Hélices navales

Consideraciones a tener en cuenta sobre el diámetro de una hélice

El diámetro de una hélice es igual a dos veces la medida entre el centro del núcleo y la punta de una de las palas en metros, dicho diámetro (lo mayor posible) depende de:

La potencia del motor o máquina, velocidad angular (medida en revoluciones por minuto) y del tipo de casco, calado, forma de la popa, forma del codaste, altura del codaste, etc.

Hay que tener en cuenta que la profundidad a la que deben ser colocadas influye en dicho diámetro y siempre deben ser colocadas a la mayor profundidad posible para evitar que durante cabeceos salgan fuera del agua, se debe también tener en cuenta que como una medida de protección las hélices no sobresalgan del casco para evitar posibles averías.

Ateniéndonos a las premisas descritas, la profundidad a la que se colocan las hélices en un gran buque es de unos dos metros en profundidad de su extremo superior (punta de la pala cuando se encuentra en su posición más alta) debiendo en cualquier caso respetarse como mínimo una distancia de 1/6 del diámetro. Esta regla tiene su excepción en buques ligeros con hélices que funcionan a elevadas revoluciones y están sujetas a un eje muy resistente en cuyo caso la hélice puede ser situada de modo que la punta superior de su pala llegue hasta el nivel de flotación; el extremo inferior de la hélice debe de quedar como mínimo a unos 300 mm. de la parte más baja de la quilla.

En hélices laterales el extremo de las palas no debe sobresalir del forro exterior tomando la referencia en la cuaderna maestra, quedando a una distancia en hélices muy revolucionadas y pequeñas de entre 750 y 900 mm.

La máxima velocidad angular de una hélice queda establecida por la fórmula: Vt = Pi.D.N /60 en la cual Vt representa la velocidad tangencial, Pi es la letra griega Pi, D es el diámetro y N número de revoluciones.

Tenemos para diferentes valores de Vt Velocidades V en nudos de:

Consideraciones en cuanto a las palas

Por lo general el número de palas de una hélice está entre 2 y 6; las hélices de dos palas tienen en la actualidad limitado su uso a pequeñas embarcaciones de motor para la cuales ofrecen un rendimiento aceptable; esto es porque entre otras causas principalmente producen elevadas vibraciones para embarcaciones de mayor tamaño. La cantidad habitual de palas es entre tres y cuatro, se han probado hélices de cinco y seis palas con resultados poco satisfactorios que aún hoy en día son usadas en algunos tipos de buques.

Consideraciones sobre el paso de una hélice

El paso de una hélice viene dado por lo que avanzaría el buque (en caso de ser el agua un elemento rígido) en una revolución (giro) de la hélice. Esta situación no es posible por cuanto durante el proceso existe un retroceso marcado por la fórmula H.N - V siendo H el paso, N el número de revoluciones y V la velocidad en metros por segundo del buque, el fenómeno se produce por la elasticidad del agua

En hélices de paso constante, dicho paso es igual al de la superficie de la cara activa, en hélices de paso variable se tiene como paso al paso promedio de dicha cara activa.

Calcular y fijar el paso de una hélice es difícil por cuanto depende de los casos particulares de cada buque y se calcula teniendo en cuenta los resultados en buques similares. En general la relación entre diámetro y paso es de entre 0,5 y 2, las relaciones más bajas se aplican a buques que soportan cargas elevadas como por ejemplo remolcadores.

Como referencia tenemos: buques mercantes por lo general 1 oscilando la relación entre 0,8 y 1,2; torpederos entre 0,9 y 1,2; acorazados y cruceros 1,2 y 1,5 y en general buques rápidos y con muchas revoluciones de máquina 1,1 y 1,15; buques rápidos con pocas revoluciones entre 0,6 y 0,8.

La forma de las palas y principalmente la inclinación y área desarrollada, dependen de las condiciones de trabajo que desarrollará la hélice, en las cuales se tendrá en cuenta, forma de casco, situación de la hélice, agua que la alimenta, formación de la estela, etc.

La anchura media de las palas está entre 0,2 y 0,5 veces el diámetro siendo 0,2 el indicado para mercantes y el 0,5 para destructores y el grueso de la pala está entre 0,04 y 0,06 veces el diámetro.

Consideraciones hidrodinámicas de las hélices

El funcionamiento de una hélice se explica del siguiente modo.

La hélice al girar impulsa una cantidad de agua hacia atrás (acción) que provoca una fuerza de reacción sobre la hélice y a través del eje de cola y chumacera de empuje lo hace sobre el buque. Dicha fuerza reactiva que es la que impulsa al buque es de sentido contrario al de la corriente de agua desplazada y su intensidad depende de la velocidad de esa corriente y consecuentemente de la cantidad de agua puesta en movimiento.

No obstante debemos recordar que el buque avanza una distancia menor que el paso de la hélice por el efecto de retroceso de la masa líquida.

Consecuentemente es preciso dotar a las hélices de pasos y diámetros grandes siempre que las circunstancias lo permitan (número de revoluciones, potencia de las máquinas, suministro de agua en el cual influyen, situación y forma de la popa, etc.)

Durante su avance el buque arrastra una cierta cantidad de agua, el desplazamiento de esa cantidad de agua constituye la estela, dicha estela se considera positiva cuando persigue al buque y negativa en caso contrario.

Para la intensidad de la estela existen dos fórmulas una usada por Gran Bretaña y otra por el resto de los países europeos y Norteamérica. La primera es igual a Vb - Ve donde Vb representa la velocidad del buque y Ve la de la estela la segunda fórmula es Vb - Ve / Vb.

Las bocinas instaladas en los arbotantes de los buques de doble hélice modifican la estela cuando dichas bocinas tienen nervios horizontales solamente; la estela aumenta cuando el sentido de giro de las hélices es hacia fuera por tanto el empuje es mayor, efecto idéntico tienen las bocinas con nervios verticales y giro hacia dentro. Junto a estos efectos aparecen otros entre ellos la falta de uniformidad en la intensidad de la estela que dan lugar a un empuje también no uniforme en los diferentes puntos de las palas, efecto que produce vibraciones.

El funcionamiento de la hélice produce otros efectos relacionados con su movimiento, dichos efectos son causados por la influencia de la estela del buque y se trata de las corrientes de agua provocadas por el giro y la reacción ejercida por las palas. Para ver que ocurre tomemos como ejemplo una hélice de giro a la derecha situada a la profundidad indicada p con el timón a la vía y el casco con las formas apropiadas, teniendo en cuenta de que el buque navega con la mar en calma y sin apenas viento; en este caso la hélice cuando gira provoca dos corrientes de agua, una de aspiración sin efectos de evolución dado que su dirección es paralela al timón y al casco, es decir está en línea con ambos y otra corriente de expulsión que tiene efectos evolutivos elevados por tener una dirección inclinada y sentido variable según se considera la acción de las palas altas o bajas.

Durante la marcha avante, la hélice gira a la derecha y las palas que están altas al girar, impulsan el agua contra la parte superior de babor del timón y las bajas lo hacen sobre la parte inferior de estribor, ambos efectos son de sentido contrario, siendo la preponderancia dependiente de la intensidad de la corriente de expulsión y del área de la superficie sobre la cual actúa, ocurriendo por lo general que el efecto predominante se ejerza por las palas bajas sobre la parte inferior del timón. Dicho efecto hace que el buque tenga tendencia a caer a estribor; durante la marcha atrás las palas bajas impulsan el agua hacia el codaste de proa mientras las altas lo hacen contra la bovedilla, el efecto hace que en este caso la caída sea a babor.

Los efectos descritos son más acusados en las palas bajas pues la presión en ellas es superior a la de las palas altas.

Por último mencionar que la reacción de las palas al trabajar en un distinto plano al centro de gravedad provocan un par de escora que depende del giro de la hélice y en buques grandes no tiene mayor importancia, pero sí en buques más pequeños cuyas hélices trabajan a un elevado número de revoluciones (como en su día los torpederos). En ellos y en los torpedos se colocan dos hélices sobre un mismo eje que giran en sentido contrario para contrarrestar entre ellas dicho efecto.

Algunas fórmulas sobre hélices

El empuje efectivo de la hélice viene dado en kilos por la fórmula: Ee = 60 . 75 . Pe / H . N

El empuje indicado por la fórmula: Ei = 60. 75 . Pi / H . N

En ambas fórmulas Ee es empuje efectivo, Ei empuje indicado, Pe potencia efectiva en caballos medida en la unión de la máquina con el eje de cola, Pi potencia indicada en caballos, H el paso y N número de revoluciones.

El factor de pérdida se conoce por la fórmula Fp = Pi / Pe que oscila entre 1,1 y 1,73 para valores de Pe comprendidos entre 6000 y 10. También se puede calcular dicha potencia efectiva por la fórmula Pe = R .V de la cual R es la resistencia a la marcha y V la velocidad del buque en metros por segundo.

El rendimiento de la hélice que es expresado por varias fórmulas se calcula según la siguiente que es la que se usa de un modo más generalizado n= Ee .Va / 75 . Pe cuyo valor oscila entre 0,6 y 0,76; Va es la componente axial de la velocidad relativa de la hélice.

Para el retroceso axial aparente tenemos:

Sa = Vax - V; Vax es la velocidad axial de la hélice en nudos y se calcula por medio de la fórmula: Vax = (60 .H .N) / 1852; V es la velocidad del buque en nudos, esta fórmula se expresa también por la diferencia que hay entre H - A siendo H el paso y A el avance.

Fabricación de hélices, ajustes y montajes

Las hélices se fabrican de fundición y los materiales más usados son el acero fundido, el bronce y las aleaciones a base de bronce al manganeso, bronce - níquel - aluminio, y nialite aleación de cobre 78,4% con los porcentajes añadidos de hierro 5%, manganeso 1,5%, níquel 5%, y aluminio10%.

El molde se hace en dos mitades de arena de sílice mezclada con cemento, se hacen los orificios de los bebederos y salidas de aire y se le coloca un macho para el orificio del eje, antes de introducir el material de fundición se inyecta aire caliente para eliminar la humedad.

Una vez fundido se le deja enfriar el tiempo preciso que dependiendo del tamaño de la hélice puede ser de días. Una vez fría se le desmonta el molde y se procede a pulirla y desbastarla para posteriormente proceder al equilibrado y calibrado.

La hélice llega al astillero lista para proceder a su ajuste respecto al eje dicho eje tiene una sección troncocónica que coincide con el orificio practicado durante la fundición, para proceder a su ajuste se introduce tantas veces como sea preciso en dicho orificio procediendo cada vez que se saca a un rascado sobre el orificio de la hélice de las partes en las que se produce un mayor rozamiento, la operación termina cuando el rozamiento en toda la superficie del agujero y el cono del eje son lo mayores posibles, los puntos de rascado los establece una mezcla de grasa con pasta de pintura de azul de Prusia con la cual se impregna el cono del eje antes de introducirlo en la hélice en cada operación.

El ajuste de chaveta y chavetero se lleva a cabo antes del ajuste del eje.

Trasladado al buque el eje se introduce desde la sala de máquinas dentro de la bocina ya ajustada y lista y permanece allí hasta que se decide el montaje de la hélice. Es entonces cuando la hélice es trasladada por medio de grúas y se baja al lado del codaste, se eleva por medio de elevadores manuales hidráulicos o eléctricos y se introduce en el eje en la posición que marcan el o los chaveteros, y una vez en posición se coloca y aprieta la tuerca. Finalizada esta tarea de apretar se le coloca un tapón en forma de ojiva hueco que protege el eje y tuerca, además de dar forma hidrodinámica al conjunto y se rellena de sebo para evitar la corrosión de eje y tuerca.

Para el efecto de Cavitación relacionado con las hélices ver esa voz en el glosario

Sobre este efecto comentar que en submarinos y a partir de una determinada profundidad la cavitación queda anulada por las presiones que el agua ejerce sobre las palas de las hélices.

Mediavilla
imhotep12@msn.com
Noviembre 2005

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