Una embarcación se mueve por el agua propulsada por elementos

Planteamiento

Una embarcación se mueve por el agua propulsada por elementos, tal como la hélice. Este elemento imparte velocidad y movimiento de la embarcación a una columna de agua en la dirección opuesta a la dirección en la que se desea mover la embarcación. Una fuerza, llamada fuerza de reacción (porque reacciona a la fuerza de la columna de agua) es desarrollada contra el elemento de velocidad-impartida. Esta fuerza, también llamada empuje, se transmite al barco y hace que la embarcación se mueva a través del agua. Sin ella sería casi imposible la propulsión de la embarcación.

La hélice es el elemento de propulsión usado en casi todas las embarcaciones navales. El empuje desarrollado en la hélice se transmite a la estructura del barco por el eje principal por la presión del empuje desarrollado. El eje principal se extiende del eje del engrane de reducción principal a la reducción de la hélice. Se apoya en alineación por los cojinetes de suspensión, los cojinetes de retención a popa y los cojinetes de apoyo. El empuje, actuando en el eje de propulsión como un resultado del efecto del empuje de la hélice, se transmite a la estructura de la embarcación por el buje de empuje principal. En la mayoría de las embarcaciones, se localiza al final del eje principal dentro de la caja de reducción principal. En algunos grandes barcos, sin embargo, el buje del eje principal se localiza más lejos a popa en un espacio de maquinaria o en un claro del eje. 

Uno de los problemas hidrodinámicos más comunes es la cavitación, consiste en la vaporización, generación e implosión de burbujas que tienen lugar en un fluido, en este caso en el agua, al producirse una gran variación en la presión local. Las hélices son propensas a sufrirlo, ya que su velocidad de giro es alta y se producen grandes fluctuaciones de presión, Además, si el barco alcanza velocidades demasiado altas se acentúa su efecto.

Cuando se llega a producir estos fenómenos, la presión en la cara de la hélice situada más a proa disminuye drásticamente, lo que hace que se generen burbujas de vapor debido a la situación de vació que se origina.

La reparación para la corrosión originada por la cavitación en las hélices es de gran costo, mucho mayor que el reemplazo de ésta, por eso se es recomendable estudiar el problema para efectuar un presupuesto personalizado.

La alternativa de utilizar hélices de plástico se presenta como una solución ante el desgaste experimentado por las hélices de metal u otro tipo de material. Otra solución pasa por realizar un estudio que relacione la velocidad del barco con la potencia y forma de la obra viva. Puede ser la forma de la quilla sea la que genera la bolsa de aire, por lo que se requiere modificar la hélice o su situación especial.

Al remplazar la hélice dañada por una de plástico se estima el ahorro de más del 70% en gastos, comparando con la reparación de ésta. Además, la vida de la nueva hélice se estima de mayor duración, con las precauciones necesarias.

Concluyendo la cavitación, es un fenómeno altamente complejo y el daño que ésta causa es provocado por el diseño de la hélice. La mayoría de las embarcaciones pequeñas los efectos de la cavitación incluyendo pérdida de velocidad, ruido y daño sobre las aspas puede ser minimizado utilizando un área de aspa suficiente. Actualmente se pone mucho énfasis en obtener hélices con el máximo rendimiento con la mínima cavitación posible, pero si se genera la mejor opción es remplazarla para evitar daños futuros en la embarcación.

Justificación

Conocer acerca de lo que genera la cavitación en las hélices es muy importante ya que es uno de los principales problemas que se encuentran en la embarcación, se produce por dos motivos fundamentales:

• En hélices de alta velocidad el agua en contacto con las aristas se calienta hasta llegar al punto de ebullición en décimas de segundo, pasando a transformarse en vapor de agua, que al rozar contra las palas las desgastan y deterioran.
• En otros tipos de hélices la cavitación puede estar producida por quedar una parte de las palas fuera del agua o crear bolsas de agua aire en torno a las palas.

En cualquier caso, el efecto es un deterioro paulatino de las palas, que pueden llegar a perder parte de su superficie por la erosión causada por la cavitación, haciendo su desempeño mucho menor y generando todo tipo de complicaciones. Además, tener entendimiento del tema nos amplía más acerca de toda inconveniencia que se pudiera presentar, y así poder encontrar una solución.

Tener conocimiento sobre la cavitación es de gran ayuda a la larga vida de la hélice, evitando gastos a futuro mediante inspecciones rutinarias y precauciones para evitar cualquier daño.

Los ingenieros navales tienen la capacidad de resolver todo tipo de situaciones comunes y tratar de evitarlas como este tipo de problemáticas, a la vez dando soluciones optimas mediante cálculos y planificaciones, mediante la asignatura en la carrera profesional ‘’Propulsión de la nave’’ o sus derivadas, son capacitados realizando pruebas de modelos de embarcaciones en canales de ensayo hidrodinámicos viendo el actuar del buque en su avanzar venciendo una resistencia para lo que se necesita una propulsión (normalmente una hélice movida por un motor).

Objetivos:

Objetivo general:

• Conocer los efectos que produce la cavitación sobre la hélice, cuando ésta gira más rápido de lo que su paso le permite, y se crea el efecto en el agua que provoca la destrucción de las aristas de las palas de dicha hélice.

Al rebasar la hélice la velocidad de propulsión se crea un vacío donde la presión es negativa y el agua hierve a temperatura ambiente; por tanto, las burbujas son el agua de mar hirviendo a causa del efecto vacío, creado por una velocidad de la hélice superior a su capacidad de empuje en cada una de sus palas.

El chorro de burbujas central son las emisiones del tubo de escapa del motor, pero en el momento que se aumenta la velocidad, se ve una espiral que sale del borde de las palas. Este efecto es el producido por la cavitación. Si se prolonga la creación de dicho efecto, se puede llegar a dañar como ya se ha visto con anterioridad.

Objetivos secundarios:

La cavitación genera varios problemas en la hélice y en algunas veces en el casco de la embarcación (dependiendo el tipo de ésta), entre los cuales la corrosión es daño más significativo en la hélice, al igual se pueden clasificar distintos tipos de cavitación.

Cuando una hélice gira más rápido de lo que su paso le permite y se crea un efecto en el agua que provoca la destrucción de las aristas de las palas de dicha hélice

• Cavitación con vórtice en la punta de la pala:
• Cavitación de las hojas
• Cavitación de nube
• Cavitación de burbuja
• Cavitación de raíz
• Cavitación de la cara de la hélice

Pregunta de investigación:

• ¿Existe en la actualidad alguna protección contra la cavitación mediante algún diseño hidrodinámico adecuado, de tal forma que evite en lo posible las presiones bajas y corrosión en las hélices?

Hipótesis:

Marco teórico:

La cavitación es un problema causado por el mal diseño de la hélice y, si bien no incide directamente en el grado de eficiencia de la utilización de combustible, indica que la selección de la hélice instalada no era correcta; a largo plazo, los efectos de la cavitación pueden provocar un aumento de consumo de combustible.

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