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HogarEvaluación experimental del efecto de los parámetros de posicionamiento y operación en el desempeño de una superficie
Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 18566 (2022) Citar este artículo
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Detalles de métricas
Hoy en día, las hélices que perforan la superficie han sido reconocidas como una opción adecuada para velocidades más altas. Sin embargo, el desarrollo de algoritmos de diseño para tales ha sido desafiado por un conocimiento insuficiente sobre los parámetros que afectan su rendimiento. 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 a 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 ° en un mayor empuje y eficiencia en la dirección de avance, y un ligero aumento de 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 los soportes necesarios. Finalmente, las ecuaciones de regresión para proyectar los coeficientes hidrodinámicos utilizados en la fase de diseño fueron comparadas y verificadas por los resultados experimentales. Los resultados apuntaron a la insuficiente precisión de este modelo para estimar los coeficientes hidrodinámicos que afectan a la hélice.
La noción de usar sistemas de propulsión de superficie y hélices perforadoras de superficie (SPP) se inició por primera vez para la propulsión de embarcaciones de poco calado1, ya que el proceso de aumento de la velocidad en las hélices convencionales da como resultado dos factores perjudiciales en el rendimiento de la hélice: (1) la cavitación, que es ampliamente adverso, y como no se puede ignorar a altas velocidades, se considera el fenómeno de supercavitación en la superficie de succión del álabe. Esta solución evitó el impacto negativo de las microburbujas, pero al mismo tiempo disminuyó 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 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 hoja gira en la interfaz entre el agua y el aire, proporcionando el fenómeno de ventilación en la parte trasera de la hoja que evita la cavitación. En este sistema de propulsión, una parte de la hélice es el único componente 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 mismo tiempo que disminuye el consumo de combustible. Otras ventajas de usar 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 para 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 los 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. Tal conocimiento insuficiente daría lugar a costos 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 por diseñar este tipo de hélices ha implicado un proceso de prueba y error o ha seguido los estudios experimentales realizados hasta el momento3.
En el intento de identificar parámetros efectivos en el diseño y desempeño de los SPP, se han realizado diferentes estudios experimentales, que se pueden dividir en los dos grupos de estudios centrados en identificar los parámetros efectivos en el proceso de prueba experimental y aquellos que estudian el impacto de diferentes parámetros sobre el rendimiento de las hélices que perforan la superficie.
Los datos hidrodinámicos relacionados con el rendimiento de la hélice generalmente se obtienen a través de métodos experimentales y pruebas de modelos a escala en túneles de agua o tanques de remolque, mientras que las hélices a gran escala rara vez se prueban por razones económicas. Por lo tanto, hasta ahora 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 crítico se comportarían independientemente de la tensión superficial4. Luego, Hadler y Hecker identificaron áreas de ventilación total y parcial en varios SPP de 3 palas5. Observaron la formación de ventilación de aire en el borde de la pala dentro del área de ventilación parcial, lo que aumentó la relación sustentación-resistencia y la eficiencia de la hélice. Pero bajo ventilación completa, la cavidad de aire cubre toda la parte trasera de la pala y reduce seriamente la eficiencia de 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 los números de Froude inferiores aumentan la fuerza sobre la pala6. Kruppa también introdujo el número de Froude y el número de cavitación como un parámetro efectivo 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, usando cambios de presión superficial en el túnel de cavitación, Rose et al. evaluó 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 entre la fuerza vertical y el empuje disminuyó y la relación entre la fuerza lateral y el empuje aumentó9. Además, con una prueba experimental en tres SPP, Ferrando et al. observó 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 total10. En 2007, Pustoshny et al. introdujo los rangos de independencia de los números de Reynolds, Froude y Weber en una investigación del desempeño de una hélice de 5 palas en un tanque remolcador11. De manera similar, Ding estudió el rendimiento de hélices de 6 palas con diferentes proporciones de paso y demostró que en 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 varios 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 descubrieron que cambiar el ángulo de guiñada aumentaba la eficiencia de la hélice14. En otro estudio, Shaozong et al. analizaron el comportamiento de hidroalas con diferentes secciones15, y sus resultados fueron similares a los de Hadler y Hecker5. En un estudio completo, Olofsson evaluó el rendimiento hidrodinámico de la hélice de 4 palas (841b) en varios ángulos de eje y de guiñada al conectar 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 SPP16. Kikuchi et al. consideró el impacto del ángulo de inclinación del eje en tres SPP con diferentes relaciones de paso en 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 eficaz en modo inverso18. Sobre la base de las fuerzas y los pares promediados en el tiempo y de la historia del tiempo 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 extensiométricas conectadas a la superficie de la pala, Nozawa y Takayama analizaron las tensiones superficiales y el rendimiento de cuatro tipos de hélices de 3 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 los coeficientes hidrodinámicos, el ángulo de cabeceo y la relación de avance, Ferrando et al. estudió los impactos del ángulo del eje, la profundidad de inmersión y la relación de paso en el rendimiento de las hélices de 4 y 5 palas2. De manera similar, Montazeri y Ghassemi utilizando los 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 guiñada del eje en el desempeño de una hélice de 4 palas en un tanque de remolque, y anunció que ambos ángulos del eje son efectivos en el desempeño 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, lo que puede atribuirse a la relación de paso de pala. Misra et al. llevó a cabo un estudio experimental sobre el rendimiento de hélices de 4 palas con diferentes geometrías de sección de copa y borde de salida en diferentes relaciones de avance. Sus resultados señalaron el efecto considerable 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 en diferentes ángulos de inclinación del eje y relaciones de inmersión y los compararon con los coeficientes hidrodinámicos obtenidos por 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 disminuyó con una relación de inmersión creciente, mientras que el área relacionada con el rendimiento mejorado se vio atraída por 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 la embarcación resalta aún más la importancia y la necesidad de probar 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 generar una velocidad de 40 nudos y un empuje de 12 kN, según 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 en Hydrotech (Instituto de Hidrodinámica Aplicada y Tecnologías Marinas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán) para probar el modelo de la hélice26. Para la prueba del modelo, el mecanismo de prueba del modelo IUST se ha basado en el equilibrio estático de múltiples componentes para medir las fuerzas y el par de la hélice, y controlar la posición de la hélice en tres direcciones diseñadas y calibradas. Mediante 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 a diez relaciones de avance diferentes. . Además, fotografiando la hélice en la relación de inmersión de 0,4, se analizó el desarrollo de la ventilación y la estela en los números 2 y 4 de Froude. Los resultados de las pruebas de rendimiento se compararon finalmente con los valores estimados de la fase de diseño.
El estándar ITTC estipula que el rendimiento de las hélices que perforan la 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 real 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 son diferentes de las hélices convencionales debido a la operación en la interfaz entre el agua y el aire y el aumento de ventilación resultante en tales hélices. Para generalizar los resultados, se requiere satisfacer condiciones de similitud geométrica, dinámica y cinemática.
Los parámetros básicos relacionados con una hélice deben considerarse en condiciones de flujo uniforme y aguas abiertas frente a la relación de avance. Dichos coeficientes se pueden definir en términos de las fuerzas que actúan sobre 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 guiñada del eje \((\uppsi )\) y la relación de inmersión de la punta (\({I}_{T}\)).
Coloque los parámetros de un SPP contra la superficie libre (Solidworks 2014, https://www.solidworks.com).
La segunda categoría se compone de parámetros geométricos relacionados con las geometrías del cubo y la pala, como el diámetro (\(\mathrm{D}\)), la relación de paso \((P/D)\), el número de pala (\(\mathrm{ Z}\)), 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 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 (a excepción de la relación de escala \(=1\)). Los investigadores han ofrecido diferentes definiciones para estos números en términos de velocidades rotatorias o de avance de la hélice o diferentes parámetros de longitud, y considerando el impacto de cada uno en el desempeño de los SPP, definieron áreas independientes de esos números bajo ciertas condiciones y las características de prueba pueden así ser extraído. Desafortunadamente, aún no se ha propuesto un enfoque global establecido para el estudio preciso del rendimiento de 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 razón crítica de avance (\({J}_{\mathrm{cr}}\)) 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 (\({{W}_{n}}^{^{\prime}}\)) de acuerdo con la Tabla 1, considerando que el valor del número de Weber depende de características geométricas, como el relación de paso de pala 10.
El número de Froude es otro parámetro eficaz para el rendimiento de la hélice y varios estudios han considerado su impacto en el rendimiento de 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, basadas en 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 \(F{r}_{n}<3\) es efectivo dentro del área de ventilación completa, mientras que Olofsson describió el impacto de \({Fr}_{nD}\) 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 duración 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 del 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 a través de la ecuación. (6), también se conoce como un parámetro efectivo en el rendimiento:
Para controlar el número de cavitación en las pruebas del modelo y obtener similitud con las condiciones a gran escala, es necesario ajustar y controlar la presión de la superficie libre de agua con un equipo de control de presión. Por otro lado, varios estudios han señalado una correlación entre los impactos 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 de máxima independencia mencionados en la Tabla 1 y determinó una escala adecuada para el modelo de hélice acorde con las instalaciones de laboratorio pertinentes.
Estas ecuaciones incluyen el número de álabes (\(\mathrm{Z}\)), 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 (\(\mathrm{n}\)).
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 pueden contarse entre las aplicaciones de túneles de agua más importantes30. El túnel de agua de sección abierta en el IUST se diseñó en base a estudios hidrodinámicos del flujo en diferentes áreas para obtener las condiciones adecuadas en la sección 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 con 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 medidor de flujo 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 de SPP en el túnel de agua de sección abierta26. Incluía tres módulos principales: el primero era la regulación de posición, capaz de ajustar la profundidad de inmersión y el ángulo del eje contra la dirección del flujo en dos planos horizontal y vertical. El sistema fue capaz de proporcionar un ángulo de inclinación y un ángulo de guiñada de \(0^\circ -10^\circ\) y cambió 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 fue realizada por el tercer módulo, utilizando un sistema dinamométrico 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 de elevación y laterales, una balanza de 1 componente para medir la fuerza de empuje en la hélice y una celda de carga tipo S para medir el par de reacción de la hélice. Este sistema fue diseñado en base a principios de galgas extensiométricas y leyes de vigas de flexión31, mientras que los sensores también sirvieron como cojinetes para sujetar el eje de la hélice y midieron las fuerzas de reacción de soporte al mismo tiempo26.
Usando 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 correcto funcionamiento del sistema. Como resultado, las fuerzas y el par que actúan sobre la hélice modelo (p. ej., Fig. 4) en el túnel de agua se midieron directamente a través de una matriz de calibración. Estos coeficientes representaban el comportamiento lineal adecuado de cada sensor en la dirección de la carga de diseño y la existencia de mínima interferencia entre los diferentes canales del dinamómetro26.
Las fuerzas y el par que actúan sobre la hélice 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 registrados (Fig. 5) con una frecuencia de 10 kHz a intervalos de 10 s. Después del proceso de filtrado y promedio de tiempo, la carga hidrodinámica promedio de la hélice del modelo se extrajo a través de la ecuación de calibración inversa. Los ángulos se midieron y registraron mediante angulómetros digitales instalados en el dinamómetro, con una precisión de 0,1º. La profundidad de inmersión se reguló a través de medidores en las paredes del túnel en proporción al centro de la hélice. Además, se empleó 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 relaciones 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 con 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 IUST Hydrotech. 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 con una relación de escala de \(\uplambda =\frac{{D}_{s}}{{ D}_{f}}=0.21\), para asegurar 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 determinan el rango con la máxima eficiencia o fuerza de empuje es necesaria para relaciones altas. El rendimiento de la hélice también es esencial para ser considerado dentro del área transitoria debido a la posible aparición de problemas de vibración específicos. Teniendo en cuenta 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 la 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 \({Fr}_{nD}=4\), según 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 guiñada y el ángulo de inclinación constante en 6°.
Para estas pruebas, \({Fr}_{n}\) se consideró por encima de 3,5 en todo momento para eliminar el impacto del número de cavitación. Bajo 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 la 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 de cambiar el 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 en 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 en relaciones de inmersión de 0,4 y 0,6 se compararon con los datos calculados por 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 puede observar vívidamente la ventilación de la hélice desarrollada 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 hoja debajo de la superficie del agua es pequeña al principio, y la estela solo se forma como un vórtice en la hoja. punta, mientras que toda la superficie de la cuchilla está completamente mojada. Aquí, el rocío 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 acercan unas a otras (Fig. 8e). Bajo tal régimen de flujo, las láminas de vórtice de la cavidad están visiblemente separadas y el volumen de agua se encuentra entre ellas, mientras que el rocío 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 succiona más aire hacia el agua. Los vórtices de cavitación crecen de manera que las capas de estela chocan y se disipan más rápidamente en el área aguas abajo. Aquí, se puede observar un extenso rocío de agua y el nivel del agua comienza a subir frente a la hélice. En tales condiciones de la hélice, conocidas 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 trasera de la pala, lo que conduce a un mayor diámetro de la cavidad, un aumento del nivel del agua y una mayor superficie de inmersión. Con una ventilación completa, el volumen de la cavidad que se mueve río abajo crece y una capa delgada de agua corre entre las capas voluminosas de la cavidad. Debido a tales desarrollos, las capas de la cavidad chocan y se disipan más rápidamente, mientras que el volumen de agua rociada en el aire también aumenta. Cuando la relación de avance llega a 0,3 o 0,4, la cavidad unida a la parte trasera de la hoja se engrosa 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. Tal fenómeno reduce el empuje creado por la hélice. Esto explica la reducción de \({K}_{Q}\) y \({K}_{T}\) a relaciones de avance más bajas.
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 rociado de agua, crecen con el aumento de los números de Froude, mientras que el paso de la estela y el ángulo de paso se reducen. Por lo tanto, se puede 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, con 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 la \({ Fr}_{nD}\) 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 \({Fr}_{nD}\ge 4\), 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 pruebas con \({Fr}_{nD}\le 2\), visibles en todas las áreas pero menos efectivos con ventilación completa. Para las pruebas con \({Fr}_{nD}\ge 4\), la ventilación total y las áreas 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 un mayor \({K}_{T}\) y aumenta hasta un 30 por ciento bajo ciertas relaciones de avance. Los números de Froude más altos no reducen el coeficiente de empuje bajo ventilación completa, mientras que 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 con 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 se observan solo con ventilación parcial. La comparación de la curva de rendimiento de la hélice en \(F{r}_{n}=2\) con 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 completa, 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 sustentación 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 \(F{r}_{n}\ge 3\) se pueden identificar como la independencia rango bajo ventilación transitoria y completa, 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 efectivos en el diseño y desempeño de las hélices de superficie. El ángulo de inclinación del eje, el asiento del buque 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 al ángulo constante de 6º y para coordenadas constantes del eje de la hélice se obtuvo las relaciones de avance (\({J}_{escala}\)) en estas figuras en términos de velocidad de avance en línea con el eje. De hecho, la 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 el arrastre ejercidos sobre la hélice y afectan el empuje y el par en cualquier relación de avance. Por lo tanto, la eficiencia cambiará de acuerdo con los cambios de empuje a par. Además, la reducción del 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 par y empuje generalmente más bajos debido a la disminución del área sumergida de la hélice. Sin embargo, sus cambios afectados por la ventilación y el área húmeda de la hélice no son similares. En relaciones de avance por encima de 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, aunque el coeficiente de empuje no muestra un comportamiento similar en diferentes coeficientes de avance. Dichos cambios apuntan a un desarrollo de ventilación diferente detrás de la pala a 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 los cambios de empuje limitados.
Con la ventilación total desarrollada con relaciones de avance bajas (\(J<0,8\)), los cambios de empuje de la hélice estarán limitados a profundidades de inmersión de 0,3 a 0,4, y menores que la reducción del par, lo que significa que la eficiencia de la hélice será mayor en la inmersión profundidad de 0,3 que profundidades mayores. 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 para ocurrir en \(0.4<{\mathrm{I}}_{\mathrm{T}}<0.75\) y la relación de avance de 0.9 a 1.1. El coeficiente de empuje máximo en la relación de inmersión de 0,75 y \(J=0,8\) se midió en 0,14, y la eficiencia máxima en la relación de inmersión de 0,4 y \(J=1\) se produjo en el 58 %.
Las fuerzas laterales se consideraron en las Figs. 18 y 19. De acuerdo con los resultados, la fuerza vertical sobre el eje era generalmente hacia arriba, a menos que la cantidad de fuerzas fuera baja cuando la fuerza vertical agregada sería hacia abajo, debido a la gran agitación y rociado de agua. 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 en bajas relaciones de inmersión y tendió a aumentar con una menor relación de inmersión. Esta diferencia se debe a que, con una relación de inmersión baja, la punta de la pala sirve como parte efectiva para generar empuje, donde las fuerzas agregadas estarían más orientadas hacia el componente horizontal que hacia el vertical.
Efecto de la relación de inmersión en el coeficiente de sustentación en la dirección de la hélice (\(\alpha =6^\circ\)).
Efecto de la relación de inmersión en 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 de la pala.
Debido a sus condiciones operativas asimétricas y las fluctuaciones de la estela resultante en SPP, se producen fuerzas laterales significativas. 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 para el SPP en los coeficientes de empuje y par y la eficiencia frente a las coordenadas del eje fijo (en línea con el eje de la hélice) se consideró en la 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 el par y los coeficientes de empuje axial. El impacto del aumento del ángulo de inclinación es mayor en el área de ventilación parcial (\(\mathrm{J}>0.8\)), pero su efecto sobre el empuje se reduce con el desarrollo de cavidades en el área de ventilación total (\(J<0.8\) ). Tal cambio debido al aumento del ángulo de 3º a 6º alcanzó su nivel más alto de 40 por ciento para \(1 Además, se consideró el impacto del cambio del ángulo de inclinación en el rendimiento de acuerdo con el avance del buque comparando los coeficientes de empuje y par y la eficiencia con las coordenadas del eje fijo (Figs. 23 y 24) en diferentes relaciones y ángulos de inmersión. Los coeficientes de empuje y par en línea con el avance del buque fueron expresados por 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. De acuerdo con 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 se identificó como el ángulo óptimo de inclinación del eje entre las eficiencias de la hélice en cada relación de inmersión. El nivel máximo del coeficiente KTS/J2 se logró 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 en la fuerza de avance del buque. Los datos de la Fig. 24 y la comparación de los cambios en KQS/J5 a diferentes relaciones de avance también mostraron que el rango de cambios en el par de reacción de la hélice aumentó con relaciones de avance más altas, lo que denota un mayor impacto de los parámetros de posición, a saber, 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 en 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. El gráfico del coeficiente de sustentación señaló un aumento de las fuerzas verticales en 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 se mantuvo 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 en su máximo el 40% del empuje longitudinal. Desde un punto de vista teórico, la desviación del eje hacia un lado y la desviación del plano vertical podrían adoptarse para utilizar la máxima fuerza resultante a lo largo de la dirección de avance. De hecho, un ángulo de guiñada adecuado para el SPP tendría una menor resistencia lateral. Podría servir como una solución adecuada para promover la eficiencia de la propulsión sin ningún daño o riesgo derivado 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 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 la Fig. 27, se informó que el empuje axial del eje disminuía con el aumento de los ángulos de guiñada. El ángulo cambiante del 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). Tal reducción fue más intensa a relaciones de inmersión más bajas debido al movimiento del centro de fuerza hacia la punta de la pala y una mayor susceptibilidad a las fuerzas laterales del ángulo del eje. Estos cambios son mayores en el área de ventilación parcial y sus impactos disminuyen con el desarrollo de cavidades en el área de ventilación total. El efecto del ángulo de guiñada en el coeficiente de empuje en la dirección de la hélice (\(I=0.4\)). Mediante el cálculo de 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 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 proporciones anticipadas. 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, como resultado 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 el aumento del ángulo de guiñada desde los 0º de guiñada, 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 torsión y la eficiencia en la dirección de propulsión (\(I=0.6\)). De acuerdo con 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. En base a la comparación de 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 el ángulo de guiñada 10º a 0,05. Tal cambio significó la conversión de la fuerza lateral en empuje a lo largo de la propulsión y una eficiencia de propulsión ligeramente mayor. El efecto del ángulo de guiñada en el coeficiente de sustentación en la dirección de la hélice (\(I=0.6\)). El efecto del ángulo de guiñada en el coeficiente de fuerza lateral en la dirección de la hélice (\(I=0.6\)). La estimación de los coeficientes hidrodinámicos de torsión y empuje ha sido cuestionada para la fase de diseño de los 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 tras los ensayos 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, así como 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. De acuerdo con datos experimentales, la ecuación de empuje de regresión estimó el coeficiente de empuje con un error de menos del 20% solo bajo 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 de las relaciones de avance de la fase de diseño, y el error mínimo ocurrió en un 15 % para la relación de avance de 1,3. Tal desempeño apunta a una precisión insuficiente de las ecuaciones y su falla en incluir todos los parámetros que afectan el desempeño de la hélice. Teniendo en cuenta los altos costos operativos de tales 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 la prueba del modelo de una hélice de diseño personalizado de 4 palas y se comparó su rendimiento con los criterios de diseño. El presente estudio consideró la forma de desarrollo de la estela de las hélices que perforan la superficie a diferentes relaciones de avance, el impacto del número de Froude y los rangos de independencia propuestos por los 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 de acuerdo con 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% solo 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 un 25 %. La 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 se muestran los diferentes comportamientos de estas ecuaciones para diversas geometrías. Tales observaciones señalaron la cobertura incompleta de los impactos por los parámetros geométricos en la hélice, como la forma de la sección de la pala y el tipo de distribución radial, como la inclinación, el sesgo y la relación de paso de la hélice en las ecuaciones de regresión. Esta deficiencia de las ecuaciones se puede atribuir 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 efectivos en el diseño de hélices y sistemas de propulsión. Es deseable una hélice con una eficiencia óptima para generar el empuje requerido para las condiciones iniciales con relaciones de avance bajas, aumento de velocidad y modo de planificación de la embarcación. Por lo 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 de una mayor relación 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 una buena eficiencia en relaciones de avance más bajas y la 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 ni el rendimiento. El ángulo de inclinación óptimo para aumentar el empuje y la eficiencia en línea con la propulsión es de 6 grados. Cambiar el ángulo de guiñada de la hélice teóricamente fortalecerá el empuje agregado hacia la propulsión y aumentará la eficiencia mientras minimiza la fuerza lateral. Sin embargo, los resultados generalmente no indican un aumento significativo en la eficiencia de propulsión y el empuje para ángulos de guiñada más altos de hasta 10°. Sin embargo, a 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, informado aproximadamente en un rango de 1,4 por 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 correspondiente 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 los estudios experimentales realizados en la geometría diferencial de 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 pedido razonable. Young, YL Modelado numérico de hélices supercavitantes y perforadoras de superficie. (Departamento de Ingeniería Civil, Universidad de Texas en Austin, TX78712, Ingeniería Ambiental y de Recursos Hídricos, 2002). Ferrando, M., Crotti, S. & Viviani, M. Desempeño de una familia de hélices perforantes de superficie. en Actas de la 2ª Conferencia Internacional sobre Investigación y Transporte Marinos (ICMRT), Ischia. 28–30 .(2007). Carlton, J. Marine Propellers and Propulsion (Butterworth-Heinemann, 2018). Google Académico Shiba, H. Dibujo aéreo de hélices marinas. Rep. Transporte. tecnología Res. Inst. 9, 1–320 (1953). 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Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán, Teherán, Irán Maryam Kamran, Norouz Mohammad Nouri, Hossein Goudarzi y Saeed Golrokhifar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar 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-Borrador original, Visualización. Correspondencia a Maryam Kamran o Norouz Mohammad Nouri. Los autores declaran no tener conflictos de intereses. Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales. Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. Reimpresiones y permisos Kamran, M., Nouri, NM, Goudarzi, H. et al. 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