Efectos combinados de hélice y timón

Tema 3. Efectos combinados de la hélice y el timón.
Se entenderá que el paso de la hélice es siempre a la derecha. si no se indica lo
contrario.
3.1
Buque en reposo. Máquina avante.
En los buques monohélices de paso a la derecha, el efecto combinado del timón y de la
hélice, según los casos, es el siguiente:
a) Buque cargado, sin arrancada, maquina avante y timón a la vía.
La corriente de expulsión (Ce), popa a babor; la presión lateral de las palas PL, popa a
estribor; y la corriente de aspiración (Ca), nula. Existirán pues dos fuerzas contrarias, que se
restan predominando la primera; por tanto, en todo buque que da avante, sin arranca y con
timón a la vía, en los primeros momentos suele caer la proa ligeramente a Er. Y, a medida que
adquiere arrancada, esta tendencia desaparece.
Esto es lo que sucede en la generalidad de los buques, por lo que hay que tenerlo
presente al inicio de cualquier maniobra, sin embargo, se puede dar casos en que la caída la
hace proa a Br. Pero ello es una excepción y como tal debe considerarse.
Fig. 3.1 .- Buque sin arrancada, máquina avante y timón a la vía.
b) Buque cargado, sin arrancada, máquina avante y timón a una u otra banda.
En este caso la presión normal Pn del timón no existe, pero es reemplazada por Ce que
chocando contra la cara de proa del timón hace el efecto de la Pn, por lo que la proa cae a la
banda a la que se haya metido la pala lo mismo que si el buque se encontrase en movimiento.
Gradualmente disminuye dicho efecto, con el aumento de velocidad del buque; pero
entonces es reemplazada por efecto normal de la Pn. La PL, popa a Er. Y la Ca, nula.
Fig. 3.2 .- Buque sin arrancada.
3.2
Buque en reposo. Máquina atrás.
a) Buque cargado, sin arrancada, máquina atrás y timón a la vía.
PL , popa a Br. ; Ce, popa a Br. y Ca, nula por su forma de actuar. Luego la PL y la Ce se
sumarán y en estas condiciones y cuando la hélice sea de paso a la derecha, la popa caerá a
Br, y la proa a Er.
En realidad, como la mayoría de los buques el punto giratorio está cerca del branque, es
la popa la que cae a una banda u otra y solo por costumbre, nacida de la mira siempre a proa,
decimos que la proa cae Er. o Br. Cuando lo que ocurre es que por caer la popa a una banda
varia el rumbo y, por lo tanto, la dirección de la proa.
Por esa razón hay que tener siempre muy en cuenta el rabeo de la popa al maniobrar y,
muy particularmente, cuando estamos próximos a un espigón, saliente de la costa o cualquier
obstáculo que pueda suponer un peligro para la integridad del buque, arrimándonos a él
cuando vamos a caer hacia la banda a que está o, alejándonos de él cuando la evolución es a
la banda contraria.
Fig. 3.3 .- Sin arrancada. Máquina atrás y timón a la vía.
b) Buque sin arrancada, máquina atrás y timón a una u otra banda.
Con el timón a estribor la Ce, popa a Br. ; la PL, popa a Br. y la Ca (chocando contra la
cara posterior del timón), popa a Er. Tenemos pues dos fuerzas que se suman y una contraria,
predominando generalmente las primeras; con el timón a babor la Ce, popa a Br. ; PL, popa a
Br. y la Ca, popa a Br. Las tres se suman y, por tanto, la popa caerá rápidamente a babor.
Así pues, en todo buque que partiendo sin arrancada atrás (hélice de paso a la derecha)
y con el timón a babor, (Er.). La proa caerá rápidamente (no tan rápidamente) a Er. (Br).
Fig. 3.4 .- Buque sin arrancada. Máquina atrás y timón a una y a otra banda.
3.3
Buque con arrancada avante. Máquina avante.
a) Buque con arrancada avante, máquina avante y timón a la vía.
Un buque bien diseñado, con calados parejos, no debería tener ninguna tendencia pero
a veces la tiene. En esto puede influir el trimado y la escora.
b) Buque con arrancada avante, máquina avante y timón a una de las bandas.
Al tener arrancada avante el buque caerá rápidamente hacia la banda de metida del
timón; es decir, que si se ha metido a Er., la proa caerá estribor y viceversa.
Fig. 3.5 .- Buque con arrancada avante, máquina avante a una de las bandas
3.4
Buque con arrancada avante y maquina atrás.
Es esta una maniobra de mucha importancia, ya que es la más usual al aparecer un
obstáculo por la proa, hay que tener en cuenta en este caso que aunque el buque lleva
arrancada y, por tanto, debe obedecer al timón, el efecto de la hélice se invierte. Lasa fuerzas
que intervienen, son, la Pn, que como en todos los casos directos lleva la popa a la banda
opuesta de metida de la pala; la Ca, que chocando contra la cara posterior del timón lleva la
popa a la banda de metida; la PL, popa a Br. y la Ce, Popa a Br.
Estudiemos detalladamente lo que sucede en cada caso uno de los tres casos en que
dispongamos el timón.
a) Con el timón a la vía,
La proa caerá a Er. por efecto de la hélice en máquina atrás
Fig. 3.6 .- Buque con arrancada avante y máquina atrás, timón a la vía.
b) Con el timón a Br. y máquina atrás.
Al principio la proa caerá a Br. pero no muy rápidamente ni con mucha amplitud, y
después ira a la otra banda; el buque ganará espacio a Er. Del rumbo inicial antes de comenzar
a retroceder.
Fig. 3.7 .- Buque con arrancada avante y máquina atrás, timón a Br.
a) Con el timón a Er. y máquina atrás,
Al principio la proa caerá a Er. pero, en general, se parará y luego caerá a Br.
lentamente; en este caso el buque no gana espacio ni a una ni a otra banda.
Fig. 3.8 .- Buque con arrancada avante y máquina atrás, timón a Er.
El tiempo empleado en meter el timón tiene importancia en el gobierno del buque. Si se
mete antes de invertir la máquina, la proa caerá decididamente a la banda a donde se haya
metido y nunca será preponderante el efecto de la hélice como en el caso de invertir la
máquina y cambiar el timón simultáneamente.
Conviene tener en cuenta que es más fácil meter el timón a la banda después de invertir
la máquina. De modo que si queremos caer a Er., se mete el timón a Er. y se para la máquina,
y cuando casi ha perdido la arrancada avante se pone el timón a la vía y, poco después, todo a
Br.; por el contrario, de querer caer a Br. se para la máquina, se mete el timón a Br. dejándolo
un poco más de tiempo que en el caso anterior (dado que es tan fácil caer a Br. como a Er.), se
invierte la máquina a toda fuerza y se cambia la caña, y el buque caerá lentamente a Br.
Para asegurar la maniobra conviene maniobrar con toda la máquina, avante y atrás.
Desde luego, influirán las condiciones de calado, tiempo, viento, corrientes, etc.; pero no debe
olvidarse que el buque tiende a obedecer al timón en armonía con el sentido de la hélice, no
con el de la marcha del buque. En este caso, como en todos, hemos supuesto que se trata de
un buque con hélice de paso a la derecha.
3.5
Buque con arrancada atrás y máquina avante.
En estas condiciones, la Pn, proa a la banda contraria de la metida; PL, popa a Er. ; la
Ce, que se descompone en dos, una acción directa hacia la popa de la corriente de expulsión
que lleva la popa a la banda opuesta de metida de timón y que, con el timón a la vía, es nula, y
otra fuerza de acción oblicua sobre el codaste y cara de proa del timón que tiende a hacer caer
la popa a Br.
a) Con el timón a la vía,
La F, no existe; la Ce, popa a Br.; la PL, popa a Er.; y la Ca, nula. Nos encontramos con
dos fuerzas opuestas por lo que es imposible predecir a donde caerá la popa.
Fig. 3.9 .- Buque con arrancada atrás y máquina avante, timón a la vía.
b) Con el timón a Er.
Las F y F’ , popa a Br.; la PL, popa a Er.; la Pn, popa a Er. y la Ca, nula. Predominan la
Pn y PL, cuando la velocidad atrás sea muy grande, pero como quiera que los buques en
marcha atrás no adquieren, por regla general, mucha arrancada, predominan la F y F’, por lo
que se puede establecer que todo buque que va atrás al dar avante con el timón a Er., su popa
caerá a Br.
Fig. 3.10 .- Buque con arrancada atrás y máquina avante, timón a Er.
c) Con el timón a Br.
La F, popa a Er.; la PL, popa a Er.; la F’, popa a Br. y la Pn popa a Br. La acción
predominante es la de Ce, por lo que se puede establecer que en todo buque que vaya atrás, si
se da avante con el timón a Br. su popa caerá a Er. Tanto con el timón a Br. como con él a Er.
suponemos que se da toda avante, caso contrario podrían cambiar las condiciones de gobierno
al predominar la Pn sobre la Ce.
Fig. 3.11 .- Buque con arrancada atrás y máquina avante, timón a Br.
3.6
Buque con arrancada atrás y máquina atrás.
a) Buque con arrancada atrás y maquina atrás, timón a la vía.
Intervienen las mismas fuerzas que en el caso de que estuviese sin arrancada, por tanto,
la regla será la misma.
b) Buque con arrancada atrás, máquina atrás y timón a una u otra banda.
Al llevar arrancada atrás, se origina la Pn, producida por el choque del agua contra la
cara posterior del timón y que hace caer la popa a la banda metida de la pala. Analicemos
detenidamente cada uno de los casos:
b.1) con el timón a estribor.
PL, popa a Br.; Ce, popa a Br.; Ca, popa a Er. y Pn popa a Er.; se tendrán dos fuerzas
favorables y dos contrarias y atendiendo a que la Pn, aumenta con la velocidad, se puede
establecer que en todo buque con arrancada atrás meter el timón a Er.; si está poco arrancado,
lleva su popa a Br.; y al ir adquiriendo arrancada irá a la vía para caer luego su popa a Er.
En estos casos se tiene que tener más que nunca en cuenta la acción del viento, pues si
este sopla con alguna intensidad por Br. será casi imposible llevar la popa a Er.
Fig. 3.12 .- Buque con arrancada atrás y máquina atrás, timón a Er.
b.2) Con el timón a Br:
Todas las fuerzas se suman y la popa caerá rápidamente a Br. y la proa,
consecuentemente, a Er., si el viento no es muy intenso y sopla por Er., se puede llevar la popa
a Br. dando atrás con poca máquina.
Fig. 3.13 .- Buque con arrancada atrás y máquina atrás, timón a Br.
3.7
Estudio de estos casos en buques de dos hélices y un timón.
En un buque de hélices gemelas de paso al exterior, es decir, la de estribor a la derecha
y la de babor a la izquierda, se pueden distinguir los siguientes casos:
a) Buque sin arrancada, hélices avante o atrás.
Los efectos producidos por cada una de las hélices se equilibran entre si, quedando el
buque prácticamente bajo el sólo efecto del timón, si está a la vía, el buque arrancará en línea
recta; si se mete a una u otra banda, los efectos de las hélices serán sensibles sobre una
pequeña parte de la pala del timón y serán tanto más sensibles cuanto más próximas se
encuentren las hélices del plano longitudinal del buque; para lograr un mejor gobierno, se
pueden aumentar o disminuir las revoluciones de una de las hélices. Por ejemplo, si queremos
caer a Er. partiendo del reposo y con ambas hélices avante, meteremos el timón a Er. y, para
caer más rápidamente se disminuirán las revoluciones de la hélice de estribor.
Fig. 3.14 .- Buques sin arrancada. Máquinas avante y atrás, timón a la vía.
b) Buque arrancada avante, hélices atrás.
La Pn, proa a la banda de metida de la pala; Ce, nula al chocar cada una de ellas sobre
la bovedilla y en sentido contrario; Ca, proa a la banda opuesta de metida de la pala al chocar
sobre la cara de popa del timón; y la PL no produce efectos de gobierno por anularse entre si.
Fig. 3.15 .- Buques con arrancada avante. Máquinas atrás; a) timón a la vía.; b) timón a Br.; C) timón a Er.
Por lo tanto, en un buque con arrancada avante si se da atrás con ambas hélices y el
timón a la vía (a), su proa permanecerá inalterable; pero si se mete el timón a una u otra banda
(b ó c), tendremos la Pn y Ca, contrarias, pero al predominar las primeras sobre las segundas
la popa caerá a la banda contraria a que se haya metido la pala y, consecuentemente, la proa
caerá a la misma banda de metida del timón.
c) Buque con arrancada atrás y hélices avante.
Del mismo modo que en el caso anterior el buque obedecerá al timón. Por lo tanto, para
maniobrar tanto en este caso como en el anterior se puede considerar el buque como si fuese
monohélice en lo referente al timón. En ambos casos, se puede aumentar o disminuir el efecto
del timón por medio de las revoluciones de la máquina.
d) Buque con una hélice avante y otra atrás.
Es decir la ciaboga: esta maniobra comprende, como es lógico, varios casos:
d.1.) Buque sin arrancada. Er. atrás y Br. Avante.
La Ca nula; el empuje Et atrás de la de Er., proa a Er. el empuje a E avante de la de Br.,
proa a Er.; la PL de la de Er., popa a babor (reacuérdese que es de paso a la izquierda); y la
Ce, popa a Br. Finalmente, la PL de Br., popa a Er.
Por lo tanto, en este caso, todas las fuerzas se suman, por lo que se puede establecer que
todo buque que da a avante babor y atrás estribor, su proa caerá rápidamente a Er.
El mismo caso tendremos de dar avante estribor y atrás babor, pero ahora la proa caería
rápidamente a babor.
Fig. 3.16 .- Buques sin arrancada. a) Máquina Br. avante y Er. atrás, timón a la vía.; b) Máquina Er. avante y Br.
atrás, timón a la vía.
Si el timón está Er., para caer hacia esa banda en la ciaboga, el buque se encontrará
bajo la influencia de la Ca chocando contra la cara de popa del timón, que tiende a llevar la
proa a Br.; luego es contraproducente, por lo que no conviene meter el timón a Er.
Con el timón a Br., la Ce de la hélice que hace avante obliga a la proa a caer a Br., luego
tampoco conviene meter el timón a Br.
Consecuentemente, el timón deberá estar al medio al hacer la ciaboga; aunque la
práctica aconseja, para que la pala no ofrezca tanta resistencia a la caída de la popa, el meter
timón unos 10º a la banda de caída de la proa durante la ciaboga.
Fig. 3.17 .- Buques sin arrancada. a) Máquina Br. avante y Er. atrás, timón a Er.; b) Máquina Br. avante y Er. atrás,
timón a Br.
d.2.) Buque con arrancada avante y una hélice avante y otra atrás.
Al tener el buque arrancada avante, si queremos caer rápidamente y en poco espacio a
una banda, meteremos el timón a la banda a la que se quiere caer, pues, en este caso, la Pn,
predomina sobre todas las demás; en cuanto el efecto de las hélices es semejante al caso
anterior de buque partiendo del reposo, de modo que al meter timón a la banda, a la que se
quiere hacer caer el buque se dará atrás de la hélice de dicha banda continuando la otra
avante,
Por ejemplo, si se quiere caer a Br. meteremos todo el timón a babor, daremos toda a
Br, y continuaremos avante Er.
Una hélice avante y la otra parada: la proa caerá a la banda opuesta de la hélice que va
avante; si metemos timón a la banda a que se quiere caer, la evolución será más rápida.
Una hélice atrás y la otra parada: la proa caerá a la banda de la hélice que cía; y si
metemos el timón a la banda contraria de dicha hélice, es decir, de la queremos caer, la
evolución será más rápida.
Analicemos ahora la ciaboga con hélices de giro al interior, es decir, la de babor de paso
a la derecha, y la de estribor de paso a la izquierda.
Si queremos caer a Er. damos avante Br., y atrás estribor y las fuerzas actuaran así: Las
PL de ambas hélices tienden a llevar la proa a Br., o sea, a la banda contraria de la deseada; la
Ce, como necesita algún tiempo para dejar sentir sus efectos, los buques dotados de hélices
de giro al interior maniobran peor que los de giro al exterior. Partiendo del reposo, los buques
con hélices de giro al interior, al hacer la ciaboga, suelen caer en sentido contrario , por lo
tanto, será conveniente iniciar la maniobra en contra, y una vez iniciada la caída a favor, invertir
el giro de las hélices.
Fig. 3.18 .- Buques con arrancada avante. a) Máquina Br. avante y Er. atrás, timón a la vía.; b) Máquina Br. avante
y Er. atrás, timón a Er.
También podemos considerar el buque como monohélice, maniobrando con las dos
hélices avante o las dos hélices atrás, con la ventaja, sobre un buque monohélice, de que el
buque ira recto al dar atrás con las dos hélices y el timón a la vía, y que al meter el timón a una
u otra banda, habiendo adquirido arrancada atrás, obedecerá al timón.
Si queremos caer a Er. en la ciaboga, meteremos el timón a Er. dando avante con
ambas hélices; el buque caerá a Er., y cuando adquiera arrancada avante invertiremos las dos
atrás, y cuando la caída a Er., cese, meteremos medio timón a Br., en cuanto note los efectos
de la Pn, el buque continuará su caída a Er., continuando avante y atrás hasta completar su
evolución.
Fig. 3.19 .- Buques con arrancada avante. a) maquinas avante y timón Er.; b) máquinas atrás y timón a Er.; C)
máquinas atrás y timón a Er.
3.8
Estudio de estos casos en buques con dos hélices y dos timones gemelos.
Destacaremos que para estos buques, el ciaboga, partiendo tanto de la posición de sin
arrancada como de arrancada, se debe hacer con todo timón a la banda que se desea caer.
Esto obedece al hecho de que para tales buques, desaparecen los efectos evolutivos negativos
señalados para los de un solo timón.
Duración y amplitud de la curva evolutiva de los bihélices.
De querer hacerse una evolución de diámetro lo más pequeño posible, debe llegarse al
punto de giro con el buque parado y allí iniciar la maniobra de ciaboga, con el timón con un
pequeño ángulo a la banda de giro si es uno solo, con todo timón a la banda si son dos.
Esta evolución será corta, pero empleará mucho tiempo.
Si se quiere emplear menos tiempo, aunque con un radio más amplio, se deberá
aprovechar la energía del timón (metiéndolo a la banda que se desea caer) para lo cual deberá
maniobrarse con arrancada adelante, tanto en el caso de timón único, como en el de dos.
Cuando se desea hacer un giro en un diámetro menor que con ambas máquinas
adelante al mismo número de revoluciones, debe aumentarse la velocidad de la de afuera y
disminuir la de adentro.
Esta banda suele disminuir por sí sola su número de revoluciones en un 10%.
Estos diagramas ilustran todas las evoluciones que pueden producirse en buques de dos
hélices y dos timones. (Fig. 3.20).
Nos muestra también en ellos la posición del punto de aplicación o pivote Pp. a este
respecto debemos decir que este punto de aplicación sufre, en el caso de la ciaboga (figuras bc), un corrimiento hacia proa.
Las curvas evolutivas de los bihélices, evolucionando con ambas máquinas avante con
la misma potencia y timón a la banda, son idénticas a las de un monohélice similar notándose
la disminución de un 10% en las revoluciones de la banda caída.
Haciendo ciaboga la evolución resulta menor, pero el tiempo en realizarla, suele ser
mayor.
Los buques largos y finos, cuando parten del estado de reposo, para hacer ciaboga,
acostumbran evolucionar con dificultad.
En este caso deberá darse primero algo de arrancada avante, antes de meter el timón y
dar atrás a la hélice de la banda a la que se desea caer.
Al efectuarse la ciaboga el centro pivote o de aplicación se corre hacia proa, situándose
en algún lugar entre el centro de gravedad y la proa.
Fig.- 3.20 .- Diferentes fases evolutivas de un buque con dos hélices y dos timones, partiendo de una situación de
parado y sin arrancada.
3.9
Maniobra de buques con hélices de palas orientables.
Con estas hélices se puede variar, a voluntad y dentro de amplios limites, la inclinación
de las palas, es decir, su paso. El empleo de esta clase de hélices está cada vez más
generalizado y discutido, pero presenta grandes ventajas; la hélice trabaja siempre con mayor
rendimiento, ya que responde a las distintas condiciones de funcionamiento por las que pasa el
buque; pueden ser accionadas desde el puente, reduciéndose con ello el tiempo de maniobra y
evitando posibles equivocaciones en la transmisión de ordenes, permiten utilizar máquinas
unidireccionales, por lo que se pueden acoplar los aparatos auxiliares al eje de cola y, por
tanto, reducir los servicios, el peso y el volumen de la maquinaria. En las maniobras de puerto,
con niebla o en lugares peligrosos, permiten dispones de una velocidad reducida manteniendo
las máquinas a plena potencia. Estas hélices suelen ser de tres palas que juegan sobre unos
cojinetes situados en el interior del núcleo y que se unen por medio de un anillo y un sistema
de articulaciones a un pistón de accionamiento puede ser hidráulico o mecánico.
La maniobra con este tipo de hélices, se simplifica grandemente debido a que
instantáneamente se puede obtener toda la potencia tanto avante como atrás; se puede
conseguir una velocidad reducidísima en ambos sentidos, etc.; pero hay que tener presente
que, en la marcha atrás, se convierten en hélices de paso contrario al de su giro directo; es
decir, que si en marcha avante son de paso a la derecha, en marcha atrás serán de paso a la
izquierda.
3.10 Consideraciones sobre la maniobra según la planta propulsora del buque.
Es evidente que cuanto mayor sea la potencia de máquina de un buque, más fácil
resulta maniobrar, siendo los mismos todos los demás factores. En primer lugar puede
utilizarse una mayor velocidad, ventaja a menudo utilísima maniobrando con fuertes vientos o
corrientes; por lo mismo, un buque potente, al ser más rápido en adquirir arrancada y, por
consiguiente, en responder al timón, es capaz de salir de una situación difícil cuando otro
buque gemelo pero de menor potencia tendría dificultades o necesitaría de las anclas o de
remolcadores. Por último, ventaja evidente en los buques de hélices gemelas, el efecto de las
mismas cuando se utiliza en hacer girar el buque con poca arrancada es, naturalmente, más
efectivo cuanto mayor sea la potencia de la máquina.
La más óptima y segura planta propulsora, desde el punto de vista del maniobrista, es la
máquina alternativa de vapor. En todos, aún en los barcos mas viejos, se para y se cambia de
sentido de marcha rápidamente, dando su máxima potencia en ambos sentidos en pocos
segundos. Sin duda, es la planta propulsora predilecta de los maniobristas del mundo entero.
Le sigue, también con idóneas condiciones de maniobra, el motor Diesel, arrancando y
parando casi instantáneamente y desarrollando su máxima potencia aún más rápidamente que
las máquinas alternativas; pero presentan el inconveniente que cuando van desarrollando toda
su velocidad tienen ciertas dificultades al arrancar inmediatamente en sentido inverso, a causa
de la superior resistencia que el agua opone a la hélice, razón por lo cual es aconsejable
reducir la velocidad avante poco antes de hacer atrás.
Las turbinas necesitan el mayor cuidado y atención por parte del Piloto, ya que
presentan serias dificultades para la maniobra. Son comparativamente lentas en alcanzar su
máxima potencia, en parar y en cambiar de sentido. En los motores Diesel y en las máquinas
alternativas de vapor, la hélice tiene pronto un efecto nulo en cuanto se cierra la admisión, pero
a las turbinas debe moderárselas, o sea, que las revoluciones de la hélice decrezcan
relativamente despacio y transcurran hasta veinte o más segundos desde el momento de darse
la orden de “para” en el telégrafo de máquinas y el momento de parar la hélice, y desde este
instante hasta que las máquinas trabajen con potencia en sentido contrario transcurre también
un buen espacio de tiempo.