Linea de Ejes, Torsiometros Yy Helices

MAQUINARIA NAVAL AUXILIAR

279

CAPTULO XI

LINEA DE EJES, TORSIOMETROS Y HLICES

11.1. EJES PROPULSORES, PRINCIPIOS.

Los ejes propulsores desempean la doble funcin de transmitir el par de torsin del

equipo propulsor a la hlice y el empuje desarrollado por la hlice al cojinete de empuje. El

cojinete de empuje principal est situado normalmente en la caja de engranes

reductores, en cuyo caso el eje est sometido por entero al par de torsin y a la

carga de empuje. En muchas instalaciones el cojinete de empuje principal est

ms hacia popa, en cuyo caso la parte del eje anterior al cojinete transmite

solamente torsin y el resto del eje transmite el par de torsin y el empuje.

Otra carga que el eje debe de soportar es el par variable producido por la

desigual conversin de la torsin de empuje por cualquiera de las aspas de la

hlice en sus distintas posiciones durante una revolucin. Este efecto es el

resultado de varias causas. La principal es la desigual distribucin del flujo en el

disco de la hlice, causada por la forma del casco y la posicin de sus accesorios

en las proximidades de la hlice; ello produce un par variable en el eje, y cuando

su frecuencia se aproxima a la frecuencia del sistema eje-propulsor-engranaje,

el eje se carga con pares mximos ms altos que el normal transmitido a la hlice.

Las especificaciones limitan la magnitud de este par variable al 10% del par a

plena carga en las instalaciones de turbinas. Por razones similares, se puede

producir una vibracin longitudinal que podra hacer peligrosa la frecuencia

propia del sistema.

Otra carga que soporta el eje es su propio peso. El ltimo tramo, o eje de cola,

tambin debe de soportar el peso de la hlice y las fuerzas de inercia causadas

por su movimiento lateral cuando el buque cabecea se escora o hace guiadas.

Otras cargas se originan al doblarse (plegarse) la lnea de ejes debido al trabajo

que efecta en una mar agitada sobre el casco del buque.

280

Estas cargas se pueden resumir en:

1.1. Cargas estticas.

- Fuerza

- Empuje.

- Peso del eje.

- Peso de la hlice (en el eje de cola solamente).

1.2. Cargas dinmicas.

- Variaciones de la fuerza.

- Variaciones de empuje.

- Curvado (pliegue) del eje.

- Inercia de la hlice (en el eje de cola solamente).

La carga esttica de empuje origina un esfuerzo de compresin cuando el buque

navega avante. Es la carga total divida por el rea de la seccin transversal del

eje, o sea:

Donde:

2

E = Esfuerzo de compresin (kg/cm ).c

P = Empuje (kgs).

2

A = rea de la seccin transversal del eje (cm ).

El esfuerzo producido por el par es un esfuerzo cortante, que varia a travs de la

seccin transversal del eje, siendo cero en el centro y alcanzando el mximo en

las fibras exteriores del eje. Su valor es:

MAQUINARIA NAVAL AUXILIARLnea de ejes, torsimetros y hlices

donde:

2

E = Esfuerzo al corte (kg/cm ).s

T = Par (kg-cm).

r = Distancia desde el centro a la seccin radial que se estudia (cm).

4

I = Momento de inercia de la seccin transversal del eje (cm ).p

R = Radio exterior del eje (cm).l

R = Radio interior del eje (cm).2

Ecuacin 1.E

S

T.r

Ip

= =T.r

2

4 4

(R R )1 2

E =c

P

A

281

El esfuerzo combinado producido por estos dos, sumado con los esfuerzos

longitudinal dinmico y de torsin, ms los originados por cualquiera de las

cargas de pandeo (pliegue), se deben de mantener por debajo del lmite de

resistencia del material del eje, para evitar falla por fatiga.

Es costumbre hacer el eje hueco puesto que las zonas exteriores del eje estn sometidas a la

mayor parte de la carga de torsin. El dimetro interior suele ser aproximadamente

el 50% del dimetro exterior. Por ejemplo un eje slido de 30.48 cm, de dimetro

puede soportar un par de torsin T con un esfuerzo de corte de E . Un eje hueco con 1 s

D2/D1= 0.6 tendr la misma superficie cuando:

Superficie eje hueco = Superficie eje slido

T x 15.24 T x 19.05 1 2

4

O sea:

D = 38.1 cm (Dimetro exterior): R = 19.05 cm 1 1

y:

D = 0.6 x 38.1 = 22.86 cm (Dimetro interior): R = 11.43 cm.2 2

2 2

D - (0.6 D )1 1

4 =

4

2

(30.48)

Para valores iguales E de la ecuacin (1):s

MAQUINARIA NAVAL AUXILIAR Lnea de ejes, torsimetros y hlices

Donde:

T = Par torsin eje slido.1

T = Par torsin eje hueco.2

As pues, el eje hueco puede soportar el 70% ms de torsin o potencia a una velocidad

dada que un eje slido de la misma rea.

=4

(15.24) 4 4

(19.05 . 11.43 )

2

2

= 1.7T

2

T1

o

282

11.2 DISPOSICIN DE LOS EJES PROPULSORES.

El total de la longitud de los ejes propulsores se divide en dos partes

principales:

-La parte interior, o lneas de ejes.

-La parte exterior, o eje exterior (ejes hmedos).

Cada una de estas partes est formada por secciones individuales de ejes para facilitar

la fabricacin y el montaje. Las secciones se unen entre s por medio de

acoplamientos, recibiendo los nombres segn la misin que desempeen y el lugar

donde estn localizados.

La lnea de ejes comprende todas las secciones entre los engranajes reductores y

la parte que atraviesa al casco del buque. El mun es el pequeo trozo construido,

ntegramente con el engranaje reductor. Tanto el mun como cada una de las

partes de la lnea de ejes, va provisto de un disco de empuje que transmite el

empuje del eje al cojinete de empuje principal.

La lnea de ejes se construye de acero forjado con el centro vaciado al dimetro correcto

y con un fino acabado exterior. Los extremos de cada eje forman bridas. Estas se

maquinan de forma que sus caras sean perpendiculares a la lnea de centros, y

llevan orificios para el paso de pernos. Despus de que los ejes se han alineado, se

escarian los orificios para pernos en bridas adyacentes y se hace el acoplamiento

por medio de los pernos. La figura 11-1 muestra un acoplamiento tpico por

bridas.

La lnea de ejes est soportada por cojinetes montados en bases unidas

rgidamente a la estructura del casco. Se llaman cojinetes de la lnea de ejes o,

simplemente, chumaceras de apoyo. Las chumaceras soportan el peso del eje y fijan su

alineacin.

Frecuentemente se emplean chumaceras de asiento esfrico. La figura 11-2

muestra una disposicin tpica. Las chumaceras son autolubricadas.


283

Los aros de aceite, que montan sobre el eje se introducen en el crter de la

chumacera y arrastran el aceite a la parte alta del eje.

Figura 11-1 Eje propulsor con acoplamiento de bridas.

11 pernos

igualmente separados


Cuando la lnea de ejes pasa a travs de un mamparo estanco. Se instala una caja de empaquetadura para

preservar la estanqueidad del compartimento.

Figura 11-2 Chumacera de apoyo de la lnea de ejes.

Asiento esfrico

Nivel mnimo de aceite

Metal antifriccin

Aros de lubricacin

Tapa de acceso para

inspeccin y engraseGua aro de lubricacin

Aro deflector de aceite

Asiento esfrico

Lnea de ejes, torsimetros y hlices

284

La lnea de ejes termina en un acoplamiento en la parte de proa de la

bocina. La bocina se construye en la estructura del buque. Contiene cojinetes en

cada extremo para soportar el trozo de eje que la atraviesa y lleva una caja de

empaquetadura en la parte interior para proporcionar una obturacin estanca

alrededor del eje. El trozo de eje dentro de la bocina forma parte del conjunto

del eje exterior. Este trozo tiene que instalarse y repararse en dique seco.

Generalmente se desmonta retirndolo hacia fuera. Puesto que su extremo

tiene que pasar a travs de la bocina, debe de disponer de una brida

desmontable. La figura 11-3 muestra como va montada esta brida.

Las cuatro chavetas transmiten el par. El aro de empuje transmite el

empuje en marcha atrs y el tope del extremo del eje. (No se muestra en la

figura) transmite el empuje en marcha avante.


Figura 11-3 Acoplamiento de eje desmontable.

Eje de bocinas

4 Chavetas

Manguitos desmontables

Encastre entre manguito y eje por

contraccin y presin

Suplemento

Disco de empuje

12 Pernos

Este dimetro es ligeramente menor que

el dimetro interior del manguito

La caja de empaquetaduras de la bocina va unida a la parte de proa de la

bocina. La figura 11-4 muestra una disposicin tpica. Para evitar el

recalentamiento de la empaquetadura se permite una pequea prdida de

agua a travs del prensa-estopa cuando el buque est navegando. En puerto se


285

aprietan las tuercas ligeramente para que cese la prdida. Dispone de una

conexin del circuito de contra incendio para enviar agua salada a travs del

tubo de la bocina, en sentido opuesto a la direccin normal del flujo para

expulsar sedimentos y lodo que se pudieran acumular navegando por aguas de

poca profundidad.


Casquillo cojinete

Cojinete

Purga

Prensaestopas Empaquetado

Conexin para chorro de agua de mar

Figura 11-4 Empaquetadura y prensa-estopas de la bocina.

La bocina lleva un casquillo o un cilindro hueco de bronce en cada extremo, para

soportar los cojinetes. Estos cojinetes por estar sumergidos en el agua. Se construyen para

ser lubricados por esta.

Cuando la hlice no va montada inmediatamente despus de la bocina; el eje

exterior est soportado por cojinetes montados en arbotantes rgidamente

unidos a la estructura del casco. Estos cojinetes tambin van lubricados por

agua. La figura 11-5 muestra los detalles de los cojinetes sumergidos en el agua.

La parte del eje que gira en el interior de los cojinetes debe ser de un material no

corrosivo. En consecuencia se instalan manguitos de bronce embutidos en el eje

por contraccin en el sitio de los cojinetes. La superficie del eje entre manguitos

se cubre con una capa protectora de goma sinttica, neopreno u otro material


286

plstico adherente (en la Armada de Mxico, se usan tiras de Guayacn). Las bridas

exteriores del acoplamiento de los ejes se protegen encerrando el acoplamiento

completo por medio de un cubrejuntas hecho de chapa ligera de acero ajustado

suavemente alrededor del eje a ambos lados del acoplamiento.


Figura 11-5. Detalles de un cojinete sumergido en el agua.

Tiras de goma en un casquillo de cojinete

( o de guayacan)

Orificios para extractor

Goma Resina fenolica

Superficie de cojinete.

Las lineas onduladas indican

direccin de laminacin.

Ruedas de guayacn

para sufrir desgaste

Tiras de

guayacn

Las tiras con exceso de

material y se taladran

para adaptar el eje

Los bloques van con

exceso de material

y se taladran para

adaptar al eje

Longitud del cojinete y nmero

de talones segn necesidades

arbortante

Relleno del cojinete

reten

Casquillo

Aro

de cierre

Linea centro eje

Seccion z-z

o

10o

10

Inclinacin para facilitar la extraccin

aproximadamente a 1/16 por pie

El cubre juntas se rellena con sebo despus de instalarlo para proteger las bridas

de la accin del agua del mar.

La parte del eje que lleva la hlice se llama eje de cola. El primer trozo del eje

exterior se llama eje de bocina. En algunos casos todo el eje exterior est encerrado

en un taln de quilla inundable, que forma parte estructural del casco

(figura 11.6).


287


Taln de quilla

Mamparo

Caja de empaquetadura

AcoplamientoCojinete

Figura 11-6. Disposicin del taln de la quilla.

11.3 TORSIMETROS.

GENERALIDADES.

Como sabemos, el vapor acta en las turbinas dinmicamente, lo que las diferencia de

las antiguas mquinas alternativas en las que el vapor trabajaba estticamente. Es decir,

mientras en stas el vapor trabajaba por presin, en las turbinas lo hace por efecto de su

velocidad. La expresin "dinmicamente" nos indica que no slo interviene en

las turbinas la fuerza del vapor debido a su presin, sino que sta, en forma de

energa potencial, se convierte en energa cintica o velocidad del vapor.

En las turbinas, como en cualquier mquina trmica, es necesario conocer la

potencia efectiva desarrollada para determinar el margen disponible y sus

condiciones de eficiencia.

En las mquinas alternativas de vapor y en los motores de combustin interna,

es posible saber la potencia indicada con los diagramas de trabajo de los

cilindros, utilizando los indicadores y deduciendo la presin media de trabajo,

que con la constante del resorte del indicador y otros datos (carrera, dimetro

cilndrico y nmero de revoluciones por minuto) se deduce fcilmente dicha

potencia. Pero en las turbinas este mtodo no es aplicable y cualquier otro que

conduzca a determinar la potencia por el conocimiento del estado inicial y final


288

del vapor no es lo suficientemente exacto. De aqu que para determinar la

potencia efectiva de las turbinas se siguen dos mtodos:

- Determinar la potencia al freno en el eje (freno de Prony)

- Determinar la potencia por torsin del eje porta-hlice.

El primer procedimiento se emplea con mquinas auxiliares en el banco de

pruebas. Es de difcil aplicacin en los buques por falta de espacio, y est

fundamentado en el equilibrio de dos pares de fuerzas: el motor y el resistente.

El segundo procedimiento, ms factible de llevarlo a cabo en las instalaciones

de turbinas abordo de los buques, est basado en medir el ngulo de torsin (o de giro)

de un trozo de eje de longitud exactamente determinada cuando se le somete a un esfuerzo

sin que ste rebase nunca el lmite elstico del material; los ngulos girados son

proporcionales a los momentos o pares de torsin.

Los torsimetros (o torsimetros) son unos aparatos que tienen por objeto medir de un modo

u otro dicho ngulo de torsin.

Conocido este ngulo de giro , se determina la potencia.

Siendo:

P = Potencia efectiva.e

K = Constante del torsimetro.

= Angulo de giro, o ngulo de torsin.

N = Nmero de revoluciones por minuto del eje.

11.4 HLICES.

El dispositivo ms comn utilizado en los buques es la hlice de tornillo,

llamada as porque avanza en el agua de la misma forma que un tornillo lo hace

en la madera o en su tuerca. Con dicha hlice la distancia axial avanzada en cada

revolucin completa se conoce como "paso".


P = K. . Ne


289

Hay de todos modos, una diferencia entre la forma en que avanza una

hlice y el modo en que lo hace un tornillo en su tuerca. Dado que el agua no es

un medio slido, la hlice "resbala", de manera que la verdadera distancia

avanzada en una revolucin es menor que la terica. La diferencia entre la

real y la terica se llama "retroceso real" o "resbalamiento", y es igual a:

Donde:

S =Resbalamiento.

V =Velocidad del agua con la relacin a la hlice; o bien distancia, reala

recorrida en un minuto.

r.p.m. x paso = Distancia terica recorrida en un minuto.

Si se aplica la velocidad del buque en el agua, en lugar de la velocidad de sta

respecto a la hlice, el coeficiente de resbalamiento resultante se conoce como

"aparente", la diferencia se debe a la estela producida por el casco del buque.

11.5 CLASIFICACIN DE LAS HLICES.

Las hlices se pueden clasificar en general como hlices de paso fijo y hlices de

paso variable. El paso de una de las primeras no se puede variar mientras

trabaja. El paso de una hlice del segundo tipo se puede cambiar

continuamente mediante un control en el puente o en la sala de mquinas. La

mayora de las hlices son de paso fijo.

Una hlice esta formada por un ncleo y varias aspas espaciadas formando

ngulos iguales con el eje. Cuando las aspas se unen al ncleo formando una

pieza, la hlice se conoce como "hlice de una sola pieza o de aspas fijas". Cuando

las aspas se unen separadamente al ncleo mediante pernos y tuercas se

denominan "hlices de aspas independientes".

Como ya se dijo las hlices se pueden clasificar, en "hlices de paso fijo" y "de

paso variable". En una de las primeras el paso de cada radio es siempre el


S = 1 - V

a

r.p.m. x paso


290

mismo, en una de las segundas el paso de cada radio puede variar.

Sea AC (figura 11-7) una recta que se enrolla sobre un cilindro, manteniendo

constante su inclinacin respecto a la horizontal. Se obtiene una curva ABC

llamada hlice cilndrica regular o hlice de paso constante.


Figura 11-7 Hlice geomtrica.

B

D

0

D

0

r C

C1

E1

2 rA

C

E

El paso de la hlice en un punto ser:

H = 2 r . tg

La hlice considerada tiene el mismo paso en todos sus puntos y viene

representado en la figura como C'C1.

Si ahora enrollamos sobre el cilindro la curva AD'C' se obtiene una nueva

curva ADC, llamada hlice no regular o de paso variable, ya que el ngulo de

inclinacin de la hlice varia de un punto a otro y, por tanto, variara el paso de

un punto a otro. As en el punto D el paso seria H' =2 r tg . en otro punto

sera diferente al variar .

Las hlices de una sola pieza son las ms utilizadas en los buques.

Otra clasificacin, dependiendo del sentido de giro de las hlices, las divide

en "hlices de paso a la derecha" o dextrgiras y "hlices de paso a la izquierda" o


291

levgiras. Vistas desde atrs, con el buque dando avante. Una hlice dextrgira

gira en sentido de las agujas de un reloj y una levgira en sentido contrario. En

la gran mayora de los buques de una sola hlice, ste es dextrgira. En los

buques con varias hlices son dextrgiras las de estribor. Cambiando el

sentido de giro de una hlice se cambia el sentido del empuje y en

consecuencia el del movimiento del buque.

11.6. TRMINOS Y CARACTERSTICAS.

Algunos de los trminos utilizados en relacin con las hlices se pueden ver

en la figura 11-8.

El trmino "cara activa" identifica el lado de atrs de una aspas cuando el

buque va avante. El trmino "cara de succin", identifica la superficie opuesta a

la anterior. Cuando la hlice gira la cara activa de la aspa aumenta la presin

en el agua cercana a ella y le imprime un movimiento hacia popa. La cara de

succin crea una baja presin o rea de succin, justo a proa de la aspa. El

empuje total depende del aumento de velocidad del agua que resulta de la

diferencia de presiones creada.


Punta

Raz

Cara activaCara de succin

ngulo de entrada

B

Ncleo

Figura. 11-8 Aspa de una hlice.

La "raz" de la aspa es el lugar donde se hace solidaria con el ncleo.

El "borde de ataque" o "arista de entrada" es el que primero incide en el agua y

"borde de salida" o "arista de salida" el opuesto, cuando el buque va avante.


292

El "ngulo de lanzamiento" existe cuando hay una cada ya sea a proa o a popa,

esto es, cuando la aspa no es exactamente perpendicular al eje longitudinal

del ncleo. (Figura 11-9).


Y

Cara de succin

Arista de entrada

Proa

Radio de

Raz

Curvatura

de la

Cara

Cara de

presin

Desarrollo de la seccin

en el espesor mas normal a la

cara de presin

ngulo de lanzamiento

Figura. 11-9

El "ngulo de paso" de una hlice se puede definir como el formado por la aspa y

un plano perpendicular a la lnea central del eje. Si el ngulo de paso fuese 0 no

se formara ninguna sobrepresin en la cara activa de la aspa. Si, por el contrario,

fuese 90 toda la presin se ejercera hacia un lado y no hacia popa. Dentro de

ciertos lmites, la cantidad de empuje de reaccin de una hlice est en funcin

del ngulo de paso.

11.7 VELOCIDAD DE LA ASPA.

La velocidad hacia atrs transmitida al agua por el giro de la hlice es funcin

en parte de la velocidad a la que giran las aspas. En general, a mayor velocidad,

mayor empuje.

De todos modos, todos los puntos de un aspa que gira, no imprimen al agua la

misma velocidad, a no ser que la aspa esta especialmente diseada para ello.

Por ejemplo, consideremos la plana de la figura 11-10.


293


Z

M

A

Figura. 11.10

Los puntos A y Z se mueven con respecto al centro del eje con la misma

velocidad angular, pero con distinta velocidad lineal instantnea. La velocidad

lineal de Z mayor que la de . Con el mismo ngulo de paso, entonces, el punto

Z ejercer ms presin en el agua y desarrollar ms empuje que A.

En realidad, las aspas de una hlice no son planas, sino que estn diseadas

con superficies muy complejas (aproximadamente helicoidales) para conseguir

que cualquier superficie infinitesimal produzca el mismo empuje.

Como el punto Z tiene ms velocidad lineal que el A, el empuje en el tendr

que disminuirse, reduciendo el ngulo de paso en Z. De este modo, como la

velocidad lineal crece de la raz a la punta, y se pretende que cada rea

infinitesimal de aspas produzca el mismo empuje, es evidente que en una hlice

real debe de variar el ngulo de paso de la raz a la punta.

11.8 TAMAO DE LA HLICE.

El tamao de la hlice, es decir, la superficie total barrida por las aspas, tiene

un efecto definitivo en el empuje total que puede desarrollar la hlice.


294

Dentro de ciertos lmites, el empuje desarrollado aumenta con el dimetro y

el rea total de la aspa. Como en la prctica es imposible aumentar el dimetro

de las hlices por encima de ciertos lmites, el rea de las aspas se hace lo ms

grande posible, utilizando la mayor cantidad de aspas, segn las circunstancias.

Las ms utilizadas son las de tres y cuatro aspas.

11.9 DEDUCCIN DEL EMPUJE.

Debido al rozamiento del casco con el agua, sta es arrastrada hacia adelante

con aqul, adquiriendo as una velocidad avante. Este movimiento del agua

cercana al casco se conoce como estela. Como la hlice desarrolla su trabajo en

este medio de agua en movimiento hacia adelante, la velocidad hacia atrs que

la hlice proporciona al agua ser menor que si no hubiera estela. Como la estela

se mueve con el barco, la velocidad de avance sobre el agua es mayor que la

velocidad en la estela.

Al mismo tiempo la hlice expulsa agua de la popa del barco, creando un

vaco que tiende a impedir que el barco avance. El aumento de resistencia

debido a esta succin se conoce como deduccin del empuje.

11.10 NMERO Y COLOCACIN DE LAS HLICES

En un buque con una sola hlice, se coloca sta en cruja lo ms lejos posible,

para minimizar el factor de deduccin del empuje. En sentido vertical, la hlice

debe de colocarse a la profundidad necesaria, de modo que en aguas tranquilas

la hlice no salga del agua, pero suficientemente alta como para beneficiarse de

la estela. Tampoco ha de situarse tan alta que salga del agua con mucha mar, ya

que podra ocasionar un embalamiento de la maquinaria propulsora.

Un buque de dos hlices las tendr situadas una a cada lado, lo ms atrs posible

y con bastante distancia entre ambas, para evitar interferencias.Un buque de

cuatro hlices tiene las exteriores situadas ms a proa y encima de las interiores,

para evitar las interferencias entre flujos.


295

11.11 HLICES DE PASO VARIABLE

En algunos buques de nuestra Armada se utilizan hlices de este tipo.

Tienen la ventaja de dar al barco una gran maniobrabilidad, y proporcionar el

mximo empuje a cualquier nmero de revoluciones de la planta propulsora.

Un buque con hlice de paso variable necesita mucha menos distancia para

parar que si llevase hlice de paso fijo. Las hlices de paso variable son

especialmente tiles en embarcaciones de desembarco, ya que facilitan la

maniobra de mantenerse, entrar y salir de la playa.

Este tipo de hlices se pueden manejar indistintamente desde el puente o

desde la sala de mquinas, utilizando sistemas mecnicos o hidrulicos para

actuar sobre las aspas y hacer que stas modifiquen su paso. (Figura 11-11).


Engranaje

reductorServomotor

Control

de emergencia

Cmara de control

de mquinas

Interruptor de

transferencia

Cmara de control

en el puente de gobierno

Indicadores de

control en mquinaEje

Eje

Selenoides

Figura 11-11 Disposicin general de un sistema de control de paso.

El sistema hidrulico en la figura 11-12 es uno de los ms usados En este tipo,

un mecanismo de vlvula de posicin acta sobre una vlvula de control de

aceite. Esta vlvula de control permite que el aceite a presin entre por uno de

los dos lados de un pistn (que esta conectado a las aspas de la hlice) y al mismo

tiempo, descargue aceite del otro lado del pistn. Esta operacin hace que el

pistn adopte una posicin determinada y, por tanto, cambie el ngulo de

ataque de las aspas.


296

Algunas hlices de paso variable tienen sistemas mecnicos para efectuar los

cambios de paso. En estos diseos un tornillo sinfn y una cruceta sustituyen al

sistema hidrulico para transmitir las rdenes a las aspas. El par necesario para

que gire el tornillo sinfn lo proporciona un motor elctrico, o un sistema

neumtico.


Figura 11-12 Sistema hidrulico de control de paso.

nE

ngra

aje

reducto

r

En

rada

d

t

e

aceite

Em

pque

aur

at

da

Mov

mie

no

it

o

Aceite d

ere

trn

o

a

l

eA

sp

s d

eh

ic

Vis

ta d

e p

lanta

As

as

d

l c

ep

e

hi

vC

ha

eta

ranura

da

i u

ci

nA

ce

te d

el

bri

ac

Pis

ton

Se

vo m

oto

rr

Reto

rno d

e

et

ac

ie

Su

ns

r

em

ii

to

d

aeit

ap

es

ce

r

in


297


11.12. CAVITACIN Y VIBRACIONES

Uno de los mayores problemas que se presentan en las hlices es la "cavitacin".

Consiste en la formacin de un vaco en la cara de succin (lado de baja presin) de

una hlice que gira a una velocidad por encima de cierto valor crtico (que vara

dependiendo del tamao, nmero y forma de las aspas). La velocidad a la que

comienza la cavitacin es diferente para los distintos tipos de buques. La turbulencia

que se crea aumenta en proporcin a las r.p.m. de la hlice.

Cuando una hlice gira a gran velocidad, crea una corriente de flujo que se

desplaza tambin a excesiva velocidad. En estas condiciones la presin en la cara de

succin (lado de baja presin) se hace tan baja que puede alcanzarse la presin de

vaporizacin del agua, y formarse burbujas de vapor (figura 11-13).

Estas burbujas, desplazadas por el flujo de agua a una zona de mayor presin,

explotan rpidamente y producen un ruido de tono muy alto.

Como consecuencia de la creacin de espacios vacos durante este fenmeno las

partculas de agua se desplazan a gran velocidad. Para llenar tales espacios,

chocando violentamente con las aspas y sometindolas as a un martilleo que,

sumado a su accin electroqumica produce un efecto altamente erosivo y corrosivo.

El resultado final de la cavitacin es producir:

Alto nivel de ruido bajo el agua.

Erosin en las aspas.

Vibraciones que pueden ocasionar roturas por fatiga.

Prdida general del rendimiento de la hlice necesitndose mayor potencia para una

velocidad dada.

En cuanto a las vibraciones no siempre han de achacarse al fenmeno de

cavitacin. En la mayora de los casos pueden ser debidas a desequilibrios de la

hlice. Suciedad desigual en las aspas, mellas y algas.


298


Otro fenmeno que puede ocurrir es el conocido como hlice cantora.

Consiste en la produccin de un sonido cuya frecuencia suele hallarse en la zona

audible ms baja y que se puede or a gran distancia. Tiene su origen en las

vibraciones de los bordes de salida y partes ms exteriores de las caras de ataque

producidas generalmente por fuerzas hidrodinmicas. Se corrige, en la

prctica, adelgazando los bordes de las aspas.

Figura. 11-13 Cavitacin.


11.13 MATERIALES EMPLEADOS EN LA CONSTRUCCIN DE

HLlCES.

Las propiedades del material elegido para la construccin de hlices son, en

lneas generales, las siguientes:

- Ha de satisfacer las cualidades mecnicas (dureza,elasticidad) impuestas en

proyecto.

- Ser resistente a la corrosin del agua del mar y a la erosin.

- Ha de ser adecuado para maquinar fcilmente la compleja forma de la hlice.

- Ante una posible avera debe de ser fcil de enderezar soldar e incluso fundir con

nuevos trozos.

Los materiales ms empleados son:

Fundicin gris.

Tiene la ventaja de ser econmica pero es poco resistente a la fatiga y a la

corrosin, lo que obliga a fabricar hlices de mucho peso y poco rendimiento.

Ha cado en desuso.

Fundicin maleable al nquel.

Tiene la ventaja de ser maleable y de mayor resistencia a la corrosin.

Bronce al manganeso.

Es la ms comn por su resistencia y tenacidad a la corrosin. Puede ser:

- Bronce al manganeso blando, con propiedades de poder doblarse sin

romperse y adems apto para efectuar excelentes soldaduras.

- Bronce al manganeso duro; con mayor tendencia a agrietarse, pero con

propiedades de mayor resistencia a la traccin que el anterior.

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- Bronce al nquel-manganeso; igual que el anterior con adiciones de nquel, que le

da mejores propiedades fsicas y mayor resistencia a la corrosin.

Bronce al aluminio.

De gran resistencia a la corrosin (mejor que el bronce al nquel-manganeso) y

buena ductilidad en un tratamiento trmico previo. Este ltimo no hace falta si se le

adicionan ciertos elementos. As se usan:

- Bronce al nquel-aluminio, quizs el mejor material que se dispone para hlices

marinas. Tiene una gran resistencia a la erosin por cavitacin.

- Bronce al aluminio-manganeso; que es una aleacin de mejores propiedades que

todas las anteriores, y adems resulta ms econmica, pero tiene un gran

inconveniente en sus reparaciones (por ejemplo, las soldaduras): es muy

sensible al calor.

Acero de baja aleacin.

De elevada resistencia, es muy sensible a la erosin por cavitacin y a la corrosin. Es

de aplicacin en hlices de remolcadores, rompe-hielos, etc., en los que su resistencia

al impacto y la tenacidad que presenta, compensa su escasa resistencia a la corrosin.

Se prestan a reparaciones y soldaduras, pero por su mayor espesor (las hlices de este

material son ms gruesas) presenta dificultades para el enderezado de las aspas.

Acero Inoxidable.

Todava no muy experimentado, para determinar su preponderancia.

11.14 LIMPIEZA, DESMONTAJE Y REPARACIONES DE LAS HLlCES.

La suciedad o el deterioro de una hlice ejercen gran influencia en la resistencia friccional y

exige mayor potencia para un determinado nmero de revoluciones, que cuando est limpia o no

sufre deterioro alguno.

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Las hlices pueden limpiarse:

- Cuando el buque entra en dique.

- Estando el buque a flote por los servicios de reparaciones mediante ataguas

(dique de carcter provisional, formado por tablas y sostenido por estacas de

madera o pilotes mecnicos).

- Recurriendo a los buzos tambin con el buque a flote cuando se observe que la

hlice est muy sucia, debido a la inactividad del buque o a las condiciones del

agua.

Despus de entrar en dique o de tener la hlice en la atagua, deben de quitarse los

crustceos adheridos con cepillo de pas metlicas.

Las hlices de bronce una vez limpias, se pulimentarn con esmeril fino. Si el buque

ha de reintegrarse inmediatamente a su operatividad, no se aplicar a las hlices

proteccin alguna. Pero si por el contrario, ha de estar inactivo durante un periodo

de tiempo apreciable despus de salir de dique, se dar a las hlices una capa de

compuesto preventivo antioxidante o de sebo. Cuando el buque salga de dique, pero

haya de volver a entrar antes de reanudar el servicio, se puede dar a las hlices el

mismo nmero de capas de pintura de igual clase que al fondo del buque.

Las picaduras y partes speras de las hlices de hierro fundido se limpiarn

detenidamente y se rellenarn de cemento antes de pintarlas. La calidad de la

pintura y el nmero de capas sern las mismas que para el fondo del buque.

Respecto a las hlices de paso variable es preciso consultar previamente las especiales

instrucciones referentes a su funcionamiento y conservacin, antes de proceder a su

reparacin.

En el desmontaje de la hlice para examinar el eje de cola cuyas hlices no disponen de

cajas de empaquetadura en la cara de proa fallan en la unin del cono con la camisa

de bronce.

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Las hlices instaladas as tienen que desmontarse en cada entrada en dique

para examinar los ejes por si tuviesen corrosiones y grietas. En el espacio anular

se colocar una empaquetadura o anillo obturador de goma para limpiar la entrada

de agua al cono del eje y evitar las corrosiones, tal como se observa en la figura

11-14.

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Cabo de hlice

Manguito de eje

L.C. del eje

Empaquetadura de goma

14

15

Fig. 11-14 Detalles del eje.

Para el desmontaje de las hlices laterales se sigue el siguiente procedimiento:

- Se quita la tuerca de la hlice. Al desmontar o colocar la tuerca de la hlice

es conveniente disponer de un puntal desde el fondo del dique hasta una

de las aspas cerca de la raz con objeto de que resista los golpes que se dan

al meter la tuerca y al mismo tiempo impida que las sacudidas

correspondientes se transmitan a los engranajes reductores y rotores.


- Se coloca un extractor en el extremo del eje.

- Se introduce un trozo de metal blando entre el extractor y el extremo del

eje, para evitar algn deterioro en las roscas del eje.

Se introducen los pernos del extractor en los orificios practicados en la cara

del ncleo o cubo (si los hubiese). Si no existen, se engancharn los pernos en los

bordes de la aspa, o se atornillarn a unos travesaos colocados en la cara de

proa de las races de las aspas.

- Se apretarn las tuercas del extractor hasta que la hlice se mueva o el

esfuerzo sea el mximo que el extractor pueda soportar.

- Si an as, no es posible mover la hlice, se aplicar calor para que se

dilate el ncleo. Debe de tenerse la precaucin de cubrir con amianto las

partes descubiertas del eje prximas a la hlice. Se quitarn los tapones

que cubren los orificios existentes en el ncleo y el casquete. Se aflojarn

todas las chapas de recubrimiento para que pueda escapar el vapor.

Para aplicar calor, lo mejor es usar dos sopletes grandes, uno por cada lado del

ncleo. Si no se dispone ms que de uno, se pasar la llama alrededor del ncleo

para que el metal se recaliente y se dilate uniformemente. Los ncleos no deben

de someterse nunca a recalentamientos excesivos para meter la hlice en conos

que no ajustan bien. Los esfuerzos de contraccin que se producen al enfriarse

el metal, pueden originar fisuras, debido a la susceptibilidad del bronce al

manganeso a la corrosin por tensiones trmicas.

Para quitar la hlice en los barcos de un solo eje se proceder as:

- Meter un calzo entre la brida del eje de cola y la brida de la bocina, a fin de

evitar esfuerzos excesivos en las chumaceras principales.

- Quitar la tuerca de la hlice, como ya queda descrito en el caso anterior.

- Rellenar el espacio existente entre el ncleo de la hlice y el codaste con

bloques metlicos y un par de cuas de metal. Se utilizarn dos juegos de

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cuas, uno en la parte superior del eje y otro debajo de ste.

- Meter desde ambos lados una de las cuas de cada par.

En cuanto a las reparaciones en las hlices, hay que decir que cuando el barco entra

en dique las hlices deben de examinarse cuidadosamente procediendo a la

correccin del ms ligero defecto que se presente. Las reparaciones que se

pueden efectuar con la hlice en el eje son la correccin de pequeas averas en

las aristas de las aspas y la eliminacin de ligeras corrosiones y erosiones. Para

reparaciones importantes se enviar la hlice al taller donde se determinar la

importancia de la avera y despus se corregir para dejarla a las dimensiones y

caractersticas nominales.

He aqu las principales averas y como repararlas:

La corrosin.

Es un ataque qumico o electroqumico de la superficie de la aspas que

aumenta si el agua est contaminada originando picaduras en las aspas y

comiendo los electrgenos protectores. Si el ataque es grande, se producen

grietas y la superficie del aspa se torna rugosa, con efectos perniciosos de

prdidas de rendimiento e incluso de espesor.

La erosin.

Es un ataque mecnico de la superficie del metal por anormalidades del flujo

de agua sobre las aspas. Puede ser causada, como ya se estudi, por cavitacin o

por un mal proyecto de las aspas. Este ataque produce cavidades,

frecuentemente de apreciable profundidad, que pueden repararse por

soldadura.

Las incrustaciones.

Consisten en el desarrollo de organismos marinos sobre las aspas. Crecen

cuando la hlice se encuentra parada durante largos periodos de tiempo en

aguas propensas al desarrollo de aqullos, originando una prdida de

rendimiento al presentar las aspas superficies rugosas.

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Enderezado.

Para enderezar las torceduras moderadas o rectificar los bordes curvados, se

ha comprobado que lo mejor es martillarlas por el lado cncavo, con martillo de

aire comprimido y herramienta de calafatear de borde redondo. Despus de

hacer esto, es necesario recocer las aspas, si las secciones son grandes.

Reparaciones con soldadura.

Cuando las reparaciones requieran mucha soldadura, la clase de esta y el

cuidado necesario dependen del punto del aspa en que se hagan. Las secciones

de la raz estn sometidas a grandes esfuerzos y por consiguiente, es preciso que

la parte reparada tenga, aproximadamente, igual resistencia que antes. Los

esfuerzos decrecen hacia la punta, siguiendo aproximadamente una ley lineal.

Cuando es necesario sustituir secciones grandes, es preferible utilizar chapas de

bronce al manganeso fundidas, de composicin semejante al primitivo, que se

soldan en el lugar correspondiente.

Cuando se efectan reparaciones importantes en las hlices, o son de tal

naturaleza que requieren mucha soldadura, maquinado o cincelado para

obtener las dimensiones nominales, hay que tener en cuenta que, debido a los

grandes esfuerzos a que estn sometidas las secciones de la raz, debe de

emplearse un procedimiento de soldadura fiable para lograr soldaduras

resistentes, libres de esfuerzos residuales. Las reparaciones ms sencillas, como

picaduras producidas por cavitacin, influyen poco en la resistencia de estas

secciones y pueden soldarse mediante cualquier mtodo conocido. No se

aconseja usar aleacin de soldadura fuerte con plata o cualquiera otra aleacin

de baja temperatura, ya que la dureza de estos materiales sera insuficiente para

resistir la accin erosiva del agua del mar a gran velocidad.

Los mtodos recomendados para reparar hlices por soldadura, basados en las

oportunas investigaciones realizadas en los astilleros, son los siguientes:

I. Procedimiento de flujo de metal en fusin.- Este mtodo da resultados

satisfactorios para reparaciones importantes. El sistema conocido tambin

por fundido interior, consiste en introducir en la unin metal fundido, de

composicin qumica aproximadamente igual a la del metal base que

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sustituye al metal primitivo. Forma al solidificarse un elemento continuo. La

o

temperatura mnima debe ser de 1010 C y se efecta en un molde

apropiado.

II. Mtodo de soldadura de capas mltiples con gas.- Es una tcnica apta para

reparaciones de mayor o menor importancia en las hlices de bronce al

manganeso. Los bordes se cortan en bisel para formar una entalladura de

o

soldadura en V sencilla de 75 (si el espesor es de pulgada y media) y en

o

doble V de 75 (si el espesor es mayor). Se utiliza una varilla de soldadura

de bronce de suficiente dimetro para las dimensiones de la seccin que se

repara, con fundente apropiado para soldadura fuerte. Es fundamental el

regular cuidadosamente la llama oxidante, a fin de conseguir soldaduras

satisfactorias. El metal de soldadura se deposita en pequeas capas.

III. Mtodo de soldadura por arco metlico.- Se usan electrodos con revestimiento

de bronce aluminio (90% Cu, 10% Al). Debido a la susceptibilidad de las

aleaciones de cobre-zinc a la corrosin, producida por los esfuerzos de

tensin o agrietamiento, es preciso reducir los ocasionados por la

contraccin de la soldadura, pues de lo contrario la hlice estar expuesta a

agrietarse despus de ponerla en servicio. De las recientes experiencias se

o

deduce que el recalentamiento local por encima de 205 C y mejor an

o o

entre 3l5 C y 427 C, evita que se acumulen tensiones de esfuerzos

perjudiciales y puede no hacer falta el recocido.

Se considera que en las soldaduras con flujo de metal en fusin y las

grandes soldaduras con gas el recalentamiento previo se hace

automticamente y el enfriamiento lento basta para lograr el recocido. Sin

embargo, todas las soldaduras al arco y las pequeas soldaduras con gas,

deben calentarse previamente y dejarlas enfriar despacio utilizando un

soplete separado o mediante cualquier otro medio apropiado. Si se

considera preferible recocer despus de soldar, se recomienda calentar

o

lentamente hasta unos 400 C y mantenerlos durante una hora, como

mnimo por pulgada de espesor del metal en la zona soldada, despus se

o

dejar enfriar despacio hasta por debajo de los 110 C y finalmente se

puede refrigerar con aire.

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Debe tenerse la precaucin, durante las operaciones de precalentamiento,

soldadura o recocido, de que la hlice debe de estar debidamente apoyada

para evitar su distorsin o alabeo. Despus de una reparacin importante,

es preciso efectuar las pruebas que citen las instrucciones al efecto, as

como el equilibrado esttico y dinmico de la hlice.

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