Hélice en forma de tornillo: estructura interna y tipos

Las hélices en forma de tornillo, también conocidas como propulsores de hélice, son dispositivos rotatorios cruciales en la propulsión marina. Su diseño, aparentemente simple, esconde una compleja ingeniería que permite la eficiente transformación de energía rotatoria en movimiento lineal del barco. Este artículo se centra en la estructura interna de estas hélices, dejando de lado su estructura exterior y investigando los componentes y tipos que determinan su rendimiento.

Componentes Clave de la Hélice

Si bien las variaciones existen, la estructura interna básica de una hélice en forma de tornillo se compone de los siguientes elementos:

• Hub o Mazo: El centro de la hélice, que sirve como punto de unión para las palas. Puede ser sólido, como en las hélices sólidas, o hueco, como en las hélices de paso controlable o los propulsores atornillados ajustables (ABP).
• Palas: Elementos aerodinámicos que interactúan con el agua para generar empuje. Su diseño, incluyendo el ángulo de ataque, la forma y el perfil, determina la eficiencia de la hélice. La superficie de presión (cara posterior de la pala) empuja el agua hacia atrás, creando una fuerza de reacción hacia delante (empuje). La superficie de succión (cara delantera) es el área opuesta, generando una presión menor. La punta de la pala es el extremo más alejado del cubo, mientras que la raíz de la pala es la zona de unión al cubo. El borde de ataque es el primero en entrar en contacto con el agua mientras que el borde de fuga es el opuesto.
• Ángulo de inclinación (Rake): La inclinación de la punta de la pala respecto al eje del cubo. Un ángulo de inclinación positivo indica que la punta se inclina hacia adelante, mientras que un ángulo negativo indica una inclinación hacia atrás.

Tipos de Hélices y sus Características Internas

Existen diversos tipos de hélices, cada uno con características internas específicas que influyen en su rendimiento y aplicación:

Hélices de Paso Fijo (FP):

Las hélices de paso fijo se caracterizan por tener las palas rígidamente unidas al cubo. Su ángulo de paso es constante y no se puede modificar durante la operación. Su simplicidad y robustez las convierten en una opción común, aunque su eficiencia puede ser menor en comparación con otros tipos en ciertas condiciones.

Hélices de Paso Controlable (CP):

Las hélices de paso controlable permiten ajustar el ángulo de las palas durante la operación, lo que proporciona una gran flexibilidad. El mecanismo interno del cubo permite girar cada pala individualmente, posibilitando el cambio de paso e incluso la inversión de la marcha sin necesidad de cambiar la dirección del eje de transmisión. Son ideales para maniobras y se utilizan comúnmente en ferries y cruceros.

Hélices de Punta Cargada y Contraída (CLT):

Desarrolladas en la década de 1980, las hélices CLT incorporan placas en las puntas de las palas. Esta característica interna incrementa la carga en las puntas, lo que resulta en una mayor eficiencia, menor ruido y vibración, menor consumo de combustible y mejor maniobrabilidad.

Hélices Contra-rotatorias (CRP):

Las hélices contra-rotatorias utilizan dos hélices que giran en sentidos opuestos. Aunque la descripción se centra en la estructura interna de una sola hélice, es importante mencionar este tipo, ya que su diseño interno presenta particularidades para lograr la rotación opuesta y reducir la torsión, mejorando la eficiencia propulsiva.

Hélices de Alta Inclinación (High Skew):

Las hélices de alta inclinación tienen un ángulo de inclinación superior a 25°. Esta inclinación reduce las pulsaciones de presión inducidas por la cavitación, disminuyendo la vibración. La distribución de la inclinación es generalmente equilibrada, con las cuerdas de las palas desplazadas hacia adelante en los radios internos y hacia atrás en los radios externos.

Hélices Atornilladas Ajustables (ABP):

Las hélices ABP poseen un cubo hueco con palas atornilladas desde el interior. Los orificios ranurados en el cubo permiten ajustar el ángulo de paso de las palas para compensar variaciones a largo plazo en la resistencia del casco. En caso de daño, se pueden reemplazar las palas individualmente sin necesidad de un dique seco.

Hélices Sólidas:

Las hélices sólidas son construidas en una sola pieza, incluyendo el cubo y las palas. Su fabricación es simple y robusta, pero presenta limitaciones para reparaciones en caso de daños.

Hélices Ensambladas o Construidas:

Las hélices ensambladas se fabrican en varias piezas, generalmente con las palas fundidas por separado y fijadas al cubo mediante pernos y espárragos. Esta construcción facilita la reparación y reemplazo de las palas dañadas.

Hélices Sin Llave:

Las hélices sin llave se ajustan a presión en el cono del eje, eliminando la ranura de la chaveta y la consiguiente concentración de tensiones. Esto contribuye a la mayor resistencia y durabilidad de la hélice.

Hélices con Conducto o Encapsuladas:

Las hélices con conducto están rodeadas por un anillo con un perfil aerodinámico. Este conducto protege las palas y aumenta la generación de empuje. Permite el uso de hélices de menor diámetro para lograr el mismo empuje, siendo adecuadas para embarcaciones de poco calado.

1Hélices que Atraviesan la Superficie:

Las hélices que atraviesan la superficie se colocan de tal manera que la línea de flotación pasa por el cubo de la hélice. Cada pala queda fuera del agua durante la mitad de cada revolución. Este diseño mejora la eficiencia, reduce la resistencia, elimina la cavitación y permite calados bajos.

Factores que Influyen en el Rendimiento de la Hélice

El rendimiento de una hélice depende de varios factores relacionados con su estructura interna y la interacción con el agua:

• Geometría de las palas: El ángulo de paso, la forma del perfil aerodinámico y la relación entre el diámetro y la longitud de las palas influyen directamente en la eficiencia propulsiva.
• Velocidad de rotación: La velocidad a la que gira la hélice es un factor determinante en la generación de empuje. Una velocidad más baja y un mayor diámetro pueden aumentar la eficiencia.
• Velocidad del agua: La velocidad del agua alrededor del casco (estela) afecta la velocidad relativa del agua con respecto a la hélice, influyendo en su rendimiento.

Consideraciones Adicionales

El diseño de una hélice en forma de tornillo es un proceso complejo que requiere análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) para optimizar su rendimiento y minimizar efectos indeseables como la cavitación y la vibración. La selección del tipo de hélice adecuado depende de las características del barco, las condiciones de operación y los requisitos de rendimiento.

La estructura interna de una hélice, aunque no siempre visible, es el corazón de su funcionamiento. La comprensión de los diferentes tipos y sus características permite la selección y el diseño de hélices eficientes y confiables para diversas aplicaciones marítimas.