ES2349744T3 - Una unidad de propulsión y gobierno para una embarcación de superficie. - Google Patents

Abstract

Una unidad de propulsión y gobierno para una embarcación de superficie, comprendiendo la unidad de propulsión y gobierno una góndola (1) que tiene extremos

Description

CAMPO DE LA INVENCIÓN [0001] La presente invención se refiere a una unidad de propulsión y gobierno para una embarcación de superficie y se ocupa prácticamente, aunque no exclusivamente, de una unidad de propulsión y gobierno del tipo que comprende una góndola acimutal que tiene un árbol de hélice giratorio alrededor de un primer eje con una hélice externamente a la parte delantera de la góndola, siendo la góndola giratoria alrededor de un segundo eje que no está en paralelo con el primer eje.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN [0002] La presente invención concierne a una unidad de propulsión y gobierno en forma de una nueva tracción mecánica para embarcaciones de superficie; conocida como propulsores acimutales. Que una unidad de propulsión está tirando significa que la hélice del acimut ha sido colocada en la dirección de la propulsión de una embarcación y, por lo tanto, debería considerarse como tirando en relación con la situación en que la hélice ha sido orientada en la dirección opuesta a la dirección de propulsión. En esta última situación se usa un término propulsor de “empuje”. [0003] Los inventores han descubierto que existen varias ventajas al orientar el propulsor acimutal como uno de tracción, pero una de las desventajas es que el requisito de par motor de gobierno aumentará considerablemente en relación con los propulsores de empuje. La implicación de esto es que la parte de la unidad que está a bordo de la embarcación tendrá que ser físicamente más grande, lo que también puede tener una influencia negativa sobre los costes.

El documento más parecido de la técnica anterior DE3307398 (fig. 4) desvela las características del preámbulo de la reivindicación 1. [0004] Por lo tanto, un aspecto de la presente invención es proveer una unidad de propulsión y gobierno que reduzca el requisito del par motor de gobierno para convertirlo en un mínimo. Divulgación de la invención [0005] Según un primer aspecto de la presente invención, se provee una unidad de propulsión y gobierno para una embarcación de superficie que comprende un alojamiento de góndola que tiene extremos delantero y trasero, una hélice y un árbol de hélice, estando la hélice dispuesta externamente en la parte delantera de la góndola y siendo giratoria alrededor de un eje longitudinal de un árbol de hélice, estando el árbol de hélice conectado a modo de transmisión a los medios de accionamiento, comprendiendo la unidad medios de gobierno que hacen girar la unidad alrededor de un eje sustancialmente perpendicular al eje longitudinal de la hélice, comprendiendo los medios de accionamiento un piñón de arrastre y una rueda motriz, la situación del piñón de arrastre en la rueda motriz es tal que, en uso, la dirección de rotación del piñón de arrastre produce un par que actúa contra un par hidrodinámico máximo generado por una rotación de la hélice y una rotación de la unidad por los medios de gobierno. [0006] La situación del piñón de arrastre en la rueda motriz es preferentemente de manera que, en uso, la dirección de rotación del piñón de arrastre produce un par que actúa con un par hidrodinámico mínimo generado por una rotación de la unidad por los medios de gobierno. [0007] Preferentemente, el eje de rotación del piñón de arrastre está situado delante de la rueda motriz. [0008] El eje de rotación del piñón de arrastre preferentemente es sustancialmente perpendicular al eje de rotación de la hélice. [0009] La unidad de propulsión y gobierno comprende preferentemente un elemento de aleta que se extiende desde una zona a popa del alojamiento de góndola. [0010] Se apreciará que la presente invención puede incluir un propulsor que comprende unas hélices de hojas de paso fijo o alternativamente hélices de paso variable. El número de palas de las hélices también puede variar y la hélice puede ser una hélice de seis palas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS [0011] A continuación se describirán realizaciones específicas de la invención y variantes de la misma únicamente a modo de ejemplo con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

La Figura 1 es una vista en planta de parte de una unidad de propulsión y gobierno que muestra la disposición de un piñón de arrastre y una rueda motriz; la Figura 2 es una vista en planta de la unidad de propulsión y gobierno mostrada en la Figura 1 y muestra las fuerzas y velocidades experimentadas por la unidad; la Figura 3a es una vista en planta de la unidad de propulsión y gobierno mostrada en la Figura 1 cuando se gira a babor y muestra las fuerzas y velocidades experimentadas por la unidad; la Figura 3b es una vista en planta de la unidad de propulsión y gobierno mostrada en la Figura 1 cuando se gira a estribor y muestra las fuerzas y velocidades experimentadas por la unidad; la Figura 4 es un gráfico de resultados de prueba, donde se compara el par de gobierno inducido hidrodinámico para una unidad de gobierno con y sin una aleta y muestra que el par de gobierno adimensional (KMZ) se traza frente al número de avance (JA), que también es adimensional; y la Figura 5 es un gráfico donde los resultados de la prueba del modelo se convierten a una aplicación a tamaño natural y el par de gobierno hidrodinámico para un caso de muestra a tamaño natural así como el par motor total (incluyendo el par del piñón) se traza frente al ángulo de rotación acimutal; la Figura 6 es una vista lateral de la unidad de propulsión y gobierno; la Figura 7 es una vista en planta de una unidad de propulsión y gobierno que gira a derechas y muestra las fuerzas inducidas por el patrón del torbellino de la hélice que actúan; la Figura 8 es una vista en planta de una unidad de propulsión y gobierno que gira a izquierdas y muestra las fuerzas inducidas por el patrón del torbellino de la hélice que actúan cuando la unidad está dirigida en la dirección opuesta a la mostrada en la Figura 7; y la Figura 9 es una vista en planta de una unidad de propulsión y gobierno que gira a izquierdas y muestra las fuerzas inducidas por el patrón del torbellino de la hélice que actúan cuando la unidad está orientada en la misma dirección que la mostrada en la Figura 7.

[0012] Con referencia a la Figura 1, se muestra parte de una unidad de propulsión y gobierno para una embarcación de superficie. La unidad de propulsión y gobierno es en forma de un propulsor acimutal 1 que comprende una hélice 2 fijada a un extremo de un árbol de hélice 4, que es giratorio alrededor de un eje longitudinal 6. Fijada al otro extremo del árbol de hélice 4 hay una corona dentada de engranaje cónico 8. La corona dentada 8 está engranada con un engranaje de piñón de arrastre 10 y, en esta realización particular, la corona dentada 8 se acciona en una dirección 7 mediante el engranaje de piñón de arrastre 10. El engranaje de piñón de arrastre 10 está montado en un árbol motor vertical 12, que está conectado los medios de accionamiento (no mostrados) de la embarcación. Un eje longitudinal 18 del árbol motor vertical 12, alrededor del cual gira el piñón de arrastre 8, es sustancialmente perpendicular al eje longitudinal 6 del árbol de hélice 4 alrededor del cual gira la hélice 2. [0013] Sobre la parte superior del propulsor acimutal 1 hay colocado un motor de gobierno (no mostrado) que gira el propulsor de manera que el vector de la fuerza de tracción puede orientarse en una dirección decidida de 0 a 360 grados, o un múltiplo de 360 grados en ambas direcciones. Normalmente, un motor de gobierno está constituido por motores hidráulicos o eléctricos que están conectados a una corona de engranaje conectada a un vástago vertical en el propulsor. Si el propulsor 1 se hace girar en aguas tranquilas con la hélice desconectada, este se girará fácilmente con un mínimo de par independiente de la dirección. Sin embargo, si la embarcación está desplazándose entonces, debido a las fuerzas de la hélice y las características dinámicas del torbellino de la hélice habrá una resistencia al par variable que varía con la velocidad de rotación y la velocidad de la embarcación. Si la resistencia es mayor que el par que puede dar el motor de gobierno, el propulsor girará contra el par de presión procedente del motor de gobierno. La razón para esto es la contribución hidráulica (o flujo inducido) y el par logrado sobre el árbol motor vertical 12 debido a la rotación del árbol motor vertical

12. [0014] Lo primero que ha de considerarse son las componentes del par que son mecánicas. La Figura 1 muestra una línea de transmisión típica para el propulsor acimutal 1. El engranaje de piñón de arrastre orientado verticalmente 10 está conectado a un medio de accionamiento y en esta situación la dirección de rotación 14 del engranaje de piñón de arrastre 10 es en el sentido de las agujas del reloj, como se ve en la vista en planta. Además, el punto de engrane del engranaje de piñón de arrastre 10 estará sobre la parte superior de la corona dentada 8, lo cual da una dirección de rotación 16 de la hélice 2 que es en sentido contrario a las agujas del reloj (como se ve en la vista en planta en la Figura 1). Alternativamente, el punto de engrane del engranaje de piñón de arrastre 10 puede estar sobre la parte inferior de la corona dentada 8. El eje longitudinal de la rotación 18 del engranaje de piñón de arrastre 10 está situado delante de la corona dentada 8. [0015] A medida que el engranaje de piñón de arrastre 10 está girando con una velocidad de rotación dada, y en una dirección 14 como se muestra en la figura 1, entonces el propulsor 1 se girará en la misma dirección 15 que la dirección 14 del engranaje de piñón de arrastre 10 debido a las fuerzas de rozamiento; este “par del piñón” debe ser absorbido por el sistema del motor de gobierno del propulsor 1. [0016] Debido a la rotación de la hélice 2 también existe un par de momento como en el eje de rotación 18 del engranaje de piñón de arrastre 10, generalmente conocido por las personas expertas en la materia como par giroscópico. Debido al momento de inercia y la velocidad angular, el propulsor 1 girará en la misma dirección de rotación 14 del engranaje de piñón de arrastre 10. Por consiguiente, resultará evidente que la dirección del par para una línea de transmisión como la aquí descrita es igual a la que se ha discutido anteriormente con respecto al par del piñón. El par giroscópico es relativamente pequeño en relación con el par que tiene que absorberse en el motor de gobierno del propulsor 1. [0017] A continuación viene una discusión de los pares inducidos hidrodinámicos que están actuando en el plano horizontal y que tienen importancia para las dimensiones y la dirección de las características del propulsor 1. Para una comprensión de principios de esto, en primer lugar es necesario considerar las fuerzas que se inducirán en un propulsor de tracción 1 debido a la combinación de la velocidad del torbellino de la hélice de las hélices y la velocidad de la corriente libre. [0018] En la Figura 2 se muestra el propulsor acimutal 1 que incluye un alojamiento exterior 30 que está situado debajo de la embarcación. El alojamiento exterior 30 contiene el árbol de hélice 4, la corona dentada 8 y el engranaje de piñón de arrastre 10. La hélice 3 está dispuesta externamente a un extremo del alojamiento 30. La Figura 2 muestra el propulsor 1 situado con un ángulo de gobierno de cero grados con respecto a la corriente libre 40. Debido a la rotación de la hélice 2 en la dirección 19 (esta situación en sentido de las agujas del reloj alrededor del eje 6), esto causará una rotación del torbellino de la hélice de la hélice 2. Por lo tanto, la corriente interior a la caja de engranajes superior proporcionará un ángulo de ataque en relación con el eje de la línea central 6. Las velocidades mostradas por la flecha de puntos 20 darán una sustentación con una componente paralela al eje transversal de la sección; estas fuerzas se muestran por la flecha continua 24. [0019] En una realización de la presente invención, el propulsor 1 comprende una aleta 32 que se extiende hacia abajo desde la zona de popa inferior del alojamiento 30. Las velocidades correspondientes mostradas por la flechas de puntos 22 darán una sustentación con una componente paralela al eje transversal de la sección, estas fuerzas se muestran por la flecha continua 26, se producirán con una aleta 32 en el extremo de popa en la parte inferior del propulsor 1, pero con otra dirección de las flechas respectivas 20, 24, ya que un vector del torbellino de la hélice resultante bajo el plano central horizontal de la hélice tendrá otra orientación que encima del plano. La componente de la fuerza lateral que actúa sobre la hélice depende de la dirección de rotación y del número de avance y su magnitud es relativamente pequeña en un ángulo de gobierno neutro, como se muestra en la Figura 2. [0020] Las Figuras 3a y 3b muestran las fuerzas y el par sobre el propulsor 1 al virar a babor (Figura 3a) y a estribor (Figura 3b). [0021] Las Figuras 3a y 3b muestran una situación donde el propulsor 1 se desplaza a estribor y babor en relación con la corriente libre 40. Virar a babor en relación con la dirección del torbellino de la hélice 40 proporcionará un ángulo de ataque con el cuerpo de propagación de corriente superior indicado por una flecha de puntos 42 que en ese lado tendrá como resultado la componente de la fuerza indicada por una flecha continua 44. Se producirá lo mismo con la aleta 32, pero el flujo del torbellino de la hélice cambiará la dirección de las componentes de la velocidad transversal por debajo de la hélice debido a la rotación de la hélice. La dirección de la componente de la fuerza sobre la aleta 32 cambiará en consecuencia de manera que será en la dirección opuesta (opuesta transversal) a la parte hidrodinámica por encima del árbol de hélice. Al girar a estribor (Figura 3b) en relación con la corriente libre 40, la imagen de la fuerza en el cuerpo de propagación de corriente superior será sustancialmente igual a la imagen de la fuerza en la otra situación, pero existirá la fuerza 52 procedente de la hélice que cambiará tanto de dirección como de magnitud. Este cambio se debe al hecho de que el ángulo de ataque efectivo aumentará en la dirección de las agujas del reloj. Esto, además del hecho de que el punto de ataque de la fuerza es algo grande, hará que el par cambie de dirección. Virar a estribor en relación con la dirección del torbellino de la hélice 40 proporcionará un ángulo de ataque con el cuerpo de propagación de corriente superior indicado por una flecha de puntos 53 que en ese lado tendrá como resultado la componente de la fuerza indicada por una flecha continua 56. [0022] En la Figura 4 se muestran los resultados de las pruebas de modelo con un propulsor según la presente invención, donde el par de gobierno hidrodinámico se presenta como una función del número del coeficiente de avance (JA) en la que:

VA

JA =

ND

⋅

VA = Velocidad de avance de la hélice (metros por segundo) N = Velocidad de giro de la hélice (revoluciones por segundo) D = Diámetro de la hélice (metros) [0023] En los aspectos prácticos esto puede considerarse proporcional con la velocidad de la hélice a través del agua cuando las revoluciones se mantienen constantes para un diámetro de hélice dado. Estas se miden girando a estribor o babor con 15 y 35 grados con o sin una aleta. Pueden observarse dos tendencias sustanciales a partir de estas mediciones: se ve que existen diferencias sustanciales en el par motor de gobierno adimensional medido (KMZ, que es sin dimensiones y corresponde a la referencia 50 en la Figura 3) dependiendo de a qué dirección se dirige. Los valores 60 para el giro a babor son sustancialmente más altos que los valores 70 para el giro a estribor para 15 grados y para 35 grados y esto es así coherente con la deducción anterior. Además, también se observa que se registra una gran reducción en los valores 62, 72 que se logra cuando el propulsor es accionado con una aleta 32 comparado con los valores 64, 74 logrados sin una aleta 32. [0024] Siguiendo la descripción anterior, alguien experto apreciará que la dirección de rotación del engranaje de piñón de arrastre 10 será de gran importancia para la magnitud del par motor de gobierno total y, por lo tanto, también para la dimensión de las fuerzas y pares que tiene que ser la base para la elección del motor de gobierno. Para lograr esto es necesario seleccionar la dirección de rotación del engranaje de piñón de arrastre 10 de manera que actúe contra el par hidrodinámico girando en la dirección, cuando el par hidrodinámico es el mayor, y seleccionar la dirección de rotación del engranaje de piñón de arrastre 10 de manera que actúe con al par hidrodinámico girando en la dirección cuando el par hidrodinámico es el menor. [0025] Este principio se ilustra en la Figura 5, que muestra más resultados del caso en que los resultados de las pruebas del modelo adimensional del momento de gobierno hidrodinámico con y sin la aleta se extrapolan a tamaño natural y donde la versión con la aleta se combina con el par del piñón según la presente invención. [0026] Con referencia a la Figura 5, la línea de puntos 80 muestra el par motor de gobierno hidrodinámico para el propulsor 1 sin una aleta 32 (MHz, sin aleta). Compárese esto con la línea de puntos 81 que muestra el par motor de gobierno hidrodinámico para la situación del propulsor 1 con una aleta 32 (MHz con aleta). Los resultados muestran claramente que existe una diferencia sustancial entre los valores de par 80 y 81, especialmente para valores mayores de 15 grados para giro en ambas direcciones. Para desviaciones positivas del timón (desviaciones a babor) existe un par de aproximadamente 100 kNm, mientras que para desviaciones negativas (giro a estribor) existe un par de más de 40 kNm. Esto es una expresión para la asimetría que se discutió anteriormente. Además también existe una diferencia significativa para el par motor de gobierno para el propulsor 1 con y sin aleta 32, especialmente para ángulos de gobierno superiores a 15 grados. Para ángulos de gobierno +-15 grados (que es el intervalo más usado para dirección normal), existe una reducción del 4050% en el par motor de gobierno necesario, a favor de los propulsores con una aleta.

[0027] Cuando se selecciona el tamaño del motor de gobierno, es necesario, por supuesto, tener en cuenta los pares más grandes que se producen y, en el caso a tamaño natural real (véase la Figura 5), la contribución hidrodinámica máxima es aproximadamente 100 kNm. [0028] Es a este respecto que la dirección de rotación del árbol 12 del engranaje de piñón de arrastre 10 se vuelve importante. Con referencia a la Figura 3, la dirección de rotación se selecciona de manera que el par del piñón actúe contra el par hidrodinámico en el punto en que el par hidrodinámico es el mayor (desviación a babor), y la dirección de rotación se selecciona de manera que el par del piñón actúe con el par hidrodinámico en el punto en que el par hidrodinámico es el menor (desviación a estribor). Esto se ilustra por la curva 82 en la Figura 5, que entonces muestra que el máximo absoluto para el par motor de gobierno se reduce con aproximadamente 20 kNm, a aproximadamente 80 kNm. De este modo los 80 kNm de par de dimensionamiento, lo cual implica un motor de gobierno más pequeño con claras ventajas con respecto a disposición y costes. [0029] Con referencia a las Figuras 6 a 9, se proporciona una nueva explicación en cuanto a por qué el par de gobierno inducido por el flujo es asimétrico con respecto a una rotación acimutal a estribor y una rotación acimutal a babor. Actuarán el mismo patrón de torbellino de la hélice y las mismas fuerzas inducidas sobre una hélice que gira a izquierdas (LH, véase la Figura 8) y una hélice que gira a derechas (RH, véase la Figura 7) que se desplaza al mismo ángulo de acimut pero opuesto. [0030] La hélice que gira a izquierdas (véase la Figura 9) cuando se desplaza a estribor generará un patrón de torbellino de la hélice diferente comparado con el mismo ángulo de acimut desplazado a babor. De este modo, el momento de gobierno como función del ángulo de acimut será asimétrico con respecto a los movimientos acimutales a estribor y a babor. Con la hélice levógira desplazada a estribor, la aleta desaparece gradualmente del torbellino de la hélice con ángulos de acimut inferiores, comparado con los mismos movimientos a babor. Por lo tanto, la fuerza de oposición sobre la aleta 32 debida al flujo de la corriente libre contribuirá al par de gobierno reducido con ángulos de acimut inferiores.

Claims (4)

1. REIVINDICACIONES

   1. Una unidad de propulsión y gobierno para una embarcación de superficie, comprendiendo la unidad de propulsión y gobierno una góndola (1) que tiene extremos delantero y trasero, un elemento de aleta (32) que se extiende hacia abajo desde la góndola (1), una hélice (2) y un árbol de hélice (4), estando la hélice (2) dispuesta externamente en la parte delantera de la góndola (1) y siendo giratoria alrededor de un eje longitudinal (6) del árbol de hélice (4), estando el árbol de hélice (4) conectado a modo de transmisión a medios de accionamiento, comprendiendo los medios de accionamiento un engranaje piñón de arrastre (10) y una rueda motriz (8), comprendiendo además la unidad medios de gobierno para hacer girar la unidad alrededor de un eje (18) sustancialmente perpendicular al eje longitudinal (6) de la hélice (2), caracterizada porque el elemento de aleta (32) está dispuesto detrás de un eje (18) de rotación del árbol motor (12) y el engranaje de piñón de arrastre (10), estando además el eje (18) de rotación del engranaje de piñón de arrastre (10) delante de la rueda motriz (8), la situación del engranaje de piñón de arrastre (10) en la rueda motriz (8) es tal que, en uso, la dirección de rotación del engranaje de piñón de arrastre

   (10) produce un par que actúa contra un par hidrodinámico máximo generado por una rotación de la hélice (2) y una rotación de la unidad por los medios de gobierno.

2. 2.

   Una unidad de propulsión y gobierno según la reivindicación 1, caracterizada porque el eje de rotación longitudinal de la rueda motriz (8) está situado debajo del engranaje de piñón de arrastre (10).

3. 3.

   Una unidad de propulsión y gobierno según la reivindicación 1, caracterizada porque el eje de rotación del engranaje de piñón de arrastre (10) es sustancialmente perpendicular al eje de rotación (6) de la hélice (2).

4. 4.

   Una unidad de propulsión y gobierno según la reivindicación 1, caracterizada porque la hélice (2) es una hélice de paso variable.