Conceptos básicos de una hélice
En este artículo he intentado sintetizar y explicar de manera lo más simple y clara posible los aspectos básicos relativos a una hélice que cualquier patrón o armador debería conocer. Este video puede ser un poco técnico y puede requerir un poco de esfuerzo para verlo hasta el final, pero la información que contiene merece la pena.
¿Qué es una hélice?
La hélice es un elemento propulsivo, que transforma la energía mecánica del motor en empuje. Las hélices están formadas por una serie de palas iguales, equiespaciadas alrededor de un núcleo.
¿Cómo funciona una hélice?
Al hacer girar la hélice, se crea una diferencia de presión entre las dos caras de las palas, generando empuje. La pala tiene una cara de presión y otra de succión; en la cara de presión hay una sobrepresión que genera una fuerza de empuje, mientras que en la cara de succión hay una depresión que genera una fuerza de tracción. La cara de presión es la que está orientada hacia la popa y la de succión la que está orientada hacia la proa.
Nomenclatura y partes básicas de una hélice
Punta de la pala (Blade Tip)
Es el punto que separa el borde de ataque y el borde de salida; es el punto más alejado de la pala desde el centro del cubo de la hélice.
Borde de ataque
Es el borde de la pala más a proa de la hélice, por donde entra el agua.
Borde de salida
Es el borde de la pala más a popa de la hélice, por donde sale el agua.
Núcleo
Es la parte central de la hélice a la que se le unen las distintas palas. El núcleo de la hélice se une al eje que le transmitirá el movimiento rotativo.
Raíz
Es el borde inferior de la pala, donde se junta la pala con el núcleo de la hélice.
Cara de la pala o cara de presión
Es el lado de la pala que mira a popa de la hélice. Es la cara de la hélice de alta presión.
Dorso de la pala
Es el lado de la pala que mira a proa de la hélice. Es la cara de la hélice de baja presión o de succión.
Copa o ahuecamiento
Una pequeña curva o labio en el borde de salida de la pala que tiene algunas hélices, y que permite que la hélice retenga mejor el agua, reduciendo la ventilación, el deslizamiento y la aparición de la cavitación.
Las hélices con copa son muy eficientes a velocidades altas, por encima de los 35 nudos y operando en regímenes elevados de RPM. Además, permiten incrementar la velocidad un poco, entre un 5 y un 10%.
Este tipo de hélices tiene un mayor paso real o virtual. Una pauta general a la hora de reemplazar una hélice normal por una con copa es elegir una hélice con palas con 1 pulgada o un 5% menos de paso que la hélice estándar instalada.
Diámetro de la hélice.
El diámetro de la hélice es el diámetro del círculo imaginario trazado pasando por las puntas de las palas. Se puede calcular fácilmente midiendo la distancia entre el centro de la hélice y la punta de una de las palas de la hélice, obteniendo el radio de la hélice, y multiplicando esta medida por dos.
Cuanto mayor sea el diámetro de la hélice, más agua mueve, generando un mayor empuje; pero este incremento del empuje requiere un mayor par motor.
Área de la pala.
El área de la pala es la superficie de cada una de las palas de la hélice. La superficie de las palas influye directamente en la tendencia de la hélice a cavitar y en la potencia que absorbe.
Se suele medir el área de la pala proyectada y el área de la pala desarrollada o expandida. El área de la pala proyectada es el área de la superficie de la pala vista desde la popa, esta área es menor que el área de la pala real, ya que la pala suele estar torsionada.
El área desarrollada se obtiene expandiendo o enderezando la curvatura de la pala torsionada en un dibujo, midiendo el área obtenida en el dibujo. El área desarrollada suele ser la más usada para la realización de los distintos cálculos.
Paso de la hélice (paso teórico)
El paso de la hélice es la distancia teórica que avanzará la hélice en una revolución; es decir, al dar una vuelta completa sobre sí misma. Esta medida se suele expresar en pulgadas. Las hélices con un mayor paso hacen que el barco avance más por cada revolución.
Hay que tener presente que el paso de la hélice se verá reducido en el agua entorno a un 15%, debido a la resistencia al avance del agua y al deslizamiento de la hélice.
Sentido de giro de la hélice.
Mirando la hélice de popa hacia proa, las hélices pueden ser dextrógiras o levógiras. Las hélices dextrógiras cuando giran en sentido horario producen un empuje hacia proa, permitiendo avanzar al barco, mientras que cuando giran en sentido antihorario producen un empuje hacia popa, permitiendo ir marcha atrás. Por el contrario, una hélice levógira cuando gira en sentido antihorario produce un empuje hacia proa, permitiendo avanzar al barco, mientras que cuando gira en sentido horario produce un empuje hacia popa, permitiendo ir marcha atrás.
Se puede distinguir una hélice dextrógira de una levógira rápidamente con sólo mirarla. Al mirar la hélice desde atrás. Si el borde de ataque de la pala está a su derecha, la hélice será dextrógira y tendrá que girar en sentido horario para que el barco avance. Si el borde de ataque de la pala está a su izquierda, la hélice será levógira y tendrá que girar en sentido antihorario para que el barco avance.
No se puede convertir una hélice levógira en dextrógira y viceversa cambiando su posición en el eje girándola 180º. Si se obtiene una hélice con el sentido de giro equivocado para su instalación, simplemente se debe reemplazar por una que tenga el sentido de giro correcto.
En embarcaciones con una sola hélice, las hélices dextrógiras son las más utilizadas. En embarcaciones con dos hélices lo normal es que las dos hélices sean contrarotatorias y que una gire en sentido horario y la otra en sentido antihorario.
En términos de maniobrabilidad, para un barco de una sola hélice, la maniobrabilidad está totalmente influenciada por el "efecto de rueda de paletas". Cuando la embarcación está detenida y la hélice arranca o se navega a baja velocidad y se acelera rápidamente, la hélice moverá la popa de la embarcación en su dirección de rotación.
En barcos de doble hélice, para una mayor eficiencia propulsiva y una buena maniobrabilidad, las hélices deben girar hacia los costados del barco. La hélice de estribor debe ser dextrógira, y la hélice de babor debe ser levógira. En esta configuración de dos hélices, el efecto de rueda de paletas se compensa cuando las dos hélices giran al mismo número de revoluciones.
Número de palas de la hélice
Las hélices con una sola pala son las más eficientes, pero tienen un gran problema; el desequilibrio que genera tener una sola pala causa muchas vibraciones. Por lo tanto, una hélice de dos palas es la más eficaz para lograr un grado adecuado de equilibrio con muchas menos vibraciones. Cuantas más palas tenga una hélice peor es su rendimiento, pero a su vez menos vibraciones y ruido genera.
La mayoría de las hélices tienen tres palas, ya que presentan un mejor equilibrio entre vibración, tamaño, eficiencia y coste. La diferencia de eficiencia entre una hélice de dos palas y una de tres se considera menos significativa que la diferencia que hay en los niveles de vibración. Por otro lado, las hélices de dos palas generalmente necesitarán un mayor diámetro para conseguir un área de pala lo suficientemente grande para alcanzar el empuje necesario.
Curvatura de la pala o Skew
Si se proyecta la pala de la hélice en un plano perpendicular al eje de la hélice y se unen los puntos situados en la mitad de las secciones proyectadas, se obtiene una línea. Si esta línea no es perpendicular al eje de la hélice, se dice que la hélice está curvada o tiene Skew, y, por lo tanto, el contorno de la pala no es simétrico.
Esta curvatura hace que las secciones de las palas no entren al mismo tiempo en las distintas zonas, permitiendo compensar las diferencias radiales en el flujo de agua, producidas por el casco y otros elementos instalados en el casco, que causan perturbaciones en la estela; dándole a la hélice un mejor comportamiento hidrodinámico, reduciendo las vibraciones y el ruido.
Por otro lado, el aumento del área expandida hace que las hélices con skew sean menos propensas a sufrir cavitación.
Inclinación de las palas o Rake
El Rake definido de manera sencilla, es el ángulo entre la hoja y el núcleo de la hélice. Pero, precisando un poco más, Rake es el ángulo de inclinación entre la línea generatriz de la pala y la perpendicular al eje de la hélice.
Las palas inclinadas hacia delante tienen un ángulo de inclinación negativo, mientras que las palas inclinadas hacia atrás tienen un ángulo de inclinación positivo. La inclinación se expresa en grados de inclinación o como la relación o ratio de inclinación.
Para casi todas las aplicaciones estándar, las palas verticales son la mejor opción. Las palas que se inclinan hacia atrás suelen emplearse para ganar un poco más de diámetro efectivo en espacios reducidos. Esto se debe a que las palas inclinadas son más largas y, por tanto, tienen mayor superficie que las verticales del mismo diámetro. Además, las palas inclinadas, cuyas puntas están situadas más a popa, pueden aprovechar la pequeña inclinación hacia arriba del casco, lo que permite un diámetro de hélice algo mayor. Las palas con inclinación negativa suelen encontrarse en embarcaciones extremadamente rápidas y hélices muy cargadas. En estas circunstancias, la inclinación puede ayudar a reforzar las palas.
Deslizamiento de la hélice
Es la distancia de avance perdida en una revolución de la hélice, o, dicho de otra manera, la diferencia entre la distancia que un barco avanza a través del agua en una revolución de la hélice y la distancia teórica que recorrería si avanzara todo el paso de la hélice.
No hay que confundir el deslizamiento con el rendimiento de la hélice; son cosas diferentes. El deslizamiento es necesario para generar empuje; este fenómeno deriva del ángulo de ataque de las palas de la hélice, necesario para conseguir empuje.
Cavitación
La cavitación está provocada por la falta extrema de presión en la parte posterior de la pala de la hélice, lo que hace que el agua hierva o se vaporice y posteriormente esas burbujas de vapor colapsen y vuelvan al estado líquido, liberando calor y energía. Durante el funcionamiento normal, muchas hélices cavitan parcialmente, pero una cavitación excesiva puede provocar quemaduras por cavitación, erosión o picaduras en la superficie de la pala.
Ventilación
Este problema se produce cuando el aire de la superficie o los gases de escape del motor se introducen en las palas de la hélice. En la mayoría de los casos la ventilación es el resultado de tener la hélice demasiado cerca de la superficie, como en el caso de giros demasiado cerrados, un motor montado demasiado alto en el espejo de popa o un motor con un trimado excesivo. La ventilación también puede producirse por una mala selección de la hélice, que no se adapta a la embarcación.
