Una hélice (a menudo llamada coloquialmente tornillo si está en un barco o hélice si está en un avión ) es un dispositivo con un eje 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 el agua o el aire. [1] Las hélices se utilizan para bombear fluido a través de una tubería o conducto, o para crear empuje para propulsar un barco a través del agua o un avión a través del aire. Las palas están diseñadas de modo que su movimiento de rotación a través del fluido provoque una diferencia de presión entre las dos superficies de la pala mediante 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 en el uso de una hélice de tornillo se deriva del remo de popa . En el remo, una sola pala se mueve a través de un arco, de un lado a otro teniendo cuidado de mantener la pala presentando el agua en el ángulo efectivo. La innovación introducida con la hélice de tornillo fue la extensión de ese arco a través de 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 se remonta al menos a Arquímedes (c. 287 – c. 212 a. C.), quien utilizó un tornillo para elevar agua para riego y achicar barcos, tan famoso que llegó a conocerse como el tornillo de Arquímedes . Probablemente fue una aplicación del movimiento espiral en el espacio (las espirales fueron un estudio especial de Arquímedes) a una rueda hidráulica hueca y segmentada utilizada para riego por los egipcios durante siglos. Un juguete volador, el helicóptero de bambú , se disfrutó en China a partir de alrededor del 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 diseñó en 1681 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 intentó en 1693, pero que luego se abandonó. [5] [6] En 1752, la Academia de Ciencias de París otorgó a Burnelli un premio por el diseño de una rueda de hélice. Casi al mismo tiempo, el matemático francés Alexis-Jean-Pierre Paucton sugirió 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 utilizar "remos en espiral" para propulsar barcos, aunque no los utilizó con sus máquinas de vapor ni jamás implementó 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 de Yale e inventor David Bushnell , con la ayuda del relojero, grabador y fundidor de latón Isaac Doolittle . El hermano de Bushnell, Ezra Bushnell, y el carpintero de barcos 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] El 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 sobre el principio del tornillo se fijaba en la parte delantera del buque; su eje entraba en el buque y, al girarse en un sentido, remaba el buque hacia adelante, pero al girarse en el otro sentido, lo remaba hacia atrás. Estaba hecho para ser girado con la mano o el pie". [12] La hélice de latón, como todo el latón y las piezas móviles del Turtle , fue fabricada 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 con 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 que se desplegaba 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. La probó en el barco de transporte Doncaster en Gibraltar y Malta, alcanzando una velocidad de 1,5 mph (2,4 km/h). [15]
En 1802, el abogado e inventor estadounidense John Stevens construyó un barco de 7,6 m (25 pies) de largo con un motor de vapor rotativo acoplado a una hélice de cuatro palas. La embarcación alcanzaba una velocidad de 6,4 km/h (4 mph), pero Stevens abandonó las hélices debido al peligro inherente al uso de los motores de vapor de alta presión. Sus embarcaciones posteriores fueron barcos con ruedas de paletas. [15]
En 1827, el inventor checo Josef Ressel había inventado una hélice de hélice con múltiples palas sobre una base cónica. La probó en febrero de 1826 en un barco de propulsión manual y la utilizó con éxito en un barco de vapor en 1829. Su barco de 48 toneladas, el Civetta, alcanzó los 6 nudos. Este fue el primer barco con hélice de Arquímedes que tuvo éxito. Sus experimentos fueron prohibidos por la policía después de un accidente con una máquina de vapor. Ressel, un inspector forestal, tenía una patente austrohúngara para su hélice. La hélice de hélice era 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. [16]
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 solicitud de patente en los Estados Unidos fue rechazada hasta 1849 porque no era ciudadano estadounidense. [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 propulsión por tornillo antes de la década de 1830, pocas de estas invenciones se llevaron a la etapa de prueba, y las que se llevaron a cabo resultaron insatisfactorias 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 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 más tarde en la Royal Adelaide Gallery of Practical Science en Londres , donde fue visto por el Secretario de la Marina, Sir William Barrow. Tras conseguir 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 seis toneladas de carga llamado Francis Smith , que estaba equipado con su hélice de madera y se 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 se dañó 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 anterior del barco, de aproximadamente cuatro millas por hora a ocho. [20] Smith presentaría posteriormente una patente revisada de acuerdo con este descubrimiento accidental.
Mientras tanto, Ericsson construyó un barco de vapor de 45 pies (14 m) de propulsión a hélice, Francis B. Ogden, en 1837, y mostró su barco en el río Támesis a los miembros de alto rango del Almirantazgo británico , incluido el topógrafo de la Armada, Sir William Symonds . A pesar de que el barco alcanzó una velocidad de 10 millas por hora, comparable a la de los vapores de ruedas existentes , Symonds y su séquito no quedaron impresionados. El Almirantazgo mantuvo la opinión de que la propulsión a hélice sería ineficaz en el servicio oceánico, mientras que el propio Symonds creía que los barcos propulsados por hélice no podían ser gobernados de manera eficiente. [b] Después de este rechazo, Ericsson construyó un segundo barco propulsado por hélice, más grande, Robert F. Stockton , y lo hizo navegar en 1839 a los Estados Unidos, donde pronto ganaría fama como el diseñador del primer buque de guerra propulsado por hélice de la Armada de los EE. UU. , el USS Princeton . [21]
Al parecer, consciente de la opinión de la Marina Real 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 buque (ahora equipado con una hélice de hierro de una sola vuelta), navegando desde Blackwall, Londres, hasta Hythe, Kent , con paradas en Ramsgate , Dover y Folkestone . En el camino de regreso a Londres el día 25, los oficiales de la Marina Real observaron que la embarcación de Smith avanzaba en mares tempestuosos. Esto reavivó el interés del Almirantazgo y se animó a Smith a construir un barco de tamaño real para demostrar de forma más concluyente la tecnología. [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]
El Archimedes tuvo una influencia considerable en el desarrollo de los barcos, fomentando la adopción de la propulsión a hélice por parte de la Marina Real Británica , además de su influencia en los buques comerciales. Las pruebas con el Archimedes de Smith dieron lugar a una competición de tira y afloja en 1845 entre el HMS Rattler y el HMS Alecto , en la que el Rattler, impulsado por hélice, tiraba del vapor de ruedas Alecto hacia atrás a 2,5 nudos (4,6 km/h). [27]
El Arquímedes también influyó en el diseño del SS Great Britain de Isambard Kingdom Brunel en 1843, entonces el barco más grande del mundo y el primer barco de vapor propulsado por hélice en cruzar 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 Marina Real Británica en tener motores a vapor y hélices de hélice. 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 la hélice de tornillo se estabilizó en la década de 1880.
Los hermanos Wright fueron los pioneros en la creación de la forma aerodinámica retorcida de las hélices de los aviones modernos. Se dieron cuenta de que una hélice de aire era similar a un ala y lo comprobaron mediante experimentos en túneles de viento . Introdujeron una torsión en sus palas para mantener constante el ángulo de ataque. Sus palas eran solo 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 la potencia y los diámetros más pequeños añadieron restricciones de diseño. [29]
Alberto Santos Dumont , otro pionero, aplicó los conocimientos adquiridos en sus experiencias con dirigibles para fabricar una hélice con eje de acero y palas de aluminio para su biplano 14 bis . Algunos de sus diseños utilizaban una lámina de aluminio doblada para las palas, creando así una forma aerodinámica. Tenían una curvatura muy inferior a la normal , y esto, sumado a la ausencia de torsión longitudinal, las hacía menos eficientes que las hélices Wright. Aun así, puede que este haya 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 momento o teoría del actuador de disco, una teoría que describe un modelo matemático de una hélice ideal, fue desarrollada por W. J. M. 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 tiene ningún deslizamiento, pero como el tornillo de una hélice funciona en un fluido (aire o agua), se producen algunas pérdidas. Las hélices más eficientes son las de diámetro grande y de giro lento, como las de los grandes barcos; las menos eficientes son las de diámetro pequeño y de giro rápido (como las de un motor fueraborda). Si se utilizan las leyes de movimiento de Newton , se puede pensar que el empuje hacia delante de una hélice es una reacción proporcional a la masa de fluido enviada hacia atrás por tiempo y la velocidad que la hélice añade a esa masa, y en la práctica hay más pérdidas asociadas con la producción de un chorro rápido que con la creación de un chorro más pesado y lento. (Lo mismo se aplica a los aviones, en los que los motores de turbofán de mayor diámetro tienden a ser más eficientes que los anteriores turbofán de diámetro más pequeño, e incluso los turborreactores más pequeños , que expulsan menos masa a mayores velocidades). [30]
La geometría de una hélice de hélice marina se basa en una superficie helicoidal . Esta puede formar la cara de la pala, o las caras de las palas pueden describirse 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 paso puede ser un helicoide verdadero o uno que tenga una curvatura para proporcionar una mejor coincidencia del ángulo de ataque con la velocidad de la estela sobre las palas. Una helicoide curvada se describe especificando la forma de la línea de referencia radial y el ángulo de paso en términos de distancia radial. El dibujo tradicional de la hélice incluye cuatro partes: una elevación 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 de línea central longitudinal. La vista expandida de la pala muestra las formas de la sección en sus diversos radios, con sus caras de paso dibujadas paralelas a la línea de base y el espesor paralelo al eje. El contorno indicado por una línea que conecta las puntas delantera y trasera de las secciones representa el contorno expandido de la pala. 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 la sección de la lámina que desarrollan el empuje cuando la hélice gira. El cubo es la parte central de la hélice, que conecta las palas entre sí y fija la hélice al eje. Esto se llama el jefe en el Reino Unido. El ángulo de inclinación es el ángulo de la pala con un radio perpendicular al eje. La inclinación es el desplazamiento tangencial de la línea de espesor máximo con 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 está funcionando a una velocidad muy alta. La cavitación puede desperdiciar potencia, crear vibración y desgaste, y causar daños a la hélice. Puede ocurrir de muchas maneras en una hélice. Los dos tipos más comunes de cavitación de la hélice son la cavitación de la superficie del lado de succión y la cavitación del vórtice de la punta.
La cavitación de la superficie del lado de succión se forma cuando la hélice está funcionando a altas velocidades de rotación o bajo carga pesada ( coeficiente de sustentación de la pala alto ). 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 da como resultado 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, finalmente, 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 disminuye considerablemente, al igual que el empuje producido por la hélice. Esta condición se llama "ruptura del empuje". Hacer funcionar la hélice en estas condiciones desperdicia energía, genera un ruido considerable y, a medida que las burbujas de vapor colapsan, erosionan 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 se produce por las presiones extremadamente bajas que se forman en el núcleo del vórtice de la punta. El vórtice de la punta se produce por el fluido que envuelve la punta de la hélice, desde el lado de presión hasta el lado de succión. Este video muestra la cavitación del vórtice de la punta. La cavitación del 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 puesta en bandera automática ( hélices plegables ). Las hélices de paso variable tienen ventajas significativas sobre las de paso fijo, a saber:
Un tipo avanzado de hélice utilizada en el submarino estadounidense de clase Los Ángeles , así como en el submarino alemán Tipo 212, se denomina hélice skewback . Al igual que en las palas de cimitarra utilizadas en algunos aviones, las puntas de las palas de una hélice skewback están inclinadas hacia atrás en contra de la dirección de rotación. Además, las palas están inclinadas hacia atrás a lo largo del eje longitudinal, lo que le da a la hélice una apariencia general en forma de copa. Este diseño preserva la eficiencia de 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 utilizan hélices con aletas similares a las de algunas alas de avión, lo que reduce los vórtices en las puntas y mejora la eficiencia. [34] [35] [36] [37] [38]
Una hélice modular proporciona un mayor control sobre el rendimiento de la embarcación. No es necesario cambiar una hélice completa cuando existe la posibilidad de cambiar solo el paso o las palas dañadas. Poder ajustar el paso permitirá a los navegantes tener un mejor rendimiento en diferentes altitudes, deportes acuáticos o cruceros. [39]
Las hélices Voith Schneider utilizan cuatro palas rectas sin torsión 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 el borde integra un motor eléctrico en una hélice con conductos. El cilindro actúa como el estator, mientras que las puntas de las palas actúan como el rotor. Por lo general, proporcionan un alto par y funcionan a bajas revoluciones por minuto, lo que produce menos ruido. El sistema no requiere un eje, lo que reduce el peso. Las unidades se pueden colocar en varias ubicaciones alrededor del casco y operar de forma independiente, por ejemplo, para ayudar en las maniobras. La ausencia de un eje permite diseños alternativos del casco trasero. [40]
Las hélices toroidales retorcidas (con forma de anillo), inventadas por primera vez hace más de 120 años, [ cita requerida ] reemplazan las palas con anillos circulares. Son significativamente más silenciosas (particularmente a frecuencias audibles) y más eficientes que las hélices tradicionales tanto para aplicaciones aéreas como acuáticas. El diseño distribuye los vórtices generados por la hélice a lo largo de toda la forma, lo que hace que se disipen más rápido en la atmósfera. [41] [42]
En el caso de motores más pequeños, como los fuerabordas, 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; el dispositivo o la hélice completa se sacrifica para que la transmisión y el motor más costosos no se dañen.
Por lo general, en los motores más pequeños (de menos de 10 hp o 7,5 kW) y más antiguos, un pasador de seguridad angosto que atraviesa el 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. Una vez que el pasador se corta, el motor no puede proporcionar potencia propulsiva a la embarcación hasta que se coloque un nuevo pasador de seguridad. [43]
En los motores más grandes y modernos, un buje de goma transmite el par del eje de transmisión al cubo de la hélice. Bajo una carga dañina, la fricción del buje en el cubo se supera y la hélice giratoria se desliza sobre el eje, evitando la sobrecarga de los componentes del motor. [44] Después de un evento de este tipo, el buje de goma puede dañarse. Si es así, puede continuar transmitiendo potencia reducida a bajas revoluciones, pero puede no proporcionar potencia, debido a la fricción reducida, a altas revoluciones. Además, el buje de goma puede deteriorarse con el tiempo, lo que lleva a su falla bajo cargas inferiores a su carga de falla diseñada.
La posibilidad de reemplazar o reparar un buje de goma depende de la hélice; algunas no pueden. Algunas sí, pero necesitan un equipo especial para insertar el buje de gran tamaño para un ajuste de interferencia . Otras se pueden reemplazar fácilmente. El "equipo especial" generalmente consiste en un embudo, una prensa y lubricante de goma (jabón). Si no se tiene acceso a un torno, se puede hacer un embudo improvisado con un tubo de acero y masilla para carrocería de automóvil; como la masilla solo está sujeta a fuerzas de compresión, puede hacer un buen trabajo. A menudo, el buje 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 buje estriado "congelado", que hace que sea imposible quitar la hélice. En tales casos, la hélice debe calentarse para destruir deliberadamente el inserto de goma. Una vez que se quita la hélice, el tubo estriado se puede cortar con una amoladora y luego se requiere un nuevo buje estriado. Para evitar que el problema vuelva a ocurrir, 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 buje de goma. La sección transversal estriada u otra sección no circular del manguito insertado entre el eje y el cubo de la hélice transmite el par 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] Este falla completamente bajo 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 barcos fluviales a menudo sufren ensuciamiento de la hélice por desechos como algas, cuerdas, cables, redes y plásticos. Las embarcaciones británicas invariablemente tienen una escotilla para algas sobre la hélice, y una vez que la embarcación está estacionaria, la escotilla se puede abrir para dar acceso a la hélice, lo que permite limpiar los desechos. Los yates y barcos fluviales rara vez tienen escotillas para algas; en su lugar, pueden colocar un cortador de cuerdas que se ajusta alrededor del eje de la hélice y gira con la hélice. Estos cortadores limpian los desechos y evitan la necesidad de que los buzos atiendan manualmente las incrustaciones. Hay varias formas de cortadores de cuerdas disponibles: [46]
Una cuchilla es un tipo de diseño de hélice especialmente utilizado para carreras de barcos. Su borde de ataque tiene forma redonda, mientras que el borde de salida está cortado en línea recta. Proporciona poca sustentación de proa, por lo que se puede utilizar en barcos que no necesitan mucha sustentación de proa, por ejemplo, hidroaviones , que naturalmente tienen suficiente sustentación de proa hidrodinámica. Para compensar la falta de sustentación de proa, se puede instalar un hidroplano en la unidad inferior. [ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ] Los hidroplanos reducen la sustentación de proa y ayudan a que un barco salga del agujero y planee. [ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ]
