Hélice (marina)

Rotación de la Hamilton Standard 54H60 hélice en un Marina de los EE.UU. Número cuatro motores de la EP-3E Orion como parte de los controles previos al vuelo

Una hélice es esencialmente un tipo de ventilador que transmite la potencia mediante la conversión movimiento de rotación en de empuje para la propulsión de un vehículo tal como una avión, barco o submarino a través de una masa tal como agua o aire , girando dos o más cuchillas retorcidos alrededor de un eje central, de una manera análoga a la rotación de un tornillo a través de un sólido. Las aspas de un acto como la rotación de la hélice alas (las palas de una hélice son de hecho alas o superficies aerodinámicas), y la fuerza de productos mediante la aplicación de ambos El principio de Bernoulli y la tercera ley de Newton , la generación de una diferencia de presión entre las superficies delantera y trasera de la superficie de sustentación en forma de cuchillas y mediante la aceleración de una masa de aire hacia atrás.

Historia

El principio empleado en la utilización de una hélice de tornillo se utiliza en sculling. Es parte de la habilidad de propulsar un veneciano góndola pero se utilizó de una manera menos desarrollados en otros lugares de Europa y probablemente en otros lugares. Por ejemplo, impulsar una canoa con un solo remo utilizando un "J tiempos" implica una técnica idéntica relacionada pero no. En China, el sculling, llamado "lu", también fue utilizado por el siglo tercero dC.

En sculling, una sola hoja se mueve a través de un arco, de lado a lado teniendo cuidado de mantener la presentación de la cuchilla para el agua en el ángulo efectivo. La innovación introducida con la hélice del tornillo fue la extensión de ese arco a través de más de 360 ° uniendo la hoja a un eje giratorio. En la práctica, casi siempre hay más de una hoja a fin de equilibrar las fuerzas implicadas. La excepción es una de una hoja sistema propulsor.

El origen de la hélice del torno comienza con Arquímedes , que utiliza un tornillo para elevar el agua para embarcaciones de riego y achique, por lo famoso que se hizo conocido como el Tornillo de Arquímedes. Probablemente fue una solicitud de movimiento en espiral en el espacio (espirales eran un estudio especial de Arquímedes ) a una segmentada noria hueca utilizada para el riego por Egipcios durante siglos. Leonardo da Vinci adoptó el principio para conducir su helicóptero teórico, bocetos de lo que implicaba una gran sobrecarga tornillo lienzo.

En 1784, JP Paucton propuso un avión de autogiro como el uso de tornillos similares tanto para la elevación y la propulsión. Casi al mismo tiempo, James Watt propuso utilizar tornillos para propulsar barcos, aunque no los utilizan para sus máquinas de vapor. Este no fue su propia invención, sin embargo; Toogood y Hays habían patentado que un siglo antes, y se había convertido en un uso poco común como medio de propulsión de barcos desde entonces.

Por 1827 Josef Ressel había inventado una hélice que tenía múltiples cuchillas atadas alrededor de una base cónica; este nuevo método de propulsión permitido barcos de vapor para viajar a velocidades mucho mayores sin utilizar velas con ello que los viajes por mar más rápido. Hélices permaneció extremadamente ineficiente y poco utilizado hasta 1835, cuando Francis Pettit Smith descubrió una nueva forma de hélices de construcción. Hasta ese momento, las hélices estaban literalmente tornillos, de longitud considerable. Sin embargo, durante las pruebas de un barco impulsado por uno, el tornillo apagó, dejando una forma muy similar a un moderno propulsor del barco fragmento. El barco se movía más rápido con la hélice rota.

Casi al mismo tiempo, Frédéric Sauvage y John Ericsson solicitó patentes sobre vagamente similar, aunque menos eficiente acortados hélices, lo que lleva a una controversia aparentemente permanente en cuanto a quién es el inventor oficial entre esos tres hombres. Ericsson se hizo ampliamente conocido cuando construyó el "Monitor" un acorazado que en 1862 triumphedover los Estados Confederados ' Merrimac en una batalla americana mar Guerra Civil.

La primera hélice para ser alimentado por una motor de gasolina, montado en un barco pequeño (ahora conocido como barco de motor) fue instalado por Frederick Lanchester, también de Birmingham. Esto fue probado en Oxford . El primer uso 'mundo real' de una hélice era por David Bushnell, quien utilizó hélices alimentado a mano para motivar a su submarino "tortuga" en 1776.

A la Primera Guerra Mundial los aviones de hélice de madera sobre una mesa de trabajo.

El trenzado perfil aerodinámico (aerodinámico) forma de hélices de aviones modernos fue iniciado por los hermanos Wright cuando encontraron que todo el conocimiento existente sobre las hélices (en su mayoría naval) se determinó por ensayo y error y que nadie sabía exactamente cómo funcionaban. Ellos encontraron que una hélice es esencialmente el mismo que una ala y así fueron capaces de usar los datos recogidos a partir de sus experimentos en túnel de viento en las alas anteriores. También encontraron que la relación ángulo de ataque desde el movimiento hacia delante de la aeronave era diferente para todos los puntos a lo largo de la longitud de la cuchilla, por lo que fue necesario introducir un giro a lo largo de su longitud. Sus palas de la hélice originales son sólo un 5% menos eficiente que el equivalente moderno, unos 100 años después.

Alberto Santos Dumont fue otro de los pioneros, que tiene hélices diseñadas antes de que los hermanos Wright (aunque no tan eficiente) para sus aeronaves. Aplicó el conocimiento que obtuvo de las experiencias con los dirigibles para hacer una hélice con un eje de acero y láminas de aluminio para su 14 bis biplano. Algunos de sus diseños utiliza una hoja de aluminio doblada para hojas, creando así una forma aerodinámica. Estos están fuertemente undercambered debido a esto y combinado con la falta de una torsión longitudinal hecho menos eficientes que las hélices Wright. Aun así, este fue quizás el primer uso del aluminio en la construcción de una hélice.

Aviación

Hélices de aeronaves (hélices)

Una hélice de eficiencia está determinada por

.

Una hélice bien diseñado típicamente tiene una eficiencia de alrededor del 80% cuando se opera en el mejor régimen. Los cambios en la eficiencia de una hélice son producidos por un número de factores, notablemente de ajustes a la ángulo de hélice (θ), el ángulo entre la velocidad relativa resultante y la dirección de rotación de la cuchilla, y para de paso de pala (donde θ = Φ + α). Muy pequeños ángulos de paso de hélice y dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ángulos más grandes tienen el efecto contrario. El mejor ángulo de hélice es cuando la hoja está actuando como un ala produciendo mucho más elevación que arrastre.

Las hélices de un RAF Hércules C.4 en posición pluma

Las hélices son similares en la sección de perfil aerodinámico a un mínimo resistencia del ala y, como tal, son pobres en funcionamiento cuando al otro que su óptima ángulo de ataque. Se requieren sistemas de control para contrarrestar la necesidad de coincidencia exacta de lanzamiento a la velocidad de vuelo y la velocidad del motor.

El propósito de variar el ángulo de paso con una hélice de paso variable es mantener un ángulo óptimo de ataque (elevación máxima a la proporción de arrastre) en las palas de la hélice como velocidad de la aeronave varía. Ajustes de control de tono temprano fueron operados piloto, ya sea de dos posiciones o variable manualmente. Más tarde, se desarrollaron hélices automáticas para mantener un ángulo de ataque óptimo. Hicieron esto equilibrando el momento de torsión centrípeta sobre las cuchillas y un juego de contrapesos contra un resorte y las fuerzas aerodinámicas en la hoja. Apoyos automáticas tenían la ventaja de ser simple y no requiere control externo, pero el rendimiento de una hélice particular, era difícil para que coincida con la del motor de la aeronave. Una mejora en el tipo automático fue el hélice de velocidad constante. Hélices de velocidad constante permiten al piloto para seleccionar una velocidad de rotación de potencia máxima del motor o de la máxima eficiencia, y un gobernador de la hélice actúa como un bucle cerrado controlador para variar el ángulo de paso de la hélice según se requiera para mantener la RPM mandado por el piloto. En la mayoría de aviones de este sistema es hidráulico, con aceite de motor que sirve como fluido hidráulico. Sin embargo, los propulsores de control eléctrico se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y vieron un amplio uso en aviones militares.

Una pala de la hélice en posición de bandera

En algunas hélices de paso variable, las palas se pueden girar en paralelo a la corriente de aire para reducir la resistencia y aumentar la distancia de planeo en caso de un fallo de motor. Esto se conoce como cambio de paso. Fundido de hélices fueron desarrollados para aplicaciones militares aviones de combate antes de la Segunda Guerra Mundial, como un luchador es más probable que experimente una falla del motor debido al peligro inherente de combate. Hélices de calado se utilizan en los aviones de varios motores y tienen el propósito de reducir la resistencia en un motor fallado. Cuando se utiliza en planeadores con motor y turbina de un solo motor alimentado aviones aumentan la distancia de planeo. La mayoría de los sistemas de cambio de paso para los motores alternativos detectan un descenso en la presión del aceite y se mueven las cuchillas hacia la posición de pluma, y requieren que el piloto tire el control prop atrás para desenganchar los pasadores de tope de tono alto antes de que el motor llegue a ralentí RPM. Sistemas de control de turbohélices generalmente utilizan un sensor de par negativo en el reductor que mueve las aspas hacia pluma cuando el motor ya no está proporcionando energía a la hélice. Dependiendo del diseño, el piloto puede tener que pulsar un botón para anular las paradas de alto tono y completar el proceso de cambio de paso, o el proceso de cambio de paso puede ser totalmente automático.

En algunas aeronaves (por ejemplo, la C-130 Hercules), el piloto puede anular manualmente el mecanismo de velocidad constante para invertir el ángulo de las palas, y por lo tanto el empuje del motor. Esto se utiliza para ayudar a frenar el avión después de aterrizar con el fin de salvar el desgaste de los frenos y los neumáticos, pero en algunos casos también permite a la aeronave para realizar copias de seguridad en sí mismo.

Una consideración adicional es el número y la forma de las cuchillas utilizadas. El aumento de la relación de aspecto de las cuchillas reduce la resistencia pero la cantidad de empuje producido depende de área de la hoja, por lo que el uso de cuchillas de aspecto alta puede conducir a la necesidad de un diámetro de la hélice que es inutilizable. Un equilibrio adicional es que el uso de un menor número de cuchillas reduce los efectos de interferencia entre las cuchillas, pero para tener suficiente área de la cuchilla para transmitir la potencia disponible dentro de un diámetro conjunto significa que se necesita un compromiso. Aumentar el número de cuchillas también disminuye la cantidad de trabajo se requiere para llevar a cabo cada cuchilla, lo que limita el ámbito local Número de Mach - un límite de rendimiento significativo en las hélices.

La hélice de tres palas de una avioneta: el Vans RV-7A

Contra-hélices utilizan una segunda hélice que gira en la dirección opuesta inmediatamente "aguas abajo" de la hélice principal, así como para recuperar la energía perdida en el movimiento de torbellino del aire en la estela de la hélice. Contra-rotación también aumenta la potencia sin aumentar el diámetro de la hélice y proporciona un contador para el efecto de par del motor de pistón de alta potencia, así como la efectos de precesión giroscópica, y del remolino rebufo. Sin embargo en las pequeñas aeronaves el agregado coste, la complejidad, el peso y el ruido del sistema rara vez hacen que valga la pena.

La hélice está normalmente unido a la cigüeñal del motor, ya sea directamente o a través de una caja de cambios. Avioneta veces renunciar el peso, la complejidad y el costo de endeudamiento, pero en algunos aviones más grandes y algunos aviones turbohélice es esencial.

El rendimiento de una hélice sufre como la velocidad de la hoja supera la velocidad del sonido. Como la velocidad relativa del aire en la hoja es la velocidad de rotación más velocidad axial, una punta de pala de la hélice se llega a la velocidad del sonido en algún momento antes de que el resto de la aeronave (con una hoja de la velocidad máxima teórica de aeronaves es de aproximadamente 845 kmh (Mach 0,7) a del nivel del mar, en realidad es bastante más baja). Cuando una punta de la pala se hace supersónico, arrastrar y aumento de resistencia a la torsión y de repente ondas de choque forman la creación de un fuerte aumento en el ruido. Las aeronaves con hélices convencionales, por lo tanto, no suele volar más rápido que Mach 0,6. Hay ciertos aviones de hélice, por lo general militar, que no funcione a Mach 0.8 o superior, aunque hay una considerable disminución en la eficiencia.

Se han hecho esfuerzos para desarrollar hélices para aviones a altas velocidades subsónicas. La "solución 'es similar a la de diseño del ala transónica. La velocidad relativa máxima se mantiene tan baja como sea posible mediante el control cuidadoso del terreno de juego para permitir que las cuchillas tienen grandes ángulos de hélice; secciones hoja delgada se utilizan y las cuchillas son barridos hacia atrás en una forma de cimitarra ( Scimitar hélice); un gran número de cuchillas se utilizan para reducir el trabajo por blade y así la fuerza de circulación; se utiliza-contra-rotación. Las hélices diseñadas son más eficientes que los turbo-ventiladores y su velocidad de crucero (Mach 0,7 a 0,85) es adecuado para aviones, pero el ruido generado es enorme (véase el Antonov An-70 y Tupolev Tu-95 para ver ejemplos de este tipo de diseño).

Ventiladores de aeronaves

Un ventilador es una hélice con un gran número de cuchillas. Por tanto, un ventilador produce una gran cantidad de empuje para un diámetro dado, pero la cercanía de las cuchillas significa que cada uno afecta fuertemente el flujo alrededor de los otros. Si el flujo es supersónico, esta interferencia puede ser beneficioso si el flujo puede ser comprimido a través de una serie de ondas de choque en vez de uno. Al colocar el ventilador dentro de un conducto en forma de - una ventiladores con conductos - los patrones de flujo específico se pueden crear en función de la velocidad de vuelo y el rendimiento del motor. Como el aire entra en el conducto, su velocidad se reduce y aumento de la presión y la temperatura. Si la aeronave está a una velocidad subsónica alta esto crea dos ventajas - el aire entra en el ventilador a una velocidad inferior Mach y la temperatura más alta aumenta la velocidad local del sonido. Mientras que hay una pérdida de eficacia ya que el ventilador está drenando en un área más pequeña de la corriente libre y así el uso de menos aire, esto es equilibrada por el ventilador de flujo guiado de retención eficiencia a velocidades más altas donde la eficiencia de la hélice convencional sería pobre. Un ventilador de flujo guiado o hélice también tiene ciertos beneficios a velocidades más bajas, pero el conducto tiene que ser en forma de una manera diferente a uno para el vuelo de mayor velocidad. Más aire se toma en, por lo que el ventilador funciona a una eficacia equivalente a una hélice-un canalizado más grande. El ruido también se reduce por la canalización y debe convertirse en una hoja individual del conducto contendría el daño. Sin embargo, el conducto añade peso, coste, complejidad y (en un grado determinado) de arrastre.

Ver también Generador de viento Hélice.

Hélices eje transversal

La mayoría de las hélices tienen su eje de rotación paralelo al flujo de fluido. Sin embargo ha habido algunos intentos de vehículos de energía con los mismos principios que inspiran eje vertical turbinas de viento, donde la rotación es perpendicular al flujo de fluido. La mayoría de los intentos han sido sin éxito. Las hojas que pueden variar su ángulo de ataque durante la rotación tienen una aerodinámica similar a aleteo de vuelo. El aleteo de vuelo es aún es poco conocido y casi nunca se utiliza en serio en la ingeniería debido a la fuerte acoplamiento de elevación, empuje y control de fuerzas.

La fanwing es uno de los pocos tipos que ha volado en realidad. Se aprovecha del borde de salida de un perfil aerodinámico para ayudar a fomentar la circulación necesaria para ascensor.

La Voith-Schneider hélice muestra a continuación es otro ejemplo de éxito, que opera en el agua.

Marina

Una hélice es el propulsor más común en los buques, impartiendo impulso a un fluido que provoca una fuerza para actuar en el barco.

La eficiencia ideal de cualquier tamaño de la hélice es la de un disco de accionador en un fluido ideal. Una hélice marina real se compone de secciones de superficies helicoidales que actúan juntos "atornillar" a través del agua (de ahí la referencia común a las hélices marinas como " tornillos "). Tres, cuatro o cinco palas son más comunes en las hélices marinas, aunque los diseños que están destinadas a funcionar a reducir el ruido tendrán más palas. Las palas están unidas a un jefe (hub), que debe ser tan pequeño como las necesidades de fuerza permiten - con hélices de paso fijo las cuchillas y jefe por lo general son una sola pieza.

Un diseño alternativo es el hélice de paso controlable (CPP), donde se hacen girar las cuchillas normal al eje de accionamiento por la maquinaria adicional - por lo general Hidráulica - En el centro de control y vínculos corriendo por el eje. Esto permite que la maquinaria de la unidad funcione a una velocidad constante, mientras que la carga de la hélice se cambia para que coincida con las condiciones de funcionamiento. También elimina la necesidad de un engranaje de marcha atrás y permite un cambio más rápido de empuje, como las revoluciones son constantes. Este tipo de propulsor es más común en los barcos, como remolcadores donde puede haber enormes diferencias en la hélice de carga cuando se remolca en comparación con el funcionamiento libre, un cambio que podría causar hélices convencionales para encerrar a medida que se genera par insuficiente. La desventaja de un CPP es el gran cubo que aumenta la posibilidad de cavitación y la complejidad mecánica que limita la potencia de transmisión.

Para motores más pequeños hay hélices independientes pitcheo. Las hojas se mueven libremente a través de todo un círculo sobre un eje en ángulo recto con el eje. Esto permite que las fuerzas hidrodinámicas y centrífugas a 'set' el ángulo de las palas alcanzan por lo que el paso de la hélice.

Una hélice que gira en sentido horario para producir empuje hacia adelante, cuando se ve desde popa, se llama diestro. Uno que gira en sentido antihorario se dice que es zurdo. Los buques más grandes a menudo tienen tornillos gemelos para reducir el par de escora, hélices giran en sentido contrario, el tornillo de estribor suele ser diestro y el puerto zurdos, esto se llama hacia afuera girando. El caso opuesto se llama hacia el interior de girar. Otra posibilidad es hélices, donde dos hélices giran en direcciones opuestas en un solo eje de contra-rotación.

Diseños adicionales

Una Acimutal de la hélice es una hélice de eje vertical.

El contorno cuchilla se define ya sea por una proyección en un plano normal al eje de la hélice (contorno proyectado) o estableciendo el acorde circunferencial a través de la hoja en un radio dado contra radio (esquema desarrollado). El esquema es generalmente simétrica sobre una línea radial dada denomina la mediana. Si la mediana se curva hacia atrás respecto a la dirección de rotación se dice que la hélice tener sesgar espalda. La asimetría se expresa en términos de desplazamiento circunferencial en las puntas de las palas. Si la cara de la cuchilla en el perfil no es normal al eje se denomina rastrillado, expresado como un porcentaje del diámetro total.

Terreno de juego y el espesor de cada hoja varía con el radio, los primeros cuchillas tenía una cara plana y arqueada hacia atrás (a veces llamado una circular de nuevo como el arco era parte de un círculo), palas de la hélice modernos tienen secciones de perfil aerodinámico. La línea de curvatura es la línea por el centro de espesor de una sola hoja. La camber es la diferencia máxima entre la línea de curvatura y de la cuerda que une la posterior y bordes de ataque. El ángulo de caída se expresa como un porcentaje de la cuerda.

El radio de máximo espesor es por lo general por delante del punto de mitad de acorde con las cuchillas de adelgazamiento a un mínimo en las puntas. El espesor es fijado por las demandas de la fuerza y la relación de espesor a diámetro totales se denomina fracción grueso de la lámina.

La relación de la altura y el diámetro se llama relación de paso. Debido a las complejidades de las hélices modernas se da un paso nominal, se utiliza generalmente un radio de 70% del total.

Área de la cuchilla se administra como una relación del área total del disco de la hélice, ya sea como relación de área de hoja desarrollada o la relación de área de la pala proyectada.

Historia de los buques y submarinos hélices

Propeller en un buque mercante de tamaño medio moderno

James Watt de Escocia se acredita generalmente con la aplicación de la primera hélice de un motor, uno de los primeros motores de vapor , a partir de la utilización de un tornillo hidrodinámico para la propulsión.

Propulsión mecánica barco comenzó con el vapor barco. El primer barco con éxito de este tipo es un tema de debate; inventores candidatos del siglo 18 incluyen William Symington, el marqués de Jouffroy, John Fitch y Robert Fulton, sin embargo El barco de William Symington la Charlotte Dundas es considerado como "el primer barco de vapor práctico" del mundo. Ruedas de paletas como la fuente principal motivo se convirtió en estándar en estos primeros vasos (ver Barco de vapor). Robert Fulton había probado, y rechazado, la hélice.

Bosquejo de tornillos verticales y horizontales de manivela utilizados en Bushnell de Tortuga de 1775

El tornillo (en comparación con ruedas de paletas) se introdujo en la segunda mitad del siglo 18. El invento de David Bushnell del submarino ( Tortuga) en 1775 utiliza tornillos accionado a mano para la propulsión vertical y horizontal. El ingeniero de Bohemia Josef Ressel diseñó y patentó la primera hélice posible en 1827. Francis Pettit Smith probó una similar en 1836. En 1839, John Ericsson presentó el diseño de hélice en un barco que luego navegó sobre el Océano Atlántico en 40 días. Diseños de paddle y de hélice mixtos todavía se estaban utilizando en este momento (vide el 1858 Great Eastern).

En 1848 el Almirantazgo británico celebró un tira y concurso de guerra entre un buque de hélice, Cascabel, y un barco de rueda de paletas, Alecto. Rattler ganó, remolcando Alecto popa a 2,8 nudos (5 km / h), pero no fue hasta principios del siglo 20 embarcaciones de remo propulsados fueron reemplazados en su totalidad. La hélice reemplazado las palas debido a su mayor eficiencia, compacto, de menor complejidad transmisión de potencia sistema, y susceptibilidad reducida a dañar (especialmente en la batalla)

Voith-Schneider hélice

Los diseños iniciales debían mucho a la ordinaria tornillo de la que su nombre deriva - primeras hélices consistieron en sólo dos cuchillas y acertaron en el perfil de la longitud de un solo giro del tornillo. Este diseño era común, pero los inventores interminablemente experimentó con diferentes perfiles y un mayor número de cuchillas. El diseño del tornillo de la hélice se estabiliza por la década de 1880.

En los primeros días de la energía de vapor para buques, cuando ambos ruedas de paletas y tornillos estaban en uso, los barcos a menudo se caracterizan por su tipo de hélices, lo que lleva a términos como vapor tornillo o tornillo balandra.

Propulsores se conocen como dispositivos "levantar", mientras que las paletas son dispositivos de "arrastre".

Daños evidentes en la hélice de una embarcación personal cavitación.

La cavitación puede ocurrir si se hace un intento de transmitir demasiada energía a través del tornillo. A altas velocidades de rotación o en situaciones de carga (alto cuchilla coeficiente de sustentación), la presión en el lado de entrada de la cuchilla puede caer por debajo de la presión de vapor del agua, que resulta en la formación de una bolsa de vapor, que puede transferir de manera efectiva ya no fuerza al agua (el estiramiento de la analogía a un tornillo, se podría decir las tiras '' de rosca agua). Esta energía desechos efecto, hace que la hélice "ruidoso", como el colapso de burbujas de vapor, y más en serio, erosiona la superficie del tornillo debido a las ondas de choque localizadas contra la superficie de la hoja. La cavitación puede, sin embargo, ser utilizado como una ventaja en el diseño de las hélices de muy alto rendimiento, en forma de la supercavitantes hélice. (Ver también dinámica de fluidos). Un problema similar, pero bastante separada, es la ventilación, que se produce cuando una hélice que opera cerca de la superficie aspira aire dentro de las palas, provocando una pérdida similar de potencia y el eje de vibración, pero sin el daño potencial de superficie de la hoja relacionado causada por la cavitación. Ambos efectos pueden ser mitigados mediante el aumento de la profundidad sumergida de la hélice: cavitación se reduce porque el presión hidrostática aumenta el margen de la presión de vapor, y la ventilación, ya que está más lejos de las ondas de superficie y otras bolsas de aire que pudieran extraerse en la estela.

14 toneladas de la hélice de un Voroshilov Crucero de la clase Kirov en exhibición en Sebastopol

Las fuerzas que actúan sobre un perfil aerodinámico

La fuerza (F) experimentada por una cuchilla de perfil aerodinámico está determinada por su área (A), cuerda (c), la velocidad (V) y el ángulo del perfil aerodinámico al flujo, ya sea llamado ángulo de incidencia o ángulo de ataque ( ), Donde:

La fuerza tiene dos partes - que normal a la dirección de flujo es de elevación (L) y que en la dirección del flujo es arrastrar (D). Ambas se expresan no dimensionalmente como:

y

Cada coeficiente es una función del ángulo de ataque y Número de Reynolds. A medida que el ángulo de ataque aumenta levantar eleva rápidamente desde el ángulo sin ascensor antes de disminuir su aumento y luego decreciente, con una fuerte caída como el ángulo de pérdida es alcanzado y el flujo se interrumpe. Arrastre levanta lentamente al principio y como la tasa de aumento en la elevación cae y el ángulo de ataque aumenta la resistencia aumenta más bruscamente.

Para una resistencia dada de la circulación ( ), . El efecto del flujo de una y la circulación alrededor del perfil aerodinámico es reducir la velocidad sobre la cara y aumentar por encima de la parte posterior de la hoja. Si la reducción en la presión es demasiado en relación a la presión ambiente del fluido, se produce cavitación, se forman burbujas en la zona de baja presión y se mueven hacia el borde posterior de la hoja, donde se colapsan cuando la presión aumenta, esto reduce la eficiencia de la hélice y aumenta ruido. Las fuerzas generadas por el colapso de la burbuja pueden causar daño permanente a las superficies de la hoja.

Empuje de la hélice

Sola lámina

Teniendo una sección radial arbitraria de una cuchilla en r, si las revoluciones son N entonces la velocidad de rotación es . Si la hoja era un tornillo completa sería avanzar a través de un sólido a la tasa de NP, donde P es el paso de la pala. En el agua la velocidad de avance es más bien baja, , La diferencia, o relación de deslizamiento, es:

donde J es el coeficiente de avance ( ) Y P es la relación de paso (P / D).

Las fuerzas de sustentación y resistencia en la hoja, dA, donde la fuerza normal a la superficie es d L:

donde:

Estas fuerzas contribuyen al empuje, T, en la hoja:

donde

Como ,

A partir de este empuje total puede ser obtenido mediante la integración de esta expresión a lo largo de la hoja. La fuerza transversal se encuentra en una manera similar:

Sustituyendo y multiplicando por r, da par como:

que puede ser integrado como antes.

La potencia total de empuje de la hélice es proporcional a y la potencia en el eje de . Así que la eficiencia es . La eficiencia hoja está en la relación entre el empuje y par:

que muestra que la eficiencia de la cuchilla se determina por su impulso y sus cualidades en forma de ángulos , Donde es la relación de los coeficientes de arrastre y elevación.

Este análisis se simplifica y hace caso omiso de una serie de factores importantes, como la interferencia entre las cuchillas y la influencia de los vórtices de punta.

De empuje y el par

El empuje, T, y el par, Q, depende del diámetro de la hélice, D, revoluciones, N, y la velocidad de avance, , Junto con el carácter de fluido en el que la hélice es operativo y la gravedad. Estos factores crean la siguiente relación no dimensional:

donde es una función del coeficiente de avance, es una función del número de Reynolds, y es una función de la Número de Froude. Ambos y es probable que sean pequeñas en comparación con en condiciones normales de funcionamiento, por lo que la expresión puede reducirse a:

Para dos hélices idénticas tanto para la expresión será el mismo. Así, con las hélices , Y utilizando los mismos subíndices para indicar cada hélice:

Por tanto número y avance coeficiente Froude:

donde es la relación de las dimensiones lineales.

De empuje y la velocidad, en el mismo número de Froude, dan potencia de empuje:

Para los pares:

El rendimiento real

Cuando se añade una hélice de un barco su rendimiento es alterada; hay las pérdidas mecánicas en la transmisión de potencia; un aumento general de la resistencia total; y el casco también impide y hace no uniforme el flujo a través de la hélice. La relación entre la eficiencia de una hélice conectada a un buque ( ) Y en aguas abiertas ( ) Que se denomina eficiencia de rotación relativa.

La eficacia de la propulsión total (una extensión del poder efectivo ( )) Se desarrolla a partir del coeficiente de propulsión (PC), que se deriva de la potencia en el eje instalado ( ) Modificada por la potencia efectiva para el casco con apéndices ( ), Potencia de empuje de la hélice ( ), Y la eficiencia de rotación relativa.

/ = Eficiencia casco =

/ = Eficiencia de la hélice =

/ = Rendimiento rotativo relativo =

/ = Eficiencia de transmisión del eje

La producción de los siguientes:

Los términos que figuran dentro de los corchetes se agrupan comúnmente como el coeficiente de cuasi propulsora (QPC, ). El QPC se produce a partir de experimentos en pequeña escala y se modifica con un factor de carga de los buques de tamaño completo.

Wake es la interacción entre el buque y el agua con su propia velocidad relativa a la nave. La estela tiene tres partes - la velocidad del agua alrededor del casco; la capa límite entre el agua arrastrada por el casco y el flujo circundante; y las olas creado por el movimiento de la nave. las dos primeras partes se reducirá la velocidad del agua en la hélice, la tercera ya sea para aumentar o disminuir la velocidad dependiendo de si las olas crean un creast o artesa en la hélice.

Tipos de hélices marinas

En la actualidad, varios tipos de hélices marinas se han construido para una amplia variedad de vehículos marinos.

Hélice de paso controlable

Una hélice de paso controlable

En la actualidad, uno de los tipos más nuevo y lo mejor de la hélice es el hélice de paso controlable. Este propulsor tiene varias ventajas con barcos. Estas ventajas incluyen: la menor resistencia al avance en función de la velocidad utilizada, la capacidad para mover el seavessel hacia atrás, y la capacidad de utilizar el -stance "paleta", lo que da el menor waterresistance cuando no se utiliza la hélice (por ejemplo, cuando se utilizan las velas en su lugar).

Hélice sotabanco

Un tipo avanzado de la hélice utilizado en alemán Escriba 212 submarinos se llama una hélice sotabanco . Como en las cuchillas de cimitarra utilizados en algunos aviones, las puntas de las palas de una hélice sotabanco son barridos hacia atrás contra la dirección de rotación. Además, las cuchillas están inclinadas hacia atrás a lo largo del eje longitudinal, dando a la hélice una apariencia general en forma de copa. Este diseño conserva la eficiencia de empuje al tiempo que reduce la cavitación, y por lo tanto lo convierte en un lugar tranquilo, diseño furtivo.

Ver También: Propulsión a popa.