IV. La Propela (hélice)

“El buque es una estructura que desenvuelve y desarrolla todas sus actividades en el agua, pero en este campo es víctima de los caprichos de
la naturaleza y de la mecánica de fluidos en general.  El propulsor genera una serie de efectos  que afectan al rendimiento del buque,  particularmente 
en su maniobra, además de estar expuesto a efectos de la naturaleza como 
el viento o las corrientes.  Cada uno de los efectos que producen los propulsores, y factores, 
externos o internos, que se desarrollan, 
tienen su impacto en el progreso de la actividad marítima del  buque”.

Propela o Hélice

Es una pieza formada por unas palas acopladas a un núcleo o eje en movimiento así como un  ventilador que transmite energía al convertir el movimiento de rotación en empuje. Se produce una diferencia de presión entre las superficies delantera y trasera de la cuchilla en forma de perfil aerodinámico, y se acelera un fluido (tal como aire o agua) detrás de la cuchilla. La dinámica de la hélice, como las de las alas de los aviones, puede ser modelada por uno o ambos principios de Bernoulli y la tercera ley de Newton.

  Una hélice marina de este tipo a veces se conoce coloquialmente como una hélice de tornillo o un tornillo, sin embargo hay una clase diferente de hélices conocidas como hélices cicloidales- se caracterizan por la mayor eficiencia propulsora promedio de 0,72 en comparación con el promedio de la hélice de la hélice de 0,6 y la capacidad de lanzar el empuje en cualquier dirección en cualquier momento. Sus desventajas son una mayor complejidad mecánica y un mayor coste, permitiendo al buque ir adelante o atrás, según sea el sentido de rotación de este eje. Es el elemento propulsor de la embarcación.  

Entender en detalle el funcionamiento de las hélices tiene mucha ‘tela’ pues el agua tiene distinta presión cuanto más profunda sea, y la pequeña diferencia de presión entre la parte superior del agua y la que toca a la parte inferior de la hélice es muy apreciable. De hecho esta diferencia de presión es la que provoca el empuje lateral que hace que el barco tenga tendencia a ‘irse’ a babor o estribor dependiendo del sentido de giro de la hélice.  Y el tema se complica mucho más si seguimos profundizando, ya que cada aspa de una hélice en realidad se comporta como el ala de un avión y por tanto hay que analizar su funcionamiento como tal.  Podemos ‘trasladar’ el movimiento circular del aspa de la hélice imaginando que no es el aspa el que se mueve sino el fluido (da igual que sea agua o aire). Por tanto transportamos el estudio totalmente al campo hidrodinámico, en donde aplicaremos la mecánica de fluidos en todas sus consecuencias. Debemos estudiar el empuje como consecuencia de la presión dinámica producido por la cara posterior, a la cual se suma (sobre todo) la succión producida por la cara anterior (la que está más a proa).


Historia 
El principio empleado en el uso de una hélice de tornillo se utiliza en sculling . Es parte de la habilidad de impulsar una góndola veneciana, pero fue utilizado de una manera menos refinada en otras partes de Europa y probablemente en otros lugares. Por ejemplo, la propulsión de una canoa con una sola paleta utilizando un “golpe de tono” o el lateral deslizándose una canoa con un “scull” implica una técnica similar. En China, sculling, llamado “lu”, también fue utilizado por el siglo III dC.
En sculling, una sola hoja se mueve a través de un arco, de lado a lado teniendo cuidado de mantener la presentación de la hoja al agua en el ángulo efectivo. La innovación introducida con la hélice de tornillo era la extensión de ese arco a través de más de 360 ° uniendo la cuchilla a un eje giratorio. Los propulsores pueden tener una sola pala,, pero en la práctica casi siempre hay más de una para equilibrar las fuerzas involucradas.
 
 

Creador de la Hélice

 
 

Las hélices de los barcos mas modernos

El tornillo de Arquímedes .
El origen de la hélice de tornillo se inicia con Arquímedes, que utilizó un tornillo para levantar agua para el riego y el rescate de barcos. Probablemente fue una aplicación de movimiento espiral en una rueda de agua hueca segmentada utilizada para el riego por los egipcios durante siglos. Leonardo da Vinci adoptó el principio para conducir su helicóptero teórico, bosquejos de los cuales implicaron un tornillo grande de la lona encima.
El primer uso de una hélice en una embarcación fue en 1775 en la tortuga de USS construida por David Bushnell. La tortuga de USS también tiene la distinción de ser el primer submarino usado en batalla. En 1827, el inventor checo-austriaco Josef Ressel había inventado una hélice de tornillo que tenía múltiples hojas sujetadas alrededor de una base cónica. Había probado su propulsor en febrero de 1826 en un pequeño barco que fue conducido manualmente. Él tuvo éxito en el uso de su hélice de tornillo de bronce en un vapor adaptado (1829). Su nave “Civetta” con 48 toneladas de registro bruto, Alcanzó una velocidad de unos seis nudos (11 km / h). Este fue el primer barco conducido con éxito por una hélice de tornillo de Arquímedes. Después de que una nueva máquina de vapor tuvo un accidente (soldadura de tubería agrietada) sus experimentos fueron prohibidos por la policía austro-húngara como peligrosos. Josef Ressel era entonces inspector forestal del Imperio austriaco. 
John Patch , un marinero en Yarmouth, Nueva Escocia, desarrolló una hélice de dos palas en forma de abanico en 1832 y lo demostró públicamente en 1833, impulsando un barco de fila a través del puerto de Yarmouth y una pequeña goleta costera en Saint John, New Brunswick . Solicitud de patente en los Estados Unidos fue rechazada hasta 1849 porque él no era un ciudadano americano. Su diseño eficiente fue elogiado en los círculos científicos estadounidenses  pero en ese momento había varias versiones de la competencia de la hélice marina. En la segunda mitad del siglo XIX se desarrollaron varias teorías. La teoría del impulso o la teoría de accionamiento de disco – una teoría que describe un modelo matemático de un propulsor ideal – fue desarrollado por WJM Rankine (1865), Alfred George Greenhill (1888) y RE Froude (1889). La hélice es modelada como un disco infinitamente delgado, induciendo una velocidad constante a lo largo del eje de rotación. Este disco crea un flujo alrededor de la hélice. Bajo ciertas premisas matemáticas del fluido, se puede extraer una conexión matemática entre la potencia, el radio de la hélice, el par y la velocidad inducida. La fricción no está incluida. La teoría de elementos de cuchilla (BET) es un proceso matemático diseñado originalmente por William Froude (1878), David W. Taylor (1893) y Stefan Drzewiecki para determinar el comportamiento de las hélices.


Tornillo de  Arquímedes

Tipos de hélices para barcos:

¿Cómo pueden ser las hélices ?

Las hélices del barco pueden ser  dextrógiras , que son aquellas que giran en el mismo sentido de las agujas del reloj, es decir, a la derecha o las levógiras que giran en el sentido anti horario, es decir, a la izquierda.

Esto hace que al girar las hélices provocan que la embarcación se desplace, de forma que su popa o su proa caigan a babor o a estribor, en función de la actuación de las fuerzas que actúan sobre la hélice.

La hélice se dice  levógira  cuando su sentido de giro es a la izquierda -contrario a las agujas del reloj- para conseguir el avance del barco.

¿Qué es el paso de una hélice?

Es el avance cuando da una vuelta completa. El paso de una hélice y las revoluciones están inversamente relacionadas de forma que al incrementar el paso se reducen las revoluciones que el motor puede alcanzar. 

¿Qué palas debemos escoger?

A la hora de seleccionar una hélice un punto fundamental es el tamaño y cantidad de palas con las que cuente. Las dos más importantes son las que tienen entre 2 y 4 palas y son principalmente utilizadas por motores intraborda con ejes. Los motores hélice fueraborda suelen llevar entre 3 y 6 palas.

¿Qué tamaño de hélice sería el correcto?

El tamaño se define por el diámetro total de la hélice y el paso de sus palas, es decir lo inclinado que están y por tanto, la capacidad de impulsar agua, generalmente un diámetro pequeño se corresponde con un motor de pequeña potencia o con un barco pensado para navegar a mucha velocidad. En cualquier hélice es importante tener suficiente superficie de palas para desplazar todo el volumen de agua que la potencia del motor permita. Palas demasiado pequeñas causan cargas muy altas, por lo cual la hélice no es capaz de absorber toda la potencia transferida por el motor. El resultado es lo que se conoce como cavitación, vibraciones y en algunos casos extremos picaduras en las palas.

¿Qué material de fabricación es el más adecuado para la hélice?

A nivel general se sigue utilizando el bronce, si bien cada vez aparecen en el mercado más modelos realizados en plástico. La gran ventaja del bronce es su bajo coste comparativo y la facilidad de reparación (aunque debemos tener mucho cuidado si ha habido problemas de electrolisis).

Pero el material más popular, con diferencia, utilizado actualmente en las hélices es el aluminio. Se repara fácilmente y presenta una elevada resistencia a la corrosión. Por otra parte, el acero inoxidable es cinco veces más resistente. De hecho, es el material más duro y duradero, lo que significa que es más resistente frente a los arañazos y abolladuras que suelen suceder a las hélices de aluminio, y que las palas de acero inoxidable pueden ser menos gruesas y aumentar su eficiencia.

La clave fundamental está en escoger una hélice que permita trabajar a los motores a su régimen óptimo. Las revoluciones alcanzadas cuando abrimos gases a fondo deben caer dentro del par máximo alcanzado teóricamente por el motor. El llamado ‘wide open throttle’ (WOT) debe caer en un régimen de revoluciones idóneo y característico para cada motor y estará reflejado en el manual de utilización, dependerá en gran medida de si es un motor a gasolina o diésel.

¿Cuál será entonces el numero de palas óptima para mi barco?

En cualquier hélice es importante tener suficiente superficie de palas, capaz de distribuir la potencia del motor entre las distintas palas y por tanto tener una superficie suficiente para desplazar todo el volumen de agua que la potencia del motor permita. Tener poca superficie de palas es como poner las ruedas de un Seat 600 a un fórmula uno. Por mucho que tengamos un motor muy potente no podríamos aprovecharlo ya que las ruedas patinarían y no conseguiríamos acelerar el vehículo todo lo que el motor permitiría. Palas demasiado pequeñas causan ‘cargas’ muy altas, lo que significa que la hélice no es capaz de absorber toda la potencia transferida por el motor. El resultado es lo que conocemos como cavitación, vibraciones y en algunos casos extremos ‘picaduras’ en las palas.

¿Cómo saber si debemos cambiar nuestra hélice actual por otra?

Debemos hacer una prueba para determinar los distintos comportamientos que tiene nuestra actual hélice y conocer si es necesario su sustitución. Para ello debemos disponer de un tacómetro y un cuenta millas o kilómetros. Además debemos saber cuál es el régimen máximo de revoluciones de nuestro propulsor que suele venir especificado en el manual correspondiente.

También, hay que tener en cuenta 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 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 el barco 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  llegamos al límite máximo de vueltas y el motor se pasa de revoluciones, entonces nos hace falta una hélice con un paso de hélice más largo. En cambio, si no podemos incrementar más la velocidad y no alcanzamos el régimen máximo de revoluciones, entonces necesitaremos paso de hélice menor.

Sobre las hélices actúan varias fuerzas:

  1. Presión lateral de las palas : Cuando la hélice gira, el agua ejerce sobre las palas una fuerza longitudinal, que descomponemos en dos fuerzas: el empuje, que hace que el barco avance, y la PLP (presión lateral de las palas) que hace caer la popa a una u otra banda, tal que si la hélice es dextrógira, la PLP hace que la popa caiga a estribor en marcha avante y a babor en marcha atrás. Por supuesto, será viceversa para la hélice levógira.
  • Corriente de expulsión : provoca sobre la hélice una fuerza al salir el agua propulsada, de forma que en el caso de la hélice dextrógira, tanto en marcha avante como en marcha atrás, la popa cae a babor.
  • Corriente de aspiración: la genera la hélice al succionar el agua. Esta corriente hace aumentar la acción del timón en marcha avante+hélice avante y también en marcha atrás+hélice atrás.

¿Cómo leer las dimensiones de una hélice?

EJEMPLO …” 14-1/2 X 19 RH Blade 3 SS Apollo Propeller

….. que significa pasaremos a desglosarlo:

  • 14-1/2  = diámetro de la hélice. El diámetro es siempre el primer conjunto de números.
  • 19  = El paso de la hélice. El paso siempre es el segundo conjunto de números.
  • RH  = Esta es la rotación de las hélices. Cualquiera de RH en sentido horario o LH contra las agujas del reloj.
  • Blade 3  = Este es el número de hojas. Puede ser 2, 3, 4 o 5 hojas.  = 
  • S  = Lo que representa el material de la hélice.  AL  = Aluminio &  SS  = Acero Inoxidable.
  • Apollo Propeller = Este es el estilo o marca de la hélice.

¿Cómo encuentro el paso actual de mi hélice?

El paso se indica generalmente en el interior o exterior del cubo de la hélice. Por lo general se escribe de esta manera (ejemplo):

  • 11 1/4 X 13
  • 11.25 X 13

El primer número es el diámetro (11.25) y el segundo número es el paso (13). Algunas marcas utilizan una forma diferente de indicar el tamaño o modelo.

  • 11 1/4 X 13 – G (Yamaha)
  • 48-832832A45 21P (Mercury Mercruiser)
  • 5111-093-10 (Solas)
  • 814629 (Volvo Penta)

Yamaha agrega una letra para indicar el tipo de diseño de la pala. Mercury Mercruiser utiliza un código numérico que termina con el tamaño del tono (en este caso, es el paso 21). Las hélices de Solas usan los últimos 4 números para indicar el tamaño (en el ejemplo de diámetro 9.3 y paso 10).

¿Qué es el paso (pitch)?

El paso es la característica más importante que se puede elegir en una hélice. Es en realidad la “curvatura” de las palas de la hélice. El paso (por ejemplo, 13) representa la distancia recorrida (número de pulgadas) por una hélice en una rotación completa.

Un paso más grande significa más curvatura y potencialmente una velocidad máxima más alta. Un paso más pequeño significa menos curvatura y por lo tanto más aceleración.

Piense en el paso como la caja de cambios de su coche. A partir de la primera marcha (paso pequeño) puede acelerar rápidamente, pero su velocidad máxima será limitada. Conduciendo a una marcha más alta (mayor paso) irá más lentamente, pero su velocidad máxima será mayor. No obstante, si elige una marcha demasiado alta (paso) el motor no será capaz de alcanzar suficientes rpm (rotaciones por minuto) y por lo tanto tampoco será capaz de alcanzar la mayor velocidad. Con una marcha demasiado pequeña (menor paso) el motor hará demasiadas rpm, lo que puede dañarlo. Lea a continuación cómo puede obtener una buena indicación del paso que debe elegir.

Elegir el paso correcto

Si actualmente está satisfecho con el rendimiento de su motor, recomendamos elegir el mismo paso. Sin embargo, si desea cambiar el rendimiento puede considerar un paso diferente. Por ejemplo, si desea utilizar su barco con un propósito específico (por ejemplo, esquí acuático). 

O bien si su motor hace demasiadas o muy pocas rpm a toda velocidad. Un buen indicador para seleccionar el tono óptimo es el número de revoluciones por minuto que su motor hace a pleno rendimiento (WOT). Cada motor tiene unas rotaciones por minuto (rpm) “óptimas” prescritas que deberían alcanzarse cuando este a pleno rendimiento. Esto difiere por motor, pero a menudo son entre 4500 y 6000. Puede comprobar su manual, o comprobar  esta tabla de rangos de rpm  para los motores más comunes.

Si sus rpm actuales son demasiado altas, puede considerar un paso más grande que mejorará su velocidad máxima. Si las rpm actuales son demasiado bajas, el motor no alcanzará su potencial máximo debido a un paso demasiado alto. En este caso, la elección de un tono más bajo puede resultar en una mejor aceleración (paso más pequeño) y una velocidad superior (ahora podrá alcanzar las máximas rotaciones por minuto).

Si está cambiando de paso en un barco de ocio, recuerde que cada pulgada de paso equivale a aproximadamente 200 rpm. Bajar el paso aumentará las rpm y elegir un paso más alto las disminuirá. Por ejemplo, pasar de un paso de 23 a un paso de 21 aumentará las revoluciones del motor en aproximadamente 400 a 600 revoluciones. Para motores de caballos de potencia  más pequeños (hasta 30 CV) esta diferencia suele ser mayor: un paso puede marcar una diferencia similar.

 
 

Paso de una hélice

 
 

Efecto evolutivo de la hélice

 
 

Testeo de hélice

Sobre las hélices actúan varias fuerzas:

  1. Presión lateral de las palas : Cuando la hélice gira, el agua ejerce sobre las palas una fuerza longitudinal, que descomponemos en dos fuerzas: el empuje, que hace que el barco avance, y la PLP (presión lateral de las palas) que hace caer la popa a una u otra banda, tal que si la hélice es dextrógira, la PLP hace que la popa caiga a estribor en marcha avante y a babor en marcha atrás. Por supuesto, será viceversa para la hélice levógira.
  • Corriente de expulsión : provoca sobre la hélice una fuerza al salir el agua propulsada, de forma que en el caso de la hélice dextrógira, tanto en marcha avante como en marcha atrás, la popa cae a babor.
  • Corriente de aspiración : la genera la hélice al succionar el agua. Esta corriente hace aumentar la acción del timón en marcha avante+hélice avante y también en marcha atrás+hélice atrás.

La Rotación de la Hélice y Teoría de la operación

(nomenclatura de hélices marinas)    

Así como la palabra sugiere, la rotación determina la dirección del giro de una hélice en torno al eje . La rotación se determina mirando a la hélice desde la parte trasera del barco. A mano derecha si la hélice gira en sentido horario, por lo tanto, se desplazan hacia el lado derecho. Contrariamente, a mano izquierda si la hélice gira en sentido contrario a las agujas del reloj mientras observa la hélice de la parte trasera del buque. El cambio de las rotaciones en instalaciones individuales, dobles, triples pueden afectar el rendimiento de las embarcaciones. Normalmente viendo el barco desde la parte de atrás (popa) las hélices de una sola montura giran en sentido a las agujas del reloj, aunque esto nos propicia a que el barco siempre tienda a caer de proa,

En las monturas dobles una hélice gira hacia la derecha y la otra hacia la izquierda esta gira contra las agujas del reloj. a este tipo de sentido de giro se utiliza en monturas dobles CONTRAROTACION, con el fin de contrastar el empuje de cada hélice Esto se traduce en una mejor línea recta de navegación y control del timón a alta velocidad.


Muchas embarcaciones con motores simples tienen motores girando en el mismo sentido horario es decir diestro . Dos hélices girando en el mismo sentido en un barco crea una fuerza de dirección hacia un sentido . En otras palabras, dos hélices diestras tiran la popa hacia la derecha y la proa hacia la izquierda. Para contrarestar este rotación (sentido contrario) en monturas con dos motores se utiliza uno de ellos con giro inverso a las agujas del relog. Conclusion en embarcaciones con doble motor, cada helice tendra que girar en sentido contrario una de la otra.

Nomenclatura de la Hélice

Nomenclatura de Hélices

¿Cómo trabajan las hélices?

Primero definamos una hélice, la cual es un mecanismo de propulsión que convierte la mayor parte de la potencia del motor en una fuerza de empuje para propulsar una embarcación. La hélice es el mecanismo más común de propulsión marina.

El movimiento de la hélice es una combinación de una rotación con una traslación a lo largo del eje de rotación. Consiste de un numero de aspas torcidas idénticamente (usualmente 3, 4 o 5) igualmente espaciadas alrededor de un núcleo montado en un eje de empuje.

Lo torcido (paso) y la inclinación de un aspa son definidos por los ángulos entre un plano de referencia perpendicular al eje de rotación y un numero de líneas referenciadas (o establecidas) entre el plano base y el aspa. Un conjunto de líneas de datos de paso son tomadas en series de radios constantes desde el eje de rotación, y el ángulo entre el plano de referencia y la línea de paso es llamado ángulo de paso.

La operación de una hélice puede ser ilustrada considerando un elemento anular de una de las aspas. La figura debajo muestra las fuerzas actuando en un elemento anular de aspa de ancho dr en un radio r desde el eje de rotación.
Un par torsional Q es aplicado a la hélice por el eje de empuje, y la hélice y el eje rotan a cierto rango de velocidad (rpm). Es debido a la reacción del fluido en el cual opera que el elemento de aspa experimenta una fuerza resultante d R que tiene dos componentes, una fuerza de par torsional tangencial dQ/rB, donde B es él numero de aspas, actuando opuestamente a la dirección de rotación, y una fuerza de empuje dT/B actuando hacia adelante, paralela al eje de rotación.
La suma de los momentos de las fuerzas de par torsional tangenciales de todas las aspas es balanceado por el par torsional Q aplicado a la hélice, y la suma de las fuerzas de empuje en todos los elementos de las aspas es igual a la fuerza de empuje la cual impulsa la hélice hacia adelante a una velocidad de avance.  

Hélices de paso fijo

Es aquella cuyo paso es único y no es modificable por mecanismo alguno. Este tipo de hélice compensa su falta de eficacia con una gran sencillez de funcionamiento. La mas común debido a su relativo “bajo costo”, también se las conocen como de “paso constante”, esto quiere decir que el paso en toda la superficie del aspa (excepto los ángulos de aspa) no cambia, son usadas en la mayoría de las embarcaciones comerciales como remolcadores, arrastreros, pesqueros, etc.

Hélices de paso variable 

Cuando se reduce la velocidad del buque, el flujo de agua sobre el timón queda apreciablemente roto, a menos que se  eduzca el paso gradualmente. Este efecto adverso es importante de cara a la maniobra del buque. La hélice no debe de ponerse con paso cero para reducir la velocidad mientras se requiera timón.

Según los expertos, estas hélices son poco eficaces a bajas velocidades y en la marcha atrás, lo que requiere el cero de máquina atrás más dilatado para pararlo. Como se mencionaba, la mayoría de las hélices tienen un paso constante, pero hay algunas aplicaciones especiales (grandes barcos o embarcaciones de velocidad) donde la necesidad de obtener la máxima eficiencia posible es imperativa. El paso puede variar en cada radio, y donde se reduce el paso cerca de las puntas para reducir la presión de las aspas y la posibilidad de cavitación.

Hélices de paso controlable

El giro de las hélices aun pudiendo ser en uno de los dos sentidos, es más frecuente el giro constante a la izquierda, para que en atrás el buque pueda comportarse como los buques convencionales, respecto al sentido de aplicación del empuje lateral de la hélice, es decir, empuje lateral a babor y por ello la proa a estribor, mientras que si fuera el giro de paso a la derecha, al dar atrás solo cambiará la orientación de las palas, no su giro, y por tanto, la popa caería a estribor y la proa a babor, circunstancia no esperadas a menos de ser conocidas con anterioridad.

Es  posible alterar el paso de este tipo de hélices para cambiar la velocidad o ajustarse a determinadas condiciones de navegación. Este cambio en el paso de la hélice se logra con la rotación de las palas de la hélice sobre su propio eje vertical, por medios hidráulicos o mecánicos. De esta forma el eje porta hélices puede girar a velocidad constante permitiendo a la vez un cambio en la velocidad del buque, a través del cambio en el paso de la hélice. Mientras es posible invertir completamente el paso de la hélice, este tipo de propulsor emplea un motor unidireccional para dar empuje todo avante o todo atrás en la maniobra. Se emplean para buques remolcadores o buques arrastreros donde las condiciones de navegación o remolque son complicadas.  

Hélices para toberas

Una hélice con tobera o hélice carenada es un sistema de propulsión marino compuesto por una hélice colocada dentro de una tobera rígida. Fue desarrollado por Luigi Stipa en 1931 y por Ludwig Kort en 1934 (por lo que también se conoce como tobera Kort). Este diseño aumenta la fuerza de empuje y mejora la eficiencia en comparación con la hélice sin tobera.  El diseño hidrodinámico del ducto de la tobera, que posee un perfil alar, posee ciertas ventajas en determinadas condiciones de funcionamiento comparado con las hélices sin toberas. Entre las ventajas se destaca un aumento de la eficiencia a velocidades bajas (<10 nudos), mejor estabilidad del rumbo y menor vulnerabilidad ante basura flotante. Entre las desventajas se mencionan una menor eficiencia a velocidades elevadas (>10 nudos), problemas de estabilidad del curso al navegar en reversa, y una mayor cavitación. Las hélices con toberas a veces son utilizadas para reemplazar el timón.

Existen dos tipos de toberas:

  • Las toberas que aceleran el flujo dirigido hacia la hélice. Concepto desarrollado por Ludwig Kort en 1934.
  • Las toberas que desaceleran el flujo dirigido hacia la hélice.  

En ambos sistemas, la punta de la hélice gira a escasa distancia de la superficie interna de la tobera, eliminando los vórtices que genera el movimiento de la hélice. El aumento de la velocidad de la masa de agua que se dirige hacia la hélice, disminuye el esfuerzo de torsión, pero tomado en su conjunto aumenta la fuerza de empuje.

Estos sistemas de propulsión disminuyen su eficiencia en barcos que navegan a velocidades elevadas. Están rodeadas por un perfil hidrodinámico, las ventajas en estas son el incremento de empuje (cerca del 40%), existen diferentes tipos de perfiles que reducen la velocidad, pero ya hay nuevos diseños que la aumentan comparadas con cualquier hélice standard, hay toberas diseñadas para obtener el máximo desempeño hacia delante y otras para ambos (empuje hacia proa y popa). La aplicación de estos equipos están limitadas a embarcaciones de baja velocidad (debajo de 14 nudos) como arrastreros, remolcadores, dragas.

Hélices de rueda tipo paleta , montadas en popa, como las montadas lateralmente

Una rueda de paletas es un armazón cilíndrico de barras de hierro, que se coloca por fuera en los extremos de los ejes de las máquinas, por lo regular, una rueda a cada costado de un buque y un poco más a proa que el centro de gravedad de éste.  En algunos ríos y canales hay barcos con una solamente y a popa. Cada rueda está formada en el extremo del eje por varias filas de rayos perpendiculares a la dirección de este, unidos entre sí por dos círculos, el uno exterior y el otro que pasa por el medio de las paletas: lleva además unos tirantes de hierro que parten del centro y van oblicuamente casi al extremo de cada rayo, a fin de procurar la solidez a esta armazón tan ligera. Toda ella está protegida en su parte alta por un cubichete que se llama tambor, en cuya aleta o paraje más saliente se apoya el pezón del eje al mismo tiempo que en la abertura practicada en el costado del buque.  

Hélices de Paletas móviles  

La rueda de paletas movibles, vibratorias o articuladas es la que tiene dispuestas las paletas de modo que el ángulo que sus planos forman con la dirección de los rayos varíe a fin de que entren y salgan siempre verticalmente en el agua, utilizando así el efecto máximo de impulsión desde que se sumergen hasta que se elevan. Para obtener esta ventaja cad  a paleta va montada sobre un eje con lo cual es giratoria, y está relacionada con una excéntrica fija en el costado del buque por medio de una barra de hierro. Esta disposición no es sin embargo muy usada, a causa tal vez de su complicación.  

Hélices tipo Jets  

Estos sistemas trabajan como una bomba de succión, son muy usuales en botes de alta velocidad como botes patrulla o barcos para transporte de personal, algunos sistemas corren hasta 50 nudos.


Hélices tipo Jets

Hélices Azimutal  

Esta es la opción mas avanzada cuando la maniobrabilidad es realmente valiosa para la operación del barco ya que estos sistemas giran 360° y el empuje puede direccionarse hacia cualquier lado. Existen con o sin tobera, aplican para embarcaciones comerciales que operan abajo de 14 nudos.  Consiste en una hélice que puede orientar su impulso girando alrededor de un eje vertical. Este giro es completo (360º) lo que mejora la maniobrabilidad haciendo incluso innecesario el timón. Parte de los mecanismos necesarios para el funcionamiento están encerrados en una góndola, delante o detrás de la hélice. Es similar a la lanchas fueraborda pero con mayor posibilidad de giro y mayor tamaño.

Remolcadores, buques offshore, buques de crucero, ferries y algunos otros tipos de buques, y especialmente los que tienen que maniobrar mucho, son los que más incorporan en la actualidad ese tipo de propulsión. En los remolcadores de tipo ASD (Azimuth Stern Drive), el uso del propulsor azimutal se hace al acoplar un motor diésel mediante una línea de ejes con dos ejes cardan, uno en cada extremo estando el propulsor y el motor están a distinta altura. En remolcadores de tipo tracor, al estar el motor y el propulsor e la misma altura, estos se acoplan mediante un eje directamente sin necesidad de ejes cardan.

Existen dos variantes principales, basados en el tipo de transmisión lo que condiciona la localización del motor:

  • Transmisión mecánica , donde un motor en el interior del barco está conectado a la unidad por engranajes. El motor puede ser diesel o eléctrico. Según la configuración mecánica de la transmisión se dividen en L-drive y Z-drive. Una hélice de L-drive tiene un eje de accionamiento vertical y un eje de salida horizontal unidos por un juego de engranajes en ángulo recto. Un propulsor Z-drive tiene un eje horizontal de entrada, un eje vertical en la columna giratoria y un eje de salida horizontal con dos juegos de engranajes en ángulo recto uniendo los ejes.
  • Transmisión eléctrica , donde un motor eléctrico está en la misma góndola, conectado directamente a la hélice sin engranajes. La electricidad la produce un motor a bordo, generalmente diésel o turbina de gas. Inventado en 1955 por el Sr. FW Pleuger y el Sr. F. Busmann (Pleuger Unterwasserpumpen GmbH).Pero fue ABB con su Azipod el primer producto con esta tecnología.

Los mecánicos de los propulsores azimutales se puede fijar instalado, retráctil y montaje bajo el agua. Es posible que tengan hélices de paso fijo (FPP) o hélices de paso variable (CPP).

Los propulsores fijos se utilizan para remolcadores, transbordadores y barcos de abastecimiento. Los propulsores retráctiles se utilizan como propulsión auxiliar para posicionamiento dinámico (DP) de buques y de propulsión para buques militares.

Propulsores Underwater Montable se utilizan como sistema de propulsión de posicionamiento dinámico para los buques de gran tamaño, tales como plataformas de perforación semi-sumergibles.

Helices Cuchilla  

Diseño de hélice especialmente utilizado para carreras de barcos. Su borde delantero se forma alrededor, mientras que el borde de salida se corta recto. 

Proporciona poco levantamiento de proa, por lo que se puede utilizar en barcos que no necesitan mucho arco de elevación, por ejemplo hidroaviones, que naturalmente tienen suficiente hidrodinámica elevación del arco. Para compensar la falta de elevación del arco, se puede instalar un aerodeslizador en la unidad inferior. Los hidrodeslizadores reducen la elevación del arco y ayudan a sacar un bote del agujero y al plano.

Helices Skewback 

Un tipo avanzado de la hélice usado en submarinos alemanes del tipo 212 se llama una hélice del skewback . Al igual que en las cuchillas de cimitarra usadas en algunas aeronaves, las puntas de las cuchillas de una hélice de skewback son barridas hacia atrás contra la dirección de rotación. Además, las cuchillas están inclinadas hacia atrás a lo largo del eje longitudinal, dando a la hélice un aspecto general en forma de copa. Este diseño conserva la eficacia del empuje mientras que reduce la cavitación, y hace así para un diseño reservado, furtivo.

Helices voith-schneider (Patente de Kirsten)

Voith-Schneider [6] es otro ejemplo de propulsor de éxito actualmente muy solicitado en embarcaciones remolcadoras, dispensa o leme además de proporcionar pronto respuesta al comando. Su rapidez en la transición de dirección y la intensidad de empujo permiten, inclusive, que una advertencia anule el efecto de ondas, tornando-se absolutamente estable.


Hélice verticales cicloidales kirsten-boein 
"Existen barcos que se mueven sin hélices y parecen llevar un montón de timones! ¿Cómo pueden moverse?  Imagine un grupo de remos accionados inteligentemente por un mecanismo movido por un motor. Se trata de la propulsión cicloidal, capaz de producir mucho empuje con grandes ventajas. La dirección del chorro propulsor puede ser modificada al instante lo que permite una maniobrabilidad sin precedentes".


El profesor Frederick Kirsten emigró desde su Alemania natal a la Universidad de Washington y tuvo la genial idea hace ya cerca de 100 años. Ésta fue una de sus muchas invenciones. En total cerca de un centenar de patentes de entre las cuales destaca también la del tubo fluorescente. En 1.921 registró una patente sobre un invento que consistía en un mecanismo para conseguir propulsión sin hélice alguna. El prototipo demostró que el barco podía cambiar su rumbo o detenerse de forma casi inmediata gracias a la facilidad con la que podía invertirse y cambiar el chorro de propulsión. Se trataba de la propulsión cicloidal que tuvo mala prensa por parte de los fabricantes de hélices y motores convencionales de entonces al ver éstos amenazados sus negocios.

Kirsten vendió la patente en Alemania a una empresa llamada Voith-Schneider que mejoró el diseño inicial hasta conseguir el actual motor Voith Cycloidal que se viene utilizando desde hace décadas en motorizaciones con muchos miles de caballos para barcos de gran tonelaje y con muchas ventajas frente a las propulsiones tradicionales, especialmente cuando se trata de conseguir una maniobrabilidad excepcional y respuestas instantáneas en la dirección del empuje.

Por este motivo la propulsión cicloidal es muy indicada en buques contra-incendios o remolcadores que necesitan realizar cambios en las maniobras de forma instantánea. La propulsión cicloidal es muy eficiente pero mucho más cara que una hélice convencional y más delicada, especialmente al trabajar en aguas someras.


Empuje cicloidal

El empuje producido por un sistema cicloidal se genera desde cualquier ángulo, y se puede cambiar de forma instantánea gracias a su diseño “cicloidal” que hace referencia a la curva matemática que describe un objeto que rota siguiendo un arco de circunferencia.

El resultado es como si tuviésemos una hélice de paso variable y orientable en dirección de forma instantánea sin mover para nada el eje del motor como ocurre por ejemplo en los motores fueraborda o Z-Drive.

La forma en que trabaja cada pala puede ser comparada a como lo hace el remo de una canoa. Esto es muy importante, ya que al poder utilizarse grandes palas trabajando a velocidades lentas, se consiguen muy altos rendimientos y pocas pérdidas o problemas de cavitación.



En la primera figura, el disco gira con las palas sin incidencia. No hay chorro desviado ni propulsión. En la segunda figura la cruceta roja se desplaza en cualquiera de los dos ejes vertical y horizontal y luego permanece fija en una posición descentrada. (Ojo la crucera roja si puede girar sobre su eje vertical para permitir el giro del disco principal). 

Ahora al girar el disco con las palas, estas se ven obligadas a cambiar su ángulo de incidencia a medida que gira el disco principal. Se produce un chorro perfectamente dirigido y por tanto propulsión.

Las instalaciones son dobles y como podemos elegir la dirección y la intensidad del chorro de propulsión en cada uno de los dos rotores, el control es total. Conseguiremos movimientos de traslación lateral del barco, giros impresionantes sobre el mismo eje del barco. Una direccionalidad desconocida que permite maniobras imposibles de realizar con sistemas de propulsión tradicionales.

¿Cómo funciona?

Imaginemos un disco capaz de girar gracias a la potencia de un motor en el cual van montadas perpendicularmente varias palas con perfil de ala. Todas las palas giran por tanto gracias al movimiento del disco.

Si estas alas giran sin incidencia no se produce ninguna desviación de agua y la propulsión es nula. Cada una de las palas puede oscilar sobre su eje para lograr modificar su ángulo de ataque y por tanto lograr desviar un flujo de agua. Si conseguimos que todas ellas vayan modificando ordenadamente su ángulo de ataque lograremos dirigir el flujo de agua desviado hacia la dirección deseada y por tanto producir empuje por el simple principio de acción y reacción, como de hecho hacen todas las hélices.

Al otro lado del disco, en la parte seca que no va en contacto con el agua, y a cada eje de cada pala, va unido un codo desde el que poder modificar la incidencia de la pala.

Ahora viene lo bueno. Se trata de unir cada codo finalizado en una cabeza, como la de las bielas, mediante una cruceta de tantos brazos como palas tenga el dispositivo. La cruceta actúa de una forma muy parecida a como lo hace el colectivo de las aspas de un rotor de helicóptero.

La cruceta no gira y cuando su punto central coincide con el eje de giro del disco principal todas las palas giran sin modificar durante la revolución del disco, los ángulos de incidencia. Si desplazamos esta cruceta colectiva en el eje horizontal lograremos empujar o tirar de los codos que cambian el ángulo de incidencia de una forma continuada y sincronizada para que las palas trabajen conjuntamente sumando sus efectos propulsivos. Si movemos la cruceta en el otro eje el empuje se producirá también en una dirección perpendicular a la anterior.

 
 

Advantages of Tugs with Voith Schneider Propeller

El siguiente video puede verse haciendo clic en "Ver en Youtube" que está en la imagen de arriba.

 
 

Dancing Tug Boats

El centro de la cruceta actúa por tanto como un “joystick” y podremos moverla en el eje vertical y horizontal simultáneamente para lograr dirigir el sentido del choro en el ángulo que queramos. Para ello se utiliza un mecanismo hidráulico pues para mover la cruceta hace falta una fuerza considerable al soportar ésta la fuerza de reacción del conjunto. Dos actuadores en ambos ejes se encargan de ajustar la posición de ésta gracias a las órdenes que damos nosotros desde el joystick de control. Cambiando la posición de la cruceta cambia instantáneamente la dirección del chorro de agua y por tanto del empuje.

Cuánto más se separa el centro de la cruceta del eje de giro del disco, más crece el ángulo de incidencia de las palas, o lo que es lo mismo, mayor será el chorro de propulsión con independencia de la dirección por donde salga expedido. Este ajuste permite que el motor pueda trabajar justo en su par máximo y por tanto aprovechar el mejor rendimiento del motor, como si se tratara de una hélice de paso variable.

Hélices Transversales

La hélice transversal es el elemento de propulsion lateral destinado a las maniobras, generalmente esa propulsion va ligada a las toneladas de desplazamiento lateral que puede soportar en base a una resistencia determinada por la misma embarcación. El tipo de hélice transversal mas conosida es la hélice de proa. Es una instalación nueva de una embarcación, que previamente no tuviera. Son motores generalmente eléctricos, que funcionan a 12 o 24 voltios, protegidos por reles y fusibles. Situados en las sentinas o salas de motor, suelen estar protegidos para evitar deterioros.


Agregue un título para mejorar el significado de esta imagen.

Cavitación de hélice marina    

Se produce cuando por culpa de girar muy rápido, o por exceso de velocidad del barco, la presión de la cara anterior de la hélice (la que está más a proa) decae a valores muy pequeños. En estas condiciones, en la zona con depresión se forman burbujas de vapor por culpa del vacío que se ha creado. ¡El agua verdaderamente hierve pero a temperatura ambiente! Cuando las burbujas de vapor que se han creado (por ejemplo en un milisegundo o de forma casi instantánea) salen de esta zona de la hélice y vuelven a una zona con presión normal, se colapsan y se condensan otra vez en líquido. 

Durante el proceso de condensación este colapso es muy violento produciendo vibraciones ruidos y pérdidas de prestaciones. La cavitación puede estropear fácilmente una hélice, mellando sus bordes de ataque, doblando las palas o picando su superficie. Conosido como principio de Bernoulli. Puede ocurrir si se intenta transmitir mucha potencia a través del tornillo, o si la hélice está operando a una velocidad muy alta. La cavitación puede desperdiciar energía, crear vibraciones y desgaste, y causar daños a la hélice. 

Los dos tipos más comunes de cavitación: 

La cavitación de la superficie   del lado de succión se forma cuando la hélice está operando a altas velocidades de rotación o bajo carga pesada (alto coeficiente de elevación de la cuchilla ). La presión sobre la superficie aguas arriba de la cuchilla (el “lado de succión”) puede caer por debajo de la presión de vapor del agua, dando como resultado la formación de un bolsillo de vapor. Bajo tales condiciones, el cambio de presión entre la superficie aguas abajo de la cuchilla (el “lado de presión”) y el lado de succión está limitado, y eventualmente reducido a medida que aumenta la cavitación. Cuando la mayor parte de la superficie de la cuchilla está cubierta por cavitación, la diferencia de presión entre el lado de presión y el lado de succión de la cuchilla disminuye considerablemente, al igual que el empuje producido por la hélice. Esta condición se denomina “descomposición de empuje”. El funcionamiento de la hélice en estas condiciones desecha energía, genera ruido considerable y, a medida que las burbujas de vapor se derrumban, erosiona rápidamente la superficie del tornillo debido a ondas de choque localizadas contra la superficie de la cuchilla.

La cavitación del vórtice de punta  es causada por las presiones extremadamente bajas formadas en el núcleo del vórtice de la punta. El vórtice de la punta es causado por la envoltura del líquido alrededor de la punta de la hélice; Desde el lado de la presión hasta el lado de la succión, es menos dañina para la cuchilla, ya que este tipo de cavitación no se derrumba sobre la cuchilla, sino algo de distancia río abajo.

La supercavitación es un fenómeno hidrodinámico, una variación de la cavitación. Se produce al moverse un objeto a gran velocidad en un fluido (líquido, en éste caso). La diferencia fundamental entre cavitación y supercavitación reside en la velocidad y en los usos potenciales de la misma, mientras la cavitación es un fenómeno generalmente negativo tanto para la industria naval o la aeronáutica, la supercavitación es una nueva vía de futuro en la industria, y ofrece nuevos horizontes económicos y tecnológicos.

Este fenómeno consiste en que al moverse el objeto a gran velocidad, el fluido que se desplaza a su alrededor adquiere una velocidad muy grande haciendo que su presión disminuya drásticamente. Si se llega al punto de evaporación del líquido, éste se convierte en gas y por tanto el objeto se desplaza por un medio gaseoso disminuyendo así su fricción.

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido pasa a gran velocidad por una superficie determinada en una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido en la zona de la arista. Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido a la temperatura que se encuentra dicho líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente de estado líquido a vapor. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas, y un rápido desgaste de la superficie que origina este fenómeno. Ahora bien, en la Supercavitación se exagera este efecto con el fin último de que un objeto sumergido en un fluido se vea rodeado de una burbuja de gas en su totalidad para así reducir el efecto de la fricción del fluido y obtener así velocidades más altas haciendo que la implosión del gas se efectúe detrás de la cola del objeto en cuestión.

Actualmente, esta tecnología es toda una revolución en el sector de armamento naval. Cabe mencionar que el país más avanzado en estudios sobre este tema es Rusia, que hace ya unas décadas, creó un prototipo de torpedo-motorcohete que alcanzó una velocidad de 180 m/s. Este fenómeno es aprovechado recientemente por el ejército estadounidense para las balas de destrucción de minas. Estas balas tienen una punta achatada que provoca una supercavidad (el gas producido envuelve completamente al proyectil) haciendo que puedan llegar con suficiente energía a 15 metros de profundidad para poder hacer explotar una mina. Estas balas se lanzan desde un helicóptero artillado sobre el objetivo.

Otra aplicación militar es el torpedo ruso de supercavitación VA-111 Shkval, que aprovechando este efecto puede viajar a la velocidad de 380 km/h por debajo del agua. En la actualidad, DARPA está desarrollando un minisubmarino, que aprovechando este efecto, podrá alcanzar teóricamente los 100 nudos, un gran avance de velocidad submarina, en comparación con los 25/30 nudos actuales.
Una de las pocas, sino la única, fotografía conocida del torpedo de supercavitación ruso.

Hélices dañadas por la Cavitación

daños normales por estadía bajo el agua

Cavitación en el bombeo de fluidos

Erosión incipiente como resultado de la cavitación cerca del borde de ataque de la cara anterior de la pala

 
 

How a Thordon Compact

 
 

Alta velocidad Photron Cavitation

Caída

La caída de las palas de una hélice no tiene efectos directos en la eficiencia de ésta, pero los efectos de la interacción entre la hélice y el casco sí son importantes. A menudo, según la forma del vano en el casco, cuanto mayor sea la caída a popa de las palas de la hélice, más grande podrá ser el diámetro de ésta y la caída pasará a ser muy favorable. Sin embargo, una caída mayor requiere una hélice más fuerte, más pesada, cuya fabricación es más costosa.

Espacio libre entre la hélice y el casco y vano de la hélice. La distancia entre la hélice y el casco influye en la eficiencia de funcionamiento de la hélice en el flujo del agua en torno del casco y afecta a la intensidad de la vibración causada por la hélice.

En general, cuanto más grandes sean esas distancias, mejor. Sin embargo, si el vano es pequeño, cuanto mayores sean esas distancias, menor podrá ser el diámetro de la hélice y menor será la eficiencia. Si en la fase de diseño se prevé que esas distancias sean grandes, se debe alzar la bovedilla y ello podría exigir que la línea de flotación sea más obtusa inmediatamente a proa de la hélice. Con esto aumentaría la resistencia del casco en el agua. Un vano pequeño requiere una hélice de diámetro pequeño, que quizás no pueda absorber eficientemente toda la potencia del motor, lo que daría lugar a un rendimiento ineficiente, daños en el motor o poca capacidad de arrastre. Se puede encontrar una solución intermedia para un vano pequeño, por ejemplo mediante lo siguiente:

  • establecer una nueva angularidad del eje (para lo cual se debe remontar el motor);
  • utilizar una prolongación del eje (para lo cual a menudo se debe desplazar el timón); o  instalar una hélice con una mayor relación área-disco. 

Distancias de protección de la hélice

  (% del diámetro de la hélice)

  • Distancia mínima entre las puntas de las palas y el casco1  17 %
  • Distancia mínima entre las puntas de las palas y la quilla 4 %
  • Distancia mínima entre el dormido de popa y la hélice a un 35 % del diámetro de la hélice1 27 %
    Distancia máxima entre la hélice y el timón a un 35 % del diámetro de la hélice 10 %
    Distancia máxima al extremo del eje libre    4× diámetro del eje

Estas distancias están estrechamente asociadas al número de palas y se pueden calcular como sigue:

1 = 0.23 – (0,02 × n) y 3 = 0.33 – (0,02 × n) donde n = número de palas de la hélice.  

En general:

  • Las distancias a las puntas de las palas deben ser lo más pequeñas posible dentro de las normas, para que la hélice pueda ser lo más grande posible.
  • La distancia entre la hélice y el timón debe ser pequeña para mantener el control de la dirección.
  • La distancia entre el dormido de popa y la hélice debe ser grande.

En el diseño y la instalación de las hélices de los arrastreros, el espacio entre la punta de las palas y el casco puede ser tan pequeño como un 8 a un 10 por ciento del diámetro de la hélice. La desventaja del aumento de la vibración se compensa con el aumento del empuje y de la eficiencia de una hélice de diámetro más grande.


Daños a Hélices

En el diseño y la instalación de las hélices de los arrastreros, el espacio entre la punta de las palas y el casco puede ser tan pequeño como un 8 a un 10 por ciento del diámetro de la hélice. La desventaja del aumento de la vibración se compensa con el aumento del empuje y de la eficiencia de una hélice de diámetro más grande.

La distancia entre la punta de las palas y el casco nunca debe ser de menos de 50 mm en ninguna embarcación. Por consiguiente, se recomienda hacer un control preliminar antes de consultar a un diseñador de hélices o un arquitecto naval. En el anexo 4 se describe un método sencillo de estimación preliminar de los parámetros básicos de una hélice. Cabe señalar que se trata de una forma abreviada de un método más completo y no sirve para el diseño.

Sobrecarga del motor

La sobrecarga del motor debida a la instalación de una hélice con demasiado paso es la causa más común de un uso ineficiente de combustible. La sobrecarga también puede ser resultado del uso de una hélice de diámetro demasiado grande, pero esto es menos común. En los motores diésel internos, un signo seguro de sobrecarga es la presencia de humo negro abundante en el escape antes de alcanzar las RPM de diseño. La sobrecarga puede hacer quemar válvulas, resquebrajar la culata del cilindro, romper los aros del pistón y reducir la vida útil del motor. Es importante recordar que, en un motor diésel, es la carga y no la aceleración la que determina el consumo de combustible. Por consiguiente, la sobrecarga continua da lugar a un consumo innecesariamente alto de combustible y a mayores costos de mantenimiento.

Subcarga del motor

La subcarga del motor debida a la presencia de una hélice de diámetro demasiado pequeño o de paso insuficiente afecta al rendimiento de la embarcación. También puede averiar el motor si se lo acelera por encima de las RPM máximas especificadas. La subcarga del motor tiende a ir acompañada de un consumo bajo de combustible y, muchas veces, de cavitación.

Si el control preliminar indica que se deben introducir modificaciones en la hélice, vale la pena recordar que se puede modificar un poco el paso sin necesidad de comprar una hélice nueva. Sin embargo, montar una hélice es un trabajo especializado y será necesario enviarla a un fabricante para que la reforme.

Motores fuera borda

Las posibilidades de elección de las hélices de los motores fuera borda son en general más limitadas, por lo que hay menos margen para los errores. En muchos casos un motor fuera borda sólo se puede vender con una hélice determinada, por ejemplo en comunidades pesqueras de países en desarrollo en las que los motores tienen un solo uso. Sin embargo, si la hélice está averiada, puede ser necesario encargar una nueva, y en ese momento merece la pena verificar cuál es la más apropiada para la embarcación. Lo importante es, como en el caso de los motores internos, si el motor alcanza las RPM de diseño cuando marcha a toda potencia. Si no las alcanza, se debe considerar la posibilidad de instalar una hélice de paso más corto, y si el motor tiende a sobre acelerar se debe considerar una de paso más largo.

El paso necesario se puede calcular a partir de la figura 18 del anexo 4, aplicando los mismos principios que se aplican a una instalación interna. Si el resultado indica que el paso de la hélice instalada es correcto, se debe probar una hélice de diámetro diferente (pero con el mismo paso).

Arrastreros

En estas embarcaciones el diseño de las hélices requiere una atención especial porque funcionan en dos situaciones completamente diferentes: el arrastre y la marcha libre.

Si es de paso fijo, la hélice no puede funcionar en las condiciones óptimas de diseño tanto en marcha libre como en el arrastre. El diseñador de la hélice debe encontrar una solución intermedia según el tiempo que la embarcación se utilice en cada una de esas dos situaciones. En el caso de las embarcaciones utilizadas para pescar a gran distancia del puerto de base, las ventajas de tener una hélice con mayor capacidad de arrastre (y por consiguiente mayor capacidad de captura si se trata de un arrastrero) bien pueden quedar neutralizadas si aumenta el costo del combustible necesario para el viaje de ida y vuelta, y en el diseño se optará por una hélice de paso más largo. Un arrastrero utilizado durante el día relativamente cerca del puerto de base debe tener una hélice optimizada para remolcar.

Una hélice de paso variable podría funcionar eficientemente tanto en el arrastre como en la marcha libre, pero su manejo requiere habilidad y conocimientos. En general, para la pesca no se recomienda el uso de hélices de paso variable si no se puede garantizar un reglaje correcto, ya que un paso incorrecto puede dar fácilmente lugar a un aumento considerable del consumo de combustible.

Sin embargo, una hélice de paso variable bien diseñada y bien manejada permite lograr un ahorro de combustible de hasta un 15 por ciento en comparación con una hélice de paso fijo en una tobera.

Tobera

Una tobera es un tubo corto que rodea la hélice. En determinadas circunstancias puede mejorar mucho la eficiencia de un sistema de propulsión. El tubo se halla muy próximo a la hélice, se estrecha levemente y tiene un perfil sustentador.

Una tobera mejora la eficiencia del sistema de propulsión de dos maneras bien diferenciadas:

  • Primero , el entubamiento contribuye a mejorar la eficiencia de la hélice misma. Cuando las palas de la hélice giran en el agua, se crean áreas de alta presión detrás de cada pala y de baja presión delante. Esa diferencia de presión genera la fuerza necesaria para empujar la embarcación en el agua. Sin embargo, como se pierde fuerza en las puntas de las palas cuando el agua pasa del lado de alta presión al de baja presión, se reduce el empuje de la embarcación hacia adelante. Un entubamiento muy estrecho de la hélice reduce esa pérdida porque limita el flujo de agua por las puntas de las palas de la hélice.
  • Además  de mejorar la eficiencia de la hélice, la tobera misma genera una fuerza similar a la fuerza de sustentación producida por el ala de un avión. El agua que fluye de forma convergente alrededor de la hélice interactúa con el perfil sustentador anular y crea un área de baja presión dentro de la tobera y otra de alta presión por fuera. El estrechamiento de la tobera ayuda a que la resultante de estas fuerzas sea un empuje hacia delante y éste puede representar hasta un 40 por ciento del empuje total de la hélice y la tobera combinadas. Este efecto es más importante cuando la embarcación navega lentamente; a mayor velocidad (más de 9 nudos), la tobera tiende a generar más resistencia al avance que empuje y ello reduce el rendimiento de la embarcación.


Cuándo conviene instalar una tobera

La canalización de la hélice puede dar como resultado ahorros considerables de combustible o un aumento de la capacidad de arrastre, pero no en todos los casos.



Como se señala más arriba, el efecto de la tobera es más apreciable a baja velocidad; por lo tanto, conviene instalar una en un arrastrero, pero no en otros tipos de embarcación. Incluso en los arrastreros, los efectos beneficiosos sólo se sienten durante la pesca; en marcha libre la tobera probablemente reduzca la velocidad.

El cálculo indicado en la figura 12 puede ayudar a hacer una primera evaluación técnica para determinar si la instalación de una tobera resultaría ventajosa. Se trata de una guía aproximada solamente y, si pareciera conveniente instalar una tobera, se deben solicitar los servicios de un arquitecto naval o un fabricante de hélices para que examine el caso con más detenimiento.

En la figura, la velocidad de la embarcación se considera como la condición de trabajo más importante (en el caso de un arrastrero es la velocidad de arrastre y no la velocidad en marcha libre). Las RPM de la hélice se calculan a partir de las RPM del motor a toda potencia, divididas por la relación de transmisión de la caja reductora:

               La potencia en el eje (SHP) se toma como la potencia máxima nominal de salida continua del motor, medida en caballos de fuerza (CV).

Evaluación de los beneficios de una tobera (embarcaciones monohélice)

En el caso de un arrastrero que tiene un motor de 440 caballos de fuerza (a 1 900 RPM) y una relación de transmisión de 5:1 y cuya velocidad de arrastre normal es de 3 nudos, la siguiente ecuación permite calcular la posición en el eje horizontal del gráfico de la figura 12:

                

La posición en el eje vertical está determinada por la velocidad de arrastre, o sea 3 nudos. El punto de intersección se encuentra claramente en el área ventajosa y puede valer la pena considerar la posibilidad de instalar una tobera por razones técnicas. Después convendría solicitar asesoramiento a un arquitecto naval o un fabricante de hélices.

¿Qué puede aportar una tobera? 

Una tobera adecuada instalada correctamente puede dar lugar a un aumento de la potencia de tiro de un 25 a un 30 por ciento aproximadamente (cálculo basado en Smith, Lapp y Sedat, 1985), según el grado de ineficiencia de la instalación anterior. En una embarcación de pesca de arrastre, ese aumento se puede aprovechar de una de las tres maneras siguientes:

  • Se puede pescar con la misma red de arrastre a la misma velocidad, pero a menos RPM, lo que permite economizar combustible. El ahorro de combustible es un poco menor que el aumento del empuje, es decir de un 20 por ciento aproximadamente (Anón., 1970).
  • Se puede pescar con la misma red de arrastre a mayor velocidad. Esto no permite ahorrar combustible pero sí aumentar la capacidad de captura.
  • Se puede pescar con una red de arrastre más grande a la velocidad anterior a la instalación de la tobera.

Sin embargo, debe recordarse que las toberas no son apropiadas para todas las embarcaciones.

En general, sólo en los arrastreros se obtiene un beneficio real tras la instalación de una tobera. La instalación de toberas conlleva algunas desventajas, a saber:

  • pérdida de maniobrabilidad (con una tobera fija);
  • pérdida de potencia en contramarcha;
  • reducción de la velocidad en marcha libre;
  • instalación costosa;
  • posibilidad de cavitación importante en el interior de la tobera.

La utilidad de instalar a posteriori una tobera puede ser limitada. Si la embarcación está diseñada para tener una hélice abierta, suele haber un vano insuficiente para colocar una tobera que pueda entubar una hélice capaz de absorber la fuerza del motor.


Instalación de una hélice en tobera (en un arrastrero)


Flujo de Agua en la hélice

En la sección relativa a la hélice se indican con algún detalle el diseño de la hélice y las distancias apropiadas entre la hélice y el casco. Sin embargo, para que una instalación resulte razonablemente eficaz, se debe prestar atención a la forma del casco en torno el vano de la hélice.

En una instalación ideal, la hélice funcionaría en un flujo de agua tranquila. En la práctica, esto es imposible de lograr debido a la presencia inevitable de la estructura que sostiene el cojinete y el eje de la hélice (el dormido de popa, el codaste, el talón del codaste, el puntal del motor fuera borda) inmediatamente a proa de la hélice. Las perturbaciones causadas por esa estructura se pueden reducir al mínimo mediante lo siguiente:

  • una distancia adecuada entre la hélice y el dormido de popa (por lo menos 0,27 veces el diámetro de la hélice); y
  • un buen lijado del dormido de popa para que los bordes de salida queden lo más finos y redondeados que sea posible.

Alisado de formas del dormido de popa o del talón del codaste

En la foto 8 se muestra un dormido de popa insuficientemente lijado que reduciría la eficiencia de la hélice y haría aumentar la vibración de ésta, sobre todo si la misma tuviera dos o cuatro palas.

En la foto 9 se observa el borde de salida del dormido de popa bien pulido para que la hélice funcione con un flujo mejor y más parejo. Lo ideal es que el lijado comience aproximadamente a 1,3 veces el diámetro de la hélice, a proa del borde de salida del dormido de popa.




Salida de los gases de escape (o gases de exhaustación) y entrada de aire

Todo motor, ya sea que se instale en la sala de máquinas de un gran buque o en la caja del motor de una pequeña embarcación, debe recibir aire fresco para la combustión y tener una ventilación adecuada para que los gases de escape puedan salir fácilmente. Si la salida de los gases de escape y la entrada de aire fresco están limitadas, el consumo de combustible puede aumentar fácilmente un 10 por ciento.

  • Admisión de aire . Una entrada adecuada de aire en la sala de máquinas o la caja del motor es necesaria para la combustión e importante para que no se recaliente la sala de máquinas o la caja del motor. Es esencial en los motores refrigerados por aire porque en ellos el calor no se puede disipar de otra manera.

Como guía, la superficie de la sección transversal de la toma de aire de la sala de máquinas o la caja del motor deben ser al menos de 8 cm2 por caballo de fuerza en el caso de un motor enfriado por agua (por ejemplo, un motor de 40 CV requiere una toma de aire de al menos 40 × 8 = 320 cm2). Un motor refrigerado por aire requiere una toma de aire más grande, cuyas dimensiones mínimas generalmente están indicadas por el fabricante. En toda sala de máquinas o caja de motor, la toma de aire debe suministrar un aire fresco y puro que llegue hasta la parte inferior de la sala de máquinas, mientras que el aire caliente debe salir por la parte superior de la sala de máquinas o la caja del motor.

Un motor diésel al que le falta aire tiende a echar humo negro por el escape. Se debe prestar atención porque ese humo también podría ser un signo de otros problemas mecánicos (véase la sección relativa al mantenimiento del motor).

  • Salida de aire . Parte del aire que entra en la sala de máquinas o la caja del motor sale por el escape, pero debe haber ventilación suficiente para que no se acumule calor en la sala de máquinas o la caja del motor. El aire caliente debe salir por la parte superior de la sala de máquinas o la caja del motor, donde la temperatura del aire es más alta. La superficie del corte transversal de la salida de aire debe ser aproximadamente igual a la de la entrada de aire, es decir de unos 8 cm2 por caballo de fuerza en el caso de un motor enfriado por agua.
  • Tubo de escape del motor . El tubo de escape debe ser lo más recto posible y se deben evitar los codos de 90° porque pueden reducir un 25 por ciento el paso del aire. El diámetro del tubo de escape debe ser el estipulado por el fabricante del motor. Si es demasiado pequeño o tiene demasiadas curvaturas pronunciadas, se acumula contrapresión en el sistema, lo que da lugar a la pérdida de potencia y, en casos extremos, a la salida de un humo de escape blanco.


Breve vocabulario de las hélices

Aireación . Efecto de absorción de aire por las palas de la hélice debido a la proximidad de éstas con la superficie del agua, o inducido por la carena de la embarcación; es sinónimo de ventilación. 

Cavitación . Turbulencia del agua en las palas debida a una perturbación en el paso del flujo en las palas de la hélice. El agua, entonces, se transforma en vapor que produce una energía parásita que puede llegar a quemar el metal.

Contrarrotación . Para anular el efecto de par (véase efecto de par) que afecta a la conducción y endurece el timón de una embarcación, es posible, a condición de disponer de dos motores aptos para la contrarrotación, equiparlos de hélices que giren en sentido contrario. De este modo se neutraliza el par de inversión que produce cada una de las hélices. 

Cuchillas . Es el nombre que familiarmente se utiliza en los ambientes de competición para designar las hélices cuyas palas tienen un borde de salida ancho y rectilíneo y un borde de ataque afilado y curvo como el filo de un cuchillo.

Cup . Es la concavidad dada a la pala de una hélice (motores fueraborda o Z Drive) con el fin de mejorar su rendimiento en el terreno de la velocidad pura. Con el mismo paso, una hélice deportiva puede permitir bajar el régimen del motor hasta 300 rpm por debajo de su máximo.

Diámetro . Hace referencia al diámetro exterior de la hélice, es decir, la distancia del centro del cubo hasta el extremo de la pala, multiplicado por dos. 

Efecto de par . También “par de inversión”, es la fuerza de rotación de la hélice que genera una fuerza contraria. Si la hélice gira en sentido de las agujas del reloj, tiende a llevar el barco hacia babor. Si gira en sentido contrario, la embarcación tiene tendencia a ir hacia estribor. En marcha atrás, este fenómeno se invierte.

Paso . Es la distancia – por lo general expresada en pulgadas – que recorre la hélice después de efectuar una revolución completa. Por ejemplo, una hélice de 17 pulgadas avanza, en teoría, 43 cm en un giro.

Picking . Con este término designan los profesionales la quemadura provocada en las palas por la cavilación. Es un fenómeno que afecta en especial a las hélices de aluminio (más frágil que el acero inoxidable). 

Rake . Es el grado de inclinación de la pala hacia atrás en relación a una línea imaginaria trazada en la perpendicular del cubo de la hélice. Las hélices para embarcaciones de recreo disponen de un rake que va de 5 a 20 grados, mientras que determinadas hélices de alto rendimiento pueden alcanzar hasta 30 grados de rake, lo que quiere decir que tienen un perfil hidrodinámico más plano. 

Ventilación . Por lo general, se debe a una inmersión insuficiente de la hélice, que toma aire al mismo tiempo que agua. Asimismo, se puede producir por una colocación demasiado elevada del motor o de un trim excesivamente positivo, que en el momento de hacer viradas cerradas crea una perturbación en el flujo de agua que alimenta la hélice. La ventilación se nota por un ruido característico y produce, a la larga, una erosión de la pintura de las palas.

El consumo efectivo de combustible comprende un margen para tener en cuenta las diferencias de eficiencia de las hélices de diversas instalaciones. Los datos de esta columna indican la cantidad real de combustible consumido por unidad de potencia con igual rendimiento.

Motores diésel fuera borda . Los motores diésel fuera borda no son muy comunes en la pesca en pequeña escala, sobre todo porque son caros y difíciles de mantener. Sin embargo, la tecnología ya está razonablemente establecida y los motores consumen combustible de manera particularmente eficiente. Los motores diésel fuera borda son ideales para una pesca que requiera muchas horas de uso del motor, a condición de que se disponga de un servicio técnico muy bueno. En un conjunto de ensayos realizados sobre el terreno se calculó que un motor diésel fuera borda sólo sería una opción viable frente a uno de gasolina de dos tiempos de rendimiento similar si se utilizara unas 600 horas por año o más.

Motores fuera borda a queroseno . Los motores fuera borda de queroseno son motores comunes de gasolina de dos tiempos modificados para que funcionen con queroseno. Necesitan la mezcla corriente de gasolina y aceite para arrancar y para detenerse, es decir que utilizan dos tipos de combustible.