Una hélice (coloquialmente llamada a menudo tornillo si está en un barco o hélice si está en un avión ) es un dispositivo con un cubo giratorio y palas radiantes que se colocan en un paso para formar una espiral helicoidal que, cuando gira, ejerce un empuje lineal sobre un fluido de trabajo como agua o aire. [1] Las hélices se utilizan para bombear fluido a través de una tubería o conducto, o para crear empuje para impulsar un barco a través del agua o un avión a través del aire. Las palas tienen forma de modo que su movimiento de rotación a través del fluido provoca una diferencia de presión entre las dos superficies de la pala según el principio de Bernoulli que ejerce fuerza sobre el fluido. [2] La mayoría de las hélices marinas son hélices de tornillo con palas helicoidales que giran sobre un eje de hélice con un eje aproximadamente horizontal. [a]
El principio empleado al utilizar una hélice de tornillo se deriva del remo de popa . En el remo, una sola pala se mueve a través de un arco, de lado a lado, teniendo cuidado de seguir presentando la pala al agua en el ángulo efectivo. La innovación introducida con la hélice de tornillo fue la extensión de ese arco en más de 360° uniendo la pala a un eje giratorio. Las hélices pueden tener una sola pala , pero en la práctica casi siempre hay más de una para equilibrar las fuerzas involucradas.
El origen de la hélice de tornillo comienza al menos desde Arquímedes (c. 287 – c. 212 a. C.), quien usó un tornillo para levantar agua para riego y achicar barcos, de manera tan famosa que llegó a ser conocido como el tornillo de Arquímedes . Probablemente fue una aplicación del movimiento en espiral en el espacio (las espirales fueron un estudio especial de Arquímedes) a una rueda hidráulica hueca y segmentada utilizada para irrigación por los egipcios durante siglos. Un juguete volador, el helicóptero de bambú , se empezó a disfrutar en China alrededor del año 320 d.C. Más tarde, Leonardo da Vinci adoptó el principio del tornillo para impulsar su helicóptero teórico, cuyos bocetos incluían un gran tornillo de lona en lo alto.
En 1661, Toogood y Hays propusieron utilizar tornillos para la propulsión por chorro de agua, aunque no como hélice. [3] Robert Hooke en 1681 diseñó un molino de agua horizontal que era notablemente similar a la hélice de eje vertical Kirsten-Boeing diseñada casi dos siglos y medio después, en 1928; dos años más tarde, Hooke modificó el diseño para proporcionar fuerza motriz a los barcos a través del agua. [4] En 1693, un francés llamado Du Quet inventó una hélice de tornillo que se probó en 1693 pero luego se abandonó. [5] [6] En 1752, la Academia de Ciencias de París concedió a Burnelli un premio por el diseño de una rueda de hélice. Casi al mismo tiempo, el matemático francés Alexis-Jean-Pierre Paucton propuso un sistema de propulsión de agua basado en el tornillo de Arquímedes. [4] En 1771, el inventor de la máquina de vapor James Watt , en una carta privada, sugirió usar "remos en espiral" para propulsar barcos, aunque no los usó con sus máquinas de vapor, ni implementó nunca la idea. [7]
Uno de los primeros usos prácticos y aplicados de una hélice fue en un submarino llamado Turtle que fue diseñado en New Haven, Connecticut , en 1775 por el estudiante e inventor de Yale David Bushnell , con la ayuda del relojero, grabador y fundidor de latón Isaac Doolittle. . El hermano de Bushnell, Ezra Bushnell, y el carpintero y relojero Phineas Pratt construyeron el casco en Saybrook, Connecticut . [8] [9] En la noche del 6 de septiembre de 1776, el sargento Ezra Lee pilotó el Turtle en un ataque al HMS Eagle en el puerto de Nueva York . [10] [11] Turtle también tiene la distinción de ser el primer submarino utilizado en batalla. Bushnell describió más tarde la hélice en una carta de octubre de 1787 a Thomas Jefferson : "Un remo formado según el principio del tornillo se fijó en la parte delantera del barco, su eje entró en el barco y, al girarlo en un sentido, el barco remó hacia adelante, pero al girarlo, de otra manera lo remaba hacia atrás. Estaba hecho para girarlo con la mano o con el pie." [12] La hélice de latón, como todas las piezas móviles y de latón del Turtle , fue diseñada por Issac Doolittle de New Haven. [13]
En 1785, Joseph Bramah de Inglaterra propuso una solución de hélice consistente en una varilla que atravesaba la popa submarina de un barco unida a una hélice de palas, aunque nunca la construyó. [14]
En febrero de 1800, Edward Shorter de Londres propuso utilizar una hélice similar unida a una varilla inclinada hacia abajo desplegada temporalmente desde la cubierta por encima de la línea de flotación y, por lo tanto, no requería sello de agua, y estaba destinada únicamente a ayudar a los veleros en calma. Lo probó en el barco de transporte Doncaster en Gibraltar y Malta, alcanzando una velocidad de 2,4 km/h (1,5 mph). [15]
En 1802, el abogado e inventor estadounidense John Stevens construyó un barco de 7,6 m (25 pies) con una máquina de vapor rotativa acoplada a una hélice de cuatro palas. La nave alcanzó una velocidad de 6,4 km/h (4 mph), pero Stevens abandonó las hélices debido al peligro inherente al uso de máquinas de vapor de alta presión. Sus embarcaciones posteriores fueron botes con ruedas de paletas. [15]
En 1827, el inventor checo Josef Ressel había inventado una hélice de tornillo con múltiples palas sobre una base cónica. Lo probó en febrero de 1826 en un barco de propulsión manual y lo utilizó con éxito en un barco de vapor en 1829. Su barco Civetta de 48 toneladas alcanzó los 6 nudos. Este fue el primer barco propulsado por tornillo de Arquímedes que tuvo éxito. Sus experimentos fueron prohibidos por la policía después de un accidente con una máquina de vapor. Ressel, inspector forestal, tenía una patente austrohúngara para su hélice. La hélice de tornillo fue una mejora con respecto a las ruedas de paletas, ya que no se veía afectada por los movimientos del barco ni por los cambios de calado. [dieciséis]
John Patch , un marinero de Yarmouth, Nueva Escocia, desarrolló una hélice de dos palas en forma de abanico en 1832 y la demostró públicamente en 1833, impulsando un bote de remos a través del puerto de Yarmouth y una pequeña goleta costera en Saint John, Nuevo Brunswick , pero su La solicitud de patente en Estados Unidos fue rechazada hasta 1849 por no ser ciudadano americano. [17] Su eficiente diseño recibió elogios en los círculos científicos estadounidenses [18] pero para entonces se enfrentaba a múltiples competidores.
A pesar de la experimentación con la propulsión por tornillo antes de la década de 1830, pocos de estos inventos llegaron a la etapa de prueba y aquellos que resultaron insatisfactorios por una razón u otra. [19]
En 1835, dos inventores británicos, John Ericsson y Francis Pettit Smith , comenzaron a trabajar por separado en el problema. Smith fue el primero en obtener una patente para una hélice de tornillo el 31 de mayo, mientras que Ericsson, un talentoso ingeniero sueco que entonces trabajaba en Gran Bretaña, presentó su patente seis semanas después. [20] Smith construyó rápidamente un pequeño modelo de barco para probar su invento, que se demostró primero en un estanque en su granja de Hendon , y luego en la Royal Adelaide Gallery of Practical Science en Londres , donde fue visto por el Secretario de la Marina. , Sir William Barrow. Habiendo conseguido el patrocinio de un banquero londinense llamado Wright, Smith construyó un barco de canal de 30 pies (9,1 m), 6 caballos de fuerza (4,5 kW) y una carga de seis toneladas llamado Francis Smith , que estaba equipado con su hélice de madera y lo demostró en el Canal de Paddington desde noviembre de 1836 hasta septiembre de 1837. Por un accidente fortuito, la hélice de madera de dos vueltas resultó dañada durante un viaje en febrero de 1837, y para sorpresa de Smith, la hélice rota, que ahora constaba de una sola vuelta, duplicó la velocidad del barco. velocidad anterior, de aproximadamente cuatro millas por hora a ocho. [20] Smith posteriormente presentaría una patente revisada de acuerdo con este descubrimiento accidental.
Mientras tanto, Ericsson construyó un barco de vapor de propulsión helicoidal de 45 pies (14 m), Francis B. Ogden, en 1837, y demostró su barco en el río Támesis a altos miembros del Almirantazgo británico , incluido el Topógrafo de la Armada Sir William Symonds. . A pesar de que el barco alcanzaba una velocidad de 10 millas por hora, comparable a la de los barcos de vapor existentes , Symonds y su séquito no quedaron impresionados. El Almirantazgo mantuvo la opinión de que la propulsión por tornillo sería ineficaz en el servicio oceánico, mientras que el propio Symonds creía que los barcos propulsados por tornillo no se podían gobernar eficientemente. [b] Tras este rechazo, Ericsson construyó un segundo barco de propulsión helicoidal, más grande, Robert F. Stockton , y lo hizo navegar en 1839 a los Estados Unidos, donde pronto ganaría fama como diseñador del barco de la Marina de los EE. UU . Primer buque de guerra de propulsión helicoidal, el USS Princeton . [21]
Aparentemente consciente de la opinión de la Royal Navy de que las hélices de tornillo resultarían inadecuadas para el servicio marítimo, Smith decidió demostrar que esta suposición era errónea. En septiembre de 1837, se hizo a la mar con su pequeño barco (ahora equipado con una hélice de hierro de una sola vuelta), navegando desde Blackwall, Londres, hasta Hythe, Kent , con escalas en Ramsgate , Dover y Folkestone . En el camino de regreso a Londres el día 25, oficiales de la Royal Navy observaron que la embarcación de Smith avanzaba en mares tormentosos. Esto reavivó el interés del Almirantazgo y se animó a Smith a construir un barco de tamaño completo para demostrar la tecnología de manera más concluyente. [22]
El SS Archimedes fue construido en 1838 por Henry Wimshurst de Londres, como el primer barco de vapor del mundo [c] impulsado por una hélice de tornillo. [23] [24] [25] [26]
Arquímedes tuvo una influencia considerable en el desarrollo de los barcos, fomentando la adopción de la propulsión por tornillo por parte de la Royal Navy , además de su influencia en los buques comerciales. Las pruebas con el Arquímedes de Smith condujeron a una competencia de tira y afloja en 1845 entre el HMS Rattler y el HMS Alecto con el Rattler de tornillo empujando el vapor de ruedas Alecto hacia atrás a 2,5 nudos (4,6 km/h). [27]
Arquímedes también influyó en el diseño del SS Gran Bretaña de Isambard Kingdom Brunel en 1843, entonces el barco más grande del mundo y el primer barco de vapor de propulsión helicoidal que cruzó el Océano Atlántico en agosto de 1845.
El HMS Terror y el HMS Erebus fueron modificados en gran medida para convertirse en los primeros barcos de la Royal Navy en tener motores de vapor y hélices de tornillo. Ambos participaron en la expedición perdida de Franklin , vista por última vez en julio de 1845 cerca de la bahía de Baffin .
El diseño de hélice de tornillo se estabilizó en la década de 1880.
Los hermanos Wright fueron pioneros en la forma retorcida del perfil aerodinámico de las hélices de los aviones modernos. Se dieron cuenta de que una hélice de aire era similar a un ala. Lo verificaron mediante experimentos en el túnel de viento . Introdujeron un giro en sus espadas para mantener constante el ángulo de ataque. Sus palas eran sólo un 5% menos eficientes que las utilizadas 100 años después. [28] La comprensión de la aerodinámica de las hélices de baja velocidad se completó en la década de 1920, aunque el aumento de potencia y los diámetros más pequeños agregaron restricciones de diseño. [29]
Alberto Santos Dumont , otro pionero, aplicó los conocimientos adquiridos a partir de experiencias con dirigibles para fabricar una hélice con eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis . Algunos de sus diseños utilizaron una lámina de aluminio doblada como pala, creando así una forma de perfil aerodinámico. Tenían mucha inclinación , y esto, sumado a la ausencia de torsión longitudinal, las hacía menos eficientes que las hélices Wright. Aun así, este puede haber sido el primer uso de aluminio en la construcción de una hélice.
En el siglo XIX se propusieron varias teorías sobre las hélices. La teoría del impulso o teoría del actuador de disco, una teoría que describe un modelo matemático de una hélice ideal, fue desarrollada por WJM Rankine (1865), AG Greenhill (1888) y RE Froude (1889). La hélice se modela como un disco infinitamente delgado, que induce una velocidad constante a lo largo del eje de rotación y crea un flujo alrededor de la hélice.
Un tornillo que gira a través de un sólido no tendrá ningún "deslizamiento"; pero como un tornillo de hélice opera en un fluido (ya sea aire o agua), habrá algunas pérdidas. Las hélices más eficientes son las de gran diámetro y giro lento, como las de los grandes barcos; los menos eficientes son los de pequeño diámetro y de giro rápido (como los de un motor fuera de borda). Utilizando las leyes del movimiento de Newton , es útil pensar que el empuje hacia adelante de una hélice es una reacción proporcional a la masa de fluido enviada hacia atrás cada vez y la velocidad que la hélice añade a esa masa, y en la práctica hay más pérdidas asociadas con la producción de una chorro rápido que creando un chorro más pesado y lento. (Lo mismo se aplica a los aviones, en los que los motores turbofan de mayor diámetro tienden a ser más eficientes que los turbofan anteriores de menor diámetro, e incluso que los turborreactores más pequeños , que expulsan menos masa a mayores velocidades.) [30]
La geometría de una hélice de tornillo marina se basa en una superficie helicoidal . Esto puede formar la cara de la pala, o las caras de las palas pueden estar descritas mediante desplazamientos desde esta superficie. La parte posterior de la pala se describe mediante desplazamientos desde la superficie helicoidal de la misma manera que un perfil aerodinámico puede describirse mediante desplazamientos desde la línea de cuerda. La superficie de cabeceo puede ser una verdadera helicoidal o una que tenga una deformación para proporcionar una mejor adaptación del ángulo de ataque a la velocidad de estela sobre las palas. Una helicoidal alabeada se describe especificando la forma de la línea de referencia radial y el ángulo de paso en términos de distancia radial. El dibujo de la hélice tradicional incluye cuatro partes: un alzado lateral, que define la inclinación, la variación del espesor de la pala desde la raíz hasta la punta, una sección longitudinal a través del cubo y un contorno proyectado de una pala sobre un plano longitudinal central. La vista ampliada de la pala muestra las formas de las secciones en sus distintos radios, con sus caras de paso dibujadas paralelas a la línea de base y su espesor paralelo al eje. El contorno indicado por una línea que conecta las puntas delantera y trasera de las secciones representa el contorno de la hoja expandido. El diagrama de paso muestra la variación del paso con el radio desde la raíz hasta la punta. La vista transversal muestra la proyección transversal de una pala y el contorno desarrollado de la pala. [31]
Las palas son las placas de sección de lámina que desarrollan empuje cuando se gira la hélice. El cubo es la parte central de la hélice, que conecta las palas entre sí y fija la hélice al eje.La inclinación es el ángulo de la hoja con respecto a un radio perpendicular al eje.La inclinación es el desplazamiento tangencial de la línea de máximo espesor a un radio
Las características de la hélice se expresan comúnmente como relaciones adimensionales: [31]
La cavitación es la formación de burbujas de vapor en el agua cerca de una pala de hélice en movimiento en regiones de muy baja presión. Puede ocurrir si se intenta transmitir demasiada potencia a través del tornillo o si la hélice funciona a una velocidad muy alta. La cavitación puede desperdiciar energía, generar vibraciones y desgaste, y causar daños a la hélice. Puede ocurrir de muchas maneras en una hélice. Los dos tipos más comunes de cavitación de hélices son la cavitación de la superficie del lado de succión y la cavitación de vórtice de la punta.
La cavitación de la superficie del lado de succión se forma cuando la hélice funciona a altas velocidades de rotación o bajo carga pesada (alto coeficiente de elevación de la pala ). La presión en la superficie aguas arriba de la pala (el "lado de succión") puede caer por debajo de la presión de vapor del agua, lo que resulta en la formación de una bolsa de vapor. En tales condiciones, el cambio de presión entre la superficie aguas abajo de la pala (el "lado de presión") y el lado de succión es limitado y eventualmente se reduce a medida que aumenta el grado de cavitación. Cuando la mayor parte de la superficie de la pala está cubierta por cavitación, la diferencia de presión entre el lado de presión y el lado de succión de la pala cae considerablemente, al igual que el empuje producido por la hélice. Esta condición se llama "ruptura del empuje". Operar la hélice en estas condiciones desperdicia energía, genera un ruido considerable y, a medida que las burbujas de vapor colapsan, erosiona rápidamente la superficie del tornillo debido a las ondas de choque localizadas contra la superficie de la pala.
La cavitación del vórtice de la punta es causada por presiones extremadamente bajas formadas en el núcleo del vórtice de la punta. El vórtice de la punta es causado por el fluido que se envuelve alrededor de la punta de la hélice; desde el lado de presión al lado de succión. Este vídeo muestra la cavitación en vórtice de la punta. La cavitación de vórtice de la punta generalmente ocurre antes de la cavitación de la superficie del lado de succión y es menos dañina para la pala, ya que este tipo de cavitación no colapsa sobre la pala, sino a cierta distancia aguas abajo.
Las hélices de paso variable pueden ser controlables ( hélices de paso controlable ) o de bandera automática ( hélices plegables ). Las hélices de paso variable tienen importantes ventajas sobre las de paso fijo, a saber:
Un tipo avanzado de hélice utilizado en los submarinos alemanes Tipo 212 se llama hélice inclinada . Como en las palas de cimitarra utilizadas en algunos aviones, las puntas de las palas de una hélice oblicua están barridas hacia atrás en contra de la dirección de rotación. Además, las palas están inclinadas hacia atrás a lo largo del eje longitudinal, dando a la hélice una apariencia general en forma de copa. Este diseño preserva la eficiencia del empuje al tiempo que reduce la cavitación y, por lo tanto, lo convierte en un diseño silencioso y sigiloso . [32] [33]
Un pequeño número de barcos utiliza hélices con aletas similares a las de algunos aviones, lo que reduce los vórtices en las puntas y mejora la eficiencia. [34] [35] [36] [37] [38]
Una hélice modular proporciona más control sobre el rendimiento del barco. No es necesario cambiar una hélice completa cuando solo existe la posibilidad de cambiar el paso o las palas dañadas. Poder ajustar el paso permitirá que los navegantes tengan un mejor rendimiento en diferentes altitudes, deportes acuáticos o cruceros. [39]
Las hélices Voith Schneider utilizan cuatro palas rectas sin torcer que giran alrededor de un eje vertical en lugar de palas helicoidales y pueden proporcionar empuje en cualquier dirección en cualquier momento, a costa de una mayor complejidad mecánica.
Un propulsor impulsado por llantas integra un motor eléctrico en una hélice con conductos. El cilíndrico actúa como estator, mientras que las puntas de las palas actúan como rotor. Por lo general, proporcionan un par elevado y funcionan a bajas RPM, lo que produce menos ruido. El sistema no requiere eje, lo que reduce el peso. Las unidades pueden colocarse en varios lugares alrededor del casco y operarse de forma independiente, por ejemplo, para ayudar en las maniobras. La ausencia de un eje permite diseños de casco trasero alternativos. [40]
Las hélices toroidales retorcidas (en forma de anillo), inventadas por primera vez hace más de 120 años, [ cita necesaria ] reemplazan las palas con anillos circulares. Son significativamente más silenciosas (particularmente en frecuencias audibles) y más eficientes que las hélices tradicionales tanto para aplicaciones de aire como de agua. El diseño distribuye los vórtices generados por la hélice por toda la forma, lo que hace que se disipen más rápido en la atmósfera. [41] [42]
Para motores más pequeños, como los fueraborda, donde la hélice está expuesta al riesgo de colisión con objetos pesados, la hélice a menudo incluye un dispositivo que está diseñado para fallar cuando se sobrecarga; Se sacrifica el dispositivo o toda la hélice para no dañar la transmisión y el motor, que son más caros.
Por lo general, en motores más pequeños (menos de 10 hp o 7,5 kW) y más antiguos, un pasador de seguridad estrecho a través del eje de transmisión y el cubo de la hélice transmite la potencia del motor con cargas normales. El pasador está diseñado para cortarse cuando la hélice se somete a una carga que podría dañar el motor. Después de cortar el pasador, el motor no puede proporcionar potencia de propulsión a la embarcación hasta que se instale un nuevo pasador. [43]
En los motores más grandes y modernos, un casquillo de goma transmite el par del eje de transmisión al cubo de la hélice. Bajo una carga dañina, se supera la fricción del casquillo en el cubo y la hélice giratoria se desliza sobre el eje, evitando la sobrecarga de los componentes del motor. [44] Después de tal evento, el casquillo de goma puede dañarse. Si es así, puede continuar transmitiendo potencia reducida a bajas revoluciones, pero puede no proporcionar potencia, debido a la reducción de la fricción, a altas revoluciones. Además, el casquillo de caucho puede deteriorarse con el tiempo y provocar su falla bajo cargas inferiores a su carga de falla diseñada.
La posibilidad de reemplazar o reparar un casquillo de goma depende de la hélice; algunos no pueden. Algunos pueden, pero necesitan equipo especial para insertar el casquillo de gran tamaño para un ajuste de interferencia . Otros se pueden reemplazar fácilmente. El "equipo especial" suele consistir en un embudo, una prensa y lubricante de goma (jabón). Si no se tiene acceso a un torno, se puede improvisar un embudo con tubos de acero y masilla para carrocerías; Como el relleno sólo está sujeto a fuerzas de compresión, puede realizar un buen trabajo. A menudo, el casquillo se puede colocar en su lugar con nada más complejo que un par de tuercas, arandelas y una varilla roscada. Un problema más grave con este tipo de hélice es un casquillo estriado "congelado", que hace imposible retirar la hélice. En tales casos es necesario calentar la hélice para destruir deliberadamente el inserto de goma. Una vez que se retira la hélice, el tubo estriado se puede cortar con una amoladora y luego se requiere un nuevo casquillo estriado. Para evitar que el problema se repita, las estrías se pueden recubrir con un compuesto anticorrosión antiadherente.
En algunas hélices modernas, un inserto de polímero duro llamado manguito de transmisión reemplaza el casquillo de goma. La sección transversal estriada u otra sección transversal no circular del manguito insertada entre el eje y el cubo de la hélice transmite el par del motor a la hélice, en lugar de la fricción. El polímero es más débil que los componentes de la hélice y el motor, por lo que falla antes que ellos cuando la hélice está sobrecargada. [45] Esto falla completamente bajo una carga excesiva, pero se puede reemplazar fácilmente.
Mientras que la hélice de un barco grande estará sumergida en aguas profundas y libre de obstáculos y restos flotantes , los yates , barcazas y embarcaciones fluviales a menudo sufren la contaminación de la hélice por desechos como algas, cuerdas, cables, redes y plásticos. Los barcos angostos británicos siempre tienen una escotilla sobre la hélice y, una vez que el barco está parado, la escotilla se puede abrir para dar acceso a la hélice, lo que permite limpiar los escombros. Los yates y los barcos fluviales rara vez tienen escotillas para eliminar malezas; en su lugar, pueden colocar un cortador de cuerda que se ajuste alrededor del eje de la hélice y gire con la hélice. Estos cortadores limpian los escombros y eliminan la necesidad de que los buzos se ocupen manualmente de las incrustaciones. Se encuentran disponibles varias formas de cortadores de cuerda: [46]
Una cuchilla es un tipo de diseño de hélice que se utiliza especialmente para las regatas. Su borde de ataque tiene forma redonda, mientras que el borde de salida está cortado recto. Proporciona poca elevación de proa, por lo que se puede utilizar en embarcaciones que no necesitan mucha elevación de proa, por ejemplo hidroaviones , que naturalmente tienen suficiente elevación de proa hidrodinámica. Para compensar la falta de elevación de proa, se puede instalar un hidroplano en la unidad inferior. Los hidroalas reducen la elevación de la proa y ayudan a sacar el barco del hoyo y al avión.
