La teoría de la propulsión no depende del tamaño de la hélice o del tipo del buque para aquellos que están al tanto del diseño de hélice.
La teoría de la propulsión no depende del tamaño de la hélice o del tipo del buque para aquellos que están al tanto del diseño de hélice.
Las hélices de los buques de guerra proveen una gran potencia comparable a la otros tipos de buques.
La densidad de potencia es decir (la potencia suministrada por metro) cuadrado es superior a la de cualquier otro tipo de buque como resultado de ello los buques de guerra de superficie se pueden clasificar en cuatro tipos principales:
a) Lanchas rápidas de ataque (Lanchas muy pequeñas y muy veloces)
b) Fragatas livianas o corbetas.
c) Grandes fragatas o destructores.
d) Portaaviones.
e) Submarinos.
Para el caso de otros tipos de embarcaciones navales (carga, remolcadores, buques de reaprovisionamiento buques de desembarco etc.). El diseño de sus hélices se puede comparar al de los buques mercantes excepto en lo que se refiere a la selección de los materiales o a la característica de la resistencia.
a) LANCHAS RÁPIDAS
El objetivo principal en el diseño de las hélices de las lanchas rápidas de ataque es lograr una gran velocidad y evitar la cavitación erosiva.
Debido a su reducido tamaño frecuentemente sus hélices son de paso fijo.
b) FRAGATAS LIVIANAS O CORBETAS
En las fragatas livianas o en las corbetas que no navegan a altas velocidades su sistema de propulsión debe ser multipropósito y muy flexible.
El tamaño de su hélice suele ser más pequeño ya que tienen que soportar menores tensiones. El problema puede surgir no tanto por problemas hidrodinámicos o mecánicos sino por la falta de fondos.
Estos tipos de buques pueden utilizar hélices de paso fijo como variable, lo que tiene directa relación con el costo del buque
c) FRAGATAS GRANDES O DESTRUCTORES
Las grandes fragatas multipropósito o las especializadas así como los destructores necesitan una eficiente velocidad de crucero poco nivel de ruido y lograr una máxima velocidad en forma rápida.
Los sistemas de propulsión existentes combinados asegura una respuesta de velocidad muy diferente y origina principalmente el uso de hélices de paso controlable.
d) PORTAAVIONES
Los portaaviones deben navegar a gran velocidad para permitir el despegue y aterrizaje de aeronaves por eso es fundamental la potencia para dichos buques y por sobre todo sus hélices deben generar y soportar dicho empuje en su mayoría son de paso variable.
e) SUBMARINOS
El tamaño de las hélices de un submarino varia de un Submarino Nuclear a un Submarino Convencional (Diesel Eléctrico).
Los Submarinos Nucleares necesitan obtener una eficaz respuesta en velocidad y producir poco nivel de ruido. Puede utilizar hélices de paso controlable y de paso fijo, entre 5 a 7 palas de uno, dos y hasta tres ejes dependiendo la nacionalidad.
Los Submarinos Convencionales por su sistema de propulsión no necesitan navegar a altas velocidades, el tamaño de su hélice suelen ser mas pequeñas, pero su configuración es la misma a la del Submarino Nuclear entre 5 a 7 palas, pero con una diferencia notable es que normalmente son de paso fijo y de un eje.
DISEÑO DE HÉLICES QUE PRODUCEN POCO RUIDO
Ninguna hélice puede ser silenciosa bajo ninguna condición, el trabajo del diseñador es mantener lo mas bajo posible el ruido producido por la misma. Los ruidos se originan en diferentes fuentes y puede ser inducido por el flujo el grado de aspereza de los perfiles y de la masa se mantendrán lo mas bajo posible ya que generan micro y macro turbulencia.
De todas maneras los ruidos de flujo son insignificantes a los ruidos de la cavitación el cual es un fenómeno natural. Una medida adecuada es la que permite apreciar la performance del ruido de la hélice es saber cual es la velocidad del buque en el inicio de la cavitación. Para evitar el inicio anticipado de la cavitación es evitar las irregularidades de la masa eliminando cualquier protuberancia de la masa y lo más importante de todo es evitar la cavilación anticipada inducida por la geometría total del perfil de la hélice.
El primer tipo de cavitación es conocido como cavitación de vórtice de las puntas de las palas estos se producen naturalmente debido a las diferencias de presión que existe entre ambas caras de la pala de la hélice. El modo más sencillo para disminuir la intensidad del vórtice incrementar él número de palas para el mismo empuje una hélice de 10 palas produce aproximadamente la mitad de cavitación de vórtice que una de 5 palas. El único problema es cuanto mayor sea él numero de palas mayor será la cantidad
de problemas relativos al diseño y posterior construcción o producción. En su mayoría los buques de guerra de superficie utilizan hélices de 5 y 6 palas que producen poco nivel de ruido y en su mayoría comienzan a cavitar aproximadamente alrededor de los 20 nudos y la mayoría de los submarinos utilizan hélices de 5 y 7 palas que aproximadamente empiezan a cavitar alrededor de los 25 nudos, dependiendo su profundidad (mayor profundidad, menor cavitación).
Hélice 5 palas y de 6 palas. Ambas hélices pertenecen a destructor o fragata.
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Hélice de 7 palas de submarinos
MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE LAS HÉLICES
Durante la extensa historia en la construcción de hélices se utilizaron varios tipos de materiales resistentes a la corrosión del agua de mar para las armadas al igual que para las marinas mercante. El mejor compromiso entre la necesidad de fortaleza, moldeo, capacidad de reparación y una adecuada resistencia a la corrosión de fabricación fácil y de costos accesibles es una aleación de bronce y aluminio.
El acero inoxidable es muy difícil de fundir correctamente en grandes cantidades pulir y moldear con gran precisión. Eso explica por que solo se lo utiliza cuando se pretende una determinada propiedad como antimagnéticas para los barreminas o los cazaminas o la de extrema dureza para los rompehielos.
Hélice de acero inoxidable
de un rompehielos
El titanio se debe forjar para las aplicaciones navales y es mas duro para manipular que el acero inoxidable. Debido a los costos de forjadura y fabricación el uso del titanio es muy costoso.
Aleaciones de material (cobre manganeso) son adecuadas cuando son nuevas pero con el correr del tiempo se vuelven quebradizos no se pueden reparar incluso la propia vibración de la hélice es su primer gran inconveniente
Materiales compuestos, este tipo de materiales a sido una gran revelación él la construcción de hélices e aeronaves pero para los buques no son adecuados ni siquiera en los de tamaño mediano el motivo es que las hélices de los buques deben soportar una gran cantidad de tensiones multidireccionales que ni siquiera las fibras mas sofisticadas toleran la carga por mucho tiempo. La segunda desventaja de estos materiales es que son bajos niveles de elasticidad, la defección en el extremo de las hélices es bastante grande y el proceso de fabricación no son lo suficientemente precisos para garantizar la misma defección en cualquier pala de la hélice. Como consecuencia de ello cuando se produce el empuje las palas de este material no se doblan homogéneamente por lo que cada pala tiene su propio paso levemente diferente al de los demás.
Por ultimo la fibra más resistente es el carbón pero no resiste el agua de mar por ello se debe colocar un revestimiento especial pero dicho revestimiento resiste menos la erosión por la cavitación que las aleaciones metálicas.
HÉLICES DE PASO FIJO O PASO CONTROLABLE
Esta es la pregunta que se plantean mas a menudo la respuesta depende de las elecciones relativas a la planta propulsora y al perfil de la misión del buque. También hay varios factores a tener en cuenta y se deben analizar cuidadosamente como, la flexibilidad, eficiencia, maniobrabilidad, seguridad, características del ruido, confiabilidad facilidad de mantenimiento y costos durante la vida útil.
HÉLICES DE PASO CONTROLABLE (H.P.C)
Para los buques multipropósito las H.P.C permite arrastrar un dispositivo sonar siempre que se instalen controles adecuados para minimizar la emisión de ruidos.
Otra ventaja es que en ocasiones es esencial proteger los motores diesel de un deterioro anticipado con las H.P.C se puede lograr un control de carga eficiente para proteger al motor de una sobrecarga debido a las condiciones del mar o a maniobras a gran velocidad.
En lo que a confiabilidad se refiere según informes provistos por astilleros donde se realizan reparaciones que indican que después de colisiones e inclusive después de alguna varadura el mecanismo dentro de la pala permaneció intacto y la pala totalmente destruida.
En lo que al mantenimiento se refiere se efectúa en los periodos normales de dique seco y cada 4 o 5 años se deben cambiar los sellos de las palas y los elementos de fijación de las palas .
HÉLICES DE PASO FIJO (H.P.F)
En buques con motores diesel como único sistema de propulsión el uso de H.P.F solo es posible cuando dichos motores tienen grandes márgenes de potencia los cuales son mucho más grandes que para las H.P.C. De todas maneras cuando en cualquier momento se dispone de un par motor suficiente las H.P.F presenta una capacidad de maniobra adecuada cuando se la aplica a los grandes motores eléctricos.
Sin embargo existen algunas desventajas cuando funcionan para que el buque vaya hacia atrás los verdaderos bordes de ataque de las palas son los bordes de salida y con el diseño moderno de las palas oblicuas estas inducen cargas muchos mas grandes en los extremos que cuando funcionan adelante. Por eso se deben limitar las R.P.M o el par motor para que no se doble la hélice.
La diferencia de eficacia entre un 5 % y 7 % entre ambos tipo de hélices esta diferencia se relaciona entre la fuerza de propulsión por la velocidad del buque es cuando la hélice funciona en su punto exacto de diseño para una condición de diseño del buque
CONCLUSIONES
La clave número uno esta en el proceso de diseño y fabricación y en el compromiso con el cual se busca constantemente la mejor perfomance y un resultado optimo del producto final.
La clave numero dos es la integración el diseño no es nada si el material es deficiente o si la fabricación no se ajusta al diseño.
Por ello es esencial que en la primera fase del proyecto un equipo integrado analice el sistema de propulsión la elección vinculada a las líneas de casco las opciones en cuanto a la disposición del motor a la influencia de los niveles de ruido y vibración y a los problemas de fabricación que pueden afectar al diseño.
Cualquiera de estas primeras decisiones afecta directamente los costos, hay muy pocos fabricantes de hélices navales, son diseñadores y fabricantes. Su integración con el equipo que proyecta el diseño del buque es un elemento clave para lograr el éxito al menor costo posible.
Recopilación y traducción: Oscar Daniel Siano
Formato y fotografía: Carlos Alberto Damelio
me pregunto si habrá una nueva tecnología o materiales para la propulsión de submarinos para el año 2030
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