ES2213352T3 - Sistema de propulsion. - Google Patents
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Abstract
Una embarcación que tiene un sistema de propulsión, incluyendo el sistema: al menos un eje (1) que se extiende hacia atrás desde un espejo de popa (2) de un casco de la embarcación; una hélice de penetración de superficie (4) montada en dicho al menos único eje, próxima a un borde trasero (7) del casco, de manera que dicha hélice opere en una cavidad de espejo de popa creada detrás del espejo de popa del casco de la embarcación; y medios de accionamiento (9, 10, 11) para mover dicho al menos único eje; donde dicha hélice incluye un cubo (5) y una pluralidad de palas (6) angularmente separadas, sustancialmente equidistantes, a su alrededor, siendo la relación (S/C) de la separación (S) de las palas a la cuerda de pala (C) al menos 2, 0 a lo largo de sustancialmente toda la longitud de las palas; caracterizada porque la vista de extremo del perfil del casco de la embarcación incluye al menos un saliente de perfil generalmente arqueado, convexo, que corresponde en general al perfil del cubo (5) de la o cada dicha hélice (4).
Description
Sistema de propulsión.
La presente invención se refiere a un sistema de
propulsión para embarcaciones marinas a alta velocidad. En
particular, la invención se refiere a un sistema de propulsión de
accionamiento superficial mejorado que tiene alta eficiencia
operativa.
Los sistemas de propulsión conocidos para
embarcaciones a alta velocidad presentan considerables limitaciones
en el rendimiento a bajas velocidades, a altas velocidades, o en
todo el rango de velocidades deseado. La forma más simple de
propulsión para embarcación marina, la hélice sumergida, tiene
muchas limitaciones y tiende a tener características de baja
eficiencia a altas velocidades. Un sistema de accionamiento
mejorado, el accionamiento "Z" (o popa), introducido en la
década de los años 1960, proporciona mejor eficiencia a velocidades
más altas para embarcaciones más pequeñas. Sin embargo, a
velocidades muy altas este tipo de hélice experimenta problemas y a
menudo hay que montar una hélice de penetración de superficie en su
lugar.
Para altas velocidades de la embarcación, las
hélices de penetración de superficie montadas en un sistema
propulsor superficial especializado, o en un accionamiento Z, dan
las eficiencias más altas. Sin embargo, las hélices de penetración
de superficie convencionales absorben mucha potencia a bajas
velocidades. Una razón de esto es que, dado que estas hélices están
diseñadas para funcionar semisumergidas, su diámetro es grande en
comparación con una hélice convencional. Así, hasta que la
embarcación ha logrado la velocidad de planeo, la hélice está
normalmente excesivamente sumergida de tal manera que el flujo y par
requeridos son excesivamente altos. Un segundo factor, que se
entiende peor, es que a bajas velocidades y alta potencia las palas
funcionan a un coeficiente de elevación ato, la cavidad de vapor
detrás de la pala es ancha y la distancia entre la superficie
exterior de una cavidad de pala y la superficie propulsora de la
pala siguiente es pequeña. Así, la pala está empujando efectivamente
contra una burbuja de vapor con una evidente pérdida de empuje.
Estos dos factores hacen en concreto que una embarcación provista de
propulsores superficiales tenga considerable dificultad en alcanzar
el plano, lo que significa que tiene que estar provista de motores
excesivamente potentes. Como resultado de las limitaciones impuestas
por estos propulsores, su uso sigue siendo reducido y su costo es
alto. Además, tales hélices se montan normalmente detrás del casco,
lo que las hace vulnerables a daño al maniobrar o en atracadero. En
la mayoría de los casos, la hélice no se puede elevar
suficientemente para que la embarcación puede desembarcar en la
playa.
En los últimos años, también se han empleado cada
vez más los propulsores de bomba de chorro para dos clases de
embarcaciones: barcos de pocas prestaciones y embarcaciones
personales (motos de chorro, etc), y yates de lujo más grandes y
barcos taller. Sin embargo, los propulsores de chorro tienen varias
claras desventajas: en la práctica la eficiencia es por lo general
inferior a 60% y con frecuencia es inferior a 50%. Los propulsores
de chorro también son relativamente complejos y suelen ser caros; la
instalación también es más onerosa que para otros propulsores.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar una embarcación que tiene un sistema de propulsión que
evita sustancialmente o minimiza una o varias de las desventajas
anteriores.
US-A-3709187
describe una embarcación que tiene un sistema de propulsión,
incluyendo el sistema: al menos un eje que se extiende hacia atrás
desde un espejo de popa de un casco de la embarcación; una hélice de
penetración de superficie montada en dicho al menos único eje,
próxima, en la práctica, a un borde trasero del casco, de manera que
dicha hélice opere en una cavidad de espejo de popa creada detrás
del espejo de popa del casco de la embarcación; y medios de
accionamiento para mover dicho al menos único eje; donde dicha
hélice incluye un cubo y una pluralidad de palas angularmente
separadas, sustancialmente equidistantes, a su alrededor, siendo la
relación (S/C) de la separación (S) de las palas a la cuerda de pala
(C) al menos 2,0 a lo largo de sustancialmente toda la longitud de
las palas.
Según la presente invención, tal embarcación se
caracteriza porque la vista de extremo del perfil del casco de la
embarcación incluye al menos un saliente de perfil generalmente
arqueado, convexo, que corresponde en general al perfil del cubo de
la o cada dicha hélice.
Una ventaja de la presente invención es que la
alta relación de separación de pala a cuerda de pala (al menos 2,0 a
lo largo de sustancialmente toda la longitud de cada pala) permite
lograr una eficiencia mucho más grande que con los sistemas de
propulsión de la técnica anterior conocidos del tipo de hélice de
penetración de superficie en los que la relación de separación de
pala a cuerda de pala era en general del orden de la unidad o, más
frecuentemente, inferior a la unidad.
Una razón de la mayor eficiencia que se logra es
que la distancia entre la superficie trasera de una pala y la
superficie propulsora de la pala siguiente es relativamente grande y
por lo tanto, en la práctica, el campo de presión de esta última
pala (siguiente) está detrás de la cavidad de pala creada detrás del
borde trasero de la pala anterior (precedente). La mayor eficiencia
debida a esta característica se observa principalmente a bajas
velocidades de la embarcación. Otra ventaja de la cuerda de pala
relativamente pequeña es que los períodos de transición durante los
que cada pala entra en el agua y sale del agua forman una parte
relativamente pequeña del ciclo de la hélice en comparación con los
sistemas de accionamiento superficial conocidos de la técnica
anterior donde las palas son de cuerda relativamente grande. Las
palas operan a eficiencia considerablemente reducida durante estos
períodos de transición.
Se entenderá que el término "cavidad de espejo
de popa" en relación al casco de la embarcación se refiere a la
bolsa de aire creada inmediatamente detrás del borde trasero del
casco, después del arranque de la embarcación y a velocidades bajas
y altas de la embarcación. Colocando la hélice cerca del borde
trasero del casco, de manera que opere en dicha cavidad de espejo de
popa creada por ello, se evitan las excesivas pérdidas de potencia
atribuibles a efectos de agitación de la superficie del mar en
condiciones donde las palas operan en zonas de alta velocidad de
remolinos del agua (como en los sistemas propulsores
convencionales).
En relación a cada pala, se apreciará que el
término "cavidad de pala" se refiere al espacio de vapor
(debajo del agua) creado detrás del borde trasero de cada pala de la
hélice en su uso.
La relación (S/C) de la separación de palas (S)
de palas adyacentes a la cuerda de pala (C) es deseablemente del
orden de de dos a cinco o más, preferiblemente del orden de 2,3 a
4,0, a lo largo de sustancialmente toda la longitud de las palas.
Aunque la relación S/C se podría elegir más alta que cinco, se
apreciará que habrá un límite superior en el que las palas son
demasiado finas para ser suficientemente efectivas en la práctica.
Estimamos que es probable que éste sea el caso en la mayoría de las
situaciones para una relación de S/C superior a 10. Sin embargo, una
relación alta será deseable cuando se desea convertir una potencia
baja del motor en alta velocidad de la hélice.
La relación (S/C) de la separación de las palas
(S) a la cuerda de pala (C) es preferiblemente al menos 2,0 a lo
largo de al menos 90% de la longitud de las palas, deseablemente a
lo largo de al menos 95% o más de la longitud de las palas.
Preferiblemente, el cubo de la hélice es
relativamente grande. Deseablemente, la relación (H_{d}/P_{d})
del diámetro de cubo (H_{d}) al diámetro de hélice (P_{d}) es
al menos 0,35, preferiblemente 0,4 o más. Una ventaja de un diámetro
de cubo tan grande es que, a bajas velocidades (donde la hélice
tiende a estar en una posición más baja en el agua que a altas
velocidades de planeo), un gran porcentaje del área barrida por las
palas en cada rotación de la hélice está en el aire. Esto es
especialmente beneficioso para embarcaciones de velocidades bajas
donde un alto porcentaje del aire barrido se requiere para obtener
alto empuje a tales bajas velocidades. En los sistemas de propulsión
de la técnica anterior conocida, a bajas velocidades, un gran
porcentaje del área barrida está debajo del agua (requiriendo así la
operación de las palas una mayor absorción de potencia del motor),
lo que da lugar a empuje considerablemente reducido a estas bajas
velocidades, en comparación con el sistema presente.
Además, una gran relación del diámetro de cubo al
diámetro de hélice significa que tiende a haber mucha menos
variación de la velocidad del agua de flujo a lo largo de la
longitud de las palas de hélice que en las hélices convencionales y,
como consecuencia, la variación de rendimiento en condiciones fuera
de adaptación está menos marcada: en general, cuanto más cortas son
las palas con relación al diámetro de cubo, menores son las fuerzas
de flujo que actúan radialmente generadas en el agua y, a su vez,
mayor es la eficiencia del sistema de propulsión. Además, cuando más
cortas son las palas, menor es la curvatura torsional y la deflexión
de las palas durante el uso. En muchos casos, las palas pueden ser
de sección constante y retorcerse meramente a lo largo de su
longitud sin incurrir en una pérdida de rendimiento
significativa.
La hélice está montada preferiblemente en dicho
al menos único eje de tal forma que el plano de la hélice sea
sustancialmente perpendicular a dicho eje. Además, el eje está
montado preferiblemente en la embarcación de tal manera que el plano
de la hélice sea sustancialmente normal a la línea de empuje. Esto
tiene la ventaja de maximizar el empuje proporcionado por el motor
al arrancar y a bajas velocidades. El diámetro de hélice también se
elige deseablemente de manera que sea relativamente grande. Por
ejemplo, la relación (P_{d}/H_{S}) del diámetro de hélice
(P_{d}) al calado estático del casco (H_{S}) puede ser al menos
1,4 o más. Un beneficio de usar una hélice de gran diámetro es que
se puede obtener mayores velocidades periféricas usando las mismas
rpm que las hélices convencionales.
En el sistema de propulsión presente, el ángulo o
"paso" (\beta) de las palas de la hélice, con relación al eje
rotacional de la hélice, es preferiblemente variable. Esto se puede
lograr previendo medios de control de paso de pala en el sistema de
propulsión para controlar el paso de las palas. Los medios de
control de paso de pala pueden ser medios mecánicos y/o medios
eléctricos y/o fluido a presión, preferiblemente medios hidráulicos.
Los medios de control de paso se forman preferiblemente y disponen
para poder variar el paso ángulo (\beta) de las palas entre 50
grados y 120 grados. Controlando el paso de las palas de esta
manera, se puede mejorar la eficiencia general del sistema de
propulsión. Por ejemplo, dichos medios de control de pala se pueden
formar y disponer para poder inclinar las palas a un ángulo de hasta
80 grados, que en algunos casos se aproxima a 90 grados, en el rango
operativo a baja velocidad de la embarcación. Esto maximiza el
empuje disponible para una potencia dada del motor.
Dichos medios de control de pala pueden incluir,
en su forma más simple, medios mecánicos de control de paso en forma
de una varilla de control de paso enlazados a medios de soporte en
los que se montan las palas, estando formados y dispuestos dichos
medios de soporte y varilla de control de tal manera que el
movimiento axial de la varilla de control sea traducido a movimiento
rotativo de los medios de soporte, por lo que las palas se giran
para cambiar su ángulo o el llamado "paso" (con relación al eje
rotacional de la hélice). Convenientemente, el eje en el que se
monta la hélice, es hueco y la varilla de control de paso está
dispuesta en él.
Preferiblemente, el sistema de propulsión incluye
al menos dos ejes que se extienden hacia atrás del espejo de popa
del casco de la embarcación, teniendo cada eje una hélice montada
descrita anteriormente. Donde se disponen dos de tales hélices, los
medios de control de paso de pala se disponen preferiblemente para
controlar el paso de las palas en cada hélice. Dichos medios de
control de pala pueden estar formados y dispuestos ventajosamente
para variar el paso de las palas de hélice de cada hélice,
preferiblemente independientemente, dependiendo del rumbo deseado
y/o real de la embarcación, por lo que es posible controlar el rumbo
de la embarcación. Esto evita la necesidad de disponer un timón en
la embarcación. En su forma más simple, dichos medios de control de
pala pueden incluir dicha varilla de control de paso dispuesto en
cada uno de los dos ejes de hélice de la manera antes descrita.
Donde el sistema de propulsión incluye dichas dos
hélices, los respectivos ejes de accionamiento están dispuestos en
general de manera que giren en direcciones contrarias para cancelar
sustancialmente cualquier empuje lateral generado por las
hélices.
Dichos medios de accionamiento incluyen
convenientemente un eje de accionamiento corto, universal, y una
caja de engranajes reductores, si se desea, movida por un motor de
combustión interna. Alternativamente, los medios de accionamiento
pueden incluir un motor eléctrico, hidráulico o neumático.
Los medios de control de paso de pala también
pueden incluir ventajosamente un sistema controlador de paso
inteligente para controlar automáticamente el paso de las palas
dependiendo de uno o varios de: la velocidad deseada de la
embarcación; la velocidad real de la embarcación; la velocidad
deseada del motor; la velocidad real del motor; la posición de la
embarcación en el agua; y el rumbo deseado y/o real de la
embarcación. El controlador de paso inteligente puede controlar, por
ejemplo, el movimiento axial de la o cada varilla de control de paso
(donde se prevea) para variar el paso de las palas de hélice de las
dos hélices, preferiblemente independientemente, de manera que
realicen la dirección, y preferiblemente también el control de
velocidad, de la embarcación. El sistema controlador de paso puede
incluir convenientemente un controlador del tipo de "bucle
cerrado" eléctrico o electrónico que controla el movimiento axial
de las varillas de control de paso.
El sistema controlador de paso inteligente
también puede controlar la velocidad del motor de la
embarcación.
En una realización preferida, dicho controlador
de paso inteligente está adaptado para variar el paso de las palas
para mantener la velocidad rotacional de la hélice a una velocidad
constante, preferiblemente a una velocidad constante predeterminada
a la que la hélice está diseñada para operar cuando la embarcación
está avanzando a altas velocidades de avance.
Como las palas se pueden orientar de forma óptima
para producir empuje máximo en cualquier condición operativa
particular, esto compensa cualquier pérdida de empuje atribuible al
uso de palas que tienen cuerda relativamente estrecha, para lograr
la relación relativamente grande reivindicada de separación de pala
a cuerda de pala. Además, el accionamiento hacia adelante y hacia
atrás infinitamente variable logrado por medio del control de paso
descrito de las palas, en particular donde se disponen al menos dos
hélices, permite la maniobra fácil de la embarcación en puerto y la
resistencia al arrastre a alta velocidad se reduce considerablemente
por la falta de timones.
El número de palas por hélice sería normalmente
entre dos y cinco, preferiblemente tres o cuatro palas, por hélice.
En algunos casos, sin embargo, pueden ser deseables más de cinco
palas, por ejemplo, para obtener un accionamiento más suave. Las
palas pueden estar retorcidas a lo largo de sus longitudes.
Preferiblemente, la torsión no es superior a 25 grados, muy
deseablemente no superior a 20 grados. Se ha hallado que por encima
de 20 grados se produce generalmente una disminución de la
eficiencia.
Donde, debido a consideraciones prácticas de
diseño, no es posible montar la hélice inmediatamente adyacente al
espejo de popa del casco de la embarcación, se puede disponer
adicionalmente medios de faldilla para puentear cualquier intervalo
entre el espejo de popa y la hélice. Los medios de faldilla
contribuyen a dirigir el flujo de fluido hacia las palas de
hélice.
El arco de dicha porción convexa puede ser hasta
aproximadamente 180 grados. Dicha al menos única hélice se dispone
preferiblemente en su eje delante de dicha porción convexa de
extremo de manera que la hélice esté dispuesta enfrente de dicho
saliente convexo de extremo del casco.
Donde la embarcación que tiene el sistema de
propulsión de la invención es una embarcación de placer, por
ejemplo, un esquí a chorro, se disponen preferiblemente medios
protectores para encerrar la(s) hélice(s) para evitar
que entren obstáculos entre las palas, es decir, por razones de
seguridad.
Las realizaciones preferidas de la invención se
ilustrarán ahora, a modo de ejemplo solamente, y con referencia a
los dibujos anexos en los que:
La figura 1 es una vista lateral parcialmente
esquemática de una porción de una embarcación que tiene un sistema
de propulsión según una realización de la invención.
La figura 2 es una vista lateral en sección
transversal separada (tomada a lo largo de la línea
X-X' en la figura 6) de una porción de una
embarcación que tiene un sistema de propulsión según otra
realización de la invención.
La figura 3 es una vista trasera de una porción
de un mecanismo de control de paso incorporado en el aparato de la
figura 2.
La figura 4 es una vista de extremo del aparato
de la figura 2, visto desde fuera del casco de la embarcación, con
las hélices elevadas para desembarcar en la playa.
La figura 5 es una vista de extremo del aparato
de la figura 2, vista desde dentro del casco de la embarcación con
el motor de la embarcación representado en contorno sombreado (por
razones de sencillez).
La figura 6 es una vista de extremo del aparato
de la figura 2, visto desde fuera del casco de la embarcación, con
las hélices en su posición operativa (bajada).
La figura 7 es una vista lateral esquemática de
un sistema de propulsión según otra realización de la invención.
La figura 8 es una vista esquemática de extremo
de la disposición de las dos hélices del sistema de propulsión de la
figura 7.
La figura 9 ilustra un dispositivo mecánico de
control de paso para el sistema de propulsión según una realización
de la invención.
La figura 10(a) es una vista lateral en
sección transversal de una porción de una hélice del sistema de
propulsión de la figura 1 o la figura 2.
La figura 10(b) es una vista lateral en
sección transversal de una porción correspondiente de una hélice de
paso variable convencional.
La figura 11 es un gráfico que compara el empuje
y la eficiencia del nuevo sistema de propulsión (NPS) ilustrado en
la figura 1 o la figura 2, con un sistema de propulsión a chorro
convencional.
La figura 12 es una representación esquemática de
una sección de dos palas de una hélice de superficie, de paso de
pala fijo, convencional, que opera a alta potencia, representándose
las dos palas en sección transversal en un radio R del centro de la
hélice.
La figura 13 es una representación esquemática de
la misma sección de dos palas de la hélice que en la figura 12,
operando a velocidad de crucero.
La figura 14 es una representación esquemática de
una sección de dos palas de una hélice del sistema de propulsión de
la invención operando a velocidad baja (de crucero), representándose
las dos palas en sección transversal en un radio R del centro de la
hélice.
La figura 15 es una representación esquemática de
la misma sección de dos palas de la hélice que en la figura 14,
operando a alta velocidad.
La figura 16 es una representación esquemática de
la misma sección de dos palas de la hélice que en la figura 14,
operando a empuje cero.
La figura 17 muestra la sección transversal de
una de las palas de las figuras 15 y 16 en radios diferentes,
ilustrando la torsión en la pala.
La figura 18 es un gráfico que compara la
eficiencia del nuevo sistema de propulsión (NPS) representada en
función de la velocidad, con la eficiencia de un sistema de
propulsión de penetración de superficie de la técnica anterior
representada en función de la velocidad.
La figura 19 es un gráfico de la eficiencia del
nuevo sistema de propulsión (NPS) contra la eficiencia de dicho
sistema de la técnica anterior.
La figura 20 es un diagrama de bloques que
ilustra un sistema de control de transmisión incorporado en una
realización preferida de la invención.
La figura 21 es un gráfico de la posición de
aceleración del motor s, representada en función de la posición de
control de aceleración principal q, en el sistema de la figura
20.
La figura 22 es un gráfico que compara la
velocidad de diseño del motor r_{d}(s), la velocidad de
potencia máxima del motor r_{m}(s), y la potencia máxima
del motor W(s).
La figura 23 es un diagrama de bloques de un
dispositivo limitador de revoluciones del motor del sistema de la
figura 20.
La figura 24 es un diagrama de bloques de un
dispositivo limitador de calado del sistema de la figura 20.
La figura 25 es un diagrama de bloques de un
dispositivo acelerador del sistema de la figura 20.
La figura 26 es un diagrama de bloques de un
dispositivo limitador de aceleración del sistema de la figura
20.
Y la figura 27 es un diagrama de bloques de un
dispositivo de control de dirección para el sistema de la figura
20.
Para evitar dudas se entenderá que los términos
"separación de pala (S)" y "cuerda de pala (C)" en el
sentido en que se utilizan antes y después se definen de la
siguiente manera:
Se considera que la cuerda de pala (C) es la
longitud de una línea que se extiende a través de una superficie
normalmente mojada de la pala desde el borde delantero (LE) a un
borde trasero efectivo (TE1) de la pala a un radio constante desde
el eje rotacional de la hélice.
El borde trasero efectivo (TE1) de la pala se
define como el borde de la superficie normalmente mojada de la pala
al que se une un lado situado hacia adelante (C_{a}'') de la
cavidad de pala (C_{a}).
Se considera que la separación de las palas (S)
es la distancia rotacional entre dos palas adyacentes, medida desde
el centro de la cuerda de una pala al centro de la cuerda de la pala
adyacente siguiente.
(Las referencias entre corchetes utilizadas en
las definiciones anteriores se toman de las figuras
12-16, describiéndose aquí con detalle las
realizaciones ilustradas en estas figuras en una sección posterior
del texto siguiente).
En la figura 1 se representa un sistema de
propulsión para uso en una realización posible de la invención. El
sistema se representa en vista lateral parcialmente esquemática en
la figura 1 y tiene un eje 1 que se extiende hacia atrás del espejo
de popa 2 del casco 3 de la embarcación (mostrada en sección
transversal) al que se une una hélice de penetración de superficie 4
que incluye un cubo de diámetro relativamente grande 5 al que están
unidas varias palas 6 que son de longitud relativamente corta y de
cuerda relativamente estrecha (en comparación con las hélices de
penetración de superficie convencionales). La hélice 4 está montada
inmediatamente adyacente al borde trasero 7 del casco 3 de tal
manera que opere en la cavidad de espejo de popa creada
inmediatamente detrás del casco, durante el uso de la embarcación.
El calado estático del casco (es decir, la altura de nivel de agua
superficial S_{w} por encima de la base del casco 3) se designa en
la figura 1 por la referencia H_{s}. La base del cubo de hélice 5
está alineada con la base del casco 3. Si el rotor no puede
disponerse inmediatamente detrás del borde trasero del casco, se
puede encajar convenientemente una faldilla (no representada) para
salvar cualquier intervalo entre el casco 3 y las palas 6 para
dirigir el flujo hacia éstas últimas. El eje 1 funciona en una caja
de cojinete 8 montada en el espejo de popa 2. El eje 1 es movido por
un eje de accionamiento corto universal 9, una caja de engranajes
reductores 10 de un motor de combustión interna 11. Este tipo de
accionamiento se representa a modo de ejemplo solamente y son
posibles otros muchos dispositivos de accionamiento. Por ejemplo, un
accionamiento simplificado para uso con motores eléctricos,
hidráulicos o neumáticos se representa en la figura 7 (véase a
continuación).
Una realización de la invención, basada en el
sistema representado en la figura 1 pero que tiene dos hélices, se
ilustra en las figuras 2-6 que muestran un sistema
de propulsión que tiene ejes contrarrotativos gemelos 1 que se
extienden hacia atrás del espejo de popa 2 del casco 3 en cada uno
de los cuales se une una hélice de penetración de superficie 4 que
incluye un cubo de diámetro relativamente grande 5 al que se unen
pivotantemente varias palas 6 que son de longitud relativamente
corta y de cuerda relativamente estrecha. La relación
(H_{d}/P_{d}) del diámetro de cubo (H_{d}) al diámetro de
hélice (P_{d}) es al menos 0,35. La relación (S/C) de la
separación de las palas a la cuerda de pala es al menos 2,0 a lo
largo de sustancialmente la longitud completa de cada pala. La
hélice 4 está montada inmediatamente adyacente al borde trasero 7
del casco 3 de tal manera que opere en la cavidad de espejo de popa.
Como se describe anteriormente con relación a la figura 1, se puede
encajar convenientemente una faldilla (no representada) para salvar
cualquier intervalo entre el casco 3 y las palas 6 para dirigir el
flujo hacia éstas últimas. El paso de las palas 6 es variable en
ambos sentidos positivo y negativo. Aunque se puede contemplar
numerosos dispositivos mecánicos, hidráulicos o eléctricos para
controlar el paso, se representa un control de paso mecánico simple
a modo de ejemplo. En esta disposición, varillas de control 14,
colocadas por escobillas 15 dentro de los ejes de accionamiento
huecos 1, accionan chapas excéntricas 16 montadas en la varilla de
control por cojinetes de empuje bidireccional 17. Las palas 6 se
atornillan a soportes 18 contenidos pivotantemente dentro de los
cubos de hélice 5 por cojinetes radiales y de empuje sellados 19.
Seguidores de excéntrica 20 se encajan en los extremos situados
hacia dentro de los soportes 18 de tal manera que el movimiento
axial de las varillas de control 14 produzca el movimiento rotativo
de los soportes 18. Los ejes 1 se soportan en cojinetes en cajas de
engranajes 21 montadas flexiblemente en el espejo de popa 2, de las
que una aloja un par de engranajes inversores 22, 23. Los ejes de
entrada 25 son movidos por una correa de accionamiento síncrono 27.
Una polea accionadora 28 está empernada directamente al volante 29
de un motor de combustión 11 (véase la figura 5). Poleas 26 montadas
en los ejes de entrada 25 transmiten la potencia a las cajas de
engranajes 21. La caja de engranajes RH tiene un eje de reenvío 30
de tal manera que las hélices RH y LH giren en sentidos opuestos.
Las cajas de engranajes 21 están montadas en el espejo de popa 2
mediante montajes anulares flexibles 31 contenidos dentro de un
anillo anular 32 empernado al espejo de popa 2. Los elementos
flexibles 31 están dispuestos de manera que tomen el empuje
impartido por las hélices 4. Las cajas de engranajes 21 están
montadas pivotantemente en una carcasa 33 que está fijada
rígidamente a la carcasa de volante de motor 34 de tal manera que
pueda bascular hacia arriba para que la embarcación pueda
desembarcar en la playa (figura 4). Casquillos 35, 36, 37 están
dispuestos entre la carcasa 34 y las cajas de engranajes 21 para
reducir el rozamiento. Para ello se puede disponer accionadores (no
representados). El mecanismo de accionamiento se representa a modo
de ejemplo y se contemplan otros muchos dispositivos de
accionamiento únicos o múltiples.
En la realización de la invención ilustrada en
las figuras 26, el casco 3 tiene dos salientes de perfil convexo,
arqueado (teniendo cada uno un arco de aproximadamente 120º), cada
uno de los cuales corresponde en general al cubo de una hélice
respectiva de las dos hélices (véase la figura 4). Con el cubo de
cada hélice dispuesto enfrente de su respectivo saliente de casco
convexo, esta disposición aumenta el área barrida por la hélice
debajo del agua. Esto puede mejorar, en algunas situaciones, la
eficiencia de la hélice.
Una forma preferida de accionamiento para una
embarcación pequeña (por ejemplo, esquís a chorro) o para una
embarcación que tenga que desembarcar en la playa se representa en
las figuras 7 y 8. Ésta tiene un rotor 4 montado directamente en el
eje motor 12 y una carcasa de motor 13 está montada en el espejo de
popa 2 del casco 3. El eje motor 12 es preferiblemente hueco para
permitir el paso de una varilla de control de paso de pala 14. (Sin
embargo, como tales mecanismos de accionamiento son de velocidad
variable y reversible, las palas pueden ser en algunos casos de paso
fijo). En esta realización, se encaja un protector de metal o
plástico 38 alrededor de una porción baja de la circunferencia de
cada hélice, montándose una malla de entrada 39 y una malla de
salida 40 delante de y detrás del protector respectivamente, que
sirven para evitar lesiones y también funcionan como estabilizadores
de flujo. La malla puede ser de forma de panal o anular o cualquier
otra forma adecuada.
Mientras que una embarcación que tiene mecanismos
de accionamiento dobles o múltiples puede ser dirigida por medio de
timones convencionales montados detrás de las hélices, unos medios
más eficaces de dirigir son accionar de forma diferente los medios
de control de paso de tal manera que la hélice hacia el exterior del
giro deseado opera a paso mayor que la hélice en el interior del
giro. La hélice interior puede operar en paso inverso para giros
cerrados y para maniobras casi estacionarias. Mientras que para una
embarcación más grande sería ventajoso un accionamiento hidráulico o
eléctrico (como se describe más adelante) del control de paso, se
puede utilizar un dispositivo mecánico simple usando varillas de
control de paso, como se describe con referencia a la figura 9. Por
ejemplo, las dos varillas de control de paso 14 para dos hélices
respectivas (no representadas) pueden estar provistas en sus
extremos interiores con rodillos seguidores de excéntrica 101
movidos por dos chapas excéntricas 102 que tienen que deslizar en
carcasas 103 que están fijadas a la cajas de engranajes 21 o a los
motores eléctricos o hidráulicos 13 de la realización de las figuras
7-8. Las carcasas 103 están selladas preferiblemente
por una cubierta (no representada). Las chapas excéntricas 102 están
unidas por cables de control de vaivén 104 a un mecanismo combinado
de dirección y control de paso 105.
El mecanismo de control de paso tiene una palanca
106 pivotada alrededor de un eje 107 y a la que se fija una palanca
108. Una varilla de control 109 conecta pivotantemente la palanca
108 a un soporte 110 al que están fijados los forros exteriores de
los cables de control 104. El soporte 110 tiene que deslizar en una
carcasa 111. La palanca 106 se representa en la posición neutra. La
rotación de la palanca 110 en la dirección de la flecha F en la
figura 9 desplazará el soporte 110 produciendo una extensión igual
de los dos cables 104 que hace que las chapas excéntricas 102 se
muevan en la dirección de las flechas F_{c} y el movimiento de las
dos varillas de control de paso 14 en la dirección de las flechas
F_{p}. El movimiento de la palanca 106 en la dirección de la
flecha R producirá el efecto inverso. Un patín de rozamiento 17
unido pivotantemente a la palanca 106 se bloquea contra un segmento
116 fijado a la carcasa 111 para evitar que las fuerzas de reacción
del mecanismo de dirección alteren el control de paso establecido.
Una posición de retención neutra 118 está incorporada en el segmento
116.
Un volante 112 (representado en contorno
sombreado) se encaja en un eje 113 que puede girar libremente en
cojinetes retenidos dentro de la carcasa 111. Un piñón 114 en el eje
de dirección 113 mueve un engranaje 115 al que están fijadas rótulas
104a, 104b montadas en los extremos de los cables interior 104. El
movimiento hacia la derecha del volante produce la rotación hacia la
izquierda del engranaje 114 dando lugar a la retracción de la
articulación de rótula 104b y la extensión de la articulación de
rótula 104a que, a su vez, da lugar al movimiento de la varilla de
control de paso 14 en la dirección de la flecha F_{p} en el lado
de estribor y en la dirección inversa en el lado de babor.
Debido a las adiciones de la extensión de cable
debido al control de paso y los valores de dirección, puede ser
necesario limitar la carrera de las varillas de control de paso 14
perfilando las chapas excéntricas 102 como se representa. La carcasa
111 puede estar provista convenientemente de una cubierta (no
representada).
Se notará que el sistema de propulsión antes
descrito tiene un paso simple del (de los) eje(s) de
accionamiento mediante el espejo de popa -la junta estanca del eje
está sometida así solamente a pequeña carga de presión, y puede, en
muchos casos, disponerse encima de la línea de agua estática de la
embarcación. Además, solamente se requiere un mínimo de engranajes-
el eje de hélice funciona en cojinetes de bajo rozamiento, no
precisándose externo ningún cojinete lubricado por agua exterior.
Además, la hélice encajada inmediatamente adyacente al borde trasero
del casco significa que opera en el campo de estela uniforme del
casco donde el nivel del agua es relativamente bajo incluso a bajas
velocidades de la embarcación.
Otra ventaja del nuevo propulsor es que, debido
al gran diámetro del cubo, la separación, A, de los cojinetes 19a,
19b que soportan los soportes de pala 18 puede ser amplia, como se
representa en la figura 10(a). Estos cojinetes tienen que
tomar las fuerzas de empuje muy altas y los momentos debidos a la
carga de elevación L generada por las palas de hélice 16, así como
la fuerza de control en la varilla de control 14. La disposición
permite el uso de rodillo de aguja, u otros cojinetes de rodamiento.
El cojinete de empuje 19c toma la menor carga centrífuga Pc. Además,
las secciones cavitantes eficientes tienen un centro de elevación
que por lo general está algo detrás de la posición de media cuerda.
Las palas se pueden disponer de tal manera que el centro de
elevación esté en el eje de pivote de las palas. Las fuerzas de
control resultantes son bajas de tal manera que se minimice la
potencia del sistema de control.
En contraposición, la disposición de los
cojinetes de una hélice de paso variable convencional se representa
en la figura 10(b) en la que el soporte de pala 18 se soporta
por un cojinete de resbalamiento y empuje combinado 19. Para este
caso, el cojinete de resbalamiento soporta la carga de elevación L y
la fuerza de control en la varilla de control 14, mientras que el
cojinete de empuje toma el momento generado por la fuerza de
elevación L así como la fuerza centrífuga Pc. Será evidente que la
menor separación A dará lugar a fuerzas más altas que resultan del
alto momento generado por la pala y que esto, junto con las fuerzas
de rozamiento sustancialmente más altas, dará lugar a fuerzas de
control que son al menos un orden de magnitud más alto que el caso
para el nuevo propulsor. Este se agrava, además, por el hecho de que
el centro de presión está a aproximadamente el 25% del punto de
cuerda, de tal manera que el centro de elevación no se pueda
disponer normalmente en el eje de pivote. Las altas fuerzas y la
"vibración" inherente engendrada por los soportes deslizantes
dan lugar a alta potencia del sistema de control con efectos de
histéresis sustanciales.
Dado que el paso se puede controlar de forma
óptima, la elección de las palas resulta menos crítica que para una
hélice de paso fijo y la variación del rendimiento entre condiciones
de carga y sin carga, etc, es considerablemente menos marcada. Éste
es un factor importante puesto que la elección de la hélice es una
técnica imprecisa y la mayor parte de los barcos y buques en
servicio están dotados de hélices que están lejos de estar
optimizadas. Las hélices se tienen que seleccionar a menudo a base
de tanteos. Además, dado que el paso se puede controlar de forma
óptima con la presente invención, solamente se requiere un rango
restringido de palas de sustitución para cubrir una amplia gama de
aplicaciones, reduciendo los costos de mantenimiento de stocks en
comparación con las hélices convencionales.
La hélice también es relativamente grande en
comparación con las hélices conocidas de la técnica anterior para
tamaños/tipos dados de embarcaciones. Por ejemplo, para un carguero
rápido (40 nudos), de 30.000 toneladas, el diámetro de la hélice (en
la punta de las palas) podría ser de aproximadamente 10,8 m, siendo
el diámetro de cubo aproximadamente 4,3 m (y siendo el calado
estático del casco aproximadamente 4 m). Una hélice sumergida
convencional para este tipo de barco tendría comúnmente un diámetro
de hélice de 8 m con un diámetro de cubo de 1 m. Igualmente, para un
pesquero de tiempo libre de 35 nudos la hélice de la invención
podría tener un diámetro de hélice de aproximadamente 530 mm y un
diámetro de cubo de 195 mm (con calado estático del casco de 200
mm), mientras que una hélice sumergida convencional para el mismo
barco tendría en general un diámetro de hélice de 330 mm, y un
diámetro de cubo de 90 mm. Para un hidroavión ligero pequeño la
hélice de la presente invención podría tener un diámetro de hélice
de 385 mm aproximadamente y un diámetro de cubo de 192,5 mm (calado
estático del casco 25 mm), mientras que una hélice de superficie
convencional para tal embarcación tendría un diámetro de hélice de
aproximadamente 200 mm y un diámetro de cubo de 50 mm.
Para el carguero rápido antes mencionado la
torsión de las palas de una hélice según la presente invención sería
aproximadamente 18,7º, aumentando la relación (S/C) de 2,18 en la
raíz de las palas a 5,17 en la punta de las palas, aumentando la
cuerda (C) 75% de la longitud de las palas y disminuyendo en la
punta.
Para el pesquero de 35 nudos la torsión de las
palas (de una hélice según la invención) sería tal vez hasta 25º,
aumentando la relación S/C de 3,18 en la raíz, pasando por 4,45 a
60% del diámetro de hélice, hasta 8,75 en la punta de las palas,
aumentando de nuevo la cuerda (C) a 75% de la longitud de las palas
y disminuyendo en la punta. Para el hidroavión ligero la torsión de
las palas sería tal aproximadamente 12,8º, aumentando la relación
S/C de 3,6 en la raíz, pasando por 5,44 a 75% del diámetro de
hélice, hasta 6,99 en la punta de las palas.
El hecho de ser la hélice de gran diámetro y
estar situada cerca del borde trasero del casco significa que una
proporción de la superficie barrida por las palas permanece por
encima del nivel del agua incluso cuando la embarcación está
estacionaria o se mueve hacia atrás, de manera que el flujo
cavitacional ventilado alrededor de las palas se puede mantener bajo
tales condiciones - las hélices pueden seguir girando así a su
velocidad máxima incluso para maniobras de poco radio y en posición
estacionaria. Este flujo cavitacional mantenido también elimina el
requisito para un accionamiento con embrague. Las palas se pueden
mantener en una posición neutra de tal manera que cada pala se mueva
en la cavidad creada por la pala previa permitiendo mantener un
neutro positivo. También se puede facilitar sistemas
electrónicos/hidráulicos o electrónicos/eléctricos conectados a
receptores GPS para que la embarcación se pueda mantener en una
posición geoestática.
El hecho de que el diámetro es grande también
aumenta el área barrida con relación a una hélice estándar,
reduciendo al mismo tiempo el calado. Esta característica reduce
marcadamente el resbalamiento (y, por lo tanto, aumenta la
eficiencia). Esto es especialmente marcado en el caso preferido en
el que se montan dos hélices. (Con el espejo de popa montado allí,
hay poca limitación física del diámetro de hélice).
El hecho de que la embarcación pueda acelerar
desde reposo a la velocidad máxima del motor junto con el gran
diámetro de la hélice así como el hecho de que las palas se pueden
orientar de forma óptima para cualquier condición particular
significa que las palas pueden ser de cuerda baja y también que el
coeficiente de elevación se puede mantener a un nivel moderado. Esto
supera uno de los inconvenientes principales de las hélices de
penetración de superficie convencionales en las que la separación de
cada pala con relación a la cavidad detrás de la pala precedente
puede ser relativamente grande. Además, el empuje a velocidad baja
es excepcionalmente alto en comparación con otros sistemas de
propulsión y a velocidades moderadas (véase a continuación), que se
pueden adaptar de manera que correspondan a la velocidad en el
plano, el empuje es considerablemente más alto que para otros
sistemas de propulsión. Esto se ilustra en la figura 11 que es un
gráfico que compara el empuje y la eficiencia previstos del nuevo
sistema de propulsión (NPS) descrito anteriormente, y un sistema de
propulsión a chorro convencional típico.
El accionamiento hacia adelante y hacia atrás
infinitamente variable obtenido por el mecanismo de control de paso
permite maniobras muy fáciles en puerto y la resistencia al arrastre
a alta velocidad se reduce sustancialmente por la falta de timones.
La longitud instalada de la propulsión, el motor y el accionamiento
puede ser considerablemente más corta que para otros sistemas de
propulsión, y el peso puede ser más bajo. La distribución de peso es
ideal para embarcaciones rápidas. Los costos de fabricación son
comparables a los de los dispositivos de hélice y eje convencionales
y sustancialmente menores que para propulsores Z o hidrojets.
Como una ayuda para la comprensión de algunos de
los beneficios de dicho sistema de propulsión, a continuación se
describen algunos de los problemas de los sistemas de accionamiento
superficial convencionales y las características beneficiosas de la
presente invención, con referencia a las figuras
12-17.
Las figuras 12 y 13 muestran una hélice de
penetración de superficie de tipo convencional conocido, en el que
una sección a un diámetro particular se representa aplanada. Las
palas son de paso fijo, inclinadas al eje longitudinal de la hélice
un ángulo \beta, y tienen una cuerda de pala C y una separación de
pala de S, donde la relación S/C es del orden de la unidad. En cada
caso se representan dos palas completamente sumergidas y se omiten
las palas parcialmente sumergidas o no sumergidas. La cavidad de
pala C_{a} creada por cada pala tiene un lado trasero definido por
un límite de vapor/líquido C_{a}' formado donde el agua se separa
del borde delantero LE de la pala, y un lado situado hacia adelante
definido por otro límite de vapor/líquido C_{a}'' formado donde el
agua se separa de un borde trasero efectivo TE1 de la pala. La
superficie que se extiende desde el borde delantero LE al borde
trasero efectivo TE1 de cada pala sumergida está completamente
mojada mientras que la cara trasera que se extiende desde el borde
delantero LE al borde trasero (real) TE2 de cada pala solamente está
en contacto con la mezcla de vapor/aire en la cavidad de pala
C_{a}. Una distribución de coeficiente a presión P a lo largo de
la superficie mojada LE-TE1 tiene un pico
pronunciado P1 en un punto de estancamiento cerca del borde
delantero y otro pico más amplio P2 cerca del borde trasero. La
distribución de coeficiente a presión representada en las figuras 12
y 13 es para una forma de pala eficiente en la que el centro de
presión está hacia el borde trasero efectivo TE1 de la pala. Formas
de pala menos eficientes muestran un pico secundario menos
pronunciado P2, o pueden no tener ningún pico secundario. Va es la
velocidad axial a través el área barrida por las palas y es la suma
de la velocidad de la embarcación y el resbalamiento (o la velocidad
axial adicional creada por la hélice). U es la diferencia de
velocidad tangencial entre la velocidad tangencial de la pala debido
a su rotación, y la velocidad de remolino del agua entrante. La
velocidad relativa resultante es V. La elevación L, y la resistencia
al arrastre D generada por una sección incremental de intervalo
\deltaH se dan por las ecuaciones:
L = \rho w . (V^{2}/ 2).
CL'. C . \delta H \ y \ D =
L/(CL/CD)
donde \rhow es la densidad del agua, CL es el
coeficiente de elevación tridimensional local y CL/CD es la relación
del coeficiente de elevación local al coeficiente de resistencia al
arrastre, y C es la cuerda de
pala.
El empuje T generado por esta sección incremental
y la potencia W absorbida se dan por las ecuaciones:
T = L . sen (\beta) - D .
cos (\beta) \ y \ W = U . [L . sen (\beta) + D .
cos(\beta)]
La figura 12 muestra la hélice que opera a alta
potencia y a una velocidad del bote relativamente baja pero después
de establecerse la plena ventilación de las palas. En este caso Va
es bajo y si la hélice no ha de operar a un ángulo de ataque
excepcionalmente alto (lo que da lugar a alta absorción de
potencia), U también debe ser bajo, y la velocidad relativa
resultante V también es así baja. Para alta potencia a un valor bajo
de U, la elevación L debe ser alta y como también V es bajo, CL debe
ser alto. El efecto combinado es que el número de cavitación
(\sigma) será alta y la cavidad C_{a} muy gruesa. En estas
condiciones la relación de elevación a resistencia al arrastre cae
de tal manera que la pala genere considerable resistencia al
arrastre.
Es evidente por la figura 12 que la elevación
(representada por la curva de coeficiente de presión P) generada por
la pala 61 disminuirá por el hecho de que está actuando muy cerca de
la pared de cavidad C_{a}' que conducirá a la deformación de la
pared. El resultado es disminuir la elevación L mientras que, para
potencia de entrada constante, la resistencia al arrastre D se
aumentará más dando lugar a una reducción considerable del empuje.
El grado en el que se reduce la elevación y en el que se deforma la
pared de cavidad, depende de la relación de la corriente de fluido
local T al grosor de cavidad T'. En condiciones donde las palas
están relativamente poco espaciadas y donde la cavidad es
relativamente gruesa (como en los sistemas convencionales) la
reducción de empuje debida a las condiciones antes mencionadas puede
ser muy alta.
El efecto del valor bajo de U en el par motor y
en el empuje producido depende en grado considerable de la distancia
entre la parte trasera del casco y la hélice. En caso de que una
hélice de paso fijo como en la figura 12 esté dispuesta
inmediatamente detrás del borde trasero 7 del casco 3, el casco hace
de una guía de flujo y la entrada a la hélice sigue los contornos
longitudinales del casco. En estas condiciones la velocidad de
remolino del agua entrante es cero y el valor de U se controla
únicamente por la velocidad rotacional de la hélice. La mayoría de
los motores suministran poca potencia a bajas velocidades y en estas
circunstancias el ángulo de ataque se incrementará hasta que se
absorba la potencia suministrada por el motor. El motor trabajará
mientras la hélice suministre poco empuje y la embarcación será
incapaz de ganar velocidad.
Por esta razón, la mayor parte de los mecanismos
de accionamiento de superficie están dispuestos con la hélice detrás
del borde trasero 7 del casco 3, por ejemplo con la hélice dispuesta
al menos 5%-10%, por ejemplo, de la longitud de la embarcación
detrás del espejo de popa, y/o a una distancia de entre 35% y 180%
del diámetro de la hélice detrás del espejo de popa. En tal
disposición, el agua puede arremolinarse para permitir que la hélice
se mueva más rápidamente para un valor dado de U. Esto permite a su
vez que el motor suministre más potencia, aunque incluso en este
caso la aceleración es pobre y se generan considerables pérdidas por
agitación.
La figura 13 muestra la misma sección de la
hélice a velocidades de crucero. En este caso el ángulo de ataque y
el coeficiente de elevación se reducen considerablemente y U, Va, y
V son considerablemente más altos de manera que el número de
cavitación (\sigma) se reduzca mucho, y la cavidad C_{a} es
mucho más fina. El grosor T de la corriente de fluido con relación
al grosor de cavidad T' en cualquier punto se reduce mucho de tal
manera que la reducción de elevación, la deformación de la pared de
cavidad C_{a} y el incremento resultante de resistencia al
arrastre también se reducen considerablemente.
Debido al reducido número de cavitación
(\sigma) y el ángulo de ataque así como la distorsión del límite
de cavidad C_{a}' debido a la elevación generada por la pala
siguiente, el grosor de cavidad en el borde trasero TE2 y a
velocidades alrededor de la velocidad de diseño, el bajo número de
cavitación y el bajo ángulo de ataque dan lugar a una cavidad fina
con poco espacio libre entre el límite trasero de la cavidad y el
borde trasero de la pala. A una velocidad algo superior a la
velocidad de diseño, la distribución de presión de la pala siguiente
distorsionará dicho límite de cavidad de tal manera que se vuelva a
unir a la cara trasera de la pala (LE-TE2) dando
lugar a un aumento drástico de la resistencia al avance. Esto
explica la rápida caída de la eficiencia por encima de la velocidad
de diseño para hélices de paso fijo.
El caso de velocidad lenta para una hélice mejor
según la presente invención se representa en la figura 14. En el
caso ilustrado la cuerda de pala C es pequeña y la separación S
bastante grande de tal manera que la relación S/C pueda ser 2,3 o
mayor, dependiendo de las características de rendimiento requeridas.
Las palas están inclinadas a un ángulo (\beta) que es
considerablemente más alto que para la pala de paso fijo y puede
llegar a 78º a 80º a velocidades muy bajas. Esto permite mantener
una velocidad tangencial constante alta U de tal manera que la
velocidad relativa V también sea alta y en consecuencia la elevación
L también puede ser alta sin que la pala funcione a un ángulo de
ataque excesivo con las altas pérdidas resultantes. Esto da lugar a
un número de cavitación relativamente bajo (\sigma) y el grosor de
cavidad permanece pequeño. El hecho de que la pala siguiente 6_{2}
esté ahora a cierta distancia detrás de la pala precedente 6_{1}
permite curvar la cavidad bajo la influencia del campo de presión P
generado por la pala siguiente 6_{2} y la relación resultante del
grosor de la corriente de fluido T al grosor de cavidad T' en
cualquier punto se mejora sustancialmente en comparación con el caso
mostrado en la figura 17. La distorsión de la curva de coeficiente
de presión P y las pérdidas resultantes se reducen muy
considerablemente. Una hélice de esta configuración se puede colocar
ventajosamente inmediatamente detrás del borde trasero 7 de un casco
3 (obteniendo un mejor rendimiento por las razones antes descritas)
puesto que no se requiere velocidad de remolino para alinear el
flujo a la hélice.
Para tal caso, la elevación L es alta, la
resistencia al arrastre D es baja y el ángulo \beta se aproxima a
90º. Por las ecuaciones anteriores para la potencia absorbida y el
empuje será evidente que esta disposición maximiza el empuje para
una potencia dada, y como el motor se puede disponer para operar a
velocidad óptima, la plena potencia del motor se puede absorber sin
agitación u otras pérdidas importantes.
El caso de alta velocidad para tal hélice se
representa en la figura 15, por la que es evidente que la
distribución de coeficiente a presión P será efectuada poco por la
cavidad detrás de la pala precedente debido a la alta relación T/T'.
La pala puede operar a un valor constante alto de U y el ángulo de
pala \beta se puede optimizar apara dar empuje óptimo bajo
cualquier condición de diseño deseada. Con el campo de presión de la
pala siguiente operando detrás del borde trasero de la pala
precedente, acoplado al hecho de que el ángulo de pala se puede
ajustar para adecuarlo a las condiciones de flujo, la reunión de la
cavidad superior C_{a} a la superficie trasera
(LE-TE2 de la pala se puede retardar permitiendo un
rango operativo más amplio.
La figura 16 muestra el principio usado para
obtener empuje cero en el que cada pala opera dentro de la cavidad
detrás de la pala precedente. Aunque un neutro de 100% requiere un
control activo acoplado a un sistema GPS o a un sensor de empuje, el
empuje neto para pequeñas deflexiones a cualquier lado de la
posición de empuje equilibrado es muy pequeño debido a la proximidad
de la cavidad gruesa. Debido a la torsión de la pala representada en
la figura 17, los extremos interior y exterior de la pala generarán
pequeñas cantidades de empuje positivo y negativo equilibrado.
La figura 18 muestra las curvas de eficiencia
prevista del propulsor según la presente invención, y una hélice
inclinada (geometría fija) de tipo conocido descrita en US
3.938.463. Ambos sistemas se optimizan para velocidad máxima a 80
nudos. La figura 18 muestra la relación de las dos eficiencias que
muestra claramente que mientras que la eficiencia máxima del nuevo
propulsor es 8% más alta que la de la hélice inclinada a la
velocidad de diseño, a otras velocidades la diferencia es mucho más
marcada. De especial importancia para una embarcación de planeo es
la eficiencia a la velocidad de planeo y aquí es evidente que la
hélice de US 3.938.463 tiene solamente 50% de la eficiencia del
nuevo propulsor.
Las mejoras muy sustanciales en eficiencia para
una embarcación de alta velocidad que ofrece los sistemas de
propulsión según las realizaciones antes descritas de la invención
permiten el montaje de motores sustancialmente más pequeños (y más
ligeros) para rendimiento idéntico. Los ahorros sustanciales de
consumo de combustible reducen más el peso de la embarcación así
como los costos de instalación y operativos. El montaje simple
minimiza el mantenimiento y aumenta la fiabilidad. En la mayoría de
los casos las palas se pueden cambiar individualmente y la hélice
puede girar de tal manera que esta operación pueda realizarse por
encima del nivel del agua. Esto es especialmente importante para
grandes embarcaciones comerciales para las que una hélice se
mantiene normalmente en dique seco y para la que el tiempo de
fabricación para una nueva hélice requiere frecuentemente mantener a
bordo una hélice de reserva.
Además, al estar bajo la "sombra" del casco,
se puede reducir marginalmente el diámetro del cubo de hélice en
comparación con su diámetro teórico de tal manera que todo cambio de
forma del cubo debido a la rotación de las palas sea de significado
reducido.
Se apreciará que la facilidad de variar el paso
de las palas para lograr máximo empuje cuando sea necesario, o
máxima eficiencia operativa, etc, es un aspecto importante de la
realización preferida de la invención. Sigue ahora una descripción
detallada de un sistema controlador de transmisión inteligente
adecuado para ser utilizado en el sistema de propulsión según la
invención, para lograr control inteligente del paso de las palas. Se
hará referencia a las figuras acompañantes 20-27 en
conexión con la descripción siguiente.
La figura 20 ilustra esquemáticamente un sistema
de control para una embarcación de dos motores diesel gemelos en la
que cada motor mueve un solo propulsor de rotor, mostrando la figura
20 solamente el sistema de control para un solo motor y un solo
propulsor (para mayor claridad). La rotación de los dos propulsores
es en sentido contrario. El paso de las palas de cada propulsor se
varía por un accionador eléctrico provisto de un dispositivo de
realimentación. Las aceleraciones del motor también son controladas
por accionadores con realimentación de posición. Cada motor de
velocidad variable es controlado independientemente.
| q | posición de control de aceleración principal |
| u | posición de control de aceleración secundaria |
| s | posición de de aceleración del motor |
| p | ángulos de paso |
| r(s) | velocidades medidas del motor |
| r_{d}(s) | velocidades controladas del motor |
| r_{m}(s) | velocidad del motor para potencia máxima a s |
| r' | aceleración del motor (dr/dt) |
| W(s) | salidas de potencia máxima a r(s) |
| W_{max}, r(W_{max}) | potencia máxima, velocidad del motor a potencia máxima |
| dir = \pm | movimiento hacia adelante o hacia atrás |
| \pm\Phi | ángulo del volante de dirección desde avance recto |
| V | velocidad de la embarcación |
Las variables anteriores se utilizan en las
figuras 19-26.
El controlador de transmisión opera en tres modos
de control básicos.
En este caso la velocidad de la embarcación y del
motor, la aceleración, el movimiento hacia adelante/atrás, y la
carga del motor, son controlados usando los controles de aceleración
del motor.
En este modo la velocidad del motor se establece
a algún valor deseado usando un control de aceleración separado. La
velocidad de la embarcación, la aceleración y la dirección, así como
la sobrecarga potencial de los motores son controladas variando el
paso de los propulsores. Ejemplos típicos para este modo de control
podrían ser:
- 2.1.
- Para maniobras en puerto la velocidad del motor se puede establecer a algún valor al que se disponga de potencia suficiente para todas las maniobras anticipadas.
- 2.2.
- En condiciones de crucero, la velocidad del motor se puede establecer a algún valor óptimo para consumo de combustible, o para cumplir criterios particulares de ruido o vibración.
- 2.3.
- Para un barco de potencia, la velocidad del motor a potencia máxima se puede seleccionar para proporcionar aceleración máxima en todo momento.
En el modo 2, si el paso se establece a un valor
que produce sobrecarga de los motores, el paso se reduce para evitar
que suceda esto. En el modo de control mezclado, la velocidad del
motor se incrementaría en este caso.
El sistema de control tiene un controlador de
palanca única que en el modo 1 establece los parámetros de
aceleración de los dos motores (y por consiguiente las velocidades
de motor y los parámetros de paso de propulsor) y la dirección
(hacia adelante o hacia atrás).
En los modos dos y tres, un control de
aceleración de motor separado establece la posición del acelerador,
mientras que el control de palanca única controla el paso y la
dirección (hacia adelante o hacia atrás). En el modo tres, si la
palanca de control se pone de tal manera que se requiere velocidades
del motor más altas que la establecida por la aceleración del motor,
el control de palanca única también controla la velocidad del
motor.
La aceleración, q, controla la entrada del
acelerador (mariposa del carburador, cremallera de bomba diesel, o
entrada electrónica) al motor, s, según la expresión
s =
f(q)
Donde f es alguna función deseable. Una posible
función, ilustrada en la figura 21, sería:
s = max (s_{min}, \
|q|)
A s, el motor es controlado de forma óptima para
operar a una velocidad de diseño r_{d}, y da una potencia máxima
W_{max} a una velocidad del motor de r_{m}. Dependiendo del
rango de las condiciones operativas, puede ser necesaria más de una
curva de "r_{d} contra s" para maximizar el uso de la
potencia disponible a la vez que se mantiene suficiente reserva
dinámica, o para maximizar la eficiencia en diferentes estados de
carga/mar.
El motor suministra su potencia máxima, W a una
velocidad del motor de r_{m}. Un gráfico que compara
r_{m}(s), W(s) y r_{d}(s) se representa en
la figura 22.
Para controlar la velocidad del motor a su valor
controlado r_{d}, la diferencia entre la velocidad medida, r, y la
velocidad controlada es realimentada al controlador de paso (como se
ilustra en la figura 20). Si el motor gira demasiado rápido, se
incrementa el paso, cargando el motor y haciendo que se ralentice.
Si la velocidad del motor es demasiado baja, el paso se reduce,
reduciendo la carga del motor y pudiendo aumentar la velocidad del
motor.
En caso de que sea posible el control
independiente del motor y las velocidades del barco, la velocidad
del motor se establece en función de una aceleración secundaria, u:
r_{d} = r_{d}(f(u)). La aceleración principal
reduce o aumenta después la posición de aceleración del motor que
permite una reducción o aumento del paso del propulsor a la vez que
se mantiene constante la velocidad del motor, r_{d}.
Para variar la potencia a velocidad constante del
motor, se necesitan datos para los parámetros de aceleración contra
potencia a velocidad constante. Esto toma la forma de una serie de
curvas, que se puede derivar fácilmente de los datos del fabricante
de motores. También hay que tener estimaciones para el cambio de
potencia consumida en relación a los cambios del paso del propulsor.
Estas características se mantienen en el Estimador de Paso y
Aceleración (véase la figura 20). Puesto que los errores son
corregidos por la realimentación de velocidad-paso
del motor, no se requiere gran exactitud y es suficiente un conjunto
de valores en condiciones de diseño nominales (r_{d}, s).
La velocidad máxima del motor se limita
reduciendo rápidamente el parámetro de aceleración si se supera una
velocidad especificada r_{max}. Esto se ilustra esquemáticamente
en la figura 23. La velocidad de reducción de aceleración, k, se
establece de manera que sea alta. Si la velocidad controlada del
motor r_{d} cae por debajo de la velocidad a potencia máxima
r_{m} en cualquier posición de aceleración s, el motor tenderá a
calarse. Por lo tanto, el dispositivo limitador de calado ilustrado
en la figura 24 se utiliza para limitar el paso de pala a un valor
máximo determinado por r_{m} y r, para evitar el calado.
La aceleración, s_{i}, también tiene que
mantenerse dentro de su banda operativa, que se verifica a la salida
del limitador de aceleración. La limitación solamente puede
producirse al girar, de modo que la aceleración residual
\Deltas_{ij} (la diferencia entre la aceleración calculada y
limitada) es realimentada al otro motor para mantener la capacidad
de giro (a costa de la velocidad hacia adelante). (El sufijo i se
refiere al sistema de motor ilustrado en la figura 20, mientras que
el sufijo j se refiere al otro de los dos sistemas de motor). El
dispositivo acelerador y el dispositivo limitador de aceleración se
ilustran esquemáticamente en las figuras 25 y 26,
respectivamente.
El control de la velocidad del motor usando el
paso se realizará de manera que tenga una buena respuesta de paso a
cambios de aceleración. La respuesta de aceleración, derivada de las
características del motor y propulsor, proporcionará la aceleración
de embarcación al mismo tiempo que permite que el motor cambie de
velocidad.
La aceleración lineal máxima se puede limitar
incluyendo una medición o estimación de la aceleración en el sistema
de control.
Para dirigir la embarcación, la potencia aplicada
al propulsor interior se debe disminuir con relación a la potencia
aplicada al propulsor exterior. Esto se lleva a cabo variando la
velocidad de control del motor exterior con relación al motor
interior, o incrementando el paso del propulsor exterior
disminuyendo al mismo tiempo el paso del propulsor interior, o por
una combinación de variaciones de la velocidad del motor y del
paso.
En este caso, si los sufijos 1 y 2 se refieren a
los propulsores interior y exterior, respectivamente, es suficiente
añadir valores de aceleración incrementales \Deltas1, \Deltas2 a
los valores de aceleración de entrada s, y añadir \Deltap1,
\Deltap2 al valor de paso de entrada p de manera que la potencia
cambiada del motor sea absorbida por la potencia consumida por cada
propulsor, y la velocidad del motor permanece constante.
s_{1} = |s - \Delta s_{1}|,
\ s_{2} = |s + \Delta
s_{2}|
p_{1} = |p - \Delta P_{1}|,
\ p_{2} = |P + \Delta
P_{2}|
donde
\Delta s = F_{s} (\Phi, r),
\ \Delta p = F_{p} (s, \Delta
s)
y donde F_{s}, F_{p} son funciones de las
características del motor y
propulsor.
En la mayoría de los casos a velocidades más
bajas \Deltas_{1} \approx \Deltas_{2}, mientras que a
velocidades más altas \Deltas_{1} > \Deltas_{2} debido a
las no-linealidades de la curva de potencia del
motor. A velocidades bajas, el término (s - \Deltas_{1}) podría
resultar negativo, lo que es un estado irreal. En esta condición, el
signo de dir cambiará dando lugar a un cambio de ángulo de paso que
da lugar a empuje negativo. El valor de s_{1} = |s -
\Deltas_{1}| permanece positivo.
La velocidad de guiñada se puede limitar por la
inclusión de una medición o estimación de la aceleración en el bucle
de control.
Además de los modos básicos descritos
anteriormente, se utilizan los modos siguientes:
El sistema de control incluye aceleración de
guiñada y lineal máxima para confort de los pasajeros. Estos límites
tienen que ser anulados en el caso de maniobras de emergencia.
Se selecciona la velocidad requerida de la
embarcación. El error entre la velocidad medida de la embarcación y
la velocidad seleccionada es realimentado al controlador de motor
para mantener la velocidad requerida de la embarcación.
Se controlan la velocidad de la embarcación y el
rumbo.
En el caso de fallo total de un controlador de
motor o propulsor, se puede prever controles mecánicos para
controlar directamente las posiciones de aceleración del motor o los
pasos de propulsor. En el caso del fallo de un motor o propulsor,
hay que utilizar un timón de emergencia para mantener el rumbo. En
este caso el solo motor y propulsor restante proporciona solamente
control de velocidad y hacia adelante/atrás.
Como se ha observado anteriormente, la figura 20
muestra solamente el sistema de control para un solo motor y un solo
propulsor. La señal de aceleración residual \Deltas_{12} del
limitador de aceleración es realimentada al sumador de señal
\Deltas_{2} del controlador de motor opuesto, y la señal
\Deltas_{21} es la señal devuelta del limitador de aceleración
opuesto al sumador de señal \Deltas_{1} mostrado.
Se apreciará que son posibles varias
modificaciones de las realizaciones antes descritas sin apartarse
del alcance de la invención. Por ejemplo, en algunos casos la
relación S/C de la separación de las palas a cuerda de pala puede
ser inferior a 2,0 a lo largo de una porción pequeña de la longitud
de cada pala. En algunos casos hasta 10% de la longitud de las palas
puede tener una relación S/C de menos de 2,0. Por ejemplo, en una
realización posible la relación (S/C) es inferior a 2,0,
preferiblemente del orden de 1,7-2,0, en una porción
de raíz de las palas. Éste será en particular el caso para hélices
destinadas a uso con embarcaciones semiplaneadoras relativamente
pesadas. Para tales embarcación se apreciará que, para obtener una
velocidad de crucero deseada para la embarcación, otros factores
limitantes tal como, por ejemplo, el tamaño del espejo de popa del
casco y el área de flujo deseada a través de la hélice, puede
significar que la relación S/C elegida tendrá que ser, en general,
inferior a la relación S/C que se usaría para una hélice para una
embarcación planeadora de alta velocidad.
Para una embarcación planeadora de alta
velocidad, la relación S/C siempre será en general al menos 2,0 a lo
largo de 95% o más de la longitud de las palas.
Claims (27)
1. Una embarcación que tiene un sistema de
propulsión, incluyendo el sistema: al menos un eje (1) que se
extiende hacia atrás desde un espejo de popa (2) de un casco de la
embarcación; una hélice de penetración de superficie (4) montada en
dicho al menos único eje, próxima a un borde trasero (7) del casco,
de manera que dicha hélice opere en una cavidad de espejo de popa
creada detrás del espejo de popa del casco de la embarcación; y
medios de accionamiento (9, 10, 11) para mover dicho al menos único
eje; donde dicha hélice incluye un cubo (5) y una pluralidad de
palas (6) angularmente separadas, sustancialmente equidistantes, a
su alrededor, siendo la relación (S/C) de la separación (S) de las
palas a la cuerda de pala (C) al menos 2,0 a lo largo de
sustancialmente toda la longitud de las palas; caracterizada
porque la vista de extremo del perfil del casco de la embarcación
incluye al menos un saliente de perfil generalmente arqueado,
convexo, que corresponde en general al perfil del cubo (5) de la o
cada dicha hélice (4).
2. Una embarcación según la reivindicación 1,
donde la relación (S/C) de la separación de palas (S) de palas
adyacentes a la cuerda de pala (C) es del orden de dos a cinco a lo
largo de sustancialmente toda la longitud de las palas.
3. Una embarcación según la reivindicación 1,
donde la relación (S/C) de la separación de palas (S) de palas
adyacentes a la cuerda de pala (C) es del orden de 2,3 a 4,0 a lo
largo de sustancialmente toda la longitud de las palas.
4. Una embarcación según la reivindicación 1 o la
reivindicación 2, donde la relación de (S/C) de la separación de las
palas (S) a la cuerda de pala (C) es al menos 2,0 a lo largo de al
menos 90% de la longitud de las palas.
5. Una embarcación según la reivindicación 4,
donde la relación (S/C) de la separación de las palas (S) a la
cuerda de pala (C) es al menos 2,0 a lo largo de al menos 95% de la
longitud de las palas.
6. Una embarcación según cualquier reivindicación
anterior, donde la relación (H_{d}/P_{d}) del diámetro de cubo
(H_{d}) al diámetro de hélice (P_{d}) es al menos 0,35.
7. Una embarcación según la reivindicación 6,
donde la relación (H_{d}/P_{d}) del diámetro de cubo (H_{d})
al diámetro de hélice (P_{d}) es al menos 0,4.
8. Una embarcación según cualquier reivindicación
anterior, donde la hélice (4) está montada en dicho al menos único
eje (1) de tal forma que el plano de la hélice sea sustancialmente
perpendicular a dicho eje.
9. Una embarcación según cualquier reivindicación
anterior, donde el eje está montado en la embarcación de tal manera
que el plano de la hélice (4) sea sustancialmente normal a la línea
de empuje.
10. Una embarcación según cualquier
reivindicación anterior, donde la relación (P_{d}/H_{S}) del
diámetro de hélice (P_{d}) al calado estático del casco (H_{s})
es al menos 1,4.
11. Una embarcación según cualquier
reivindicación anterior, donde el paso (\beta) de las palas (6) de
la hélice, con relación al eje rotacional de la hélice, es
variable.
12. Una embarcación según la reivindicación 11,
incluyendo además medios de control de paso de pala en el sistema de
propulsión para controlar el paso de las palas.
13. Una embarcación según la reivindicación 12,
donde los medios de control de paso de pala están formados y
dispuestos para poder variar el paso (\beta) de las palas entre
50º y 120º.
14. Una embarcación según la reivindicación 12 o
la reivindicación 13, donde los medios de control de paso de pala se
implementan en uno o varios de: medios mecánicos, medios eléctricos
y medios hidráulicos.
15. Una embarcación según la reivindicación 12 o
la reivindicación 13, donde dichos medios de control de pala
incluyen medios mecánicos de control de paso en forma de una varilla
de control de paso (14) enlazados a medios de soporte (18) en los
que se montan las palas (6), formándose y disponiéndose dichos
medios de soporte y varilla de control de tal manera que el
movimiento axial de la varilla de control sea traducido a movimiento
rotativo de los medios de soporte, por lo que las palas se giran
para cambiar su paso con relación al eje rotacional de la
hélice.
16. Una embarcación según cualquier
reivindicación anterior, donde el sistema incluye al menos dos ejes
(1) que se extienden hacia atrás del espejo de popa (2) del casco
(3) de la embarcación, teniendo cada eje una hélice (4) montada,
incluyendo cada dicha hélice un cubo (5) y una pluralidad de palas
(6) angularmente separadas, sustancialmente equidistantes, a su
alrededor, siendo la relación (S/C) de la separación (S) de las
palas a la cuerda de pala (C) al menos 2,0 a lo largo de
sustancialmente toda la longitud de las palas.
17. Una embarcación según la reivindicación 16,
donde los medios de control de paso de pala están dispuestos para
controlar el paso de las palas en cada dicha hélice.
18. Una embarcación según la reivindicación 17,
donde dichos medios de control de paso de pala están formados y
dispuestos para variar independientemente el paso de las palas de
hélice de cada hélice.
19. Una embarcación según cualquiera de las
reivindicaciones 12, 13, 14, 15, 17 y 18, donde los medios de
control de paso de pala incluyen además un sistema controlador de
paso inteligente para controlar automáticamente el paso de las palas
dependiendo de uno o varios de: la velocidad distal de la
embarcación; la velocidad real de la embarcación; la velocidad
deseada del motor; la velocidad real del motor; la posición de la
embarcación en el agua; el rumbo deseado de la embarcación; y el
rumbo real de la embarcación.
20. Una embarcación según la reivindicación 19,
en cuanto dependiente de la reivindicación 17 o la reivindicación
18, donde el sistema controlador de paso inteligente controla el
movimiento axial de varillas de control de paso de los medios de
control de paso para variar el paso de las palas de hélice de las
dos hélices.
21. Una embarcación según la reivindicación 19 o
la reivindicación 20, donde el sistema controlador de paso
inteligente también controla la velocidad del motor de la
embarcación.
22. Una embarcación según cualquiera de las
reivindicaciones 19 a 21, donde dicho sistema controlador de paso
inteligente está adaptado para variar el paso de las palas para
mantener la velocidad rotacional de la o cada dicha hélice a una
velocidad constante.
23. Una embarcación según cualquier
reivindicación anterior, donde el número de palas por hélice es
entre dos y cinco.
24. Una embarcación según cualquier
reivindicación anterior, donde las palas están retorcidas a lo largo
de sus longitudes.
25. Una embarcación según la reivindicación 24,
donde la torsión no es superior a 20º.
26. Una embarcación según la reivindicación 1,
donde el arco de dicho al menos único saliente convexo es hasta
aproximadamente 180º.
27. Una embarcación según cualquier
reivindicación anterior, incluyendo además medios protectores (38,
39, 40) dispuestos para encerrar la o cada dicha hélice para evitar
que entren obstáculos entre las palas (6).
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