H??lice (marina)

Temas relacionados: El transporte a??reo y mar

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Rotaci??n de la Hamilton Standard 54H60 h??lice en un Marina de los EE.UU. N??mero cuatro motores de la EP-3E Orion como parte de los controles previos al vuelo

Una h??lice es esencialmente un tipo de ventilador que transmite la potencia mediante la conversi??n movimiento de rotaci??n en de empuje para la propulsi??n de un veh??culo tal como una avi??n, barco o submarino a trav??s de una masa tal como agua o aire , girando dos o m??s cuchillas retorcidos alrededor de un eje central, de una manera an??loga a la rotaci??n de un tornillo a trav??s de un s??lido. Las aspas de un acto como la rotaci??n de la h??lice alas (las palas de una h??lice son de hecho alas o superficies aerodin??micas), y la fuerza de productos mediante la aplicaci??n de ambos El principio de Bernoulli y la tercera ley de Newton , la generaci??n de una diferencia de presi??n entre las superficies delantera y trasera de la superficie de sustentaci??n en forma de cuchillas y mediante la aceleraci??n de una masa de aire hacia atr??s.

Historia

El principio empleado en la utilizaci??n de una h??lice de tornillo se utiliza en sculling. Es parte de la habilidad de propulsar un veneciano g??ndola pero se utiliz?? 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 t??cnica id??ntica relacionada pero no. En China, el sculling, llamado "lu", tambi??n fue utilizado por el siglo tercero dC.

En sculling, una sola hoja se mueve a trav??s de un arco, de lado a lado teniendo cuidado de mantener la presentaci??n de la cuchilla para el agua en el ??ngulo efectivo. La innovaci??n introducida con la h??lice del tornillo fue la extensi??n de ese arco a trav??s de m??s de 360 ?? uniendo la hoja a un eje giratorio. En la pr??ctica, casi siempre hay m??s de una hoja a fin de equilibrar las fuerzas implicadas. La excepci??n es una de una hoja sistema propulsor.

El origen de la h??lice del torno comienza con Arqu??medes , 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 Arqu??medes. Probablemente fue una solicitud de movimiento en espiral en el espacio (espirales eran un estudio especial de Arqu??medes ) a una segmentada noria hueca utilizada para el riego por Egipcios durante siglos. Leonardo da Vinci adopt?? el principio para conducir su helic??ptero te??rico, bocetos de lo que implicaba una gran sobrecarga tornillo lienzo.

En 1784, JP Paucton propuso un avi??n de autogiro como el uso de tornillos similares tanto para la elevaci??n y la propulsi??n. Casi al mismo tiempo, James Watt propuso utilizar tornillos para propulsar barcos, aunque no los utilizan para sus m??quinas de vapor. Este no fue su propia invenci??n, sin embargo; Toogood y Hays hab??an patentado que un siglo antes, y se hab??a convertido en un uso poco com??n como medio de propulsi??n de barcos desde entonces.

Por 1827 Josef Ressel hab??a inventado una h??lice que ten??a m??ltiples cuchillas atadas alrededor de una base c??nica; este nuevo m??todo de propulsi??n permitido barcos de vapor para viajar a velocidades mucho mayores sin utilizar velas con ello que los viajes por mar m??s r??pido. H??lices permaneci?? extremadamente ineficiente y poco utilizado hasta 1835, cuando Francis Pettit Smith descubri?? una nueva forma de h??lices de construcci??n. Hasta ese momento, las h??lices estaban literalmente tornillos, de longitud considerable. Sin embargo, durante las pruebas de un barco impulsado por uno, el tornillo apag??, dejando una forma muy similar a un moderno propulsor del barco fragmento. El barco se mov??a m??s r??pido con la h??lice rota.

Casi al mismo tiempo, Fr??d??ric Sauvage y John Ericsson solicit?? patentes sobre vagamente similar, aunque menos eficiente acortados h??lices, lo que lleva a una controversia aparentemente permanente en cuanto a qui??n es el inventor oficial entre esos tres hombres. Ericsson se hizo ampliamente conocido cuando construy?? el "Monitor" un acorazado que en 1862 triumphedover los Estados Confederados ' Merrimac en una batalla americana mar Guerra Civil.

La primera h??lice para ser alimentado por una motor de gasolina, montado en un barco peque??o (ahora conocido como barco de motor) fue instalado por Frederick Lanchester, tambi??n de Birmingham. Esto fue probado en Oxford . El primer uso 'mundo real' de una h??lice era por David Bushnell, quien utiliz?? h??lices alimentado a mano para motivar a su submarino "tortuga" en 1776.

A la Primera Guerra Mundial los aviones de h??lice de madera sobre una mesa de trabajo.

El trenzado perfil aerodin??mico (aerodin??mico) forma de h??lices de aviones modernos fue iniciado por los hermanos Wright cuando encontraron que todo el conocimiento existente sobre las h??lices (en su mayor??a naval) se determin?? por ensayo y error y que nadie sab??a exactamente c??mo funcionaban. Ellos encontraron que una h??lice es esencialmente el mismo que una ala y as?? fueron capaces de usar los datos recogidos a partir de sus experimentos en t??nel de viento en las alas anteriores. Tambi??n encontraron que la relaci??n ??ngulo 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 h??lice originales son s??lo un 5% menos eficiente que el equivalente moderno, unos 100 a??os despu??s.

Alberto Santos Dumont fue otro de los pioneros, que tiene h??lices dise??adas antes de que los hermanos Wright (aunque no tan eficiente) para sus aeronaves. Aplic?? el conocimiento que obtuvo de las experiencias con los dirigibles para hacer una h??lice con un eje de acero y l??minas de aluminio para su 14 bis biplano. Algunos de sus dise??os utiliza una hoja de aluminio doblada para hojas, creando as?? una forma aerodin??mica. Estos est??n fuertemente undercambered debido a esto y combinado con la falta de una torsi??n longitudinal hecho menos eficientes que las h??lices Wright. Aun as??, este fue quiz??s el primer uso del aluminio en la construcci??n de una h??lice.

Aviaci??n

H??lices de aeronaves (h??lices)

Una h??lice de eficiencia est?? determinada por

$\ Eta = \ frac {\ hbox {impulso} \ cdot \ hbox {velocidad axial}} {\ hbox {par resistente} \ cdot \ hbox {velocidad de rotaci??n}}$ .

Una h??lice bien dise??ado t??picamente tiene una eficiencia de alrededor del 80% cuando se opera en el mejor r??gimen. Los cambios en la eficiencia de una h??lice son producidos por un n??mero de factores, notablemente de ajustes a la ??ngulo de h??lice (θ), el ??ngulo entre la velocidad relativa resultante y la direcci??n de rotaci??n de la cuchilla, y para de paso de pala (donde θ = Φ + α). Muy peque??os ??ngulos de paso de h??lice y dan un buen rendimiento contra la resistencia pero proporcionan poco empuje, mientras que los ??ngulos m??s grandes tienen el efecto contrario. El mejor ??ngulo de h??lice es cuando la hoja est?? actuando como un ala produciendo mucho m??s elevaci??n que arrastre.

Las h??lices de un RAF H??rcules C.4 en posici??n pluma

Las h??lices son similares en la secci??n de perfil aerodin??mico a un m??nimo resistencia del ala y, como tal, son pobres en funcionamiento cuando al otro que su ??ptima ??ngulo 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 prop??sito de variar el ??ngulo de paso con una h??lice de paso variable es mantener un ??ngulo ??ptimo de ataque (elevaci??n m??xima a la proporci??n de arrastre) en las palas de la h??lice como velocidad de la aeronave var??a. Ajustes de control de tono temprano fueron operados piloto, ya sea de dos posiciones o variable manualmente. M??s tarde, se desarrollaron h??lices autom??ticas para mantener un ??ngulo de ataque ??ptimo. Hicieron esto equilibrando el momento de torsi??n centr??peta sobre las cuchillas y un juego de contrapesos contra un resorte y las fuerzas aerodin??micas en la hoja. Apoyos autom??ticas ten??an la ventaja de ser simple y no requiere control externo, pero el rendimiento de una h??lice particular, era dif??cil para que coincida con la del motor de la aeronave. Una mejora en el tipo autom??tico fue el h??lice de velocidad constante. H??lices de velocidad constante permiten al piloto para seleccionar una velocidad de rotaci??n de potencia m??xima del motor o de la m??xima eficiencia, y un gobernador de la h??lice act??a como un bucle cerrado controlador para variar el ??ngulo de paso de la h??lice seg??n se requiera para mantener la RPM mandado por el piloto. En la mayor??a de aviones de este sistema es hidr??ulico, con aceite de motor que sirve como fluido hidr??ulico. Sin embargo, los propulsores de control el??ctrico se desarrollaron durante la Segunda Guerra Mundial y vieron un amplio uso en aviones militares.

Una pala de la h??lice en posici??n de bandera

En algunas h??lices 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 h??lices fueron desarrollados para aplicaciones militares aviones de combate antes de la Segunda Guerra Mundial, como un luchador es m??s probable que experimente una falla del motor debido al peligro inherente de combate. H??lices de calado se utilizan en los aviones de varios motores y tienen el prop??sito 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 mayor??a de los sistemas de cambio de paso para los motores alternativos detectan un descenso en la presi??n del aceite y se mueven las cuchillas hacia la posici??n de pluma, y requieren que el piloto tire el control prop atr??s para desenganchar los pasadores de tope de tono alto antes de que el motor llegue a ralent?? RPM. Sistemas de control de turboh??lices generalmente utilizan un sensor de par negativo en el reductor que mueve las aspas hacia pluma cuando el motor ya no est?? proporcionando energ??a a la h??lice. Dependiendo del dise??o, el piloto puede tener que pulsar un bot??n 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 autom??tico.

En algunas aeronaves (por ejemplo, la C-130 Hercules), el piloto puede anular manualmente el mecanismo de velocidad constante para invertir el ??ngulo de las palas, y por lo tanto el empuje del motor. Esto se utiliza para ayudar a frenar el avi??n despu??s de aterrizar con el fin de salvar el desgaste de los frenos y los neum??ticos, pero en algunos casos tambi??n permite a la aeronave para realizar copias de seguridad en s?? mismo.

Una consideraci??n adicional es el n??mero y la forma de las cuchillas utilizadas. El aumento de la relaci??n de aspecto de las cuchillas reduce la resistencia pero la cantidad de empuje producido depende de ??rea de la hoja, por lo que el uso de cuchillas de aspecto alta puede conducir a la necesidad de un di??metro de la h??lice que es inutilizable. Un equilibrio adicional es que el uso de un menor n??mero de cuchillas reduce los efectos de interferencia entre las cuchillas, pero para tener suficiente ??rea de la cuchilla para transmitir la potencia disponible dentro de un di??metro conjunto significa que se necesita un compromiso. Aumentar el n??mero de cuchillas tambi??n disminuye la cantidad de trabajo se requiere para llevar a cabo cada cuchilla, lo que limita el ??mbito local N??mero de Mach - un l??mite de rendimiento significativo en las h??lices.

La h??lice de tres palas de una avioneta: el Vans RV-7A

Contra-h??lices utilizan una segunda h??lice que gira en la direcci??n opuesta inmediatamente "aguas abajo" de la h??lice principal, as?? como para recuperar la energ??a perdida en el movimiento de torbellino del aire en la estela de la h??lice. Contra-rotaci??n tambi??n aumenta la potencia sin aumentar el di??metro de la h??lice y proporciona un contador para el efecto de par del motor de pist??n de alta potencia, as?? como la efectos de precesi??n girosc??pica, y del remolino rebufo. Sin embargo en las peque??as aeronaves el agregado coste, la complejidad, el peso y el ruido del sistema rara vez hacen que valga la pena.

La h??lice est?? normalmente unido a la cig??e??al del motor, ya sea directamente o a trav??s de una caja de cambios. Avioneta veces renunciar el peso, la complejidad y el costo de endeudamiento, pero en algunos aviones m??s grandes y algunos aviones turboh??lice es esencial.

El rendimiento de una h??lice 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 rotaci??n m??s velocidad axial, una punta de pala de la h??lice se llega a la velocidad del sonido en alg??n momento antes de que el resto de la aeronave (con una hoja de la velocidad m??xima te??rica de aeronaves es de aproximadamente 845 kmh (Mach 0,7) a del nivel del mar, en realidad es bastante m??s baja). Cuando una punta de la pala se hace supers??nico, arrastrar y aumento de resistencia a la torsi??n y de repente ondas de choque forman la creaci??n de un fuerte aumento en el ruido. Las aeronaves con h??lices convencionales, por lo tanto, no suele volar m??s r??pido que Mach 0,6. Hay ciertos aviones de h??lice, por lo general militar, que no funcione a Mach 0.8 o superior, aunque hay una considerable disminuci??n en la eficiencia.

Se han hecho esfuerzos para desarrollar h??lices para aviones a altas velocidades subs??nicas. La "soluci??n 'es similar a la de dise??o del ala trans??nica. La velocidad relativa m??xima se mantiene tan baja como sea posible mediante el control cuidadoso del terreno de juego para permitir que las cuchillas tienen grandes ??ngulos de h??lice; secciones hoja delgada se utilizan y las cuchillas son barridos hacia atr??s en una forma de cimitarra ( Scimitar h??lice); un gran n??mero de cuchillas se utilizan para reducir el trabajo por blade y as?? la fuerza de circulaci??n; se utiliza-contra-rotaci??n. Las h??lices dise??adas son m??s 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 (v??ase el Antonov An-70 y Tupolev Tu-95 para ver ejemplos de este tipo de dise??o).

Ventiladores de aeronaves

Un ventilador es una h??lice con un gran n??mero de cuchillas. Por tanto, un ventilador produce una gran cantidad de empuje para un di??metro dado, pero la cercan??a de las cuchillas significa que cada uno afecta fuertemente el flujo alrededor de los otros. Si el flujo es supers??nico, esta interferencia puede ser beneficioso si el flujo puede ser comprimido a trav??s 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 espec??fico se pueden crear en funci??n 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 presi??n y la temperatura. Si la aeronave est?? a una velocidad subs??nica alta esto crea dos ventajas - el aire entra en el ventilador a una velocidad inferior Mach y la temperatura m??s alta aumenta la velocidad local del sonido. Mientras que hay una p??rdida de eficacia ya que el ventilador est?? drenando en un ??rea m??s peque??a de la corriente libre y as?? el uso de menos aire, esto es equilibrada por el ventilador de flujo guiado de retenci??n eficiencia a velocidades m??s altas donde la eficiencia de la h??lice convencional ser??a pobre. Un ventilador de flujo guiado o h??lice tambi??n tiene ciertos beneficios a velocidades m??s bajas, pero el conducto tiene que ser en forma de una manera diferente a uno para el vuelo de mayor velocidad. M??s aire se toma en, por lo que el ventilador funciona a una eficacia equivalente a una h??lice-un canalizado m??s grande. El ruido tambi??n se reduce por la canalizaci??n y debe convertirse en una hoja individual del conducto contendr??a el da??o. Sin embargo, el conducto a??ade peso, coste, complejidad y (en un grado determinado) de arrastre.

Ver tambi??n Generador de viento H??lice.

H??lices eje transversal

La mayor??a de las h??lices tienen su eje de rotaci??n paralelo al flujo de fluido. Sin embargo ha habido algunos intentos de veh??culos de energ??a con los mismos principios que inspiran eje vertical turbinas de viento, donde la rotaci??n es perpendicular al flujo de fluido. La mayor??a de los intentos han sido sin ??xito. Las hojas que pueden variar su ??ngulo de ataque durante la rotaci??n tienen una aerodin??mica similar a aleteo de vuelo. El aleteo de vuelo es a??n es poco conocido y casi nunca se utiliza en serio en la ingenier??a debido a la fuerte acoplamiento de elevaci??n, 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 aerodin??mico para ayudar a fomentar la circulaci??n necesaria para ascensor.

La Voith-Schneider h??lice muestra a continuaci??n es otro ejemplo de ??xito, que opera en el agua.

Marina

Una h??lice es el propulsor m??s com??n en los buques, impartiendo impulso a un fluido que provoca una fuerza para actuar en el barco.

La eficiencia ideal de cualquier tama??o de la h??lice es la de un disco de accionador en un fluido ideal. Una h??lice marina real se compone de secciones de superficies helicoidales que act??an juntos "atornillar" a trav??s del agua (de ah?? la referencia com??n a las h??lices marinas como " tornillos "). Tres, cuatro o cinco palas son m??s comunes en las h??lices marinas, aunque los dise??os que est??n destinadas a funcionar a reducir el ruido tendr??n m??s palas. Las palas est??n unidas a un jefe (hub), que debe ser tan peque??o como las necesidades de fuerza permiten - con h??lices de paso fijo las cuchillas y jefe por lo general son una sola pieza.

Un dise??o alternativo es el h??lice de paso controlable (CPP), donde se hacen girar las cuchillas normal al eje de accionamiento por la maquinaria adicional - por lo general Hidr??ulica - En el centro de control y v??nculos corriendo por el eje. Esto permite que la maquinaria de la unidad funcione a una velocidad constante, mientras que la carga de la h??lice se cambia para que coincida con las condiciones de funcionamiento. Tambi??n elimina la necesidad de un engranaje de marcha atr??s y permite un cambio m??s r??pido de empuje, como las revoluciones son constantes. Este tipo de propulsor es m??s com??n en los barcos, como remolcadores donde puede haber enormes diferencias en la h??lice de carga cuando se remolca en comparaci??n con el funcionamiento libre, un cambio que podr??a causar h??lices convencionales para encerrar a medida que se genera par insuficiente. La desventaja de un CPP es el gran cubo que aumenta la posibilidad de cavitaci??n y la complejidad mec??nica que limita la potencia de transmisi??n.

Para motores m??s peque??os hay h??lices independientes pitcheo. Las hojas se mueven libremente a trav??s de todo un c??rculo sobre un eje en ??ngulo recto con el eje. Esto permite que las fuerzas hidrodin??micas y centr??fugas a 'set' el ??ngulo de las palas alcanzan por lo que el paso de la h??lice.

Una h??lice 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 m??s grandes a menudo tienen tornillos gemelos para reducir el par de escora, h??lices 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 h??lices, donde dos h??lices giran en direcciones opuestas en un solo eje de contra-rotaci??n.

Dise??os adicionales

Una Acimutal de la h??lice es una h??lice de eje vertical.

El contorno cuchilla se define ya sea por una proyecci??n en un plano normal al eje de la h??lice (contorno proyectado) o estableciendo el acorde circunferencial a trav??s de la hoja en un radio dado contra radio (esquema desarrollado). El esquema es generalmente sim??trica sobre una l??nea radial dada denomina la mediana. Si la mediana se curva hacia atr??s respecto a la direcci??n de rotaci??n se dice que la h??lice tener sesgar espalda. La asimetr??a se expresa en t??rminos 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 di??metro total.

Terreno de juego y el espesor de cada hoja var??a con el radio, los primeros cuchillas ten??a una cara plana y arqueada hacia atr??s (a veces llamado una circular de nuevo como el arco era parte de un c??rculo), palas de la h??lice modernos tienen secciones de perfil aerodin??mico. La l??nea de curvatura es la l??nea por el centro de espesor de una sola hoja. La camber es la diferencia m??xima entre la l??nea de curvatura y de la cuerda que une la posterior y bordes de ataque. El ??ngulo de ca??da se expresa como un porcentaje de la cuerda.

El radio de m??ximo espesor es por lo general por delante del punto de mitad de acorde con las cuchillas de adelgazamiento a un m??nimo en las puntas. El espesor es fijado por las demandas de la fuerza y la relaci??n de espesor a di??metro totales se denomina fracci??n grueso de la l??mina.

La relaci??n de la altura y el di??metro se llama relaci??n de paso. Debido a las complejidades de las h??lices modernas se da un paso nominal, se utiliza generalmente un radio de 70% del total.

??rea de la cuchilla se administra como una relaci??n del ??rea total del disco de la h??lice, ya sea como relaci??n de ??rea de hoja desarrollada o la relaci??n de ??rea de la pala proyectada.

Historia de los buques y submarinos h??lices

Propeller en un buque mercante de tama??o medio moderno

James Watt de Escocia se acredita generalmente con la aplicaci??n de la primera h??lice de un motor, uno de los primeros motores de vapor , a partir de la utilizaci??n de un tornillo hidrodin??mico para la propulsi??n.

Propulsi??n mec??nica barco comenz?? con el vapor barco. El primer barco con ??xito de este tipo es un tema de debate; inventores candidatos del siglo 18 incluyen William Symington, el marqu??s 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 pr??ctico" del mundo. Ruedas de paletas como la fuente principal motivo se convirti?? en est??ndar en estos primeros vasos (ver Barco de vapor). Robert Fulton hab??a probado, y rechazado, la h??lice.

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

El tornillo (en comparaci??n 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 propulsi??n vertical y horizontal. El ingeniero de Bohemia Josef Ressel dise???? y patent?? la primera h??lice posible en 1827. Francis Pettit Smith prob?? una similar en 1836. En 1839, John Ericsson present?? el dise??o de h??lice en un barco que luego naveg?? sobre el Oc??ano Atl??ntico en 40 d??as. Dise??os de paddle y de h??lice mixtos todav??a se estaban utilizando en este momento (vide el 1858 Great Eastern).

En 1848 el Almirantazgo brit??nico celebr?? un tira y concurso de guerra entre un buque de h??lice, Cascabel, y un barco de rueda de paletas, Alecto. Rattler gan??, 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 h??lice reemplazado las palas debido a su mayor eficiencia, compacto, de menor complejidad transmisi??n de potencia sistema, y susceptibilidad reducida a da??ar (especialmente en la batalla)

Voith-Schneider h??lice

Los dise??os iniciales deb??an mucho a la ordinaria tornillo de la que su nombre deriva - primeras h??lices consistieron en s??lo dos cuchillas y acertaron en el perfil de la longitud de un solo giro del tornillo. Este dise??o era com??n, pero los inventores interminablemente experiment?? con diferentes perfiles y un mayor n??mero de cuchillas. El dise??o del tornillo de la h??lice se estabiliza por la d??cada de 1880.

En los primeros d??as de la energ??a de vapor para buques, cuando ambos ruedas de paletas y tornillos estaban en uso, los barcos a menudo se caracterizan por su tipo de h??lices, lo que lleva a t??rminos como vapor tornillo o tornillo balandra.

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

Da??os evidentes en la h??lice de una embarcaci??n personal cavitaci??n.

La cavitaci??n puede ocurrir si se hace un intento de transmitir demasiada energ??a a trav??s del tornillo. A altas velocidades de rotaci??n o en situaciones de carga (alto cuchilla coeficiente de sustentaci??n), la presi??n en el lado de entrada de la cuchilla puede caer por debajo de la presi??n de vapor del agua, que resulta en la formaci??n de una bolsa de vapor, que puede transferir de manera efectiva ya no fuerza al agua (el estiramiento de la analog??a a un tornillo, se podr??a decir las tiras '' de rosca agua). Esta energ??a desechos efecto, hace que la h??lice "ruidoso", como el colapso de burbujas de vapor, y m??s en serio, erosiona la superficie del tornillo debido a las ondas de choque localizadas contra la superficie de la hoja. La cavitaci??n puede, sin embargo, ser utilizado como una ventaja en el dise??o de las h??lices de muy alto rendimiento, en forma de la supercavitantes h??lice. (Ver tambi??n din??mica de fluidos). Un problema similar, pero bastante separada, es la ventilaci??n, que se produce cuando una h??lice que opera cerca de la superficie aspira aire dentro de las palas, provocando una p??rdida similar de potencia y el eje de vibraci??n, pero sin el da??o potencial de superficie de la hoja relacionado causada por la cavitaci??n. Ambos efectos pueden ser mitigados mediante el aumento de la profundidad sumergida de la h??lice: cavitaci??n se reduce porque el presi??n hidrost??tica aumenta el margen de la presi??n de vapor, y la ventilaci??n, ya que est?? m??s lejos de las ondas de superficie y otras bolsas de aire que pudieran extraerse en la estela.

14 toneladas de la h??lice de un Voroshilov Crucero de la clase Kirov en exhibici??n en Sebastopol

Las fuerzas que act??an sobre un perfil aerodin??mico

La fuerza (F) experimentada por una cuchilla de perfil aerodin??mico est?? determinada por su ??rea (A), cuerda (c), la velocidad (V) y el ??ngulo del perfil aerodin??mico al flujo, ya sea llamado ??ngulo de incidencia o ??ngulo de ataque ( $\ Alpha$ ), Donde:

$\ Frac {F} {\ rho AV ^ 2} = f (R_n, \ alpha)$

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

$C_L = \ frac {L} {\ frac {1} {2} \ rho AV ^ 2}$ y $C_D = \ frac {D} {\ frac {1} {2} \ rho AV ^ 2}$

Cada coeficiente es una funci??n del ??ngulo de ataque y N??mero de Reynolds. A medida que el ??ngulo de ataque aumenta levantar eleva r??pidamente desde el ??ngulo sin ascensor antes de disminuir su aumento y luego decreciente, con una fuerte ca??da como el ??ngulo de p??rdida es alcanzado y el flujo se interrumpe. Arrastre levanta lentamente al principio y como la tasa de aumento en la elevaci??n cae y el ??ngulo de ataque aumenta la resistencia aumenta m??s bruscamente.

Para una resistencia dada de la circulaci??n ( $\ Tau$ ), $\ Mbox {} Lift = L = \ rho V \ tau$ . El efecto del flujo de una y la circulaci??n alrededor del perfil aerodin??mico es reducir la velocidad sobre la cara y aumentar por encima de la parte posterior de la hoja. Si la reducci??n en la presi??n es demasiado en relaci??n a la presi??n ambiente del fluido, se produce cavitaci??n, se forman burbujas en la zona de baja presi??n y se mueven hacia el borde posterior de la hoja, donde se colapsan cuando la presi??n aumenta, esto reduce la eficiencia de la h??lice y aumenta ruido. Las fuerzas generadas por el colapso de la burbuja pueden causar da??o permanente a las superficies de la hoja.

Empuje de la h??lice

Sola l??mina

Teniendo una secci??n radial arbitraria de una cuchilla en r, si las revoluciones son N entonces la velocidad de rotaci??n es $2 \ pi N r$ . Si la hoja era un tornillo completa ser??a avanzar a trav??s de un s??lido a la tasa de NP, donde P es el paso de la pala. En el agua la velocidad de avance es m??s bien baja, $V_A$ , La diferencia, o relaci??n de deslizamiento, es:

$\ Mbox {} = Slip (NP-V_A) / NP = 1-J / p$

donde J es el coeficiente de avance ( $V_A / ND$ ) Y P es la relaci??n de paso (P / D).

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

$\ Mbox {d} L = \ frac {1} {2} V_1 \ rho ^ 2 C_L dA = \ frac {1} {2} \ rho C_L [V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2] b \ mbox {d} r$

donde:

$V_1 ^ 2 = V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2$

$\ Mbox {d} D = \ frac {1} {2} \ rho V_1 ^ 2C_D \ mbox {d} A = \ frac {1} {2} \ rho C_D [V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 + 4 \ pi ^ 2r ^ 2 (1-a ') ^ 2] b \ mbox {d} r$

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

$\ Mbox {d} T = \ mbox {d} L \ cos \ varphi- \ mbox {d} D \ sin \ phi = \ mbox {d} L (\ cos \ varphi- \ frac {\ mbox {d} D } {\ mbox {d} L} \ sin varphi \)$

donde $\ Tan \ beta = \ mbox {d} D / \ mbox {d} L = C_D / C_L$

$= \ Frac {1} {2} V_1 \ rho ^ 2 C_L \ frac {\ cos (\ varphi + \ beta)} {\ cos \ beta} b \ mbox {d} r$

Como $V_1 = V_A (1 + a) / \ sin \ varphi$ ,

$\ Mbox {d} T = \ frac {1} {2} C_L \ rho \ frac {V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 \ cos (\ varphi + \ beta)} {\ sin ^ 2 \ phi \ cos \ beta} b \ mbox {d} r$

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

$\ Mbox {d} M = \ mbox {d} L \ sin \ varphi + \ mbox {d} D \ cos \ phi = \ mbox {d} L (\ pecado \ varphi + \ frac {\ mbox {d} D} { \ mbox {d} L} \ cos \ phi)$

$= \ Frac {1} {2} \ rho V_1 ^ 2 C_L \ frac {\ sin (\ varphi + \ beta)} {\ cos \ phi} b \ mbox {d} r$

Sustituyendo $V_1$ y multiplicando por r, da par como:

$\ Mbox {d} Q = r \ mbox {d} M = \ frac {1} {2} \ rho C_L \ frac {V_A ^ 2 (1 + a) ^ 2 \ sin (\ varphi + \ beta)} {\ sin ^ 2 \ phi \ cos \ beta} br \ mbox {d} r$

que puede ser integrado como antes.

La potencia total de empuje de la h??lice es proporcional a $TV_a$ y la potencia en el eje de $2 \ pi NQ$ . As?? que la eficiencia es $TV_a / 2 \ pi NQ$ . La eficiencia hoja est?? en la relaci??n entre el empuje y par:

$\ Mbox {cuchilla elemento de eficiencia} = \ frac {V_A} {2 \ pi Nr} \ times \ frac {1} {\ tan (\ varphi + \ beta)}$

que muestra que la eficiencia de la cuchilla se determina por su impulso y sus cualidades en forma de ??ngulos $\ Phi \ mbox {y} \ beta$ , Donde $\ Beta$ es la relaci??n de los coeficientes de arrastre y elevaci??n.

Este an??lisis se simplifica y hace caso omiso de una serie de factores importantes, como la interferencia entre las cuchillas y la influencia de los v??rtices de punta.

De empuje y el par

El empuje, T, y el par, Q, depende del di??metro de la h??lice, D, revoluciones, N, y la velocidad de avance, $V_A$ , Junto con el car??cter de fluido en el que la h??lice es operativo y la gravedad. Estos factores crean la siguiente relaci??n no dimensional:

$T = \ rho V ^ 2 D ^ 2 [f_1 (\ frac {} {ND V_A}), f_2 (\ frac {v} {V_A D}), F_3 (\ frac {} {gD V_A ^ 2})]$

donde $f_1$ es una funci??n del coeficiente de avance, $f_2$ es una funci??n del n??mero de Reynolds, y $F_3$ es una funci??n de la N??mero de Froude. Ambos $f_2$ y $F_3$ es probable que sean peque??as en comparaci??n con $f_1$ en condiciones normales de funcionamiento, por lo que la expresi??n puede reducirse a:

$T = \ rho V_A ^ 2 D ^ 2 \ ??pocas f_r (\ frac {} {ND V_A})$

Para dos h??lices id??nticas tanto para la expresi??n ser?? el mismo. As??, con las h??lices $T_1, T_2$ , Y utilizando los mismos sub??ndices para indicar cada h??lice:

$\ Frac {} {T_1 T_2} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ times \ frac {V_ {a1} ^ 2} {V_ {a2} ^ 2} \ times \ frac {D_1 ^ 2} {D_2 ^ 2}$

Por tanto n??mero y avance coeficiente Froude:

$\ Frac {} {T_1 T_2} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ times \ frac {D_1 ^ 3} {D_2 ^ 3} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ lambda ^ 3$

donde $\ Lambda$ es la relaci??n de las dimensiones lineales.

De empuje y la velocidad, en el mismo n??mero de Froude, dan potencia de empuje:

$\ Frac {P_ {T1}} {P_ {T2}} = \ frac {\ rho_1} {\ rho_2} \ lambda ^ 3.5$

Para los pares:

$Q = \ rho V_A ^ 2 D ^ 3 \ veces f_q (\ frac {} {ND V_A})$

$. . .$

El rendimiento real

Cuando se a??ade una h??lice de un barco su rendimiento es alterada; hay las p??rdidas mec??nicas en la transmisi??n de potencia; un aumento general de la resistencia total; y el casco tambi??n impide y hace no uniforme el flujo a trav??s de la h??lice. La relaci??n entre la eficiencia de una h??lice conectada a un buque ( $P_D$ ) Y en aguas abiertas ( $P'_D$ ) Que se denomina eficiencia de rotaci??n relativa.

La eficacia de la propulsi??n total (una extensi??n del poder efectivo ( $P_E$ )) Se desarrolla a partir del coeficiente de propulsi??n (PC), que se deriva de la potencia en el eje instalado ( $P_S$ ) Modificada por la potencia efectiva para el casco con ap??ndices ( $P'_E$ ), Potencia de empuje de la h??lice ( $P_t$ ), Y la eficiencia de rotaci??n relativa.

$P'_E$ / $P_t$ = Eficiencia casco = $\ Eta_H$

$P_t$ / $P'_D$ = Eficiencia de la h??lice = $\ Eta_O$

$P'_D$ / $P_D$ = Rendimiento rotativo relativo = $\ Eta_R$

$P_D$ / $P_S$ = Eficiencia de transmisi??n del eje

La producci??n de los siguientes:

$PC = (\ frac {\ eta_H \ times \ eta_O \ times \ eta_R} {\ mbox {coeficiente ap??ndice}}) \ times \ mbox {eficiencia de transmisi??n}$

Los t??rminos que figuran dentro de los corchetes se agrupan com??nmente como el coeficiente de cuasi propulsora (QPC, $\ Eta_D$ ). El QPC se produce a partir de experimentos en peque??a escala y se modifica con un factor de carga de los buques de tama??o completo.

Wake es la interacci??n 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 l??mite 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 reducir?? la velocidad del agua en la h??lice, la tercera ya sea para aumentar o disminuir la velocidad dependiendo de si las olas crean un creast o artesa en la h??lice.

Tipos de h??lices marinas

En la actualidad, varios tipos de h??lices marinas se han construido para una amplia variedad de veh??culos marinos.

H??lice de paso controlable

Una h??lice de paso controlable

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

H??lice sotabanco

Un tipo avanzado de la h??lice utilizado en alem??n Escriba 212 submarinos se llama una h??lice sotabanco . Como en las cuchillas de cimitarra utilizados en algunos aviones, las puntas de las palas de una h??lice sotabanco son barridos hacia atr??s contra la direcci??n de rotaci??n. Adem??s, las cuchillas est??n inclinadas hacia atr??s a lo largo del eje longitudinal, dando a la h??lice una apariencia general en forma de copa. Este dise??o conserva la eficiencia de empuje al tiempo que reduce la cavitaci??n, y por lo tanto lo convierte en un lugar tranquilo, dise??o furtivo.

Ver Tambi??n: Propulsi??n a popa.

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