Sistemas de propulsión marina: diseño, funcionamiento y mantenimiento

15.1.2 Diseño de la pala de la hélice

Una de las caras tiene una forma curva convexa, mientras que la otra es más plana, ligeramente cóncava. Cuando la pala corta el agua, ésta circula rozando ambas superficies formando filetes en líneas paralelas. En la zona convexa las líneas de flujo se estrechan incrementando la velocidad del agua y produciendo una caída de presión; en cambio, en la otra cara, la cóncava, la presión es mayor al ser por donde incide el agua, generando una fuerza perpendicular al plano de la pala.

15.2.4 Núcleo de la hélice

Se encuentra unido al eje de cola por el acoplamiento por brida. En su interior está el servomecanismo para el accionamiento de las palas de la hélice, que recibe el aceite a través del conducto. El émbolo que recibe la presión del aceite está atornillado al accionamiento de las palas para poder transmitirle el movimiento. El aceite llega por el interior del tubo hasta la cara de popa del pistón llenando la cámara y empujando al pistón hacia proa, transmitiendo el movimiento al cabezal que mueve las palas en el sentido avante. El cabezal dispone de una ranura transversal en la que se ubica una pieza con forma de dado chato con un orificio redondo. El dado puede desplazarse a lo largo de la ranura. La base de la pala tiene un pequeño bulón que encaja en el orificio del dado, de manera que la combinación de movimientos longitudinal del cabezal y transversal del dado generan un movimiento rotativo de la pala. Para invertir el sentido de giro de la pala, simplemente se invierte el sentido de flujo del aceite, de manera que entra a presión por el hueco entre el conducto y el eje, retornando al tanque a través del conducto.

15.3 Hélices azimutales

Las hélices azimutales son capaces de orientarse girando respecto a un eje vertical un ángulo de 360o lo que permiten una maniobrabilidad más precisa, pudiendo prescindir del timón. La propulsión puede hacerse por medio de un motor diésel con una transmisión por engranajes a 90º, o eléctrico, sin necesidad de transmisión al encontrarse el motor en el mismo eje de giro de la hélice. El eje de la hélice se encuentra incluido en un módulo de propulsión en disposición horizontal conectado al casco del barco por medio de un eje vertical también formando parte del módulo. La orientación del módulo de propulsión se efectúa por medio de un sistema hidráulico o eléctrico. La orientación permite que el buque cambie de dirección, incluso de sentido sin necesidad de parar el motor ni cambiar la orientación de las palas de la hélice.

Refrigeración de las hélices

Aunque el módulo propulsor está sumergido, el efecto de refrigeración del agua del mar no es suficiente, y es necesario disponer de un sistema de refrigeración forzada. Ante la incompatibilidad del agua con la electricidad y el riesgo de la refrigeración por aceite, que es combustible al ser sometido a altas temperaturas y más difícil de apagar, se refrigera mediante el aire. Un sistema frigorífico enfría el aire que se hace recircular por el interior del módulo en el que se encuentra el motor eléctrico. Aunque el aire que retorna del motor es más caliente que el ambiental, se reutiliza al encontrarse más seco. En el mismo eje del motor se encuentra el cojinete de empuje, que recibe el empuje que ejerce el mar sobre la hélice y lo transmite a la estructura del módulo, y de aquí a la del buque. Además, también se encuentran los cojinetes de apoyo, que al no estar sometidos a cargas transversales además del peso del motor y la hélice, pueden ser de rodamientos. Todo ello con su sistema de lubricación propio.

Hélices cicloidales

Es un sistema formado por un tambor horizontal que gira respecto al eje vertical del que salen una serie palas orientables similar a timones, también verticales. Al girar, las palas impulsan el agua en una dirección, con un sentido y una fuerza que depende del ángulo de inclinación de la pala respecto a la línea de circunferencia que desarrolla el giro del tambor. Es algo similar a un remo que impulsa la embarcación sin salir del agua, empujando el agua en un sentido con el plano de la pala perpendicular a la dirección del movimiento, lo normal para remar, mientras que al retornar lo hace con el plano paralelo al movimiento evitando así empujar el agua en sentido contrario al avance deseado. Es necesario que las palas puedan variar el ángulo de ataque al agua para poder impulsar el agua, de lo contrario, no habría alteración ninguna en el medio líquido. La inclinación de las palas permiten orientar la impulsión del agua, por lo que actúan no sólo como propulsor, sino también como gobierno.

15.5 Propulsión por chorro de agua

Consiste en la impulsión de un chorro de agua a alta velocidad hacia popa, y como reacción, el buque es impulsado hacia proa. La variación del caudal de agua impulsada variará a su vez la velocidad del buque. Haciendo que el chorro de agua sea direccionable es posible orientar el buque en el rumbo deseado. También es posible invertir el sentido de la marcha del buque haciendo que el chorro de agua lo empuje hacia popa. Este tipo de propulsor debe encontrarse por encima del nivel del agua evitando así la contrapresión hidrostática generada por la altura del agua y la oposición a la impulsión del chorro. Este tipo de propulsión es habitual de embarcaciones rápidas y de muy poco calado. El agua es aspirada a través de dos amplios conductos que van desde el fondo del casco, a ambos lados de la quilla, uniéndose en un conducto único que llega a la aspiración del impulsor. Estos conductos tienen forma de rampa con pendiente suave sin curvas pronunciadas evitando caídas de presión. El eje de impulsión atraviesa el cuerpo del conducto de aspiración por medio de un sello que evita que entre el agua a la sala de máquinas. El impulsor es similar a las hélices, pero con un ángulo de paso más grande para impulsar una gran cantidad de agua. El flujo es axial, siguiendo la misma dirección que en la aspiración. Además del rotor, dispone también de un estator que lo rodea, que hace la función de difusor orientando el flujo de agua hacia los álabes del rotor mejorando así el rendimiento. Al tratarse de impulsores que giran a gran velocidad, pueden fabricarse de pequeño tamaño, y para proporcionarles una mayor resistencia mecánica, se pueden construir de acero inoxidable de alta calidad sin que alcance un precio excesivo. A la salida del propulsor el agua pasa por una tobera en la que debido al estrechamiento se produce un aumento de su velocidad y por lo tanto, de su energía cinética a costa de una reducción de presión. Después de la tobera, el agua pasa por un deflector con forma semiesférica con estrechamiento en la zona posterior que tiene un movimiento de giro limitado a ambas bandas que permite variar la orientación del chorro de agua controlando así el rumbo del buque. La parte esférica actúa como una rótula movida por unos cilindros hidráulicos pilotados por válvulas distribuidoras controladas desde el puente. El estrechamiento a la salida aumenta la velocidad de giro. La cazoleta es un componente similar a una compuerta articulada movida por cilindros hidráulicos que le dan un movimiento vertical. Se encuentra colocada a la salida de la tobera. Cuando la cazoleta se acciona se interpone en el camino del flujo de agua de manera que el chorro incide en él haciéndolo variar la dirección del mismo un ángulo algo inferior a los 180o, con lo que el buque reduciría su velocidad, llegando a detenerlo e incluso desplazándose hacia atrás.

16.1 Reductora

Los motores rápidos y semirrápidos tienen una velocidad excesiva para acoplar directamente la hélice. Las hélices, según diseño, funcionan de forma eficaz en un rango de velocidades determinado, perdiendo rendimiento a partir de ciertas velocidades debido al resbalamiento y a la cavitación. Entonces se hace necesario adaptar la velocidad del motor a la adecuada para mover la hélice de forma eficiente. Para ello es necesario la colocación de una reductora de velocidad. Las reductoras consisten en la transmisión del movimiento entre un eje motriz o primario a otro eje receptor o secundario por medio de engranajes. La velocidad del eje secundario depende de la relación de diámetros entre los engranajes que transmiten el movimiento. Ambos ejes van apoyados sobre cojinetes tipo antifricción. Las reductoras disponen de un circuito de engrase formado por un espacio receptor de aceite normalmente en el fondo de la carcasa similar a un cárter, una bomba acoplada a la reductora que se mueve al embragar y recibir el movimiento del motor. Esta bomba es normalmente del tipo de engranajes que aspira del interior de la carcasa a través de un filtro tipo colador, y descarga sobre un filtro que retiene todas las impurezas que puedan quedar en el aceite. A la salida del filtro pasa por un enfriador controlado por una válvula termostática que absorbe el exceso de calor con el que sale el aceite de la reductora. Después del enfriador, el aceite entra en la reductora y es rociado sobre los engranajes. También se lubrican los cojinetes de apoyo de los ejes primario, secundario y auxiliares. El mantenimiento de la reductora consiste en el cambio periódico de aceite y filtro, limpieza del enfriador y comprobación periódica del estado de los engranajes, prestando especial atención a desgastes y roturas en los dientes y la presencia de óxido o corrosión. Y si dispone de mucha cantidad de aceite cuando la reductora es grande, se realizan análisis periódicos del aceite y comprobar si sigue siendo apto para la lubricación.

16.2 El embrague

Los motores pueden estar acoplados permanentemente a la reductora y por lo tanto a la hélice, o disponer de un embrague que permita al motor arrancar en vacío, sin carga acoplada, con un esfuerzo mínimo. El motor se embraga al eje de cola después de llevar unos minutos en marcha para poder calentar. En la propulsión con hélice de paso controlable, la condición para poder embragar es la de que la hélice se encuentre en paso cero para evitar que en el momento del embrague comience a avanzar. El embrague consiste en el acoplamiento de dos superficies con elevado coeficiente de fricción unidas a sendos ejes de manera que el movimiento de una de ellas sea capaz de transmitirse a la otra. En estado de reposo, ambas superficies se encuentran separadas girando una de ellas, la que está unida al eje motor, mientras que la otra, unida al eje de cola, se encuentra parada. Al accionar el mecanismo del embrague, ambas superficies se unen transmitiendo el movimiento haciendo girar el eje de cola. Existen básicamente dos tipos de embrague: de disco de fricción y cónico, en el que dos cuerpos bicónicos, uno en el interior del otro entran en contacto para transmitir el movimiento, arrastrando uno de ellos al otro. El cuerpo exterior, a modo de carcasa, tiene en la zona cónica interior dos superficies con elevado coeficiente de fricción. El cuerpo interior está formado a su vez por dos partes cónicas móviles con superficie con elevado coeficiente de fricción también. Estas dos partes se pueden desplazar axialmente separándose entre sí de manera que acoplan con el cuerpo exterior. El cuerpo interior está acoplado a uno de los ejes, mientras que el exterior está acoplado al otro eje. La separación de ambas mitades del cuerpo interior se realiza por medio de un fluido a presión, tipo aceite o aire, que llena las cámaras interiores manteniendo la presión y por lo tanto las superficies en contacto.

16.3 La chumacera de empuje

La hélice, al girar, tal y como sabemos, impulsa el agua en dirección axial y con una energía que depende del ángulo de desarrollo de la pala. Como reacción, el agua empuja a la hélice con la misma fuerza que es impulsada, y este empuje es el que impulsa el buque. El empuje del agua sobre la hélice se transmite de ésta al eje de cola y por él se transmite al casco por medio de la chumacera o cojinetes de empuje. El empuje del agua sobre la hélice en ningún momento se transmite al motor porque ese esfuerzo aplicado sobre el eje de cigüeñales lo desplazaría longitudinalmente produciendo daños fatales. Los cojinetes de empuje forman parte la chumacera, una estructura robusta que se encuentra fuertemente anclada a la estructura que forma parte del casco del buque con el fin de poder transmitir el empuje. Los cojinetes de empuje están diseñados para transmitir las altas cargas axiales procedentes de la rotación de la hélice con un mínimo de pérdidas de potencia y un mantenimiento mínimo. En el interior de la chumacera de empuje el eje de cola tiene un disco concéntrico junto al que se encuentran los cojinetes en contacto con él. Cada cojinete consiste en una serie de riñones o almohadillas unidas a un anillo que sirve de soporte en las que cada riñón tiene un movimiento oscilante que facilita la formación de una película de aceite. Los riñones están en contacto con el disco del eje de cola con la interposición de una película de aceite que evita el rozamiento. El empuje se transmite desde el disco a los riñones y de éstos al anillo soporte que se encuentra unido a la robusta carcasa. Existen dos anillos rozantes con riñones a ambos lados del disco para soportar el empuje avante o atrás. Es fundamental la presencia del aceite entre los riñones y el disco de empuje del eje para evitar así el desgaste. El aceite puede suministrarse mediante recinto de los cojinetes inundado o por suministro directo a la superficie de rozamiento. Es necesario realizar revisiones periódicas que incluyen la apertura de la carcasa y revisar el estado de las superficies del disco del eje y de los riñones. En caso de desgaste de los riñones se debe sustituir. Si el desgaste está en el disco del eje, se debe sustituir dicho tramo del eje. Por supuesto, se debe realizar el cambio de aceite periódicamente.