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ESTRUCTURA DEL EXTREMO DE POPA
1. Consideraciones generales 2. Construcción de la popa 3. Codaste
4. Timón
i) Tipos de timones
ii) Pala del timón
iii) Pinzotes del timón
iv) Mecha del timón
v) Madre o pieza principal del timón
vi) Soporte del timón
vii) Bocina de la limera
viii) Timones especiales
5. Aparato de gobierno 6. Alerones y arbotantes 7. Bocina del eje
8. Hélice
i) Palas orientables
ii) De tobera
1. CONSIDERACIONES GENERALES
Se presta mucha atención al diseño general de la popa del buque, para mejorar el flujo del agua alrededor de la hélice. Muchos buques en servicio de navegación oceánica tienen popa de crucero; fig. 1; pero la tendencia actual es dotar a las nuevas construcciones de popa de espejo, fig. 2. La popa de crucero ofrece a la vista un aspecto, tal vez, más agradable; pero la popa de espejo proporciona más superficie de cubierta y mejora el flujo del agua en esa zona.
Fig.1. Popa de crucero
En cuanto al timón existen gran variedad de formas; siendo, precisamente, la clase de popa y el tipo de timón los que determinan, junto con el tamaño de la hélice, las características del codaste. Especial interés presentan los dispositivos que permiten al eje portahélice y a la mecha de timón atravesar el casco, manteniendo su estanqueidad. La seguridad del buque puede depender de las mismas. Si se precisa más de una hélice para conseguir la fuerza propulsora necesaria para alcanzar cierta velocidad, se instalan henchimientos ó arbotantes para alojar y soportar los tramos de l o s ejes que quedan hacia el exterior del forro.
2. CONSTRUCCIÓN DE LA POPA
Debido a que la bovedilla o parte en voladizo de la popa de cruceroestá sometida a
grandes golpes de mar, análogos a los pantocazos del extremo de proa, su construcción
requiere solidez y amplia consolidación. Se instalan varengas llenas en cada cuaderna y una viga central se extiende hasta el extremo de popa, por debajo de cada cubierta y a crujía en
__________________________________________________________________________________________ el forro exterior. Las chapas de éste se consolidan con cuadernas oblicuas respecto a la línea central del buque, llamadas rabogallos de costado; asociadas con baos cortos y oblicuos, o rabogallos de cubierta, que se entienden hasta el bao transversal reforzado más próximo. La consolidación se completa por medio de palmejares, unidas por sus extremos a la primera cuaderna transversal.
En las popas de espejo no se precisa la instalación de rabogallos. Las chapas del espejo se consolidan con refuerzos verticales (fig. 2). La parte inferior del mismo se consolida con grandes varengas asociadas a una viga central.
Fig.2. Popa de espejo
3. CODASTE
Según ya se ha indicado, la forma del codaste depende, fundamentalmente, del perfil
de la popa y del tipo de timón adoptados. Por otra parte, para evitar fuertes vibraciones en el extremo posterior del buque, debe proveerse una adecuada separación entre la hélice y el
codaste; siendo este criterio el que determina, en gran medida, el tamaño de este
último.
El codaste de un buque puede ser fundido, forjado o construido con chapas y perfiles de acero. En algunos casos se encuentran soluciones mixtas. El codaste para 1os grandes buques se funde, generalmente, en talleres especializados ajenos al astillero. Para facilitar la fundición y e1 transporte suelen fundirse en varias piezas que se sueldan o remachan posteriormente en grada. Estas uniones, si son soldadas, requieren preparación especial y precalentamiento. Si son remachadas se hacen a escarpe y se emplean remaches distintos de los usados para las juntas de chapas. Los codastes armados, fig. 3 se fabrican, generalmente, en el propio astillero. Los codastes forjados también se encargan a algún taller especializado y pueden construirse en varias piezas, si el tamaño es excesivo o la forma complicada.
Las secciones horizontales del codaste son de perfil hidrodinámico para evitar 1a formación de remolinos por detrás de las mismas, que aumentarían considerablemente la resistencia opuesta por el agua al avance del buque. Interiormente se consolidan mediante cartabones horizontales. En 1a fig. 3 se muestran dos tipos de codaste; uno fundido y el otro armado, y en ella se ve la similitud entre las secciones de ambos.
Especial interés presenta la unión del codaste al resto de la estructura, que debe poseer suficiente rigidez para que no aparezcan fuertes vibraciones inducidas por el funcionamiento de la hélice. A tal fin, el codaste se prolonga hacia arriba uniéndose a la varenga del peto; cuyo espesor se incrementa convenientemente. El codaste proel, si existe, se extiende también hacia el interior del casco y se une a una varenga del pique. El pie del codaste se prolonga suficientemente hacia proa para asegurar una unión efectiva con la quilla. Las planchas del costado se sueldan directamente al codaste, fig. 3, dejándose, a veces, en el borde de éste un rebaje o alefriz para que las planchas queden a paño con le sección del codaste.
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Fi
gur
a 3
4. TIMÓN
La mayor parte de los timones de los buques actuales (1979) son parcialmente compensados; es decir, una pequeña fracción (menor del 20%) del área lateral de su pala está situada hacia proa del eje de giro. En menor proporción se monta a timones totalmente compensados con un 23% a un 30% del área lateral de la pala hacia proa, del eje de giro; y
timones ordinarios (no compensados) con toda el área lateral de la pala a popa del eje. El
fundamento de la compensación del timón consiste en acercar la posición del centro de presión sobre la pala al eje de giro de la misma, disminuyendo el par necesario para su movimiento. La posición del centro de presión, para pequeños ángulos de metida en timones fuertemente compensados, está situada, a veces, a proa del eje de giro; con lo cual el timón, para pequeños ángulos tiende a atravesarse, Esta circunstancia no importa demasiado si existe servomotor; pero es menos satisfactoria si el mecanismo de funcionamiento del timón es accionado a mano.
i) Tipos de timones
El tipo A fig. 4 y es un timón ordinario y apoyado; que se monta, únicamente, en algunos buques pequeños de carga seca. Va asociado a un codaste popel, que cierra por la popa el vano de la hélice, y que ofrece la ventaja de mantener unida la parte alta del codaste con el talón del mismo. La mecha de ese timón está sometida, principalmente, a esfuerzos de torsión.
En el tipo B, el codaste popel se sustituye por un eje vertical, unido por su parte superior al casco del buque mediante un acoplamiento de palma provisto de seis pernos; e inferiormente, al talón del codaste. Figs. 4 y 6. El uso del eje vertical permite la compensación de la pala del timón; manteniendo, sin embargo, la conveniente unión entre la parte alta y el talón del codaste. Los esfuerzos sobre la mecha son análogos a los del tipo A. Se instala en muchos buques de carga seca, de mediano y gran tonelaje. Fig. 5.
El timón tipo C, fig. 4, es compensado y apoyado (con dos pinzotes); lo mismo que el tipo B, pero en él no existe, en cambio, unión directa entre la parte alta del codaste y el talón correspondiente. El codaste está abierto por su parte de popa; siendo, por tanto, mayores leas
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análogos a los de los dos timones anteriores pero, ahora además, la pala está sometida a
esfuerzos de flexión. Se utiliza, fundamentalmente, en petroleros y bulkcarriers.
Fig.4. Tipos de timones
Figura 5. Timón tipo B
El timón tipo D, fig. 4. es similar al C; pero con un sólo pinzote situado, precisamente, en su parte inferir. La mecha soporta, por tanto, esfuerzos de torsión y de flexión; y la pala, principalmente, esfuerzos de flexión. Es muy corriente en pesqueros y remolcadores.
Los timones tipo E (E1 y E2), fig. 4, son timones semicompensados, parcialmente
colgados; con uno y dos pinzotes, respectivamente, montados en un falso codaste. En el timón E1, con un solo macho, la mecha soporta esfuerzos de torsión y de flexión; mientras que en el E2, con dos machos, la mecha está sujeta a torsión más una pequeña flexión debida al huelgo de los machos. Los timones tipo E son muy utilizados en buques de carga seca, de mediano y gran tonelaje.
El timón tipo F, fig. 4, es compensado y colgado. La mecha, por debajo de la chumacera principal, está sometida a torsión y flexión; y por encima de ella, a torsión más una pequeña flexión debida a los huelgos. La pala soporta esfuerzos de flexión. Es muy empleado en transbordadores y dragas.
__________________________________________________________________________________________ Fi gur a 6 . Ti m one s 9
ii) Pala del timón
En los buques pequeños y en las embarcaciones menores se montan, generalmente, timones de pala sencilla. En los demás buques, la pala es de chapa doble, de secciones horizontales aerodinámicas para disminuir la resistencia opuesta por el agua. Esta se construye con planchas de acero, consolidadas interiormente mediante un armazón de chapas verticales y horizontales. El orden del montaje es el siguiente: se suelda, primero, el entramado interno a la cara interior de una de las planchas laterales de la pala del timón. La otra plancha lateral, llamada "de cierre", se suelda a continuación al entramado interno, solamente desde el exterior. Ello se consigue soldando, previamente, una llanta a los bordes de las chapas verticales y horizontales de consolidación; y uniendo, luego, la plancha lateral "de cierre" a dichas llantas por medio de soldadura "de botones", según se ve en la fig. 6. A veces, el armazón internó de consolidación se fabrica en acero fundido y a él se sueldan, por el procedimiento antes indicado, las planchas laterales de la pala del timón.
Otras características de las palas de chapa doble son: un orificio de drenaje, con tapón, situado en el fondo de las mismas; y varios orificios de izado, formados por pequeños trozos de tubo soldado, que las atraviesan de banda a banda. Para evitar la corrosión de la estructura interna de la bala se pintan, adecuadamente sus superficies y, en algunos casos, se rellena dicho espacio con espuma plástica inerte. Una vez completada la pala, se verifica su es estanqueidad probándola con una columna de agua de 2,44 m. de altura, medida desde la parte superior de la misma.
iii) Machos o pinzotes del timón
Tienen por objeto prestar apoyó al timón a lo largo de la pala. Constan de una porción cilíndrica, que gira en el interior de la hembra correspondiente, y cuyo diámetro se calcula en función, de la velocidad del buque y de la superficie de la pala soportada por el pinzote. La longitud de dicha porción se toma siempre, mayor que su diámetro. Por encima de la misma, el diámetro del macho se reduce gradualmente. Para evitar un excesivo desgaste, debido al continuo funcionamiento del timón; los machos, de los timones antiguos, iban provistos de un forro o camisa de latón o de bronce, y en las hembras se montaba un casquillo de guayacán. Actualmente, los casquillos de las hembras se fabrican con materiales sintéticos; p.e.: tufnol;
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Figura 7. Timón semicompensado, parcialmente suspendido con dos pinzotes
el nombre de "pinzote de retenida”. Fig. 11.
y se emplea, a veces, acero inoxidable para las camisas de los machos. Fig. 8. En ambos casos, la lubricación de las superficies de contacto se confía al agua del mar, debido a que resulta
difícil proporcionar y mantener en dicha zona, un engrase adecuado. Sin embargo,
modernamente, se ha dispuesto un sistema de lubricación con aceite en las camisas metálicas
de los machos del timón del "Queen Elizabeth 2".
Figura 8. Machos superior e inferior de un timón semicompensado, parcialmente suspendido, con dos pinzotes
DETALLE “A” DETALLE “B”
En los timones apoyados, el macho inferior soporta gran parte del peso timón. Para
disminuir su desgaste se instala, en el fondo de la hembra correspondiente, un disco de acero
con la cara superior redondeada, reduciendo así la superficie de fricción. Este disco, o lenteja
de apoyo, puede cambiarse con facilidad a través de un taladro practicado a lo largo del a
hembra del mismo. Fig 10. Para evitar que el timón pueda ser desmontado, accidentalmente, por un golpe de mar; el macho superior, si existe, va provisto de una cabeza forjada, sobresaliendo por debajo del borde inferior de la hembra correspondiente; recibiendo entonces
__________________________________________________________________________________________ DETALLE “B”
Figura 9. Perno y tuercas de sujeción en un acoplamiento horizanotal de la
mecha a la pala del timón
Figura 10. Pinzote del fondo
Figura 11. Pinzote superior o de retenida
iv) Mecha del timón
Se construye de sección circular, de acero fundido o forjado. Su diámetro se determina en función del momento del par necesario para, el giro del timón, y del momento flector máximo que ha de soportar. Su extremo inferior se une a la pala mediante un acoplamiento vertical (de palma) u horizontal (de plato); asegurado con pernos y tuercas, convenientemente frenadas. figs. 7 y 9. La sección recta de éstos debe ser adecuada para soportar el par de giro aplicado a la mucha del timón. El diseño del acoplamiento se hace de modo que, una vez desempernado, girando la pala hacia una banda y la mecha hacia la otra, pueda desmontarse el timón sin impedimentos.
v) Madre o pieza principal del timón
Constituye la prolongación de la mecha a lo largo de la pala. Se construye de sección rectangular o circular. La longitud y anchura de la sección rectangular no deben ser inferiores al diámetro requerido para la mecha; y sus chapas laterales forman parte, entonces, de la envuelta estanca de la pala del timón, siendo de mayor espesor que las otras planchas adyacentes. Si la madre está formada por un tubo de sección circular, su diámetro interno no debe ser interior al exigido para la mecha; no siendo necesario, entonces, aumentar el espesor de las chapas de la superficie de la isla al nivel de la madre.
vi) Soporte del timón
Como ya se la dicho anteriormente, una parte del peso de los timones apoyados lo soporta el pinzote inferior de los mismos. El resto descansa sobre una chumacera instalada en la plataforma del compartimiento del servomotor. En los timones colgados, todo su peso recae sobre la chumacera colocada en la parte superior de la mecha, en el interior del casco. Sobra ésta se apoya la caña del timón, mediante la cual el servomotor produce el giro del mismo. La caña abraza y mantiene a la mecha; la cual, a su vez, soporta a la pala. Generalmente, la chumacera del timón incorpora, además, un prensaestopas estanco situado en la parte alta de la bocina de la limera, como se ve en la fig. 12.
__________________________________________________________________________________________ Fi gur a 1 2 . C o ji net es de l a me cha 15
vii) Bocina de la limera
La mecha del timón se aloja en un tronco o bocina; abierto por su extremo inferior, llamado limera, y provisto de un prensaestopas estanco en su parte superior, a través del cual la mecha penetra en el interior del casco intacto. Fig. 12. La longitud del tronco debe ser razonablemente corta, para evitar que un tramo considerable de la mecha carezca de soportes. Se construye con planchas soldadas, en forma de cajón, con la varenga del peto formando su cara de proa. A veces se instala, en dicha bocina, una pequeña abertura provista de tapa estanca, para poder inspeccionar la mecha desde el interior del casco.
viii) Timones especiales
Los timones convencionales, hasta aquí estudiados, son prácticamente ineficaces a poca o nula velocidad. Esto ha motivado, con el transcurso del tiempo, la aparición de nuevos tipos de timones, más eficientes, que mejoran la maniobrabilidad el buque. Entre ellos citaremos:
Timón activo.- La unidad básica del mismo consiste en un motor eléctrico sumergido,
contenido en un cuerpo aerodinámico unido a la pala del timón, y que puede mover a una pequeña hélice con tobera situada en su parte posterior. Fig. 13a y 13b. La mecha, de ese timón debe ser hueca para la conducción de los cables de alimentación hasta dicho motor. Para obtener toda la ventaja del sistema, se precisa poder girar al timón más allá de los 35º, Br y Er, fijados como tope en los timones convencionales. Así, los servomotores utilizados con los timones activos producen giros de hasta 70º a cada banda. Con ese dispositivo en alcanza gran maniobrabilidad, a pequeñas velocidades o con el buque parado; en marcha avante o atrás; se aumenta la seguridad del buque al contar con un pequeño propulsor auxiliar en el supuesto de avería de la máquina principal y, además, se mejora el rendimiento propulsivo pues, el efecto sobre la propulsión de la potencia aplicada por el motor eléctrico es de 1,5 a 2,5 veces mayor une si se hubiese añadido la misma potencia al motor de la hélice principal.
__________________________________________________________________________________________ e
Se distinguen, básicamente, dos tipos de timones de aleta: a) de aleta articulada en
el cual el movimiento de la aleta posterior de curvatura obedece al de la superficie principal,
Fig.13a. Timón activo
Fig. b. Timón activo en tandem con la hélice principal
13
Fig.14a. Timón de aleta
Fig.14b. Timones de aleta
Timón de aleta.- Los timones son superficies de control que han de ser capaces d
producir, indistintamente, la misma fuerza lateral a una u otra banda. Por esta razón se emplean perfiles aerodinámicos, simétricos respecto a su cuerda, para las secciones horizontales de la pala. Sin embargo, tales perfiles simétricos distan mucho de ser las formas más eficaces para obtener una determinada fuerza de sustentación. Esto se soluciona haciendo móvil a la parte posterior de la pala, de manera que pueda girar en relación al cuerpo anterior de la misma, variando así la línea media y el aspecto lo la sección horizontal; con lo que se aumenta la circulación alrededor de la misma y, con ella, la fuerza de sustentación.
de manera que los ángulos lo la aleta son proporcionales a los de la pala; y b) de aleta
Todos los buques deben ir provistos de dos medios independientes para mover el timón.
separada, en los que el movimiento de la aleta posterior de curvatura es independiente del resto de la pala. Con este último, durante la navegación, se mantiene la parte principal del timón a la vía y se gobierna, sólo, con la aleta posterior; evitando, de ese modo, la resistencia que introduce la pala principal en las correcciones de rumbo. Fig. 14a y b.
La fuerza transversal producida por un timón de aleta se estima entre un 70% y un 90% mayor que la de un timón convencional de, iguales dimensiones. Esto permite reducir su tamaño para obtener la misma fuerza requerida; disminuyendo, por tanto, la potencia del servomotor y la resistencia opuesta por el agua. Además, se obtienen mayores fuerzas transversales con menores ángulos de timón, lo cual aumenta su eficacia y economía. Con todo el timón a la banda y el buque parado se obtienen, también, grandes fuerzas transversales que facilitan las maniobras de atraque y desatraque.
Timón de cilindro rotativo.- Hace uso del conocido efecto Magnus, según el cual,
sobre un cilindro girando y desplazándose en un fluido aparece una fuerza normal a la dirección de su movimiento. El cilindro rotatorio de eje vertical se dispone en la arista de ataque del timón; evitando, así además, que se produzca la separación del flujo en la cara de succión (o de baja presión) de la pala, para ángulos de metida de hasta 80º. Esto le permite, también, desviar casi en ángulo recto a la corriente de expulsión de la hélice; produciendo una fuerza lateral, aún con el buque parado, que combinada con la de una hélice de proa pueden mover lateralmente al buque.
5. APARATO DE GOBIERNO
El servomotor del timón y su mecanismo de control figuran entre los aparatos auxiliares más importantes de un buque. Durante la navegación, su funcionamiento es continuo y cualquier fallo en los mismos puede producir la pérdida de la nave. Resulta necesario, por tanto, que el diseño del aparato de gobierno y de su mecanismo de control sea, a un tiempo sencillo y seguro.
En los buques de pasaje y en los de carga de registro bruto igual a mayor a 500 toneladas, el servomotor principal debe ser accionado mecánicamente. Si el diámetro de la
__________________________________________________________________________________________ uados para recibir órdenes de ese último.
El servomotor principal, accionado mecánicamente debe ser capaz de mover el timón desde 3
ulo de metida, debido a la lentitud de su movimiento en las proxim
mecha del timón, a la altura de la caña, excede los 230 mm. en los buques de pasaje, y es igual o mayor a 250 mm. en los de carga; el aparato de gobierno auxiliar también debe ser de funcionamiento mecánico. En los buques de pasaje en los que el diámetro de la mecha a la altura lo la caña sea superior a 230 mm., se dispone, además, un puesto de gobierno alternativo, remoto del principal situado en el puente, con medios adec
Fig.15.Servomotor electrohidráulico
5º a una banda a 35º a la banda opuesta, con el buque avante a la velocidad máxima en servicio. El tiempo invertido en cambiar el timón desde 35º a una banda a 30º a la banda opuesta, en las condiciones citadas, no debe exceder de 28 segundos. Se toma la posición de 30º como referencia debido a que, en la práctica, resulta difícil precisar el instante en que el timón alcanza el máximo áng
idades de dicha posición.
No se precisa aparato de gobierno auxiliar, en los buques de pasaje, cuando las unidades que accionan el servomotor principal, así como sus conexiones al mismo se instalan
a la cabeza de la mecha es girada mediante dos o cuatro émbolos hidráulicos, colocados paralelamente entre sí. Estos émbolos se mueven
agua,
al exterior del casco. Dicha pieza consiste en una estructura central
por duplicado y cada una de ellas, por separado, es capaz de satisfacer los requisitos del párrafo precedente. Lo mismo ocurre en 1os buques de carga; con tal de que las dos unidades, actuando conjuntamente, satisfagan dichos requisitos.
Por lo general, el servomotor mecánico utilizado en la actualidad es del tipo electrohidráulico en el cual, la caña enchavetada
por la presión del aceite suministrado por bombas eléctricas. Figura 15.
Es preciso instalar, en todos los servomotores un mecanismo de frenado capaz de mantener al timón inmóvil cuando sea necesario. También se disponen topes a ambas bandas para evitar que el timón rebase las posiciones extremas. Los topes de la caña se unen rígidamente a la plataforma del servomotor. En éste se instalan, además, cortacircuitos que actúan para un ángulo de timón ligeramente inferior al de los topes de la caña.
6. ALERONES Y ARBOTANTES
En los buques de dos o más hélices existen, siempre, porciones de sus líneas de ejes que abandonan la superficie del forro exterior a cierta distancia a proa del codaste. Para soportar estos tramos de ejes se instalan alerones o arbotantes. Los primeros son comunes en los grandes buques de pasaje y consisten en unos henchimientos de los costados del forro que albergan a los mencionados tramos de la línea de ejes; permitiendo, de ese modo, el acceso desde el interior del casco a una mayor porción de la longitud de la misma; al tiempo que se aumenta su protección. Esto, unido a un menor incremento en la resistencia opuesta por el justifica la preferencia de los alerones sobre los arbotantes entre los buques mercantes. Sin embargo, recientemente se han construido algunos grandes buques de pasaje y transbordadores con los tramos exteriores de los ejes soportados por arbotantes de diseño mejorado.
Las cuadernas y las chapas con forma en la zona de los henchimientos terminan en una pinza, armada o moldeada llamada cuaderna de gafa, que proporciona el último apoyo a la línea de ejes antes de su salida
, en forma cajón, soldada directamente a gruesas varengas de chapa, desde la que se extienden sendos brazos que soportan los ejes. Fig. 16.
__________________________________________________________________________________________ bién, la unión del arbotante al resto de la estructura. Por lo general, los extremos interiores de los brazos o patas del arbotante penetran en el casco
del buq as
Fig.16. Alerones y arbotantes
Los arbotantes se fabrican armados o moldeados. Son mas frecuentes los de estructura mixta; en los que los brazos, cuyo armazón interno de acero laminado es similar al de la pala de un timón de chapa doble, van soldados a un núcleo de acero fundido. De ese modo se reduce el peso y el costo de los arbotantes y se facilita su eventual reparación. En cualquier caso debe prestarse especial atención al diseño de la sección de los brazos de los arbotantes, para evitar aumentos innecesarios en la resistencia opuesta por el agua y la aparición de cavitación. Ofrece particular interés, tam
ue, donde se unen a una gruesa varenga, convenientemente reforzada, de modo que l cargas de los mismos se distribuyan sobre una estructura suficientemente amplia y rígida que impida la aparición de vibraciones locales en la zona. Se incrementa, además, el espesor de las chapas del forro exterior alrededor del hueco de entrada de los brazos de los arbotantes. Fig. 16.
representados en. la fig. 17.
ciones en la presión; bien a través de las chumaceras de la línea de ejes.
7. BOCINA DEL EJE
Se llama así al tubo estanco, de acero fundido o laminado, que proporciona el último punto de apoyo a la de su salida al exterior del buque, y que incorpora prensaestopas estanco alrededor del orificio por el cual el eje penetra en el casco intacto. Se extiende desde el codaste proel, o desde la cuaderna de gafa, hacia proa; hasta el mamparo del prensaestopas correspondiente; el cual, en buques de una hélice, coincide con el mamparo del pique de popa. En los extremos de la bocina se montan sendas chumaceras.
Se emplean dos clases de bocinas; la más común tiene su extremo de popa abierto al mar, que penetra en su interior y lubrica sus cojinetes. El otro tipo es cerrado en ambos extremos y sus chumaceras, de metal blanco con un elevado contenido de plomo, van lubricadas por aceite. En el primer caso, el material de desgaste de los luchaderos estaba formado, tradicionalmente, por tiras de madera de guayacán; reemplazadas hoy en día por material sintético; p.e.: tufnol. El eje de cola va enfundado, entonces, en una camisa generalmente de bronce. La segunda clase de bocina se utiliza en muchos buques con máquina a popa, en los que la línea de ejes es más corta y relativa mente más rígida; tolerándose sólo pequeñas caídas en la misma. En ella se instalan prensaestopas en ambos extremos para retener el aceite de engrase e impedir la entrada del agua. Los dos tipos están
8. HÉLICES
Durante muchos años, las hélices marinas se construyeron de tres ó cuatro palas, unidas simétricamente a un núcleo, pues los ensayos realizaos con modelos indicaban que, al aumentar el número de palas por encima de dichos valores, se producía interferencia entre las mismas a la altura del núcleo, con la consiguiente disminución en su rendimiento. El constante incremento en la potencia y velocidad de los buques, particularmente en los de una sola hélice, hizo necesario aumentar el área de las palas para evitar la aparición de la cavitación; pero al crecer el empuje desarrollado por cada pala aumentaban, también, las fuerzas periódicas transmitidas por la hélice al casco; bien a través del agua, por modifica
__________________________________________________________________________________________ Fi gur a 1 7 . Boc ina 23
Como resultado, se agravaban los problemas de vibración del casco. Un incremento en el número de palas no sólo reduciría el empuje desarrollado por cada una de ellas y, por tanto,
la magnitud de las fuerzas periódicas perturbadoras, sino que, además aumentaría
su frecuencia; evitando, en algunos casos, la situación de resonancia y disminuyendo, en general, la vibración forzada del buque debido al mayor amortiguamiento interno del casco a elevadas frecuencias. Por estas razones son muchos buques, hoy en día, montan hélices de cinco o seis palas; habiéndose hallado que, con un cuidadoso diseño, la disminución en el rendimiento antes comentada es pequeña o no existe.
Las palas pueden ser fijas o móviles. En cualquier casó se funden junto con el
núcleo, que es de forma cilíndrica o cónica y cuyo diámetro exterior varía entre 0,15D y
0,25D (D = diámetro de la circunferencia circunscrita a las palas de la hélice). El orificio
central del núcleo debe ajustarse al eje de cola, al que se sujeta mediante una o varias chavetas y una tuerca; cubierta esta última por un cono o capacate.
La generatriz de las palas suele dársele cierta inclinación o caída, generalmente hacia popa, que aumenta su separación del casco, alerones o arbotantes, y beneficia, además, su rendimiento. A veces también se utilizan contorno de palas sesgados para que su borde de ataque entre, de forma gradual, en las regiones donde existe notable variación en la estela. El rendimiento hidrodinámico de las secciones de una pala depende de la relación entre su espesor y su cuerda y, en eso sentido, conviene mantener el espesor de dichas secciones tan pequeño cono sea, posible. Esta circunstancia ha estimulado la búsqueda de materiales que produzcan hélices ligeras, de secciones delgadas superficies lisas, resistentes a la erosión. Los más utilizados han sido y son: hierro fundido, acero inoxidable, bronce al níquel-aluminio, bronce al aluminio-manganeso y bronce al manganeso.
Las hélices de hierro fundido son económicas pero poco resistentes, por lo que sus secciones requieren ser de mayor espesor; además, se corroen notablemente y sufren considerable erosión por cavitación. Se utilizan, principalmente, en remolcadores de puerto y en rompehielos pues, al chocar con un obstáculo, las palas se rompen y desprenden sin afectar al casco o a la máquina. Las de bronce al manganeso, bronce al níquel-aluminio, etc., son mucho más caras pero más resistentes, dan una superficie de acabado más fina y soportan mejor la erosión; todo lo cual mejora su rendimiento.
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i) Héli
unden separadam
ciencia debido al mayor diámetro del núcleo. Debe distinguirse entre estas hélices y las de paso variable; como son, virtualm
En las hélices de palas orientables o de paso regulable como también se las llama, el paso d
mbio de marcha, en una emergencia mucho más rápido.
ncionadas hélices a unidades mucho mayores. En la actualidad se montan hélices de paso regulable en buques convencionales de mayor potencia y velocidad. Fig. 18.
ces de palas orientables
Son hélices cuyas palas se f ente del núcleo, al que se fijan mediante
pernos, y que pueden girar alrededor de ejes perpendiculares al de rotación del conjunto. Tienen 1a ventaja de facilitar la sustitución de las palas averiadas y de poder cambiar o invertir el paso de las mismas, a través de un mecanismo interno instalado en el núcleo, mientras el eje propulsor sigue girando. Sus inconvenientes, en relación a las hélices de palas fijas, son: mayor coste inicial; mayor peso y algo menor efi
ente, todas las instaladas en buques de una sola hélice en los que, debido a la variación de la estela sobre el disco de la misma, con un elevado incremento en los radios interiores, se reduce radialmente el paso de las diferentes secciones de la pala desde la punta hacia el núcleo.
e las palas se ajusta mecánica o electromecánicamente para permitir absorber la potencia máxima desarrollada por la máquina principal en las diferentes condiciones de servicio. Se montan, frecuentemente en remolcadores y pesqueros con motores diesel. Durante el remolque o el arrastre se reduce el paso de la hélice, permitiendo al motor seguir funcionando a sus revoluciones máximas sin aumentar la presión media efectiva en los cilindros, También se instalan en transbordadores, permitiéndoles dar marcha atrás con sólo invertir el paso de las palas mientras la máquina principal sigue girando en el mismo sentido. Desde el punto de vista de dicha maquinaria, esas hélices evitan la necesidad de mecanismos de cambio de marcha en las máquinas alternativas; y de turbina de atrás en los buques de turbinas, disminuyendo peso y costos y haciende el ca
Hasta 1965, la instalación de hélices de palas orientables se limitaba a buques con plantas propulsoras de poca potencia; hasta 2000 CV aproximadamente. Sin embargo, la introducción en el ámbito naval del motor diesel semirápido; la de los sistemas de control automáticos; el control de la maquinaria desde el puente, junto con el concepto de sala de máquinas automatizada (sin vigilancia permanente), proporcionaron suficientes incentivos para extender, desde entonces, la aplicación de las me
e la cara de proa de la tobera e s mayor que el de la hélice considerada, de manera que la m
de
cierto empuje propulsor sobre la tobera y, por consiguiente, sobre el casco.
Fig.18. Helice de palas orientables
ii) Hélices de tobera
La idea de colocar un anillo o tobera alrededor de la hélice, debida al ingeniero alemán Ludwing Kort, fué aplicada Por primera vez en el año 1933. Las secciones longitudinales de dicha tobera son de forma aerodinámica. Fig19 (1, 2, 3 y 4). La longitud de la misma suele ser igual a la mitad de su diámetro, para no aumentar excesivamente la estabilidad direccional del buque que dificultaría su gobierno. Las formas de la estructura que unen la tobera al casco deben diseñarse de modo que no aumenten indebidamente la resistencia opuesta por el agua.
El diámetro d
asa de agua que atraviesa el disco de esa última es superior al que correspondería en aguas libres; al tiempo que la forma de la tobera en su extremidad de popa evita, en gran medida, la contracción de la corriente de expulsión de la hélice. Fig. 19 (10.13). De este modo, para un empuje determinado, la hélice comunica menor aceleración a una mayor cantidad de agua, lo cual aumenta su rendimiento. Además, debido a la aceleración
experimentada por el agua que entra en la tobera, la presión en el borde de ataque esta
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olcadores, con el fin de aumentar su tracción a un punto fijo o remolcando a pequeñas velocidades. Sin embargo, navegando libres de remolque alcanzan, generalmente, menor velocidad con tobera que sin ella. Por las razones antes apuntadas, también se montan dichas hélices en los pesqueros de arrastre. A veces, cuando se requiere una gran maniobrabilidad, la tobera se instala de modo quo sea orientable alrededor de un eje vertical; convirtiéndose en un eficaz mecanismo de gobierno, aún con la embarcación casi parada, que reemplaza, en general, al timón. Entonces, la relación longitud/diámetro de la tobera suele ser del orden de 0,7 y el máximo ángulo de metida de 25º a 35º. Más recientemente se ha iniciado la aplicación de grandes toberas fijas alrededor de la hélice de algunos superpetroleros; la cual a la velocidad de servicio, trabaja notablemente cargada, obteniéndose incrementos en el empuje propulsivo de hasta un 6%. Fig. 19 (3).
