Tornillo de hélice

La hélice es el sistema de propulsión de barcos  moderno más común , así como la base estructural de otros tipos de hélices.

Construcción

Cualquier hélice moderna tiene palas y consta de un cubo y palas montadas radialmente sobre el cubo , a la misma distancia entre sí, giradas en el mismo ángulo con respecto al plano de rotación y que representan alas de mediana o pequeña elongación.

La hélice está montada en el eje de la hélice , impulsada por el motor del barco. Cuando la hélice gira, cada pala captura una masa de agua y la arroja hacia atrás, dándole un momento dado de impulso , - la fuerza de reacción de esta agua desechada transmite impulso a las palas de la hélice, las palas, a su vez, al eje de la hélice a través del cubo, y el eje de la hélice, además, - el casco de la embarcación a través del cojinete de empuje principal .

Una hélice de dos palas tiene una mayor eficiencia que una hélice de tres palas, sin embargo, con una relación de disco grande (ver más abajo), es muy difícil garantizar la fuerza suficiente de las palas de una hélice de dos palas. Por lo tanto, las hélices de tres palas son más comunes en embarcaciones pequeñas (las hélices de dos palas se utilizan en barcos de carreras , donde la hélice está ligeramente cargada, y en yates a motor de vela , donde la hélice es una propulsión auxiliar [1] ). Las hélices de cuatro y cinco palas se utilizan relativamente raramente, principalmente en grandes yates a motor y grandes embarcaciones de alta mar para reducir el ruido y la vibración del casco.

El diámetro de la hélice, el diámetro del círculo descrito por los extremos de las palas durante la rotación de la hélice, de las hélices modernas varía de decenas de centímetros a 5 metros (las hélices tan grandes son típicas de los grandes buques oceánicos).

El alerón  , un borde saliente curvo, en las hélices ayuda a aumentar la capacidad de la hélice para capturar agua (esto es especialmente importante en embarcaciones con un motor elevado y grandes ángulos de compensación de marcha ). El alerón también proporciona elevación adicional para la proa de la embarcación cuando se monta en las líneas de cabeceo de la pala. El uso de un spoiler en los bordes saliente y exterior de la pala aumenta el paso. El uso de un spoiler estándar suele dar como resultado una reducción de la velocidad de 200-400 rpm (esto significa que si reemplaza un tornillo convencional por un tornillo con spoiler, deberá reducir el paso entre 2 y 5 cm). [2]

Es beneficioso elegir la velocidad de rotación de la hélice en el rango de 200-300 rpm o menos, en barcos grandes. Además, a baja velocidad de rotación, el desgaste mecánico de las piezas del motor cargadas es significativamente menor, lo que es muy significativo dadas sus grandes dimensiones y elevado coste.

La hélice funciona mejor cuando su eje de rotación es horizontal. Para una hélice instalada con inclinación, y por lo tanto aerodinámica con un flujo "oblicuo", la eficiencia siempre será menor - esta caída de eficiencia afecta cuando el ángulo de inclinación del eje de la hélice hacia el horizonte es mayor a 10°.

El eje de la hélice en los planeadores está ubicado relativamente cerca de la superficie del agua, por lo que no es raro que las palas de la hélice succionen aire (aireación de la superficie) o que toda la hélice quede expuesta cuando viaja sobre una ola. En estos casos, el empuje del tornillo cae bruscamente y la velocidad del motor puede exceder el máximo permitido. Para reducir la influencia de la aireación, el paso de la hélice se hace variable a lo largo del radio; comenzando desde la sección de la pala en r  = (0,63–0,7) R hacia el buje, el paso disminuye en un 15–20 %.

Para transmitir alta potencia, a menudo se utilizan instalaciones de dos y tres ejes, y algunos barcos grandes (por ejemplo, portaaviones , acorazados ) están equipados con cuatro hélices ubicadas simétricamente.

Las hélices de los rompehielos marinos de clase ártica siempre tienen mayor fuerza, ya que su segunda función es triturar el hielo cuando el rompehielos se mueve en reversa.

Variedades de tornillos

Las hélices varían en:

Dependiendo de la presencia o ausencia de un mecanismo para controlar el ángulo de ataque de las palas de la hélice, las hélices se dividen en hélices de "paso ajustable" y hélices de "paso fijo", respectivamente. Las hélices de paso fijo se utilizan en embarcaciones pequeñas de aficionados, así como en embarcaciones marinas que rara vez cambian su modo de movimiento durante la navegación, y en embarcaciones que requieren una mayor potencia de la hélice (en particular, en los rompehielos ). Las hélices de paso ajustable se utilizan en embarcaciones que cambian con frecuencia su modo de movimiento: remolcadores, arrastreros y muchos barcos fluviales.

Dependiendo de la dirección de rotación, las hélices son de rotación derecha e izquierda. Cuando se ve desde la popa, una hélice que gira en el sentido de las agujas del reloj se denomina "hélice para diestros" y la que gira en sentido contrario a las agujas del reloj, respectivamente, se denomina "hélice para zurdos". En el caso más simple, se utiliza una sola hélice de mano derecha, instalada a lo largo del eje de simetría horizontal de la embarcación. En barcos grandes, se utilizan dos, tres o incluso cuatro hélices de rotación opuesta entre sí para mejorar la maniobrabilidad y la fiabilidad.

Las hélices de ala anular giran en un cilindro hueco abierto (estas hélices también se conocen como impulsores ), lo que, a bajas velocidades de hélice, proporciona un aumento de empuje de hasta un 6 % [3] . Tal boquilla se usa para protección adicional contra la entrada de objetos extraños en el área de trabajo y para aumentar la eficiencia del tornillo. A menudo se usa en barcos que navegan en aguas poco profundas.

Las hélices supercavitantes con un recubrimiento especial y una forma especial de las palas están diseñadas para un funcionamiento continuo en condiciones de cavitación . Utilizado en barcos rápidos.

Cálculo de tornillos

Debido al deslizamiento de la hélice en un medio líquido, los datos reales diferirán de los valores calculados idealmente. Intentan tener esto en cuenta, por ejemplo, reduciendo el diámetro en un factor determinado. A su vez, las dependencias matemáticas del diámetro (D) y el paso (H) del tornillo sobre la potencia (N) y la velocidad (n) del tornillo en un líquido de densidad (ρ) dan una idea de las dependencias existentes. Si descuidamos la fluidez del medio, entonces el tornillo se puede representar como una cuña sin fin presionada entre el barco y el medio, más claramente entre el muelle y la popa. La hélice transforma fuerzas de la misma forma que un plano inclinado .

En una revolución, un tornillo ideal mueve un volumen de agua con una masa: π * ρ * D 2 * H / 4

Velocidad del chorro en metros por segundo: v=H*n

Empuje o empuje del tornillo en newtons : F=v*dm/dt=π*ρ*D 2 * H 2 *n 2/4

Consumo de energía en vatios : N \ u003d π * ρ * D 2 * H 3 * n 3/8

Diámetro del tornillo en metros: D= ((8*H)/(π*ρ*H 3 *n 3 ))

Paso de tornillo en metros: H=1/n* ((8*N)/(π*ρ*D 2 ))

Revoluciones por segundo: n=1/H* ((8*N)/(π*ρ**D 2 ))

Fabricación de hélices

Las hélices más grandes alcanzan la altura de un edificio de tres pisos y su fabricación requiere habilidades únicas. En el momento en que se creó el vapor de tornillo de Gran Bretaña , tomaba hasta 10 días hacer moldes para una hélice.

La tecnología tradicional prevé la fabricación de hélices de metal sólido (acero o aleación de cobre) por colada en moldes de arena obtenidos por moldeo manual o parcialmente mecanizado. En este caso, la forma es un conjunto de correderas inferior y superior que forman las superficies de las palas, y el moldeo se realiza según un modelo de pala única [4] . Los métodos tecnológicos específicos están determinados por el tamaño, el diseño y el peso de la hélice, así como su serialización. Por ejemplo, la presencia o ausencia de un orificio central en la fundición (que se perforará para el eje de la hélice en el futuro) en el cubo determina la presencia o ausencia de una varilla central en el molde. Si las hélices se producen en una gran serie, al formar las diapositivas, se utilizan marcos de acero reutilizables o marcos especiales que tienen una forma cercana a la forma de las palas de la hélice (en el caso de una sola producción, la fabricación de un equipo tan costoso es poco práctico). En la actualidad, en contados casos, para la fabricación de piezas fundidas de hélices se utilizan equipos modernos con control numérico , por ejemplo, utilizando una herramienta instalada en un brazo robótico, se fresa un molde inmediatamente, sin hacer un kit de modelo. Los robots también se utilizan al fresar modelos de varios materiales, como espuma o MDF . Además, se utilizan métodos de impresión tridimensional de modelos de hélices de plástico.

Un área completamente nueva en la fabricación de hélices se ha convertido en la impresión tridimensional de hélices sólidas con polvos metálicos o alambres. Las primeras hélices experimentales de este tipo ya se fabricaron en los Países Bajos [5] y Rusia [6] . Esta dirección se está desarrollando principalmente debido al hecho de que la fabricación de hélices individuales de clase alta (que requieren el fresado de la superficie de la hélice) sigue siendo un proceso muy costoso, lento y prolongado, y su fabricación utilizando tecnologías aditivas hace posible obtener un ahorro de costes y acelerar el proceso de fabricación. Pero la difusión de este método se ve obstaculizada por el costo extremadamente alto del proceso de impresión 3D en sí mismo con metales: el alto precio del equipo en sí, los polvos metálicos del grado requerido y el equipo para su producción (por ejemplo, atomizadores) y hasta ahora no hay perspectivas de reemplazar las hélices fundidas con las impresas en cantidades significativas.

El tornillo debe ser lo suficientemente fuerte para soportar miles de toneladas de presión y no corroerse en agua de mar salada . Los materiales más comunes para la fabricación de hélices son el latón , el bronce , el acero , también aleaciones especiales , por ejemplo, la aleación kunal  , que tiene la fuerza del acero, pero resiste mucho mejor la corrosión. Cunial puede estar en el agua durante décadas sin oxidarse. Para dar la máxima resistencia a la aleación, se agregan 5% de níquel, 5% de aluminio y 10% de otros metales al 80% de cobre; la refundición se lleva a cabo a una temperatura de 1183 °C. [7]

Desde mediados del siglo XX, con el fin de ahorrar dinero, aligerar peso y simplificar el proceso de producción de hélices para barcos [4] , también se han utilizado plásticos como material principal . [ocho]

Ventajas y desventajas

Funciona como un motor solo a una velocidad de rotación constante o creciente, en otros casos, como un freno activo .

La eficiencia de la hélice es de ~30 a 50 % (teóricamente, el máximo alcanzable es del 75 %). No se puede fabricar un tornillo “ideal” debido al constante cambio en sus condiciones de trabajo - condiciones ambientales de trabajo.

La hélice todavía pierde frente al remo (eficiencia ~ 60-65%) en términos de eficiencia. [9]

En comparación con una rueda de paletas , la hélice tiene una mayor eficiencia y es muy compacta y liviana en relación con el tamaño del barco. Pero una rueda de paletas dañada se puede reparar fácilmente, las hélices a menudo no se pueden reparar y una hélice dañada se reemplaza por una nueva. Además, la hélice es la más vulnerable en comparación con todas las demás hélices de los barcos y la más peligrosa para la fauna marina y las personas que han caído por la borda. Al mismo tiempo, las ruedas de paletas brindan más tracción desde parado (lo que es conveniente para los remolcadores y también les permitió tener un calado más pequeño). Sin embargo, cuando están en bruto, quedan muy rápidamente expuestos (la rueda de un lado gira en vacío en el aire, mientras que la rueda del lado opuesto queda completamente sumergida bajo el agua, cargando al límite la máquina de tracción delantera), lo que los hace prácticamente inadecuados. para barcos en condiciones de navegar (hasta la década de 1840 se utilizaron, en general, solo debido a la falta de una alternativa, así como el papel auxiliar de la máquina de vapor en los barcos de vela y vapor de esos años).

Especialmente las ventajas de una hélice de tornillo sobre una de ruedas son innegables para los buques de guerra  : se eliminó el problema de la ubicación de la artillería: la batería podría ocupar nuevamente todo el espacio del tablero. También desapareció un objetivo muy vulnerable para el fuego enemigo: la hélice está bajo el agua.

Una clase separada es la hélice de chorro de agua . La principal diferencia aquí es que el chorro de agua tiene una boquilla que se estrecha, lo que aumenta la velocidad del chorro a velocidades que una hélice libre no puede crear sin cavitación. La propia hélice del chorro de agua funciona en condiciones estacionarias, cercanas a las ideales, que no se ven afectadas por el flujo de agua del exterior.

Historia

El tornillo elevador de agua , cuya invención se atribuye a Arquímedes, también era bastante adecuado para el trabajo inverso: la repulsión del tornillo mismo de la masa de agua. La idea de utilizar una hélice como propulsor fue propuesta ya en 1752 por Daniel Bernoulli y, posteriormente, por James Watt . Sin embargo, la hélice no obtuvo inmediatamente el reconocimiento universal. Aunque el propio principio de funcionamiento de la hélice nunca fue un secreto, no fue hasta 1836 cuando el inventor inglés Francis Smith dio el paso decisivo, dejando sólo una vuelta a la larga espiral del tornillo de Arquímedes. Hay una historia de que la "modernización" ocurrió como resultado de un evento aleatorio: en el barco de vapor de Smith, una parte de una hélice de madera se rompió cuando golpeó un arrecife submarino , dejando un solo giro, después de lo cual el barco aumentó notablemente en velocidad. Smith instaló una hélice en un pequeño barco de vapor con un desplazamiento de 6 toneladas. Los exitosos experimentos de Smith llevaron a la formación de una empresa, a expensas de la cual se construyó el vaporizador de tornillo Arquímedes . Con un desplazamiento de solo 240 toneladas, el Arquímedes estaba equipado con dos máquinas de vapor en funcionamiento con una capacidad de 45 hp cada una. Con. cada uno y un solo tornillo con un diámetro de poco más de 2 metros (el tornillo Smith original era una parte de la superficie helicoidal de una formación rectangular correspondiente a un paso entero ).  

Simultáneamente con Smith e independientemente de él, el conocido inventor y constructor naval sueco John Ericsson desarrolló el uso de una hélice como dispositivo de propulsión . En el mismo 1836, propuso otra forma de hélice, que era una rueda de paletas con palas colocadas en ángulo. Construyó el vapor de tornillo Stockton (la potencia de las máquinas de vapor en funcionamiento es de 70 hp) y en 1839 hizo la transición a América en él , donde su idea fue recibida con tal interés que ya en 1842 se colocó la primera fragata de tornillo estadounidense Princeton . ”(desplazamiento 954 toneladas, potencia de máquinas 400 hp, dándole un golpe de hasta 14 nudos ) con una hélice de diseño Erickson. En las pruebas, el barco desarrolló una velocidad de 14 nudos sin precedentes. Y al tratar de "enfrentarlo" con el " Great Western " de ruedas, la fragata de tornillo arrastró a su oponente, a pesar de la menor cilindrada y la menor potencia del motor. Además, el Princeton se destacó en la historia de la construcción naval al llevar los cañones de mayor calibre de su época; por primera vez, se instalaron cañones de 12 pulgadas en plataformas giratorias.

A mediados del siglo XIX, comenzó una conversión masiva de veleros en barcos de tornillo. A diferencia de los vapores de paletas, cuya conversión requería un trabajo muy voluminoso y prolongado, la modernización de los veleros en vapores de tornillo resultó ser mucho más simple. El casco de madera se cortó aproximadamente por la mitad y se hizo un inserto de madera con la sala de máquinas, cuya potencia para fragatas grandes era de 400-800 hp. Con. Al mismo tiempo, la carga de peso solo mejoró: las calderas y máquinas pesadas se ubicaron principalmente debajo de la línea de flotación y no hubo necesidad de recibir lastre , cuya cantidad en los veleros a veces alcanzaba cientos de toneladas. El tornillo se colocó en un pozo especial en la popa y se suministró un mecanismo de elevación, ya que al navegar solo interfería con el movimiento, creando una resistencia adicional. Hicieron lo mismo con la chimenea : para que no interfiera con el funcionamiento de las velas, se hizo telescópica (como un catalejo ). Prácticamente no hubo problemas con las armas, permanecieron en su lugar.

Griffiths, después de mucha investigación experimental sobre hélices, propuso un tornillo, con un paso progresivo, de un diámetro relativamente mayor, con un embrague y palas que tenían el mayor ancho en el medio; el extremo de la pala está doblado hacia adelante aproximadamente 1/25 d, de modo que la generatriz de su superficie de trabajo no es una línea recta, como una hélice ordinaria, sino una curva. El funcionamiento de dicho tornillo resultó ser muy suave y casi no acompañado de golpes y sacudidas de la popa.

Véase también

Notas

  1. ↑ En este último caso, la posibilidad de instalar el tornillo en posición vertical en la estela hidrodinámica de la popa es importante para reducir su resistencia al navegar.
  2. ↑ Selección de hélice Archivado el 3 de noviembre de 2014 en Wayback Machine // vlboat.ru .
  3. ↑ Propulsión de barcos y embarcaciones Archivado el 20 de septiembre de 2012 en Wayback Machine // korabley.net, 06/04/2010.
  4. ↑ 1 2 K.P. Lebedev y N.N. Sokolov. Tecnología para la producción de hélices / agujeros. editor A. E. Vol, editor G.A. Minyaeva, tec. editor A. M. Usova, correctora E.V. Linnik. - L. : SUDPROMGIZ, 1951. - S. 119-150. — 372 págs.
  5. ↑ Un consorcio liderado por Damen fabricó la primera hélice con impresión 3D , Shipbuilding.info  (12 de septiembre de 2017). Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2021. Consultado el 14 de diciembre de 2021.
  6. ↑ Shipbuilder Demonstrates 3D Printed Propeller , 3D Today  (19 de septiembre de 2019). Archivado desde el original el 14 de diciembre de 2021. Consultado el 14 de diciembre de 2021.
  7. ↑ D/f Giant Propellers Archivado el 2 de abril de 2015 en Wayback Machine (" ¿Cómo se hace? ", Discovery Channel ).
  8. ↑ Material para hacer una hélice Copia de archivo fechada el 3 de noviembre de 2014 en Wayback Machine // vlboat.ru.
  9. ↑ EFICIENCIA DE LA PROPULSIÓN DEL REMO . Archivado el 5 de septiembre de 2015 en Wayback Machine .

Enlaces

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  • Pequeño Brockhaus y Efron
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