ES2276888T3 - Dispositivo para contraactuar la cavitacion de turbulencia del buje de helices y/o de unidades de propulsion. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para contraactuar turbulencias de corriente generadas en el fluido circundante en la región del núcleo de hélices y/o unidades de propulsión, que presenta al menos una pala, considerando que la curvatura de la pala está en la dirección opuesta de la curvatura de la hélice, caracterizado por que la pala (12) se extiende desde una pieza de transición cónica (9) a través de una pieza del buje cilíndrica (10), nuevamente hacia una pieza de cierre cónica (11) divergente, teniendo en cuenta que el cierre externo de la pala (12) se realiza a través de una funda cilíndrica (13) del 10 % hasta el 50% de la longitud de las superficies de la pala.
Description
Dispositivo para contraactuar la cavitación de
turbulencia del buje de hélices y/o de unidades de propulsión.
El invento hace referencia a un dispositivo para
contractuar turbulencias de corriente generadas en el fluido
circundante en la región del buje de hélices y/o unidades de
propulsión. En este caso se trata de una pieza de transición de
rotación simétrica (Hub Vortex Vane) entre una hélice y el fluido
limítrofe en sentido de la radiación (medio incompresible) sobre el
mismo eje de rotación que la hélice. Dependiendo del modelo de
fabricación de la unidad de propulsión de la hélice (instalación del
eje, góndola del motor, góndola de la transmisión) y de otros
posibles anexos (por ejemplo, el timón o dispositivos de dirección),
el dispositivo puede estar fabricado de modo que gire junto con la
hélice o que esté fijo. Los sectores de aplicación posibles se
encuentran sobre todo en la fabricación aeronáutica y en la
invención de barcos.
Las hélices aéreas y marinas forman turbulencia
marginal rica en energía, tanto en los extremos del lado del buje
como en los bordes de las palas de la hélice. A diferencia de las
turbulencias marginales externas de las palas individuales de la
hélice se unen las turbulencia del buje en fluido circundante en
sentido de radiación detrás de la hélice, teniendo en cuenta que el
lugar geométrico de la turbulencia del buje coincide perfectamente
definido con el eje de rotación de la hélice. En este caso es
totalmente irrelevante para la formación de la turbulencia del buje,
si detrás de la propia hélice se encuentra aún o no, un cuerpo de
corriente. Hélices sobrecargadas con un diámetro de buje
relativamente grande en relación, forman mayormente turbulencias de
buje más fuertes que las hélices con un diámetro de buje
relativamente pequeño en relación y que están sometidas a cargas de
baja intensidad. En los documentos de las patentes US 4 212 586
(2), 178, EP 255 136 (3), 1987, EP 758 606, 1996 (4) se presentan
diferentes variantes para la reducción del porcentaje de la
turbulencia del buje. En el documento (1): "An investigation into
effective boss cap designs to eliminate propeller hub vortex
cavitation" von Atlar, M.; Patience, G. (Osterveld. M.W.C.; Tan,
S.G editors: Practical Design of Ships and Mobile Units, 1998
Elsevier Science B.V) se proporciona un resumen detallado sobre el
estado de la técnica. En la patente (2) se investiga una variante de
la reducción de la turbulencia del buje en la que los gases
residuales de un motor de combustión son conducidos a través del
buje, intentando de este modo eliminar la región de baja presión
formada por la turbulencia del buje. En la patente (3) se colocan
interactuando con cada pala individual de la hélice, aletas
adicionales sobre el elemento de evacuación que debería tener un
efecto reductor de las turbulencias del buje.
Para la reducción del ruido en barcos de la
marina, especialmente en submarinos, se ha intentando en el diseño
de hélices, contrarrestar la formación de estas turbulencias
marginales, mediante distribuciones especiales de curvaturas y
elevaciones de la hélice. Esto se podía lograr únicamente con
pérdidas considerables del grado de efecto.
Mientras que en la patente (2) los métodos
empleados con relativa frecuencia en el sector de botes deportivos
para la reducción de efectos negativos de la turbulencia del buje,
influyeron únicamente sobre las relaciones de presión en la zona
próxima a la hélice, no se puede producir con este modelo de
fabricación, ni la propia fuerza de turbulencia de la turbulencia
del buje, ni una reducción de giro. Otra desventaja decisiva es la
fuerte emisión adicional de ruidos en la zona próxima a la hélice y
el mantenimiento de la activación de la turbulencia del buje.
Además, está en duda la compatibilidad con el medioambiente. En los
estabilizadores de la tapa del buje según la patente (3) se
encuentran en la tapa de evacuación del buje, tantas aletas
adicionales como palas tiene la hélice y están en efecto de
intercambio directo con éstas. Estas (básicamente), están colocadas
fuera del radio límite, visto posteriormente, {comparar figura 1
hasta figura 3 en la patente (3)} y pueden desarrollar su efecto
óptimo, sólo para un sector de grado de desarrollo, relativamente
pequeño (campo de carga), ya que dependiendo del grado de desarrollo
se modifican las posiciones de la turbulencia marginal interna de
las hélices individuales. A pesar de su efecto reductor de
turbulencias, se pueden presentar aún apariciones de cavitación
parasitarias con su efecto negativo sobre la radiación de ruido,
especialmente en caso de cargas altas.
En la patente (4) se han colocado los
estabilizadores de dirección para reducir las turbulencias del buje,
ya dentro del radio límite, explicado posteriormente, tras la
concentración de la turbulencia del buje hacia una turbulencia del
buje homogénea y producen un efecto ascendente del grado de efecto,
generalmente cuantiosamente mayor que la cantidad de aletas de la
hélice, pero aún no pueden bajar totalmente las apariciones de
cavitación parasitarias, con su efecto negativo sobre la radiación
de ruido.
El invento pone como base la tarea de
desarrollar una solución para reducir claramente las pérdidas de
energía producidas mediante la formación de la turbulencia del buje,
además para una reducción de ruido a través de apariciones
fluctuantes en la zona próxima a la turbulencia del buje en la
corriente descendente de la hélice y especialmente para la reducción
de ruido de las apariciones de cavitación (cavitación de la
turbulencia del buje) producidas por la turbulencia del buje.
Según el invento, esta tarea se soluciona
mediante las características de la reivindicación 1. Configuraciones
favorables del invento se encuentran en las reivindicaciones 2 y 3
correspondientes.
El invento parte de un dispositivo para
contractuar turbulencias de corriente generadas en el fluido
circundante en la región del buje de hélices y/o unidades de
propulsión, que presenta al menos una pala, considerando que la
curvatura de la pala está en la dirección opuesta de la curvatura de
la hélice.
La pala según el invento, se extiende desde una
pieza de transición cónica a través de una pieza del buje
cilíndrica, nuevamente hacia una pieza de cierre cónica divergente,
teniendo en cuenta que el cierre externo de la pala se realiza a
través de una funda cilíndrica del 10% hasta el 50% de la longitud
de la superficie de la pala. Según una característica favorable
están distribuidas regularmente varias palas en disposición
meridional en el perímetro del dispositivo.
Según una característica favorable comienza la
extensión radial de las palas, en el eje de rotación de la hélice y
no exceden un radio límite (R_{G}), dentro del cual el componente
tangencial (V_{T}) de la velocidad (V_{W}) de la corriente de
turbulencia es mayor que la velocidad perimetral (V_{U}) producida
por la rotación de la hélice.
El invento pone como base el conocimiento que
mediante las correspondientes configuraciones o modelos del
dispositivo, se puede contrarrestar la formación de turbulencias
mediante la hélice en la zona próxima al buje, modificando con
certeza las relaciones de presión en esta zona, mediante la
configuración del dispositivo.
Ya que el lugar geométrico de la turbulencia del
buje (turbulencia marginal interna) en contra de la turbulencia
cumbre (turbulencia marginal externa) perfectamente conocida (eje de
giro de la hélice) es independiente del número de giro de la hélice
y de la velocidad del barco, se puede contraactuar sólo sobre la
formación de la turbulencia del buje, mediante medidas
secundarias.
Mediante la configuración del dispositivo según
el invento se puede recuperar energía de las turbulencias, al menos
en la zona del buje y se puede retardar la formación de cavitación
lo máximo posible, mejorando así nominalmente el grado de efecto de
la unidad de propulsión de un barco y reduciendo considerablemente
el área de localización de un barco de la marina.
Las ventajas del invento se basan en la
combinación realizada por primera vez según el invento, de un efecto
cuyo grado de efecto asciende claramente y de la elusión lo más
amplia posible, de cualquier aparición de cavitación (con su efecto
negativo sobre la radiación de ruido). En líneas de prueba se
mostraron en comparación con otros modelos de estabilizadores de la
tapa del buje para el dispositivo según el invento, el mayor
beneficio de grado de efecto. Un beneficio adicional resulta del
lado del diseño de la hélice para versiones libres de cavitación, de
modo que no se tienen que tomar medias que bajan el grado de efecto
para evitar la cavitacion de turbulencia del buje. Es decir, la
propia hélice diseñada anteriormente, tiene un alto grado de efecto
que puede aumentar aún más, mediante la recuperación de energía a
través del "HVV", procedentes de las pérdidas de turbulencia
del buje.
El invento será explicado detalladamente a
través de un ejemplo de fabricación. En los planos muestra la
figura 1, una mejora detrás de una hélice a lo
largo de una pieza de transición de rotación simétrica (significa
"Hub Vortex Vane", a partir de aquí se denominará con la
abreviatura HVV),
figura 2, una aplicación 6 de una HVV como
sustitución para un elemento de evacuación de un buje en el que la
HVV rota junto con la hélice,
figura 3, una HVV 6 está fija en la pala del
timón 7 de un barco,
figura 4, la HVV está montada fijamente en el
extremo de una carcasa de transmisión, Pod/góndola con motor,
figura 5, representación esquemática de un
posible modelo de Hub Vortex Vane (HVV)
figura 6, representación esquemática del
componente "corriente descendente" de la distribución de
velocidad en la proximidad de la pala de la hélice para la relación
de radio 0.1 como desarrollos de cilindro,
figura 7, representación esquemática del
componente "corriente descendente" de la distribución de
velocidad en la proximidad de la pala de la hélice para la relación
de radio 0.15 como desarrollos de cilindro.
Según una configuración sencilla técnicamente
para la fabricación del dispositivo según el invento, la HVV
presenta al menos una pala 12 que durante el funcionamiento se
encarga de reducir la fuerza de la turbulencia del buje y de la
correspondiente cavitación de la turbulencia del buje. La HVV se
puede equipar posteriormente en cualquier momento, para lo cual no
es necesario intercambiar ningún componente, sino que, se pueden
mantener intactas todas las piezas convencionales del sistema de
propulsión.
Preferentemente se han previsto varias palas 12
distribuidas regularmente en el perímetro de la HVV que están
dispuestas más o menos en orientación meridional. La cantidad de las
palas no depende de la cantidad de las aletas de la hélice y el
diámetro exterior de la HVV está limitado a más o menos 0.16 del
diámetro de la hélice (con HVV rotativo). La limitación interna de
las palas está compuesta por un cuerpo de rotación de la forma,
según los números de relación 9, 10, 11 y una limitación externa,
mediante un anillo de la forma 13. Las limitaciones especiales
internas y externas sirven a una opresión amplia de posibles
apariciones de cavitación en el extremo interno y externo de
la(s) pala(s).
A través de enderezamientos opuestos de la
pronunciada curvatura de las palas del buje y de la curvatura de las
aletas de la hélice, es posible redireccionar las elevadas
velocidades tangenciales en las proximidades del buje, en sentido de
radiación, de modo que se produce un empuje adicional. El momento de
giro que se produce en este caso por el redireccionamiento, está
sincronizado con el momento de giro que propulsa la hélice,
equiparando un ahorro de potencia. Además, la eliminación total de
la turbulencia del buje conduce a una reducción de la radiación
de
sonido.
sonido.
La HVV según el invento se puede emplear tanto
en las hélices marinas que trabajan como hélices a presión, como
también en las hélices tractoras.
Especialmente adecuado es la aplicación en
hélices para elevados grados de carga de empuje, por ejemplo, en
hélices que producen un elevado empuje sobre superficies menores
comparativamente, ocasionando inevitablemente una fuerte formación
de turbulencia del buje. En este caso el potencial de mejoramiento
que se puede lograr es en consecuencia grande. La figura 2 hasta la
figura 4 muestran diferentes aplicaciones de la HVV.
La hélice a presión 1 con buje de hélice 2 que
trabaja como hélice marina según la figura 2, tiene una HVV 6
giratoria, ubicada detrás de la hélice 1 en sentido de radiación. La
turbulencia que se forma detrás de la hélice 1 a lo largo de la HVV
6, está compuesta primeramente por varias turbulencias de las
diferentes aletas que luego se forman rápidamente en una sola
turbulencia, dejando una huella por una zona estrecha limitada a lo
largo del eje de giro de la hélice. Este comportamiento está
representado en la figura 1. El sentido de giro de esta turbulencia
coincide con el sentido de giro de la hélice y las velocidades
tangenciales internas son más altas en el interior (en el ojo de la
turbulencia infinitamente grande teóricamente potencial) y
disminuyen hacia fuera.
Debido al aumento de las velocidades
tangenciales (VT) del fluido hacia el ojo de la turbulencia (En la
turbu-
{}\hskip17cm lencia del buje es idéntica a la del eje de giro de la hélice) según una ley neta y teóricamente potencial V_{T} = \frac{\Gamma_{B}}{2\cdot \pi \cdot r}
{}\hskip17cm (r_{B} fuerza de la turbulencia del buje) o bien bajo consideración de influencias condicionadas por la resistencia (Turbu-
{}\hskip17cm lencia Oseen) transitan de forma aproximada dentro de un radio límite R_{G} \approx \sqrt{\frac{\Gamma_{B}}{2 \cdot \pi \cdot n}} (- 0.16 Rp con Rp = 1/2 Dp
{}\hskip17cm radio de hélice)con un valor adecuado para la duración de la turbulencia t V_{T} = \frac{\Gamma_{B}}{2 \cdot \pi \cdot r} \left(1-e^{-\left(\tfrac{r^{2}}{4\cdot v \cdot t}\right)}\right).
{}\hskip17cm lencia del buje es idéntica a la del eje de giro de la hélice) según una ley neta y teóricamente potencial V_{T} = \frac{\Gamma_{B}}{2\cdot \pi \cdot r}
{}\hskip17cm (r_{B} fuerza de la turbulencia del buje) o bien bajo consideración de influencias condicionadas por la resistencia (Turbu-
{}\hskip17cm lencia Oseen) transitan de forma aproximada dentro de un radio límite R_{G} \approx \sqrt{\frac{\Gamma_{B}}{2 \cdot \pi \cdot n}} (- 0.16 Rp con Rp = 1/2 Dp
{}\hskip17cm radio de hélice)con un valor adecuado para la duración de la turbulencia t V_{T} = \frac{\Gamma_{B}}{2 \cdot \pi \cdot r} \left(1-e^{-\left(\tfrac{r^{2}}{4\cdot v \cdot t}\right)}\right).
Velocidades tangenciales V_{T} arriba, las que
son claramente mayores que las velocidades V_{U} de un punto que
gira con el número "n" de giro de la hélice a distancia
"r" del eje de giro. Hasta el radio límite RG es posible una
recuperación de energía con una HVV giratoria. Para una HVV montada
fijamente (comparar figura 3 y figura 4) no existe este radio
límite.
Por este motivo se extienden las palas 12 de la
HVV desde el eje de la hélice hasta el radio límite RG como máximo,
a fin de aprovechar lo mejor posible el efecto de las palas. La
curvatura de las superficies de las palas está opuesta a la de las
superficies de la hélice. De este modo se desvían las corrientes de
turbulencia en el sentido de radiación, generando un empuje
adicional. En el ejemplo de fabricación representado se muestran
ocho palas distribuidas en el perímetro de la HVV (figura 5) que se
extienden desde el extremo 9 opuesto al buje de la hélice, pos. 2,
figura. 1, hasta el extremo de la HVV, pos. 11 de la figura 5.
Especialmente favorable frente a otras
soluciones conocidas respecto a evitar turbulencias del buje, es el
cierre interno y externo de las superficies de las palas. El empalme
interno de las superficies de las palas se realiza desde una pieza
de trasferencia cónica 9 del extremo de una pieza del buje de la
hélice 2, a través de una pieza del buje cilíndrica 10 de la HVV,
nuevamente hacia una pieza de cierre cónica 11 divergente de la HVV.
El cierre externo de las superficies de las palas de la HVV, se
realiza a través de una funda cilíndrica 13 del 10% hasta el 50% de
la longitud de las superficies de la pala.
El aprovechamiento hidrodinámico de la
distribución del buje de la HVV sobre las tres secciones 9 hasta 11,
consiste en la concentración de los porcentajes de turbulencias
marginales individuales (del lado del buje) de las aletas de la
hélice hacia una turbulencia del buje concentrada en el desvío de
los componentes de velocidad tangenciales en todo el área de las
palas 12 y en el "desfibramiento" de un posible porcentaje de
turbulencia residual en el área de la pieza de cierre divergente y
cónica 11. El diámetro de la pieza intermedia cilíndrica 10 debería
coincidir con el diámetro del núcleo de la turbulencia (duración de
la turbulencia) condicionado por la resistencia. El aprovechamiento
hidrodinámico de la superficie de la funda cilíndrica 13 en torno a
las palas, consiste en un impedimento de posibles apariciones de
cavitación parasitarias en el extremo externo de las palas.
Para la representación de la desviación del
molde de las superficies de la pala, sirven las figuras 6 y 7. Se ha
representado el componente "corriente descendente" 14 de la
distribución de velocidad en la zona próxima a las palas de la
hélice 1, que es la principal causa para la formación de las
velocidades tangenciales detrás de la hélice. A través del aumento
existente por lo general, del ángulo ascendente de las palas de la
hélice respecto al eje de giro, y mediante el aumento condicionado
por las turbulencias, se deben modificar las curvaturas de las palas
12, dependiendo del radio, de modo que las líneas de corriente sean
desviadas en lo posible, en el sentido de radiación 15. En la
figura 6 y en la figura 7 están representadas estas relaciones para
diferentes relaciones de radio, como desarrollos de cilindro para
las relaciones de radio 0.10 y 0.15.
Posibilidades de aplicación y modelos de
configuración de la HVV se muestran en la figura 2 hasta la figura
4. Para disposiciones de hélices a presión en unión con
instalaciones de ondas normales o en góndolas con transmisión, Pods
o en cualquier otro tipo de góndolas con motor, el modelo de
fabricación giratorio según la figura 2 es, en consecuencia,
ventajoso. Para disposiciones de hélices tractoras en las que detrás
de la hélice existen acoplados, por ejemplo una pala de timón, es
hidrodinámicamente ventajoso, un modelo de fabricación fijo, como
está representado en la figura 3. Para disposiciones de hélice en
góndolas con transmisión, Pods u otras góndolas con motor, es
ventajoso el modelo de fabricación fijo, colocado al final de la
góndola, según la figura 4.
La utilización de HVV especialmente conformadas,
es sobre todo importante en hélices para grados de carga de empuje
más elevados. Este tipo de hélices producen un elevado empuje sobre
una menor superficie en comparación y por consiguiente una mayor
turbulencia del buje. Debido a la alta pérdida, se puede lograr una
alta recuperación utilizando una HVV conformada según el
invento.
Para una disposición de hélices a presión según
la figura 2, en la figura 8 se representa el aprovechamiento
conseguido mediante una HVV ("HVV") en base a mediciones. En
comparación a un cierre de buje normal empleado frecuentemente
("Normal"), aumenta considerablemente el beneficio del grado de
efecto con el número de Reynolds, a través de una sencilla tapa de
buje cónica. La cavitación de turbulencia del buje pudo ser
reprimida totalmente mediante la utilización. Si para reprimir la
cavitación de turbulencia del buje, se emplean desarrollos de buje
divergentes ("Divergente") como se hace normalmente, aumenta
aún más, el beneficio del grado de efecto de la HVV.
- 1.
- Hélice, hélice marina, hélice aérea
- 2.
- Buje de hélice
- 3.
- Eje de propulsión de la hélice
- 4.
- Tapa de evacuación
- 5.
- Turbulencia de buje
- 6.
- Hub-Vortex-Vane (HVV)
- 7.
- Pala del timón
- 8.
- Carcasa de la transmisión de una unidad de propulsión controlable totalmente, góndola de motor, Pod con motor
- 9.
- Pieza de transición HVV-hélice
- 10.
- Pieza intermedia del buje cilíndrica de la HVV
- 11.
- Pieza de cierre cónica del buje de la HVV
- 12.
- Palas, aletas de la HVV
- 13.
- Funda cilíndrica de la HVV
- 14.
- "Corriente de descenso" de la hélice en una aleta
- 15.
- Sentido de radiación axial
Claims (3)
1. Dispositivo para contraactuar turbulencias de
corriente generadas en el fluido circundante en la región del núcleo
de hélices y/o unidades de propulsión, que presenta al menos una
pala, considerando que la curvatura de la pala está en la dirección
opuesta de la curvatura de la hélice, caracterizado porque la
pala (12) se extiende desde una pieza de transición cónica (9) a
través de una pieza del buje cilíndrica (10), nuevamente hacia una
pieza de cierre cónica (11) divergente, teniendo en cuenta que el
cierre externo de la pala (12) se realiza a través de una funda
cilíndrica (13) del 10% hasta el 50% de la longitud de las
superficies de la pala.
2. Dispositivo según la reivindicación 1,
caracterizado porque están distribuidas regularmente varias
palas (2) en disposición meridional en el perímetro del
dispositivo.
3. Dispositivo según una de las reivindicaciones
a.m., caracterizada porque la extensión radial de las palas
comienzan en el eje de rotación de la hélice y no exceden un radio
límite (R_{G}), dentro del cual el componente tangencial (V_{T})
de la velocidad (V_{W}) de la corriente de turbulencia es mayor
que la velocidad perimetral (V_{U}) producida por la rotación de
la hélice.
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|---|---|---|---|
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| Publication Number | Publication Date |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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2001
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-
2002
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