Sistema de propulsión con hélice y tobera fija respecto a la hélice.

Soluciona obtener mayor rendimiento en naves acuáticas con velocidad de crucero 10-18 nudos y poder usar toberas en naves acuáticas con velocidad de crucero superior a 18 nudos, gracias a:

Sistema de hélice y tobera fija respecto a la hélice, dicha tobera con parte anterior (1) convergente con cobertura angular 170° - 270°, parte central (2) alrededor de hélice y parte posterior (3) con coberturas ambas de 360°; paredes interiores de parte central cilíndricas; distancia mínima (E) de puntas de pala al borde anterior de la parte central 0.04DP -Diámetro del Propulsor- y máxima 0.05DP; y extremos angulares de la parte anterior de forma que las paredes interiores exceden en cobertura angular, hacia abajo, a las paredes exteriores, unidas por medio de un bisel en cada extremo.

El sistema de propulsión forma parte de una nave acuática

Sistema de propulsión con hélice y tobera fija respecto a la hélice.

Sector de la técnica

La invención se refiere a un sistema de propulsión con hélice y tobera fija respecto a la hélice, para naves acuáticas con velocidad de crucero entre 10 y 18 nudos y para usar dicho sistema en naves acuáticas con velocidad de crucero superior a 18 nudos.

Estado de la técnica

Aclaración de conceptos previos que se usan:

Se denomina hélice abierta la que no dispone de tobera.

Relación P/D, paso de la hélice dividido por el diámetro de la hélice.

En la 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.

El coeficiente de avance J es igual a la velocidad de avance del propulsor Va dividida por el producto de las revoluciones por segundo n y el diámetro del propulsor D; J = Va/nD. El propulsor puede ser una hélice abierta, o bien, un sistema de propulsión constituido por una hélice y una tobera en cuyo caso la velocidad de referencia Va en esta memoria es la velocidad de avance de la hélice respecto al agua al final de la parte anterior convergente de la tobera.

El paso geométrico Pg es la distancia teórica que avanza la hélice en una revolución, sin considerar el resbalamiento.

El ángulo de pala en cada sección coaxial al eje de giro, es el ángulo que forma la pala en dicha sección con un plano perpendicular al eje de giro; cuanto mayor es la distancia radial menor es dicho ángulo en una misma pala para mantener el paso, debido al incremento de velocidad tangencial.

El ángulo de ataque en cualquier sección coaxial de una pala es el ángulo que forma la pala con el vector de la suma vectorial de la velocidad de avance de la hélice y su velocidad tangencial de giro en dicha sección; con lo cual cuando J vale cero el ángulo de pala y el ángulo de ataque tienen el mismo valor, a medida que se incrementa el valor de J, es decir, a medida que se incrementa la velocidad de avance de la hélice, disminuye el ángulo de ataque para la misma sección coaxial cuyo ángulo de pala es fijo; para P/D igual a la unidad, cuando J es igual a la unidad el valor del ángulo de ataque es casi cero, en términos reales.

Para referirse a las distintas secciones coaxiales al eje de las palas de la hélice, se toma como referencia el radio R, así la sección coaxial 0.20R se refiere a la sección coaxial de la pala a la distancia de 0.20R del eje de giro, la sección coaxial 0.75R a la sección coaxial de la pala a la distancia 0.75R del eje y la sección coaxial 1.00R se refiere a la punta de pala, a la superficie coaxial más alejada de cada pala.

El paso teórico de la hélice lo determina el ángulo de pala, tomándose como referencia el de la sección 0.75R.

Codaste: continuación de la quilla de la nave acuática por popa, tanto en naves flotantes como en naves submarinas.

"Pod": sistema de propulsión azimutal, por medio de un soporte que sale del casco de la nave hacia abajo (vertical), que puede girar sobre su propio eje 360º, con lo cual no hace falta timón, soporta un motor eléctrico sumergido dentro de una carena, que acciona una hélice acoplada a su árbol motor; el árbol de la hélice es perpendicular al soporte azimutal citado; a veces el motor está dentro de la nave y la transmisión de potencia es a través de un árbol motor que va por dentro del soporte azimutal vertical con engranajes cónicos en la parte inferior que accionan otro árbol motor horizontal que acciona la hélice.

Se utilizan algunos coeficientes, con el añadido DP, que significa diámetro del propulsor refiriéndose la palabra propulsor exclusivamente a la hélice, para indicar algunas distancias en función del diámetro de la hélice. Al multiplicar el coeficiente por el diámetro real de la hélice nos da la distancia real.

Autopropulsión, hace referencia a cuando el sistema propulsor hélice-tobera o la hélice abierta empuja a la nave, o bien, concretando a un buque.

Propulsor aislado, hace referencia a cuando se ensaya el sistema hélice-tobera o la hélice abierta sin empujar a la nave o al buque; el ensayo se hace en un canal de aguas tranquilas con un número fijo de revoluciones por segundo para la hélice con un motor eléctrico, el propulsor se desplaza en el interior del agua unido a un carro exterior autopropulsor, desde cero metros por segundo con lo cual J vale cero, el ángulo de ataque tiene el mismo valor que el ángulo de pala y el empuje tanto de la hélice como de la tobera son máximos; hasta una velocidad en que la hélice deja de producir empuje donde el ángulo de ataque está próximo a cero; para una relación P/D igual a la unidad con hélice abierta, desde cero metros por segundo con 0.00J hasta que J alcanza un valor próximo a la unidad en que la hélice deja de producir empuje; para la misma relación P/D igual a la unidad con hélice-tobera convencional (la que se usa desde 1930) la hélice deja de producir empuje sobre 0.8J; se mide tanto el empuje de la hélice como el de la tobera, en cada caso, para los distintos valores de J y también el par motor que absorbe la hélice para cada valor de J.

Debido a la erosión que se producía en las palas de las hélices en el Canal de Suez, las autoridades alemanas en la década de 1920, inducen a instalar toberas alrededor de las hélices. Se observó que aparte de protegerla, aumentaba el rendimiento, esto llamó la atención de Ludwig Kort, quien en la década de 1930 solicitó y obtuvo varias patentes, destacando como más ilustrativa la US2139594; con el llamado perfil "19A", se mejora el rendimiento hasta los 14 nudos aproximadamente (dependiendo de la relación P/D de la hélice) y a partir de esta velocidad el rendimiento es negativo respecto a la hélice abierta. Tanto el diseño general de las toberas con las paredes interiores de la parte anterior aguas arriba de la hélice convergentes hacia el eje de giro de la hélice, como el perfil "19A" se han mantenido sin cambios hasta la actualidad del siglo XXI que se siguen fabricando y utilizando. En la década de 1990 se ha desarrollado el perfil "Rice", cuyo coeficiente de resistencia hidrodinámica CD es menor, 0.01 CD frente al 0.17CD del perfil "19A", permitiendo usar la tobera con el mismo diseño hasta velocidades de 16 nudos aproximadamente con incremento de rendimiento respecto a la hélice abierta para el mismo buque. También se ha desarrollado el perfil "HR" en la década de 1990, con un coeficiente de resistencia similar al "Rice" y que según el fabricante permite usar la tobera hasta los 18 nudos.

Tanto la tobera de Kort inicial, como la tobera de Kort con los perfiles "19A", "Rice" y "HR", tiene una extensión angular de 360º, es decir, es totalmente cerrada y su extensión axial es la misma en toda la periferia; en adelante en esta memoria, el término "tobera convencional" se refiere exclusivamente a este tipo de tobera.

La tobera produce un empuje adicional al que produce la hélice, siendo mayor, respecto al que produce la hélice, cuanto menor es la velocidad de desplazamiento del buque.

El empuje de la tobera se produce porque al ser convergentes las paredes interiores delante de la hélice, con mayor radio en la entrada de la tobera aguas arriba y menor radio en la proximidad de las palas de la hélice, la succión de la hélice crea depresión en dichas paredes orientadas hacia el buque, por otra parte en las paredes exteriores de la tobera completa que también son convergentes en el mismo sentido, se ejerce la presión hidrostática correspondiente más la presión atmosférica, y es esta diferencia de presiones entre las paredes externas e internas de la parte anterior de la tobera la que crea una componente paralela al eje de la hélice, que empuja al buque. También produce empuje la parte posterior divergente de la tobera, aunque muy pequeño comparado con el anterior, sobre el 5% del anterior, al ser algo divergentes las paredes interiores disminuyen la velocidad del agua impulsada por la hélice y aumenta la presión estática, creándose otra componente axial que empuja al buque, pero como se sabe las pérdidas en toberas divergentes es alto. Las toberas que se usan desde 1930 y se siguen usando con la misma configuración general (tobera convencional) tienen una extensión angular de 360º alrededor de la hélice, por delante de ella y por detrás, por lo que la tobera es totalmente cerrada por la parte anterior, central y posterior; estas tres partes de la tobera respecto a la posición que ocupa la hélice, son necesarias si se pretende...

1. Sistema de propulsión con hélice y tobera fija respecto a la hélice, adecuado para naves acuáticas con velocidad de crucero entre 10 y 18 nudos y adecuado para naves acuáticas con velocidad de crucero superior a 18 nudos, que comprende:

una tobera alrededor de la hélice, que tiene el eje de giro sustancialmente horizontal, y cubriendo dicha tobera axialmente la parte central alrededor de la hélice, la parte anterior aguas arriba de la hélice y la parte posterior aguas abajo de la hélice, teniendo las paredes interiores de la parte anterior convergentes hacia el eje de giro de la hélice; la superficie exterior del perfil de la tobera que incluye la cobertura angular común de la parte anterior, central y posterior es convergente en sentido general aguas abajo, hacia el eje de giro de la hélice; el espesor del perfil común a las tres partes, anterior, central y posterior de la tobera es mayor en la zona delantera y menor en la zona trasera; la parte anterior de la tobera rodea parcialmente al eje de giro de la hélice; en la parte central alrededor de la hélice la tobera rodea toda la hélice, su extensión angular es de 360º y tiene la misma distancia de las paredes interiores al eje de la hélice en cada plano perpendicular al eje de la hélice, que corte la tobera en esta zona; en la parte posterior, aguas abajo de la hélice, la tobera tiene una cobertura angular de 360º con la misma longitud axial para toda esta zona de la tobera, y tiene la misma distancia de las paredes interiores al eje de la hélice, en cada plano perpendicular al eje de la hélice que corte la tobera en esta zona; las paredes interiores de la parte posterior de la tobera son divergentes en dirección aguas abajo o al menos divergentes en su tramo final; las puntas de pala de la hélice están formadas por un arco coaxial al eje de giro, en la sección coaxial 1.00R, y en casos especiales la punta de pala es un punto por serlo la cuerda de la sección coaxial 1.00R; la hélice está unida a un árbol de manera que el árbol pueda hacer girar la hélice alrededor de su eje de giro;

caracterizado porque, toda la parte anterior (1) de la tobera, aguas arriba de la hélice, tiene una cobertura angular entre 170º y 270º, de forma continua, es decir, un solo sector en la parte anterior de la tobera y con su centro de cobertura angular sustancialmente en la zona superior de la tobera, con la misma longitud axial para toda esta zona anterior de la tobera, incluidos sus extremos angulares (19, 20) y tiene la misma distancia de todas las paredes interiores (22) al eje de la hélice en cada plano perpendicular al eje de la hélice, que corte la tobera en esta zona; la longitud axial de la parte central (2) de la tobera tiene un valor a cada lado de la punta de pala, de tal forma que cuando la punta de pala es un punto por serlo la cuerda de la sección coaxial 1.00R, es de 0.08DP, axialmente a cada lado del plano que contiene las puntas de pala, significando las siglas DP diámetro de la hélice, y cuando se utilizan puntas de pala formadas por un arco coaxial al eje de giro, la distancia axial es de 0.04DP como mínimo y 0.05DP como máximo aguas arriba del plano que contiene los bordes de entrada (12) de cada pala en la sección coaxial 1.00R y también 0.04DP como mínimo y 0.05DP como máximo aguas abajo del plano que contiene los bordes de salida (13) de cada pala en la sección coaxial 1.00R de las palas, aunque la parte central (2) está unida materialmente aguas abajo a la parte posterior (3); la superficie interior de la parte central de la tobera, determinada su longitud axial en cada caso por el tipo de punta de pala, es sustancialmente cilíndrica o al menos su zona anterior, aguas arriba, desde el plano perpendicular al eje de giro de la hélice que pasa por el centro de las puntas de pala; en la parte central y posterior de la tobera fuera de la cobertura angular de la parte anterior de la tobera, en los extremos axiales (6, 7), las paredes internas se unen con las paredes externas por medio de un redondeamiento simétrico por delante aguas arriba y en el extremo final aguas abajo de la parte posterior de la tobera se unen también por medio de un redondeamiento o terminando en arista, siendo el espesor del perfil (5) en estas dos partes, central y posterior, fuera de la cobertura angular de la parte anterior, menor en cada plano perpendicular al eje de giro, que el espesor (4) del perfil opuesto común a las tres partes, anterior, central y posterior de la tobera, en dichos planos, y por lo menos un 25% inferior de media a lo largo de todos los planos de la parte central de la tobera y la superficie exterior de esta parte central y posterior de la tobera fuera de la cobertura angular de la parte anterior es cilíndrica o convexa; en los extremos angulares (19, 20) de la parte anterior (1) de la tobera, las paredes exteriores (21) se unen a las paredes interiores (22) por medio de un bisel en cada extremo, de tal forma que en cada extremo, las paredes interiores exceden en cobertura angular, hacia abajo, a las paredes exteriores; la inclinación media de cada bisel es superior a 40º respecto a un plano horizontal; la distancia radial entre las puntas de pala y la tobera tiene como máximo un valor de 0.005DP para este sistema hélice-tobera conjunto.

2. Sistema de propulsión con hélice y tobera fija respecto a la hélice, según reivindicación 1, caracterizado porque la extensión angular de la parte anterior (1) de la tobera es de 200º.

3. Sistema de propulsión con hélice y tobera fija respecto a la hélice, según reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque forma parte de una nave (26) acuática flotante o submarina, con motor que está unido e imparte movimiento de giro al árbol de la hélice del sistema de propulsión.