Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos.

Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos.

Soluciona obtener mayor rendimiento en barcos,

gracias a tobera (4) en la cual, la diferencia (S) entre el radio exterior (Ro) de la tobera (4) y el radio interior (Ri) de la tobera (4) está comprendida entre 0.050D y 0.088D, siendo D el diámetro interior de la tobera (4); de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo anterior de la cuerda (C) del perfil de la tobera (4), presenta mayor distancia respecto at eje de giro (7) de la hélice (10), que el extremo posterior de dicha cuerda (C); y la diferencia entre ambos extremos de la cuerda (C) respecto a la distancia al eje de giro (7) de la hélice (10) es superior a 0.0025D para toda relación L/D, siendo L la longitud axial de la tobera (4).

Sector de la técnica

La invención se refiere a un sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, en el sentido genérico del término como nave acuática flotante, principalmente para la condición de navegación libre.

Estado de la técnica

Aclaración de conceptos técnicos:

Coeficiente de avance J = VA/nDP. Siendo VA la velocidad de avance del propulsor, n el número de revoluciones por segundo de la hélice y DP el diámetro de la hélice. Coeficiente de empuje de la hélice Ktp = Tp / p n2 DP4, siendo Tp el empuje de la hélice, y p la densidad del agua.

Coeficiente de empuje de la tobera Ktn = Tn / p n2 DP4, siendo Tn el empuje de la tobera.

Coeficiente de empuje total Ktt = T / p n2 DP4, siendo T el empuje total de la hélice y de la tobera juntas.

Coeficiente de par Kq = Q / p n2 DP5, siendo Q el par motor.

Rendimiento del propulsor aislado hélice tobera rio = J Ktt / 2 ji Kq.

Indice de carga CT = (T) / ( Vz p VA2 74 DP2) = 8 Ktt / n J2

Condición de navegación libre: cuando se navega con carga exclusivamente interior; en esta condición el índice de carga CT tiene un valor comprendido entre 4 y 0.2 en velocidad de crucero al 80% de la potencia nominal.

Condición de navegación en arrastre o remolque: cuando se navega tirando de una red de pesca o remolcando a otro barco; en este caso la velocidad del barco es muy pequeña con relación al empuje del sistema hélice tobera, el índice de carga CT tiene un valor alto, superior al valor 4 Ct, normalmente de 15 a 28 CT; sólo navegan en esta condición los barcos arrastreros de pesca y los remolcadores, cuando están realizando su trabajo específico.

Se utilizan algunos coeficientes, con el factor D o L para indicar algunas distancias en función del diámetro interior de la tobera D o de la longitud axial de la tobera L. Al multiplicar el coeficiente por el valor concreto en cada caso de D o de L nos da la medida concreta.

En toberas la relación L/D, longitud axial de la tobera dividida por el diámetro interior de la tobera, es una referencia imprescindible.

Codaste: continuación de la quilla del barco por popa.

Para referirse a las distintas secciones coaxiales al eje de giro, de las palas de la hélice, se toma como referencia el radio R de la hélice, así la sección coaxial 0.5R se refiere a la sección coaxial de la pala a la distancia 0.5R del eje de giro de la hélice, la sección coaxial 0.6R se refiere a la sección coaxial de la pala a la distancia 0.6R del eje de giro; la punta de pala está en 1.0R.

Línea de curvatura media, también llamada línea media mean line, es la línea definida por los puntos medios entre la superficie superior e inferior de un perfil aerodinámico o hidrodinámico, los extremos de la línea de curvatura media coinciden a efectos prácticos con los bordes de entrada y salida del perfil.

Línea de la cuerda: la recta que une los extremos de la línea media.

Cuerda: tanto en un perfil de ala como en un perfil de tobera, es el segmento de línea recta que une los extremos de la línea de curvatura media, las secciones reales tanto de ala como de tobera son planas, y la cuerda forma parte naturalmente de una línea recta, a la distancia entre ambos extremos de la línea media se le llama longitud de la cuerda; en las palas de una hélice naval es igual, pero para cada sección coaxial al eje de giro cuando se hace una representación de la pala de la hélice en vista extendida expanded view, determinando así un perfil característico de la pala completa, y procediendo de esta forma con todas las palas de una hélice obtenemos una aproximación a la superficie de la hélice (area, expanded según definición de la International Towing Tank Conference ITTC"). En una pala de una hélice naval, cuando se hace una representación en vista extendida, prácticamente todas las cuerdas de las secciones coaxiales características ( 0.2R, 0.3R, 0.4R....1.0R) tienen distinta longitud, desde la raíz a la punta.

La línea de referencia de la pala blade reference line es la línea que va desde la raíz de la pala hasta el extremo de la punta de pala donde el radio es máximo, siguiendo una trayectoria que une los puntos de referencia de cada sección de pala, que son el punto medio de la línea de la cuerda en cada sección coaxial; cuando la punta de pala tiene una longitud finita equidistante a una tobera con superficie cilindrica rodeando la hélice, la línea de referencia de la pala termina en el centro de la punta de pala naturalmente.

Paso: es lo que avanza teóricamente una hélice en cada revolución completa, si la distribución de paso es uniforme para todas las secciones coaxiales desde la raíz a la punta. De forma general el paso característico de una hélice naval, está referido al de la sección coaxial 0.7R exclusivamente, cuando la distribución de paso no es uniforme, que es la inmensa mayoría.

Distribución de paso pitch distribution: casi todas las hélices se fabrican con distribución de paso no uniforme a lo largo de todas las secciones coaxiales desde la

raíz a la punta, normalmente el paso es menor cuanto más próxima la sección de pala a la raíz y también cuanto más próxima la sección a la punta de pala, suele ser la zona central de las palas las que disponen de mayor paso; de esta forma se distribuye la carga en cada pala, de acuerdo con la aplicación posterior. También se fabrican algunas hélices con el mismo paso en todas las secciones coaxiales desde la raíz a la punta, es una distribución de paso uniforme.

Relación de áreas Ae/Ao, Ae se refiere a la superficie total de las palas y Ao se refiere al área del disco de barrido.

Propulsor azimutal: sistema de propulsión azimutal, el conjunto hélice tobera puede girar 360° sobre un eje vertical, con lo cual no hace falta timón.

Hélice abierta: sistema de propulsión que dispone de hélice sin tobera.

Como se sabe desde la década de los años 30, un sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos comprende, una hélice y una tobera que es un conducto en forma de tubo, abierto por ambos extremos; de acuerdo con el sentido de circulación general del agua en marcha avante del barco, la tobera tiene interiormente desde el borde de entrada al borde de salida, primero una superficie convergente, después una superficie que rodea la hélice y por último aguas abajo de la hélice una superficie hasta el borde de salida y naturalmente una superficie exterior desde el borde de entrada al borde de salida; el perfil de la tobera (correspondiente a una sección de la tobera por un plano que contiene el eje de giro de la hélice) presenta desde el borde de entrada al borde de salida mayor longitud periférica interior que exterior; la hélice gira en el interior de la tobera unida a un árbol motor; dicho árbol motor pasa por el interior de un soporte; en la configuración clásica, dicho soporte, está unido al codaste en la popa del barco y la tobera está unida a la popa del barco por medio de soportes rígidos; y en la configuración de propulsión azimutal el conjunto hélice tobera, así como el soporte del árbol de la hélice que está junto, en el sentido de próximo, a la hélice, giran solidariamente 360° sobre un eje vertical.

En la mayoría de las toberas actuales la superficie interior que rodea la hélice es cilindrica, aguas abajo de la hélice la superficie interior suele ser divergente, y la superficie exterior suele ser cónica con mayor radio en la parte anterior, el borde de entrada suele ser redondeado y el borde de salida también suele ser redondeado; delante de la hélice la superficie interior convergente siempre existe en cualquier tobera aceleradora y lo más normal es que sea convexa.

El funcionamiento de los sistemas hélice tobera que se construyen actualmente consiste básicamente en una interacción mutua, la succión de la hélice produce depresión en la superficie interior converaente anterior y esta diferencia de presión con

la que tienen el resto de paredes de la tobera origina una fuerza de empuje cuya componente axial empuja a la tobera hacia adelante; este empuje se suma al de la hélice.

Las toberas aceleradoras tienen todas la superficie interior anterior convergente, como se ha dicho antes, el recorrido de las moléculas de agua desde el borde de entrada al borde de salida, es mayor por el interior de la tobera que por la superficie exterior, comportándose dicho perfil como un perfil de ala, y por tanto por la superficie interior se incrementa la velocidad del agua cuando la tobera avanza.

Actualmente para la propulsión de barcos en condición de navegación libre y arrastre, se usa principalmente la tobera 19A desarrollada hace varias décadas;...

1Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, que comprende una hélice (10), una tobera (4) alrededor de la hélice, estando la hélice configurada para girar dentro de la tobera, y la tobera es fija respecto al soporte (14) del árbol de la hélice que está próximo a dicha hélice,

caracterizado porque, la diferencia (S) entre el radio exterior (Ro) de la tobera (4) y el radio interior (Ri) de la tobera (4) está comprendida entre 0.050D y 0.072D, siendo D el diámetro interior de la tobera (4); de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo anterior de la cuerda (C) del perfil de la tobera (4), presenta mayor distancia respecto al eje de giro (7) de la hélice (10), que el extremo posterior de dicha cuerda (C); y la diferencia entre ambos extremos de la cuerda (C) respecto a la distancia al eje de giro (7) de la hélice (10) es superior a 0.0025D para toda relación L/D, siendo L la longitud axial de la tobera (4).

2.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según reivindicación 1, caracterizado porque la hélice (10) tiene de tres a siete palas.

3.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según reivindicación 2, caracterizado porque la mayor longitud de cuerda de cada pala de la hélice (10) se encuentra a partir de la sección coaxial 0.6R hacia la punta de pala, siendo R la distancia entre el eje de giro (7) de la hélice y la punta de pala.

4.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según reivindicación 3, caracterizado porque la mayor longitud de cuerda de cada pala de la hélice (10) se encuentra en la punta de pala.

5.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según reivindicación 3, caracterizado porque en las palas de la hélice (10) se alcanza el mayor paso a partir de la sección coaxial 0.6R hacia la punta de pala, con independencia de que también se alcance en las secciones coaxiales inferiores a 0.6R

6.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación L/D está comprendida entre 0.42 y 1.00

7.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque considerando el sentido de

circulación general del agua en marcha avante del barco, la superficie interior convergente de la tobera es convexa, y la superficie interior de la tobera que rodea la hélice (10) es cilindrica con el menor radio interior de la tobera (4); la superficie exterior (8) de la tobera es cónica, con mayor radio respecto al eje de giro (7) de la hélice, en la zona anterior próxima al borde de entrada (5) que en la zona posterior próxima al borde de salida (6); la superficie interior convergente de la parte anterior (1) de la tobera se une a la superficie exterior (8) de la tobera por medio de una superficie toroidal, con circunferencia como generatriz, formando el borde de entrada (5) de agua en la tobera; y la superficie interior de la parte posterior (3) de la tobera aguas abajo de la hélice y la superficie exterior de la tobera se unen también por medio de una superficie toroidal, formando el borde de salida (6) de la tobera.

8.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según reivindicación 7, caracterizado porque la superficie interior de la parte posterior (3) de la tobera, aguas abajo de la hélice (10), es cilindrica hasta el borde de salida (6), con el mismo radio que la superficie interior de la tobera que rodea la hélice.

9.- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según reivindicación 7, caracterizado porque la superficie interior de la parte posterior (3) de la tobera, aguas abajo de la hélice (10), es divergente hasta el borde de salida (6).

- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque las coordenadas del perfil de la tobera (4) son las siguientes;

queda establecido el valor de las abscisas en 100X/L tomando los valores de X a partir del borde de entrada; 100YÍ/L para el valor de las ordenadas interiores; y 100Yo/L para el valor de las ordenadas exteriores;

ei centro de giro del radio (r) de ia circunferencia generadora de la superficie toroidal 10 del borde de entrada, queda establecido en abscisa 100X/L = 2.051 y ordenada 100Y/L = 10.7648; ia longitud dei radio (r) tiene el mismo valor que la abscisa; el centro de giro del radio de la circunferencia generadora de la superficie toroidal del borde de salida, queda establecido en abscisa 100X/L = 98.717 y ordenada 100Y/L = 1.2830; la longitud del radio tiene el mismo valor que la última ordenada;

la línea de referencia de la pala, en punta de cada pala de la hélice, está en abscisa 100X/L = 45.8974; la relación L/D = 0.4970

11- Sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, según cualquiera de las 20 reivindicaciones anteriores, caracterizado porque forma parte de un barco, con motor que está unido e imparte movimiento de giro al árbol de la hélice (10).