La Hélice

 

Historia .

En 1843 Marc Isambard Brunel diseñó el Great Britain , de 3618 toneladas que fue el primero de los barcos basados en un nuevo invento que ya prometía en esa época revolucionar la náutica del momento: la hélice .

Brunel es recordado sobre todo por el enorme Grear Eastern . Botado en 1858, durante muchos años fue el buque más grande del mundo. Media 210 m de eslora y 24 de manga. Tenía ruedas de paletas, hélices y velas. Sus navieros perdieron mucho dinero con él. Fue desguazado en 1888.

La hélice usada en el Great Britain se debió a John Ericcson, ingeniero sueco. Se proponía reemplazar la vieja rueda de paletas. Ericcson, que logró interesar a la armada británica en su invento, se trasladó a Estados Unidos, cuya marina de guerra aplicó la hélice a la mayoría de sus nuevos barcos. Las embarcaciones mercantes del mundo entero comenzaron a usarla. Así se avanzó mucho en el desarrollo de la técnica náutica y de la navegación en general.

Un poco de teoría y nociones de mecánica.

Una hélice es  un propulsor que accionado mecánicamente, produce una fuerza, o empuje, a lo largo del eje de rotación cuando gira en un fluido (gas o líquido).

Las hélices pueden funcionar tanto en aire como en agua, aunque un propulsor diseñado para un funcionamiento eficiente en uno de los dos medios sería muy poco eficiente en el otro. Casi todas las embarcaciones están equipadas con hélices en la mayoría de los casos, salvo aquellas que poseen un sistema de absorción y expulsión de agua a presión como el sistema Rotax utilizados por las motos y jet sky acuáticos.

La hélice es en esencia un tornillo que, al girar, se impulsa a sí mismo a través del aire o del agua de la misma forma que un perno se inserta en una tuerca. Las hélices normales suelen consistir en dos, tres o cuatro hojas, que tienen la forma geométrica de la rosca de un tornillo. La distancia que una hélice o una de sus hojas se desplaza hacia adelante por cada vuelta completa que realiza el eje del propulsor, si no hay ninguna pérdida de transmisión, se denomina avance geométrico o paso La distancia que la hélice desplaza a través del aire o del agua en una rotación se llama avance eficiente, y la diferencia entre el avance geométrico y el avance eficiente, pérdida de transmisión y equivale al rendimiento.

En general, un propulsor eficiente tiene pérdidas de transmisión muy pequeñas y el avance eficiente, cuando opera en condiciones de diseño, equivale casi al avance geométrico; sin embargo, el propulsor eficiente mantiene la relación entre la energía de propulsión producida y la energía consumida al rotar el eje del propulsor. Los propulsores aéreos tienen a menudo una efectividad cercana al 90%, pero en los marinos este porcentaje disminuye a un 56 % aproximadamente.

La diferencia que existen entre las hélices que operan en el aire y las que lo hacen en el agua, es el ancho y grosor de las palas. Las hélices aéreas poseen una pala gruesa y de poco ancho mientras que las acuáticas tienen una hoja de poco espesor pero más ancha. Este tiene que ver con las condiciones de rozamiento, viscosidad y resistencia de rozamiento del medio en donde trabajan.

En el agua

Los nautas sabemos que la vida útil del motor, el consumo de combustible y perfomance del mismo, está ligado directamente con la correcta elección de la hélice. Y cuando nos referimos a la disyuntiva por un modelo u otro de propela, en realidad puntualizamos básicamente dos instancias capitales cuando llega la hora de seleccionarla, y es el paso y el diámetro de la misma.

Se entiende por diámetro a la circunferencia que describen los extremos de las aspas cuando estas giran y al paso, a la distancia geométrica que avanza la hélice con cada vuelta de eje.

Ambas medidas se expresan en pulgada siendo la primera la que se refiere al diámetro y la segunda a su paso.

Por ejemplo, una hélice 13 ¾ x 17, significa que la misma posee un diámetro de 13 ¾ pulgadas (34.9 cm.) y un paso de 17 pulgadas (43.18 cm.).

Diámetro.

Si aumentamos el diámetro de la hélice, ésta moverá más caudal de agua, generando una mayor resistencia y exigiendo al motor un aumento en la potencia entregada. Una de las ventajas que obtenemos al incrementar el diámetro de la hélice es aumentar la fuerza de arrastre a baja revoluciones. Traducido a efectos dinámicos, decimos que con una hélice de mayor diámetro, nuestra embarcación alcanza la velocidad de planeo a muy bajas revoluciones y en menor tiempo. Pero la desventaja es que a altas revoluciones, nuestro motor podría pasarse de vueltas sin alcanzar la velocidad máxima final estipulada por el fabricante.

El diámetro máximo de la hélice está limitado por la distancia existente entre el eje y la aleta de cavitación.

 

Paso.

Anteriormente dijimos que el paso de la hélice se asemeja a las vueltas de un tornillo. Entonces, si aumentamos el paso de esta, entonces la hélice se desplazará más rápidamente pero a costa de un mayor esfuerzo por parte del motor. Un desventaja significativa es que a nuestra embarcación le costará salir de abajo y para hacerlo deberá consumir mucha potencia pero a al final obtendrá muy buena velocidad final con un régimen relativamente bajo en revoluciones.

Con hélices de diámetro chico y paso largo, se corre el riesgo que a elevado régimen de revoluciones, la hélice entre en estado de cavitación que es un fenómeno que hay que tratar de evitar.

Cavitación.

Una hélice entra en este estado cuando por fenómenos mecánicos o dinámicos, comienza a formarse vapor o tomar aire a lo largo de las secciones de las palas lo que conlleva a una perdida de rendimiento.

Por problemas mecánicos, estas puede tomar aire del exterior si las palas pasan muy cerca de la superficie. Esto es factible si se levanta demasiado la hélice o la aleta de cavitación está por encima de la línea de crujía del casco. Por lo general se establece que la aleta de cavitación debe estar a +/- 20 mm. de la línea del fondo del casco y que de esta manera, esta aleta no permita que las aspas tomen aire del exterior.

El otro fenómeno dinámico se manifiesta cuando el agua que es sometida a procesos de cambio de presión, forma vapor y este se desplaza por las aspas de la hélice.

Todos sabemos que el agua hierve a 100 º C a nivel del mar. Conforme vamos ascendiendo, notamos que el agua comienza a hervir a menor cantidad de grados de temperatura. Esto tiene que ver con la presión atmosférica que disminuye a medida que ascendemos. A menor presión, se necesita menor temperatura para que el agua alcance su punto de ebullición. Podemos señalar entonces que en ausencia de presión atmosférica, el agua deja de estar en estado líquido para transformarse en vapor a temperatura ambiente.

Por diversos motivos (diseño, velocidad de rotación, etc.) las aspas de la hélice al girar, pueden formar áreas de muy baja presión de una cara de la pala, y zonas de muy alta presión del lado contrario. Entonces por lo expresado anteriormente, el agua que se halla del lado de baja presión, comienza a hervir, formando vapor de agua que se propaga por la cara hasta que abandona la hélice. En este momento la hélice pierde rendimiento porque parte de su estructura esta trabajando en un fluido distinto al cual fue diseñada.

Materiales y construcción:

Las forma y material que se usan en la construcción de las hélices es tan variable como tipos de embarcación en las cuales se las va a utilizar.

Hay dos maneras básicas de construir una hélice utilizada en náutica.

• Modulares
• Moldeadas

Modulares .

Son aquellas utilizadas en barcos de gran porte. Su construcción se basa en el ensamblado de grandes piezas de material, (generalmente acero) y que en su conjunto forman la propela totalmente armada.

Moldeadas.

Son aquellas hélices utilizadas en barcos eslora máxima no superen los 200 pies. Son de una sola pieza de fundición montada sobre un mango elástico sobre el eje de la misma y que por lo general es de goma o material similar y que sirve para amortiguar los golpes que pueda recibir la hélice estando en funcionamiento.

Los materiales pueden ser bronce, fundición de aluminio, acero o acero inoxidable. Actualmente se están fabricando un tipo de hélice construida íntegramente con materiales plásticos y polímeros basados en la estructura del nylon y que ofrecen las ventajas de poco peso, gran resistencia y bajo coste.

Hélices de bronce:

Su uso se basa en la gran resistencia al deterioro que causa el agua en los materiales metálicos que componen los órganos de propulsión, sobre todo aquellos que actúan en medios altamente salitrosos como el agua mariana. Absorben en cierta manera, los golpees ya que permiten algún grado de deformación.

 

Fundición de aluminio:

Son las más utilizadas por lo motores de uso general. Su ventajas son el bajo coste y la facilidad con que se rompen en caso de colisión con algún elemento duro sumergido y de esta forma preserva los órganos más delicados del motor. Sin embargo, el aluminio es un material muy quebradizo y con el tiempo su superficie se vuelve porosa y frágil perdiendo ductilidad.

Elección de la hélice.

Para saber que modelo de hélice debemos colocar en nuestra embarcación, debemos hacer una prueba sobre la marcha para determinar los distintos comportamientos que posee nuestra actual hélice y determinar si es necesario su reemplazo.

Debemos contar con dos elementos indispensables para efectuar la prueba y son, un tacómetro y un cuenta millas o kilómetros. Además debemos saber cual es el régimen máximo de revoluciones de nuestro propulsor que generalmente viene detallado en su manual correspondiente.

Otro aspecto a tener en cuenta es en el momento de la prueba, es la tripulación y la distribución de la carga habitual de la embarcación para determinar exactamente el comportamiento del casco ante la variación de carga ya que ello incide directamente sobre el rendimiento del equipo.

Una vez en marcha, hay que acelerar el motor hasta su máxima capacidad de revoluciones y corregir el power trim hasta lograr la máxima velocidad final medida con el velocímetro.

 

Si la embarcación planea con holgura y el motor no se pasa de vueltas (acusado por el tacómetro) estamos trabajando con una hélice adecuada para nuestro equipo.

Si por el contrario, si llegamos al límite máximo de vueltas y el motor se pasa de revoluciones, entonces estamos necesitando una hélice con un paso más largo.

En cambio si no podemos incrementar más la velocidad y no llegamos al régimen máximo de revoluciones, entonces debemos recurrir a una hélice de menor paso.

Otro ajuste que podemos hacer si necesitamos velocidad final aunque tarde en alcanzar el punto de planeo, es colocar una hélice de diámetro más chico y paso más largo, pero si queremos incrementar la fuerza de arrastre desde abajo y no buscamos velocidad final como para el sky o el wakeboard, colocaremos una de diámetro más grande y paso corto.

 

Buenas travesías!!! Claudio D'Ambrosio

 

Bibliografía consultada: Saunders Harold E., "Hydrodinamics in Ship Design". The Society of Naval Architecs and Marine Engineers.

 

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