Hélices CLT
Fundamentos teóricos
Hélices CLT – Fundamentos teóricos
Las hélices Contracted Loaded Tip (CLT) tienen una importante carga en el extremo de las palas gracias a la colocación de placas de cierre en los extremos de la pala, que actúan como barrera para evitar la comunicación de agua entre ambos lados, y al apropiado diseño de la geometría de la pala y de la distribución radial de carga. Las placas de cierre están situadas de forma que produzcan la mínima resistencia viscosa y por lo tanto son paralelas al flujo entrante y adaptadas al movimiento relativo del agua, teniendo en cuenta la contracción de la vena líquida.
La placa de cierre está situada en la cara de presión de la pala para poder conseguir una mayor sobrepresión aguas abajo.
La depresión en la cara de succión originada por una hélice CLT es mucho menor que para una hélice convencional equivalente mientras que la sobrepresión aguas abajo es mucho mayor.
Los primeros desarrollos teóricos y los resultados de ensayos de modelo en este tipo de hélices fueron publicados en 1976, desarrollando el concepto de las llamadas hélices TVF (Tip Vortex Free). El concepto CLT fue desarrollado en 1986 como un paso adelante.
Desde 1976 los técnicos de SISTEMAR han hecho un esfuerzo continuo en I+D con las hélices CLT. Como resultado del mismo junto con el feed-back obtenido de los resultados de numerosas pruebas de mar realizadas, la calidad y la confianza de los diseños de las hélices CLT realizados por SISTEMAR han ido mejorando continuamente.
Los desarrollos teóricos de los fundamentos de las hélices CLT se explican en detalle en el libro titulado «Detailed design of ship propellers» cuyos autores son G.P. Gómez y J.G. Adalid.
Ventajas
Ventajas de las hélices CLT
El ahorro de energía es un objetivo prioritario en el diseño de las hélices propulsoras de los buques; el incremento del precio del combustible y las regulaciones cada vez más estrictas en términos de polución de aire y emisiones a la atmósfera requiere cada vez de diseños más eficientes. Al mismo tiempo, los requisitos sobre ruido radiado y la generación de vibraciones para reducir los efectos negativos sobre la vida marina y sobre la firma hidroacústica de los nuevos buques comerciales y militares se han convertido en un objetivo prioritario para las nuevas construcciones.
Las hélices CLT representan una oportunidad de incrementar el rendimiento, reducir el riesgo de cavitación (y en consecuencia el ruido radiado) sin utilizar soluciones propulsivas completamente distintas (tobera, hélices contrarrotativas, etc).
Las hélices CLT gracias a su mayor rendimiento permiten reducir el consumo de combustible, el nivel de emisiones y por tanto los índices EEDI (Energy Efficiency Design Index) y EEOI (Energy Efficiency Operational Index) sin requerir ninguna modificación en el proyecto de buque.
Las principales ventajas de las hélices CLT se pueden resumir de la siguiente manera:
- MAYOR RENDIMIENTO
- MAYOR VELOCIDAD DEL BUQUE
- MENOR CONSUMO DE COMBUSTIBLE
- REDUCCION EN LAS EMISIONES DE CO2
- MAYOR AUTONOMIA
- MEJORES CARACTERÍSTICAS DE MANIOBRABILIDAD
- MENORES NIVELES DE RUIDOS Y VIBRACIONES
- MENOR DIAMETRO OPTIMO
- MUCHO MEJOR COMPORTAMIENTO PARA LAS PALAS CP EN CONDICIONES DISTINTAS A LAS DE DISEÑO
- MAYOR VELOCIDAD DE INCEPCION DE LA CAVITACION
- MAYOR MARGEN DE KT FRENTE A LA CAVITACIÓN EN CARA DE PRESION
La depresión en la cara de succión causada por una hélice CLT es mucho menor que para una hélice convencional equivalente, mientras que la sobrepresión en la cara de presión es mucho mayor.
La teoría demuestra que el rendimiento de propulsor aislado de la hélice aumenta con un aumento en el diferencial de presión entre la sobrepresión aguas abajo de la hélice y la succión aguas arriba.
La caída de presión en la cara de succión de las hélices CLT es menor que para la hélice convencional equivalente y por lo tanto la extensión de la cavitación desarrollada en la cara de succión es menor y también son menores las fuerzas de presión que una hélice CLT ejerce sobre la estructura de la zona de popa del buque. Además, las hélices CLT tienden a reducir la intensidad del vórtice de extremo de pala debido a la existencia de placas de cierre.
La combinación de estas circunstancias significa que las fuerzas de presión ejercidas por una hélice CLT sobre la estructura de popa son de menor magnitud que las de las hélices convencionales, y por lo tanto las vibraciones inducidas de casco y los niveles de ruidos a bordo son menores. El ruido radiado al mar es también menor para las hélices CLT.
Como el área de las palas de la hélice CLT se utiliza más eficazmente para suministrar empuje, el diámetro óptimo es menor que para una hélice convencional equivalente.
Las hélices CLT ofrecen mayor rendimiento, lo que permite conseguir ahorros de combustible a velocidad del buque constante o alternativamente, aumentar la velocidad del buque con un consumo de combustible determinado.
Los arrastreros y remolcadores alcanzan un aumento en la fuerza de tiro.
La sobrepresión aguas abajo producida por la hélice CLT es mayor que para una hélice convencional equivalente. Esta aumenta la presión sobre el timón y por lo tanto mejora la respuesta del buque a la acción del timón, dando lugar a una importante reducción del círculo de evolución para un determinado ángulo del timón; una reducción del tiempo y la distancia requeridos para parar el buque en la maniobra de crash stop y una mejora de la estabilidad de rumbo.
Además de lo mencionado con anterioridad, las palas CP-CLT tienen ventajas adicionales cuando las palas operan a revoluciones constantes porque el rendimiento CLT, el comportamiento en cavitación, los niveles de ruidos y vibraciones en condiciones distintas a las de diseño son mucho mejores que las de las palas convencionales alternativas.
La razón es que para las palas convencionales la distribución radial de paso en la condición de diseño está descargada en el extremo para evitar niveles altos de pulsos de presión; cuando la pala opera en condiciones off-design con posiciones de paso por debajo del paso de diseño, el extremo de la pala está demasiado descargado y se alcanza un paso negativo en el extremo de la pala. Bajo estas circunstancias las secciones superiores de la pala producen un empuje negativo mientras que las secciones inferiores producen un empuje positivo y en consecuencia el rendimiento de la hélice disminuye y los niveles de los pulsos de presión aumentan, porque se desarrolla una cavitación en la cara de presión de la pala convencional que da lugar a un espectro de banda ancha de energía y los niveles de ruidos y vibraciones aumentan a pesar de que la potencia entregada a la hélice en condiciones off-design es menor que en la condición de diseño.
La situación es diferente para las palas CLT ya que la distribución radial de paso en condiciones de diseño soporta una carga importante en el extremo debido a la existencia de las placas de cierre y por lo tanto cuando la pala opera en condiciones off- design con posiciones de paso por debajo de la de diseño, la carga en el extremo de la pala disminuye pero sigue siendo positivo para un amplio grado de variación del ángulo de paso geométrico y por lo tanto el rendimiento de la hélice permanece casi constante y los niveles de los pulsos de presión son menores que en condiciones de diseño porque la potencia es menor.
El porcentaje de incremento del rendimiento obtenido con una hélice CLT si se compara con una hélice óptima convencional alternativa depende del tipo de buque, siendo mayor para buques lentos y de alto coeficiente de bloque como petroleros, graneleros, etc. para los cuales el coeficiente de empuje basado en la velocidad de avance es mayor.
Diseño
Hélices CLT – Diseño
DISEÑO
Los ingenieros navales de la compañía han desarrollado sus propios procedimientos teóricos para diseñar cualquier tipo de hélice. Estos procedimientos han sido respaldados por más de 500 experiencias a plena escala y los fundamentos teóricos están contenidos en el libro titulado «Detailed design of ship propellers» cuyos autores son G.P. Gómez and J.G. Adalid publicado por el FEIN.
Se pueden diseñar las siguientes soluciones propulsivas:
- Hélices convencionales
- Hélices CLT
- Hélices convencionales o CLT en tobera
- Hélices contrarrotativas (convencionales o CLT)
- Hélices en tandem (convencionales o CLT)
Las palas de la hélice de las distintas alternativas se pueden diseñar en versión de paso fijo o de paso controlable.
El concepto CLT es factible para cualquier tipo de dispositivos Pod.
Los diseños de hélices CLT han sido aprobados por la mayoría de las Sociedades de Clasificación (LRS, ABS, BV, DNV, RINA, GL, etc.).
Antes de realizar un diseño detallado de hélice CLT o de cualquier otro tipo de hélice se debe de realizar un procedimiento de optimización para modelizar el comportamiento del buque. SISTEMAR realiza este tipo de cálculos de forma gratuita para el cliente en el caso de las hélices CLT y en cada caso hace una evaluación del ahorro de combustible que se puede obtener con la hélice CLT en comparación con una hélice convencional alternativa.
ENSAYOS DE MODELO CON HELICES CLT
Los ensayos con modelos con hélices CLT se realizan del mismo modo que con las hélices convencionales. La diferencia entre ambos tipos de hélice se encuentra en la extrapolación de los resultados obtenidos en el ensayo de propulsor aislado porque en el caso de las hélices CLT no solo hay que tener en cuenta los efectos de escala en las fuerzas viscosas sobre las placas de cierre sino que también aparecen efectos de escala en las fuerzas de sustentación sobre las palas. Estos efectos de escala especiales tienen que ser considerados al definir los parámetros del ensayo de cavitación.
Se ha desarrollado un procedimiento de extrapolación completo para las hélices CLT, que tiene en cuenta los severos efectos de escala sobre los coeficientes CL y CD de las secciones anulares de las palas de una hélice CLT, introduciendo en el procedimiento de extrapolación de la ITTC’78 unas correcciones especiales en la transformación de las curvas de aguas libres de la hélice CLT de campo modelo a campo buque.
La validación de este procedimiento de extrapolación se ha completado mediante la realización de un proyecto de I+D de dos años de duración realizado por SISTEMAR con ASTILLEROS ESPAÑOLES, S.A. (hoy en día NAVANTIA) y EL PARDO MODEL BASIN (CEHIPAR).
También se ha desarrollado un nuevo proyecto de I+D con IZAR (hoy en día NAVANTIA) y CEHIPAR para poner al día un procedimiento para realizar ensayos de cavitación con modelos de hélices CLT.
Se ha comprobado dentro del marco de este proyecto que la depresión aguas arriba de la hélice CLT es mayor en el campo del modelo que a plena escala y por lo tanto no es aceptable determinar los parámetros para los ensayos de cavitación de un modelo de hélice CLT siguiendo el procedimiento tradicional porque entonces la hélice opera bajo condiciones irreales y pesimistas durante los ensayos de cavitación.
Como consecuencia de este proyecto de I+D, se ha desarrollado un nuevo procedimiento para ensayos de cavitación con hélices CLT.
Ambos proyectos de I+D mencionados anteriormente han sido respaldados por el Ministerio de Innovación y Tecnología Español.
NUEVOS DESARROLLOS
Las teorías tradicionales para el diseño de hélices y los métodos de extrapolación de los resultados de los ensayos de modelo no son válidos para hélices con carga en los extremos de las palas. Esta es la razón por la cual los expertos de SISTEMAR han hecho considerables esfuerzos para desarrollar sus fundamentos teóricos y sus procedimientos para este tipo de hélices desde 1976, cuando fue propuesta por D. Gonzalo Pérez Gómez la tesis de que una hélice con carga positiva en los extremos de la pala tendría mayor rendimiento que las hélices convencionales.
Como un paso más dentro del desarrollo de este tipo de hélices, SISTEMAR ha desarrollado un nuevo tipo de línea media para las secciones anulares de la pala. Esta línea media reduce la depresión en la cara de succión de las palas de la hélice y aumenta la sobrepresión en la cara de presión, obteniéndose así una hélice con mayor rendimiento y con un comportamiento en cavitación mucho mejor.
Estas mejoras de las nuevas líneas medias han sido ratificadas por los resultados de los ensayos de modelo realizados para un mismo buque con tres alternativas diferentes de líneas medias.
Se está avanzando actualmente en la utilización de cálculos numéricos tipo RANS y también en métodos de paneles para el análisis del comportamiento de hélices CLT.
Fabricación y Reparabilidad
Hélices CLT – Fabricación & Reparabilidad
FABRICACIÓN
Debe de realizarse sólo por la siguientes compañías homologadas y licenciadas por SISTEMAR :
- FUNDICIONES ADRIO (Vigo, España) www.adrio.com
- CASUSO PROPELLERS (Entrambasaguas, España) www.casusopropellers.com
- MECKLENBURGER METALLGUSS (Wismar,Alemania) www.mmg-propeller.de
- WÄRTSILA IBERICA (Maliaño, España) www.wartsila.com
- ELICHE RADICE (Milán, Italia) www.elicheradice.it
- YUANHANG PROPELLERS MANUFACTURING CO. LTD. (Guangzhou, China) www.yhpropeller.com.cn
- FUNDILUSA (Cerveira, Portugal) www.fundilusa.com
- DALIAN MARINE PROPELLER CO LTD. (DALIAN, China). http://www.dmpp.cn/
- MENCAST MARINE PTE. LTD. (Singapore) www.mencast.com.sg
El procedimiento para fabricar hélices CLT es similar al utilizado para la hélice convencional con algunas diferencias respecto al molde, the govern del flujo de metal en el molde, the machining of the end plates, etc.
Las especificaciones ISO para las hélices junto con las normas de SISTEMAR son los criterios for assessment.
SISTEMAR lleva a cabo una inspección detallada de cada hélice CLT en las instalaciones del fabricante antes de su entrega.
REPARABILIDAD
Las hélices CLT no tienen ninguna dificultad extra para los trabajos de reparación en comparación con los trabajos de las hélices convencionales.
Los trabajos de reparación en una hélice CLT deben de realizarse solo por aquellas fábricas homologadas por la Sociedad de Clasificación para la reparación de hélices convencionales.
Los procedimientos a aplicar para la reparación de una hélice CLT son los mismos que los que se aplican en el caso de las hélices convencionales.


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