en la cara de presin 75

Cavitacin por rayas 75

OTROS TIPOS DE CAVITACIN 76

Cavitacin por exceso de revoluciones por minuto 76

Cavitacin por falta de rea en aspas 76

EFECTOS Y CONSECUENCIAS 77

BLOQUEO 77

PRDIDA DE PRESTACIONES 77

PRDIDA DE RENDIMIENTO 77

VIBRACIONES Y RUIDO 77

EROSIN 77

DETERIORO 78

DAO POR CAVITACIN 78

LUGARES DE APARICIN 80

TCNICAS DE DETECCIN 81

CADA EN LAS PRESTACIONES 81

MEDICIN DEL RUIDO GENERADO 81

PRUEBAS DE MAR EN EL TNEL DE CAVITACIN 82

CASO 1. CAVITACIN EN HLICES EN TIMN - TOBERA 83

INFLUENCIA DEL NGULO DE GIRO 83

Introduccin 83


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Planteamiento del problema 84

Programa de trabajo 85

Resultados de los ensayos 86

Ensayos de cavitacin 88

Consideraciones finales 91

CASO 2. ANLISIS DEL FLUJO EN UNA HLICE MARINA 92

Introduccin 92

Descripcin del banco de ensayos y medidas realizadas 92

Resultados del ensayo 93


CASO 3. PULSOS DE PRESIN DEBIDOS A CAVITACIN 95

INFLUENCIA DE LA SEPARACIN ENTRE LA HLICE Y EL CASCO 95

Introduccin 95

Ensayos realizados 96 Ensayos realizados con diferentes claras sin cavitacin 98 Ensayos realizados con diferentes claras en las situaciones reales del buque 98 Influencia de la potencia 98


CONCLUSIONES 100

BIBLIOGRAFIA 103


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LISTA DE FIGURAS

FIGURA 1: FUNCIONAMIENTO DE LA HLICE 17

FIGURA 2: RELACIN CRECIENTE ENTRE LA SUPERFICIE EXPANDIDA DE LAS PALAS Y EL REA DEL DISCO DE LA HLICE 20

FIGURA 3: HLICE MONOPALA 23

FIGURA 4: HLICE BIPALA 24

FIGURA 5: HLICE DE TRES PALAS 24

FIGURA 6: HLICE DE CUATRO PALAS 25

FIGURA 7: HLICE DE CINCO PALAS 25

FIGURA 8: HLICE DE SEIS PALAS 25

FIGURA 9: HLICE MODULAR 26

FIGURA 10: HLICE DE ALUMINIO 27

FIGURA 11: HLICE DE BRONCE 27

FIGURA 12: HLICE DE ACERO INOXIDABLE 28

FIGURA 13: HLICE DE CARBONO 29

FIGURA 14: HLICES DE PASO FIJO 30

FIGURA 15: HLICE DE PASO VARIABLE 31

FIGURA 16: HLICE CON SISTEMA DE TOBERA 33

FIGURA 17: DIFERENCIA DE FLUJO ENTRE HLICES CON Y SIN TOBERA 34

FIGURA 18: HLICE AZIMUTAL 34

FIGURA 19: WATER JET 35

FIGURA 20: CONJUNTO DE HLICE DOBLE 37

FIGURA 21: HLICE DE EXTREMOS DE PALA CARGADOS 42

FIGURA 22: HLICE CLT INSTALADA EN BUQUE 43

FIGURA 23: HLICES CONTRARROTATIVAS 43

FIGURA 24: HLICE CONTRARROTATIVA DUOPROP 44

FIGURA 25: FUNCIONAMIENTO DE LOS PROPULSORES DE EJE VERTICAL 45

FIGURA 26: HLICE VOITH-SCHNEIDER 46

FIGURA 27: GEOMETRA DE LA HLICE (LANZAMIENTO CIRCUNFERENCIAL Y AXIAL) 48

FIGURA 28: SENTIDOS DE GIRO DEL PROPULSOR EN BUQUES CON UNA LNEA DE EJES 50

FIGURA 29: SENTIDOS DE GIRO DEL PROPULSOR EN BUQUES CON DOS LNEAS DE EJES 51

FIGURA 30: MANIOBRA CON BARCO DE DOS HLICES 53

FIGURA 31: DISTANCIAS DE PROTECCIN DE LA HLICE 55

FIGURA 32: EJEMPLO 1 DE HLICE MAL INSTALADA 56



FIGURA 35: EJEMPLO 4 DE HLICES MAL INSTALADAS (FOTOS DE DIFERENTE NGULO) 57

FIGURA 36: PITCH DE LA HLICE 58

FIGURA 37: RAKE DE LA HLICE (1) 58

FIGURA 38: RAKE DE LA HLICE (2) 59

FIGURA 39: DIFERENTES FLUJOS DE AGUA CON DIFERENTE RAKE 59

FIGURA 40: CUP DE LA HLICE 60

FIGURA 41: APARICIN DE BURBUJAS DE CAVITACIN EN LAS PALAS DE UNA HLICE 66

FIGURA 42: CAVITACIN DE BURBUJAS AISLADAS 69

FIGURA 43: CAVITACIN DE NUBE 70

FIGURA 44: CAVITACIN DE LMINA Y DE NUBE 71

FIGURA 45: CAVITACIN DE VRTICE DE PUNTA 72

FIGURA 46: CAVITACIN DE VRTICE DE CUBO 72


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FIGURA 47: CAVITACIN DE ESTRA 72

FIGURA 48: CAVITACIN EN TORBELLINOS EN EL EXTREMO DE LA PALA 73

FIGURA 49: CAVITACIN EN LA CARA DE PRESIN 75

FIGURA 50: LABE DETERIORADO DEBIDO A LA CAVITACIN 78

FIGURA 51: IMAGEN GLOBAL Y DETALLADA DE CAVITACIN 80

FIGURA 52: TNEL DE CAVITACIN DEL CEHIPAR 82

FIGURA 53: TOBERA GIRADA 84

FIGURA 54: MONTAJE DEL TIMN - TOBERA EN EL TNEL DE CAVITACIN 85

FIGURA 55: ENSAYO 1. CONDICIN 0 88

FIGURA 56: ENSAYO 2. CONDICIN 15 ESTRIBOR 88

FIGURA 57: ENSAYO 3. CONDICIN 15 BABOR 89





FIGURA 62: HLICE MARINA EN EL BANCO DE ENSAYOS 92

FIGURA 63: CONTORNOS DE PRESIN ESTTICA Y DE VELOCIDAD 94

FIGURA 64: SITUACIN DE LOS CAPTADORES DE PRESIN 97


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LISTA DE TABLAS

TABLA 1: COMPARACIN DE HLICES SEGN SU MATERIAL 29

TABLA 2: SISTEMAS DE PROPULSIN CON HLICES DE PASO FIJO Y HLICES DE PASO CONTROLABLE 32

TABLA 3: SENTIDOS DE GIRO DEL PROPULSOR EN BUQUES CON UNA LNEA DE EJES 50

TABLA 4: SENTIDOS DE GIRO DEL PROPULSOR EN BUQUES CON DOS LNEAS DE EJES 51

TABLA 5: REPRESENTACIN ESQUEMTICA DE LOS FENMENOS DE CAVITACIN 86


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OBJETIVOS

Mi principal objetivo de este trabajo es conocer bien la hlice y todo su conjunto. Creo que es una de las partes ms importantes del buque que nos afecta a nosotros, ya que como futuros pilotos de la marina mercante, debemos saber a la perfeccin como acta la hlice de nuestro buque a la hora, sobretodo, de las maniobras. Esto me supondr mucha ms seguridad en las guardias y en las maniobras de entrada y salida de puerto en un futuro prximo.

Adems de esto, al no haber slo un tipo de hlice, debemos conocerlas todas y que ventajas y desventajas conlleva cada una. Sabiendo esto, sabremos cul es la mejor hlice que hay que poner en cada buque.

Otro de los objetivos es conocer bien el fenmeno que les afecta al sistema propulsivo del buque: la cavitacin. Es un tema que me atrae, saber por qu sucede y cmo afecta al buque y a la hlice.

Creo que los objetivos se irn cumpliendo a lo largo del trabajo y espero que pueda servir como manual para todo el que lo necesite en cualquier momento.


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RESUMEN

La realizacin de este trabajo la dividir en dos partes. La primera consistir en una explicacin sobre todo lo relacionado con las hlices marinas. En la segunda parte me centrar en un fenmeno que les afecta a las hlices: la cavitacin.

En la primera parte del TFC, hablar a fondo sobre todas las partes y caractersticas de las hlices marinas; el sistema propulsivo del buque. En este apartado veremos qu tipos de hlices hay segn tres factores: nmero de palas, forma y material de construccin y, su sistema de propulsin. Adems, tambin veremos las nuevas hlices con un diseo tecnolgico avanzado. Posteriormente veremos los detalles tcnicos de las hlices (geometra, tamao, sentido de giro, rendimiento y maniobrabilidad), sus puntos ms importantes, que son el dimetro, pitch, rake y cup, y por ltimo, qu parmetros tenemos en cuenta para la seleccin de una hlice en un barco.

En la segunda parte me centrar exclusivamente en el fenmeno de la cavitacin, hablando de sus fases, de los tipos que hay, sus efectos y consecuencias, los lugares de aparicin, las tcnicas de deteccin de la cavitacin y, finalmente, las pruebas de mar que se realizan en el tnel de cavitacin.


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METODOLOGIA

El trabajo ser la suma de extracciones de varios documentos y artculos sobre el tema. El objetivo es explicarlo de forma clara y ordenada siguiendo una relacin que nos lleve al objetivo.

Como trabajo de investigacin en este trabajo, hablar con empresas dedicadas a la construccin y reparacin de hlices, conociendo los motivos principales de las reparaciones y si tiene que ver con los temas tratados en el trabajo. Para la parte de la cavitacin, me pondr en contacto con el Centro de Ensayos Hidrodinmicos del Pardo en Madrid (CEHIPAR) para conocer las pruebas de mar que realizan en el tnel de cavitacin, qu parmetros estudian y sus objetivos principales.

Con la informacin que encuentre en documentos y lo que aprenda en mi investigacin mi trabajo me permitir poder cumplir mi objetivo.


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MOTIVACIN

Mi motivacin para la realizacin de este trabajo est enfocada en lo que pretendo que sea mi futuro laboral.

Esto lleva varias salidas; mi principal objetivo es poder llegar a ser inspector. Ya sea como inspector de buques una vez terminados y haciendo las revisiones rutinarias o estando trabajando en las pruebas de mar antes de que el buque sea botado. Esto ltimo s que tiene ms relacin en el trabajo, ya que tiene que ver ms en la maniobrabilidad y teora del buque. Adems, en las pruebas de mar que se realizan en el CEHIPAR de El Pardo, se efectan, entre otras, las de maniobrabilidad y las del tnel de cavitacin.

Otra posible salida, y como ya he explicado antes, es conocer lo que va a realizar el buque segn la hlice que llevemos. Esto, como futuro piloto, es imprescindible para evitar posibles abordajes por desconocimiento de la materia.


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INTRODUCCIN

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 esas generan. Esto, es lo que la 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 este 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.

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. Ericcson hizo que la armada britnica se interesara en este nuevo invento. Al cabo de poco tiempo se traslad a los Estados Unidos de Amrica, 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.

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. Este conocimiento ha


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permitido conseguir mejoras significativas en el comportamiento de la hlice en cavitacin y, en consecuencia, en la reduccin de los niveles de ruidos y vibraciones a bordo.

Definiciones

La hlice puede recibir muchas definiciones, aqu van unas cuntas:

- 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. Gracias a sus labes pueden transmitir su energa cintica, creada al girar los labes, a un fluido de manera que se crea una fuerza de traccin.

- 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. Estas revoluciones dependern del modelo y de la capacidad del motor.

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.

La utilizacin de la hlice es muy amplia y su denominacin y aplicacin es muy variada, como sus palas, que han adquirido diferentes formas segn el propsito que tengan. Ha quedado demostrado que mientras ms grande sean, mejor trabajar, pero


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la mayora de las veces el problema reside en encontrar un equilibrio entre el tamao de la hlice y la capacidad del motor para hacerla girar.

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.

En lo que refiere a materiales nos encontramos los siguientes:

- Aluminio: las ms utilizadas debido a la gran cantidad de medidas con que pueden ser fabricadas y las diversas condiciones y revoluciones con que pueden ser utilizadas.

- Bronce y acero inoxidable: ofrecen las mejores prestaciones y duracin frente al paso del tiempo. Muy adecuadas para buques que se desplacen a alta velocidad.

- Acero al carbono: permiten absorber ms y mejor, ya que presentan cierto grado de ductilidad que hace que las palas se deformen sin romperse ante el impacto.

- Carbono: rene lo mejor de cada tipo de material usado en la construccin de las hlices.

- Materiales compuestos: trabajan bien y tienen un precio no muy alto.

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 titano, 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.

A pesar de las muchas hlices que existen, las dos ms importantes son las que tienen entre 2 y 4 palas, utilizadas principalmente por motores intraborda con ejes. Los motores fueraborda utilizan hlices entre 3 y 6 palas.

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.


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

Figura 1: Funcionamiento de la hlice

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).


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EL FENMENO DE LA CAVITACIN

El fenmeno de la cavitacin o aspiracin en vaco consiste en un cambio rpido y explosivo de fase lquida a vapor. Si el lquido fluye a travs de una regin donde la presin es menor que su presin de vapor, el lquido hierve y forma burbujas (cavidades). Estas cavidades son transportadas por el lquido hasta llegar a una regin de mayor presin, donde el vapor regresa al estado lquido de manera sbita y las cavidades quedan aplastadas bruscamente.

Si las cavidades de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared slida cuando cambian de estado, las fuerzas ejercidas por el lquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras muy importantes (desgaste) sobre la superficie slida, que terminan destruyendo el metal.

La cavitacin se produce siempre que la presin en algn punto o zona de la corriente de un lquido desciende por debajo de un cierto valor mnimo admisible. Esta baja que sufre la presin es debida a los efectos dinmicos de un lquido al escurrir, siguiendo fronteras curvas o alrededor de cuerpos sumergidos.

El fenmeno, generalmente, va acompaado de ruido y vibraciones. Esto causa un efecto de impresin de cmo si fuera grava que golpea en las diferentes partes de la mquina. Cuando por culpa de girar muy rpido o por exceso de velocidad del buque, la presin de la cara anterior de la hlice (situada ms a proa) decae a valores muy pequeos, en la zona de depresin se forman burbujas de vapor por culpa del vaco que se ha creado. Cuando las burbujas de vapor que se han creado tan rpidamente salen de esta zona de la hlice y vuelven a una zona con presin normal, se colapsan y se condensan otra vez en lquido. Durante este proceso de condensacin, el colapso es muy violento, produciendo vibraciones, ruidos y prdida de prestaciones. La cavitacin puede estropear una hlice mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie.

Los elementos que sufren mayor deterioro por este tipo de fenmeno son las hlices, las bombas, las tuberas de combustible, las turbinas de generacin hidroelctrica, etc.

Aunque la cavitacin es un fenmeno normalmente identificado como negativo y necesario de evitar, por sus efectos tiene fundamentalmente dos aplicaciones tiles; la limpieza, mediante cavitacin y ultrasonido, y la supercavitacin, la cual permite el


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movimiento de un cuerpo sumergido en un fluido a velocidades superiores a los 500 km/h incluso cercanas a la velocidad del sonido.

Actualmente, la cavitacin es debida principalmente a la accin mecnica de impactos rpidos, a manera de explosiones de las partculas de lquido, aunque tambin es posible que influya la accin qumica corrosiva.

Evitar la cavitacin no es fcil, ya que no se puede controlar en muchos casos el medio lquido. Para estos casos lo que se hace es modificar las geometras de los elementos y/o realizar un cuidadoso dimensionamiento de los equipos involucrados.

La cavitacin, aunque sea ligera, provoca desgaste, ya que limpia la superficie del metal y del xido, el cual es una capa protectora del metal y lo deja al descubierto. En ese instante se crea una pila galvnica, aumentando la erosin de la superficie, ya que el metal est sujeto a la accin de la cavitacin y de la corrosin destruyndose muy rpidamente.

La cavitacin se manifiesta con mayor intensidad cuanto ms rpido sea la velocidad del barco, es decir, cuanto ms deprisa giren las hlices. Se evita reduciendo las revoluciones del motor y aumentndolas paulatinamente. De esta forma, la cavitacin tambin hace disminuir el rendimiento del motor.

La nica solucin para el problema de la cavitacin consiste en cambiar la hlice, si sta est ya daada. Se puede examinar la posibilidad de instalar una hlice con ms palas o con un dimetro ms grande.

Partes y fenmenos en la hlice que pueden causar cavitacin

Nmero de palas

En general, a una velocidad determinada de rotacin del eje, cuanto menos palas tenga una hlice, mejor ser. Sin embargo, si tiene menos palas, cada una de ellas soportar una carga mayor. Esto puede causar mucha vibracin, sobre todo en una hlice de dos palas, y contribuir a la cavitacin. Cuando el dimetro de la hlice est limitado por el tamao del vano, ser preferible que el eje gire a menos revoluciones y la fuerza se absorba con un nmero mayor de palas.


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Superficie de la palas

Una hlice con palas angostas1 resulta ms eficiente que una hlice con palas anchas. Sin embargo, las hlices con una relacin baja de la superficie de las palas son ms propensas a la cavitacin, porque el empuje de la hlice se distribuye sobre una superficie ms pequea de las palas. Para prevenir la cavitacin, la relacin de la superficie de las palas debe ser mayor que el valor ms eficiente.

Figura 2: Relacin creciente entre la superficie expandida de las palas y el rea del disco de la hlice

Seccin de las palas

El espesor de las palas de la hlice tiene escaso efecto en la eficiencia dentro de los lmites necesarios para que las palas tengan fuerza suficiente. Sin embargo, de forma semejante a la relacin de la superficie de las palas, el espesor de la seccin puede incidir en la cavitacin: las hlices de palas ms gruesas producen mayor succin y son ms propensas a la cavitacin.

Ncleo

El tamao del ncleo de la hlice afecta directamente a la eficiencia de la hlice. Esto es importante si se considera la instalacin de una hlice de paso variable, cuyo ncleo es mayor que otra hlice equivalente de paso fijo. En general, la disminucin de la eficiencia debida al mayor tamao del ncleo de una hlice de paso variable es de un 2% aproximadamente.

Se observa una prdida de la eficiencia de una magnitud semejante cuando el ncleo es de mayor tamao, como en muchas hlices de motores fuera borda, por donde se descargan los gases de escape.

1 La relacin entre la superficie total de las palas y el rea engendrada por el radio es baja.


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Cada

La cada de las palas de una hlice no tiene efectos directos en la eficiencia de sta, pero los efectos de la interaccin entre la hlice y el casco s son importantes. A menudo, segn la forma del vano en el casco, cuanto mayor sea la cada a popa de las palas de la hlice, ms grande podr ser el dimetro de la hlice y la cada pasar a ser muy favorable. Sin embargo, una cada mayor requiere una hlice ms fuerte y ms pesada, cuya fabricacin es ms cara.

Espacio libre entre la hlice y el casco y vano de la hlice

La distancia entre la hlice y el casco influye en la eficiencia de funcionamiento de la hlice en el flujo del agua en torno del casco y afecta a la intensidad de la vibracin causada por la hlice.

En general, cuanto ms grandes sean esas distancias mejor. Sin embargo, si el vano es pequeo, cuanto mayor sean esas distancias, menor podr ser el dimetro de la hlice y menor ser la eficiencia. Si en la fase de diseo se prev que esas distancias sean grandes, se debe alzar la bovedilla y ello podra exigir que la lnea de flotacin sea ms obtusa inmediatamente a proa de la hlice. Con esto aumentara la resistencia del casco en el agua. Un vano pequeo requiere una hlice de dimetro pequeo, que quizs no pueda absorber eficientemente toda la potencia del motor, lo que dara lugar a un rendimiento ineficiente, daos en el motor o poca capacidad de arrastre. Se puede encontrar una solucin intermedia para un vano pequeo mediante lo siguiente:

- Establecer un nuevo ngulo del eje. - Utilizar una prolongacin del eje. - Instalar una hlice con una mayor relacin rea - disco.


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PARTE I: EL SISTEMA PROPULSIVO DEL BUQUE: LA HLICE

TIPOS DE HLICES

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. Este apartado, lo veremos ms adelante a fondo, en Parmetros para escoger la hlice adecuada. Generalmente, en nutica de recreo y motores pequeos de hasta pocos cientos de caballos de fuerza, se utilizan hlices de tres palas. Los grandes buques mercantes suelen utilizar hlices de cuatro palas, llegando a grandes velocidades de crucero.

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.


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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.

Figura 3: Hlice monopala


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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.

Figura 4: Hlice bipala

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.

Figura 5: Hlice de tres palas


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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.

Figura 6: Hlice de cuatro palas

Figura 7: Hlice de cinco palas

Figura 8: Hlice de seis palas


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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.

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.

Figura 9: Hlice modular

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.


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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.

Figura 10: Hlice de aluminio

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.

Figura 11: Hlice de bronce


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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.

Figura 12: Hlice de acero inoxidable

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.


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Carbono

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.

Figura 13: Hlice de carbono

Materiales compuestos

Las hlices de varios materiales tienen un coste y un peso bajo, pero en caso de que tenga algn defecto, sta no se podr reparar.

Tabla 1: Comparacin de hlices segn su material

Peso Flexibilidad Reparabilidad Coste Aluminio Medio Pequea Fcil Medio Bronce Alto Baja Fcil Alto Acero inoxidable Alto Baja Difcil Alto Materiales compuestos Bajo Media No es posible Bajo


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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.

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.

Figura 14: Hlices de paso fijo


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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.

Figura 15: Hlice de paso variable

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.


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Tabla 2: Sistemas de propulsin con hlices de paso fijo y hlices de paso controlable


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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.

Conviene instalar una tobera cuando la canalizacin de la hlice puede dar como resultado ahorros considerables de combustible o un aumento de la capacidad de arrastre, pero no en todos los casos.

La aplicacin de estos equipos est limitada a embarcaciones de baja velocidad, inferior a 14 nudos como arrastreros, remolcadores y dragas.

Figura 16: Hlice con sistema de tobera


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Figura 17: Diferencia de flujo entre hlices con y sin tobera

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.

Figura 18: Hlice azimutal


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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.

Las diferencias entre hlice y Water Jet son las siguientes:

- La hlice es muy sensible a la velocidad y direccin del flujo de agua que le llega. Percibe el buque en su situacin hidrodinmica (estado de la mar, viento, calado, etc.) as como al motor disel.

- El Water Jet funciona como una bomba en tanto que existe agua en el colector de admisin y transforma la potencia efectiva al freno en empuje. Hay una mnima sensibilidad al buque.

Figura 19: Water Jet


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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.

- La forma ms favorable de alojamiento.

Las caractersticas que nos proporciona el principio mecnico son:

- Ambas hlices en un eje giran en la misma direccin. - Probada transmisin de potencia al no tener engranaje adicional. - Slo un kit de sello adicional.

Los resultados al llevar esta doble hlice SCHOTTEL son los siguientes:

- Eficiencia significativamente mayor que el sistema de transmisin-Z con slo una hlice.

- Mayor transmisin de potencia que con slo una hlice. - Menor riesgo de cavitacin debido a la menor carga en las hlices. - Menos fluctuaciones en la presin y menos emisiones de ruidos. - Menos prdidas mecnicas que con otros sistemas con dos hlices. - Alta confiabilidad debido al reducido nmero de piezas mviles. - Totalmente orientable (360) - Alta variabilidad de la curva de caractersticas que alcanza para una gama

amplia de exigencias operacionales para velocidades de hasta 28 nudos. - Particularmente adecuada para instalaciones que solamente puedan acomodar

hlices de dimetro limitado (calado restringido o mnima distancia exigida a la descarga).


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Los ejemplos que tenemos con la utilizacin de esta doble hlice queda limitado a algunas embarcaciones de pasaje, aunque tambin encontramos otro tipo de buques. Estos son un barco de investigacin, un buque de investigacin oceanogrfica, un buque de investigacin sismogrfica, un buque de suministro en alta mar y de algn yate privado.

Figura 20: Conjunto de hlice doble

En el siguiente apartado, veremos otro tipo de dobles hlices, pero dispuestas de otra manera y que reciben otro nombre: las hlices contrarrotativas.


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TIPOS DE HLICES CON DISEO AVANZADO

En este apartado veremos diferentes diseos que se realizan en las hlices para conseguir diferentes objetivos. Por ltimo, veremos tipos de hlices revolucionarios, siguiendo la va del diseo avanzado en nuestro sistema propulsivo.

AQUAFOIL

Con el Aquafoil est la cara combada del cabeceo; contina siendo una de las hlices estndares ms sofisticadas disponibles. sta es la razn por el cual es utilizado como equipo estndar por los fabricantes ms exigentes de embarcaciones. El Aquafoil puede tener tres o cuatro aletas. stas ltimas, son ideales para el uso donde se est transmitiendo un alto grado de caballos de vapor o cuando la hlice est funcionando en un tnel.

AQUAQUAD

Se ha desarrollado para solucionar los problemas de vibracin encontrados en las grandes embarcaciones de recreo cuando estn acoplados a los motores de gran potencia. El diseo de cuatro palas da a la hlice la mordedura y la aceleracin de un propulsor de tres palas, con una suavidad slo mejorada por el Aquaquin. El material utilizado es el bronce extensible de alto manganeso o bronce de aluminio de nquel, y deber ser ordenado con una pulgada menos de cabeceo que el equivalente a la hlice de tres palas para que mantenga la misma carga de motor. Tambin puede ser tapado en el borde posterior.


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PROPULSORES DE PERFORACIN DE LA SUPERFICIE

Este tipo de propulsor fue utilizado por los corredores de lanchas motoras de alta mar, pero ahora los constructores de yates de alta velocidad de motor los equipan con propulsores que perforan la superficie como equipamiento estndar. Los bordes principales con forma cimitarra2 se disean para cortar el agua con la resistencia mnima. Este propulsor est sometido a tensiones muy altas y se debe fabricar con tolerancias que varen muy poco del tamao original. Estos propulsores son siempre dinmicamente equilibrados y hechos de bronce de aluminio alto en nquel de gran resistencia o de acero inoxidable.

AQUAPOISE 55

Se considera el estndar de la industria para los cruceros de motor interior de velocidad media y es diseado para usos donde suavidad y funcionamiento son esenciales. El diseo de la pala da menos deslizamiento que el propulsor tradicional de lmina o de turbina. Puede ser utilizado en embarcaciones cuando la potencia se considera demasiado alta. Sus materiales de fabricacin son el bronce extensible alto en manganeso o el bronce de aluminio de nquel.

AQUAPOISE 65

Se utiliza generalmente en barcos de gran potencia y como equipamiento estndar en las embarcaciones de recreo de alto rendimiento, aduanas, polica y lanchas patrulla. Puede ser fijado en el borde posterior y tiene el efecto de reducir el deslizamiento y la cavitacin mientras que aumenta el volumen de flujo y, por lo tanto, la velocidad del barco. Su precio es ms elevado que el anterior, pero tiene ms esperanza de vida. Se moldea en el bronce de aluminio de nquel debido a sus partes tan finas.

2 Especie de sable de hoja curva y con un solo filo que se va ensanchando a partir de la empuadura


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AQUAQUIN

Fue diseado para la gama alta del mercado de los yates de recreo. Este tipo es adecuado para esas embarcaciones de gran potencia donde es ms importante un rendimiento suave y libre de vibracin que la aceleracin inmediata y velocidad mxima. La pala adicional que tiene la hace ideal para las instalaciones donde es escasa la inclinacin de la extremidad del propulsor.

Muchos fabricantes han intentado copiar el Aquaquin pero construir refinamientos tales como secciones de perfil aerodinmico, bordes anti-canto y el alto sesgado de las lminas hace que sea imposible su copia.

PROPULSORES ALTAMENTE SESGADOS

Estos propulsores son una innovacin en la industria del propulsor.

Las hlices altamente sesgadas son, actualmente, un equipamiento estndar en los yates de lujo a motor, transbordadores rpidos, buques patrulla y otras embarcaciones de alta velocidad donde el bajo ruido y el suave funcionamiento son una caracterstica esencial exigida por los navos sofisticados de la actualidad.

Al disear este tipo de hlice se debe tener en cuenta el alcanzar el correcto equilibrio entre el grosor de la seccin y el grado de sesgado.

Es fabricado generalmente aluminio de nquel y se disea especialmente para satisfacer las peticiones del cliente. De vez en cuando, este tipo de hlice se disea para cumplir con las reglas de las sociedades de clasificacin.


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AQUASTAR

Se disea para dar un funcionamiento y maniobrabilidad ptimos en todo tipo de embarcaciones. Las partes de la aleta y las dimensiones abundantes del cubo transmiten una fuerza y una resistencia excepcionales. Como el estndar, las lminas se rastrillan a popa y tienen cierta curvatura, que asegura suavidad incluso al funcionar cerca de un codaste ancho. Con un fino equilibrado y suministrado como estndar con un acabado de disco de alta calidad, el Aquastar es elaborado con bronce extensible de alto manganeso como estndar, pero tambin los hay de bronce de aluminio.

PROPULSOR KAPLAN

Se disea para el uso en los barcos pesqueros de arrastre, los remolcadores y otras embarcaciones donde un inyector es encajado para dar mayor empuje que un propulsor convencional. Este tipo de propulsor, normalmente dar entre un 25% y un 30% ms de empuje a los barcos arrastreros, mientras que en los remolcadores se ha comprobado que dar hasta un 50% ms de empuje en ciertas aplicaciones.

La cara plana del cabeceo de Kaplan facilita la fcil y barata reparacin, mientras que sus partes cerca de la raz transmiten gran fortaleza y una gran resistencia al choque.

En esta primera parte hemos visto los diferentes objetivos que se consiguen con cada tipo de hlice. Cabe decir, que aunque algunas se utilicen en el mismo tipo de barcos, como remolcadores, yates, etc., ser el armador el que elija que tipo de hlice quiere o le conviene ms para su barco.

Estas hlices proporcionan diferentes caractersticas de diseo avanzado con la mxima eficiencia para satisfacer aquellos propsitos que tenga cada armador.

En esta segunda parte de este apartado, veremos los tipos de hlices ms revolucionarias que existen actualmente.


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HLICES DE EXTREMOS DE PALA CARGADOS

Estas hlices incorporan 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. Existen varias patentes, que se diferencian en la forma y la disposicin de las placas de cierre.

Figura 21: Hlice de extremos de pala cargados

Ventajas

- Tienen un rendimiento propulsivo ms alto que permite reducir la potencia necesaria para alcanzar una determinada velocidad, lo que se traduce en un ahorro de combustible entre el 7% y el 12% a igualdad de velocidades. Alternativamente, a la misma potencia propulsora, estas hlices permiten aumentar la velocidad del buque entre 0.3 y 0.6 nudos.

- Los niveles de vibraciones sobre el buque para estas hlices son considerablemente inferiores que en las hlices convencionales, debido a la menor depresin en la cara pasiva de las palas, con una extensin de cavitacin mucho menor y menos fluctuaciones de presin.


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- A igualdad de potencia propulsora se obtiene una mejor respuesta del buque a la accin del timn y, de esta forma, mejores caractersticas de maniobrabilidad, con curvas de evolucin de menor radio y menor distancia de frenada.

- Con este tipo de hlices, se reducen las emisiones de CO2 a la atmosfera. Tambin hay que destacar que con estas hlices se tiene mayor autonoma, tiene menor dimetro ptimo, su comportamiento es mucho mejor para las palas en condiciones distintas a las de diseo y tiene mayor velocidad de incepcin de la cavitacin.

Figura 22: Hlice CLT instalada en buque

HLICES CONTRARROTATIVAS

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

Figura 23: Hlices contrarrotativas


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Tambin debemos hablar de la hlice contrarrotativa patentada por Volvo Penta en 1982: la doble hlice Duoprop. Este fue el mayor evento en el mundo martimo desde que se invent la hlice. Estas dos hlices contrarrotativas generan una gran potencia y producen un empuje sin rival, as como un posicionamiento recto y real, incluso marcha atrs, adems de una mayor aceleracin en el deslizamiento.

Las dos hlices eliminan las fuerzas laterales existentes en los motores convencionales dentro - fuera borda de una sola hlice. Esto significa que la energa y la potencia del motor se concentran en dirigir la embarcacin hacia delante y no hacia los laterales.

Las principales caractersticas que nos ofrece esta hlice contrarrotativa son:

- Posicionamiento recto: la transmisin de potencia es clara y uniforme nada ms iniciarse.

- Aceleracin ms rpida: aporta una aceleracin hasta un 30% ms rpida y produce una velocidad mxima alrededor de un 5% superior a cualquier sistema convencional de una sola hlice, sin aumentar el consumo de combustible.

- Deslizamiento ms rpido: gracias a la mejora del agarre en el agua, la embarcacin se eleva y se desliza con ms rapidez, permaneciendo en este estado con menos revoluciones.

- Mejor capacidad de maniobra: tiene un gran agarre, incluso al realizar giros cerrados a gran velocidad. Reduce la tendencia a volcar.

- Menor nivel de vibracin y ruidos: produce menos niveles de vibracin y ruidos debido a que los impulsos de aceleracin se distribuyen sobre ms palas. Con las hlices contrarrotativas, prcticamente no existe en el fenmeno de cavitacin, aunque puede aparecer en la segunda hlice.

Figura 24: Hlice contrarrotativa Duoprop


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PROPULSORES DE EJE VERTICAL

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

El propulsor acta tambin de timn y de mecanismo de inversin de marcha, proporcionando gran maniobrabilidad. Por el contrario, su rendimiento es menor que el de una hlice convencional.

Figura 25: Funcionamiento de los propulsores de eje vertical


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Hay dos patentes de este tipo de propulsores:

Voith-Schneider

Las palas realizan una revolucin completa alrededor de su propio eje por cada revolucin del disco.

Para transmitir la potencia desde la flecha horizontal al disco se emplea un engranaje cnico. Esto impone limitaciones a la potencia mxima que puede transmitirse, pero, aunque el propulsor es 30% o 40% menos eficiente que las hlices de tornillo, tiene ventajas de maniobrabilidad. Los propulsores de este tipo tambin se han usado en la proa, para ayudar en las maniobras.

Figura 26: Hlice Voith-Schneider

Kirsten-Boeing

Las palas estn interconectadas por engranajes de tal forma que cada una realiza media revolucin alrededor de su eje por cada revolucin del disco.


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HLICES CON HIPERCAVITACIN

Cuando la parte posterior de una hlice presenta cavitacin en toda su rea, al aumentar las revoluciones por minuto no se reduce la presin en la parte posterior, pero la de la cara contina aumentando y hace que el empuje total crezca con una relacin menor que antes que empezara la cavitacin. La ventaja de las hlices con cavitacin total es la ausencia de erosin en la parte posterior y menos vibracin. Aunque las caractersticas de tales hlices se han determinado por medio de pruebas y tanteos, se han utilizado bastante en lanchas motoras de carreras. El diseo de la seccin de la pala debe asegurar una separacin limpia del flujo en los bordes de entrada y salida, y proporcionar relaciones de empuje - resistencia de alta eficiencia. Introduciendo aire en la parte posterior de las aspas (hlices ventiladas), se logra la cavitacin completa con velocidades menores.

HLICES PARCIALMENTE SUMERGIDAS

La resistencia presentada por las hlices de vehculos de alta velocidad, como lanchas planeadoras, hidroplanos y naves de efecto superficie, condujo al desarrollo de las hlices parcialmente sumergidas. Aunque todava faltan por resolver muchos problemas de vibracin y resistencia, debido a las cargas cclicas sobre las aspas al entrar y salir del agua, se ha demostrado que los rendimientos, cuando la hlice est parcialmente sumergida, son semejantes a los de la operacin con la hlice totalmente sumergida y sin cavitacin. Los rendimientos de estas hlices pueden considerarse dentro de un amplio rango de posibilidades.


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DETALLES TCNICOS DE LA HLICE

GEOMETRA

Debemos conocer la geometra bsica de la hlice para entender su accin hidrodinmica. En la figura que vemos a continuacin vemos qu es el lanzamiento axial de la pala y el lanzamiento circunferencial de la hlice. El uso del lanzamiento circunferencial de la hlice se ha demostrado muy efectivo en la reduccin de esfuerzos vibratorios, vibraciones inducidas por la presin del casco y en retrasar el desarrollo de la cavitacin. Con el lanzamiento axial, los esfuerzos sobre la pala pueden controlarse y pueden utilizar secciones de pala ligeramente ms delgadas, lo que se considera como ventaja desde el punto de vista de consideraciones hidrodinmicas de la propia pala.

Figura 27: Geometra de la hlice (lanzamiento circunferencial y axial)

Cada hlice tiene un ncleo para fijar las palas de la hlice y para ubicar el mecanismo de control de las palas en el caso de hlices de palas orientables. Esto da como resultado diferentes tipos y tamaos de ncleos para hlices de palas fijas y para las hlices de palas orientables. Esta es una caracterstica diferencial entre ambos tipos de hlices.


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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.

Cada buque tiene que ser estudiado y considerado para la aplicacin que vaya a tener. La eleccin entre una hlice de paso fijo y una hlice de palas orientables ha constituido, a lo largo del tiempo, un debate entre los componentes de los sistemas implicados. Las hlices de palas orientables tienen un predominio total en buques Ro - Ro, ferris y en remolcadores de potencia superior a 1500 kW. Para todas las dems aplicaciones el uso de las hlices de paso fijo, parece ser en principio, una solucin satisfactoria. Si comparamos la fiabilidad entre estos dos tipos de hlices, se ha demostrado que las hlices de palas orientables han conseguido un estatus excelente como componente esencial de la propulsin.

La hlice de palas orientables tiene la ventaja de permitir el funcionamiento de la hlice a velocidad constante. A pesar de que se pierda rendimiento, permite el uso de generadores accionados por el eje de cola en el caso de que este sea un requisito del perfil operativo del buque.

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


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mecnicamente, lo que puede causar fuertes vibraciones en la popa y en el timn, con la posibilidad de fallos mecnicos.

SENTIDO DE GIRO

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

Tabla 3: Sentidos de giro del propulsor en buques con una lnea de ejes

Figura 28: Sentidos de giro del propulsor en buques con una lnea de ejes


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Tabla 4: Sentidos de giro del propulsor en buques con dos lneas de ejes

Figura 29: Sentidos de giro del propulsor en buques con dos lneas de ejes

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.


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MANIOBRABILIDAD

En este apartado veremos las diferencias que hay en la maniobrabilidad al llevar una o dos hlices en el buque.

MANIOBRABILIDAD CON UNA HLICE

Para buques con una sola hlice, la influencia sobre la maniobrabilidad est determinada completamente por el efecto rueda de paletas. Cuando el buque est parado y la hlice comienza a moverse, la hlice mover la parte posterior del buque en el sentido de giro. De esta forma, con una hlice de paso fijo, la direccin inicial del movimiento cambiar con el sentido de giro; por ejemplo, con empuje avante o atrs.

En el caso de hlices de palas orientables, el movimiento tender a ser unidireccional porque solamente cambia el paso (se mueve la pala) desde la posicin de avante a ciar. El sentido de giro de la hlice no cambia nunca.

En la posicin de empuje ciando, los dos tipos de hlices tienen el mismo sentido de giro y, suponiendo que estribor es el lado principal para atraque, existe clara ventaja para desatracar con empuje hacia atrs.

MANIOBRABILIDAD CON DOS HLICES

Adems del efecto rueda de paletas, otras fuerzas debidas al efecto de la presin diferencial sobre el casco, y a la excentridad del eje ejercen su influencia. La presin diferencial, debido al empuje inverso de la hlice de la otra banda da como consecuencia un empuje lateral y un par de giro.

Se puede deducir de las pruebas efectuadas que las hlices de paso fijo se comportan mejor cuando giran hacia fuera. Para las hlices de palas orientables no existe tal conclusin.

En estos tipos de motorizacin, durante la maniobra el par creado al moverse de manera diferente ambas hlices, la de babor en un sentido y la de estribor en sentido contrario, permite reducir el radio de giro. Al disponer de dos hlices, se producen dos efectos de paso de hlice, y para que uno anule al otro se hace que las dos hlices sean de paso contrario, una dextrgira y la otra levgira.


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La mayora de estos barcos llevan hlices supradivergentes (estribor dextrgira y babor levgira). Al contrario, se llaman hlices supraconvergentes. Estn situadas equidistantes a la lnea de cruja. Cuando los motores funcionan de manera independiente aumentan el tamao de giro y refuerzan su accin. Su capacidad de maniobra es excelente tanto si se utilizan las dos hlices juntas como separadas. De esta forma tenemos que:

- El motor de babor en marcha avante desplaza la proa a estribor. - El motor de estribor en marcha avante desplaza la proa a babor. - El motor de babor en marcha atrs desplaza la popa a estribor. - El motor de estribor en marcha atrs desplaza la popa a babor.

Por otra parte, dando marcha atrs con el motor de estribor y avante con el de babor (o viceversa), las hlices sumarn sus efectos y el barco ciabogar (girar) permaneciendo en el mismo lugar.

Esto no ocurre con las hlices supraconvergentes, ya que la suma se har para evolucionar la popa del barco en direccin opuesta al desplazamiento deseado.

Figura 30: Maniobra con barco de dos hlices


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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.

El nmero de palas estar determinado, en primer lugar, por la necesidad de evitar frecuencias de resonancia perjudiciales para la estructura del buque, as como frecuencias de vibracin torsional de la maquinaria. Dado que el nmero de palas aumenta los problemas de cavitacin en la pala, puede aumentarse la raz de la misma, con lo que el huelgo de pala llegar a ser menor.

Tambin se ha demostrado que el rendimiento de la hlice y el dimetro ptimo aumentan a medida que disminuye el nmero de palas, y en alguna medida, la velocidad de la hlice depender del nmero de palas de la hlice.

DEFINICIONES

- Disco de hlice: Seccin recta del cilindro circular circunscrito a la hlice. - rea desarrollada de una pala: rea verdadera de la superficie activa. - rea desarrollada de la hlice: Suma de las reas desarrolladas de las palas. - rea proyectada de la hlice: rea de la proyeccin de las palas sobre un

plano perpendicular al eje. - Relacin del rea proyectada: Cociente entre el rea proyectada de la hlice y

el rea del disco. - Relacin del rea desarrollada: Cociente entre el rea desarrollada de la hlice

y el rea del disco.


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PUNTOS MS IMPORTANTES DE UNA HLICE

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)

Figura 31: Distancias de proteccin de la hlice


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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.

A continuacin veremos ejemplos de hlices mal instaladas por varios motivos.

1. Colocacin de dispositivos que ocupan parte del vano de la hlice, sobre todo a proa de sta, reduce la eficiencia y aumenta la vibracin.

Figura 32: Ejemplo 1 de hlice mal instalada

2. Distancia demasiada pequea entre el dormido de popa y la hlice.



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3. Distancia muy pequea entre el casco y la punta de las palas.


4. Deterioro de las puntas de las palas, ensuciamiento excesivo de la superficie del casco y el mal aprovechamiento del vano de la hlice debido a una mala instalacin.

Figura 35: Ejemplo 4 de hlices mal instaladas (fotos de diferente ngulo)


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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.

Figura 36: Pitch de la hlice

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.

Figura 37: Rake de la hlice (1)


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Figura 38: Rake de la hlice (2)

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. El equilibrio est en buscar un paso adecuado en funcin de un nmero de vueltas del motor y una navegacin ajustada, repercutiendo en el consumo de combustible y la velocidad de la embarcacin.

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.

Figura 39: Diferentes flujos de agua con diferente rake


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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. Esta forma en la hlice tambin funciona bien cuando el motor se puede subir en el espejo de popa de manera que la hlice est cerca de la superficie del agua. Un buen cup suele dar lugar a mayor velocidad mxima en navegacin.

Figura 40: Cup de la hlice


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PARMETROS PARA ESCOGER LA HLICE ADECUADA

Una embarcacin no conseguir un rendimiento ptimo para el uso que se le desee dar hasta que no se escoja la hlice adecuada para dicha embarcacin. Esta hlice debe ser apropiada en diseo, tamao y material.

SELECCIN DE LA HLICE CORRECTA

La hlice es el elemento propulsor de una embarcacin equipada con motor. El tamao y la forma adecuados de la hlice dependen de cada combinacin de embarcacin y motor.

El rango de revoluciones por minuto ptimo para cada motor se encuentra en el manual de la hlice que nos ofrece el fabricante. Este parmetro puede variar de unas marcas a otras en fueraborda, incluso para una misma potencia.

El objetivo en la seleccin de la hlice adecuada es maximizar el rendimiento de cada barco en navegacin, al tiempo que el motor opera en rango de revoluciones por minuto recomendadas, sin sobrepasar el mximo y funcionando por encima del mnimo recomendado.

En el caso de que ya tengamos la hlice instalada y queramos saber si es la adecuada para la embarcacin y el motor, nos debemos realizar las siguientes preguntas:

- Es el rendimiento de la embarcacin semejante al de otras de potencia y diseo similares?

- Respecto al estado de la obra viva: o cundo se limpi y se pint por ltima vez la embarcacin? o en qu estado se encuentra la hlice? o est limpia e indemne y su superficie se mantiene lisa?

- Qu potencia tiene el motor y en qu estado se encuentra?

La hlice puede ser inadecuada si:

- El motor no alcanza las revoluciones por minuto de diseo y se sobrecarga. - El motor sobrepasa las revoluciones por minuto de diseo cuando funciona a

toda marcha, sobre acelera y recibe una subcarga de combustible.


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- La hlice est sobrecargada y muestra signos de cavitacin y erosin superficial.

Se recomienda hacer un control preliminar. En el anexo IV se describe un mtodo sencillo de estimacin preliminar de los parmetros bsicos de una hlice.

TAMAO

El tamao de la hlice viene determinado por el dimetro y la altura de la hlice.

Dimetro

Crculo mximo que describen los extremos de las palas en su rotacin: dos veces la distancia desde el ncleo hasta el extremo de la pala. Dependiendo de nuestro tipo de embarcacin y su tamao, escogeremos una hlice de mayor o menor dimetro.

Altura

La hlice debe estar sumergida para que opere correctamente. Segn la teora, hay que dejar una pulgada de distancia entre el plato anti - cavitacin y la quilla del buque. Una instalacin incorrecta en altura, puede producir daos.

CURVATURA

Muchas de las hlices actuales incorporan una curvatura aadida en el borde de la pala. Este labio le permite tener una mejor mordida en el agua, lo que conlleva a una reduccin de la ventilacin y resbalones, a la vez que permite una aceleracin ms rpida, lo que tambin se denomina como hole shot. Estas hlices tambin rinden bien cuando se las hace trabajar cerca de la superficie del agua y proporcionan una velocidad final superior.


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SENTIDO DE GIRO

Hlices dextrgiras y levgiras

Hlices dextrgiras o de paso a derecha: hlices que giran en sentido de las agujas del reloj vista desde popa y marcha avante.

Hlices levgiras o de paso a izquierdas: hlices que giran en sentido contrario de las agujas del reloj vista de popa y marcha avante.

Se escoge una u otra hlice dependiendo, en un principio, de cmo resulta ms fcil la maniobra para entrada y salida de puerto y atraque y desatraque del muelle. Conociendo los puertos de destino del buque, se escoger el tipo de hlice ms adecuada que permite la facilidad a la hora de la maniobra.

PROBLEMAS A EVITAR

Ventilacin

La ventilacin se produce cuando el aire de superficie o los gases de escape se ven arrastrados por las palas de la hlice. Cuando esto sucede, la embarcacin pierde velocidad y las revoluciones del motor suben rpidamente. Puede deberse al trazo de curvas muy cerradas, un motor montado muy alto en el espejo de popa o un exceso de trimado del motor.

Cavitacin

La cavitacin es un fenmeno de la vaporizacin de agua debido a la extrema reduccin de la presin en la parte posterior de la pala de la hlice. Muchas hlices cavitan parcialmente durante su operacin normal, pero la cavitacin excesiva puede resultar en daos fsicos a la superficie de la hoja debido al colapso de burbujas microscpicas en la hoja de la hlice. Puede haber muchas causas de la cavitacin, como la seleccin incorrecta de la hlice respecto a las aplicaciones que se le va a dar, dao en la superficie de la hlice, etc.


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PARTE II: EL FENMENO DE LA CAVITACIN

GERMINACIN Y FASES

El hecho de que generar una burbuja en el seno de un fluido requiere una gran cantidad de energa local (el gradiente de presin lquido - burbuja es proporcional al inverso del radio de la burbuja) cuestiona el fenmeno de la cavitacin. Sin embargo, se debe considerar que el medio fluido real presenta siempre puntos de nucleacin, es decir, partculas en suspensin, suciedad u otros. Estos dan lugar a discontinuidades del medio y a superficies cncavas que inducen la nucleacin o germinacin de las burbujas. Una vez esto ocurre, el crecimiento es inmediato hasta alcanzarse el equilibrio de presiones.

Una vez que se ha generado la burbuja, todo proceso de cavitacin presenta dos fases claramente diferenciadas: el crecimiento de las burbujas y el colapso.

El crecimiento de las burbujas

El crecimiento aparece asociado a los puntos de germinacin (discontinuidades). Puede ser lenta o rpida, segn el mecanismo predominante que genere la cavitacin. Si el lquido tiene un alto contenido en gas, el crecimiento es lento y se produce por difusin de vapor (cavitacin gaseosa), mientras que si la cavitacin se debe a la reduccin brusca de la presin se denomina cavitacin vaporosa y resulta ser un proceso muy rpido. Por lo tanto, el crecimiento es funcin de la formacin inicial de las burbujas y de la presin exterior.


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El colapso

Una vez formada la burbuja, puede ocurrir que cambien las condiciones del medio que la rodea y que la burbuja colapse. El colapso de una burbuja induce una onda de presin en el medio que la rodea. Localmente, los niveles de presin no son muy elevados pero sus efectos pueden ser catastrficos por actuar normalmente sobre superficies muy reducidas. El colapso es un fenmeno catastrfico en el que la burbuja disminuye drsticamente su tamao. Por lo tanto, afecta de un modo no estacionario sobre la resistencia de los materiales donde colapse.


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TIPOS DE CAVITACIN

Hay varios tipos de cavitacin, los cuales se pueden clasificar segn la forma en la que se produce, segn el grado de desarrollo de la misma y segn la morfologa.

Figura 41: Aparicin de burbujas de cavitacin en las palas de una hlice

SEGN LA FORMA DE PRODUCIRSE

Cavitacin de vapor

Es debida a la disminucin local de la presin en el seno de un lquido. sta puede ser de dos tipos: hidrodinmica o acstica.

- Hidrodinmica: creada por depresiones locales debidas a la aceleracin del fluido.

- Acstica: debida a ondas de presin transmitidas en el fluido.

Cavitacin gaseosa

Es ocasionada por la introduccin desde el exterior de energa en puntos del lquido (aumento de la temperatura, inducir vibracin local de las partculas, etc.). Se puede llamar tambin cavitacin ptica o cavitacin de partculas.


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SEGN EL GRADO DE DESARROLLO

Cavitacin incipiente

Etapa inicial de la cavitacin en la que empieza a ser visible la formacin de las burbujas.

Cavitacin desarrollada

Se trata de una etapa en la que se tiene un nmero de burbujas lo suficientemente elevado como para producir una modificacin del campo hidrodinmico.

Cavitacin separada

Etapa final de la cavitacin, cuando est prxima a desaparecer. Se produce normalmente en las zonas de estela, con una importancia menor a las anteriores.

Supercavitacin

Cuando se tiene una superficie slida sumergida, la cavitacin se extiende ocupando en su totalidad dicha superficie. Aparece, por ejemplo, en las hlices de lanchas rpidas en las que las condiciones ante la cavitacin son crticas.

Propulsar un cuerpo bajo el agua necesita gran cantidad de energa. Desplazndose rpidamente an consume ms energa, ya que la resistencia al avance del agua contra una superficie sumergida aumenta con la velocidad. Los ingenieros navales constantemente tratan de mejorar los cascos de los barcos con el objetivo de minimizar la friccin del agua.

Los cientficos han encontrado una nueva forma de evitar la resistencia al avance del agua, lo que permite desplazarse a alta velocidad. La idea es minimizar la superficie hmeda del cuerpo en movimiento encerrndolo en una burbuja de gas de baja densidad.

La supercavitacin es la versin extrema de la cavitacin en la que se forma una nica burbuja de manera que envuelve el objeto en desplazamiento casi por completo.


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Un cuerpo con supercavitacin tiene una resistencia extremadamente baja, porque la friccin sobre su superficie es casi inexistente. En lugar de estar rodeado de agua, se rodea del vapor del agua que se forma en la burbuja. Como el vapor tiene una densidad y viscosidad mucho menor que el agua lquida, el cuerpo puede avanzar mucho ms rpido.

La supercavitacin es difcil de obtener, el cuerpo que quiera usarla debe estar movindose a una gran velocidad: al menos 180 km/h, segn algunos expertos. Esa velocidad es muy superior a la que se obtiene en cuerpos que actualmente se mueven en el agua. Por otra parte, la forma de la cabeza tambin tiene que ser diferente, debera ser chata. As a grandes velocidades el fluido es forzado a moverse desde el borde de la cabeza con tanta velocidad, en un ngulo especial, que no toca la superficie del cuerpo.

Por eso, en un cuerpo supercavitatorio, solamente la cabeza causa una resistencia significativa ya que es la nica parte que est en contacto real con el agua lquida. Sin embargo, estamos ante una paradoja: cuando ms chata sea la cabeza, ms alta ser la resistencia. Es por eso que hay que conseguir un punto medio, y las mejores cabezas son las que estn ligeramente curvadas.

El asunto es que la resistencia general se reduce enormemente una vez que se alcanza un rgimen de supercavitacin, y luego aumenta linealmente (no geomtricamente) con la velocidad.

Los labes de un rodete de la hlice de un barco se mueven dentro de un fluido, las reas de bajas presiones se forman cuando el fluido se acelera a travs de los labes. Cuanto ms rpido se mueven los labes, menor es la presin alrededor de los mismos. Cuando se alcanza la presin de vapor, el fluido se vaporiza y forma pequeas burbujas de vapor que al colapsarse, causan ondas de presin audibles y desgaste en los labes.


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SEGN SU MOROFOLOGA

Cavitacin de burbujas aisladas

En principio est influenciada por los componentes de distribucin de presin, lo que causa alta presin de succin en la zona giratoria media de las palas. Como se manifiesta en esta zona, tiende a hacerlo en corrientes no separadas. Aparece como burbujas individuales de forma creciente bastante grandes que se contraen rpidamente en la superficie de la pala.

Este tipo de cavitacin suele presentarse en la zona de mximo espesor de las secciones cilndricas, donde se forman burbujas que colapsan violentamente. Es muy peligrosa debido a la erosin que puede ocasionar a las palas.

Su aparicin es indicio de que la relacin entre el espesor de la seccin donde se presenta y su longitud es demasiado alta.

Figura 42: Cavitacin de burbujas aisladas

Se consigue eliminar a travs de modificaciones en la geometra de las secciones donde se presente, que disminuyan la relacin espesor - longitud:

- Aumentando la relacin rea - disco, es decir, aumentando las secciones. - Disminuyendo el espesor de las secciones, con lo cual es necesario utilizar un

material de mayor resistencia mecnica. - Reduciendo la curvatura de la lnea media.


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Cavitacin de nube

Con frecuencia se encuentra detrs de cavidades de extensiones de agua muy desarrollada y estable. Y muchas veces, en corrientes moderadamente separadas en las cuales vrtices pequeos originan pequeas cavidades.

Aparece cuando una gran superficie de la pala cavita en forma de burbuja. Este tipo de cavitacin suele presentarse asociado a una cavitacin de lmina, cuando el seno del flujo separado en el borde de entrada aparecen torbellinos de alta velocidad que originan pequeas burbujas de vapor, y al restablecerse el flujo sobre la pala antes del borde de salida, estas burbujas pueden colapsar, dando lugar a fenmenos de erosin. Este tipo de cavitacin encierra un grave peligro de erosin sobre la superficie de las palas y es necesario modificar su diseo para evitar su aparicin.

Como solucin se aumenta el dimetro de la hlice, disminuyendo as el paso y la relacin rea - disco.

Con esta medida se consigue que la cavitacin se extienda hasta el borde de salida y, de esta forma, se elimina la erosin sobre las palas.

Figura 43: Cavitacin de nube


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Cavitacin de lmina

Se genera en los bordes de entrada de las palas sobre la cara de succin de las mismas, lo cual tiene una incidencia positiva. Suele ser estable, aunque si llega a condiciones de inestabilidad puede dar lugar a fuertes tensiones.

Si los ngulos de incidencia se incrementan o el nmero de cavitaciones disminuye, el rea de cavitacin de la pala ser mayor en el aspecto giratorio y radial. Como consecuencia, la cavitacin forma una extensin de agua sobre la superficie de la pala cuya magnitud depende del diseo y las condiciones ambientales.

Este tipo de cavitacin no encierra riesgos de erosin para las palas debido que las partes que cavitan estn aisladas de la s

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