Curso_propulsores_iv - Interaccion Carena - Helice

HIDRODINÁMICA, RESISTENCIA Y PROPULSIÓN MARINA

5 INTERACCIÓN CARENA -HÉLICE

5.1 Introducción.

1

;

En el capítulo 2 hemos tratado la carena aislada y en el capítulo 3 hemos visto la helicecomo un propulsor aislado.

A lo largo de este capítulo veremos la interacción que ocurre entre la hélice y la carena,al colocar la hélice en la popa del buque, dentro de un flujo que ha sido perturbado por el pasoprevio de la carena.

Al colocar la hélice se provoca dos interacciones:

• Acción de la carena sobre la hélice: ESTELA

• Acción de la hélice sobre la carena: SUCCIÓN


5.2 Estela.

2

;

Este fenómeno consiste en que la velocidad del flujo que llega a la hélice no es la deavance del buque vA, sino otra menor.

Las causas de este fenómeno son:

1. Estela Potencial: Supongamos el buque sumergido en un flujo perfecto con una velocidadconstante v0. hemos visto que se cumple:

030201 ; vvyvvvv



5.2 Estela.

3

;

2. Estela viscosa: el fluido real es viscoso, por lo que aparece la capa límite, la cual hemos vistoque en ella, la velocidad del flujo es menor que en un flujo perfecto. La hélice se encuentrainmersa en esta capa límite, por lo que la velocidad que le llega es más pequeña.



5.2 Estela.

4

;

2. Estela de olas: El buque al navegarpor la superficie libre del mar, puedela vertical de la hélice encontrarsecon un seno o una cresta de una ola.Si se presenta un cresta la velocidadorbital predominante va en direcciónpopa-proa y si se presenta un seno elcaso es al revés. Es decir cuando haycrestas la velocidad orbital se restaríaa la del flujo y si es un seno sesumaría. En el caso de las tresestelas es la de menos importanciacuantitativa, siempre que la héliceesté lo bastante sumergida.



5.2 Estela.

5

;

4. Estela nominal: Es el conjunto de fenómenos que ocurren al flujo cuando llega a la zona de lahélice, pero ésta no esta presente. Definimos el coeficiente de estela local como:

A

pA

pv

vvw

siendo VA la velocidad de avance del buque yvp la velocidad en un punto cualquiera deldisco.

Los valores del coeficiente se obtienen através de la integración de los valores de vp enlos llamados ensayos de estela.

Hay diversos métodos de realizar los ensayosde estela, el más común es el usado contubos de Pitot (corredera).



5.2 Estela: Tubo de Pitot.

6

;

El tubo de Pitot es una aplicación directa del Teorema de Bernouilli entre los puntos 0,1,2y la altura de los depósitos.

ctezgvp 2

2

1



5.2 Estela: Tubo de Pitot.

7

;

v

vvw A

T

5. Estela Efectiva: Es la estela que se produce una vez que se monta el propulsor. Los valoresobtenidos por la estela nominal son menores, aunque no es posible medirla. Por ello se defineel coeficiente de estela efectiva. Supongamos una hélice propulsando a un buque a unavelocidad V, que da un empuje T a unas revoluciones n. a las mismas revoluciones y empuje,la hélice da una velocidad vA menor, considerando esta velocidad como la media de lasvelocidades en el disco tenemos el coeficiente de estela efectiva a igualdad de empuje:

de la misma forma se define el coeficiente de estela efectiva a igualdad de par wQ, No esposible hacer coincidir los coeficientes de empuje y par. Se suelen usar las fórmulas de Taylor:

hélicesBuquescw

héliceBuquescw

pT

pT

220.055.0

105.05.0



5.3 Succión.

8

;

Al estar montada la hélice en la carena, el propulsor produce una succión que se traduceen un aumento de la resistencia al avance de la carena. Esto es debido a:

1. La hélice provoca una aceleración del flujo a su proa, por lo que la presión disminuye (succión).Traducido a términos de resistencia, la 3ª función de la resistencia al avance la de presión,aumenta.

2. Dicho aumento de velocidad, provoca en la zona de popa del propulsor un aumento de laresistencia de fricción, recordando:

Aunque el coeficiente de fricción disminuye algo por el aumento del nº de Reynolds, lavelocidad aumenta al cuadrado. Se define el coeficiente de succión como:

A la succión también se aplican las fórmulas de Taylor:

2

2

1vScR FF

empuje

avancealaresistenciempuje

T

RTt

hélicesBuqueswt

héliceBuqueswt

206.07.0

16.0



5.4 Rendimiento rotativo relativo.

9

;

Hemos visto que el rendimiento del propulsor aislado era:

El rendimiento de la hélice montado tras la carena es:

Se define el rendimiento rotativo relativo como:

La diferencia de ambos pares es debido a la heterogeneidad del campo de velocidades alestar la hélice montada tras la carena.

0

02 Qn

vT A

Q

QBr

0

0

Qn

vT AB

2



5.5 Rendimiento cuasipropulsivo.

10

;

Hemos visto que el rendimiento cuasipropulsivo era:

Introduciendo los valores de los coeficientes de succión, de estela, propulsor aislado y elrendimiento rendimiento rotativo relativo::

, , y

Nos queda:

Al primer factor se le denomina rendimiento del casco:

Q

Q

Qn

vT

vT

vR

Qn

vT

vT

vR

Qn

vR

DHP

EHP A

A

A

A

D0

0222

T

Rt

T

RTt 1

wv

v

v

vvw

A

AT

1

1

0

02 Qn

vT A

Q

Qr

0

rDw

t0

1

1

rHD 0



5.6 Ensayo de autopropulsión.

11

;

Este ensayo es con un buque a escala, incluida la hélice. El objetivo de este ensayo esmedir la DHP para llevar el buque a la velocidad vA.

El modelo va libre longitudinalmente y verticalmente (balance y cabeceo). Restringida laguiñada. Las magnitudes usadas son: revoluciones, empuje y par de la hélice y velocidad delmodelo




12

;

De esta forma:

Es debido a que el coeficiente de resistencia de fricción es mayor en el modelo que en elbuque, por lo que se ayuda al carro de forma artificial. La fuerza de ayuda se llama deducción defricción y vale:

Es decir:

TbARbFbRmFmTm ccccccc


AFbFmmmadF cccSvD 2

2

1

mmad

FTmTb

Sv

Dcc

2

2

1



13

;

Con todo se pueden obtener los coeficiente propulsivos de la siguiente forma:

1. Coeficiente de succión:

a.

b.

2. Coeficiente de estela a igualdad de empuje:

a. Se calcula kT.b. Con este valor se entra en la curvas del propulsor aislado (nº 16) y se obtiene JT, con lo

que obtenemos vAT:

c. Por tanto:


B

BB

T

RTt

m

Fmm

T

DRTt

DnJv TAT

v

vw AT

t 1



14

;

3. Coeficiente de estela a igualdad de par:

a. Se calcula kQ.b. Con este valor se entra en la curvas del propulsor aislado (nº 16) y se obtiene JQ, con lo

que obtenemos vAQ:

c. Por tanto:

4. Rendimiento rotativo relativoa. Con el valor de JT, entramos en la curva de kQ y obtenemos el valor de kQ0.b. Hallamos el valor Q0:

c. Por tanto:


DnJv QAQ

v

vw

AQ

Q 1

52

00 DnkQ Q

Q

Qr

0



15

;

5. Rendimiento de la hélice aislada durante el ensayo:

a. Valor hipotético ya que detrás de la carena el rendimiento es ηB.b. Con JT entramos en la curva (nº 16) y obtenemos η0.

c. Por tanto:

6. Rendimiento cuasi propulsivo (QPC)

a. Se obtiene por:


rB 0

r

t

rw

t0

1

1



16

;



6.1 Introducción.

17

;

Puede ocurrir que sobre la pala se produzca una elevada velocidad local, con lo que dalugar a bajas presiones. Por lo que puede ocurrir que el agua vaporice, esta burbujas sonarrastradas por el flujo, donde pierde velocidad, por lo que aumenta la presión local y vuelve aestado líquido.

6 CAVITACIÓN

Este cambio devapor a líquido, al ser elvolumen específico del vapormucho mayor que el dellíquido. Se produce una zonavacía, que es rellenada porlíquido circundante, la burbujase colapsa, implosiona.

Esta implosión setraduce en choques cinéticos,como resultado danvibraciones, ruido y deteriorosuperficial.


6.1 Introducción.

18

;

6 CAVITACIÓN


6.2 Condición hidrodinámica.

19

;

Aplicando Bernouilli entre el infinito y un punto de la hélice:

Si el punto de la hélice es el punto A:

A este valor se le denomina presión dinámica o presión de choque.

6 CAVITACIÓN

2

00

2

112

1

2

1vpvp 2

1

2

0012

1vvpp

qvpp 2

0012

1



20

;

Si es un punto genérico de la pala B:

Pero en B la velocidad es mayor que en el infinito, por lo que la presión es menor, esdecir

Se producirá cavitación si:

Por lo que se llama condición de cavitación, y a la siguiente relación se la denominanº de cavitación:

Es decir que el nº de cavitación no depende del perfil, sino de las condiciones del fluido.

6 CAVITACIÓN

pvvpp 2

1

2

0012

1

0101 ppppp

q

pp

q

ppppppp v

vv0

00

2

0

00

2

1v

pp

q

pp vv



21

;

En cuanto al primer término de la condición de cavitación:

tenemos:

el valor de la relación de las velocidades depende sólo de la geometría y de su ángulo deincidencia, no de las características del fluido.

La conclusión es que aparecerá cavitación en un perfil, en función de las condiciones quetiene la geometría del mismo con respecto al flujo que incide sobre él.

6 CAVITACIÓN

q

pp

q

p v0

1

2

12

1

2

0

2

1

2

0

2

0

2

1

v

v

v

vv

q

p



22

;

Fig. 30, pág. 64

6 CAVITACIÓN



23

;

Fig. 31, pág. 64

6 CAVITACIÓN


6.3 Número de cavitación local.

24

;

La cavitación está en función de las zonas de la pala y en función de las posiciones de lamisma, es decir es un fenómeno local.

Por ello se emplea el nº de cavitación local:

6 CAVITACIÓN

2

0

0

2

1v

prghgp

q

pp vavL

se supone la pala en posiciónvertical hacia arriba, puesto que es el casoen el que más probabilidad hay de queaparezca cavitación. Se suele estudiar lassecciones de 0.7r, debido a que son lasque más suministran empuje.

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e6/Cavitation_Propeller_Damage.JPG


6.4 Influencia de la relación Área-disco.

25

;

La fuerza total desarrollada por el perfil es la suma de los elementos de área en ambascaras. Para evitar los picos del número de cavitación se puede repartir dicha área en secciones demayor cuerda.

6 CAVITACIÓN


.

26

;

Aquellos perfiles que tengan una distribución de presiones más uniformes a lo largo de lacuerda, serán menos propensos a cavitar.

Por ello los perfiles de dorso en arco de círculo, cavitan menos que los de ala de avión,aunque éstos tienen mejor rendimiento hidrodinámico

6 CAVITACIÓN6.4 Influencia de la relación Área-disco


.

27

;

Es aconsejable hacer perfiles de arco decírculo hacia los extremos, donde puede aparecermás fácilmente la cavitación.

Otra característica es proyectar los perfilesde manera que el flujo ataque el perfil de formatangente a la línea media, condición llamadaentrada libre de choque.

6 CAVITACIÓN6.4 Influencia de la relación Área-disco


6.5 Tipos de cavitación.

28

;

1. Cara de presión. Con hélices poco cargadas, el ángulo de ataque puede llegar a ser negativo,efecto ligado a reparto de velocidades poco uniformes. En estas condiciones, se produce unpico de depresiones en la cara de presión que puede dar como consecuencia cavitación.

2. Cavitación torbellino de punta de pala. Con hélice más cargadas, puede suceder que enlas zonas de más velocidad, extremos de la pala, empieza a cavitar, primero de formaintermitente (torbellino fluctuante) y luego fijo (torbellino fijo).

3. Cavitación burbuja. El explicado en la introducción.

4. Cavitación nube. En hélices muy cargadas o mal diseñada aparece en una gran superficie dela pala una neblina. Es la más peligrosa.

5. Cavitación mancha. Es un tipo de lámina pero situada en las imperfecciones de la hélice.

6. Cavitación pluma. Igual que la mancha pero en vez de puntos aislados, aparecen estríasparalelas.

6 CAVITACIÓN


6.5 Tipos de cavitación.

29

;

6 CAVITACIÓN


Vimos que:

El nº de Reynolds, podía despreciarse, y el nº de Froude también si la hélice está losuficientemente sumergida, pero el coeficiente presión, si la hélice cavita, no, por tanto:

Con objeto de realizar los ensayos con hélices cavitantes:

Esta condición es lo mismo que hacer igual el nº de cavitación:

Recordando:

h, r y el denominador puede ser reconstruido a escala, pero no las presiones, por lo que:

6.6 Túneles de cavitación.

30

;

6 CAVITACIÓN

pnnT cJFRFc ,,,

pT cJFc ,

buquepelopbuqueelo ccJJ modmod

buqueelomod

22 22

1rnv

prghgp

A

vaL


Vimos que:

El nº de Reynolds, podía despreciarse, y el nº de Froude también si la hélice está losuficientemente sumergida, pero el coeficiente presión, si la hélice cavita, no, por tanto:

Con objeto de realizar los ensayos con hélices cavitantes:

Esta condición es lo mismo que hacer igual el nº de cavitación:

Recordando:

h, r y el denominador puede ser reconstruido a escala, pero no las presiones, por lo quesustituyendo los valores del nº local de cavitación en el buque y modelo, nos da que el nº delmodelo es mucho mayor que el del buque, es decir las hélices en los modelos no caviten


31

;

6 CAVITACIÓN

pnnT cJFRFc ,,,

pT cJFc ,

buquepelopbuqueelo ccJJ modmod

buqueelomod

22 22

1rnv

prghgp

A

vaL



32

;

6 CAVITACIÓN


Los ensayos que se realizan en los túneles de cavitación son:

1. Visualización: se ilumina la hélice con una lámpara estroboscópica, para sincronizarla con lasrevoluciones del motor, con lo que se puede observar cualquier punto de la hélice.

2. Propulsor aislado: se realizan los mismo ensayos vistos en el propulsor aislado pero una vezque hemos igualado los nº de cavitación local del buque y del modelo, pudiendo observar losvalores de kT y kQ como disminuyen al cavitar la hélice.

3. Incepción de cavitación: se fija J, y se va variando σ,

hasta que aparece cavitación, con esto se realizan

curvas donde se observa los valores de J

para distintos tipos de cavitación.


33

;

6 CAVITACIÓN

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