Sector técnico.

La invención se refiere a un sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, en el sentido genérico del término como nave acuática flotante.

Técnica anterior.

Conceptos técnicos usados:

Coeficiente de avance J = V _A /nD _P . Siendo V _A la velocidad de avance del propulsor, n el número de revoluciones por segundo de la hélice y D _P el diámetro de la hélice.

Coeficiente de empuje de la hélice Ktp = Tp / p n ² D _P ⁴ , siendo Tp el empuje de la hélice, y p la densidad del agua.

Coeficiente de empuje de la tobera Ktn = Tn / p n ² D _P ⁴ , siendo Tn el empuje de la tobera. Coeficiente de empuje total Ktt = T / p n ² D _P ⁴ , siendo T el empuje total de la hélice y de la tobera juntas.

Coeficiente de par Kq = Q / p n ² D _P ⁵ , siendo Q el par motor.

Rendimiento del propulsor aislado hélice tobera η ₀ = J Ktt / 2 π Kq.

Indice de carga C _T = ( T ) / ( ½ p V _A ^{2 π} / ₄ D _P ² ) = 8 Ktt / π J ²

Condición de navegación libre: cuando se navega con carga exclusivamente interior; en esta condición el índice de carga C _T tiene normalmente un valor comprendido entre 4 y 0.2

Condición de navegación en arrastre o remolque: cuando se navega tirando de una red de pesca o remolcando a otro barco; en este caso la velocidad del barco es muy pequeña con relación al empuje del sistema hélice tobera, el índice de carga C _T tiene un valor alto, superior al valor 4 C _T , normalmente de 15 a 28 C _T ; sólo navegan en esta condición los barcos arrastreros de pesca y los remolcadores, cuando están realizando su trabajo específico.

Se utilizan algunos coeficientes, con el factor D o L para indicar algunas distancias en función del diámetro interior de la tobera D o de la longitud axial de la tobera L. Al multiplicar el coeficiente por el valor concreto en cada caso de D o de L nos da la medida concreta.

En toberas la relación L/D, longitud axial de la tobera dividida por el diámetro interior de la tobera, es una referencia imprescindible.

Codaste: continuación de la quilla del barco por popa.

Para referirse a las distintas secciones coaxiales al eje de giro, de las palas de la hélice, se toma como referencia el radio R de la hélice, así la sección coaxial 0.5R se refiere a la sección coaxial de la pala a la distancia 0.5R del eje de giro de la hélice, la sección coaxial 0.6R se refiere a la sección coaxial de la pala a la distancia 0.6R del eje de giro; la punta de pala está en 1 .OR.

Línea de curvatura media, también llamada línea media "mean line", es la línea definida por los puntos medios entre la superficie superior e inferior de un perfil aerodinámico o hidrodinámico, los extremos de la línea de curvatura media coinciden a efectos prácticos con los bordes de entrada y salida del perfil.

Línea de la cuerda: la recta que une los extremos de la línea media.

Cuerda: tanto en un perfil de ala como en un perfil de tobera, es el segmento de línea recta que une los extremos de la línea de curvatura media, las secciones reales tanto de ala como de tobera son planas, y la cuerda forma parte naturalmente de una línea recta, a la distancia entre ambos extremos de la línea media se le llama longitud de la cuerda; en las palas de una hélice naval es igual, pero para cada sección coaxial al eje de giro cuando se hace una representación de la pala de la hélice en vista extendida "expanded view", determinando así un perfil característico de la pala completa, y procediendo de esta forma con todas las palas de una hélice obtenemos una aproximación a la superficie de la hélice ("área, expanded" según definición de la "International Towing Tank Conference ITTC"). En una pala de una hélice naval, cuando se hace una representación en vista extendida, prácticamente todas las cuerdas de las secciones coaxiales características ( 0.2R, 0.3R, 0.4R,...1 .OR) tienen distinta longitud, desde la raíz a la punta.

La línea de referencia de la pala "blade reference line" es la línea que va desde la raíz de la pala hasta el extremo de la punta de pala donde el radio es máximo, siguiendo una trayectoria que une los puntos de referencia de cada sección de pala, que son el punto medio de la línea de la cuerda en cada sección coaxial; cuando la punta de pala tiene una longitud finita equidistante a una tobera con superficie cilindrica rodeando la hélice, la línea de referencia de la pala termina en el centro de la punta de pala naturalmente. Paso: es lo que avanza teóricamente una hélice en cada revolución completa, si la distribución de paso es uniforme para todas las secciones coaxiales desde la raíz a la punta. De forma general el paso característico de una hélice naval, está referido al de la sección coaxial 0.7R exclusivamente, cuando la distribución de paso no es uniforme, que es la inmensa mayoría.

Distribución de paso "pitch distribution": casi todas las hélices se fabrican con distribución de paso no uniforme a lo largo de todas las secciones coaxiales desde la raíz a la punta, normalmente el paso es menor cuanto más próxima la sección de pala a la raíz y también cuanto más próxima la sección a la punta de pala, suele ser la zona central de las palas las que disponen de mayor paso; de esta forma se distribuye la carga en cada pala, de acuerdo con la aplicación posterior. También se fabrican algunas hélices con el mismo paso en todas las secciones coaxiales desde la raíz a la punta, es una distribución de paso uniforme.

El paso medio, "mean pitch" de acuerdo con "ITTC", es el que correspondería teóricamente a una hélice con paso uniforme para que diera el mismo empuje que otra hélice con distribución de paso no uniforme a lo largo de todas las secciones coaxiales desde la raíz a la punta, cuando se coloca en el mismo flujo. Naturalmente el paso medio, casi siempre va a ser algo superior o algo inferior, al paso correspondiente en la sección coaxial 0.7R, que es la referencia más usada en hélices, con diferencia, para indicar el paso.

Relación de áreas Ae/Ao, Ae se refiere a la superficie total de las palas y Ao se refiere al área del disco de barrido.

Propulsor azimutal: sistema de propulsión azimutal, el conjunto hélice tobera puede girar 360 ^e sobre un eje vertical, con lo cual no hace falta timón.

Hélice abierta: sistema de propulsión que dispone de hélice sin tobera.

Como se sabe desde la década de los años 30, un sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos comprende, una hélice y una tobera que es un conducto en forma de tubo, abierto por ambos extremos; de acuerdo con el sentido de circulación general del agua en marcha avante del barco, la tobera tiene interiormente desde el borde de entrada al borde de salida, primero una superficie convergente, después una superficie que rodea la hélice y por último aguas abajo de la hélice una superficie hasta el borde de salida y naturalmente una superficie exterior desde el borde de entrada al borde de salida; el perfil de la tobera (correspondiente a una sección de la tobera por un plano que contiene el eje de giro de la hélice) presenta desde el borde de entrada al borde de salida mayor longitud periférica interior que exterior; la hélice gira en el interior de la tobera unida a un árbol motor; dicho árbol motor pasa por el interior de un soporte; en la configuración clásica, dicho soporte, está unido al codaste en la popa del barco y la tobera está unida a la popa del barco por medio de soportes rígidos; y en la configuración de propulsión azimutal el conjunto hélice tobera, así como el soporte del árbol de la hélice que está junto, en el sentido de próximo, a la hélice, giran solidariamente 360 ^e sobre un eje vertical.

En la mayoría de las toberas actuales la superficie interior que rodea la hélice es cilindrica, aguas abajo de la hélice la superficie interior suele ser divergente, y la superficie exterior suele ser cónica con mayor radio en la parte anterior, el borde de entrada suele ser redondeado y el borde de salida también suele ser redondeado; delante de la hélice la superficie interior convergente siempre existe en cualquier tobera aceleradora y lo más normal es que sea convexa.

El funcionamiento de los sistemas hélice tobera que se construyen actualmente consiste básicamente en una interacción mutua, la succión de la hélice produce depresión en la superficie interior convergente anterior y esta diferencia de presión con la que tienen el resto de paredes de la tobera origina una fuerza de empuje cuya componente axial empuja a la tobera hacia adelante; este empuje se suma al de la hélice.

Las toberas aceleradoras tienen todas la superficie interior anterior convergente, como se ha dicho antes, el recorrido de las moléculas de agua desde el borde de entrada al borde de salida, es mayor por el interior de la tobera que por la superficie exterior, comportándose dicho perfil como un perfil de ala, y por tanto por la superficie interior se incrementa la velocidad del agua cuando la tobera avanza.

Actualmente para la propulsión de barcos en condición de navegación libre y arrastre, se usa principalmente la tobera 9Α" desarrollada hace varias décadas; la diferencia entre el radio exterior de la tobera y el radio interior de la tobera es igual a 0.10D; la superficie exterior de la tobera Ί 9Α" es cónica con mayor radio en la zona anterior; y de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo anterior de la cuerda del perfil de la tobera, presenta mayor distancia respecto al eje de giro de la hélice, que el extremo posterior de dicha cuerda. Los barcos arrastreros utilizan tanto la condición de navegación libre para sus desplazamientos a los lugares de pesca como la condición de arrastre para su faena específica y es por este motivo que muchos utilizan la tobera 9Α"; en condición de arrastre o tiro el coeficiente de avance J es muy bajo y el coeficiente de empuje total Ktt es muy alto, así como el coeficiente de par Kq también es muy alto.

Las toberas "HR" y "Rice speed" que se usan mucho actualmente, tienen una diferencia entre radio exterior y radio interior superior a 0.11 D y su superficie exterior no es cónica. En la condición de arrastre o remolque, del barco, es cuando los sistemas hélice tobera que se usan actualmente dan el mayor rendimiento respecto a los sistemas con hélice abierta y la diferencia es alta. En condición de navegación libre los sistemas hélice tobera actuales solo dan más rendimiento respecto a las hélices abiertas para índices de carga moderados 4 - 1 C _T y la diferencia es pequeña.

Actualmente los barcos que navegan con pequeño índice de carga, normalmente por debajo del valor 1 C _T no usan toberas, sino que usan hélice abierta.

Referencias documentales: ES2385994A1 publicada el 06/08/2012, de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo posterior de la cuerda del perfil de la tobera, presenta mayor distancia respecto al eje de giro de la hélice, que el extremo anterior de dicha cuerda y la superficie exterior de la tobera es cilindrica. Su finalidad es incrementar el rendimiento.

WO2013178837 y WO2013178853, publicados el 05/12/2013, con prioridad del documento anterior; el conjunto de características de los tres documentos citados anteriormente son muy similares, así como la realización preferida, con los mismos dibujos.

Se ha ensayado el propulsor aislado, hélice más tobera, en canal de ensayos hidrodinámicos, con modelo a escala y se ha comprobado que da mayor rendimiento en los coeficientes de avance J altos; sobre 0.65 J a 0.75 J se alcanza una diferencia apreciable de rendimiento, respecto a la misma hélice más tobera 19A, también con modelo a escala. No se han realizado ensayos de autopropulsión con modelo, ni tampoco se han realizado ensayos a escala real.

Los ensayos del propulsor aislado, realizados por encargo de Invesdinamic S. L. con una tobera fabricada con coordenadas que se corresponden con los dibujos y reivindicaciones de los tres documentos citados, en el Canal de Experiencias Hidrodinámicas de El Pardo CEHIPAR, miembro de "ITTC" (ensayo n ^e 19073, hélice n ^e 2397 y tobera n ^e 154), dan los siguientes resultados para el modelo (sin extrapolar al buque), siendo la relación L/D 0.4970, con una hélice tipo Kaplan de cuatro palas, relación Paso a 0,7R/Diámetro H/D 1 .14 y con relación de áreas Ae/Ao con valor 0.60 (Ka4-60)

J Ktp Ktn Ktt 10Kq ο

0.00

0.05

0.1 0.3258 0.2416 0.5674 0.601 0.15

0.15 0.3172 0.22 0.5372 0.5871 0.218

0.2 0.3073 0.1992 0.5065 0.571 0.282

0.25 0.296 0.1792 0.4752 0.5528 0.342

0.3 0.2835 0.1598 0.4433 0.5325 0.397

0.35 0.2697 0.1412 0.4109 0.5101 0.449

0.4 0.2546 0.1233 0.3779 0.4855 0.496

0.45 0.2382 0.1062 0.3444 0.4589 0.537

0.5 0.2205 0.0898 0.3103 0.4301 0.574

0.55 0.2015 0.0742 0.2757 0.3992 0.605

0.6 0.1813 0.0592 0.2405 0.3662 0.627

0.65 0.1597 0.0452 0.2049 0.331 0.64

0.7 0.137 0.0316 0.1686 0.2938 0.639

0.75 0.1129 0.019 0.1319 0.2545 0.619

0.8 0.0876 0.007 0.0946 0.213 0.565

0.85 0.061 -0.0042 0.0568 0.1695 0.453

0.9 0.0332 -0.0147 0.0185 0.1238 0.214

0.95

Para la tobera 19 A, H/D 1.14, Ka4-55: J Ktp 19A Ktn 19A Ktt 19A 10Kq 19A ηο 19A

0

0,05

0,1 0,298 0,259 0,558 0,5686 0,156

0,15 0,296 0,233 0,528 0,562 0,224

0,2 0,292 0,208 0,5 0,5551 0,287

0,25 0,288 0,184 0,472 0,5477 0,343

0,3 0,283 0,162 0,445 0,5393 0,394

0,35 0,276 0,142 0,418 0,5296 0,44

0,4 0,269 0,122 0,391 0,5182 0,48

0,45 0,26 0,104 0,364 0,5049 0,516

0,5 0,25 0,086 0,337 0,4893 0,547

0,55 0,239 0,069 0,308 0,4712 0,572

0,6 0,226 0,052 0,279 0,4504 0,591

0,65 0,212 0,036 0,248 0,4258 0,6

0,7 0,196 0,018 0,215 0,4002 0,597

0,75 0,178 0,001 0,179 0,3708 0,577

0,8 0,159 -0,018 0,141 0,3385 0,531

0,85 0,138 -0,038 0,1 0,3037 0,447

0,9 0,116 -0,06 0,056 0,2666 0,302

0,95 0,092 -0,083 0,009 0,2276 0,058

Para la tobera 19A, H/D 1.14, Ka4-70:

J Ktp 19A Ktn 19A Ktt 19A 10Kq 19A ηο 19A

U

0,05

0,1 0,307 0,271 0,578 0,5912 0,156

0,15 0,305 0,243 0,548 0,5864 0,223

0,2 0,302 0,216 0,518 0,5798 0,285

0,25 0,298 0,192 0,49 0,5714 0,341

0,3 0,293 0,168 0,461 0,5611 0,393

0,35 0,287 0,147 0,433 0,5488 0,44

0,4 0,279 0,126 0,405 0,5346 0,482

0,45 0,269 0,107 0,376 0,5182 0,52

0,5 0,258 0,088 0,346 0,4996 0,552

0,55 0,246 0,07 0,316 0,4787 0,577

0,6 0,231 0,053 0,284 0,4555 0,595

0,65 0,215 0,035 0,25 0,4297 0,602

0,7 0,197 0,017 0,214 0,4012 0,595

0,75 0,178 -0,002 0,176 0,3699 0,568

0,8 0,157 -0,021 0,136 0,3356 0,515

0,85 0,134 -0,042 0,092 0,2982 0,419

0,9 0,109 -0,063 0,046 0,2574 0,255

0,95

Los datos experimentales de la tobera 19A han sido tomados del programa que se adquiere junto con el Siguiente libro, Título: "The Wageningen Propeller Series", ISBN: 90-900 7247-0, Autor G. Kuiper, Editado por: MARIN Maritime Research Institute Netherlands, Primera edición, Lugar de edición: Holanda, Año de publicación 1992.

MARIN no tiene ensayos para Ka4-60 en dicho programa, habiéndose elegido las relaciones de áreas Ae/Ao más próximas por debajo y por encima del valor 0.60, es decir los valores 0.55 y 0.70, siendo todas las hélices tipo Kaplan de cuatro palas.

A 0.65 J se alcanza el máximo rendimiento 0.64 η ₀ frente a 0.6 η ₀ y 0.602 η ₀ con la tobera 9Α" también con el máximo rendimiento. Los resultados del ensayo con modelo a escala de la tobera 19A con la hélice n ^e 2397 Ka4-60 están publicados en "Second International Symposium on Marine Propulsors smp'11 , Hamburg, Germany, June 2011 " "RANSE Code Application for Ducted and Endplate Propellers in Open Water" CEHIPAR. En la figura 14 los valores experimentales del rendimiento ETAO (η ₀ ) pasan por el centro del símbolo, en este caso triángulos. La diferencia de rendimiento en los valores altos del coeficiente de avance hasta 0.8 J, entre ambos ensayos citados del CEHIPAR es apreciable. Publicación permanente en www.marinepropulsors.com

La diferencia de rendimiento con la hélice abierta, con índices de carga moderados en condición de navegación libre, sigue siendo pequeña.

WO0027697A1 publicada 18/05/2000, de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo anterior de la cuerda del perfil de la tobera, presenta mayor distancia respecto al eje de giro de la hélice, que el extremo posterior de dicha cuerda como en la tobera 9Α" y la superficie exterior de la tobera es cónica, con mayor radio en la parte anterior, similar a la superficie exterior de la tobera 9Α" también. El diámetro de la superficie externa en su extremo anterior es entre 1 .20 y 1 .30 veces el diámetro de la hélice (reivindicación n ^e 7); la holgura entre hélice y tobera es siempre lo menor posible, lo suficiente para que no roce la hélice en la tobera. Tiene como finalidad incrementar la eficacia de propulsión, y se incrementa un 4% según el documento, aunque no especifica en qué condición de navegación, libre, arrastre, ni con qué sistema hélice tobera se comparó en su momento; tampoco especifica la empresa o institución donde se ha ensayado.

US4832633A publicada 23/05/1989, con prioridad del Reino Unido 30/11 /1977, la superficie exterior de la tobera es en gran parte cónica, y de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo anterior de la cuerda del perfil de la tobera, presenta mayor distancia respecto al eje de giro de la hélice, que el extremo posterior de dicha cuerda; no hace ninguna referencia escrita en resumen, descripción o reivindicaciones, respecto a las dimensiones de la tobera; ni tampoco hace ninguna referencia a si la figura está hecha a escala, por lo cual debe suponerse que las dimensiones de los elementos representados en la figura son aleatorias y por tanto no representativas.

JP2006306304A publicada 09/11 /2006

US4789302A publicada 06/12/1988

US5799394A publicada 01/09/1998

DE4325290A1 publicada 02/02/1995 W08911998A1 publicada 14/12/1989

US2139594A publicada 06/12/1938

El problema técnico que existe actualmente es el bajo rendimiento de los sistemas hélice tobera para barcos, en condición de navegación libre principalmente y también en condición de arrastre o remolque porque es deseable incrementar el rendimiento para ahorrar combustible.

El esfuerzo por conseguir mayor rendimiento en los sistemas hélice tobera, ha sido constante por parte de todos los investigadores y grupos de investigación tanto de empresas como de universidades, sobre todo a partir de la crisis del petróleo del año 1973 hasta la actualidad, en todos los segmentos de mercado.

La ventaja técnica que aporta esta invención radica en conseguir un empuje muy elevado con relación al par motor empleado, por lo cual se consigue un importante incremento de rendimiento del sistema hélice tobera, tanto en la condición de navegación libre principalmente como en la condición de arrastre o remolque.

Divulgación de la invención.

El problema técnico planteado anteriormente se soluciona con el uso de un sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, que comprende:

Una hélice, una tobera alrededor de la hélice, estando la hélice configurada para girar dentro de la tobera, y la tobera es fija respecto al soporte del árbol de la hélice que está próximo a dicha hélice (naturalmente un barco puede llevar uno o más sistemas hélice tobera).

De acuerdo con la invención, la diferencia entre el radio exterior de la tobera y el radio interior de la tobera está comprendida entre 0.050D y 0.076D, siendo D el diámetro interior de la tobera; de acuerdo con el sentido general de circulación del agua en marcha avante del barco, el extremo anterior de la cuerda del perfil axial de la tobera, presenta mayor distancia respecto al eje de giro de la hélice, que el extremo posterior de dicha cuerda; y el extremo posterior del borde de salida de la tobera está situado a una distancia inferior a 0.042D del radio interior de la tobera

(índices de carga 4-1 C _T es lo más usual en navegación libre con toberas; se combina la característica de una tobera con pequeña diferencia de radio exterior menos radio interior, con una característica de la tobera 9Α" o de cualquiera de los documentos WO0027697A1 , US4832633A, JP2006306304A, US4789302A, US5799394A, DE4325290A1 , W08911998A1 o US2139594A que consiste en que la cuerda del perfil presenta mayor distancia, respecto al eje de giro de la hélice, en su extremo anterior que en el posterior; precisamente la característica que excluye implícitamente el documento ES2385994A1 en las reivindicaciones y en la realización preferida, y también los documentos WO2013178837 y WO2013178853 que tienen como prioritario el anterior, y además con el extremo posterior del borde de salida de la tobera situado a una distancia inferior a 0.042D del radio interior de la tobera; una combinación contraria a la lógica a partir de los documentos citados y de los resultados de los ensayos, donde se ha usado una tobera con el extremo anterior de la cuerda, a menor distancia del eje de giro de la hélice que el extremo posterior, y el extremo posterior del borde de salida a 0.063D del radio interior de la tobera; con la combinación de las tres características anteriores, más el resto indicadas antes, se consigue incrementar el coeficiente de empuje de la hélice Ktp y el coeficiente de empuje de la tobera Ktn de una forma muy considerable, para los coeficientes de avance J medios y sobre todo los altos, respecto a todos los documentos citados y a la tobera 9Α"; por todo lo anterior, se incrementa mucho el rendimiento del propulsor aislado hélice tobera η ₀ para los valores altos del coeficiente de avance J principalmente, correspondientes a navegación libre, que se corresponden con índices de carga C _T moderadamente bajos, y que es precisamente donde los sistemas hélice tobera que se usan actualmente tienen un rendimiento muy bajo; la combinación de todas las características indicadas anteriormente crea sinergia, siendo muy trascendente la referida a la situación del extremo posterior del borde de salida, en combinación con el resto).

De acuerdo con una primera realización de la invención, la diferencia entre el radio exterior de la tobera y el radio interior de la tobera está comprendida entre 0.050D y 0.070D

Preferiblemente de acuerdo con la primera realización, la diferencia entre el radio exterior de la tobera y el radio interior de la tobera está comprendida entre 0.050D y 0.065D

De acuerdo con una segunda realización, el espesor máximo del perfil axial de la tobera, en sentido radial desde el eje de giro de la hélice, está comprendido entre 0.059D y 0.039D De acuerdo con una tercera realización, la hélice tiene de tres a siete palas. De acuerdo con una cuarta realización, la mayor longitud de cuerda de cada pala de la hélice se encuentra a partir de la sección coaxial 0.6R hacia la punta de pala, o dicho de otra forma, la mayor longitud de cuerda de cada pala de la hélice se encuentra en una, en varias o en todas las secciones coaxiales desde la sección coaxial 0.6R a la punta de pala, incluidas la sección 0.6R y la punta de pala, siendo R la distancia entre el eje de giro de la hélice y la punta de pala.

Preferiblemente de acuerdo con la cuarta realización, la mayor longitud de cuerda de cada pala de la hélice se encuentra en la punta de pala.

De acuerdo con una quinta realización, en las palas de la hélice se alcanza el mayor paso a partir de la sección coaxial 0.6R hacia la punta de pala, con independencia de que también se alcance en las secciones coaxiales inferiores a 0.6R, o dicho de otra forma, el mayor paso se alcanza en una, en varias o en todas las secciones coaxiales desde 0.6R a la punta de pala, contando esta sección 0.6R y la punta de pala, y también se puede alcanzar el mayor paso en la misma pala en una, en varias o en todas las secciones coaxiales inferiores a 0.6R. Por lo tanto el paso en las secciones inferiores a 0.6R es inferior o igual al mayor a partir de 0.6R, pero nunca mayor.

De acuerdo con una sexta realización, la relación L/D está comprendida entre 0.37 y 1 .00 siendo L la longitud axial de la tobera (4).

De acuerdo con una séptima realización, el extremo posterior del borde de salida de la tobera está situado a una distancia inferior a 0.020D del radio interior de la tobera.

De acuerdo con una octava realización, el espesor en sentido radial desde el eje de giro de la hélice, del perfil axial de la tobera, es variable desde el borde de entrada al borde de salida, en más del 55% de la longitud de dicho perfil.

De acuerdo con una novena realización, considerando el sentido de circulación general del agua en marcha avante del barco, la superficie interior convergente de la tobera es convexa, y la superficie interior de la tobera que rodea la hélice es cilindrica con el menor radio interior de la tobera; la superficie exterior de la tobera es cónica, con mayor radio respecto al eje de giro de la hélice, en la zona anterior próxima al borde de entrada que en la zona posterior próxima al borde de salida; la superficie interior convergente de la parte anterior de la tobera se une a la superficie exterior de la tobera por medio de una superficie toroidal, con circunferencia como generatriz, formando el borde de entrada de agua en la tobera; y la superficie interior de la parte posterior de la tobera aguas abajo de la hélice y la superficie exterior de la tobera se unen también por medio de una superficie toroidal, formando el borde de salida de la tobera.

De acuerdo con una décima realización, la superficie interior de la parte posterior de la tobera, aguas abajo de la hélice, es cilindrica hasta el borde de salida, con un radio igual al radio interior de la tobera.

De acuerdo con una undécima realización, la superficie interior de la parte posterior de la tobera, aguas abajo de la hélice, es divergente hasta el borde de salida.

De acuerdo con una duodécima realización preferida, las coordenadas del perfil de la tobera son las siguientes:

Queda establecido el valor de las abscisas en 100X/L tomando los valores de X a partir del borde de entrada; 100WL para el valor de las ordenadas interiores; y 100Yo/L para el valor de las ordenadas exteriores. Lo indicado con la expresión "línea recta", "straight line" o simplemente "s" en las ordenadas exteriores, de acuerdo con la nomenclatura ordinaria en coordenadas de toberas, significa que el punto de la ordenada 12.8158 se une al punto de la ordenada 2.5660 con un segmento, que naturalmente está en una línea recta.

100X/L 100 WL 100YO/L

0.000 10.7648 10.7648

2.051 8.1527 12.8158

4.615 6.7280 línea recta

7.179 5.5407

9.743 4.5908

12.307 3.7201

14.871 2.9286

17.435 2.2162

20.000 1 .5830

22.564 1 .0289

25.128 0.6332

27.692 0.3166

32.820 0.0000

98.717 0.0000 2.5660

100.000 1 .2830 1 .2830

El centro de giro del radio de la circunferencia generadora de la superficie toroidal del borde de entrada, queda establecido en abscisa 100X/L = 2.051 y ordenada 100Y/L =

10.7648; la longitud del radio tiene el mismo valor que la abscisa.

El centro de giro del radio de la circunferencia generadora de la superficie toroidal del borde de salida, queda establecido en abscisa 100X/L = 98.717 y ordenada 100Y/L =

1 .2830; la longitud del radio tiene el mismo valor que la última ordenada.

La línea de referencia de la pala "blade reference line", en punta de cada pala de la hélice, está en abscisa 100X/L = 45.8974

La relación L/D = 0.4970

Este sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos, forma parte de un barco, con motor que está unido e imparte movimiento de giro al árbol de la hélice.

Este sistema hélice tobera propuesto, tiene la ventaja de incrementar el rendimiento de propulsión, por incremento del empuje de la tobera para el mismo par motor aplicado a la hélice mediante el árbol motor, y por tanto disminuir en la misma proporción el consumo de combustible, para barcos, principalmente en condición de navegación libre; también se incrementa el rendimiento aunque en menor medida en la condición de arrastre o remolque. Este sistema hélice tobera puede aplicarse tanto en sistemas de propulsión convencional como en sistemas de propulsión azimutal.

La invención también se refiere a un barco, que comprende un motor unido a un árbol para impartir movimiento de giro a una hélice dentro de una tobera, según han sido definidas en lo anterior.

Breve descripción de los dibujos.

A continuación se pasa a describir una serie de dibujos de una realización que ayudan a comprender mejor la invención y que se presentan como ejemplo ilustrativo y no limitativo de esta.

La figura 1 , es una representación del perfil de la tobera, que se corresponde con las coordenadas indicadas anteriormente.

La figura 2, es una representación esquemática del perfil de la tobera con representación del plano de barrido de la hélice y otros detalles.

La figura 3, es una representación esquemática de un detalle ampliado de la parte anterior del perfil de la tobera.

La figura 4, es una representación esquemática del conjunto hélice, tobera y soportes de tobera, en vista desde aguas abajo.

La figura 5, es una representación esquemática del sistema hélice tobera, en corte vertical de la tobera por un plano que contiene el eje de giro de la hélice; y en vista se representan la hélice con las palas y el núcleo (cubo), el soporte posterior del árbol de la hélice, el codaste, un soporte de la tobera y el timón; formando parte de un barco, para que puedan apreciarse bien los detalles del conjunto.

La figura 6, es una representación del perfil de la tobera "19A".

Mejor manera de realizar la invención.

En la figura 1 se observa la parte anterior 1 de la tobera propuesta, la parte central 2 de la tobera y la parte posterior 3 de la tobera; la tobera 4, el borde de entrada 5 de la tobera en el agua y el borde de salida 6 de la tobera, observándose cómo las paredes interiores son convexas convergentes en el sentido del flujo en la parte anterior 1 , y a continuación recta y por tanto cilindrica la superficie de la parte central 2 y de la parte posterior 3 hasta el borde de salida; en esta figura se observa cómo la línea exterior del perfil es recta y por tanto la superficie exterior 8 de la tobera es cónica; también se observa el radio interior Ri de la tobera, el radio exterior Ro de la tobera y su diferencia S de 0.063D para L/D igual a 0.4970, así como el eje de giro 7 de la hélice, que en este caso concreto coincide con el eje de simetría de la tobera, por ser la tobera simétrica en esta realización. Y también se observa la cuerda C del perfil de la tobera.

En la figura 2, se observa el perfil de la tobera; el plano de barrido 9 del centro de las puntas de pala de la hélice perpendicular al eje de giro de la hélice; la línea de referencia de la pala, en el centro de cada punta de pala de la hélice, está en abscisa 100X/L = 45.8974, por lo tanto la longitud axial H del plano de barrido al extremo anterior del borde de entrada es menor que la distancia axial E del plano de barrido al extremo posterior del borde de salida.

En la figura 3 se observa la flecha G que indica la dirección y sentido de las moléculas de agua en la proximidad del borde de entrada de la tobera, para un índice de carga C _T moderadamente bajo; la línea discontinua de trazos largos paralela al eje de giro de la hélice, como referencia para apreciar la dirección de la flecha; y también se observa el radio r de la circunferencia que genera la superficie toroidal del borde de entrada, teniendo como eje de rotación el eje de simetría de la tobera; dicho radio r de la circunferencia tiene un valor de 0.01019D y naturalmente el borde de entrada de la tobera completa, tiene superficie toroidal.

En la figura 4, se observa la hélice 10 con cuatro palas, las puntas de pala en forma de arco equidistantes a la superficie interior cilindrica de la tobera, el sentido de giro de las palas indicado por flecha, el núcleo de la hélice, y los soportes 11 de la tobera 4 que unen de forma fija la tobera a la popa del barco, no representado en esta figura.

En la figura 5, se observa la tobera 4 en corte vertical axial, y en vista la hélice 10 con sus palas, el timón 12, uno de los dos soportes 11 de la tobera, y el codaste 13 que pertenece al barco. El núcleo de la hélice (parte central de la hélice) está unido al árbol y este al motor del barco. El árbol motor pasa por el interior de un soporte 14, en la popa del casco. De acuerdo con el sistema hélice tobera, la hélice al girar origina menor presión estática delante creando depresión en la superficie interior convergente, la diferencia de presiones con el resto de paredes, crea una componente axial que empuja a la tobera hacia adelante y esta al barco a través de los soportes que la unen a la popa del barco. Tanto la hélice como la tobera empujan al barco. El sistema hélice tobera forma parte del barco.

En la figura 6, se observa cómo en la tobera "19A" la diferencia S entre radio exterior de la tobera y radio interior de la tobera es mayor, que la diferencia S en la tobera propuesta de la figura 1 , pues ambas figuras están realizadas a escala. La relación L/D de la tobera Ί 9Α" vale 0.50. También se observa el eje de giro 7 de la hélice que coincide en este caso con el eje de simetría de la tobera. Aplicación industrial.

Esta invención tiene aplicación industrial en la industria naval.