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Jan 17, 2024

Evaluación experimental del efecto de los parámetros de posicionamiento y operación sobre el desempeño de una superficie.

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18566 (2022) Citar este artículo 913 Accesos Detalles de métricas Hoy en día, las hélices que perforan la superficie han sido reconocidas como una opción adecuada para aplicaciones más altas.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 18566 (2022) Citar este artículo

913 Accesos

Detalles de métricas

Hoy en día, se ha reconocido que las hélices de perforación de superficie son una opción adecuada para velocidades más altas. Sin embargo, el desarrollo de algoritmos de diseño para estos se ha visto desafiado por un conocimiento insuficiente sobre los parámetros que afectan su desempeño. Por esta razón, es crucial desarrollar datos experimentales y estudiar la influencia de varios parámetros en su desempeño. Con el objetivo de desarrollar el conocimiento experimental de estas hélices, este estudio investiga el impacto de los parámetros de posición y el número de Froude en los resultados de las pruebas del modelo de una hélice diseñada a medida. Además, se estudió el desarrollo de la estela de ventilación con diferentes números de Froude. Los resultados experimentales señalaron el impacto favorable de una mayor relación de inmersión en el empuje de la hélice, un impacto positivo de aumentar el ángulo de inclinación en 6° sobre un mayor empuje y eficiencia en la dirección de avance, y un ligero aumento del empuje con mayores ángulos de guiñada de hasta 10°. °. También se extrajeron las fuerzas laterales de la hélice en diferentes posiciones y condiciones operativas para identificar el comportamiento de la hélice y diseñar el eje y soportes requeridos. Finalmente, las ecuaciones de regresión para proyectar los coeficientes hidrodinámicos utilizadas en la fase de diseño fueron comparadas y verificadas por los resultados experimentales. Los resultados apuntaron a la precisión insuficiente de este modelo para estimar los coeficientes hidrodinámicos que afectan a la hélice.

La noción de utilizar sistemas de propulsión de superficie y hélices perforantes de superficie (SPP) se inició por primera vez para la propulsión de embarcaciones de poco calado1, ya que el proceso de aumento de velocidad en las hélices convencionales produce dos factores perjudiciales en el rendimiento de la hélice: (1) la cavitación, que es ampliamente adverso, y como no puede ignorarse a altas velocidades, se considera el fenómeno de supercavitación en la superficie de succión del álabe. Esta solución ha evitado el impacto negativo de las microburbujas pero al mismo tiempo ha disminuido la eficiencia de la hélice al limitar la presión detrás de la pala a la presión del vapor de cavitación; y (2) a altas velocidades, la fuerza de arrastre hidrodinámica aumenta en la estructura protectora de la hélice y el eje, lo que reduce así la eficiencia del sistema. Para abordar estos problemas, los diseñadores de embarcaciones de alta velocidad cambiaron la posición instalada de la hélice de manera que la línea del eje estuviera alineada con la línea de calado de la embarcación. Aquí, cada pala gira en la interfaz entre el agua y el aire, lo que proporciona el fenómeno de ventilación en la parte posterior de la pala que evita la cavitación. En este sistema de propulsión, una parte de la hélice es el único componente que entra en contacto con el agua, lo que reduce drásticamente la resistencia de las partes del sistema2. De esta manera, la velocidad final y la eficiencia aumentan al tiempo que disminuye el consumo de combustible. Otras ventajas del uso de hélices que perforan la superficie incluyen una mayor capacidad de transporte por unidad de potencia, la posibilidad de aumentar el diámetro de la hélice debido a su distancia desde la popa y ángulos de eje flexibles, que controlan la elevación y la fuerza lateral y dan como resultado una mejor maniobrabilidad.

A pesar de las ventajas mencionadas de tales sistemas de propulsión, los investigadores se han visto obstaculizados por la complicada física y el flujo multifásico alrededor de las hélices para obtener una comprensión completa del impacto de diferentes parámetros en su rendimiento y, por lo tanto, idear un método estándar (similar a los que desarrollado para hélices convencionales) para diseñar sus geometrías para el rendimiento previsto. Un conocimiento tan insuficiente daría lugar a costes adicionales. La información publicada sobre hélices que perforan la superficie solo incluye geometrías limitadas y la información no es completamente accesible debido al campo de aplicación limitado. Cualquier esfuerzo para diseñar este tipo de hélices ha implicado un proceso de prueba y error o ha seguido los estudios experimentales realizados hasta ahora3.

En el intento de identificar parámetros efectivos en el diseño y desempeño de las SPP, se han realizado diferentes estudios experimentales, que se pueden dividir en dos grupos de estudios enfocados a identificar los parámetros efectivos en el proceso de prueba experimental y aquellos que estudian el impacto de diferentes Parámetros sobre el rendimiento de hélices perforadoras de superficie.

Los datos hidrodinámicos relacionados con el rendimiento de la hélice generalmente se obtienen mediante métodos experimentales y pruebas de modelos a escala en túneles de agua o tanques de remolque, mientras que las hélices a escala real rara vez se prueban por razones económicas. Por lo tanto, hasta el momento se han llevado a cabo algunos estudios experimentales para determinar los requisitos para la prueba del modelo SPP. En este sentido, Shiba introdujo números adimensionales efectivos en la cavidad de ventilación y demostró que para números de Weber superiores a 180, la ventilación de la hélice y la relación de avance crítica se comportarían independientemente de la tensión superficial4. Luego, Hadler y Hecker identificaron áreas de ventilación total y parcial en varios SPP de 3 aspas5. Observaron que se formaba ventilación de aire en el borde de la pala dentro del área de ventilación parcial, lo que aumentó la relación de elevación a resistencia y la eficiencia de la hélice. Pero con ventilación total, la cavidad de aire cubre toda la parte trasera de la hoja y disminuye seriamente la eficiencia del SPP. Shields demostró que el comportamiento hidrodinámico de una hélice supercavitante con números de Froude superiores a 4 es independiente de este número, mientras que números de Froude más bajos aumentaban la fuerza sobre la pala6. Kruppa también introdujo el número de Froude y el número de cavitación como un parámetro eficaz para generalizar los resultados de las pruebas del modelo a hélices a gran escala7. Brandt investigó las cavidades de vapor en SPP que operan en áreas total o parcialmente ventiladas e identificó el efecto de diferentes números adimensionales en subregímenes del patrón de flujo de SPP8. Después de eso, utilizando cambios de presión superficial en el túnel de cavitación, Rose et al. evaluaron las fuerzas laterales y los coeficientes hidrodinámicos de un SPP adaptando el número de cavitación del modelo y las hélices a escala real. Descubrieron que a profundidades de inmersión más bajas, la relación fuerza vertical-empuje disminuía y la relación fuerza lateral-empuje aumentaba9. Además, con una prueba experimental sobre tres SPP, Ferrando et al. observaron que el número de Weber afecta la relación de avance crítico y juega un papel importante en los coeficientes hidrodinámicos dentro del área de ventilación completa10. En 2007, Pustoshny et al. introdujeron los rangos de independencia de los números de Reynolds, Froude y Weber en una investigación del desempeño de una hélice de cinco palas en un tanque de remolque11. De manera similar, Ding estudió el rendimiento de hélices de 6 palas con diferentes relaciones de paso y demostró que con números de Froude superiores a 3,5, el comportamiento de la hélice era independiente del número de cavitación12.

Además de determinar los requisitos de prueba del modelo de hélice, otros investigadores intentaron identificar el efecto de diversos parámetros geométricos y posicionales en el rendimiento de la hélice y encontrar relaciones sistemáticas entre ellos. En este sentido, Hecker estudió el rendimiento de un SPP de 8 palas en diferentes profundidades de inmersión y ángulos de inclinación y guiñada del eje, y señaló las relaciones de inmersión como el parámetro más eficaz para aumentar la fuerza de sustentación de la hélice13. Además, en la prueba de rendimiento de un SPP de 8 palas, Alder y Moor encontraron que cambiar el ángulo de guiñada aumentaba la eficiencia de la hélice14. En otro estudio, Shaozong et al. analizaron el comportamiento de los hidroalas con diferentes secciones15, y sus resultados fueron similares a los de Hadler y Hecker5. En un estudio exhaustivo, Olofsson evaluó el rendimiento hidrodinámico de la hélice de 4 palas (841b) en varios ángulos de eje y orientación conectando un transductor a la pala en el cubo. también estudió los efectos de Froude y los números de cavitación en varias áreas de la curva del SPP16. Kikuchi et al. consideraron el impacto del ángulo de inclinación del eje en tres SPP con diferentes relaciones de paso y diferentes relaciones de avance17. En un estudio realizado por Okada et al., centrado en identificar parámetros efectivos para promover el rendimiento en áreas de baja velocidad y modo inverso, se comparó el rendimiento de tres SPP con diferentes secciones de pala. Sus resultados indicaron que la forma del borde de salida de la pala era más efectiva en el modo inverso18. Basándose en las fuerzas y pares promediados en el tiempo y en el historial temporal de los SPP de 4 y 5 palas, Dyson concluyó que el número de palas y el ángulo de inclinación afectan el rendimiento de la hélice. Además, desarrolló un modelo de carga transitoria para SPP19. Utilizando galgas extensométricas conectadas a la superficie de la pala, Nozawa y Takayama analizaron las tensiones superficiales y el rendimiento de cuatro tipos de hélices de tres palas con diferentes relaciones de paso en diferentes ángulos de eje y relaciones de inmersión20.

En un intento por definir una ecuación de regresión entre coeficientes hidrodinámicos, ángulo de paso y relación de avance, Ferrando et al. estudiaron los impactos del ángulo del eje, la profundidad de inmersión y la relación de paso en el rendimiento de hélices de 4 y 5 palas2. De manera similar, Montazeri y Ghassemi, utilizando datos experimentales disponibles, establecieron ecuaciones de regresión para los coeficientes hidrodinámicos del SPP21. Lorio consideró los impactos de la profundidad de inmersión y los ángulos de inclinación del eje, así como el ángulo de orientación del eje, en el rendimiento de una hélice de 4 palas en un tanque de remolque, y anunció que ambos ángulos del eje eran efectivos en el rendimiento de la hélice22. En comparación con las ecuaciones de regresión de Ferrando, observó una gran diferencia en las estimaciones de los coeficientes en las altas relaciones de avance, que puede atribuirse a la relación de paso de las palas. Misra et al. llevaron a cabo un estudio experimental sobre el rendimiento de hélices de 4 palas con diferentes geometrías de copa y sección de borde de salida en diferentes relaciones de avance. Sus resultados señalaron el considerable efecto de la copa en la generación de empuje de la hélice. Además, utilizaron redes neuronales artificiales para formular resultados de pruebas de hélices en diferentes condiciones23. En los últimos años, Shafaghat et al. (2019) analizaron los resultados de las pruebas correspondientes a una hélice de 5 palas con diferentes ángulos de inclinación del eje y relaciones de inmersión y los compararon con los coeficientes hidrodinámicos obtenidos mediante las ecuaciones de regresión de Ferrando y Ghasemi24. Los resultados mostraron que los parámetros geométricos y de posición de cualquier hélice pueden afectar la precisión de estas ecuaciones. Por lo tanto, es necesario seguir desarrollándolos y estudiándolos para diferentes geometrías e identificar los parámetros efectivos. Por último, Amini et al. Estudió el efecto de la aireación forzada detrás de un SPP25. Descubrieron que el rendimiento mejorado de la hélice disminuía a medida que aumentaba la relación de inmersión, mientras que el área relacionada con el rendimiento mejorado se atraía hacia coeficientes de avance más altos.

La naturaleza costosa y desafiante de las pruebas de hélices a gran escala en condiciones reales para verificar los diseños de SPP, evaluar su rendimiento y estudiar los parámetros efectivos al instalar la hélice en el buque resalta aún más la importancia y la necesidad de probar los modelos de hélices bajo parámetros de posición. El presente estudio investigó el comportamiento hidrodinámico de una hélice perforadora de superficie de 4 palas diseñada a medida con una sección de pala especial. Esta hélice fue diseñada con un diámetro de 60 cm para crear una velocidad de 40 nudos y un empuje de 12 kN, basándose en la información experimental disponible y las ecuaciones de regresión cuadrática de Ferrando. A los efectos de esta investigación experimental, se utilizó el mecanismo de bucle de flujo SPP de sección abierta de Hydrotech (Instituto de Hidrodinámica Aplicada y Tecnologías Marinas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán) para probar el modelo de hélice26. Para el ensayo del modelo, el mecanismo de ensayo del modelo IUST se ha basado en un equilibrio estático multicomponente para medir las fuerzas y el par de la hélice, y controlar la posición de la hélice en tres direcciones diseñadas y calibradas. Utilizando este mecanismo, en primer lugar, se investigó el efecto del número de Froude sobre los coeficientes hidrodinámicos de la hélice modelo y se estudió su área de independencia dentro de los rangos propuestos por otros investigadores. Luego se investigó el efecto de los parámetros posicionales, como la relación de inmersión en el rango de 0,3 a 0,75, el ángulo de guiñada y el ángulo de inclinación del eje de hasta 10°, sobre los coeficientes hidrodinámicos y las fuerzas laterales ejercidas sobre la hélice en diez relaciones de avance diferentes. . Además, al fotografiar la hélice en una relación de inmersión de 0,4, se analizó el desarrollo de la ventilación y la estela en los Froude números 2 y 4. Los resultados de las pruebas de rendimiento finalmente se compararon con los valores estimados de la fase de diseño.

La Norma ITTC estipula que el rendimiento de las hélices perforadoras de superficie se puede predecir probando modelos a escala, similares a las hélices convencionales en túneles de agua o tanques de remolque27. Las pruebas del modelo se diseñan bajo leyes de similitud entre la escala completa y las condiciones del modelo, y luego los resultados se generalizan a la hélice real.

Sin embargo, la determinación de las condiciones de prueba y el estudio de los impactos de escala en las pruebas modelo para SPP se diferencian de las hélices convencionales debido al funcionamiento en la interfaz entre agua y aire y la consiguiente mayor ventilación en dichas hélices. Para generalizar los resultados, es necesario satisfacer condiciones de similitud geométrica, dinámica y cinemática.

Los parámetros básicos pertenecientes a una hélice deben considerarse en condiciones de flujo uniforme y mar abierto frente a la relación de avance. Dichos coeficientes se pueden definir en términos de las fuerzas que afectan a la hélice, de la siguiente manera28,29:

Los coeficientes hidrodinámicos de un SPP dependen de numerosos parámetros que se pueden dividir en tres categorías generales: la primera incluye parámetros de posición (ver Fig. 1) que se relacionan con la posición de la hélice desde la superficie libre y la dirección del flujo de agua, como el ángulo de inclinación \((\mathrm{\alpha })\), la orientación del eje \((\uppsi )\) y la relación de inmersión de la punta (\({I}_{T}\)).

Parámetros de posición de un SPP contra superficie libre (Solidworks 2014, https://www.solidworks.com).

La segunda categoría se compone de parámetros geométricos relacionados con las geometrías del cubo y de las palas, como el diámetro (\(\mathrm{D}\)), la relación de paso \((P/D)\), el número de palas (\(\mathrm{ Z}\)), relación de área expandida (\(\mathrm{EAR}\)), distribución del ángulo de inclinación, ángulo de inclinación y sección de la hoja. La tercera categoría incluye parámetros operativos que dependen de la física y las características del flujo de agua, como la velocidad, la presión ambiental y la velocidad de rotación de la hélice, que se expresan como números adimensionales de Weber, Froude, Reynolds y cavitación.

Los números adimensionales de Weber, Froude, Reynolds y de cavitación se reconocen como parámetros de similitud dinámica de las hélices. Sin embargo, es imposible mantener la misma similitud de todos estos números entre el modelo de prueba y la hélice a escala real (excepto por la relación de escala \(=1\)). Los investigadores han ofrecido diferentes definiciones para estos números en términos de velocidades de rotación o avance de la hélice o diferentes parámetros de longitud, y al considerar el impacto de cada uno en el rendimiento de los SPP, se pueden definir áreas independientes de esos números bajo ciertas condiciones y características de prueba. así ser extraído. Desafortunadamente, todavía no se ha propuesto ningún enfoque global establecido para el estudio preciso del desempeño de los SPP y los principales parámetros adimensionales relevantes. Todavía se siente la necesidad de considerar tales condiciones y generalizarlas a diferentes geometrías27.

El rango de independencia del número de Reynolds ha sido definido en dos modos por Shiba4 y el Instituto KSRI, Rusia11, como se presenta en la Tabla 1. Según Shiba, el número de Weber afecta el área transitoria y la relación de avance crítico. Si \({W}_{n}\ge 180\), esa relación de avance crítico (\({J}_{\mathrm{cr}}\)) será independiente del número de Weber. Brandt8 introdujo el número de Weber basado en la velocidad (\({W}_{nD}\)) y consideró que su rango de independencia era 200 para todas las fases. Ferrando sugirió la ecuación del número de Weber corregida (\({{W}_{n}}^{^{\prime}}\)) según la Tabla 1, considerando que el valor del número de Weber depende de características geométricas, como la relación de paso de la hoja10.

El número de Froude es otro parámetro eficaz para el rendimiento de la hélice y varios estudios han considerado su impacto en el rendimiento del SPP. Como se menciona en la Tabla 1, Shiba y Olofsson introdujeron este número a través de las ecuaciones \(F{r}_{n}\) y \({Fr}_{nD}\), respectivamente, en función de la longitud fija del diámetro de la hélice. y la velocidad de avance o rotación de la hélice, y cada uno definía un rango independiente diferente4,16. De hecho, Shiba consideró que \(F{r}_{n}<3\) era efectivo dentro del área de ventilación completa, mientras que Olofsson describió el impacto de \({Fr}_{n}\) dentro de su rango de independencia en áreas de ventilación total y parcial como insignificantes. Además, Brandt introdujo el número de Froude \({Fr}_{n{h}_{s}}\) en términos de longitud variable de la profundidad de inmersión, y lo mantuvo como ineficaz en el área de ventilación total8. Ding procedió a definir \(F{r}_{nD}\ge 3.5\) como el rango independiente de comportamiento de la hélice para todas las áreas12 y el Instituto KSRI propuso de manera similar \(F{r}_{n}>3.5\) como el rango de independencia11.

El número de cavitación para hélices que perforan la superficie se define mediante la ecuación. (6), también se conoce como parámetro efectivo sobre el desempeño:

Para controlar el número de cavitación en las pruebas del modelo y obtener similitud con las condiciones a escala real, es necesario ajustar y controlar la presión de la superficie libre de agua con equipos de control de presión. Por otro lado, varios estudios han señalado una correlación entre los efectos del número de cavitación y el número de Froude. Shiba introdujo \(F{r}_{n}\ge 3\) como el rango de independencia para el número de cavitación. Brandt, Olofsson y Ding también demostraron que el comportamiento de la hélice dentro del rango de independencia sugerido es independiente del número de cavitación en números superiores a 112,16. La presente investigación consideró los rangos máximos de independencia mencionados en la Tabla 1 y determinó una escala adecuada para el modelo de hélice acorde con las instalaciones de laboratorio relevantes.

Estas ecuaciones incluyen el número de pala (\(\mathrm{Z}\)), velocidad de avance (\(\mathrm{V}\)), viscosidad cinemática (\(\upnu\)), longitud de cuerda de \(0.7\ mathrm{R }(\mathrm{C}0.7)\), relación de área superficial (\(\frac{{A}_{e}}{{A}_{o}}\)), coeficiente de tensión superficial (\ (\upsigma\)), profundidad de inmersión (\({h}_{s}\)) y rotación de la hélice (\(\mathrm{n}\)).

Entre las aplicaciones más importantes de los túneles de agua se encuentran la medición de las fuerzas hidrodinámicas que afectan a los objetos flotantes o sumergidos en el agua y el estudio de la física del flujo que los rodea. El túnel de agua de sección abierta en el IUST fue diseñado en base a estudios hidrodinámicos del flujo en diferentes zonas con el fin de obtener condiciones adecuadas en el tramo de prueba. El túnel (Fig. 2) estaba compuesto por una sección abierta (250 × 200 mm), con un rango de velocidad del agua de \(2\mathrm{ a }10\)m/s; la sección de prueba era un área abierta, de 1,5 m de largo a presión atmosférica, que albergaba la hélice para fines de prueba, mientras que las paredes de plexiglás de esta sección permitían fotografiar el agua de la hélice. La tubería de transferencia incluía una válvula de derivación para regular la velocidad del flujo de agua y un caudalímetro magnético para medir y registrar el caudal instantáneo.

Túnel de agua de sección abierta en IUST.

La configuración de prueba presentada en la Fig. 3 fue diseñada para la prueba del SPP en el túnel de agua de sección abierta26. Incluía tres módulos principales: el primero era la regulación de la posición, capaz de ajustar la profundidad de inmersión y el ángulo del eje contra la dirección del flujo en dos planos horizontales y verticales. El sistema era capaz de proporcionar un ángulo de inclinación y un ángulo de guiñada de \(0^\circ -10^\circ\) y cambiaba la profundidad de inmersión hasta el 100%. El segundo módulo es la transmisión de potencia al eje de la hélice, incluido un motor de caja de cambios con revoluciones ajustables hasta 3800 RPM. El motor estaba conectado al eje de la hélice mediante una correa y una polea.

Configuración de prueba SPP.

La medición de las cargas ejercidas sobre el SPP se realizó mediante el tercer módulo, utilizando un sistema dinamómetro de 4 componentes basado en el sistema de coordenadas del modelo y alineado con el eje de la hélice. El dinamómetro constaba de balanzas de fuerza de 2 componentes para medir las fuerzas laterales y de sustentación, una balanza de 1 componente para medir la fuerza de empuje sobre la hélice y una celda de carga tipo S para medir el par de reacción de la hélice. Este sistema fue diseñado basándose en principios de galgas extensométricas y leyes de flexión de vigas31, mientras que los sensores también sirvieron como cojinetes para sujetar el eje de la hélice y midieron las fuerzas de reacción del soporte al mismo tiempo26.

Utilizando un sistema de calibración de seis grados de libertad32, la calibración del mecanismo de prueba se realizó dentro del Diseño de Experimento BBD. Luego se empleó el método ANOVA para derivar ecuaciones de regresión multivariable con un intervalo de confianza del 95% para cada canal. Según la Tabla 2, el nivel de error del modelo de regresión estimado para cada sensor fue inferior al 1 por ciento. Estos resultados muestran la replicabilidad y el adecuado desempeño del sistema. Como resultado, las fuerzas y el par que actúan sobre la hélice modelo (por ejemplo, Fig. 4) en el túnel de agua se midieron directamente a través de una matriz de calibración. Estos coeficientes describieron el comportamiento lineal adecuado de cada sensor en la dirección de la carga de diseño y la existencia de interferencia mínima entre los diferentes canales del dinamómetro26.

Las fuerzas y el par que actúan sobre la hélice del modelo (Solidworks 2014, https://www.solidworks.com).

Las señales de salida de cada sensor fueron registradas por un sistema de adquisición de datos de 16 canales, compuesto por acondicionadores de señal, amplificadores, convertidores de señal A/D grabados (Fig. 5) con una frecuencia de 10 kHz a intervalos de 10 s. Después del proceso de filtrado y promediado de tiempo, la carga hidrodinámica promedio de la hélice del modelo se extrajo mediante la ecuación de calibración inversa. Los ángulos fueron medidos y registrados mediante medidores de ángulos digitales instalados en el dinamómetro, con una precisión de 0,1º. La profundidad de inmersión se regulaba mediante medidores colocados en las paredes del túnel en proporción al centro de la hélice. Además, se utilizó una cámara semiprofesional (NIKON D300) para fotografiar la hélice durante el proceso de prueba con el fin de registrar y estudiar el patrón de ventilación y la estela resultante a diferentes velocidades de avance. Teniendo en cuenta la velocidad de avance del flujo de agua y la velocidad de rotación de la hélice, la fotografía para registrar la estela de ventilación se realizó bajo una intensidad de luz de 48.000 lúmenes a ISO 1600 y una velocidad de obturación de 1/8000 s.

Señales de salida de sensores de fuerza y ​​par, y sus datos filtrados.

El presente estudio utilizó un SPP de 4 palas (HL002) con una sección presentada en la Fig. 6, diseñado en el Laboratorio Hydrotech de IUST. El diseño de esta hélice se basa en la información experimental disponible y en las ecuaciones de regresión cuadrática de Ferrando. Las especificaciones geométricas del modelo de hélice se describen en la Tabla 3.

Sección de hoja genérica desenrollada de HL002 SPP.

De acuerdo con las especificaciones geométricas de la sección de prueba, las revoluciones máximas del motor y la velocidad de flujo en el túnel de agua, la hélice modelo se diseñó en la relación de escala de \(\uplambda =\frac{{D}_{s}}{{ D}_{f}}=0,21\), para garantizar condiciones dinámicas y cinemáticas similares que cumplan con los criterios máximos de la Tabla 1. La Figura 7 muestra el modelo de hélice construido.

Hélice modelo construida [(a) vista frontal, (b) vista lateral].

Para una identificación completa del comportamiento de la hélice, es deseable extraer la curva de rendimiento y estudiar las fuerzas laterales en un rango completo de relaciones de avance, ya que los diseñadores requieren información para estimar la carga inicial y la eficiencia en las relaciones de avance bajas mientras se determina el rango con Para relaciones altas es necesaria la máxima eficiencia o fuerza de empuje. También es esencial considerar el rendimiento de la hélice dentro del área transitoria debido a la posible aparición de problemas de vibración específicos. Considerando las capacidades de configuración de prueba disponibles, se seleccionó el rango \(0.4\le J\le 1.4\) para el presente estudio. Las pruebas se realizaron bajo presión atmosférica (no presurizada controlada) con prioridad de velocidad máxima en cada \(\mathrm{J}\). Para considerar el impacto del número de Froude, la prueba de la hélice se realizó primero con una relación de inmersión de 0,4, un ángulo de 3° desde el eje horizontal y durante cuatro \({Fr}_{nD}\) en dos rangos de \({ Fr}_{n}\) (\(F{r}_{n}=2\), \(F{r}_{n}>3\)), mencionado en la Tabla 4.

Luego se estudió el impacto de la relación de inmersión y el ángulo de inclinación del eje de la hélice en combinación para \({Fr}_{nD}=4\), de acuerdo con la Tabla 5, y finalmente, el impacto del ángulo de guiñada de la hélice contra el agua. El flujo se consideró en tres ángulos de orientación y el ángulo de inclinación constante en 6°.

Para estas pruebas, \({Fr}_{n}\) se consideró superior a 3,5 en todo momento para eliminar el impacto del número de cavitación. En tales condiciones, \({\mathit{Re}}_{n}\ge 5\times 1{0}^{5}\) y los tres criterios del número de Weber se consideraron en función de la velocidad de avance y la revolución.

Esta sección aborda primero el desarrollo de la ventilación y el impacto del número de Froude en el flujo de estela de la hélice y los cambios en el patrón de flujo bajo relaciones de avance de \(0.4\le J\le 1.3\), como se observa a través de imágenes de flujo. Luego, se consideró el impacto del cambio del número de Froude en la eficiencia y los coeficientes de carga en diferentes números de Froude, y finalmente se estudió el impacto de los parámetros de posición, como la relación de inmersión, el ángulo de inclinación y el ángulo de guiñada con un número de Froude constante. Para evaluar la posibilidad de utilizar las ecuaciones de regresión cuadrática de Ferrando en el proceso de diseño, los datos experimentales extraídos con relaciones de inmersión de 0,4 y 0,6 se compararon con los datos calculados mediante la ecuación de Ferrando. (2).

Comparando las Figs. 8 y 9 que muestran el flujo de agua que pasa por la hélice con relaciones de avance de 0,3 a 1,2 y el número de Froude (\({Fr}_{nD}\)) de 2 y 4, se podría observar vívidamente la ventilación desarrollada de la hélice con la reducción de la relación de avance.

Patrón de flujo y desarrollo de ventilación en \(F{r}_{nD}=2\).

Patrón de flujo y desarrollo de ventilación en \(F{r}_{nD}=4\).

En \(\mathrm{J}=1.2\) y empuje cercano a cero (Fig. 8f), la cantidad de aire que sigue a la pala debajo de la superficie del agua es pequeña al principio, y la estela solo se forma como un vórtice en la pala. punta, mientras toda la superficie de la hoja está completamente mojada. Aquí el chorro de agua también es bajo y la superficie del agua permanece casi intacta. Con la reducción de la relación de avance a \(\mathrm{J}=1\), el vórtice de ventilación crece y se estabiliza, y las capas de estela se forman más cerca unas de otras (Fig. 8e). En este régimen de flujo, las láminas de vórtice de la cavidad están visiblemente separadas y el volumen de agua se encuentra entre ellas, mientras que la pulverización de agua en el aire también aumenta.

Se observa un cambio significativo en el patrón de flujo con la reducción adicional de los coeficientes de relación de avance a \(\mathrm{J}=0.8\) (Fig. 8d). A velocidades de rotación más altas, la succión detrás de las palas aspira más aire al agua. Los vórtices de cavitación crecen de tal manera que las capas de estela chocan y se disipan más rápidamente en la zona aguas abajo. Aquí se puede observar una extensa pulverización de agua y el nivel del agua comienza a subir delante de la hélice. En tales condiciones de la hélice, conocida como área transitoria, los valores de \({K}_{Q}\) y \({K}_{T}\) no son únicos para la relación de avance dada.

Para coeficientes avanzados de 0,6 e inferiores (Fig. 8c), la cavidad de ventilación se desarrolla en la parte posterior de la pala, lo que genera un mayor diámetro de la cavidad, un aumento del nivel del agua y una mayor superficie de inmersión. Con ventilación total, el volumen de la cavidad que se mueve aguas abajo crece y una fina capa de agua corre entre las voluminosas capas de la cavidad. Debido a esta evolución, las capas de la cavidad chocan y se disipan más rápidamente, mientras que también aumenta el volumen de agua pulverizada en el aire. Cuando la relación de avance alcanza 0,3 o 0,4, la cavidad unida a la parte posterior de la hoja se espesa significativamente (Fig. 8a,b). Bloquea el paso del agua a través de las palas, reduciendo así el flujo a través de la hélice y aumentando el flujo a su alrededor. Este fenómeno reduce el empuje creado por la hélice. Esto explica la reducción de \({K}_{Q}\) y \({K}_{T}\) a ratios de avance más bajos.

Al comparar el patrón de flujo formado bajo relaciones de avance similares para los números de Froude 2 y 4 (Figs. 8 y 9), se puede observar el impacto del número de Froude en la cavidad de ventilación y la estela, ya que la cavidad es más corta y el diámetro de la estela se reduce. aguas abajo para el número de Froude más pequeño. En todas las relaciones de avance, el diámetro de la capa de la cavidad, así como el volumen y el rango de pulverización de agua, crecen con el aumento del número de Froude, mientras que el paso de la estela y el ángulo de paso se reducen. Por tanto, se podría concluir que el impacto del número de Froude es visible para todas las áreas de ventilación. Sin embargo, dejó un impacto más significativo en las áreas de ventilación transitoria y parcial.

El impacto del número de Froude en el rendimiento de la hélice se puede observar en los datos de las Figs. 10, 11 y 12, que representan el coeficiente de empuje, el coeficiente de par y la eficiencia de la hélice, respectivamente, a una relación de inmersión constante de 0,4 en la dirección del eje de la hélice. En estas figuras, los coeficientes de fuerza y ​​torque de la hélice se comparan en tres condiciones: (1) datos con \(F{r}_{n}=2\) y velocidad de rotación constante, donde la velocidad del flujo cambió el \({ Fr}_{nD}\) entre 1,7 y 2; (2) datos de prueba con \(F{r}_{nD}=2\) y velocidad de avance constante y rotación variable; y (3) datos con \({Fr}_{n}\ge 4\), bajo el requisito de \(F{r}_{n}\ge 3\). La comparación del comportamiento de la hélice en estas condiciones muestra coeficientes de empuje más altos para las pruebas con \({Fr}_{nD}\le 2\), visibles en todas las áreas pero menos efectivos con ventilación total. Para las pruebas con \({Fr}_{nD}\ge 4\), las áreas de ventilación completa y transitorias mostraron que el rendimiento y la eficiencia de la hélice dependían ligeramente del número de Froude. Por el contrario, la reducción del número de Froude bajo ventilación parcial da como resultado una \({K}_{T}\) más alta y aumenta hasta un 30 por ciento bajo ciertas relaciones de avance. Los números de Froude más altos no reducen el coeficiente de empuje con ventilación total, aunque también se han observado ligeros aumentos debido al alto volumen de ventilación alrededor de la hélice en esta área. A números de Froude más altos, la cavidad se mueve a mayor velocidad y eso mejora el rendimiento.

Coeficiente de empuje en la dirección de la hélice en diferentes números de Froude (\(I=0.4,\alpha =3^\circ\)).

Coeficiente de par en la dirección de la hélice en diferentes números de Froude (\(I=0.4,\alpha =3^\circ\)).

Eficiencia en la dirección de la hélice en diferentes números de Froude (\(I=0.4,\alpha =3^\circ\)).

Sin embargo, el coeficiente de torsión se ve poco afectado por los cambios en el número de Froude, y los cambios tangibles sólo se observan bajo ventilación parcial. La comparación de la curva de rendimiento de la hélice en \(F{r}_{n}=2\) con las pruebas para \(F{r}_{n}\ge 3\) muestra que el coeficiente de empuje se comporta de manera diferente en todas las áreas, especialmente bajo ventilación total, lo que revela el impacto del rango de independencia para este número (\(F{r}_{n}\ge 3\)) en los coeficientes hidrodinámicos y la eficiencia de la hélice. En las Figs. 13 y 14, es evidente que la sensibilidad se reduce en \({F}_{nD}\ge 4\), y los cambios no son significativos. Sin embargo, las fuerzas laterales y de sustentación varían ampliamente en otros números de Froude, lo que apunta a diferentes patrones de flujo.

Coeficiente de fuerza lateral en la dirección de la hélice en diferentes números de Froude (\(I=0.4,\alpha =3^\circ\)).

Coeficiente de fuerza de elevación en la dirección de la hélice en diferentes números de Froude (\(I=0.4,\alpha =3^\circ\)).

Finalmente, se puede concluir a través de los datos del coeficiente de fuerza y ​​la eficiencia de la hélice que \({F}_{nD}\ge 4\) y \(F{r}_{n}\ge 3\) pueden identificarse como la independencia rango bajo ventilación transitoria y total, mientras que el número de Froude afecta el rendimiento y la eficiencia de la hélice dentro del área de ventilación parcial.

Esta relación es uno de los parámetros críticos eficaces en el diseño y rendimiento de hélices de superficie. El ángulo de inclinación del eje, el asiento del barco y el comportamiento de la hélice bajo diferentes relaciones de avance afectan el nivel de inmersión, por lo que este parámetro no puede controlarse con precisión. Se realizaron pruebas de inmersión en diferentes ángulos de inclinación del eje para estudiar el impacto de este parámetro por separado.

Según las Figs. 15, 16 y 17, donde se consideró el impacto del cambio de inmersión en el ángulo constante de 6º y para coordenadas constantes del eje de la hélice, se obtuvieron las relaciones de avance (\({J}_{scale}\)) en estas figuras. en términos de velocidad de avance en línea con el eje. De hecho, una relación de inmersión reducida afectará el área efectiva del disco de la hélice y la cavidad de ventilación desarrollada detrás de la hélice. Estos dos parámetros influyen en la sustentación y la resistencia ejercidas sobre la hélice y afectan el empuje y el par en cualquier relación de avance. Por tanto, la eficiencia cambiará proporcionalmente a los cambios de empuje a par. Además, reducir el área húmeda del SPP también reduce la resistencia y puede mejorar la eficiencia de la hélice.

Efecto de la relación de inmersión sobre el coeficiente de empuje en la dirección de la hélice (\(\alpha =6^\circ\)).

Efecto de la relación de inmersión sobre el coeficiente de par en la dirección de la hélice (\(\alpha =6^\circ\)).

Efecto de la relación de inmersión sobre la eficiencia en la dirección de la hélice (\(\alpha =6^\circ\)).

Como es evidente en las Figs. 15, 16 y 17, la profundidad de inmersión reducida es seguida por coeficientes de empuje y torsión generalmente más bajos debido a la disminución del área sumergida de la hélice. Sin embargo, sus cambios en cuanto a la ventilación y la zona húmeda de la hélice no son similares. En relaciones de avance superiores a la relación de avance crítica (\(J>0,8\)), el aumento de la profundidad de inmersión de 0,3 a 0,75 dejó un alto impacto en los cambios del coeficiente de torsión, sin embargo, el coeficiente de empuje no muestra un comportamiento similar en diferentes coeficientes de avance. Estos cambios indican un desarrollo diferente de la ventilación detrás de la pala en diferentes profundidades de inmersión. Dentro de este rango de relación de avance, la eficiencia máxima se produce a una profundidad de inmersión de 0,4, debido al par reducido de la hélice a esta profundidad en comparación con profundidades más altas y a los cambios de empuje limitados.

Con una ventilación total desarrollada con relaciones de avance bajas (\(J<0,8\)), los cambios de empuje de la hélice se limitarán a profundidades de inmersión de 0,3 a 0,4, y serán inferiores a la reducción del par, lo que significa que la eficiencia de la hélice será mayor en inmersión. profundidad de 0,3 que las profundidades más altas. Esto es mientras que con la mayor relación de avance a esta profundidad (\({\mathrm{I}}_{\mathrm{T}}=0.3\)), la eficiencia caerá drásticamente debido a la gran reducción del empuje de la hélice.

Finalmente, las consideraciones experimentales identificaron la eficiencia máxima del SPP con un empuje adecuado que se produciría en \(0,4<{\mathrm{I}}_{\mathrm{T}}<0,75\) y una relación de avance de 0,9 a 1,1. El coeficiente de empuje máximo en una relación de inmersión de 0,75 y \(J=0,8\) se midió en 0,14, y la eficiencia máxima en una relación de inmersión de 0,4 y \(J=1\) se produjo en un 58%.

Las fuerzas laterales se consideraron en las Figs. 18 y 19. Según los resultados, la fuerza vertical sobre el eje fue generalmente hacia arriba, a menos que la cantidad de fuerzas fuera baja cuando la fuerza vertical agregada sería hacia abajo, debido a la intensa pulverización de agua y la agitación. La Figura 18 muestra que el coeficiente de sustentación aumenta con una mayor inmersión en todas las relaciones de avance, mientras que el coeficiente de fuerza lateral (Fig. 19) alcanzó su punto máximo con relaciones de inmersión bajas y tendió a aumentar con una relación de inmersión menor. Esta diferencia se produce porque, a una relación de inmersión baja, la punta de la pala sirve como la parte efectiva para generar empuje, donde las fuerzas agregadas estarían más orientadas hacia la componente horizontal que hacia la vertical.

Efecto de la relación de inmersión sobre el coeficiente de sustentación en la dirección de la hélice (\(\alpha =6^\circ\)).

Efecto de la relación de inmersión sobre el coeficiente de fuerza lateral en la dirección de la hélice (\(\alpha =6^\circ\)).

En general, la comparación de los coeficientes de las fuerzas de sustentación y guiñada reveló una mayor generación de fuerzas horizontales que las verticales y los cambios acompañados de empuje. Sin embargo, el coeficiente de sustentación mostró un comportamiento diferente en el área transitoria debido a las drásticas fluctuaciones de carga en esta área. La ventilación sobre la superficie de la pala cambia enormemente en esta área y, por lo tanto, mueve el centro de carga en la pala.

Debido a sus condiciones operativas asimétricas y a las fluctuaciones de la estela resultante en el SPP, se producen fuerzas laterales importantes. Se espera que al cambiar el ángulo del eje, las fuerzas resultantes se alineen con el avance de la embarcación y resulten en una mayor eficiencia en esa dirección.

El impacto de los cambios en el ángulo de inclinación del SPP sobre los coeficientes de empuje y par y la eficiencia contra las coordenadas del eje fijo (en línea con el eje de la hélice) se consideró a una relación de inmersión constante de 0,4 y se muestra en las Figs. 20, 21 y 22, respectivamente.

Coeficiente de empuje en la dirección de la hélice en diferentes ángulos de inclinación (\(I=0,4\)).

Coeficiente de par en la dirección de la hélice en diferentes ángulos de inclinación (\(I=0,4\)).

Eficiencia en la dirección de la hélice en diferentes ángulos de inclinación (\(I=0.4\)).

Según las Figs. 20 y 21, un aumento en el ángulo de inclinación cambió los coeficientes de par y empuje axial. El impacto del aumento del ángulo de inclinación es mayor en el área de ventilación parcial (\(\mathrm{J}>0.8\)), sin embargo, su efecto sobre el empuje se reduce con el desarrollo de la cavidad en el área de ventilación total (\(J<0.8\) ). Dicho cambio debido al aumento del ángulo de 3º a 6º alcanzó su nivel más alto del 40 por ciento para \(1

Además, se consideró el impacto del cambio del ángulo de inclinación en el rendimiento en línea con el avance de la embarcación comparando los coeficientes de empuje y torsión y la eficiencia con las coordenadas fijas del eje (Figs. 23 y 24) en diferentes ángulos y relaciones de inmersión. Los coeficientes de empuje y par en función del avance del buque se expresaron mediante KTS/J2 y KQS/J5, que definen los valores reales de cambio de fuerza como independientes de la velocidad y el diámetro, comparables con otras hélices. Según los datos de las cifras, los coeficientes hidrodinámicos de la hélice son más efectivos a partir de las relaciones de inmersión y mejoran con un mayor ángulo de inclinación del eje. El ángulo de 6º fue identificado como el ángulo de inclinación óptimo del eje entre las eficiencias de la hélice en cada relación de inmersión. El nivel máximo del coeficiente KTS/J2 se alcanzó con una relación de inmersión de 0,75, un ángulo de inclinación del eje de 6º y una relación de avance de 0,6, lo que indica un efecto favorable del aumento de la profundidad y el ángulo de inmersión sobre la fuerza de avance de la embarcación. Los datos de la Fig. 24 y la comparación de los cambios en KQS/J5 con diferentes relaciones de avance también mostraron que el rango de cambios del par de reacción de la hélice aumentó con relaciones de avance más altas, lo que denota un mayor impacto de los parámetros de posición, es decir, el ángulo de inclinación y la inmersión bajo ventilación parcial. . Además, los datos de eficiencia en línea con el buque basados ​​en el coeficiente KQS/J5 mostraron una mayor capacidad de cambio de eficiencia con parámetros de posición con coeficientes de carga más bajos.

Variación del coeficiente de empuje en la dirección de propulsión a diferentes relaciones de inmersión y ángulos de inclinación.

Variación del coeficiente de par en la dirección de propulsión a diferentes relaciones de inmersión y ángulos de inclinación.

Las fuerzas laterales efectivas se estudiaron en diferentes ángulos, según las Figs. 25 y 26. La tabla de coeficientes de elevación señaló un aumento de las fuerzas verticales sobre el eje en coordenadas constantes, lo que debe tenerse en cuenta al diseñar el cojinete y el soporte del eje. El coeficiente de fuerza lateral también permaneció sin cambios, según la Fig. 26, y la forma replicable de esta fuerza confirmó la compatibilidad y replicabilidad de este sistema de prueba.

Coeficiente de sustentación en la dirección de la hélice en diferentes ángulos de inclinación (\(I=0.4\)).

Coeficiente de fuerza lateral en la dirección de la hélice en diferentes ángulos de inclinación (\(I=0.4\)).

Según los datos recogidos para el coeficiente de fuerza lateral, la fuerza horizontal efectiva contó en los ensayos con un porcentaje más significativo que la fuerza vertical, alcanzando el 40% del empuje longitudinal en su máximo. Desde un punto de vista teórico, la desviación del eje hacia un lado y la desviación del plano vertical podrían adoptarse para utilizar la fuerza resultante máxima a lo largo de la dirección de avance. De hecho, un ángulo de guiñada adecuado para el SPP tendría una resistencia lateral menor. Podría servir como una solución adecuada para promover la eficiencia de la propulsión sin ningún daño o riesgo resultante de problemas de vibración o fuerza. Sin embargo, es necesario probar esta ventaja potencial y determinar el nivel de pérdida de eficiencia resultante de los impactos hidrodinámicos de las geometrías y otros parámetros.

El presente estudio consideró el ángulo de guiñada de hasta 10º en dos relaciones de inmersión de 0,4 y 0,6. Al observar el coeficiente de empuje alineado con el eje en las relaciones de inmersión mencionadas, como en la Fig. 27, se informó que el empuje axial del eje disminuye con el aumento de los ángulos de guiñada. El ángulo cambiante desde el eje horizontal redujo el paso efectivo de la hélice para barrer el agua. Debido a las diferentes orientaciones de la hélice y el flujo, el área de barrido de la hélice se redujo cuando se representó perpendicularmente (alineada con el flujo). Dicha reducción fue más intensa a relaciones de inmersión más bajas debido al movimiento del centro de fuerza hacia la punta de la pala y a una mayor susceptibilidad a las fuerzas laterales desde el ángulo del eje. Estos cambios son mayores en el área de ventilación parcial y sus impactos disminuyen con el desarrollo de la cavidad en el área de ventilación total.

El efecto del ángulo de guiñada sobre el coeficiente de empuje en la dirección de la hélice (\(I=0.4\)).

Al calcular la fuerza de empuje en la dirección de avance, se pudo observar el impacto de la conversión de la fuerza lateral en esa dirección para el coeficiente de empuje de propulsión (KTS/J2) en la Fig. 28. Los datos recopilados mostraron que el aumento del ángulo de guiñada, en general, cambió la fuerza de empuje de propulsión. Sin embargo, el nivel de cambio de empuje para varias relaciones de avance sería diferente con respecto a una combinación de parámetros hidrodinámicos, ventilación de las palas y el grado de cambio en el ángulo de inclinación para cada sección contra el flujo y no tiene un enfoque fijo para el ángulo de guiñada. en ratios de avance. El ángulo de guiñada generó un mayor impacto en cada relación de inmersión bajo ventilación parcial que en el modo de ventilación total. Además, la Fig. 29 mostró ligeros cambios en el coeficiente de torsión, resultantes de cambios en el paso efectivo de la hélice y el ángulo de inclinación debido al cambio de dirección del flujo contra las palas de la hélice. La eficiencia en línea con la propulsión también cambió con un mayor ángulo de guiñada desde 0º, dentro de un rango del 5%.

El efecto del ángulo de guiñada sobre el coeficiente de empuje en la dirección de propulsión (\(I=0.4\)).

El efecto del ángulo de guiñada sobre el coeficiente de par y la eficiencia en la dirección de propulsión (\(I=0.6\)).

Según la Fig. 30, la fuerza de sustentación sobre el eje también aumentó con el aumento del ángulo de guiñada, mientras que la Fig. 31 señaló la reducción de la fuerza lateral sobre el eje debido a la reducción del paso efectivo de la hélice en línea con el flujo. Al comparar la fuerza lateral y el empuje en línea con el flujo, se puede ver que con el aumento del ángulo de guiñada, la fuerza horizontal se redujo significativamente contra la propulsión debido al efecto de dirección inversa generado por la fuerza de empuje bajo el ángulo de guiñada generado. . Por ejemplo, en una relación de inmersión de 0,6, en las condiciones máximas, la relación entre la fuerza lateral y el empuje (\(\frac{{F}_{H}}{T}\)) de 0,6 en un ángulo de guiñada de 10º. a 0,05. Tal cambio significó la conversión de la fuerza lateral en empuje a lo largo de la propulsión y un ligero aumento de la eficiencia de la propulsión.

El efecto del ángulo de guiñada sobre el coeficiente de sustentación en la dirección de la hélice (\(I=0.6\)).

El efecto del ángulo de guiñada sobre el coeficiente de fuerza lateral en la dirección de la hélice (\(I=0.6\)).

La estimación de los coeficientes hidrodinámicos de par y empuje ha sido cuestionada para la fase de diseño de las SPP, y no se han desarrollado relaciones integrales para proyectar su desempeño. Para evaluar las ecuaciones aplicadas a la fase de diseño de una hélice HL002 después de las pruebas experimentales, se contrastaron los coeficientes hidrodinámicos de la hélice en diferentes posiciones con las ecuaciones de regresión cuadrática de Ferrando para hélices de cuatro palas2, como por ejemplo los coeficientes hidrodinámicos obtenidos en relaciones de inmersión. de 0,4 y 0,6 para dos ángulos de inclinación (6º y 8º), como se muestra en las Figs. 32 y 33. Según datos experimentales, la ecuación de empuje de regresión estimó el coeficiente de empuje con un error inferior al 20% sólo en la región de ventilación parcial en \(0,8\le J\le 1,5\), mientras que la precisión de tales cálculos disminuye al aumentar las relaciones de inmersión y el ángulo de inclinación. Además, los cambios en el ángulo de guiñada no afectaron significativamente el resultado de las ecuaciones. Sin embargo, el coeficiente de torsión no se estimó con suficiente precisión mediante las ecuaciones de regresión en ninguna relación de avance de la fase de diseño, y el error mínimo ocurrió en 15% para la relación de avance de 1,3. Tal desempeño apunta a una precisión insuficiente de las ecuaciones y a que no incluyen todos los parámetros que afectan el desempeño de la hélice. Teniendo en cuenta los elevados costes operativos de este tipo de hélices, los resultados resaltan la necesidad de realizar pruebas experimentales de la hélice después de la fase de diseño.

Comparación de resultados con estimaciones iniciales de la fase de diseño (\(I=0.4,\alpha =8^\circ\)).

Comparación de resultados con estimaciones iniciales de la fase de diseño (\(I=0.6,\alpha =6^\circ\)).

En esta investigación, se discutieron los resultados de las pruebas del modelo de una hélice de 4 palas diseñada a medida y se comparó su desempeño con los criterios de diseño. El presente estudio consideró la forma de desarrollo de la estela de hélices perforadoras de superficie a diferentes velocidades de avance, el impacto del número de Froude y los rangos de independencia propuestos por estudios anteriores. De acuerdo con los resultados experimentales extraídos, los rangos de independencia sugeridos por Olofsson se seleccionaron como adecuados para probar modelos de SPP. Además, se dibujó la curva de rendimiento de la hélice del modelo para diferentes condiciones de prueba y se identificó el comportamiento de la hélice según diferentes parámetros posicionales.

En los algoritmos de diseño utilizados para esta hélice, se emplearon las ecuaciones de regresión cuadrática de Ferrando para hélices de cuatro palas para estimar los coeficientes de empuje y par. Comparando los datos experimentales obtenidos y las estimaciones de la fase de diseño, se puede observar que las ecuaciones estimaron los coeficientes de empuje con un error menor al 20% sólo bajo la región de ventilación parcial en \(0.8\le J\le 1.4\) . En comparación, los coeficientes de torsión experimentaron un error superior al 30% dentro del mismo rango. Esto dará lugar a una estimación inexacta de la potencia necesaria para hacer funcionar la hélice, así como a una selección inadecuada del motor, mientras que el rendimiento de la hélice se estimará con un error de al menos el 25%. Comparación de los resultados de la presente investigación con los de Lorio o Seyyedi et al. sobre las cantidades estimadas por las ecuaciones de Ferrando muestra los diferentes comportamientos de estas ecuaciones para diversas geometrías. Estas observaciones indicaron que los parámetros geométricos de la hélice, como la forma de la sección de la pala y el tipo de distribución radial, así como la inclinación, la inclinación y la relación de paso de la hélice en las ecuaciones de regresión, no cubren completamente los impactos. Esta deficiencia de las ecuaciones puede atribuirse a la insuficiencia de datos experimentales sobre las diferentes geometrías de las hélices.

El empuje máximo generado por una hélice se identificó como uno de los parámetros más importantes y eficaces en el diseño de hélices y sistemas de propulsión. Es deseable una hélice con eficiencia óptima para generar el empuje requerido para condiciones de arranque con relaciones de avance bajas, aumento de velocidad y modo de planificación de la embarcación. Por tanto, el presente estudio abordó el impacto de diferentes parámetros de posición en la eficiencia y el empuje de la hélice.

Los resultados experimentales señalaron el impacto favorable del aumento del índice de inmersión en la promoción del empuje de la hélice; Además, la eficiencia de la hélice tiene el valor más alto en el rango de relación de inmersión de \(0.4 <\mathrm{I }<0.75\) en \(\mathrm{J }= 1\), pero no tiene buena eficiencia en relaciones de avance más bajas. y profundidad de inmersión y es inferior a la estimación de diseño. Los resultados muestran que aumentar el ángulo de inclinación en todos los casos no aumentará el empuje y el rendimiento. El ángulo de inclinación óptimo para aumentar el empuje y la eficiencia en consonancia con la propulsión es de 6 grados.

En teoría, cambiar el ángulo de guiñada de la hélice fortalecerá el empuje agregado hacia la propulsión y aumentará la eficiencia al tiempo que minimiza la fuerza lateral. Sin embargo, los resultados generalmente no indican un aumento significativo en la eficiencia de la propulsión y el empuje para ángulos de guiñada más altos, de hasta 10°. Sin embargo, en relaciones de avance menores que \({j}_{cr}\), aumentará el empuje. Estos resultados muestran un comportamiento diferente dependiendo de la geometría.

Otro punto interesante fue el punto de carga cero en la curva de rendimiento de la hélice, reportado aproximadamente en un rango de 1,4 según la información de las cifras del coeficiente de empuje, mientras que el punto de carga cero se determina teóricamente de acuerdo con la relación de paso de la hélice en \(\frac {P}{D}=1,24\). Tal diferencia en el paso efectivo de la hélice se puede atribuir al impacto de la geometría de la pala, como el impacto de la copa en la cara de alta presión y, por lo tanto, revela el impacto considerable de la geometría de la pala en su rendimiento.

Además, la información relativa a las fuerzas laterales de la hélice se consideró en diferentes condiciones operativas y de posición, lo que podría ayudar a identificar el comportamiento de la hélice, determinar y comparar los impactos de diferentes geometrías y diseñar ejes, soportes y cojinetes según sea necesario. Al comparar los resultados de este estudio con estudios experimentales realizados sobre la geometría diferencial del SPP, se puede observar el efecto de la geometría de las palas en el comportamiento de la hélice bajo diferentes parámetros posicionales. Finalmente, la información del presente estudio se utilizará para desarrollar un método de solución numérica para hélices que perforan la superficie y optimizar la geometría de la hélice para generar un mayor empuje.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Este estudio fue financiado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán.

Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán, Teherán, Irán

Maryam Kamran, Norouz Mohammad Nouri, Hossein Goudarzi y Saeed Golrokhifar

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NMN: Ideación, Conceptualización, Recursos, Supervisión, Administración de proyectos. MK: Ideación, Conceptualización, Metodología, Preparación experimental, Análisis formal, Investigación, Redacción-Borrador original, Redacción-Revisión y edición. HG, SG: Validación, preparación experimental, redacción del borrador original, visualización.

Correspondencia a Maryam Kamran o Norouz Mohammad Nouri.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Kamran, M., Nouri, NM, Goudarzi, H. et al. Evaluación experimental del efecto de los parámetros de posicionamiento y operación sobre el desempeño de una hélice perforadora de superficie. Informe científico 12, 18566 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-21959-x

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Recibido: 02 de mayo de 2022

Aceptado: 06 de octubre de 2022

Publicado: 03 de noviembre de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-21959-x

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