ES2951780T3

ES2951780T3 - Hélice para una embarcación

Info

Publication number: ES2951780T3
Application number: ES18740847T
Authority: ES
Inventors: Bernd Weinrich; Yannick Eberhard; Jan Breuers-Dressler
Original assignee: Promarin Propeller und Marinetechnik GmbH
Current assignee: Promarin Propeller und Marinetechnik GmbH
Priority date: 2017-07-21
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2023-10-24
Anticipated expiration: 2038-07-17
Also published as: KR20200033294A; EP3642107A1; CN111132899A; CY1126100T1; CN111132899B; WO2019016171A1; EP3642107B1; US20200216158A1; DE102017116516B3; EP3642107C0; KR102502854B1; US11358692B2

Abstract

La invención se refiere a una hélice para un vehículo acuático, que comprende un buje (12, 112, 212, 312) y al menos dos palas, extendiéndose dichas palas hacia afuera desde el buje (12, 112, 212, 312) en dirección radial. y teniendo la hélice una distribución uniforme de las palas. El problema abordado por la invención es proporcionar una hélice para un vehículo acuático que permita reducir o evitar eficientemente la generación no deseada de ruido. Según la invención, la distancia angular entre las puntas de las palas de dos palas consecutivas de la hélice varía en relación con la distancia angular entre las puntas de las palas de otras dos palas consecutivas. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Hélice para una embarcación

La invención se refiere a una hélice para una embarcación que comprende un cubo y al menos dos palas, en la que las palas se extienden radialmente hacia fuera desde el cubo y la hélice presenta una distribución uniforme de las palas, en la que los centros de masa de todas las palas con respecto al cubo presentan la misma distancia radial al cubo y/o todas las palas tienen el mismo peso. En particular, la invención se refiere a una hélice de árbol fijo, una hélice de timón, un motor pivotante o un motor fueraborda para un barco, un bote o un submarino.

La invención se refiere tanto a una hélice de paso fijo (Fixed Pitch Propeller FPP) como a una hélice de paso controlable (Controlable Pitch Propeller CPP). En el caso de las hélices de paso controlable, las palas están fijadas al cubo de forma que puedan girar alrededor de un eje. En este caso, se aplican las especificaciones geométricas para el punto de diseño (design point). Finalmente, también se conocen las denominadas hélices de palas desmontables ("build-up") con palas giratorias, en las que las palas se hacen girar y pueden bloquearse en una posición de giro determinada por medio de tornillos.

Además, la hélice se puede operar con o sin boquilla, cubierta o cubierta parcial. La hélice se puede utilizar como hélice de tracción o de empuje.

Cuando se usan hélices para impulsar embarcaciones, se sabe que las ondas de presión o, respectivamente, los impulsos de presión generados por las palas individuales pueden dar lugar a una excitación de vibración resonante de la embarcación y, por lo tanto, a la generación no deseada de ruido. Para evitar la generación de ruido, por el documento US 2004 / 0235368 A1 se conoce, entre otras cosas, la disposición de las palas a diferentes distancias entre sí a lo largo de la circunferencia del cubo. Además, por los documentos GB 521 868 A y US 4253800 A se conoce la disposición de las palas o, respectivamente, álabes de una hélice con una distribución a distancias irregulares a lo largo de la circunferencia de la hélice. Debido a la disposición irregular de las palas, se anula la regularidad de los choques de presión, que se transmiten desde las puntas de pala de las palas de la hélice al casco del barco, y se reduce la excitación armónica del casco del barco. Simultáneamente, la hélice pierde de esta forma su equilibrio dinámico y puede desarrollar un desequilibrio. Los desequilibrios y las fuerzas de propulsión diferentes a lo largo de la circunferencia de la hélice pueden, por una parte, afectar a la propulsión eficaz y, por otra parte, generar fuerzas mecánicas que pueden afectar a la vida útil del motor del barco y, a su vez, pueden dar lugar de nuevo a la generación de ruido.

Por el documento CN 105 366 017 A se conoce una hélice que presenta un cubo con primeras palas (palas principales) y segundas palas (palas secundarias). Las palas principales y las palas secundarias están distribuidas de forma alterna y uniforme a lo largo de la circunferencia del cubo. La longitud de las palas principales es considerablemente mucho mayor que la longitud de las palas secundarias, en particular el doble.

El estado de la técnica divulga otras hélices con geometrías de pala no convencionales. Así, por el documento US 1 463441 A, el documento US 4514 146 A y el documento KR 2011 0041096 A se conocen hélices cuyas palas están dispuestas de forma irregular. Debido a la distribución no uniforme de las palas, deben temerse desequilibrios. El documento JP S61 64600 A describe una hélice de avión en la que cada pala giratoria presenta una combinación de ángulo inclinado hacia atrás y ángulo inclinado hacia delante. La posición de las puntas de pala no se menciona en este documento. Las publicaciones GB 325538 A, DE 914224 C y KR 20120116098 A divulgan hélices de paso controlable con palas de hélice que pueden girar alrededor de sus ejes longitudinales, parcialmente con correderas de ajuste cíclico. El documento WO 2016/113599 A1 propone, en cambio, palas de hélice que pueden girar individualmente alrededor de ejes paralelos al árbol, pero esta rotación también daría lugar a desequilibrios debido a la distribución no uniforme de las palas. El documento GB 07070 A propone una hélice con una distribución uniforme de las palas pero con un desplazamiento axial de las palas. El documento GB 04977 A propone una hélice con una distribución uniforme de las palas pero con tamaños diferentes de las palas. Ambos podrían dar lugar a desequilibrios. El documento GB 10811 A propone una sola pala que se enrolla alrededor de toda la circunferencia del cubo y presenta una distribución de peso variable desequilibrada.

El objetivo de la presente invención es proporcionar una hélice para una embarcación, cuyas palas de hélice son esencialmente del mismo tamaño o, respectivamente, del mismo peso, por medio de la cual se pueda reducir o evitar eficazmente la generación no deseada de ruido.

El objetivo se alcanza según la invención con las características de la reivindicación 1. Otras formas de realización prácticas y ventajas se desprenden de las reivindicaciones dependientes.

Una hélice según la invención para una embarcación comprende un cubo y al menos dos palas, en la que las palas se extienden en dirección radial hacia fuera desde el cubo hacia la punta de pala, donde se produce el vórtice de punta de la pala, presentando la hélice una distribución uniforme de las palas. En otras palabras, la distancia angular entre los puntos de raíz, ubicados en el cubo, de las generatrices (blade generator lines) de dos palas consecutivas corresponde en cada caso a 360° dividido por el número de palas y por lo tanto es igual para todas las palas. Al igual que con las hélices de barcos convencionales, las palas se distribuyen uniformemente alrededor de la circunferencia del cubo. La distancia angular entre los puntos de raíz de las generatrices de dos palas consecutivas es de 180° para una hélice de dos palas, 120° para una hélice de tres palas, 90° para una hélice de cuatro palas, 72° para una hélice de cinco palas, etc.

La reducción deseada en la excitación armónica se logra debido a que la distancia angular entre las puntas de pala de dos palas consecutivas de la hélice varía con respecto a la distancia angular entre las puntas de pala de otras dos palas consecutivas, es decir, es diferente.

En otras palabras, las puntas de pala están distribuidas irregularmente a lo largo de la circunferencia de la hélice. El ángulo en la dirección de giro de la hélice entre dos puntas de pala consecutivas varía al menos con respecto al ángulo entre otras dos puntas de pala consecutivas. También pueden ser diferentes todos los ángulos entre, en cada caso, dos puntas de pala consecutivas.

El ruido de la hélice es consecuencia de vibraciones armónicas forzadas, sobre todo de la excitación periódica por medio de las palas de hélice individuales a través del casco del barco. La zona crítica, a este respecto, es la posición a lo largo de la hélice. En la punta de pala de la hélice predomina una zona de fuerte presión negativa debido al vórtice cavitante de la punta y al efecto de hidroala de la hélice. Esta zona de presión negativa se propaga a través del espacio como una onda de presión y golpea el casco de la nave. Debido a la variación de las distancias entre las puntas de pala de palas consecutivas, el intervalo de tiempo entre ondas de presión de dos palas consecutivas es diferente. Como resultado, se altera la excitación armónica e incluso se pueden lograr excitaciones que se anulan entre sí. A este respecto, cabe señalar que en la construcción de hélices, el término "punta de pala" puede tener diferentes significados. "Punta de pala" se puede utilizar para denotar el punto de la pala que presenta la mayor distancia radial desde el eje de giro de la hélice, o también el punto de la pala en el que se encuentra la tangente que discurre radialmente con el lado posterior de la pala. En la presente memoria descriptiva, el término "punta de pala" denota la ubicación que genera la zona de presión negativa más fuerte. En esta ubicación se produce generalmente el vórtice de punta de la pala.

En consecuencia, en una hélice de dos palas, la distancia angular entre la primera punta de pala y la segunda punta de pala es diferente de la distancia angular entre la segunda punta de pala y la primera punta a de pala. En otras palabras, la distancia angular entre las dos puntas de pala difiere de 180°. Para hélices con más palas, existen otras posibilidades de variación para la distancia angular, tal como se explica a continuación.

Por medio de los impulsos de presión aperiódicos se evita que la embarcación experimente una excitación a una frecuencia constante que, en el caso más desfavorable, se encuentra próxima a la frecuencia propia de la embarcación. En consecuencia, la hélice según la invención reduce o evita la excitación de vibración resonante de la embarcación, que daría lugar a un aumento de la amplitud de la vibración y, por lo tanto, a un aumento de la intensidad del sonido. La generación de ruido por medio de la hélice se reduce significativamente.

Tal como se ha mencionado anteriormente, el espaciado irregular entre las puntas de pala en las hélices de paso controlable se aplica para el punto de diseño, es decir, la posición de las palas prevista para el funcionamiento normal constante de la hélice.

Una línea recta radial que se extiende desde el punto central del cubo a través del punto de raíz del perfil de pala adyacente al cubo se denomina habitualmente línea de referencia de la hélice (propeller generator line). En el caso de hélices conocidas por el estado de la técnica, la hélice está construida de tal manera que una pala se dispone de forma fija con respecto a la línea de referencia de la hélice y otras palas se disponen en el cubo según esta construcción girando la línea de referencia de la hélice en cada caso el ángulo de distribución de las palas alrededor del eje de la hélice. En una hélice según la invención, al menos una pala presenta un trazado diferente al de otra pala con respecto a la línea de referencia de la hélice. A este respecto, el término línea de referencia de la hélice no se aplica en el presente documento. A los efectos de la presente solicitud, la línea de conexión que discurre radialmente entre el punto central del cubo (el eje de rotación) y el punto de raíz del perfil de una pala adyacente al cubo se denomina línea recta radial a través del punto de raíz.

Los centros de masa de todas las palas presentan la misma distancia radial al cubo. Esto tiene un efecto positivo sobre la concentricidad de la hélice y se evitan desequilibrios. Si el centro de masa de todas las palas de la hélice se encuentra en el mismo plano axial y además presentan la misma distancia radial al cubo, el eje de rotación y el eje principal de inercia de la hélice coinciden y se evitan desequilibrios estáticos y dinámicos.

Como alternativa o adicionalmente, todas las palas tienen el mismo peso.

En la práctica, el espaciado diferente entre puntas de pala consecutivas puede lograrse mediante diferentes trazados de perfil de palas consecutivas. Las palas de las hélices de barcos generalmente se construyen en dirección radial desde el cubo como una serie de secciones de perfil de pala consecutivas. Las secciones de perfil de pala de una pala tienen generalmente longitudes de cuerda, ángulos de ataque y espesores que varían hacia fuera desde el cubo. Cada sección de perfil de pala generalmente se determina en una superficie cilíndrica alrededor del eje de la hélice. Una descripción detallada de las propiedades y características de construcción de hélices para la propulsión de embarcaciones se puede encontrar en el capítulo 3 del libro "Marine Propellers and Propulsión", 3a edición, del autor: John Carlton, ISBN: 9780080971230, que con la presente se incorpora al objeto de la presente descripción.

Las palas de las hélices actuales presentan generalmente una configuración curvada hacia atrás de la pala, también denominada skew. Es decir, los centros de gravedad de las secciones de perfil de pala en el plano de la hélice están desplazados con respecto a una línea recta radial a través del punto de raíz, siendo el punto de raíz el centro de gravedad de la sección de perfil de pala más interna adyacente al cubo. La secuencia de centros de gravedad de todas las secciones de perfil de pala desde el cubo hasta la circunferencia máxima de la hélice es la generatriz de la pala (blade generadorline). En el caso de palas sin configuración curvada hacia atrás de la pala, la generatriz discurre recta en dirección radial. En el caso de palas con configuración curvada hacia atrás de la pala, las secciones de perfil de pala están desplazadas con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz. El trazado radial del desplazamiento puede variarse.

El skew generalmente se mide como el ángulo en la vista proyectada (projected view), es decir, en la vista en planta sobre el plano de la hélice en dirección axial. John Carlton, en el libro mencionado anteriormente, define un ángulo de skew como el ángulo más grande medido en el eje del cubo en la vista o, respectivamente, vista en planta proyectada (projected view) entre dos líneas que discurren desde el eje del cubo hasta la generatriz de la pala. Este es habitualmente el ángulo en la vista en planta entre la tangente del lado delantero a la generatriz y el punto de salida del lado posterior de la generatriz a partir del perfil de pala. Según otra definición, el ángulo de skew se mide en la vista proyectada (projected view) entre la tangente radial, que discurre a través del eje de la hélice, a la generatriz y la tangente radial al borde posterior de la pala. Los valores habituales para el ángulo de skew se encuentran actualmente entre 30° y 50°, pero también pueden ser bastante mayores. Aparte del ángulo de skew existe según G. Kuiper "The Wageningen Propeller Series" una distribución de skew en la que se determina el trazado radial de la configuración curvada hacia atrás del perfil local. A este respecto, también se pueden seleccionar diferentes distribuciones radiales del trazado del skew para el mismo ángulo de skew. En un denominado "skew equilibrado" ("balanced skew"), las secciones interiores del perfil de pala cerca del cubo en la dirección de giro están desplazadas con respecto a la línea recta radial desde el punto de raíz (centro de cuerda de la sección de perfil de pala adyacente al cubo). Por lo tanto, en esta zona, la pala presenta una configuración curvada hacia delante. El desplazamiento varía de forma continua, cortando la generatriz la línea recta radial a través del punto de raíz y extendiéndose después más hacia atrás de modo que en la zona exterior de la pala se obtenga una configuración curvada hacia atrás. En los diseños actuales, la generatriz corta la línea recta a través del punto de raíz a un valor de 0,7 de la extensión radial de la pala.

Sin embargo, también se conoce un denominado "skew sesgado" ("biased skew"), en el que las secciones de perfil de pala presentan a partir del cubo una configuración curvada hacia atrás, es decir, están desplazadas con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz en contra de la dirección de giro. A este respecto, se muestran las ventajas de la definición de Carlton del skew dado que no existe una tangente real a la generatriz. Por ejemplo, las puntas de pala de palas con el mismo ángulo de skew, pero diferente trazado de skew pueden encontrarse en diferentes posiciones angulares en la vista proyectada de la hélice. También es posible un desplazamiento en la dirección de giro y generalmente se denomina "skew hacia atrás" ("backward skeW).

En la práctica, al menos dos palas de la hélice pueden presentar un trazado de configuración curvada hacia atrás de pala [skew] diferente para obtener los diferentes valores de las distancias angulares entre las puntas de pala de un primer par y un segundo par de palas consecutivas. A este respecto, las dos palas pueden presentar diferentes ángulos de skew. Como alternativa o adicionalmente, las dos palas pueden tener diferentes curvaturas de las generatrices para obtener los diferentes valores de las distancias angulares entre las puntas de pala de un primer par y un segundo par de palas consecutivas. Hasta la fecha, solo se conocen hélices en las que las palas individuales tienen formas en gran medida idénticas. La propuesta de surtir las palas con secciones de perfil iguales o similares, pero proporcionando diferentes trazados de la configuración curvada hacia atrás de pala, permite crear palas con propiedades hidrodinámicas muy similares, que sin embargo presentan una posición diferente de la punta de pala con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz de la generatriz para cada pala. Como resultado, se pueden reducir las excitaciones armónicas provocadas por la hélice, pero se puede realizar, no obstante, un diseño equilibrado (balanced).

El trazado de la generatriz de una primera pala puede diferir del trazado de la generatriz de la al menos otra pala. Esto da como resultado un trazado diferente del skew, lo que da lugar a un desplazamiento de la punta de pala.

Para determinar diferentes skews en las palas de una hélice, es suficiente medir el ángulo en el plano proyectado entre la tangente al borde delantero y la tangente al borde posterior. Aunque el ángulo determinado no corresponde ciertamente a la definición de skew, permite reconocer trazados cambiantes en la forma del álabe de un álabe a otro.

En la práctica, al menos dos palas pueden presentar diferentes extensiones en la dirección radial. También en la práctica, el trazado del paso de la primera pala desde el punto de raíz hasta la punta de pala puede diferir del trazado del paso de la al menos otra pala

Cuando una pala tiene un skew muy reducido, los impulsos de presión inducidos por los vórtices de punta se vuelven más fuertes. Para reducir los impulsos se puede aligerar la carga de la punta de pala. Esto significa que se reduce el paso en la punta de pala (se reduce el ángulo de ataque del perfil). Como resultado, los impulsos de presión disminuyen en términos de magnitud, ya que se genera menos empuje en la punta. Si se aligera la carga de la punta, se debe aumentar el paso en las secciones de perfil de pala inferiores, ya que esta es la única forma de garantizar el mismo consumo de potencia entre las diferentes palas.

Si la hélice presenta un número par de palas superior a dos, las palas opuestas pueden estar diseñadas de forma idéntica. Esto asegura que las palas opuestas no creen un desequilibrio de masa y presenten las mismas propiedades hidrodinámicas. Debido a la forma de pala diferente de las palas dispuestas entre las palas diametralmente opuestas, se evita una frecuencia constante de los impulsos de presión que se generan.

Como alternativa, o en el caso de un número impar de palas, todas las palas pueden tener también posiciones de las puntas de pala diferentes entre sí. Esto da como resultado un grado particularmente alto de diferenciación con respecto a una excitación de presión armónica, aunque se deben tomar medidas constructivas para mantener el equilibrio de la hélice.

Para evitar desequilibrios estáticos y dinámicos, el trazado de la inclinación de la pala [rake] se puede adaptar al trazado de la configuración curvada hacia atrás de la pala. Las variaciones en el trazado de la configuración curvada hacia atrás de la pala (skew) y el paso (pitch) de las palas individuales, que causan la variación de la posición de la punta de pala, se pueden compensar ajustando el trazado de la inclinación de la pala, es decir, el desplazamiento del perfil en la dirección del eje de la hélice, que equilibra toda la hélice.

Al variar el skew y, por lo tanto, el trazado de la generatriz de las diferentes palas puede obtenerse como resultado diferentes longitudes de las generatrices. El aumento de peso resultante se puede compensar, por ejemplo, variando las longitudes de cuerda o los espesores de perfil de las secciones de perfil de pala individuales en sus diferentes secciones de perfil radiales.

La distancia de las puntas de pala de dos palas consecutivas se puede seleccionar de tal manera que en el punto de diseño los impulsos de presión generados por las diferentes puntas de pala se anulen entre sí al menos parcialmente cuando alcanzan el casco del barco.

En el punto de diseño, es decir, en el caso de una hélice rígida a velocidad de giro nominal y en el caso de una hélice de paso cambiable a una velocidad de giro nominal y con el ángulo de ataque de pala especificado para un funcionamiento continuo, no solo se anula, en consecuencia, la frecuencia constante de los impulsos de presión. Los impulsos de presión provocados por puntas de pala consecutivas pueden sucederse de tal manera que se anulen, al menos parcialmente, entre sí en el casco del barco.

La distancia de las puntas de pala de dos palas consecutivas se puede seleccionar de tal manera que en el punto de diseño, el impulso de presión contrarreste la vibración del casco.

A continuación se describen formas de realización prácticas de la invención con respecto a las figuras adjuntas. Estas muestran:

Figura 1: una primera forma de realización de una hélice según la invención con tres palas en una vista en planta en el plano de la hélice,

Figura 2: la primera forma de realización de la figura 1 con generatrices y líneas rectas radiales dibujadas a través de los puntos de raíz,

Figura 3: la primera forma de realización de las figuras 1 y 2 con ángulo de skew especificado,

Figura 4: una segunda forma de realización de una hélice según la invención con cuatro palas en una vista en planta en el plano de la hélice,

Figura 5: una tercera forma de realización de una hélice según la invención con cuatro palas en una vista en planta en el plano de la hélice,

Figura 6: una cuarta forma de realización de una hélice según la invención con seis palas en una vista en planta en el plano de la hélice, y

Figura 7: una representación esquemática de los impulsos de presión generados,

Figura 8: un diagrama del trazado de los espesores del perfil y las longitudes de cuerda de las secciones radiales de un perfil de pala de ejemplo

Figura 9: un diagrama de la distribución de espesores de perfil y longitudes de cuerda en vista en planta en el plano de la hélice,

Figura 10: una sección de radio escalada de un perfil de pala,

Figura 11: elementos de volumen generados a partir de los espesores del perfil,

Figura 12: trazado de los espesores de perfil y longitudes de cuerda con un desplazamiento de los perfiles en la sección exterior de la pala,

Figura 13: trazado de los espesores de perfil y longitudes de cuerda con un desplazamiento de los perfiles en toda la extensión de la pala,

Figura 14: comparación de la generatriz con trazado de skew con el trazado de la generatriz del diseño inicial. En la figura 1 se representa una hélice 10 para una embarcación en una primera forma de realización. En el presente caso, la hélice 10 se muestra en una vista en planta en el plano de la hélice en la dirección del eje de rotación de la hélice 10. En consecuencia, el eje de rotación de la hélice 10 se extiende en el plano de la hoja. La hélice 10 presenta un cubo 12 que solo se representa esquemáticamente. Partiendo del cubo 12, se extienden tres palas 14a, 14b, 14c en dirección radial.

Cada una de las palas 14a, 14b, 14c presenta una punta de pala 16a, 16b, 16c, definiéndose la punta de pala 16a, 16b, 16c como la ubicación que produce la zona de presión negativa más fuerte y en la que se genera el vórtice de punta de la pala 14a, 14b, 14c. En la forma de realización mostrada, las puntas de pala 16a, 16b, 16c son cada una el centro de gravedad de la sección de perfil radialmente más exterior. Tal como se ha mencionado anteriormente, una sección de perfil es una sección a través de cada una de las palas 14a, 14b, 14c, que descansa sobre una superficie cilíndrica.

La distancia angular entre las respectivas puntas de pala 16a, 16b, 16c de las palas 14a, 14b, 14c varía. En la forma de realización que se muestra en esta figura, la distancia angular entre la primera punta de pala 16a de la primera pala 14a y la segunda punta de pala 16b de la segunda pala 14b es de 114,27°. La distancia angular entre la segunda punta de pala 16b y la tercera punta de pala 16c es también de 114,21° y la distancia angular entre la tercera punta de pala 16c y la primera punta de pala 16a es de 131,52°.

En la figura 2 se muestra de nuevo la hélice 10 de la figura 1, estando dibujada en esta figura adicionalmente una generatriz 18a, 18b, 18c. La generatriz 18a, 18b, 18c conecta respectivamente los centros de gravedad de las secciones de perfil individuales de la pala 14a, 14b, 14c correspondiente.

La zona en la que las palas 14a, 14b, 14c están unidas al cubo 12 es la zona de la raíz. El centro de gravedad de la sección de perfil radialmente más interior se denomina punto de raíz 20a, 20b, 20c. En la figura 2, además de la generatriz 18a, 18b, 18c, también está dibujada una línea recta radial (línea discontinua) a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c para cada pala 14a, 14b, 14c, que en cada caso es ortogonal al eje de rotación de la hélice 10 y discurre a través del mismo y a través del punto de raíz 20a, 20b, 20c de la pala 14a, 14b, 14c respectiva. La distancia angular de las líneas rectas radiales a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c indica la distribución de las palas. La distribución de las palas es uniforme, es decir, la distancia angular de las líneas rectas radiales a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c es la misma entre todas las palas 14a, 14b, 14c consecutivas. En el caso de tres palas 14a, 14b, 14c, la distancia angular entre dos rectas radiales consecutivas a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c es de 120° en cada caso.

La línea recta radial a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c y la generatriz 18a, 18b, 18c se cortan en el punto de raíz 20a, 20b, 20c. Las palas 14a, 14b, 14c que se muestran en esta figura son palas 14a, 14b, 14c con el denominado "skew equilibrado" ("balanceó skeW), es decir, la generatriz 18a, 18b, 18c se extiende en una sección radial interior en la dirección de giro con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c y en una sección radialmente exterior opuesta a la dirección de giro con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c. El punto de corte de la generatriz 18a, 18b, 18c de cada pala 14a, 14b, 14c con la línea recta radial 22a, 22b, 22c a través del punto de raíz 22a, 22b, 22c presenta una distancia radial al eje de la hélice que corresponde aproximadamente a 0,7 veces el radio de la hélice.

En el primer ejemplo de forma de realización, la distancia angular variable entre las puntas de pala 16a, 16b, 16c viene provocada por un trazado diferente de las generatrices 18a, 18b, 18c y un ángulo de skew diferente.

En la figura 3, se representa el ángulo de skew. Aunque también se utilizan diferentes definiciones en la literatura, en el marco de la presente solicitud el skew denota el ángulo entre una tangente 24a, 24b, 24c, que discurre radialmente al eje de la hélice, al punto más exterior o respectivamente más delantero de la generatriz 18a, 18b, 18c en la dirección de giro y una tangente radial 26a, 26b, 26c al borde posterior de la pala 14a, 14b, 14c respectiva. En el presente caso, los tres ángulos de skew son diferentes. El ángulo de skew de la primera pala 14a es de 39,48°, el ángulo de skew de la segunda pala 14b es de 35,90° y el ángulo de skew de la tercera pala 14c es de 32,31°.

Se indica que también se puede lograr una distancia angular variable de las puntas de pala 16a, 16b, 16c si, con el mismo ángulo de skew, solo varía el trazado de las generatrices 18a, 18b, 18c de las tres palas.

En la figura 4, se representa una segunda forma de realización de una hélice 100. En el cubo 112 de esta segunda forma de realización están dispuestas cuatro palas 114a, 114b, 114c, 114d. Las palas diametralmente opuestas entre sí 114a, 114b, 114c, 114d tienen en cada caso un diseño idéntico. Un par de palas diametralmente opuestas 114a, 114c difiere del otro par de palas 114b, 114d. Esto significa que la primera pala 114a y la tercera pala 114c presentan, con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz (no representado en la figura 4), un trazado idéntico de la generatriz (no representada en la figura 4) y también un ángulo de skew idéntico. Lo mismo se aplica a la segunda pala 114b y la cuarta pala 114d, siendo diferentes el trazado de la generatriz y el ángulo de skew de los de la primera pala 114a y la tercera pala 114c.

La distancia angular entre la primera punta de pala 116a y la segunda punta de pala 116b, y la distancia angular entre la tercera punta de pala 116c y la cuarta punta de pala 116d es de 100,50° en cada caso. La distancia angular entre la segunda punta de pala 116b y la tercera punta de pala 116c, y la distancia angular entre la cuarta punta de pala 116d y la primera punta de pala 116a es de 79,50° en cada caso.

La figura 5 muestra una tercera forma de realización de una hélice 200, en cuyo cubo 210 también están dispuestas cuatro palas 214a, 214b, 214c, 214d. Cada una de las cuatro palas 214a, 214b, 214c, 214d presenta un trazado diferente de la generatriz con respecto a la línea recta radial a través del punto de raíz y un ángulo de skew diferente.

Las distancias angulares entre las puntas de pala individuales 216a, 216b, 216d, 216d son todas diferentes en esta tercera forma de realización. La distancia angular entre la primera punta de pala 216a y la segunda punta de pala 216b es de 100,93°. La distancia angular entre la segunda punta de pala 216b y la tercera punta de pala 216c es de 79,46°. La distancia angular entre la tercera punta de pala 216c y la cuarta punta de pala 216d es de 85,37° y la distancia angular entre la cuarta punta de pala 216d y la primera punta de pala 216a es de 94,25°.

La cuarta forma de realización de una hélice 300 mostrada en la figura 6 presenta seis palas 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f, cada una de las cuales se extiende desde el cubo 312 en dirección radial. Cada par de palas diametralmente opuestas presentan un diseño idéntico. La distancia angular entre la primera punta de pala 316a y la segunda punta de pala 316b, y entre la cuarta punta de pala 316d y la quinta punta la pala 316e es de 62,86° La distancia angular entre la segunda punta de pala 316b y la tercera punta de pala 316c, y la quinta punta de pala 316e y la sexta punta de pala 316f es de 70,50°. La distancia angular entre la tercera punta de pala 316c y la cuarta punta de pala 316d, y entre la sexta punta de pala 316f y la primera punta de pala 316a es de 46,64°.

La figura 7 muestra esquemáticamente un trazado de presión para dos hélices diferentes. La línea discontinua muestra un trazado de presión 28 de una hélice conocida del estado de la técnica con cuatro palas idénticas. Las puntas de pala consecutivas presentan cada una la misma distancia angular y a velocidad de giro constante los máximos de los impulsos de presión se suceden con la misma frecuencia y amplitud. Estos impulsos de presión excitan el casco del barco de manera muy uniforme. Si la frecuencia de los impulsos de presión que parten de una hélice de este tipo con palas idénticas se encuentra próxima a una frecuencia propia del casco de la embarcación, el casco se excita produciendo una vibración resonante y puede producirse una carga acústica y una carga dinámica del casco considerables.

La línea continua muestra un trazado de presión 30 para un ejemplo de hélice según la invención con cuatro palas. Por ejemplo, podría ser una hélice según la tercera forma de realización, en la que las cuatro palas presentan en cada caso diferentes distancias angulares.

Como puede observarse claramente, los máximos de los impulsos de presión en la curva 30 se producen de forma aperiódica y solo se repiten después de una revolución completa de la hélice. Además, un trazado diferente de las generatrices y de los ángulos de skew provoca un nivel diferente de presión que surge en la punta de la pala y, por lo tanto, una amplitud diferente de la señal calculada. Así se evita una excitación uniforme y en particular resonante del casco de un barco y se contrarresta eficazmente la generación de ruido.

En la descripción anterior, se ha debatido principalmente la geometría de las palas de las hélices en la vista en planta en el plano de la hélice en la dirección axial. En esta vista se muestra la distancia angular entre las puntas de pala de palas consecutivas de una hélice, que es determinante para reducir las excitaciones armónicas del casco del barco. Con respecto a la determinación de las demás características geométricas de las palas de la hélice, existe libertad de diseño. Por ejemplo, en el capítulo 3 del libro "Marine Propellers and Propulsion", 3a edición, del autor: John Carlton, ISBN: 9780080971230 se describen las normas para establecer la geometría de la hélice y de las palas. A continuación, las especificaciones de geometría que definen una hélice funcional y equilibrada se explican mediante un ejemplo.

Para realizar una hélice con diferentes distancias angulares entre las puntas de pala, se procede de la siguiente manera para cada pala:

1. Establecimiento del equilibrio cilíndrico

En una primera etapa, se selecciona cualquier número de secciones de radios de la pala, sobre las que se definen los perfiles. Se selecciona una distribución de espesor de perfil radial y una distribución de longitud de perfil. En la figura 8 se muestra un trazado de ejemplo del espesor del perfil y de la longitud de la cuerda frente al radio. Estas distribuciones dan como resultado la pala de la hélice que se representa en la figura 9 en una vista en planta sin skew. La generatriz de la pala discurre hacia arriba en línea recta en la figura 9 y conecta el centro de la cuerda de los perfiles de pala en las respectivas secciones de radios. En los perfiles seleccionados, el centro de la cuerda coincide con el respectivo centro de gravedad del perfil. En la distribución de los perfiles de pala sin skew que se observa en la figura 9, la generatriz corresponde a la línea recta radial a través del punto de raíz. La línea de puntos representa el borde delantero (leading edge = L.E.) y la línea discontinua representa el borde posterior (trailing edge = T.E.

Para desplazar la posición de la punta de pala es conveniente utilizar el procedimiento siguiente.

En general, se utilizan distribuciones de espesor similares de los perfiles de pala en todas las secciones de radios. La distribución del espesor tiene un factor de forma fijo, que indica qué proporción del producto de la longitud de la cuerda y el espesor de perfil máximo está cubierta por la superficie de la sección de radios. Por lo tanto, la superficie de un perfil puede aproximarse muy bien mediante el producto

espesor de perfil * longitud de cuerda * factor de forma.

En la figura 10 se representa esquemáticamente un ejemplo de un trazado de un perfil escalado. Dependiendo de la distancia radial, se generan elementos de volumen a partir de las superficies de perfil. Los diferentes tamaños de estos elementos de volumen frente al radio de la hélice se pueden observar en la figura 11.

Estos elementos de volumen corresponden también a la distribución radial de los porcentajes en el peso total del pala, de la que se deduce la posición del centro de gravedad de la pala tanto en dirección radial como en dirección circunferencial. Para obtener una hélice equilibrada, todas las palas deben tener el mismo peso y sus centros de gravedad deben distribuirse uniformemente a lo largo de toda la circunferencia de la hélice.

Si la punta de pala se desplaza en dirección opuesta a la dirección de giro, el centro de gravedad general de la hélice también se desplaza en la misma dirección, de forma correspondiente al porcentaje de los elementos de volumen desplazados. En una primera etapa, se selecciona el desplazamiento de la punta de pala para la pala. El trazado de los espesores de perfil y las longitudes de cuerda con un desplazamiento de los perfiles en la sección exterior de la pala en dirección contraria a su dirección de giro, es decir, hacia el borde posterior (T.E.), se representa en la figura 12.

En la segunda etapa, las secciones de radios radialmente interiores se deben desplazar en la dirección opuesta para volver a desplazar el centro de gravedad de modo que discurra a través del punto de raíz (centro de perfil del perfil adyacente al cubo). Si la posición inicial de la punta de pala de la figura 9 debe cambiarse a la posición de la figura 12, el trazado de las generatrices debe desplazarse en el intervalo de 0,2 a 0,7 del radio de la hélice en la dirección de giro, es decir hacia el borde delantero (L.E.), hasta que el centro de gravedad vuelva a encontrarse en 0, es decir, a través del punto de raíz.

Este trazado de la generatriz se representa en la figura 13. En el caso de grandes gradientes de contorno, debe asegurarse de que el número de puntos de apoyo se seleccione en consecuencia.

2. Establecimiento del equilibrio axial

Para este propósito, según Carlton (loc. cit., capítulo 3.4, páginas 33 - 35), se calcula la inclinación de la pala, que se atribuye a la configuración curvada hacia atrás de la pala (skew induced rake) y se traza negativamente como rake. La figura 14 muestra una comparación de la generatriz con trazado de skew con el trazado de la generatriz del diseño inicial del perfil de pala.

Las características de la invención divulgadas en la presente descripción, en las figuras y en las reivindicaciones pueden ser esenciales tanto individualmente como en cualquier combinación para la realización de la invención en sus diversas formas de realización. La invención no se limita a las formas de realización descritas. Puede variar dentro del alcance de las reivindicaciones y teniendo en cuenta los conocimientos del experto en la técnica.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Hélice para una embarcación con un cubo (12, 112, 212, 312) y por lo menos dos palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f), en la que las palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) se extienden desde el cubo (12, 112, 212, 312) en dirección radial hacia fuera hacia la punta de pala (16a, 16b, 16c, 116a, 116b, 116c, 116d, 216a, 216b, 216c, 216d, 316a, 316b, 316c, 316d, 316e, 316f), donde se produce el vórtice de punta de la pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f), en la que los centros de masa de todas las palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) con respecto al cubo (12, 112, 212, 312) tienen la misma distancia radial con respecto al cubo (12, 112, 212, 312) y/o todas las palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) tienen el mismo peso, en la que la hélice (10, 100, 200, 300) presenta una distribución uniforme de las palas, de manera que para todas las palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) de la hélice (10, 100, 200, 300) la distancia angular entre los puntos de raíz (20a, 20b, 20c) que se encuentran en el cubo de las generatrices (18a, 18b, 18c) de cada dos palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) consecutivas es igual, y en la que la distancia angular entre las puntas de pala (16a, 16b, 16c, 116a, 116b, 116c, 116d, 216a, 216b, 216c, 216d, 316a, 316b, 316c, 316d, 316e, 316f) de dos palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f ) consecutivas de la hélice (10, 100, 200, 300) es diferente con respecto a la distancia angular entre las puntas de pala (16a, 16b, 16c, 116a, 116b, 116c, 116d, 216a, 216b, 216c, 216d, 316a, 316b, 316c, 316d, 316e, 316f) de otras dos palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314 d, 314e, 314f) consecutivas, de tal manera que por lo menos dos palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) de la hélice (10, 100, 200, 300) presentan un trazado diferente de la configuración curvada hacia atrás de la pala,

y/o

el trazado de la generatriz (18a, 18b, 18c) de una primera pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) difiere del trazado de la generatriz (18a, 18b, 18c) de por lo menos otra pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f).

2. Hélice según la reivindicación anterior, caracterizada por que al menos dos palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) presentan diferentes extensiones en dirección radial.

3. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que el trazado del paso de la primera pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) difiere del trazado del paso de dicha por lo menos otra pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f).

4. Hélice según la reivindicación anterior, caracterizada por que, en el caso de un número par de palas (114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) y por lo menos cuatro palas (114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f), en cada caso, dos palas (114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) situadas de forma diametralmente opuesta están configuradas de forma idéntica.

5. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que los centros de masa de todas las palas (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) se encuentran en el mismo plano axial con respecto al cubo (12, 112, 212, 312).

6. Hélice según la reivindicación 5, caracterizada por que el trazado de la inclinación de la pala está adaptado al trazado de la configuración curvada hacia atrás de la pala.

7. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la longitud de la generatriz (18a, 18b, 18c) en dirección radial de por lo menos una pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) difiere de la longitud de la generatriz de por lo menos otra pala (14a, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f).

8. Hélice según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada por que la distancia de las puntas de pala (16a, 16b, 16c, 116a, 116b, 116c, 116d, 216a, 216b, 216c, 216d, 316a, 316b, 316c, 316d, 316e, 316f) de dos palas (14a, 14b, 14b, 14c, 114a, 114b, 114c, 114d, 214a, 214b, 214c, 214d, 314a, 314b, 314c, 314d, 314e, 314f) consecutivas se selecciona de manera que, en el punto de diseño, los impulsos de presión generados por las puntas de pala (16a , 16b, 16c, 116a, 116b, 116c, 116d, 216a, 216b, 216c, 216d, 316a, 316b, 316c, 316d, 316e, 316f) contrarrestan la excitación del casco del barco por impulsos de presión de las puntas de pala (16a, 16b, 16c, 116a, 116b, 116c, 116d, 216a, 216b, 216c, 216d, 316a, 316b, 316c, 316d, 316e, 316f) situadas delante.