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 = VpJnDp. Siendo VA 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 DP 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 DP ⁴ , siendo T el empuje total de la hélice y de la tobera juntas.

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

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

Indice de carga CT = 8 Ktt / π J ²

Condición de navegación libre: cuando se navega con carga exclusivamente interior; en esta condición el índice de carga CT 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 CT tiene un valor alto, superior al valor 4 CT, normalmente de 15 a 28 CT; 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 en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice D o de la longitud axial de la tobera L, siendo en este documento el radio interior de la tobera la mitad del diámetro D indicado antes, es decir, medido en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice, pues hay toberas (desaceleradoras) donde el diámetro interior en el borde de salida es inferior al diámetro interior en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice; naturalmente hay que precisar para no dar lugar a equívocos. Segmento: parte de una recta comprendida entre dos puntos.

Relación L/D, longitud axial de la tobera dividida por el diámetro interior de la tobera en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice.

Codaste: continuación de la quilla del barco por popa.

Como separador entre la parte decimal y la parte entera en expresiones escritas en cifras, se usa el punto.

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 0.90R se refiere a la sección coaxial de la pala a la distancia 0.90R del eje de giro de la hélice; la sección coaxial LOOR está en la punta de pala. En tobera se usan hélices tipo

Kaplan, que son hélices de palas fijas ("FPP") cuya sección coaxial LOOR en punta de pala, tiene forma de arco que equidista en toda su longitud coaxial de las paredes interiores cilindricas de la tobera; y también se usan hélices de palas orientables ("CPP") en tobera, cuya sección coaxial LOOR es muy reducida en extensión, para permitir el giro radial de la pala, para cambiar el paso. Las secciones coaxiales de pala a un determinado radio, se obtienen como es obvio, por el supuesto corte de un cilindro que tiene como eje de simetría el eje de giro de la hélice y como radio interior el que se elija, si se elige el valor 0.9R, las palas presentan una sección coaxial determinada de muy pequeño espesor por estar cerca de las puntas. La sección coaxial 0.9R cuando se representa extendida en un plano presenta un perfil que es prácticamente siempre ojival ("ogival section" según definición de la "International Towing Tank Conference ITTC") en palas para tobera en las secciones próximas a la punta, pues este tipo de perfil es el menos propenso a la cavitación, lo cual es muy importante en hélices en tobera.

Línea de curvatura media, también llamada línea media "mean line", es la línea definida por los puntos medios entre las superficies de uno y otro lado 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 una sección coaxial de pala de hélice sucede lo mismo, pero hay que representarla extendida en un plano previamente, para hablar con propiedad de cuerda del perfil y que naturalmente tiene mayor longitud que el segmento de línea recta que une los extremos de la misma sección coaxial en la pala real, son por tanto dos conceptos distintos.

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.

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 direccional o acimutal: sistema de propulsión acimutal, el conjunto hélice tobera puede girar 360° sobre un eje sustancialmente vertical, con lo cual no hace falta timón ni invertir el sentido de giro de la hélice para marcha atrás. El agua siempre circula en un solo sentido en el interior de la tobera.

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 mercantes, remolcadores y arrastreros 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 corresponde a una sección de la tobera por un plano que contiene el eje de giro de la hélice; 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 cuando se utiliza una sola hélice y una sola tobera, cuando se usa un conjunto hélice tobera a cada lado de la quilla, los soportes del árbol de la hélice son arbotantes y las toberas se unen al casco mediante soportes también; y en la configuración de propulsión direccional o acimutal 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° sobre un eje sustancialmente vertical y el agua siempre circula en un solo sentido en el interior de la tobera, tanto en marcha avante como en marcha atrás.

Puede expresarse con certeza que tanto en la configuración de propulsión clásica como en la direccional o acimutal, la tobera es fija respecto a un plano vertical que contiene el eje de giro de la hélice, como referencia común.

Se han ensayado toberas que están rígidamente unidas a las puntas de las palas de la hélice, girando con ellas "ring propellers", pero el rendimiento es menor que con toberas fijas que naturalmente no giran, separadas por un pequeño espacio (holgura inferior al 0.5% del diámetro interior D de la tobera) de las puntas de las palas de la hélice.

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 en toberas fijas, en toberas direccionales suele ser cilindrica, 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 para barcos de pesca y de transporte y lo 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 de la tobera 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.

Actualmente para la propulsión de barcos en condición de navegación libre y arrastre o remolque, se usa principalmente la tobera aceleradora "19A" desarrollada hace varias décadas por "Maritime Research Institute Netherlands MARIN", que es la referencia mundial más importante desde hace muchas décadas en el desarrollo de hélices y toberas; la longitud axial del perfil de la tobera es de 0.50D (páginas 51 y 53 del 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: Países Bajos, Año de publicación 1992); la distancia entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera es igual a 0, 105D; en el plano del perfil de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, igual al 68% de su longitud total; y el centro de todas las puntas de pala de la hélice, está a una distancia axial del extremo anterior del borde de entrada de la tobera de 0.25D, con lo cual el centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, está a la misma distancia 0.25D, pues en hélices de palas fijas ("FPP") en tobera se usa un perfil de tipo "ojival", lanzamiento axial "rake" de las palas con valor cero y lanzamiento circunferencial "skew"de las palas con valor cero; cuando se usan hélices de palas orientables ("CPP") la distancia viene a ser aproximadamente la misma 0.25D; y la superficie exterior de la tobera "19A" es cónica con mayor radio en la zona anterior.

La distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, a una distancia axial crítica de 0.2281 D aguas arriba del centro de las puntas de pala de la hélice, vale 0.054D muy aproximadamente.

Otros parámetros del sistema hélice tobera "19A" se indican en la descripción de la figura 7.

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 "19A"; 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 coordenadas del perfil "19A" están publicadas en libros y muchos documentos, entre otros, documento citado como D01 (figura 10, página 9) en documento

ES2460815 de fecha 02/01/2014 "VAN GENT, W. and OOSTERVELD, M. V. C:

Ducted Propeller Systems and Energy Saving in International Symposium on Ship Hydrodynamics and Energy Saving, El Pardo, 9 de Septiembre 1983".

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 - 2 CT y la diferencia es pequeña.

Actualmente los barcos que navegan con pequeño índice de carga, normalmente por debajo del valor 2 CT no usan toberas, sino que usan hélice abierta.

Las toberas desaceleradoras tienen otra geometría distinta y generalmente con superficie interior convergente aguas abajo de la hélice, por lo cual el diámetro interior de la tobera en el borde de salida es inferior al diámetro interior de la tobera en el lugar o zona donde está la hélice; el rendimiento es bastante más bajo que el de las toberas aceleradoras; solo se usan para evitar ruido de la hélice a través del agua, en aplicaciones muy específicas que requieran esta cualidad. Otras referencias documentales:

US2030375 publicada 11/02/1936, figuras 8 y 15: la hélice está muy próxima al borde de salida de la tobera

W08911998 publicada 14/12/1989, "DOUBLE NOZZLE" no hace ninguna referencia escrita en resumen, descripción o reivindicaciones, respecto a las dimensiones de la tobera; ni tampoco hace ninguna referencia a si las figuras están hechas a escala o no están hechas a escala, por lo cual debe suponerse que las dimensiones de los elementos aislados, representados en la figura, son aleatorias y por tanto no representativas.

US9097233 publicada el 04/08/2015, figuras 2 y 3.

ES2382354 publicada el 17/02/2010, superficie interior cilindrica de la tobera aguas abajo de la hélice y aguas arriba un tramo importante.

WO0027697 publicada el 18/05/2000, publicada también como ES2237173

US4288223 publicada el 08/09/1981

EP2492185 publicada el 02/04/2014, pretobera para aumentar la eficiencia.

En el libro "Detailed design of ships propellers" Autores: Gonzalo Pérez Gómez y Juan González Adalid, editado por FONDO EDITORIAL DE INGENIERÍA NAVAL. COLEGIO OFICIAL DE INGENIEROS NAVALES. ISBN: 84-921750-3-6 Lugar de edición: Madrid Año de publicación: 1998, en las páginas 281 y 282 se presenta un difusor con forma de conducto corto o tobera para aumentar la eficiencia, en teoría, con las puntas de pala de la hélice en el plano del borde de entrada de la tobera.

Se presenta en figura 9.

En página 309 aparecen las coordenadas del perfil de la tobera 19A.

En la realización preferida en los documentos ES2460815 y WO2015101683 del mismo solicitante, el centro de cada punta de pala de la hélice está, para una relación L/D = 0.4970, a una distancia axial 0.458974L del extremo anterior del borde de entrada de la tobera, que equivale a 0.2281 D (L/D = 0.4970; 100/D = 0.4970; D = 201 ; a 1 L corresponde 0.4970D, a 0.458974L le corresponde 0.2281 D; de acuerdo con las coordenadas de dichos documentos y la relación L/D establecida). Para el resto de posibles realizaciones, con distintas relaciones L/D, de acuerdo con las

reivindicaciones 6 y 8 en ES2460815 y reivindicación 9 en WO2015101683 no se especifica la distancia axial del centro de cada punta de pala respecto al extremo anterior del borde de entrada de la tobera, pues sólo se especifica para la

reivindicación 13 en ES2460815 y para la reivindicación 15 en WO2015101683 (dependientes de las reivindicaciones 1-5 en ES2460815 y 1 , 5, 6, 7 u 8 en

WO2015101683) donde la relación L/D es 0.4970, no para ninguna otra relación L/D; por tanto no está determinada dicha distancia axial entre el centro de puntas de palas y el extremo anterior del borde de entrada de la tobera, para otra relación L/D distinta de 0.4970

Como se ha visto en anteriores documentos mencionados, las palas pueden estar en muy distintas posiciones a lo largo de la tobera, incluso coincidiendo con el borde de entrada de la tobera.

En la reivindicación 12 en ES2460815 y en reivindicación 14 en WO2015101683 se indica que la superficie interior de la tobera aguas abajo de la hélice es divergente. La distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, a una distancia axial crítica de 0.2281 D aguas arriba del centro de las puntas de pala de la hélice, vale 0.053D

Otros parámetros se indican en la descripción de la figura 8.

En el documento ES2385994 B2 publicado el 06/08/2012 y en WO2013178837 publicado el 05/12/2013 del mismo solicitante, el grado de divergencia de las paredes interiores de la tobera aguas abajo de la hélice es altísimo como puede apreciarse.

El problema técnico que existe actualmente es el bajo rendimiento de los sistemas hélice tobera, en condición de navegación libre 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. El objetivo de la presente invención radica en conseguir un coeficiente de empuje total Ktt muy elevado, con relación al coeficiente de par Kq empleado, con lo cual se consigue un importante incremento de rendimiento η ₀ del sistema hélice tobera, tanto en la condición de arrastre o remolque a pequeña velocidad, como en la condición de navegación libre a cualquier velocidad.

DIVULGACIÓN DE LA INVENCIÓN El problema técnico planteado anteriormente de bajo rendimiento del sistema hélice tobera actual, se soluciona con el uso de un nuevo sistema hélice tobera aceleradora para impulsar barcos (naves acuáticas flotantes), estando la hélice configurada para girar dentro de la tobera,

de acuerdo con la invención,

la tobera es fija respecto a un plano vertical que contiene el eje de giro de la hélice; la longitud axial del perfil de la tobera es superior a 0.42D e inferior a 0.80D, siendo D el diámetro interior de la tobera; de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, el extremo anterior de la cuerda del perfil axial de la tobera, presenta mayor radio que el extremo posterior de dicha cuerda, respecto al eje de giro de la hélice; la distancia entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera es inferior a 0.098D; y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, en el plano del perfil axial de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud

0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, superior al 44% de la longitud total de dicho segmento, (la combinación de todas las características origina un comportamiento distinto; en mecánica de fluidos la introducción de un cambio aparentemente sutil o la

combinación de distintos cambios sutiles, produce cambios de comportamiento muy relevantes).

Preferiblemente, la longitud axial del perfil de la tobera es superior a 0.43D e inferior a 0.70D; la distancia entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera es inferior a 0.097D; y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, en el plano del perfil axial de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, superior al 46%.

Más preferiblemente, la longitud axial del perfil de la tobera es superior a 0.44D e inferior a 0.60D; la distancia entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera es inferior a 0.096D; y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, en el plano del perfil axial de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, superior al 50%. Aún más preferiblemente, la longitud axial del perfil de la tobera es superior a 0.45D e inferior a 0.58D; la distancia entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera es inferior a 0.095D; y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, en el plano del perfil axial de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud

0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, superior al 60%.

Más preferible que lo anterior, la longitud axial del perfil de la tobera es superior a 0.46D e inferior a 0.56D; la distancia entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera es inferior a 0.094D; y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, en el plano del perfil axial de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, superior al 65%.

En una realización preferida de la invención, en un plano que contiene el eje de giro de la hélice y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, la distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, es inferior a 0.0500D, a una distancia axial de 0.2281 D aguas arriba del centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, siendo R el radio de las palas de la hélice. Preferiblemente de acuerdo con la realización anterior, la distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, es inferior a 0.0480D, a una distancia axial de 0.2281 D aguas arriba del centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice. Más preferiblemente, la distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, es inferior a 0.0440D, a una distancia axial de 0.2281 D aguas arriba del centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice.

Aún más preferiblemente, la distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, es inferior a 0.0400D, a una distancia axial de 0.2281 D aguas arriba del centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice.

Más preferible que lo anterior, la distancia radial entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, es inferior a 0.0340D, a una distancia axial de 0.2281 D aguas arriba del centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice.

En otra realización, el ángulo que forma la línea recta que une el diámetro máximo del perfil de la tobera con la superficie exterior de la tobera a 0,95L y el eje de rotación de la hélice, es inferir a 8,75°, siendo L la longitud axial del perfil de la tobera.

Preferiblemente de acuerdo con la realización anterior, el ángulo que forma la línea recta que une el diámetro máximo del perfil de la tobera con la superficie exterior de la tobera a 0,95L y el eje de rotación de la hélice, es inferir a 8,50°

Más preferiblemente, el ángulo que forma la línea recta que une el diámetro máximo del perfil de la tobera con la superficie exterior de la tobera a 0,95L y el eje de rotación de la hélice, es inferir a 8,25°

Aún más preferiblemente, el ángulo que forma la línea recta que une el diámetro máximo del perfil de la tobera con la superficie exterior de la tobera a 0,95L y el eje de rotación de la hélice, es inferir a 8,00° Más preferible que lo anterior, el ángulo que forma la línea recta que une el diámetro máximo del perfil de la tobera con la superficie exterior de la tobera a 0,95L y el eje de rotación de la hélice, es inferir a 7,75°

En otra realización, la distancia radial desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera es superior a 0.026D, siendo X el valor de la distancia axial al extremo anterior del borde de entrada del perfil de la tobera en marcha avante y siendo L la longitud axial del perfil de la tobera.

Preferiblemente de acuerdo con la realización anterior, la distancia radial desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera es superior a 0.030D

Más preferiblemente, la distancia radial desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera es superior a 0.035D

Aún más preferiblemente, la distancia radial desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera es superior a 0.040D

Más preferible que lo anterior, la distancia radial desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera es superior a 0.042D En otra realización, en un plano que contiene el eje de giro de la hélice y de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, el centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, está dentro de la tobera a una distancia axial del extremo anterior del borde de entrada de la tobera, mayor de 0.23359D e inferior de 0.40000D

En otra realización, el extremo anterior del borde de entrada de la tobera es una superficie sustancialmente plana, con una distancia entre el radio interior y el exterior de dicha superficie, superior a 0,01 D En otra realización, considerando el sentido de circulación general del agua en marcha avante, aguas abajo de la hélice, la superficie interior de la tobera hasta el borde de salida es divergente.

Preferiblemente de acuerdo con la realización anterior, aguas abajo de la hélice, la superficie interior de la tobera presenta superficie cónica. En otra realización, de acuerdo con la dirección y el sentido general del agua en marcha avante, el borde de salida de la tobera es sustancialmente romo.

En otra realización, considerando el sentido de circulación general del agua en marcha avante, la superficie interior convergente de la tobera aguas arriba de la hélice es convexa; y toda o parte de la superficie interior de la tobera que rodea la hélice es cilindrica.

En otra realización, 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; 100 L para el valor de las ordenadas interiores; y 100Yu/L para el valor de las ordenadas exteriores.

100X/L 100 Yi/L 100YU/L

0.000 10.950 16.000

2.083 7.605 16.946

5.807 5.377 16.946

9.532 3.900 línea recta

13.257 2.800 "

16.981 1.977 "

20.706 1.300 "

24.431 0.763 "

28.155 0.370 "

31.880 0.111 "

36.874 0.000 "

50.000 0.000 "

60.000 0.000 "

70.000 línea recta "

80.000 " "

90.000 " "

98.000 1.300 5.400

100.000 3.300 3.300 el centro de giro del radio de la circunferencia generadora de la superficie toroidal del borde de entrada, queda establecido en abscisa 100X/L = 2.083 y ordenada 100Y/L = 10.950 ; 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 = 98.000 y ordenada 100Y/L= 3.300; la longitud axial de la tobera es 0.50D; y el centro del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, está dentro de la tobera a una distancia axial del extremo anterior del borde de entrada de la tobera, con valor 0.25D

En otra realización, la tobera es fija respecto al casco del barco (funcionando la tobera con el agua circulando en un sentido en marcha avante y en el contrario en marcha atrás, respecto a la tobera).

En otra realización, la tobera forma parte de un propulsor direccional, también denominado acimutal (funcionando la tobera con el agua circulando siempre en un mismo sentido respecto a la tobera, en marcha avante y en marcha atrás).

Este sistema hélice tobera 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, por incremento del empuje total de hélice más tobera, para el mismo par motor aplicado a la hélice, y por tanto disminuir en la misma proporción el consumo de combustible, para barcos, en condición de arrastre o remolque a pequeña velocidad; y en condición de navegación libre a cualquier velocidad, se aumenta bastante el rendimiento.

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

En una realización de este otro aspecto de la invención, el barco tiene de dos a diez sistemas hélice tobera.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1 , es una representación esquemática del perfil de una tobera aceleradora fija respecto al casco del barco, en un plano que contiene el eje de giro de la hélice, y que se corresponde con las coordenadas indicadas anteriormente para el perfil de la tobera; también se representa parte de una pala de la hélice.

La figura 2, es una representación esquemática de la parte anterior del perfil de la tobera, para representar otros parámetros.

La figura 3, es una representación esquemática del conjunto hélice de palas fijas, tobera y soportes de tobera, en vista desde aguas abajo, en marcha avante.

La figura 4, es una representación esquemática del sistema hélice tobera aceleradora, 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 5, es una representación del perfil de la tobera en corte por un plano que contiene el eje de giro de la hélice, con una distribución estructural interior adecuada para obtener rigidez, ligereza y ahorro de material. El perfil de tobera utilizado en todas las figuras de la 1 a la 5, es el definido por las coordenadas indicadas antes.

La figura 6, es una representación de un perfil de pala de tipo ojival.

La figura 7, es una representación esquemática con el perfil de la tobera "19A" que como se ha indicado pertenece al estado de la técnica.

La figura 8, es una representación esquemática con el perfil de la tobera del documento ES2460815 perteneciente al estado de la técnica.

La figura 9, es una representación de la figura 8.17 que aparece en la página 282 del libro "Detailed design of ships propellers" mencionado antes y que perteneciente al estado de la técnica.

MEJOR MANERA DE REALIZAR LA INVENCIÓN

En la figura 1 se representa la tobera 1 fija respecto al casco del barco; una pala 2 de la hélice con su borde de entrada 10 y su borde de salida 11 , presentando su cara de presión 12; la línea discontinua 4 que representa el plano perpendicular al eje de giro 9 de la hélice y sobre el cual gira el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice; también se observa el extremo anterior 5 del borde de entrada de la tobera en marcha avante; el extremo posterior 6 del borde de salida de la tobera en marcha avante; la superficie exterior 7 de la tobera; la superficie interior 8 de la tobera; la longitud axial L de la tobera que vale 0.50D; la distancia S entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera que vale 0.08473D (L/D = 0.5; 100/D = 0.5; D = 200; 16.946/200 = 0.08473); en el plano del perfil de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento AB con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, del 68% de su longitud total; la distancia axial E desde el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, hasta el extremo anterior 5 del borde de entrada de la tobera, que en esta realización vale 0.25D, siendo D el diámetro interior de la tobera; la distancia axial T desde el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, hasta una distancia axial aguas arriba de 0.2281 D; y la distancia radial H con valor 0.031 D muy aproximadamente, entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, a la distancia axial T indicada antes desde el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice (los valores que no coinciden exactamente con coordenadas del perfil se expresan de forma muy aproximada por otros métodos de cálculo); todo de acuerdo con las coordenadas indicadas anteriormente y con el valor de la longitud axial L de la tobera igual a 0.50D, en las que se basa esta realización. Las paredes interiores 8 de la tobera en la zona convergente, aguas arriba de la hélice, son convexas de acuerdo con el sentido del flujo en la parte anterior de la tobera, a continuación cilindrica la superficie de la parte que rodea las puntas de pala y después divergentes con superficie cónica hasta el borde de salida.

Para cuantificar la distancia E entre las palas y el extremo anterior del borde de entrada de la tobera, se ha elegido en las palas una referencia que permita una concreción muy real y exacta en todo tipo de posibles hélices, a saber, el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice; no se ha elegido el centro de la cuerda de dicha sección, por la necesidad de representar extendida en un plano dicha sección para obtener la cuerda que tendría una longitud mayor que el segmento citado, haciendo la comprensión de la referencia más compleja.

También se observa el eje de giro 9 de la hélice que en este caso coincide con el eje de simetría de la tobera.

La holgura entre las puntas de pala de la hélice y la tobera es en la práctica inferior al 0.5% del diámetro interior de la tobera. El ángulo que forma la línea recta que une el diámetro máximo del perfil de la tobera con la superficie exterior de la tobera a 0,95L y el eje de rotación de la hélice, vale 7.15° En la figura 2, se representa el segmento AB descrito en la figura 1 ; la distancia radial P desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera que vale muy aproximadamente 0.046D (al no coincidir esta abscisa con ninguna de las indicadas para el perfil en la tabla anterior, su valor se indica de forma muy aproximada); y el extremo anterior del borde de entrada de la tobera es una superficie plana, con una distancia V entre el radio interior y el exterior de dicha superficie, de 0.02525D (16.000 - 10.950 = 5.05; 5.05/200 = 0.02525)

En la figura 3, se representa la hélice de palas fijas con cuatro palas 2, las puntas de pala en forma de arco equidistantes a la superficie interior 8 cilindrica de la tobera, el sentido de giro de las palas indicado por flecha 15, el núcleo de la hélice, y los soportes 16 de la tobera 1 que unen de forma fija la tobera a la popa del barco, no representado en esta figura; la sección coaxial 0.90R con la referencia 14 en la pala superior, el borde de entrada 10 de la pala, el borde de salida 11 de la pala; el centro 3 del segmento CD de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice; la superficie exterior 7 de la tobera; la superficie interior 8 de la tobera; y también se indica la punta de pala en la sección coaxial LOOR de las palas, con la referencia 13. En esta figura las cuatro palas presentan en su totalidad la cara de presión 12, pues se trata de una vista desde aguas abajo.

En la figura 4, se representa la tobera 1 en corte vertical (todas las toberas son huecas, no macizas); y en vista la hélice con sus palas; la pala superior presenta su cara de presión 12, la pala inferior presenta su cara de succión 18, debido a que la hélice gira en el sentido de las agujas del reloj vista desde aguas abajo; el timón 20, uno de los dos soportes 16 de la tobera, y el codaste 19 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 17, en la popa del casco.

También se indica la dirección y el sentido general del agua, mediante cuatro flechas, la superficie exterior 7 de la tobera, la superficie interior 8 de la tobera, el extremo anterior 5 del borde de entrada de la tobera y el extremo posterior 6 del borde de salida de la tobera. De acuerdo con el sistema hélice tobera, la hélice al girar origina menor presión estática delante de la tobera 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 5, se representa el perfil de la tobera propuesta 1 , en corte por un plano que contiene el eje de giro de la hélice, con una distribución estructural interior adecuada para ligereza, resistencia y ahorro de material; en el borde de entrada de la tobera y en el borde de salida hay piezas sustancialmente tóricas metálicas, unidas a placas metálicas que siguen el perfil de la tobera indicada tanto exteriormente como interiormente; entre las placas metálicas que constituyen la superficie exterior e interior de la tobera, se disponen dos anillos metálicos que unen ambos lados interior y exterior del perfil de la tobera, para aportar rigidez estructural al conjunto.

En la figura 6, se representa un perfil ojival con el lado de la cara de presión 12, el lado de la cara de succión 18, y los bordes de entrada 10 y salida 11 relativamente afilados. En la figura 7, las mismas referencias se refieren a los mismos elementos o conceptos que en figuras anteriores; se representa la tobera "19A", perteneciente al estado de la técnica, donde la longitud axial L de la tobera vale 0.50D; la distancia S entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera que vale 0.10535D (L/D = 0.5; 100/D = 0.5; D = 200; 21.07/200 = 0.10535); en el plano del perfil de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento AB con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, del 68% de su longitud total; la distancia axial E entre el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice y el extremo anterior del borde de entrada de la tobera vale 0.25D, cuando se usan hélices de paso fijo como es habitual, sin lanzamiento axial "rake", es decir con valor cero, sin lanzamiento circunferencial "skew", es decir con valor cero y con un perfil tipo ojival ("ogival section" según definición de "International Towing Tank Conference ITTC") para las últimas secciones coaxiales de pala, por ser dicho perfil ojival menos propenso a la cavitación, lo cual es muy importante en hélices en tobera que trabajan muy cargadas; la distancia axial T desde el centro 3 del segmento de línea recta que une los extremos de la sección coaxial 0.90R de palas de la hélice, hasta una distancia axial aguas arriba de 0.2281 D; y la distancia radial H con valor 0.054D muy aproximadamente, entre la superficie interior de la tobera y el radio interior de la tobera, a la distancia axial T indicada antes. Todos estos datos calculados con las coordenadas publicadas y con la relación L/D = 0.5 correspondiente a la tobera "19A". La tobera "19A" tiene la superficie interior cilindrica desde 0.40L hasta 0.60L para cubrir las puntas de pala de la hélice; y aguas abajo de la hélice, la superficie interior de la tobera es divergente y de superficie convexa.

La distancia radial P desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X/L = 2,051 del perfil axial de la tobera, vale 0.038D aproximadamente.

En la figura 8, ES2460815, perteneciente al estado de la técnica, la longitud axial L de la tobera vale 0.4970D; la distancia S entre radio interior y exterior del perfil axial de la tobera que vale 0.06376D (L/D = 0.4970; 100/D = 0.4970; D = 201 ; 12.8158/201 = 0.06376); en el plano del perfil de la tobera, aguas arriba de la hélice, un segmento AB con dirección radial desde el eje de giro de la hélice y con longitud 0.08473D cuyo extremo de menor radio coincide con el radio interior de la tobera y que pasa por la ordenada del perfil con valor 0.026885D, tiene una longitud dentro del área del perfil de la tobera, del 41 % de su longitud total; la distancia axial E entre el centro de cada punta de pala y el extremo anterior del borde de entrada de la tobera vale 0.2281 D. También se observa la distancia axial T desde el centro de las puntas de pala hasta una distancia axial aguas arriba de 0.2281 D que coincide con la distancia axial E indicada antes; la distancia radial H con valor 0.053D (10.7648/201 = 0.053), entre la superficie interior (máxima) de la tobera y el radio interior de la tobera, a la distancia axial T indicada antes; la distancia radial P desde el eje de giro de la hélice, entre la ordenada exterior e interior en la abscisa 100X L = 2,051 del perfil axial de la tobera vale 0.023D (12.8158 - 8.1527 = 4.6631 ; 4.6631/201 = 0.023); y el extremo anterior del borde de entrada de la tobera es una superficie toroidal.

En la figura 9, se representa la figura 8.17 de la página 282 que se presenta en el libro "Detailed design of ships propellers" indicado antes en el estado de la técnica. Se presenta un difusor con forma de conducto corto o tobera para aumentar la eficiencia, con las puntas de pala de la hélice en el plano del borde de entrada de la tobera. Para comparar dos sistemas hélice-tobera distintos, se usa la misma hélice y por tanto el diámetro interior D de la tobera en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice es el mismo en cada caso, y por tanto la distancia axial T igual a 0.2281 D, tiene el mismo valor absoluto en cada caso.

En todos los ensayos de propulsor aislado, en el canal de aguas tranquilas, para comparar resultados de sistemas hélice-tobera distintos se elige necesariamente la misma hélice en cada caso, y por tanto, el mismo valor absoluto para el diámetro interior de la tobera D en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice, por todos los centros del mundo pertenecientes a la "International Towing Tank Conference ITTC". Por tanto la longitud axial L de la tobera en función del diámetro interior D de la tobera en el lugar del centro de las puntas de pala de la hélice, es una característica distintiva en cada caso, para cada sistema hélice-tobera.

El mejor rendimiento a alto y bajo coeficiente de carga CT, depende de la

combinación de las características indicadas; la combinación de dichas

características origina un comportamiento distinto; en mecánica de fluidos la introducción de un cambio aparentemente sutil o la combinación de distintos cambios sutiles, produce cambios de comportamiento muy relevantes.

APLICACIÓN INDUSTRIAL

Esta invención tiene aplicación industrial en la industria naval.