Manual Del Propulsor Gerr

ManualDel PropulsorLa ms completa referencia para seleccionar, instalar y entenderlos propulsores de BarcosDAVE GERRInternacional Marine Publishing CompanyCamden, MaineContenidosAgradecimientosIntroduccinCapitulo 1 Potencia: Funcionamiento del motor.Capitulo 2 Estimacin dela Velocidad: Efectos de la potencia,Peso yTipo de Casco.Capitulo 3 Anatoma de la Hlice: Partes y Definiciones.Capitulo 4 Caractersticas de las Palas : Forma de la Pala,Cavitacin, Hlices Especiales, y Reglas Practicas.Capitulo 5 Mtodo de la Hlice de Crouch: El Mtodo Empricopara el Calculo de Hlices usando el Deslizamiento.Capitulo 6 Mtodo Bp - o : El Mtodo del Factor de Potenciapara el Calculo de Hlices.Introduccin : Usando este ManualEl presente libro no esta orientado hacia la investigacin para Ph.D en alta tecnologaparadiseo de propulsores.Sin embargo, es ideal para un mecnico, ingeniero, operador de flota, capitn de puerto,timonel de yate, y arquitecto naval como una referencia tan clara y fcil de usar para laseleccin del propulsor adecuado para un diseo particular o servicio.Esnecesariorevisardetenidamente, paraunamejor comprensin, laspocastablasygrficos que se presentan en la presente obra; sin embargo todos los clculos pueden serrealizados por cualquier personaconunconocimientobsicode la matemticadesecundaria. Enefecto, cadafrmulapresentadaaqu puedeserevaluadarpidamenteusandolamssimpleymenoscostosacalculadoracientfica. (Enel apndiceDsepresenta un curso breve de recuerdo en el uso de exponentes decimales).Unodelosmsconfusosconceptosenlaseleccindeunpropulsor esel gradodeaproximacin que se desea o que se puede alcanzar. Una referencia conteniendo cuadrosdetallados, tablas y frmulas parecen requerir una aproximacin extrema. En realidad,todo el proceso de seleccin de un propulsor es de aproximacin y estimacin. Es portanto importante evitar los errores matemticos cuando evaluemos las frmulasrequeridas o cuando se lean valores de grficos y tablas, pero el grado real deaproximacin que se puede alcanzar es limitado.Hay dos razones para esto. La primera es que la interaccin entre el agua, el propulsor yel casco es tan compleja que nadie realmente entiende con exactitud que es lo que pasa.Precisamente, para una instalacin completa, el ingeniero debe estar en la capacidad depoder predecir con exactitud , no solo como el flujo de agua se comporta a medida queesta se arremolina a travs de los labes del propulsor, sino tambin, como la forma delcasco afecta a ese flujo. Luego, el ingeniero tendr que determinar con precisin comoestos factores varan y pueden variar en gran magnitud para diferentes velocidades,cargas de embarque, y condiciones del mar. El ngulo del eje, el asiento del buque, elngulo deltimn, losrganos de gobierno de popa, la presin de escape posterior, latemperaturadel agua, ymuchosotrosfactoresjueganunpapel preponderanteenelfuncionamiento y eficiencia del propulsor.La segunda razn por la cual la seleccin del propulsor es un proceso aproximado, esque para casi todas las embarcaciones ordinarias el propulsor se selecciona a partir delstock comercial disponible. La variedad de estos propulsores es ms quesuficientemente amplia para reunir las especificaciones de casi cualquier aplicacin; sinembargo, es casi imposible dar cuenta de muchas de las sutiles diferencias entrepropulsores similares de distinta fabricacin( manufactura).Unfabricantedepropulsoresparabotesplegablesrecientementerealizunaseriedepruebas comparando con propulsores similares de otros fabricantes . Se encontr que,inclusive seleccionando propulsores similares, propulsores de superficie de pasonominalmente idnticos, efectivamente, se obtuvieron avances significativamentedistintos. Cuandoseconsideraronlasdiferenciasesencialesenel estilo, curvatura, yespesor de labe se volvi casi imposible encontrar dos propulsores que fueranrealmente idnticos en dimensiones, an teniendo muchos de ellos catlogos conespecificacionesdedimetroypasoiguales. Laseleccindepropulsoresparabotesplegables es limitada, estoes un ejemploalgoextremo; noobstante, sepuedenespecificarpropulsorescomercialessoloconrestriccionesrazonables. Eldimetro, lasuperficiedepaso, el espesordealabe, larazndel readel disco, ymuchosotrosfactoresadicionalesnospermitenfijarmsomenosbienel diseo, sinembargosedejan de lado las diferencias entre propulsores de diferente estilo y manufactura.Es por tanto importante , al seleccionar un propulsor, no detenerse en la persecucin deuna aproximacin numrica extrema. Eningeniera es muyfrecuente la expresincifras significativas para indicar elgrado de aproximacinque esposible obtener apartir de una determinada cantidad de datos. Los programadores de computadoras usanla sgte. expresin garbage in, garbage out ( basura que ingresa, basura que sale), locual simplemente significa que la respuesta nunca no puede ser ms aproximada que lainformacin con la cual se comenz.Paralagranmayoradeaplicaciones, trabajandosolamente conlosprocedimientospresentados en el presente texto ser posible poder seleccionar un propulsor quefuncione adecuadamente de acuerdo a nuestras necesidades. Para usos en los cuales esnecesario una aproximacin extrema ajustar el rendimiento de un bote decompetenciaenun0.5% obtenerel mximogradodeeconomaenunaflotaderemolcadores sejustificalainvestigacinadicional. Entalescasos, laspruebasencanalesy anlisisdetalladosencomputadorasonnecesarios, aunqueladecisinfinaldebe hacerse haciendo navegar la embarcacin en un trayecto determinado, con distintostipos de propulsores, y evaluando con cuidado los resultados obtenidos en cada prueba.Aexcepcindeestasinusualesyexactasinstalaciones, conel usodeestemanual yprobando con un conjunto de propulsores los ms aproximados que se encuentren enstock se obtendrn resultados similares a cualquier otro mtodo conocido.FACTORES QUE INTERVIENEN EN LA SELECCIN DE UN PROPULSORUno de los conceptos errneos ms comunes en la seleccin de un propulsor, es que sediga que para la seleccin de este, solo sea necesario especificar el dimetro y el paso.Aunquesi bienes cierto, estos factoressonlos ms crticoscomosemencionanteriormente existenmuchasotrascaractersticas quedeben considerarse.Si, porejemplo, solo se especifica un propulsor de 24 de dimetro y con un paso de 20, alabrir el manual del fabricanteseencontraran89tipos diferentesdepropulsoresdisponibles de acuerdo a estas dimensiones. Cual escogeramos? Entre otras cosas, setendrqueconsiderarelnmerodealabes, elreadellabe, elespesordellabe,laformadelaseccin, ymuchos otros aspectos ms. Todas estas caractersticas sontratadas con detalle en el capitulo 4.La comprensindecomoinfluyen laforma,rea, y laconfiguracin delalabe en elrendimiento, no solo permitir especificar las dimensiones generales del propulsor, sinotambin especificar el tipo y modelo de propulsor ms adecuado. Intentar seleccionar unpropulsor solo en base al paso y al dimetro es como entrar en una ferretera y preguntarsimplemente por un tornillo de , nmero 8. El vendedor inmediatamente preguntarasi necesitamos un tornillo para madera, chapa metlica, o para mquina; ranura phillipsostandard; cabezacircular, redondeadaoplana; unohechodebronceoacero;y assucesivamente. Si adquirimos untornilloparamquinade, nmero8paraunproyecto de trabajo en madera ser casi intil esta adquisicin. Igualmente, es de muchaimportancia el especificar el tipo correcto de propulsor.Antes de poder especificar y ordenar el propulsor ms adecuado para nuestra aplicacin,se deber especificar la mayor cantidad de los siguientes factores, listados acontinuacin en orden de importancia aproximadamente:1. Dimetro2. Paso3. Nmero de palas4. Giro ( izquierdo o derecho).5. Dimetro del eje propulsor y tipo de chaveta.6. rea de lapala (usualmente definidoporlaraznancho-mediolaraznrea-disco)7. Palas acopadas o desacopadas.8. Palas para supercavitantes o palas de no - cavitacin standard.9. Forma de la seccin de la pala ( aerodinmica, ojival, o combinada).10. Divergencia (Skew)11. Inclinacin.(Rake)12. Espesor de la pala.13. Dimetro del ncleo (hub).Los tems del 1 al 6 deben especificarse para todo tipo de propulsor e instalacin. Lostems del 7 al 13 son de gran importancia para diferentes tipos de embarcacin y paradar solucin a problemas especficos. Las palas divergentes, por ejemplo, debenrecomendarse cuando se presenten los problemas de vibraciones; las palassupercavitantessernsolonecesariasespecificarenelcasodeembarcacionesdealtavelocidad; y las palas gruesas sern especificadas en embarcaciones de trabajo de bajavelocidad que operan en aguas que contienen desechos.Captulo 1POTENCIAComprendiendo el funcionamiento del motorTodopropulsor debe satisfacer dos requerimientos bsicos: 1) Hacer juegoconlapotencia del motor y la velocidad del eje y; 2) Coincidir con el tamao y velocidad deoperacin del buque. Pero el tamao del motor afecta la velocidad del buque, y el tipodecascoinfluyeas mismoenlaseleccindel motor. Estarelacincircularconunfactor afectando a otro, y viceversa, es ineludible en la seleccin del propulsor.Estosrequerimientos bsicos, dan lugar a algunas de lasmsfrecuentes interrogantesacerca de los propulsores: Por que el motor no alcanza su RPMmximonominal?,Con ms o menos paso, mejorara el funcionamiento de mi buque?, Por que el buqueno puede alcanzar la velocidad mxima proyectada por el fabricante?. Antes de podercontestar estas y otras interrogantes se deber estudiar con cierto detalle la potencia, elfuncionamientodel motor ylavelocidad, obviamente, lamayorpotenciaalcanzable(manteniendo los otros factores constantes), es decir, la ms rpida que el buque podrdesarrollar.Por consiguiente, una de las primeras decisiones a tomar en la seleccin de un motor yunpropulsor(ya sea para repotenciar un buque, para un nuevo diseo o simplementepara mejorar el rendimiento) es determinar la velocidad de operacin que se desea.Utilizandolastablasymtodosquesevernenel capitulo2, sepodrcalcularlavelocidadqueunaembarcacindesarrollaraconunadeterminadapotencia. Luego,conociendo ambas, la velocidad y la potencia, y usando los mtodos que se detallan enlos captulos 5 y 6, se tendr dos de los factores bsicos necesarios para seleccionar elpropulsor adecuado. Previamente, se podr estimar la velocidad, sin embargo, se tendrque comprender que es la potencia y como est relacionada al torque y al consumo decombustible. En efecto, existen una gran variedad de clasificaciones o tipos de potenciaconcernientes a los motores marinos.UNIDADES DE POTENCIA* En el sistema ingles:1 HP=33 000 pies-libra de trabajo / minuto = 550pies - libra de trabajo / segundo.donde:1 pie-libra es el trabajo necesario para mover un peso de una libra, una distancia de unpie.* Sistema Mtrico1 HP = 0.7457 kwdonde:1 Kw es la unidad de potencia en el sistema mtrico, y 1 kw=1000 J/segundo=1000 N-m/ sAs mismo existe un el HP mtrico ( HK o PK), que es igual a 0.9863 unidades inglesasde HP.Potencia Efectiva ( EHP )La potencia efectiva o EHP es la potencia requerida para vencer la resistencia del buquea una velocidad determinada, sin incluir la potencia para hacer girar su propia hlice yla necesaria para operar su maquinaria. Esta potencia es muy semejante en magnitud a lapotencia necesaria para el remolque del buque.Potencia Indicada ( IHP )La potencia indicada o IHP es la potencia requerida para que el buque navegue a unadeterminada velocidad. La potencia indicada incluye la potencia necesaria para vencer lafriccin en toda la maquinaria y adems para hacer girar la hlice en el agua. La razndeEHP/ IHPesgeneralmentealrededor del 50%, enotraspalabras, lapotenciaindicada es ms o menos el doble de la potencia efectiva, aunque sto variara de acuerdoalainstalacin. Nilapotenciaindicada,nilaefectiva podrn determinarse sinhaberaccedido previamente a los resultados de las pruebas realizadas en sofisticados canalesdeprueba, oaprogramascomputarizadosdeprediccinysimulacin, ysinhabersefijado en los mtodos depropulsores del presente texto.Potencia al freno ( BHP )La potencia al freno o BHP de un motor es la mxima potencia generada por este, a undeterminado RPM, como lo especifica el fabricante. Es importante conocer si la BHP hasido medida con o sin un engranaje de reduccin o de reversa instalado. (el engranaje dereduccin hace que las RPM del motor se transmitan al eje disminuyendo las RPM, yel engranaje de reversa invierte el sentido de rotacin del eje y del propulsor. En la granmayora de instalaciones para pequeos botes, los engranajes de reduccin y de reversaseestncombinadosenlamismacaja.). La mxima potencia al frenoeslamximapotencia entregada por un motor, casi siempre a su mxima RPM alcanzable.Comnmente, la potencia al freno, cuando no se indica las RPM, se referir a la mximapotencia alfreno. La potencia alfreno debe ser algo mayor que lapotencia indicada,para poder entregar la potencia necesaria para el funcionamiento de generadores,compresores, y otrasmaquinariasconducidasporelmotor, y nodirectamenteusadaspara la propulsin de la embarcacin.Potencia al Eje ( SHP )La potenciaal ejeoSHPeslapotenciarealmentetransmitidaalolargo deleje delpropulsor hacia la hlice a una determinada RPM. La potencia al eje es la potencia alfreno menos la potencia consumida por toda la maquinaria interna; la potencia perdidaenlacajadeengranajes, alrededordel 3 %( si annohasidodescontadadelapotencia al freno); y la potencia perdida debido a la friccin de los cojinetes deleje, alrededor de 1 %por cada cojinete. La mxima potencia al eje es la mximapotencia entregada al propulsor, casi siempre a la mayor RPM alcanzable.Esimportanterecordar quelaSHPeslamagnituddepotenciaquerealmentedebeusarse para realizar los clculos para el propulsor. A falta de informacin detallada, Lamxima SHP puede asumirse como igual al96 % de la mxima BHP. Al igual que lapotencia al freno, el termino de potencia al eje, cuando no se especifique nada acerca delas RPM, se tomar como la mxima potencia al eje.Efectos de la PotenciaObviamente, unamayor potenciapermitirrealizar ms trabajoenundeterminadotiempo. Esto significa que un incremento en la potencia en determinado tipo de casco deun buque, permitir un incremento en la velocidad o en la carga que podr serremolcada. Una muypequea potencia no permitir que el buque navegue a lavelocidad deseada, mientras que demasiada potencia seria un gasto intil encombustible, espacio, y costo inicial.Perdidas de Potencia y EnergaEs interesante el observar aproximadamente a donde se va la energa del combustible.Alrededor del 35%sepierdeenformadecalor alaatmsfera, 25%sepierdeenvibracionesy caloralagua, y2%sepierdeenelejedelpropulsor. Estodeja soloalrededor del 38% de la energa del combustible para la propulsin. De este 38%, comouna gua a grosso modo, cerca del 3% es usado para vencer la resistencia del aire, 27%para vencer la resistencia de las olas, 17 % para vencer la resistencia debido al arranqueyal lavadodel propulsorcontrael casco; 18%paravencerlafriccinsuperficial;y35% para hacer girar el propulsor o hlice.Estos son solo valores promedios; los valores reales variarnde un tipo de embarcacina otra.Torque ( T )Yaconlapotenciadeseadaparapropulsarelbuque, stadebedeconvertirseenunafuerza de torsin alrededor del propulsor. Esta fuerza de torsin es denominada torque.En el sistema ingles, el torque es el producto de una fuerza (en libras) por una distancia(en pies). Imaginemos un peso de 100 libras aplicado en el extremo de una palanca de10 pies que pivotea alrededor de su otro extremo. El torque resultante es de 1 000 libras-pie.En el sistema mtrico, la fuerza esta dada en newton (N), o kilogramos fuerza (kgf); y ladistancia en metros(m). Porconvencin, losingenierosserefieren altorquecomolibras-pie, Newton-metro, o kilogramos-metro.Enel sistema ingles, pie-libras significaexactamente lomismoque libras-pie; sinembargo nuevamente, por convencin este termino esta apropiadamente reservadoparadescribirel trabajo, ynoel torquedesistemasrotatorios. Muchosingenierosytextosdereferenciaignoranestaconvencin, portanto, sedebeestarpreparadoparainterpretar los pie-libras como torque, cuando sea apropiado.El torque para motores de combustin interna, por definicin ampliamente aceptada,es 5 252veceslapotenciadivididaentrelasRPM. Porconsiguienteobtendremoselmayor torque cuando tengamos la menor RPM y la mayor potencia.. Esto explica porquelos propulsores de giro lento entregan ms empuje estos estn recibiendo ms torquepara un mismo HP. Por ejemplo, un motor que entrega 500 HP a 2 000 RPMs entregara1313 pies-libra de torque al propulsor. Si se instalase un engranaje de reduccin3 : 1, laSHP se reducira aproximadamente en 3%, debido a las perdidas por friccin en dichoengranaje, entregndonos 485 HP. Al mismo tiempo, si bien es cierto, el eje transmitir667 R.P.M., lo que nos dara como resultado que el torque se incremente a 3819 libras-pie.Frmula 1.1 Frmula del TorqueTorque = T , en lbs-pie.T = 5252 HPRPMdonde :HP = potencia ( sistema ingles)RPM = revoluciones por minutoCURVAS DEL OPERACIN DEL MOTORLa potencia y el torque disponibles del motor, estn claramente definidas por las curvasde operacin del motor. Estas curvas se encuentran disponibles en los planos de curvasdeoperacin, quesonentregadosporlamayora delosfabricantes, enloscualessemuestran la potencia, el torque, y el consumo de combustible versus las RPM. Algunosfabricantes tambin incluyen la curva SHP, la cual se encuentra justo debajo de la curvaBHP. Dichas curvas ( SHP), estn calculadas descontando las perdidas por friccin en lacajadeengranajes( tambinconocidacomodetransmisin, porsupuesto), peronoincluyen las perdidas deducidas por la friccin en los cojinetes del eje, ni tampoco lapotencia usada por los equipos auxiliares. Estas perdidas de potencia deben serdeducidasdondeseaaplicable,paraaspoderobtenerlaverdadera curva SHPenelpropulsor,teniendo en cuenta 1 % de perdida de potencia por cada cojinete y lapotencia usada para los generadores auxiliares, unidades de refrigeracin, motoreshidrulicos, etc.Curvas de Potencia y Consumo de Combustible del PropulsorDos curvas adicionales son a veces incluidas en la hoja de curvas de operacin. Una esla curva de potencia terica del propulsor yla otra es la curva de consumo decombustible del propulsor.Lacurvadepotenciatericadel propulsoresunarepresentacinaproximadadelosrequerimientosdepotenciaspromediodel propulsor adistintasRPMs. Paralagranmayora de propulsores (hlices) de paso fijo que se ajustan exactamente al motor , lacurvadepotencia delpropulsorcruza a lacurva de potencia aleje cerca alpuntodemxima R.P.M. y mxima SHP. Esto quiere decir que cuando el motor esta girando asu mxima R.P.M., esteen teora estar entregandoexactamente la potenciarequerida por el propulsor. ( la intuicin nos dice entonces que la curva de potencia delpropulsor, esta relacionada con la potencia indicada ( IHP ) , pero esta relacin no essimple, ni tampoco de importancia para los fines de este texto).La curva de potencia terica del propulsor esta dada por la frmula:Frmula 1.2 Frmula de la Curva de Potencia del PropulsorPHP= C RPMsmndonde :Csm= constante de igualacin aritmtica.n = exponente entre 2.2y3.0, siendo2.7 el exponente para botes promedio.RPM = revoluciones por minuto.Laconstantedeigualacinaritmtica, enestecaso, esescogidaarbitrariamenteparahacer que la curva de potencia del propulsor cruce a la curva SHP al mximo RPM. Enefecto, la mayora de los procesos de seleccinde propulsores, detallados en loscaptulos 5 y 6 son en la prctica los que determinan estos valores con exactitud. Laseleccin del paso correcto de la hlice, dimetro, y rea del alabe nosaseguraran que los requerimientos de potencia del propulsor coincidan correctamentecon el motor. La curva de potencia del propulsor en las hojas de operacin del motor, apesar de ser solamente terica , es una buena aproximacin, til para poder visualizar larelacin entre motores especficos y la potencia del propulsor.Elexponente, n,ha sidodeterminado a travs de experiencias, siendo 2,7 para casitodos los barcos de placer de velocidades medias yaltas, barcos de pasajeros, yembarcaciones comerciales livianas.Figura 1-1Plano de las curvas tpicas de operacin para un motor marino diesel pequeo. La curva ms alta (1)es la curva de potencia al freno. La curva punteada (2) por debajo es la curva de potencia al eje,la cual muestra la potencia entregada al eje, justo a popa del engranaje de reversa/reduccin. Lacurva punteada en la parte media (3) es una curva tpica de potencia del propulsor, en este casobasndose en un exponente igual a 2,7. La curva (4) es la curva de consumo de combustible tanto parala potencia al freno como para la potencia al eje ( o la curva de consumo especifico de combustible),y la curva 5 es la curva de consumo de combustible del propulsor.( Cortesa de Cummins EngineCompany, Inc.)Las embarcaciones comerciales de gran tonelaje que operan a bajas velocidades,frecuentemente tienen propulsores de gran empuje y alta relacin de paso. Paro dichospropulsores, el valor de n debeser tomadocomo 3,0. Enel otroextremo, lospropulsoresdeformatubular, debidoaladisminucindeperdidasdepotenciaenladireccin radial, estn descritos de mejor manera con un n = 2,2 .Las curvas de potencia del propulsor son un til adjunto pero no son determinantes enlos mtodos de seleccin que se vern en los captulos 5 y 6.RELACIN ENTRE LA POTENCIA DEL MOTOR Y LA POTENCIA DELPROPULSORUnodelosproblemasbsicosquesepresentanalseleccionar unahlicestandarddepaso fijo se muestra en la figura 1.1. Las curvas BHP y SHP tienen tendencias muydistintas a la curva de potencia del propulsor. Se puede hacer que estas curvas coincidanen un punto el punto donde se cortan pero, luego, no volvern a coincidir en otropunto ms, que no sea este. En vista que, el motor debe tener la suficiente libertad paraalcanzar su mximo RPM o lo ms aproximado posible no habr ms eleccin queescoger el propulsor que haga coincidir la potencia del motor, lo ms posible, con sumxima R.P.M..Si se seleccionase un propulsor cuya curva de potencia corte a la curva SHP, por debajodel punto de mximo RPM curva A en la figura 1-2 el motor se sobrecargara paravelocidades mayores. Nunca alcanzara su mximo R.P.M.; y si se trabaja a RPM muybajas el motor comenzara a humear ysus vlvulas se obstruiran. Una curva de potenciadel propulsor similar alacurvaA, nos indicaraunpasoexcesivodelahlice, undimetroexcesivodel propulsor, oambos. Por otrolado, si lahliceseleccionadatuviese un requerimiento de potencia tan bajo que nunca llegara a cruzar a la curva SHP curva B en la figura 1-2 la potencia mxima del motor nunca llegara a utilizarse.Talpropulsorgirara (sinavanzar) ineficazmente y producir un pequeo empuje locual indicara un paso muy pequeo y / o un dimetro muy pequeo de la hlice. Encasos extremos, dicho propulsor hara que el motor embale, sobrepasando su mximoRPM, deteriorndose as mismo.Aqu se ha dado la respuesta bsica a la interrogante: Por que el motor no alcanza sumximo RPM ? La hlice tiene un paso o un dimetro excesivo para el motor, y si leacondicionaseunahlicedemenosdimetro, paso, oambos, permitirqueel motoralcance la velocidad deseada. Aunque no deberamos apresurarnos y cambiar elpropulsor solamentepor estarazn. Muchosfabricantesdemotoresdanlamximapotencia de los motores a la mxima RPM alcanzable en condiciones ideales. Como severa ms adelante, es a menudo, una buena idea, calibrar el propulsor para que corte a lacurva de potencia del motor, ligeramente por debajo del punto de mxima RPM.Si el motor estaalcanzandoel 95%oms desumximaRPM, el motor estarprobablemente calibrado en forma correcta. Si este no fuese el caso , y el motor no fuesecapaz de alcanzar el 90 o 95 % de su mxima RPM, habr que preocuparse.Figura 1-2Curvas de potencia del motor y el propulsor.Efecto de Potencias Bajas en el Propulsor a Bajas RPMs.En la figura 1.1, podemos observar que la SHP a 1800 RPMs es aproximadamente 60(45 kw). Al mismo tiempo veremos que el propulsor solo utiliza aproximadamente 22HP (16.4 kw). Que pas con los 38 HP ( 28.3 kw) restantes ? . La respuesta es que elmotorno los esta generando. ( la curva SHP muestra la salida potencial, no la real.)Cuando se calibra el acelerador de un motor marino, no se esta ajustando directamenteel flujo de combustible al motor, en vez de esto, lo que se esta haciendo es calibrar unregulador queesel quecontrolael flujodecombustibleparamantener unaRPMconstante nomuydiferentedel control decruceroenunautomvil. Comoelpropulsor solo requiere 22 HP a 1800 RPMs, el regulador limita el flujo del combustiblehacia el motor, reduciendo la potencia generada a esta RPM. y no incidentalmente elconsumo de combustible. Este consumo de combustible mas bajo, se ve reflejado en lacurva 5 de la figura 1-1, la curva de consumo de combustible del propulsor. A esta bajaR.P.M.,la maquinaria adicional debera conectarse al motor sin que esto reduzca lasRPM o desacelere la embarcacin, aunque el consumo de combustible se incrementar.Sinembargo, amedidaquelas RPMs. se incrementen, lapotenciadereservaopotencia no usada disminuir.Figure 1-3Curvas de funcionamiento de otro motor. Se muestra el torque y el consumo de combustible. (Cortesade J.H. Westerbeke Corp. )La Curva del TorqueLafigura 1-3muestra las curvas de operacinde otromotor. Este fabricantehaploteado el torque y el consumo de combustible, pero ha omitido las curvas tericas delpropulsor.Es importante notar que el torque mximo de la mayora de los motores se da por debajola mxima RPM. Estorepresenta, sinembargo, otroproblema enla seleccindelpropulsor. Apesar dequelahlicedebeseleccionarsedemaneraqueel motor seaproxime lo mejor posible a su mxima R.P.M. nominal, la R.P.M. que corresponden altorque mximofrecuentemente estanbajacomoel50%desuR.P.M. mxima, paramotores livianos de alta velocidad. La nico que hay que hacer es evaluar la situacinteniendo en cuenta el consumo de combustible yla vida del motor. El consumoespecifico de combustible suele ser mnimo alrededor del 70% de la R.P.M. mxima delmotor, siendoel torqueaestaR.P.M. anconsiderablementealto. Porestarazn, lavelocidad de operacin ms econmica y eficiente para muchos motores (particularmente los motores livianos de alta velocidad ) esta alrededor de 70 a 85 % delamximaR.P.M. nominal, dejandoanunmargenparaqueel motor alcancesumxima velocidad nominal.Recuerdeque, lavelocidaddeoperacinms econmicavariasegnel motor. LaR.P.M. exacta que nos dalamejor combinacindealtotorque, bajoconsumodecombustible, y gran durabilidad puede determinarse a partir de las curvas de operacindel motor y evaluando junto con el fabricante las necesidades y uso a que se destinaraelmotor.Tipo de Servicio y R.P.M. de OperacinLos motores marinos se manufacturan para distintas clases de servicio o potencia. Estasclases determinan si el motor se someter a trabajo continuo o a periodos de operacincortos con mxima R.P.M.. La tabla 1-1 muestra las R.P.M. recomendadas para trabajocontinuocomounporcentajedelamximaR.P.M. nominaldelmotorparadistintostipos de servicio.TABLA 1-1 R.P.M. Recomendada para Operacin ContinuaTipo de Motor % de R.P.M. max.Automotriz Adaptado (Gasolinero o Diesel ) para Servicio Liviano 70 -80 %Marino Diesel de Alta Potencia para Servicio Liviano 80 - 85 %Marino Diesel para Servicio Intermitente 88 - 92 %Marino Diesel Pesado para Servicio Continuo 98 - 100 %Los motores marinos de servicio continuo pueden operar indefinidamente a su mximaR.P.M., perohayuninconveniente: quedebendedesconectarseparapoder pasar aoperar a RPMs. ms bajas que la mxima, lo cual incrementa la confiabilidad y la vidadel motor, perotambindisminuyelapotenciamximayseincrementael pesodelmotor yel costopor cadacaballodepotenciaentregado. Losmotoresmarinosdeservicio intermitente trabajan alrededor del 90 % o ms de su R.P.M. mxima por noms de 6 horas por cada 12 de operacin. Estos son una buena eleccin paraembarcacionesdetrabajo. Losmotoresdeserviciolivianoolosdealtapotencianodeben de trabajar a su mxima R.P.M. por ms de 2 horas por cada 6 de operacin, o porms de 500 horas por ao; EL resto del tiempo estos deben operarse al 80 a 85 %de sumxima R.P.M.. Debido a su alta potencia, costo y peso, los motores de servicio livianoy los automotrices adaptados de servicio liviano ( motores que no han sido diseadosespecficamente para trabajo marino o industrial ) son usados en la mayora de yates ypequeas embarcaciones comerciales por debajo de los 40 a 45 pies.Como una materia practica, tanto los motores de servicio continuo como los de serviciointermitentedebendeseleccionarsedetal formadequeoperenlamayorpartedeltiempo entre el 80 a 90 % de su R.P.M. mximo. Si dichos motores operan por sobre el90 % de su R.P.M. mximo para su velocidad promedio de crucero, entonces tendrnuna reserva de potencia muy pequea para condiciones especiales clima duro, cargainusual, etc. De otro lado, si operamos los motores por largos periodos de tiempo pordebajo del 80 % de su mxima R.P.M., el motor se hollinar.Capitulo 2ESTIMACION DE LA VELOCIDADEfectos de la Potencia, Desplazamiento, y Tipo de CascoAhoraque ya hemosexaminadolapotencia y elfuncionamiento delmotor,podemosdeterminar que tipo de motor seleccionar para una determinada velocidad o carga paraun tipo de casco dado.La potencia delmotordebe vencer continuamente la resistencia delagua y delaire fuerzas que tratande desacelerar yfrenar la embarcacin. Si pudisemos calcularexactamentelaresistenciadel barcoencuestinalavelocidaddeseada, podramosseleccionar una combinacin motor - hlice que genere el suficiente empuje y por tantolleve a la embarcacin a la velocidad deseada.Desafortunadamente, determinar un calculo real para la resistencia un nmero exactode libras es una tarea fantsticamente laboriosa y que tomara mucho tiempo.Cualquier tipo de aproximacin requerir pruebas en tanques y anlisis detallado de losresultados enuna computadora, yanas habr suficientes motivos para erroresconsiderables. Por ejemplo, es raro que las embarcaciones floten en sus lneas originalesdediseo. Ancuandounaembarcacinpartasobresulneadeaguadediseo, laadicin de nuevos equipos har que el buque se desfase varias pulgadas de dicha lnea ,yhacequeesteadquieraunligeroasiento, ya seaaproaoapopa. Diferenciasmuypequeas en el asiento y en la carga pueden afectar significativamente las prediccionesde resistencia hechas enpruebas en tanques y en computadora.Con seguridad, las pruebas en tanques y los anlisis en computadora originales puedenhacerse extensivos para distintos asientos y condiciones de carga, pero esto har que elprocesoseaanmuchomscostoso. Anpeor, contodoslosavanceslogrados, anhabr muchas variables desconocidas involucradas que estn afectadas a su vez por elfactor de escala, especialmente en lo concerniente a cosas tales como : el punto decambio de flujo laminar (liso) a flujo turbulento.El costoenlas pruebas entanques yanlisis encomputadora es una fraccinlosuficientemente pequea delcosto total que involucra el diseo y construccin de losgrandes buques, que bien vale pagar. Adems, dichas embarcaciones consumen grandescantidades de combustible, que an una reduccin proporcional muy pequea fcilmenterepagar los muchos miles de dlares requeridos para el anlisis.Para embarcaciones pequeas y yates, sin embargo, tales mtodos costosos sonraramente justificables. La solucin es usar un conjunto de frmulas empricas para laprediccindevelocidades, quehanidodesarrollndoseatravs delos anos. Estasfrmulastienenencuentafactoresfundamentalestalescomoel tipoylaformadelcasco, el desplazamiento ( el peso total ), y la potencia; y cuando se usan con sentidocomn y correctamente, pueden darnos valores bastante aproximados para lasvelocidades estimadas.DETERMINACIN APROXIMADA DEL DESPLAZAMIENTO O CALCULODE PESOSUna de las claves para obtener buenos resultados usando estos mtodos empricos es eluso de clculos confiables y aproximados para el desplazamiento* o el peso. El factorms importante que gobierna la velocidad es la relacin potencia - desplazamiento. Amayor relacin potencia - desplazamiento, la velocidad ser mayor. No es recomendablehacer las aproximaciones de la potencia estimada a partir de las curvas de operacin delmotor, solopuedenusarsecomoclculos referenciales oparadarnos unaideadeldesplazamiento.Para yates en particular, la tendencia comn es la subestimar de grosso modo el peso, enlos avisos y literatura de ventas, que dan con frecuencia el peso del casco desnudo o eldesplazamiento liviano sin incluir el combustible, tripulacin o bodegas. Dichos pesosnosdarn comoresultado predicciones de altasvelocidades noreales, y a su vez nosconllevara a la seleccin de una hlice de demasiado paso.- El desplazamientodeunaembarcacinvieneaserel pesodeestaaplenacarga. Tambinesigual al volumendeaguadesplazadopor el casco. Portanto, solosernecesariodeterminarel volumendel cascoensulneadeaguadecarga, ymultiplicar ese volumen por el peso del agua de mar por pie cbico ( 64 lbs.) o por metro cbico (2,258 lbs) para encontrar elverdadero peso de la embarcacin. (Para agua dulce, sustituir 62,5 por 64 lbs.)PESADO O MEDICION PARA ENCONTRAR EL DESPLAZAMIENTOEl mejor mtodo para determinar el peso del casco de un pequeo remolcador es el dellevar la embarcacin a una plataforma de remolque y pesarla. Para barcos ms grandes,la solucin ideal es la de contactar con el diseador original y pedirle el desplazamientoa partir de las lneas de forma, basndonos en la lnea de flotacinactual de laembarcacin. Midiendo la altura desde el arrufo hacia la lnea de agua real tanto en proacomo en popa, el arquitecto nos podr decir cuantas pulgadas hacia abajo ( uocasionalmente hacia arriba) la embarcacin esta flotando, dndonos el verdaderodesplazamiento.Si tratamosconunaembarcacingrandeperonodisponemosdeinformacindesudesplazamientoreal ydesuslneas, nohabrmseleccinqueel medirel cascolaprxima vez que el buque este en dique. No es necesario realmente tomara las medidasdelcascoendetalle, sinosimplementemedirloentressecciones.Esteprocedimientosencillo puede realizarse en una sola tarde, y se describe en detalle en el Apndice a.Recuerde que el desplazamiento o peso que se usa para el calculo de la velocidad debeser elreal, talcomosuele ser cuando esta en servicio. Debe asegurarse de incluir lospesos de:1. Toda la tripulacin y los pasajeros.2. Todas las bodegas del barco y sus equipos.3. Dos tercios de la capacidad de los tanques de agua y combustible.4. Dos tercios de toda la carga.Se especifican dos tercios de combustible, agua y carga debido a que esta es una buenacondicin de trabajo promedio durante el servicio de la embarcacin. La mayora de losbarcos gastan la mayor parte de sus horas de operacin con tanques y cargaaproximadamente entre el 25 a 75 % de su capacidad.DETERMINACIN DE LA POTENCIA REQUERIDA PARA UNAVELOCIDAD DETERMINADA.Barcos de DesplazamientoEl cuadro 2-1 nos da la velocidad de la embarcacin ( como relacin velocidad - eslora )como una funcin de la potencia ( en libras por HP ) para embarcaciones dedesplazamiento y semidesplazamiento. La curva esta basada en la siguiente Frmula :Frmula 2-1 Frmula de la Velocidad de DesplazamientoVLSHP=10 6653,/ Adonde :V : velocidad del buque, en nudos.L : eslora en la flotacin,, en pies.SHP : potencia al eje en el propulsorA: desplazamiento, en librasLa velocidad estimada por esta Frmula supone que el propulsor entrega entre el 50 - 60%de eficiencia, con un promedio aceptable 55 %(ver la seccin referente a laEficiencia y Funcionamiento del Propulsor en el capitulo 6).CUADRO 2-1 VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO - INCLUYE SEMIDESPLAZAMIENTOCuadro 2-1 Este cuadro, representacin de la Frmula 2-1, nos da la potencia necesaria para alcanzar la mxima relacinvelocidad eslora conocida del bote. Ser tentador concluir, a partir del cuadro, que an, un casco de desplazamiento pesadopuede alcanzar razones velocidad eslora de 1,5 o mayores dndole la suficiente potencia, pero en la practica tal intentoresultara imposible. Con un poco ms de moderacin podramos decir que las embarcaciones de desplazamiento pesado,necesitaran adicionrseles ms de un HP por cada 500 libras de desplazamiento, a fin de llegar a obtener relaciones velocidad-eslora un poco mayores a 1,3 1,4, lo cual no sera ni practico ni econmico. Los cascos pesados diseados con carenas deplaneo o semiplaneo pueden alcanzar velocidades de semidesplazamiento, pero solo a costa de un gran consumo de combustibley potencia ( como se detallara en el texto a continuacin ). Para embarcaciones de desplazamiento ligero, la aproximacin lgicaser determinar la mxima relacin velocidad - eslora del cuadro 2-2, y luego determinaren este cuadro, la potencia necesariapara alcanzar esa velocidad,.Si por ejemplo, deseamos determinar la potencia requerida para conducir la Salty Bell,embarcacin de 220 000 libras (99 790 kg) de desplazamiento y 70 ft (21,45 m) en lalnea flotacin, a 11 nudos, debera procederse como sigue : 11 nudos en una eslora deflotacin de 70 ft. Nos da una relacin velocidad eslora de 1,31[ (70 ft)0,5= 8,37 nudos, y11 nudos 8,37 nudos = 1,31]. Del cuadro 2-1, las libras por HP necesarias sern 533.Luego, 220 000 lbs.533 lbs/HP = 413 HP ( 308 kw ) en el propulsor.Es ahora importante recordar las curvas de operacin del motor del capitulo 1. A pesarde que, 413 HP (308 kw) es todo lo que se requiere para producir 11 nudos, este barcooperara continua y econmicamente a esta velocidad. Una embarcacin del tamao de laSalty Bell tendr un motor marino diesel para servicio intermitente, que debe operarsealrededor del 80 a 90 % de su R.P.M. mximo, es decir 85% en promedio. Segn esto,necesitaremos especificar un motor de 485 HP ( 362 kw. ) para la Salty Bell[413HP0,85 = 485 HP (362 kw)].Adems de esto, tenemos que tener en cuenta que la Salty Bell requiere 413 HP (308kw) en el propulsor para trabajar a 11 nudos. Entonces, los HP necesarios para operartoda la maquinaria auxiliar conducida por el motor principal, y considerando todas lasperdidas de potencia debido a transmisiones adicionales ( tales como los canales en V) oapoyos del eje, deben ser sumados a la potencia total del motor.En el caso de la Salty Bell, una ventaja adicional en la especificacin de un motor queopera continuamente al 85 % de su mxima R.P.M. es que una planta de propulsin talcomoestapermitiralcanzarunavelocidadextraencircunstanciasespeciales. Pocosmotores generansu R.P.M. mxima nominal cuandoestnenservicio, peroserarazonable estimar para el motor de la Salty Bell, nominado en 485 HP (362 kw), queentregue una potencia de 460 HP(343 kw) en servicio. El cuadro 2-1 muestra que nosdara una velocidad mxima de 11,7 nudos aproximadamente.Apesar de que el cuadro 2-1 nos da valores de hasta 2,9, generalmente lasembarcaciones de casco de desplazamiento o de no planeado no pueden alcanzar dichasvelocidades. Siempre hay que tener presente la vieja regla del pulgar, que nos dice quelos cascos de desplazamiento no pueden viajar ms rpido que la velocidad del casco (1,34 veces la raz cuadrada de la eslora de flotacin en ft.). Esta regla ha demostrado serrealmente un poco conservadora, habindose llegado a alcanzar relaciones velocidad -eslora de 1,4 1,45 en embarcaciones pesadas con lneas de forma ms o menos finas,pero a un gran costo en potencia. La curva en el cuadro 2-1 se eleva excesivamente pararelaciones velocidad-eslora superiores a 1,5. Para la mayora de los barcos dedesplazamiento, no existe un punto en la instalacin de los motores, que de ms de unHP en el propulsor por cada 400 lbs de desplazamiento ( 1 kw. por cada 240 kg). Paraoperacin a relaciones velocidad-eslora de 1,3 ( velocidad de casco tradicional onormal), un HP por cada 550 lbs.( 1 kw. por cada 335 kg) en el propulsor es suficiente.Las dragasy losremolcadoresquenecesitanjalarcargas pesadasrequerirnpotenciaadicional para el remolque. Trataremos esto en detalle en el capitulo 8.EMBARCACIONES DE SEMIDESPLAZAMIENTOLa embarcaciones que operan a relaciones velocidad-eslora mayores que 1,3 1,4 ; peromenores que 2,5 a 3,0 ( es imposible ser preciso aqu ) no son embarcaciones de planeorealmente. Tales barcos son llamados embarcaciones de semidesplazamiento, uocasionalmenteembarcacionesdesemiplaneo. Nosepuedetransformaruncascodedesplazamientopuroenunaembarcacindesemiplaneo, instalandonicamenteunmotormuchomsgrande. Tal hecho, seriaundesperdiciodetiempoydinero. Paraalcanzar velocidades de semidesplazamientola embarcacindeber tener uncascoespecficamente diseado para ese propsito.Existentresfactoresimportantesquegobiernanlacapacidaddel cascoparaalcanzardichas velocidades. Uno de ellos es la forma del casco ( la forma de su obra viva en lapopa ); el segundo es su relacin desplazamiento-eslora, debido a que las embarcacionescon desplazamientos livianos pueden alcanzar velocidades ms altas; y el tercero es unconglomerado de la capacidad marinera, resistencia a esfuerzos estructurales, y confortde la embarcacin.Loscascosdeplaneoverdaderosrequierendecarenasplanasapopa, quetenganlamxima rea para la superficie til de planeo. Los cascos de semidesplazamientorequierencumplir algunasdeestas caractersticas, ms si vanadesplazarseaaltasvelocidades, y menos si su relacin velocidad-eslora esta ligeramente sobre la velocidaddel casco. Esta caracterstica, es la que determina cuan rpido puede navegar un casco, ysi existe algn punto durante la instalacin del motor, que entregue ms de un HP en elpropulsor por cada 400 lbs. ( 1 kw por cada 240 kg ).El ngulo de la Seccin Longitudinal controla la Velocidad PotencialEl mejor indicador de la velocidad potencial mxima de un casco es el ngulo que suseccin longitudinal a un cuarto de la manga y la lnea de agua forman cuando este seencuentraensucondicinnormal decargayenreposo. Lafigura2-1muestralaubicacin de la seccin longitudinal a un cuarto de manga, y como es que se debe medirsu ngulo. ( El apndice A muestra como medir este ngulo directamente del casco, sino se dispone de las lneas de forma.). Estos ngulos indican la velocidad potencial paralos cascos de semidesplazamiento, como se da a continuacin :Tabla 2-1 ngulo de la Seccin Longitudinal vs. Razn velocidad-eslorangulo de la Seccin Longitudinal Razn velocidad-esloramenos de 2 2,5 o ms4 alrededor de 27 alrededor de 1,5Los cascos con ngulos de seccin longitudinal superiores a los 7 8 son raros, y sedansiemprequesenavegueavelocidades superiores alas correspondientes aunarelacinvelocidad-eslorade1,4. Silosngulosdeseccinlongitudinalsonmenores,entonceslaspotenciasparalasvelocidadesdentrodel rangodesemidesplazamientomostradas arriba sern las adecuadas.Por ejemplo, si la misma Salty Bell tiene un ngulo de seccin longitudinal a un cuartode su manga, igual a 3,8, podremos interpolar con los valores de la tabla mostrada, questapodranavegar conunarelacinvelocidad-eslorasuperior a2,1. Restodaunavelocidadv, de17,5nudos [ (70 ft.)0.5= 8,37 nudos., y 2,1 x 8,37 nudos = 17,57nudos ]. Podemos ver del cuadro 2-1 o de la Frmula 2-1 que la embarcacin requerirun HP por cada 130 lbs. para lograr esta velocidad ( 1 kw por cada 79 kg. ), lo cual nosdar 1692 HP (1262 kw) en el propulsor [ 220000 lb.130 lb./HP = 1692 HP ]. Resultainmediatamente aparente que el lograr velocidades con relaciones velocidad-eslora altases muy costoso en potencia. Entonces podremos concluir de que, la Salty Bell a pesar desudiseodecascoquelepermitelograrunarelacinvelocidad-eslorade2,1enlateora, sus 220000 lbs. de desplazamiento hacen que esto sea costoso en la prctica.EFECTO DE LA RELACIN DESPLAZAMIENTO-ESLORA EN LA VELOCIDADPOTENCIALOtro indicador de la velocidad potencial del casco es cuan liviano es ste para su esloraen la flotacin. La liviandad se mide a travs de la relacin desplazamiento-eslora (DL),que se define como sigue :Frmula 2-2 Frmula de la Relacin Velocidad - EsloraRe( , )lacion DLxL=A0 013donde:A = desplazamiento, en toneladas largas de 2240 lbs. ( 1 TM = 1,016 tons. largas)L = eslora en la flotacin, en pies.El cuadro 2-2 muestra la mxima relacin velocidad-eslora que un casco de no planeopuede alcanzar respecto de su relacin DL. ( Un casco de planeo puro podr alcanzarvelocidadesmayores quelasqueindicasurelacinDl.)Estacurva esta basada en lasiguiente Frmula, deducida por el autor :Frmula 2-3 Frmula Mxima Relacin Velocidad-Eslora vs. Relacin DLRe,(Relacion SLlacion DL)=8 260,311donde :Relacin SL = relacin velocidad eslora.Relacin DL = relacin desplazamiento - eslora.Cuadro 2-2. Este cuadro, relacionado a la Frmula 2-3, muestra la velocidad mxima que un casco de no planeo puedealcanzar, en funcin de su relacin desplazamiento-eslora. Ingrese con la relacin DL, una vez hallada la relacin SLcorrespondiente, remtase al Cuadro 2-1 para hallar la potencia requerida para alcanzar esta velocidad. Existen tres formas enlas que una embarcacin puede alcanzar relaciones SL significativamente mayores que 1,45 : una es por medio de undesplazamiento liviano; las embarcaciones extremadamente livianas con relaciones SL de, digamos, 60 100, pueden alcanzarrelaciones SL hasta de 2,0 an con ngulos de seccin longitudinal comparativamente excesivos y otras caractersticas decascos de no planeo. La segunda forma de lograr relaciones SL altas es usando un casco de planeo, al cual dndole lasuficiente potencia, podr lograr altas velocidades an cuando tenga desplazamientos moderadamente altos. Un ejemplo es laSalty Bell, tratada anteriormente, que alcanzara una relacin SL de 2,1; a pesar de tener una relacin DL de 286. La SaltyBell supera las limitaciones del casco de desplazamiento de la curva mostrada en la grfica, por medio de un buen casco deplaneo y una gran planta de potencia, esencialmente. Es una tpica embarcacin de tripulantes, que transporta hombres,provisiones, y equipo pesado hacia las plataformas petroleras a corta distancia de la costa. La tercera forma de alcanzar altasvelocidades, que es de lejos , la ms comn, es hacer una combinacin de desplazamiento y de caractersticas de casco deplaneo.Relaciones DL muy bajas permiten obtener altas velocidades (relaciones SL altas) sinplaneo real. En efecto, la curva en el cuadro 2-2 muestra donde se produce la verdaderavelocidaddecascoparaembarcacionesdedistintasrelacionesDL. Naturalmente, lagranmayoradelas embarcacionesdenoplaneo- mercantes ydeplacer - tienenrelacionesDLsuperioresa280. Podemosver del cuadroquedichasembarcacionesestn limitadas a relaciones SLmenores que 1,42. Tales cascos podrn alcanzarvelocidadesdesemidesplazamientoslosi susngulosdeseccinlongitudinal auncuartodemangafueranbajosy si suspotenciasfuerangrandiosas,comosediscutianteriormente.Si, sin embargo, consideraremos una embarcacin extensa y liviana, como por ejemplola Sea Rocket, de 50 ft. (15,2 m.) de eslora de flotacin y solo 30000 libras (13 608 kg.)de desplazamiento, su relacin DL seria 107. Del cuadro 2-2 de la frmula 2-2, vemosque la Sea Rocket, an con un ngulo de seccin longitudinal a un cuarto de su manga,comparativamenteexcesivo, podralcanzarrelacionesSLdeaproximadamente1,9ouna velocidad V de 13,4 nudos. Luego, podremos determinar a partir del cuadro 2-1, lapotencia requerida para que esta embarcacin navegue a dicha relacin SL.Generalmente, los ngulos de seccin longitudinal planos o superficiales, y losdesplazamientos livianos conllevan a potenciales de velocidad elevados. Un casco conestas caractersticas puede potenciarse para operar a altas velocidades. Las ensayos parapotenciar embarcaciones con ngulos de seccin longitudinal mayores de 8 y relacionesdesplazamiento-esloraporencimade290300conelfindealcanzarrelacionesSLsuperiores a 1,4 no funcionaran.Efectos de la Resistencia del casco y Condiciones del Mar en el Potencial deVelocidad.Una consideracin final en la determinacin del potencial de velocidad es la resistenciay las condiciones marinas del casco. A medida que la potencia necesaria para navegaruna embarcacin aumenta geomtricamente con la velocidad, el slamming y las cargas.Un bote de fondo plano superficial tendr una relacin DL ligeramente baja y un ngulode seccin longitudinal muy pequeo. Por tanto, dicha embarcacin podr propulsarsefcilmente para alcanzar velocidades de semidesplazamiento o planeo.Desafortunadamente, el golpeteo que dicho casco tome en aguas tranquilas serindeseable para la tripulacin y puede inclusive daar el casco. Luego de considerar lapotenciaciny la repotenciacin para altasvelocidades, hay que tomaren cuenta lascondiciones en que operar la embarcacin. Los cascos anchos, de fondo plano puedenhacerse navegar a velocidades muy latas en aguas tranquilas, pero si operamos en aguasregularmente turbias o agitadas, nos veremos forzados a ir ms despacio, de modo quela velocidad y potencia extras puedan usarse algunas pocas veces.EMBARCACIONES DE PLANEOLaembarcaciones que operana relaciones velocidad-eslora por sobre 2,9o3sonllamadas embarcaciones de planeo real. Dichos cascos debern tener ngulos de seccinlongitudinal a un cuarto de manga, por debajo de los 2. Las embarcaciones de planeoms modernas tiene ngulos de seccin longitudinal a un cuarto de manga, igual a 0.En otras palabras su seccin longitudinal a un cuarto de su manga se extiendeexactamente paralela a la lnea de flotacin. Los desplazamientos livianos tambin soncrticos. En la teora, inclusive hasta un buque de gran desplazamiento podr planear sise tiene la potencia suficiente. Las dimensiones totales de los motores y la cantidad decombustibleparaponerlosenmarcha hacenqueel desplazamientolivianoseaunanecesidad practica en todos los casos, con algunas ny pocas excepciones.Elcuadro2-3muestralavelocidadV, ennudosobtenibleconlapotencia,versussurelacinpotencia-desplamiento, LB/HP. EstascurvasestnbasadasenlaFrmuladeCrouch, con la constante C, ajustada para que nos de la velocidad en nudos:Frmula 2-4 Frmula para la Velocidad de Planeo de CrouchVCSHP=( / ).A0 5donde :V : velocidad de la embarcacin, en nudos.C : constante elegida de acuerdo al tipo de embarcacin considerada.A : Desplazamiento en libras.SHP : Potencia en el eje del propulsor.La velocidadobtenidaapartirdeestaFrmula,asumequeelpropulsorseleccionadoentregaunaeficienciaentre50a60%, conun55%comounbuenpromedio(vercapitulo 6 ).Cuadro 2-3. Este cuadro, basado en la Frmula 2-4, muestra la potencia alcanzable por un casco deplaneo como una funcin de la potencia al eje disponible. Ver tabla 2-2 para estimar el valoraproximado de C con el cual se entrara a la tabla. Este cuadro se aplica solo para embarcaciones deplaneo real con ngulos de seccin longitudinal a un cuarto de su manga por debajo de 2 y relacionesvelocidad-eslora de al menos 2.9 3,0.La clave para obtener resultados reales a partir de la Frmula de Crouch es el usar laconstante correcta C. Estas deben escogerse como sigue :TABLA 2-2 CUADRO DE CONSTANTES PARA VELOCIDADES DE PLANEOC Tipo de Embarcacin150 Embarcaciones menores de velocidad media, cruceros, embarcaciones depasajeros.190 Embarcaciones menores de alta velocidad, cruceros livianos de altavelocidad.210 Tipos de botes de carrera.220 Hidroplanos de tres puntos, hidroplanos de asiento.230 Catamaranes de potencia para competencia y trineos acuticos.La gran mayora de cascos de planeo tienen valores de C de 150 o ligeramente mayores.Obtener velocidades dadas para valores de Cde 190 200 requieren de cascosrelativamente angostos yeficientes con aparejos de cubierta muypequeos, queimpidanlaestructuradelacabina. ValoresdeCde210 y superiorespodrnsoloaplicarse a embarcaciones que toman la estrategia o finalidad de las ltimas. Adems,tales embarcaciones requieren de ejes de hlice pequeos y bien trabajados, y puntalespara reducir la resistencia al avance por apndices al mnimo.Es interesante notar que la eslora no es considerada del todo en la Frmula de Crouch.Esto parecera ilgico, pero en la practica, a velocidades de planeo, la relacin potencia-desplazamientosolaynolaesloraes el factor contrarrestante. Laesloranopuededespreciarse en nuestras consideraciones, sin embargo, las embarcaciones largas yestrechas (con relaciones DL bajas) deben tener valores de ms altos, como se discutilneas arriba. Adems, estas embarcaciones, largas yestrechas con entradas finas,puedennavegar aaltasvelocidadesenaguasturbias, mientrasquelasembarcacionesanchas, yde cuerpo superficial no pueden hacerlo.Trabajaremos como ejemplo la embarcacin Flying Spray, de 35 ft (10,66 m.) con dosmotores gemelos fuera de borda con una cabina de sombra, a proa. Tiene una eslora enla flotacin de 30 ft. (9,14 m.), desplaza 10890 libras (4940 kg), y deber operar a unavelocidad v de 25 nudos (28,8 MPH). Su relacin desplazamiento-eslora de 180 es unpromedio ligeramente liviano para este tipo de embarcacin de planeo. Sin embargo, launidad de chumaceras de baja de sus fuera de borda no son muy eficientes y crean tantaturbulenciaensushlices, comoladebidaalosapndicesdearrastre. Enefecto, unvalor promedio de C igual a 150 seria adecuado ( de Tabla 2-2). Del cuadro 2-3 o de laFrmula2-4, vemosquela Flying SprayrequerirunHPpor cada36librasenelpropulsor. Esto da 300 HP (224 kw) [10890 lbs36 = 302]. En vista de que deseamosoperar continuamente a esa velocidad, tendremos que calcular para una marcha igual al70 % de la mxima - los fuera de borda son motores livianos y de alta velocidad. Portantonecesitaremos motores de potencia nominal total de 430HP(320kw) [300HP0,7 = 431 HP]. Entonces ser adecuado escoger motores fuera de borda gemelos de215 a 220 HP (160 a 165 kw).En este punto, podremos comenzar a responder otra de las interrogantes msfrecuentemente mencionadasaliniciodelcapitulo1: Porque miembarcacin noalcanza la mxima velocidad estimada por el fabricante ? . Podremos responder en basealosmtodosdeprediccindelavelocidadtratadosaqu, paraverrealmentecuanrpido podr navegar la embarcacin a su potencia y desplazamiento reales. No debersorprendernos que, luego de llevar a la embarcacin en consideracin a sudesplazamientoreal ( dadoenel catalogodeventa), descubramosquesuvelocidadmxima de crucero es inferior a la mostrada cuando se encontraba sobre el piso de lasala de exposiciones. Sin embargo, si descubrimos que la embarcacin tiene suficientepotenciaparaalcanzarvelocidadesmayoresalamximaquehaya podidorealmentealcanzar, luegoysololuego, sertiempode pensar enuna nueva hlice. Estoesparticularmente cierto, cuando el motor no llega a alcanzar su mxima RPM, o cuandostelasalcanzapordebajodesumximapotencia. Enloscaptulos5y6harunaevaluacin detallada en cuanto a la seleccin de hlices.Capitulo 3ANATOMIA DE LA HELICEPartes y DefinicionesAntes de comenzar a examinar el proceso de seleccin de hlices en detalle, tendremosquedefinir claramentelospropulsoresqueseleccionaremos: Comoseforman?, Cuales son las diferencias y similitudes entre ellos?, Que tipo de hlices tendremos queseleccionar, y que tipoeslamsrecomendables para que servicio?Responderemos aestas preguntas en los prximos dos captulos.PARTES DEL PROPULSORNcleo : El ncleo de una hlice es el disco central slido, taladrado por el eje de lahlice, al cual se encuentran adheridas las palas de sta. Debido a que el je de la hlicenogeneraempuje, loideal seriaeliminarlo. Aunque, comounacuestinpractica, elncleo no podr ser menor que el 14 % del dimetro, a fin de que tenga la suficienteresistencia.Chaveta : La mayora de los ejes transmiten el torque del eje a la hlice a travs de unachaveta. La chaveta es un rectngulo de metal largo y delgado que va dentro un canalinterior practicado a lo largo del ncleo de la hlice y que va en contacto con el eje. Laschavetas, ejes y dimensiones del ncleo estndar se encuentran en el apndice C.Palas : Laspalasdelahlicesonlasaletasolbulostorcidasqueseproyectanalexterior del ncleo. La accin de las palas es la que impulsa a la embarcacin en el agua.Cara y Reverso de la Pala : La cara de la pala es el lado de alta presin, o cara depresin de lapala. Esteladoeselque mira a popa, el que empuja al agua cuando laembarcacin se mueve avanzando. La cara reversa es el lado de baja presin o cara desuccin de la pala, es decir, el lado que apunta a proa.Raz y Punta de la Pala : La raz de la pala es el punto en el cual la pala se une alncleo. La punta de la pala es el filo extremo ms exterior de sta, es decir, es el puntoms alejado del centro del eje.Bordes de Ataque y Salida :El bordedeataquedelapalaes aquel queabre(penetra) el agua. El borde de salida es aquel por donde el agua abandona o sale de lapala.SENTIDO DE GIRO O ROTACINUn aspecto critico de la forma de la hlice es su sentido de giro. Una hlice que hagaque el buque avance cuando sta gira en sentido horario, visto de popa, se le denominahlice de giro derecho. Asimismo, a una hlice que gira en sentido antihorario, vista depopa, seleconoce como hlice de giro izquierdo. Podremos entonces diferenciar unahlicedegiroderechodeunadegiroizquierdosoloconverla. Amedidaqueunoobservalahlicedesdepopa, vemosquelosbordesdeataquedelaspalassiempreestarn ms alejados del observador que los bordes de salida. Si los bordes de ataqueestn a la derecha del observador, la hlice gira en sentido horario, por tanto se tratara deuna hlice de giro derecho. Si ocurre lo contrario entonces se tratara de una hlice degiro izquierdo.El sentido de giro de la hlice nunca podr cambiarse. Si usted adquiere una hlice delgiro equivocado para su instalacin, entonces simplemente se tendr que cambiar dichahlice por otra que tenga el giro correcto. Es decir, no se podr cambiar el sentido el girocolocando la hlice al revs.Las hlices de giro derecho para embarcaciones de una sola hlice, son casi universales,pero no completamente. En instalaciones de hlice doble, se usan hlices y motores degiro opuesto a babor y estribor. Una hlice simple de giro derecho tendera a empujar lapopa de la embarcacin a estribor cuando esta avanza ( y a babor cuando retrocede). Larazn - en trminos simples - es que el agua por debajo de la hlice es ligeramente msdensa y libre a fluir (no existe casco sobre esta) que en la parte superior de sta. Estohace que las palas inferiores sean un poco ms efectivas, entonces la hlice y la popa semovern hacia los costados en la direccin del giro.Enuncascodehlicedoblelashlicesdebernserdegirosopuestos. Lahlicedeestribor o de la derecha deber ser de giro derecho, y la hlice de babor o de la izquierdadeber ser de giro izquierdo. Esto permite una mejor maniobrabilidad y, si se opera conun solo motor, el efecto de empuje de cada hlice contribuir a contrarrestar el hecho deque el eje no este en el centro. Las embarcaciones de doble hlice con hlices del mismosentido de giro pueden experimentar serios problemas de maniobrabilidad.LAS TRES CARACTERSTICAS BSICASEl dimetro, las RPM, y el paso son los tres factores ms significativos que afectan elfuncionamientoyeficienciadelahlice. Aunquemuchas otras variables debendeconsiderarse, la gran mayora de los clculos para la seleccin de un propulsor adecuadogira en torno de estas tres caractersticas.Dimetro :Lacaractersticamsobviadecualquierhliceessudimetro(D). Estevieneasersimplemente la distancia a travs de un circulo formado por las puntas extremas de lapala de la hlice.Efectos del Dimetro : El dimetro es el factor singular ms critico en la determinacindelacantidaddepotenciaqueabsorbeytransmitelahlice. Esportanto, el factorsingular ms importante en la determinacin de la cantidad de empuje entregado.Para la gran mayora de instalaciones , a medida que el dimetro aumente la eficienciaaumenta. La nica excepcin es para las embarcaciones de alta velocidad - sobre los 35nudos oms - enlas cuales lasuperficiemojadaextradeejes degrandimetro,cojinetes de apoyo, etc. causan un arrastre excesivo. Un pequeo aumento en eldimetro hace que el empuje y la carga del torque en el motor y el eje se incrementendramticamente ( ver la seccin referida al torque en el Capitulo 1). Por esta razn, debebuscarseelmayor dimetroy lamenorRPMeneleje. Enteora, unahliceconundimetro tan grande como un tercio de la manga de la embarcacin y girando solo a unadocena de RPMs es la ms eficiente. Los limites en el calado, forma del casco, RPMs yperdidasenel engranajedereduccinhacenqueel dimetroserestrinjaaunomuyinferior a ste.Revoluciones por Minuto :Las revoluciones por minuto( RPMoN) es el nmerode vueltas orotacionescompletasquedaunahliceenunminuto. Debidoaquelahlicegiraalamismavelocidad que su eje, suele denominrsele RPM del eje o RPM del eje de cola.Las RPMs del eje son con frecuencia distintas a las RPMs del motor, que es la velocidada la que gira el cigeal para un determinado rgimen de marcha. En la gran mayora deinstalaciones, se coloca una caja de engranajes de reduccin entre el cigeal y la cola oeje de la hlice. La finalidad del engranaje de reduccin es la de reducir las RPMs en lahlice, a fin de tener un dimetro mayor y una hlice ms eficiente que permita usar unmotor de alta velocidad econmico y compacto.Algunas relaciones de reduccin comunes son : 2:1, 2.4:1, y 3:1; sin embargo se tieneunagranvariedaddeengranajesdereducciny unaampliagammaderelacionesdetransmisin. En la practica, resulta con frecuencia ms econmico hacer que la hlicesea compatible con los engranajes de reduccin estndar proporcionados por elfabricante del motor para sus distintos modelos de motor. Cuando esto no es posible, sepodr encontrar un gran nmero de empresas que se han especializado en la produccinde engranajes de reduccin y reversa de uso marino para una gran variedad deinstalaciones especiales. En muchos casos, los engranajes tambin servirn para resolverproblemasdeubicacindel motor. LospionesenV, pionesparalelosypionesinclinados pueden combinarse en una caja de reduccin y permitir cambios radicales enla direccin del eje.La velocidad el eje o RPM puede calcularse simplemente dividiendo las RPMs. del eje odelcigeal entrelarelacindereduccin.Porejemplo, unmotorqueoperaa3000RPMs con un engranaje de reduccin de relacin 2.4:1 tendr unas RPMs en el eje de1250 [3000 RPMs 2.4 =1250 RPMs.].El mecanismo de engranaje de reduccin absorbe o gasta potencia - aprox. 3 % - portanto, entrminos deeficiencia, loideal seriaeliminar totalmenteel engranajedereduccin. Estosehacerarasveces, debidoaquelos motoresquesoncapacesdegenerar la suficiente potencia a una velocidad suficientemente baja son excesivamentegrandes y pesados, y ocuparan espacios interiores valiosos en el casco.Sinembargo, las embarcacionesdealtavelocidad, confrecuenciausanhlicesqueoperan a la velocidad del motor. En efecto, en algunas embarcaciones de competenciade alta velocidad, es necesario incrementar las RPMs del eje de cola por encima de lasRPMs del cigeal. Dichas embarcaciones llevanentonces una caja de engranajesmultiplicadora.Efectos de las RPM. Generalmente las altas RPMs, no son eficientes, a excepcin de laembarcaciones de alta velocidad. Para embarcaciones que operan por encima de los 35nudos, disminuir las RPMsnos permite colocar una hlice de gran dimetro, para sergirada con las mismas dimensiones ypeso del motor, y el mismo consumo decombustible. Debido a que una hlice de gran dimetro es ms eficiente en laproduccin de empuje, generalmente, en la mayora de instalaciones son preferibles lasbajas RPMs .En las embarcaciones de alta velocidad, donde es importante conservar las dimensionesde la hlice yestructura de soporte pequeas a fin de reducir la resistencia porapndices, pueden ser resultar ventajoso RPMs ms altas, y por tanto, hlices, ejes dehlice y puntales ms pequeos.Figura 3-3Torsin de la Pala y paso de la HlicePasoEl terminopasovienedelaviejaanalogaconlostornillosusadaparaaproximarlaaccin de la hlice. Esta analoga dice que la hlice se atornilla a si misma en el agua, dela misma forma en que un tornillo de madera se enrosca en un pino suave. En efecto, eltermino apropiado para una hlice es el de propulsor o hlice de tornillo.Paso de la Cara. Al igual que un tornillo de madera, la hlice - en teora - avanza unacierta distancia fija por cada revolucin completa. ( Ver lo referente al Paso Virtual msadelante). A esta distancia se le denomina paso. Un termino ms preciso para esto es elde paso de la cara, debido a que esto define los ngulos de las caras de las palas. Si elpropulsor avanza 10 pulgadas (254 mm.) por cada vuelta completa, entonces este tendrun paso de 10. Y debido a que la hlice esta bien fija a su eje propulsor, sta empujaraaleje haciaadelantelamismadistancia.Asuvez, eleje empujar a uncojinete deempuje que ejercer una fuerza contraria al casco. En la mayora de motores pequeos ymedianos, el cojinete de empuje se encuentra en la caja de engranajes o de transmisin,que a su vez esta fija al motor.En cada revolucin,, sin embargo, la hlice realmente hace que la embarcacin avanceunadistanciamenorqueladesupasodecaranominal. Ladiferenciaentreel pasonominal y la distancia real avanzada se denomina deslizamiento. (Esto lo examinaremosen detalle en los captulos 5 y 6).Al igual que en cualquier otro objeto rotatorio, la parte ms interna de la hlice ( cercanaal ncleo) avanzara una distancia menor que sus puntas por cada revolucin completa.Por decir, en una hlice de 16 (406,4 mm) de dimetro, sus puntas estarn viajando enuna circunferencia de 50,26 (1276 mm), mientras que la raz de sus palas, de acuerdoal ncleo, estarnviajandosoloenunacircunferenciade11(279,4mm) por cadarevolucin. Estaes unadiferenciabastantesubstancial. Debidoaquelas palas nopueden avanzar ms adelante que las partes internas de la hlice, se les da un ngulosuperficial.De esta manera, las puntas terminan en el mismo sitio que las races de las palas al finalde cada vuelta completa. Basndonos en el mismo principio para todo el largo de la palaobtendremos la torsin caracterstica de las palas de la hlice.Es bueno recordar que el paso de una hlice no es el mismo que el del ngulo de suspalas. La figura 3-6Amuestra una vista seccional de la pala de una hlice a una ciertadistancia fuera de la lnea central del eje, ms o menos 70 % de la distancia a la puntade la pala. La pala esta girando levantndose hacia fuera del plano de la pagina y porsobre la lnea central del eje, y gira rechazando el agua entrando a la pagina por debajode la lnea central del eje. El ngulo de la pala para esta seccin es el ngulo a, y es elngulo entre el cara de la pala y un plano perpendicular a la lnea central del eje. Estengulovariaralolargodelapala, comosemuestraenlafigura3-6B, afindemantener el paso de la cara constante - constante porque el paso ( distinto al paso delos ngulos de la pala) no cambia, y de cara porque realmente se aplica solo a la carade la pala. Las caras de las palas de una hlice de paso de cara constante describen unahlice perfecta con un paso igual al paso nominal del propulsor.Hlices de Paso Variable. La mayora de las hlices tienen palas generalmente de pasoconstante, pero algunos pocas hlices especiales tienen palas con un paso que cambiasubstancialmente de la raz a las puntas. Esto significa que los ngulos de las palas novaran a fin de mantener el paso constante. La razn principal de estas hlices de pasovariable es la de aprovechar las velocidades variables del flujo de agua hacia la hlice -medidas radialmente hacia afuera del ncleo - debido a la interferencia delante con elcasco.Las hlices de paso verdaderamente variable estn fuera del alcance de este texto. Estetipo de instalacion se requiere solo para grandes embarcaciones con necesidadesespeciales de optimizar su eficiencia. Sin embargo, muchas hlices modernas tienen unapequea cantidadde paso variable introducidas cerca de la raz de la pala comoresultadodeloscambiosenlaseccindelapala. Tambin, confrecuencia, reducenligeramente el paso cerca de las puntas de las palas, respecto de una hlice terica. Aesto se le llama alivio del paso o descarga de las puntas, y se ha encontrado que sto,reduce la tendencia a que la cavitacin comience en las puntas de la hlice (ver Capitulo4).Hlices de Paso Controlable. El termino de hlice de paso controlable suena similar alde hlice de paso variable, pero realmente, esto se refiere an concepto completamentediferente. Unahlicedepasocontrolablepermitealoperadorcambiarelpasodelaspalas de la hlice mientras sta se encuentra en marcha.Generalmente, unmecanismohidrulicoounaconexinmecnicadirectapermitelarotacin de las palas alrededor de los ejes individuales de la pala, independientementede las revoluciones del eje de la hlice. Las hlices de paso controlado ofrecen ventajassignificativas en economa de operacin para embarcaciones que operan bajocondiciones variables de carga, como remolcadores, arrastreros ymotonaves. Estodebido a que el operador puede ajustar el paso para adecuarse al empuje requerido para,digamos, lograr correr libremente, o remolcar. Sin embargo, obviamente, las hlices depaso controlable son mucho ms costosas y complicadas que las hlices slidasordinarias. Trataremos ms extensamente con ellas en el Capitulo 8.Paso Virtual. La consideracin final en el paso se llama Paso Virtual o Hidrodinmico.Enrealidad,unhlicenooperacomountornilloparamadera, aunque laanaloga esvalida. El agua entra a las palas de la hlice a un ngulo(ngulo a en la fig. 3-6) relativoa un plano en ngulo recto a la lnea del eje, y deja el borde de salida de las palas a unngulo diferente b. Este ngulo vara a todo lo largo de la pala, y el promedio de todosestos ngulos diferentes es el paso virtual. El paso virtual es el paso real o verdadero deuna hlice. Nunca viene especificado por el fabricante; su importancia esta en el hecho(ver abajo) de que este vara entre lashlices que tienen el mismopaso de cara, y elcomportamiento de estas hlices en operacin, como consecuencia variara algo.Paso de Anlisis, P0. Aligualqueelpasovirtual, elpasodeanlisis, (P0), tambinllamado Paso Experimental, es otra manera de medir el paso real o efectivo. El paso deanlisis es el paso del propulsor medido a la velocidad del agua y a la RPM a la cual lahlice ya no podr mantener el flujo de agua - en otras palabras, a la velocidad y RPMdonde el empuje se hace cero.Cuandoaunavelocidaddeesteladeterminada, Va(verCap.6), aunaRPMdada, elempuje de la hlice desaparece, el paso de anlisis, P0 (en ft.), es igual a 101,33 veces lavelocidad de estela (en nudos) dividida por las RPM, cuando el empuje se hace cero, N0.Para un propulsor que entrega empuje cero a 2800 RPM a una velocidad de estela de 21nudos, el paso de anlisis seria 0,76 ft 9 (231,5 mm.) [101.33 x 21 nudos 2800RPMs =0.76 ft. = 9].Frmula 3-1 Frmula del Paso de AnlisisPVNa00101 33=,donde :P0 = paso de anlisis, en ft.Va = velocidad de estela para empuje cero.N0 = RPM del eje para empuje cero.Comparaciones del Paso. El incrementodel espesory elanchodelapala, ambos,traen como consecuencia el aumento del paso virtual. Debido a que los fabricantes dehlices especifican stas basndose en el paso de cara - sera un compromisoprohibitivamente complejoel calcular el pasovirtual - entonces resultaimportantecomparar hlices de espesores, modelo de pala, y ancho semejantes; de otra forma supaso virtual o real sera distinto,an cuando sus pasos de cara especificados sean losmismos.An, la medicin de pasos de caras simples involucra ciertos problemas. Debido a quelos ngulosdelas palasvaranalolargodetodasta, desdelarazalaspuntas,obtendremos distintas medidas de paso dependiendo donde se tom sta. Sin embargo,por convencin el paso de cara siempre se mide al 70% del radio hacia fuera del centrodel eje. Por ejemplo, para una hlice de 44 (1117,6 mm) de dimetro, su paso de carase medir a 15,4 (391,16 mm) del centro del eje [ 44 dimetro 2 = 22 radio, y 22x 0,7 = 15,4 ].Relacin de Paso. El paso se define en trminos de pulgadas o milmetros, sin embargo,con frecuencia es muy til definir el paso como una razn del dimetro -- relacin paso-dimetro, relacin de paso o relacin p/d. Por ejemplo, una hlice de 20 (508 mm) dedimetro con un paso de 18 (457,2 mm) tendr una relacin de paso de 0,9 [18 20= 0,9].Frmula 3-2 Frmula de la relacin de PasoRelacin de Paso = P / Ddonde :P = pasoD = dimetroLas relaciones de paso generalmente estn entre 0,5 y 2,5; sin embargo, la gran mayorade embarcaciones trabajan mejor con relaciones de paso entre 0,8 y 1,8. De un modomuygeneral, sepuededecirsequeunarelacindepasode0,8produceeficienciasalrededor de 0,65; mientras que relaciones de paso alrededor de 1,4 entregaraneficienciastanaltascomo0,74. Arelacionesdepasomayoresde1,5, laeficienciacomienza a decaer. Las relaciones de paso ms bajas suelen adecuarse paraembarcaciones de baja velocidad, mientras que las relaciones de paso altas son resultanmejores para embarcaciones de alta velocidad.Una hlice que tenga una relacin de paso de 1,0 -por decir, con un dimetro de 18(457,2 mm) y 18 (457,2 mm) de paso - se le denomina comnmente rueda cuadrada.En el pasado, algunos diseadores le han dado a esta proporcin una cierta importanciamstica. Enla prctica, ancuandonohaynada de especial acercade las ruedascuadradas, sinembargo, lasrelacionesdepasode1,0hanresultadotenereficienciasrazonables en regmenes de operacin.Efectos del pasoElpasoconvierteeltorquedelejedelahliceenempujedesviandooacelerando elagua a popa. La Frmula que describe sto es la Segunda Ley de Newton : la fuerza ( oempuje) es igual a la masa por la aceleracin, F = MA. Desde este punto de vista, lahlicepropulsaralaembarcacin, exactamenteal igual queunmotorachorroounmotordecohetepropulsaaunavinomisil. Lafuerzaoempujeserdirectamenteproporcional a la masa o peso de agua movida hacia popa multiplicada por laaceleracin de esa masa.Debido a que la masa acelerada es agua, el empuje se podr calculara como sigue :Frmula 3-3 Frmula del Empuje TericoF = MA, FWgV V = ( )0 1donde :F = fuerza = empujeW = peso de la columna de agua acelerada a popa por la hlice, en lbsg = aceleracin de la gravedad, 32,2 ft/ s2V0 = velocidad del agua antes de entrar a la hlice, en ft/sV1 = velocidad del agua la dejar la hlice, en ft/sM = masa, en slugA = aceleracin, en ft/s2De un manera similar, la velocidad de la embarcacin es proporcional al momentum delagua, segn la ley de conservacin del momentum, M1V1 = M2V2 . En otras palabras,la masa de agua acelerada a popa multiplicada por su velocidad ser igual a la masa delaembarcacinacelerada aproamultiplicadaporsuvelocidad. Estarelacinesmuycomplicada debido a la resistencia del agua alrededor del casco, que actaconstantemente tratando de frenarlo.Incluso con una hlice de gran dimetro, y palas redondeadas amplias como bates debaseball, sin paso o ngulo de ataque, no se podr acelerar nada de agua a popa y portantonoseharanadaquenoseagenerarsolountremendobatido. Dichahlicenopodr hacer que una embarcacin avance del todo. Inversamente, palas ordinarias condemasiado paso tendern a forzar ms agua a popa ms rpidamente de lo que el motorpodra hacerlo. Esto,simplementeocasionara que elmotorsoporte una carga tal queste vaya ms despacio y que nunca alcance su mxima RPM o desarrolle su mximapotencia nominal. Esto, sera por tanto ineficiente y representara un dao potencial almotor.La tarea fundamental en la seleccin de una hlice es seleccionar un paso y un dimetroquegenerenel mximoempujeposibleavelocidadesdeoperacinnormalesysinsobrecargar el motor. El incremento del paso aumenta el empuje, pero el incrementarlodemasiadoreducelaeficienciadel conjuntomotor-helicepueshacequeel motorsehaga lento. Por otro lado, un paso muy pequeo no har que el motor se sobrecargue osehagamslento, sinembargo,noacelerar suficienteaguaapopa, y portanto, nopodr generar el mximo empuje o velocidad posibles.Capitulo 4CARACTERSTICAS DE LAS PALASForma de laPala, Cavitacin, Hlices Especiales, ReglasPracticasEn el captulo anterior, describimos las partes de una hlice, todas sus dimensiones, yvimos como estn torsionadas las palas a fin de crear el paso que genera el empuje. Noobstante, es importante tener en mente que dos hlices de pasos y dimetros idnticospueden ser muy distintas. Por ejemplo, una hlice puede tener palas muy anchas, y laotratenerlasestrechas odelgadas. Esportantointuitivamenteobvioque lahlice depalas ms amplias absorber ms empuje y potencia, pero necesitamos ser capaces dedefinir el rea, la forma y ancho de la pala para especificar la hlice correcta para unaaplicacin especifica. ( El rea de la pala es de particular importancia en ladeterminacin de si una hlice cavitar o no ).Asimismo, laspalas debern tener distintas formas seccionales -distintosespesores ycontornos- o, desdeluego, doshlicesdel mismodimetropodrantener diferentenmerode palas. Nuevamente, tendremos que ser capaces de entender ydescribirexactamente todas estas variables en la seleccin de una hlice. Adems, existen hlicesespecializadas, tales como las hlices de paso controlable y las hlices entubadas, queson de adecuacin particular a aplicaciones especificas.CARACTERSTICAS DE LAS PALASNmero de palasConsideremos la siguiente pregunta: Cuntas palas? Sorpresivamente, lo ideal es una.Una hlice singular no tiene otras palas que perturben el flujo de agua delante de ella.Desafortunadamente, tratar de balancear una hlice de una sola pala es como tratar deaplaudir con una sola mano. Entonces, disponer de dos palas se sera lo lgico. Tanto losbotes que tratan de reducir el arrastre y los botes de potencia de alta velocidad usan confrecuencia hlices de dos palas. El problema de las hlices de dos palas para la mayorade embarcaciones es que tales hlices requieren de dimetros muy grandes para tener elrea de pala necesaria para un empuje efectivo. Como resultado de esto, las hlices detres palas han demostrado generalmente ser la mejor opcin entre balance, rea de palasy eficiencia.Efectos de Palas MltiplesLas hlices de cuatro o cinco palas - y las hlices de incluso ms palas - son tiles pordos razones. Primero, sus palas extras creanms reatotal depalaconel mismodimetro o uno menor. Segn esto, una instalacin que necesita una hlice de 20 (508mm) de tres palas, pero que solo tiene espacio para una hlice de 18 (457,2 mm) podrobtenerelempujesuficientedeuna hlice,digamosde, cuatro palas adecuadamentedimensionada. La hlicedecuatropalas, sinembargo,rarasvecessertaneficientecomoladetrespalasdebidoaquelamayorproximidadentrepalasocasionarunaturbulencia adicional, que literalmente mezclara los flujos de agua entre una y otra pala.Otra razn para usar hlices de ms de tres palas es el de reducir la vibracin. Si unahlicesueleproducirgolpeteosyzumbidosrtmicosmolestos, unahliceconmayornmero de palas con frecuencia ser la solucin del problema. Cada vez que las palas dela hlice pasan por debajo del casco o por el arbotante de la hlice, causan un cambio depresin que a su vez ocasiona un impulso ( o succin) . Si el impulso es lo suficientefuerte generar un golpe violento. Una gran cantidad de golpes violentos y rpidos serigual a la vibracin.Las palas de una hlice de 3 palas, que gira a 1000 RPMs. pasan por debajo de la popa3000vecescadaminuto, o50vecespor segundo-unavibracinde50ciclosporsegundo (cps), o 50 Hz (hertz). Si pasamos a una hlice de 4 palas - siguiendo a 1000RPMs - cambiaramos esto a 4000 veces por minuto, 0 66 cps. A medida que los ciclosson ms rpidos, se sentir ms calma - y a medida que stos son ms lentosprobablementeharnqueel buqueentreenresonancia(amplificacindel sonidoaligual que en el cuerpo de una guitarra) con la vibracin.Para reducir la vibracin, hay una gran ventaja en la sustitucin por una hlice de mayornmero de palas y consecuentemente menor dimetro. Si por ejemplo, una hlice detres palas de 30 (762 mm) de dimetro se cambiase por una de 28 (711 mm) de cuatropalas, la clara del filo ( la distancia entre el cascoylas palas de las hlice) seincrementara en una pulgada (25 mm.). Si la clara original hubiese sido 4,5 (114 mm),sta hubiese aumentado en un 22%. El incremento de esta clara reduciraconsiderablemente la fuerza de los golpes que causan la vibracin. Cuando se trate deinstalaciones queproduzcan vibraciones severas, dicha situacin podra ser muyefectivaen la solucin del problema.rea de la Pala - Proyectada y Desarrollada ( Ap y Ad )El rea de la pala es el rea superficial de las palas individuales de la hlice. El rea delapala tiene un efecto directo en la tendencia de la hlice a cavitar y en la potencia queesta absorbe, pero debido a la forma complicada de las palas de la hlice, no es fcilmedirla directamente. Las dos formas de medicin ms comunes son el rea proyectadade la pala, Ap, y el rea desarrollada de la pala, Ad ( tambin llamada rea expandida delapala). El reaproyectadadelapalaes el readelas palas, tal ycomosevendirectamente desde popa. Otra forma de visualizar esto es visualizndola como el reade la silueta o la sombra de las palas cuando se las ilumina directamente hacia adelante.Debido a que las palas son torcidas, el rea proyectada es siempre menor que el rea realde la pala (el rea desarrollada o expandida). Para encontrar el rea desarrollada de lapala, el diseador expande ( endereza ) sistemticamente el rea curva o torcida en unplano y mide dicha rea expandida. Esto es lo mismo que el ajustar o adaptarcuidadosamente una pieza de papel sobre la superficie de la pala, cortndola dondeCoincida con el contorno de la pala, para luego desenvolverla sobre una mesa y medir surea. ( Ver Apndice B). El rea desarrollada es el rea ms frecuentemente utilizada enlos clculos de hlices, debido a que esta representa la verdadera rea total querealmente absorbe el empuje.El cuadro 4-1 de Conversin de rea Desarrollada en rea Proyectada da una relacinaproximada del rea desarrollada con el rea proyectada versus la relacin de paso. Si seconoceel readesarrolladadeunahlicecon, digamosunarelacindepasode1,2,luego el cuadro 4-1 nos dar una relacinAp/Ad de 0,8. Segnesto, si el readesarrollada (Ad) fuese 1000 pulg2(6452 cm2), el rea proyectada (Ap) seria 800 pulg2(5162 cm2). Si el rea proyectada se conociese, podramos encontrar el rea desarrolladadividindola por el factor Ap/Ad del cuadro 4-1. Por ejemplo, si el Ap (rea proyectada)de una hlice con una relacin de paso de 0,9 es 500 pulg2(3227 cm2), entonces el Ad(rea desarrollada) seria 573 pulg2(3696 cm2). ( El factor del cuadro es 0,87, y 500 pulg2 0,87 = 573 pulg.2)El cuadro 4-1 esta basado en la siguiente Frmula:Frmula 4-1 Frmula del rea Desarrollada al rea ProyectadaApAdP D P D = 1 0125 0 1 0 06252, ( , / ) ( , ( / ) )donde :Ap/Ad = Relacin aproximada del rea proyectada al rea desarrollada.P/D = Relacin Aproximada de la hlice.Figura 4-1Determinacindel anchomedio de la palade una hliceRelacin Ancho-Medio o MWR. A fin de comparar hlices de distintos dimetros, seutilizan una serie de relaciones que describen el rea de la pala. El ancho medio de lapala de una hlice es el ancho de un rectngulo que tiene la misma rea que la pala y lamisma longitud de la pala de la raz a la punta - no desde la lnea centro del eje. Portanto, una hlice de 74 (1879,6 mm) de dimetro, con un ncleo de 11 (279,4 mm) dedimetro tendr una altura de pala de 31,5 (800,1 mm) [ 74 - 11 = 63, y 63 2 =31,5].Sielrea expandidade lapala es656 pulg2(4232 cm2), el ancho medio ser 20,82(528,83 mm) [656pulg2 31,5= 20,82]. La relacin ancho-medio o MWR essimplemente el ancho medio dividido por el dimetro, o en este caso, MWR = 0,28 (20,82 74 = 0,28).Frmula 4-2 Frmula de la Relacin Ancho-MedioMWRancho promD=edio de la pala, MWRarea expanD= ( dida de una pala / altura de la pala de la raiz a la punta)donde :MWR = Relacin ancho-medioD = dimetroLas relaciones ancho-medio varan generalmente de 0,2 a 0,55. MWRs de alrededor de0,35 se consideran normales para la mayora de aplicaciones de velocidad moderada aaltas. Las relaciones ancho-medio mayores son usadas ms frecuentemente en hlices dems tres palas para conservar el rea total pequea.Relacin rea-Disco DAR. Otra medida til del rea de la pala de la hlice es el readel disco, queesel readel crculodescritopor el mximodimetrodesta. Porejemplo, unahlicede42(1066.8mm.) dedimetrotendrunreadediscode1385,43 pulg2(8932 cm2) [ t*422 4 = 1385,43 pulg2].Larelacinrea-discoes simplementeel readesarrolladatotal detodas las palasdividida entre el rea del disco. Por tanto, si la hlice de 42 (1066,8 mm.) de dimetrotiene un rea expandida de 242 pulg2(1561 cm2) por pala, y tiene tres palas, su relacinrea-disco ser 0,51 [ 242 pulg2x 3 palas = 726 pulg2, y 726 pulg2 1385,43 pulg2= 0,51] .Frmula 4-3 Frmula de la relacin rea-DiscoDARArea del Disco= Area Expandida de todas las PalasDonde :DAR = Relacin rea-Discorea del Disco = t D2/4 ( 0,785 D2)D = Dimetrot ~ 3,14Figura 4-2Area del Disco de una HliceEl rea del disco es el rea de un crculo del mismo dimetro que el de la hlice.Figura 4-3Hlice de cuatro palas, palas amplias, no divergentes de seccin ojival llena (caras planas). Larelacin ancho-medio de las palas es 0,33, y su relacin rea-disco es 0,61. Dicha hlice se adecuamejor a aplicaciones de baja velocidad y altos empujes - botes de trabajo, arrastreros, remolcadores,etc. El modelo de tres palas de esta hlice tiene el mismo MWR, pero un DAR de 0,5. El rea menor depalas hace que se adecue mejor a embarcaciones de desplazamiento liviano y conmutadores develocidad moderada.(Cortesa de The Michigan Wheel Company).Efecto del rea de la Pala. Una serie de factores conflictivos afectan la seleccin delrea de la pala. Las palas de la hlice realmente se comportan mayormente como perfilesaerodinmicosohidrodinmicos. ( Unperfil esunaformaespecficamentediseadapara generar empuje o sustentacin cuando se mueve dentro de un fluido). Por tanto, laspalas ms estrechas son tericamente ms eficientes. Desafortunadamente, las palas muylargas y estrechas necesitaran de grandes dimetros y bajas RPMs,lo cual no es muyprctico.Figura 4-4Hlice de cuatro palas, palas angostas, no divergentes de seccin ojival llena (caras planas). Larelacin ancho-medio de las palas es 0,21, y su relacin rea-disco es 0,43. Hlices como stasintentan reemplazar las hlices de tres palas del mismo dimetro pero con palas ms amplias ( palas demayor relacin ancho-medio normal entre 0,30 y 0,35). Esta provee la suavidad adicional de cuatropalas sin perdida de eficiencia por dimetro menor, sin embargo, hay cierta perdida de eficienciadebido a la mayor proximidad entre palas. Dicha hlice no podr usarse si no se le provee de suficienterea de palas para prevenir la cavitacin.(Cortesa de The Michigan Wheel Company).Debido a que el empuje de la hlice es creado realmente por la presin del agua sobrelas palas, esta presin puede describirse en trminos de libras por pulg2( kilogramos porcm2). Las palas con presiones que son demasiado altas tienden a perder eficiencia y acavitar ( ver posteriormente lo referente a sto en este captulo). Segn esto, entonces,sonpreferibles las presiones bajas enlas palas . Por tanto, paracrear unempujedeterminado en una hlice del mismo dimetro, es necesario incrementar el rea de lapala. Sin embargo, las palas ms anchas aumentan la turbulencia entre palas y tienen unmayor arrastre inducido ( vrtices de las puntas). Aos de experimentacin handemostrado que para la mayora de aplicaciones promedio, las relaciones ancho-mediodeberan oscilar de 0,2 a 0,5, y las relaciones rea-disco entre 0,4 y 0,7. Generalmente,conmenores dimetros ymayoresRPMs, ypalas ms anchas, tendremos mayoresMWR y DAR.Relaciones entre MWR, DAR y rea Desarrollada.Conociendo ya, el dimetro de la hlice, el nmero de palas, y adems la relacin ancho-medio o la relacin rea-disco de las palas nos permite determinar exactamente el reatotal de las palas. Utilizaremos esta informacin frecuentemente para chequear lacavitacin. La relacin ancho-medio, asimismo define la relacin rea-disco (yviceversa), como sigue :Frmula 4-4 Relacin rea-Disco vs. Relacin Ancho-MedioMWRDARNo=. de palas x 0,51Donde :MWR = Relacin Ancho-MedioDAR = Relacin rea-DiscoNota : Estas relaciones asumen un ncleo igual al 20% del dimetro total, lo cual es un promedio bastanteaproximado. Las hlices pequeas para embarcaciones de recreo, pueden tener ncleos ligeramente mspequeos,mientras que las hlices deembarcaciones pesadasde trabajo, particularmente las hlices depaso controlable, tendrn ncleos ligeramente mayores.De esta Frmula vemos que, por ejemplo, una hlice de tres palas con un MWR de 0,33tendr un DAR de 0,5 [3 palas x 0,51 x 0,33 MWR = 0,5 DAR].El rea desarrollada total se hallara de la relacin rea-disco, como sigue:Frmula 4-5 rea desarrollada vs. Relacin rea-Disco( ) DAR D Ad =22 tEl rea desarrollada total puede hallarse tambin a partir de la relacin ancho-medio:Frmula 4-6 rea desarrollada vs. Relacin Ancho-Medio( ) Palas de N 51 . 0 22 = MWR D Ad tDonde, para ambas frmulas:Ad = rea desarrolladaD = DimetroDAR = Relacin rea-DiscoMWR = Relacin Ancho-Mediot ~ 3,14Por tanto, una hlice de cuatro palas con MWR de 0,4 y un dimetro de 42 ( 1066 mm)tendra un rea desarrollada de 1025 pulg2(6613 cm2) [3,14 x (42/2)2x 0,4 MWR x 0,51 x 4palas = 1024,8 pulg2].Cuadro 4-2 rea Desarrollada vs. DimetroCuadros 4-2A, B, y C. Estos cuadros, basados en la Frmula 4-5, nos dan el rea desarrollada oexpandida de las palas en funcin del dimetro, la relacin ancho-medio, y el nmero de palas. El readesarrollada es til para saber cuando existe la posibilidad de cavitacin. Los valores de los cuadrosestn basados en un ncleo de hlice igual al 20% del dimetro total, lo cual es bastante aproximadopara la gran mayora de aplicaciones de hlices de patrn estndar. En caso de ser necesario algnajuste usar la Frmula 4-7.Los cuadros 4-2A, B y C grafican el rea desarrollada o expandida versus el dimetro enpulgadas, para hlices de tres ycuatropalas de distintas relaciones ancho-medio,basndose en laFrmula 4-5.Recuerde que estosvalores estn dados para un ncleopromedio del 20% del dimetro total. Para encontrar el rea a partir del MWR de hlicesde cualquier tamao de ncleo, se deber usar la siguiente Frmula:Frmula 4-7 rea desarrollada para un dimetro de ncleo y MWR cualquieraAdDNo = MWR ncleo de palas 212( % ) .Donde :Ad = rea desarrolladaMWR = Relacin ancho-medioD = Dimetro% ncleo = Dimetro mximo del ncleo dividido entre el dimetro total, D .Forma de la Seccin de la PalaSi cortamos o seccionamos una pala perpendicularmente al radio - la podamos, digamosel tercio exterior - veremos una seccin a travs de la pala de la hlice. Dichas seccionestienenunaformacuidadosamentedeterminadaquepuedeafectar dramticamenteelfuncionamiento. Las dos formas ms comunes de las secciones transversales de la palade una hlice son la ojival y la aerodinmica. Una pala ojival o pala de cara aplanadatiene su cara delantera plana - como si fuese expandida - y su cara trasera essimtricamente redondeada. Los bordes de ataque y salida son lo ms afi