ES2815925T3 - Dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos - Google Patents

Abstract

Dispositivo (1) de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos de alta velocidad, que comprende: - una góndola (2) que comprende un alojamiento (4) con forma hidrodinámica, que se extiende axialmente de acuerdo con una dirección (X) de extensión entre un extremo (5) frontal y un extremo (6) trasero y está provista de un canal (7) de transporte, que se extiende a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre una sección (8) de entrada, dispuesta en dicho extremo (5) frontal y una sección (9) de salida opuesta dispuesta en dicho extremo (6) trasero; estando prevista dicha góndola (2) para ser conectada con el exterior de un fondo de un navío para sumergirse dentro de un fluido en el cual está previsto que avance dicho navío; - una hélice (3) dispuesta dentro del canal (7) de transporte de dicho alojamiento (4) y accionable para determinar una propulsión en una dirección (V1) de avance específica sustancialmente transversal a la sección (8) de entrada de dicho alojamiento (4); en donde: - dicha hélice (3) comprende una bomba (11) accionable para generar un flujo de dicho fluido a través de dicho canal (7) de transporte de acuerdo con un sentido (VF) de flujo de salida que va desde dicha sección (8) de entrada hasta dicha sección (9) de salida; en donde dicha bomba (11) está provista de al menos un rodete (18) que tiene el eje (Y) de rotación paralelo a la dirección (X) de extensión de dicho alojamiento (4); - dicha góndola (2) comprende: - una entrada (12) dinámica, que comprende al menos una sección (13) frontal de dicho alojamiento (4); en donde dicha sección (13) frontal se extiende axialmente a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre dicha sección (8) de entrada y dicha bomba (11) y tiene secciones de paso, transversales a dicha dirección (X) de extensión, que aumentan de acuerdo con dicho sentido (VF) de flujo de salida, de modo que provoca, en dicha entrada (12) dinámica, una ralentización de la velocidad local de dicho fluido y un aumento de presión de dicho fluido; - una tobera (14) de descarga, que comprende una sección (15) trasera, sustancialmente simétrica axialmente, de dicho alojamiento (4); en donde dicha sección (15) trasera se extiende axialmente a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre dicha bomba (11) y dicha sección (9) de salida, y tiene secciones de paso, transversales a dicha dirección (X) de extensión, que disminuyen en dicho sentido (VF) de flujo de salida, de modo que provoca, en dicha tobera (14) de descarga, un aumento de la velocidad local de dicho fluido y una disminución de presión de dicho fluido, creando un chorro de empuje de propulsión que sale de dicha sección (9) de salida; - un cuerpo (16) central que comprende una sección (17) intermedia de dicho alojamiento (4); en donde dicha sección (17) intermedia se extiende a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre dicha entrada (12) dinámica y dicha tobera (14) de descarga, en su interior aloja dicha bomba (11) y tiene secciones de paso, transversales a dicha dirección (X) de extensión, que tiene una zona constante a lo largo de dicha dirección (X) de extensión; en donde la sección (13) frontal de dicha entrada (12) dinámica está conectada a la superficie externa del alojamiento (4) de dicha góndola (2) por medio de un reborde (27) de forma redondeada, que delimita el borde de la sección (8) de entrada de dicha góndola (2); y en donde el rodete (18) de dicha bomba (11) está provisto de palas (19) que tienen un perfil aerodinámico con la cuerda en aumento, la cual aumenta como una función del radio de dicho rodete (18).

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos

Campo de aplicación

El presente hallazgo se refiere a un dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación independiente n.° 1.

El presente dispositivo de propulsión se inserta en el campo de los sistemas de propulsión a chorro para uso marino/naval.

El presente dispositivo de propulsión está adaptado para aplicaciones marinas de alta velocidad (preferentemente velocidades superiores a 30-40 nudos) y está previsto para emplearse, por ejemplo, en embarcaciones deportivas/de recreo o barcos comerciales.

Estado de la técnica

Tal como se conoce, en el campo de la propulsión, la tecnología de propulsión de hélices se ha empleado durante algún tiempo. Esta tecnología tiene tradicionalmente una configuración fuera de borda, en la que la hélice se encuentra fuera de la base del navío y se mueve por medio de un sistema de transmisión mecánico que conecta la hélice a un motor de combustión interna. Esta tecnología de propulsión, aunque si tiene importantes ventajas en términos de sencillez y flexibilidad estructural, tiene grandes limitaciones con respecto a velocidades alcanzables y, de este modo, concentración de potencia por unidad de eje propulsor. La razón para tales límites está ligado al hecho que la hélice es una hélice propfan (es decir, no tiene una carcasa que la separe del entorno exterior) y, de este modo, la carga máxima que puede concentrarse, en términos de potencia por unidad del árbol de hélice, es relativamente pequeña. También está muy extendida en el campo de los vehículos marinos, aunque de introducción relativamente más reciente, la tecnología de propulsión por chorro de agua, que aprovecha sustancialmente el principio de acción y reacción para hacer avanzar el navío bombeando el agua ambiente. Las hélices por chorro de agua actualmente difundidas en el campo de los navíos rápidos/vehículos marinos (es decir, con velocidades de navegación superiores a 30-40 nudos) son, como se sabe, del tipo denominado con entrada oblicua (o tienen entrada del tipo de descarga). Las hélices por chorro de agua anteriormente mencionadas se insertan tradicionalmente en una configuración fuera de borda, es decir, dentro de la base del navío, en cuya base se fabrica un conducto de entrada que se extiende desde una sección de entrada (a menudo denominada "boca de entrada" o más sencillo "boca"), realizada en proximidad a la popa/parte trasera del barco que, seguida por una sección en la que se sitúa una bomba que, a su vez, está conectada a una tobera de descarga. Dentro del conducto de entrada, o mejor aún, a una distancia adecuada de la boca, se dispone una bomba que está conectada a un motor (normalmente de combustión interna) y accionable por este último para presurizar el agua para transportarla, a través del mismo conducto de entrada, hasta la tobera de descarga donde aumenta la velocidad, creando el efecto propulsor que genera el empuje de avance del navío. Las hélices por chorro de agua fuera de borda del tipo conocido, aunque liberan el barco de las apremiantes restricciones de volumen, sufren limitaciones en cuanto al nivel de eficacia propulsora, del empuje específico y del margen anticavitación de la hélice, hasta un punto que es superior cuanto mayor es la velocidad requerida por el barco. De hecho, en hélices por chorro de agua fuera de borda, el flujo de agua en el conducto de entrada no se ve facilitado por la gran longitud total de este último, de lo que se sigue la incidencia masiva de caídas de presión hidráulica en el propio conducto, lo que tiene un considerable efecto negativo sobre la eficacia de propulsión.

También se conocen hélices de entrada de pistón fuera de borda que, sin embargo, no están concebidas en absoluto para su uso a altas velocidades de navegación. Más en detalle, las últimas hélices de tipo conocido, también denominadas propulsores (propulsores de proa, propulsores azimutales, etc.), prevén el uso de una o más hélices canalizadas en conductos cilíndricos o troncocónicos. Tales hélices propulsoras (en las que las hélices se accionan tanto por sistemas de transmisión mecánica como por sistemas eléctricos) no permiten una concentración de empuje (es decir, un empuje por unidad de caudal de fluido llevado a cabo) que sea en absoluto suficiente para garantizar velocidades de navegación superiores a 20 nudos y, por lo tanto, solo son adecuadas para su uso en propulsión a baja velocidad (inferior a 20 nudos), por ejemplo, para operaciones de maniobra en puerto o para navegación lenta/navegación a vela. El propulsor de hélices anteriormente mencionado, independientemente de la forma que adopte, técnicamente no puede entrar en la categoría de chorros de agua, ya que emplea una configuración simple con hélice canalizada, sin el uso de ninguna hélice de chorro.

Por lo tanto, en el campo de la propulsión de vehículos mecánicos, existe la necesidad de sistemas de propulsión fuera de borda con entrada de pistón que permita aumentar el rendimiento en términos de velocidad y potencia de propulsión, en relación con elecciones de diseño precisas.

El documento GB 759.500 desvela un dispositivo de propulsión conocido para embarcaciones de poco calado, que comprende un estator cilíndrico hueco provisto de un carenado de entrada que tiene una abertura de entrada y un carenado de descarga que tiene una abertura de descarga. Además, el dispositivo de propulsión comprende un rotor provisto de palas giratorias y montado sobre un árbol pivotado al estator y conectado a un motor eléctrico. El dispositivo de propulsión desvelado en el documento GB 759.500 no resulta adecuado para aplicaciones de alta velocidad, sino que está exclusivamente previsto para barcos de baja velocidad o barcos de pesca, ya que, en particular, carece de una configuración hidrodinámica adecuada para minimizar el fenómeno narcótico a altas velocidades.

Presentación de la invención

En esta situación, el problema que subyace en la presente invención es, por lo tanto, el de superar los inconvenientes manifestados por las soluciones anteriormente mencionadas de tipo conocido, proporcionando un dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos capaz de garantizar altas velocidades de avance. Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos capaz de garantizar una alta eficacia de propulsión.

Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos capaz evitar problemas ligados al fenómeno de cavitación.

Un objeto adicional de la presente invención es proporcionar un dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos que sea completamente eficaz y fiable en su funcionamiento.

Breve descripción de los dibujos

Las características técnicas de la invención, de acuerdo con los objetos anteriormente mencionados, pueden observarse claramente en el contenido de las reivindicaciones a continuación indicadas y las ventajas de las mismas resultarán más evidentes en la siguiente descripción detallada, realizada en referencia a los dibujos adjuntos, que representan varias realizaciones meramente ejemplares y no limitantes de la invención, en los que:

- la figura 1 muestra una representación esquematizada del dispositivo de propulsión en una vista de sección de acuerdo con una vista meridional, de acuerdo con una primera realización de la presente invención que tiene, en particular, álabes de guía del estator de salida y un rodete del tipo con cubo;

- la figura 2 muestra una representación esquematizada del dispositivo de propulsión en una vista de sección de acuerdo con una vista meridional, de acuerdo con una segunda realización de la presente invención que tiene, en particular, álabes de guía del estator de salida y un rodete del tipo sin cubo;

- la figura 3 muestra una representación esquematizada del dispositivo de propulsión en una vista de sección de acuerdo con una vista meridional, de acuerdo con una tercera realización de la presente invención, en particular, que carece de álabes de guía del estator de salida y que tiene un rodete del tipo con cubo;

- la figura 4 muestra una representación esquematizada del dispositivo de propulsión en una vista de sección de acuerdo con una vista meridional, de acuerdo con una cuarta realización de la presente invención, en particular, que carece de álabes de guía del estator de salida y que tiene un rodete del tipo sin cubo.

Descripción detallada de varias realizaciones preferentes

Haciendo referencia a los dibujos adjuntos, el número de referencia 1 en su totalidad indica un dispositivo de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos, objeto de la presente invención.

En particular, el presente dispositivo 1 de propulsión está dispuesto para conseguir una configuración que es completamente fuera de borda, en la que el dispositivo 1 de propulsión está instalado en el exterior de la base del casco del navío, de manera que pueda ser golpeado frontalmente por el agua durante el avance del navío.

De acuerdo con la presente invención, el dispositivo 1 de propulsión comprende una góndola 2 (también denominada "lanzadera" en la jerga técnica) y una hélice 3 alojada dentro de tal góndola 2. Más en detalle, la góndola 2 comprende un alojamiento 4, preferentemente con forma hidrodinámica, (en particular, con forma sustancialmente tubular) y preferentemente, aunque no necesariamente totalmente simétrica axialmente, con eje longitudinal previsto para disponerse sustancialmente horizontal.

En particular, el alojamiento 4 se extiende axialmente entre un extremo 5 frontal y un extremo 6 trasero opuesto a lo largo de una dirección X de extensión, ventajosamente rectilínea y, preferentemente, coincidente con el eje longitudinal del propio alojamiento 4.

Además, el alojamiento 4 de la góndola 2 está provista de un canal 7 de transporte, que se extiende a lo largo de la anteriormente mencionada dirección X de extensión entre una sección 8 de entrada, que se dispone en el extremo 5 frontal del alojamiento 4 y una sección 9 de salida opuesta, que se dispone en el extremo 6 trasero del alojamiento 4. La góndola 2 está prevista para conectarse con el exterior de la base del navío, de modo que se sumerja completamente dentro del fluido (en particular, un líquido) del cuerpo de agua sobre el cual el propio navío está previsto que avance.

En particular, la góndola 2 está prevista para fijarse en la base del navío, por ejemplo, por medio de una aleta 10 de soporte, de un modo conocido per se por el experto en la técnica.

24La hélice 3 está dispuesta dentro del canal 7 de transporte del alojamiento 4 de la góndola 2 y se puede accionar para generar un chorro de fluido que sale de la sección 9 de salida del alojamiento 4 y que determina, por reacción, una propulsión en una dirección VI de avance específica sustancialmente transversal a la sección 8 de entrada del alojamiento 4. De acuerdo con la idea que subyace la presente invención, la hélice 3 comprende al menos una bomba 11 accionable para generar un flujo de fluido a través del canal 7 de transporte del alojamiento 4 de acuerdo con un sentido VF de flujo de salida que va desde la sección 8 de entrada (frontal) hasta la sección 9 de salida (trasera) del alojamiento 4.

En particular, la bomba 11 se dispone para presurizar el fluido de un modo considerable, permitiendo la consecución de un aumento de presión neto y finito entre el fluido que está corriente arriba de la bomba 11 y el fluido corriente abajo de la misma.

La góndola 2 del dispositivo 1 de propulsión de acuerdo con la invención, comprende una entrada 12 dinámica frontal, adaptada para recibir el fluido que procede de la sección 8 de entrada del alojamiento 4.

Más en detalle, la entrada 12 dinámica comprende una sección 13 frontal (preferentemente tubular) del alojamiento 4, estando conformada dicha sección 13 frontal de un modo hidrodinámico adecuado, que se extiende axialmente a lo largo de la dirección X de extensión del propio alojamiento 4 entre la sección 8 de entrada de este último y la bomba 11.

La entrada 12 dinámica y, en particular, su sección 13 frontal se extiende empezando desde la sección 8 de entrada del alojamiento 4 hacia la bomba 11. La sección 8 de entrada se dispone de un modo que está en un plano preferentemente, pero no necesariamente, ortogonal a la dirección VI de avance, de modo que tal sección 8 de entrada (y la entrada 12 dinámica) esté directamente expuesta a la corriente durante el avance del navío.

La sección 13 frontal de la entrada 12 dinámica tiene secciones de paso, obtenidas transversales a la dirección X de extensión del alojamiento 4, que aumentan sustancialmente según el sentido VF de flujo de salida, es decir, según un sentido de la dirección X de extensión que va desde el extremo 5 frontal hacia el extremo 6 trasero del alojamiento 4. De este modo, tal configuración con sección creciente de la entrada 12 dinámica provoca, en su interior, una ralentización media de la velocidad del fluido y un consiguiente aumento de presión, es decir, una difusión del propio fluido. Por supuesto, sin alejarse del alcance de protección de la presente patente, la entrada 12 dinámica puede proporcionarse con otras secciones (corriente abajo y/o corriente arriba de la anteriormente mencionada sección 13 frontal) que puede tener una sección no creciente (por ejemplo, sección constante).

Además, la necesidad de garantizar una flexibilidad de funcionamiento adecuada del dispositivo 1 de hélice en función de la velocidad de navegación a vela/navegación obliga a que la sección 13 frontal de la entrada 12 dinámica se conecte a la superficie externa del alojamiento 4 de la góndola 2 por medio de un reborde 27 con forma convenientemente redondeada, que delimita el borde de la sección 8 de entrada de la góndola 2. Dicho redondeado del reborde 27 puede determinar, de acuerdo con su propia forma, un estrechamiento local limitado y circunscrito de las secciones de paso empezando desde la sección 8 de entrada de la góndola 2, sin provocar una distorsión de las funciones difusoras de la entrada 12 dinámica en su totalidad.

En funcionamiento, la entrada 12 dinámica, con sus secciones de paso progresivamente crecientes, esparce la corriente de fluido, ralentizando la velocidad de la misma y recuperando presión y, posiblemente, eliminando o mitigando posibles no uniformidades que pudieran estar presentes en la corriente que llega al interior del canal 7 de transporte de la góndola 2.

Por lo tanto, en esencia, la función de la entrada 12 dinámica es la de ralentizar la corriente, recuperando la presión estática, manteniendo el flujo del fluido uniforme y permitiendo que este último llegue en frente de la bomba 11 a una velocidad menor a la de un flujo sin interrupciones fuera de la góndola 2.

La góndola 2 también comprende una tobera 14 de descarga trasera, adaptada para acelerar la corriente de fluido presurizado desde la bomba 11 a velocidades significativamente superiores a las de navegación a vela/navegación, permitiendo, de este modo, obtener un efecto reactivo que permite la propulsión en la dirección VI de avance.

Más en detalle, la tobera 14 de descarga comprende una sección 15 trasera sustancialmente simétrica axialmente (preferentemente tubular) del alojamiento 4, que se extiende axialmente a lo largo de la dirección X de extensión entre la bomba 11 y la sección 9 de salida del alojamiento 4 en particular terminando en la propia sección 9 de salida. La sección 15 trasera de la tobera 14 de descarga tiene secciones de paso, obtenidas transversales a la dirección X de extensión, que disminuyen en el sentido VF de flujo de salida, para provocar, dentro de la tobera 14 de descarga, un aumento de la velocidad local del fluido y una consiguiente disminución de presión de este último, creando un chorro de empuje de propulsión que sale de la sección 9 de salida del alojamiento 4 de la góndola 2.

De este modo, en particular, la tobera 14 de descarga tiene la función de acelerar de modo eficaz y, simultáneamente, extremadamente espacialmente compacta, la corriente de fluido para ser capaz de obtener el efecto reactivo para la propulsión.

Por supuesto, sin alejarse del alcance de protección de la presente patente, la tobera 14 de descarga puede proporcionarse con otras secciones (corriente abajo y/o corriente arriba de la anteriormente mencionada sección 15 trasera) que puede tener una sección no decreciente (por ejemplo, sección constante). De forma ventajosa, la góndola 2 comprende un cuerpo 16 central dispuesto entre la entrada 12 dinámica y la tobera 14 de descarga y que contiene la bomba 11 en su interior.

Más en detalle, el cuerpo 16 central anteriormente mencionado comprende una sección 17 intermedia (preferentemente tubular) del alojamiento 4 que se extiende axialmente a lo largo de la dirección X de extensión entre la sección 13 frontal de la entrada 12 dinámica y la sección 15 trasera de la tobera 14 de descarga. Tal sección 17 intermedia, que en su interior aloja la bomba 11, tiene secciones de paso, obtenidas transversales a la dirección X de extensión del alojamiento 4, de forma ventajosa (aunque no necesaria) que tienen una zona sustancialmente constante a lo largo de tal dirección X de extensión.

De forma ventajosa, la bomba 11 está provista de un rodete 18 que tiene un eje Y de rotación paralelo a la dirección X de extensión del alojamiento 4 de la góndola 2.

De forma adecuada, la sección 8 de entrada y, preferentemente también la sección 9 de salida, del alojamiento 4 se encuentra en planos correspondientes que son sustancialmente ortogonales al eje Y de rotación del rodete 18 que, en particular, cruza dichas secciones 8, 9. El rodete 18 de la bomba 11 está provisto de palas 19 que tienen un perfil aerodinámico, en particular con la cuerda preferentemente aumentando, la cual aumenta en función del radio del rodete 18, de manera que presuriza considerablemente el fluido dentro de la góndola 2, y que permite lograr un salto de presión finito entre el fluido corriente arriba y corriente abajo de la bomba 11.

Ventajosamente, el rodete 18 puede estar provisto de un cubo 24 central que lleva las palas 19 (como en los ejemplos de las figuras 1 y 3) fijadas al mismo, o puede ser del tipo "sin cubo" (como en los ejemplos de las figuras 2 y 4). En particular, el rodete 18 de tipo "sin cubo" carece de cubo y comprende un anillo periférico que se extiende alrededor del eje Y de rotación, está restringido de manera giratoria en el canal 7 de transporte del alojamiento 4 para girar alrededor de dicho eje Y de rotación, y lleva las palas 19 fijadas al mismo; más en detalle, cada pala 19 se extiende entre un extremo interno (libre) dirigido hacia el eje Y de rotación y un extremo externo fijado al anteriormente mencionado aro periférico.

Preferentemente, la bomba 11 es una bomba de flujo axial o una bomba de flujo semiaxial (también denominada bomba de flujo mixto). La forma de la corona de palas 18 del rotor proporciona la presencia de un cubo 24 de soporte de palas, o disco, en la configuración convencional de bomba de flujo axial o bomba de flujo mixto. Sin embargo, si la bomba 11 no tiene cubo, la forma de las palas sigue cumpliendo los requisitos hidrodinámicos de los rodetes con flujo axial o flujo mixto, excepto que las palas están fijadas periféricamente a un anillo portador de palas.

La disposición de la bomba 11 de tipo axial o semiaxial permite procesar caudales volumétricos relativamente altos en relación a la altura, condición indispensable para asegurar el mayor valor posible para la eficacia propulsora y, por consiguiente, una reducción de los consumos.

Ventajosamente, la bomba 11 comprende dos o más etapas dispuestas en sucesión a lo largo de la dirección X de extensión del alojamiento 4 de la góndola 2, y cada una de dichas etapas está provista de un correspondiente rodete 18.

Por supuesto, los rodetes 18 de las diferentes etapas de la bomba 11 pueden tener diferentes configuraciones como una función en particular de sus características de funcionamiento.

Preferentemente, de acuerdo con las realizaciones ilustradas en las figuras adjuntas, la bomba 11 comprende una primera etapa 20 con función principalmente como un inductor anti-cavitación, y una segunda etapa 21 posterior con principalmente función de potencia.

En particular, la primera etapa 20 se sitúa, a lo largo de la dirección X de extensión del alojamiento 4, inmediatamente corriente abajo de la entrada 12 dinámica (con respecto al sentido VF de flujo de salida), y está dispuesta para generar un primer aumento de presión del fluido con el fin de presurizar parcialmente el flujo de fluido a una presión tal que evite la cavitación dentro de los canales de las palas de la primera etapa 20 y corriente abajo de la última, manteniendo una altura relativamente baja. La segunda etapa 21 se sitúa entre la primera etapa 20 y la tobera 14 de descarga, en particular inmediatamente corriente arriba de esta última. Tal segunda etapa 21 está dispuesta para generar un segundo aumento de presión del fluido superior al primer aumento de presión generado por la primera etapa 20, de manera que se obtenga una mayor altura y se obtenga el empuje de propulsión deseado, sustancialmente sin riesgo de problemas de cavitación.

De esta manera, en particular, las dos etapas 20, 21 dispuestas en serie permiten dividir la altura en dos partes, encomendando a la primera etapa 20 la función de inductor anti-cavitación, atribuyéndole una fracción convenientemente inferior al 50 % de la altura total de la bomba 11 para evitar en cualquier caso la cavitación del flujo entrante, mientras que la segunda etapa 21 posterior tiene la función de potencia real, siendo atravesada por una corriente de fluido que está adecuadamente presurizada y, por tanto, sustancialmente inmune a la cavitación.

Con referencia a tal solución de doble etapa (probablemente la más adecuada para este propósito), es importante definir el "vínculo" entre las dos etapas 20, 21, es decir, la fracción total de altura requerida para que la propulsión se atribuya a cada etapa 20, 21. En particular, dado que la función de las dos etapas 20, 21 difiere, en relación a las características del flujo que las atraviesa, los problemas que condicionan el procedimiento de diseño de las mismas también son distintos.

Más específicamente, el rodete 18 de la primera etapa 20, al estar expuesto a un flujo de baja presión (comparable al del entorno externo donde funciona el dispositivo 1 de hélices), está configurado para prevenir el fenómeno de cavitación, mediante la limitación de la ANPA (altura neta positiva en la aspiración) requerida por la bomba 11 y, en igualdad de condiciones, mediante un estricto control de las velocidades de flujo en el marco relativo en la punta. De este modo, el rodete 18 de la primera etapa 20 tiene la función de "preinductor anti-cavitación", es decir, de "refuerzo", atribuyéndole una fracción relativamente pequeña de la altura de la bomba 11, con el fin de evitar el peligro de bloqueo de la pala y, simultáneamente, para prevenir el peligro de cavitación. El rodete 18 de la segunda etapa 21, al estar sometido a un flujo previamente presurizado y asumiendo la carga del nivel de altura mayor, está configurado en particular para oponerse a la parada de las palas. Tal segunda etapa 21 realiza la verdadera tarea de función de potencia.

Preferentemente, con referencia en particular a los ejemplos de las figuras 1 y 2, el dispositivo 1 de propulsión comprende al menos un difusor 22 de palas fijado al alojamiento 4 de la góndola 2, dispuesto dentro del canal 7 de transporte corriente abajo del rodete 18 de la bomba 11 con respecto al sentido VF de flujo de salida. En particular, con referencia a las realizaciones ejemplificadas en las figuras 1 y 2, se proporcionan dos difusores 22 de palas, uno para cada etapa 20, 21, y dispuestos corriente abajo de los rodetes 18 de las correspondientes etapas 20, 21.

Cada difusor 22 de palas está dispuesto para transportar el fluido, presurizado por el rodete 18, en dirección axial a lo largo de la dirección X de extensión del alojamiento 4.

En particular, el difusor 22 de palas tiene la función de cancelar sustancialmente el componente tangencial de la velocidad del fluido y transportarlo en dirección axial.

Ventajosamente, el dispositivo 1 de propulsión comprende múltiples palas 23 de guía de entrada fijadas en el alojamiento 4 de la góndola 2 y situadas dentro del canal 7 de transporte entre la sección 8 de entrada del alojamiento 4 y la bomba 11, en particular dentro de la entrada 12 dinámica.

Tales álabes 23 de guía de entrada están dispuestos para hacer girar el fluido de acuerdo con al menos un componente de velocidad tangencial con respecto a la rotación del rodete 18 de la bomba 11 alrededor del eje Y de rotación. En detalle, los álabes 23 de guía de entrada comprenden múltiples palas fijas dispuestas corriente arriba del rodete 18, en particular de la primera etapa 20 de la bomba 11. La función de tales álabes 23 de guía de entrada, además del refuerzo estructural, puede compararse a la de una guía de entrada. En tal caso, los álabes 23 de guía de entrada se pueden configurar por medio de aspas aerodinámicas que son simétricas o con línea media curvilínea. En ambos casos, los álabes 23 de guía de entrada tienen la función de hacer girar la corriente del fluido, confiriéndole un componente de velocidad tangencial a la entrada del rodete 18 de la primera etapa 20, con el objetivo de reducir el tamaño de la velocidad de flujo en el marco relativo a la entrada del rodete 18 de tal primera etapa 20, con efectos positivos sobre el comportamiento de bloqueo y cavitación de la bomba 11.

Ventajosamente, el dispositivo 1 de hélices comprende al menos un motor conectado operativamente a la hélice 3 para accionar la bomba 11 de esta última. En particular, el motor está conectado operativamente al rodete 18 de la bomba 11 para hacerlo girar alrededor de su eje Y de rotación.

El motor del dispositivo 1 de propulsión es preferentemente de tipo eléctrico y se puede conectar ventajosamente al rodete 18 de la bomba 11 mediante transmisiones mecánicas (análogas a los sistemas de propulsión) o mediante un accionamiento directo y en particular una configuración de accionado por llanta (descrita en detalle a continuación). En particular, dicho motor eléctrico puede tener configuración a bordo, en la que el motor está dispuesto dentro del fondo del barco y está conectado al rodete 18 de la bomba 11 mediante transmisiones mecánicas, o el motor eléctrico puede tener configuración fuera de borda, en cuyo motor está dispuesto fuera del fondo del barco y en particular dentro de la góndola 2. En la configuración fuera de borda, por ejemplo, el motor eléctrico puede disponerse dentro del cubo 24 del rodete 18 (en el caso del rodete 18 con cubo) o alrededor del propio rodete 18 en la configuración accionada por llanta (ambos en el caso de rodete con cubo y sin cubo).

En particular, con referencia a los ejemplos de las figuras 2 y 4, el motor eléctrico en configuración accionada por llanta comprende un estator 25 anular fijado al alojamiento 4 de la góndola 2 y dispuesto alrededor del rodete 18 coaxial con el eje Y de rotación del último, y un rotor 26 anular, que está montado de manera giratoria dentro del canal 7 de transporte del alojamiento 4, está dispuesto coaxialmente con el eje Y de rotación y lleva las palas 19 del rodete 18 fijadas al mismo. El rotor 26 está acoplado al estator 25, de manera que, cuando este último recibe corriente eléctrica, genera un campo magnético que hace girar el rotor 26 (y por tanto el rodete 18) alrededor del eje Y de rotación, de acuerdo con el conocido principio de funcionamiento de los motores eléctricos. Preferentemente, en el caso del rodete 18 del tipo "sin cubo", el rotor 26 está asociado con el anillo periférico del propio rodete 18 o constituye tal anillo periférico.

Preferentemente, en el caso de múltiples bombas o bomba 11 con múltiples etapas, el dispositivo 1 de propulsión puede comprender múltiples motores, operativamente independientes, cada uno de los cuales conectado al rodete 18 de la correspondiente etapa 20, 21 de la bomba 11, con el fin de configurar el funcionamiento de las dos etapas 20, 21 para configurar las funciones específicas anteriormente descritas de esta última (en particular, anticavitación y potencia).Ventajosamente, cada rodete 18 es independientemente accionable por el correspondiente motor eléctrico, de modo que el par entregado al rodete 18 de la primera etapa 20 puede ser independiente del proporcionado al rodete 18 de la segunda etapa 21, permitiendo así una gestión de entrega de potencia óptima durante los transitorios operativos de la hélice 3 o en condiciones de velocidad de navegación a vela/navegación que son distintas de las condiciones nominales.

A continuación, en el presente documento, se describen en detalle varias de las posibles realizaciones de la presente invención y se ilustran en las figuras adjuntas.

La figura 1 ilustra una primera realización de la presente invención, en la que los rodetes 18 de la bomba 11 están provistos de un cubo 24 en el que se fijan las correspondientes palas 19. En particular, en tal primera realización, la góndola 2 está provista de palas fijas del difusor 22 de palas.

Ventajosamente, con referencia al ejemplo de la figura 1, las dos etapas 20, 21 de la bomba 11 están compuestas cada una de una sucesión de un rodete 18 (de palas) y de una formación anular de palas fijas que actúan como difusor 22 de palas. De manera ventajosa, las palas del difusor 22 de palas de ambas etapas 20, 21 se conforman empleando secciones de palas constituidas por aspas aerodinámicas diseñadas específicamente.

El accionamiento de los dos rodetes 18 se puede obtener mediante un accionamiento de transmisión mecánica (por ejemplo, del tipo empleado en los sistemas de hélice) o, preferentemente y alternativamente, mediante un sistema de accionamiento directo mediante motores eléctricos, fuera de la góndola 2 o dentro de la misma. En el último caso, el motor eléctrico puede estar alojado dentro del cubo 24 del rodete 18 y la transmisión del movimiento puede producirse con o sin la interposición de miembros reductores. Aún con referencia a posibles realizaciones, otra posible ubicación del motor eléctrico puede estar todavía dentro de la góndola 2, dispuesto fuera de los rodetes 18 y conectado a la misma (accionado por llanta).

La configuración de dos etapas así delineada permite obtener una corriente de fluido que, corriente abajo del difusor 22 de palas de la segunda etapa 21, se dispone en dirección axial, maximizando la eficacia propulsora del dispositivo I de propulsión. En tal configuración, la sección 13 frontal sustancialmente simétrica axialmente de la entrada 12 dinámica tiene la función de guiar el flujo desde la sección 8 de entrada de la góndola 2 a la superficie de interfaz con el rodete 18 de la primera etapa 20, permitiendo una adecuada ralentización de la corriente, con la consiguiente recuperación de la presión estática y simultáneamente con mínimas caídas de presión y mínimo nivel de distorsión del flujo (se minimizan las no uniformidades de la corriente que entra en el rodete 18). Además, la tobera 14 de descarga, situada corriente abajo de la segunda etapa 21, tiene la función de acelerar la corriente presurizada del rodete 18 de la segunda etapa 21 a valores de velocidad considerablemente superiores a la velocidad de navegación a vela/navegación, permitiendo así la obtención de un efecto reactivo que permite una propulsión a alta velocidad (superior a 30-40 nudos).

De acuerdo con una segunda realización de la presente invención, ilustrada en la figura 2, el rodete 18 de la bomba I I carece de cubo (sin cubo). En particular, también en tal segunda realización, la góndola 2 está provista de palas fijas del difusor 22 de palas.

Las ventajas de la configuración sin cubo del rodete 18 resultarán claras a la luz de las siguientes consideraciones. En la configuración fuera de borda del dispositivo 1 de propulsión, los apremiantes requisitos de volumen radial de la góndola 2 pueden determinar tamaños demasiado finos del cubo del rodete 18. De hecho, dado el mismo valor de caudal (como se ha comentado, debe ser considerable), cualquier intento de reducir la sección principal de la hélice 3, para una disminución simultánea de su resistencia hidrodinámica al avanzar, puede en algunos casos dar lugar a una drástica y peligrosa reducción del tamaño del cubo: de hecho, la configuración de la corriente dentro de la bomba 11, por ejemplo, según el modelo de "vórtice libre", implicaría un giro angular excesivo de la corriente relativa, en la zona del cubo, exponiendo así los perfiles aerodinámicos de las palas adyacentes al mismo al peligro de bloqueo de la pala. Simultáneamente, existe el posible peligro de cavitación que puede implicar fácilmente a las palas de la punta, donde el fluido se ve afectado por velocidades relativas que son mayores cuanto mayor es la velocidad específica de la bomba, como ocurre generalmente, en presencia de altos caudales y velocidades de operación de rotación que son también relativamente altas (si se desea evitar el uso de un reductor, o al menos limitar la relación de reducción del mismo). También en este sentido, la configuración de la corriente según el modelo de vórtice libre, es decir, las distribuciones de vórtice comparables al vórtice forzado leve, han demostrado ser bastante “rígidas”, permitiendo pequeños márgenes para limitar la ANPA requerida por la bomba.

Por los motivos anteriormente mencionados, así como en base a otros criterios como, por ejemplo, la oportunidad de poder evacuar fácilmente objetos relativamente voluminosos que hayan penetrado dentro de la hélice 3, o en base a criterios que pretenden reducir el ruido de la hélice 3, la configuración del rodete 18 de la bomba 11 que carece de cubo (sin cubo) es particularmente ventajosa; un ejemplo de la misma está representada por la segunda realización de la invención ilustrada en la figura 2.

Ventajosamente, también en tal segunda realización, se prevén preferentemente dos etapas 20, 21 de la bomba 11, cada una compuesta por una sucesión de un rodete 18 (de palas) y de una formación anular de palas fijas, que actúan como difusor 22 de palas. En ausencia de un cubo para alojar un árbol de accionamiento mecánico para transmitir el movimiento a los rodetes 18, en este caso, el accionamiento de los dos rodetes 18 se produce mediante un sistema con motores eléctricos. En el ejemplo de la figura 2 se ilustra la solución del tipo accionada por llanta, ya conocida en la técnica, en la que el rotor 26 del motor eléctrico actúa como soporte para alojar las palas 19 del rodete 18. En particular, la pala 19 del rodete 18, de una o más de las etapas 20, 21, está anclada en su base integralmente con la superficie del anillo del rotor 26 del motor eléctrico, mientras que el estator 25 del motor eléctrico está alojado dentro del alojamiento 4 de la góndola 2. De esta manera, las palas 19 del rodete 18, en lugar de encajar integralmente en un cubo y extenderse en dirección radial desde el centro de este último hacia la periferia, como en una bomba de flujo turbo axial convencional, se fijan integralmente al anillo del rotor 26 y se extienden en la dirección opuesta a la anterior, es decir, sustancialmente desde el exterior hacia el interior. Ventajosamente, en la solución sin cubo ejemplificada en la segunda realización de la figura 2 (y en una cuarta realización ilustrada en la figura 4, descrita a continuación en el presente documento), las palas 19 del rodete 18 terminan en las proximidades de una altura radial finita y distinta a cero, con extremo (punta) provisto de aspas aerodinámicas dispuestas sobre una superficie imaginaria de tipo sustancialmente cilíndrico.

Preferentemente, también en la anteriormente mencionada segunda realización de la figura 2, la bomba 11 tiene una configuración de bomba doble o una configuración de bomba de dos etapas que permite obtener fácilmente una corriente que, corriente abajo del difusor 22 de palas de la segunda etapa 21, está dispuesta en dirección axial, maximizando la eficacia de propulsión del dispositivo 1 de propulsión.

También en tal segunda realización de la figura 2, la entrada 12 dinámica y la tobera 14 de descarga permiten obtener los efectos técnicos y las ventajas indicadas anteriormente, por ejemplo, en la discusión de la primera realización de la figura 1.

La invención así concebida consigue, por tanto, los objetivos preestablecidos.

Las figuras 3 y 4 ilustran respectivamente una tercera y una cuarta realización de la presente invención en la que los dos rodetes 18 de la bomba 11 están en una configuración de contrarrotación, respectivamente con rodetes 18 del tipo con cubo (ejemplo de la figura 3) y tipo sin cubo (ejemplo de la figura 4).

Tales tercera y cuarta realizaciones, para las características comunes, se basan en los principios operativos y las consideraciones estructurales ya mencionadas y descritas ampliamente en los párrafos anteriores y detalladas en la discusión de la primera y segunda realizaciones preferentes.

Ventajosamente, en la tercera y cuarta realizaciones preferentes de la invención anteriormente mencionadas, los dos rodetes 18 de la bomba 11 giran en sentido opuesto con respecto entre sí (rodetes contrarrotantes), permitiendo así la eliminación de las formaciones de difusores 22 de palas presentes en los ejemplos de las figuras 1 y 2. De esta manera, es posible obtener una concentración de altura, reduciendo significativamente la extensión axial de la hélice 3, con claros beneficios en términos de reducción de peso y volumen. Como ventaja adicional, la solución que incorpora rodetes 18 contrarrotantes permite el enderezado casi completo (antirremolino) de la corriente absoluta que sale del rodete 18 de la segunda etapa 21, que por lo tanto está dispuesto casi paralelo a la dirección del eje longitudinal de la góndola 2, con claras ventajas en términos de eficacia propulsora. También con el uso de los rodetes 18 contrarrotantes, la configuración del rodete 18 de la bomba 11 que carece de cubo (sin cubo) es particularmente ventajosa, estando representado su ejemplo en la cuarta realización ilustrada en la figura 4. De forma ventajosa, puede haber una eliminación total de los difusores de palas, como se representa en los ejemplos de las figuras 3 y 4, o puede haber una eliminación selectiva, es decir, eliminando solo uno o más difusores 22 de palas presente en los ejemplos de las figuras 1 y 2, configurando así hallazgos que son a su vez variantes nuevas y diferentes con respecto a lo descrito para la primera y segunda realizaciones preferentes ejemplificadas en las figuras 1 y 2, y con respecto a lo descrito para la tercera y cuarta realizaciones preferentes ejemplificadas en las figuras 3 y 4.

Por tanto, la invención consigue los objetos preestablecidos, tanto en las formas de realización preferentes descritas anteriormente como en todas las posibles variantes derivadas de lo descrito anteriormente.

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo (1) de propulsión a chorro de agua fuera de borda para vehículos marinos de alta velocidad, que comprende:

- una góndola (2) que comprende un alojamiento (4) con forma hidrodinámica, que se extiende axialmente de acuerdo con una dirección (X) de extensión entre un extremo (5) frontal y un extremo (6) trasero y está provista de un canal (7) de transporte, que se extiende a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre una sección (8) de entrada, dispuesta en dicho extremo (5) frontal y una sección (9) de salida opuesta dispuesta en dicho extremo (6) trasero; estando prevista dicha góndola (2) para ser conectada con el exterior de un fondo de un navío para sumergirse dentro de un fluido en el cual está previsto que avance dicho navío;

- una hélice (3) dispuesta dentro del canal (7) de transporte de dicho alojamiento (4) y accionable para determinar una propulsión en una dirección (V1) de avance específica sustancialmente transversal a la sección (8) de entrada de dicho alojamiento (4);

en donde:

- dicha hélice (3) comprende una bomba (11) accionable para generar un flujo de dicho fluido a través de dicho canal (7) de transporte de acuerdo con un sentido (VF) de flujo de salida que va desde dicha sección (8) de entrada hasta dicha sección (9) de salida; en donde dicha bomba (11) está provista de al menos un rodete (18) que tiene el eje (Y) de rotación paralelo a la dirección (X) de extensión de dicho alojamiento (4);

- dicha góndola (2) comprende:

- una entrada (12) dinámica, que comprende al menos una sección (13) frontal de dicho alojamiento (4); en donde dicha sección (13) frontal se extiende axialmente a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre dicha sección (8) de entrada y dicha bomba (11) y tiene secciones de paso, transversales a dicha dirección (X) de extensión, que aumentan de acuerdo con dicho sentido (VF) de flujo de salida, de modo que provoca, en dicha entrada (12) dinámica, una ralentización de la velocidad local de dicho fluido y un aumento de presión de dicho fluido;

- una tobera (14) de descarga, que comprende una sección (15) trasera, sustancialmente simétrica axialmente, de dicho alojamiento (4); en donde dicha sección (15) trasera se extiende axialmente a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre dicha bomba (11) y dicha sección (9) de salida, y tiene secciones de paso, transversales a dicha dirección (X) de extensión, que disminuyen en dicho sentido (VF) de flujo de salida, de modo que provoca, en dicha tobera (14) de descarga, un aumento de la velocidad local de dicho fluido y una disminución de presión de dicho fluido, creando un chorro de empuje de propulsión que sale de dicha sección (9) de salida;

- un cuerpo (16) central que comprende una sección (17) intermedia de dicho alojamiento (4); en donde dicha sección (17) intermedia se extiende a lo largo de dicha dirección (X) de extensión entre dicha entrada (12) dinámica y dicha tobera (14) de descarga, en su interior aloja dicha bomba (11) y tiene secciones de paso, transversales a dicha dirección (X) de extensión, que tiene una zona constante a lo largo de dicha dirección (X) de extensión; en donde la sección (13) frontal de dicha entrada (12) dinámica está conectada a la superficie externa del alojamiento (4) de dicha góndola (2) por medio de un reborde (27) de forma redondeada, que delimita el borde de la sección (8) de entrada de dicha góndola (2); y

en donde el rodete (18) de dicha bomba (11) está provisto de palas (19) que tienen un perfil aerodinámico con la cuerda en aumento, la cual aumenta como una función del radio de dicho rodete (18).

2. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que la sección (8) de entrada de dicho alojamiento (4) se encuentra en un plano sustancialmente ortogonal al eje (Y) de rotación de dicho rodete (18).

3. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que dicha bomba (11) es una bomba de flujo axial o una bomba de flujo semiaxial.

4. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con cualquiera una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicha bomba (11) comprende dos o más etapas (20, 21) situadas en sucesión a lo largo de la dirección (X) de extensión de dicho alojamiento (4), y cada una de tales etapas (20, 21) está provista de un correspondiente dicho rodete (18).

5. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado por que dicha bomba (11) comprende:

- una primera etapa (20), dispuesta para generar un primer aumento de presión de dicho fluido; - una segunda etapa (21), situada entre dicha primera etapa (20) y dicha tobera (14) de descarga, y dispuesta para generar un segundo aumento de presión de dicho fluido superior a dicho primer aumento de presión.

6. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con cualquiera una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que cada dicha etapa (20, 21) comprende un correspondiente dicho rodete (18), y el rodete (18) de dicha primera etapa (20) está dispuesto para girar en el sentido opuesto al sentido del rodete (18) de dicha segunda etapa (21).

7. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con cualquiera una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende al menos un motor eléctrico conectado operativamente a dicha bomba (11) para accionar la rotación de dicho rodete (18).

8. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con la reivindicación 7 y de acuerdo con la reivindicación 5 o 6, caracterizado por que comprende múltiples dichos motores eléctricos, operativamente independientes, cada uno de los cuales está conectado al rodete (18) de una correspondiente dicha etapa (20, 21) de dicha bomba (11).

9. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, caracterizado por que dicho motor eléctrico comprende:

- un estator (25) anular fijado a dicho alojamiento (4) coaxial con el eje (Y) de rotación de dicho rodete (18);

- un rotor (26) anular montado giratorio dentro del canal (7) de transporte de dicho alojamiento (4), dispuesto coaxial con dicho eje (Y) de rotación, que lleva dicho rodete (18) fijado al mismo, y acoplado a dicho estator (25) anular.

10. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende un difusor (22) de palas fijado al alojamiento (4) de dicha góndola (2), dispuesto dentro de dicho canal (7) de transporte corriente abajo de dicho rodete (18) con respecto a dicho sentido (VF) de flujo de salida, y dispuesto para transportar dicho fluido en dirección axial a lo largo de la dirección (X) de extensión de dicho alojamiento (4).

11. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende múltiples álabes (23) de guía de entrada fijados al alojamiento (4) de dicha góndola (2), dispuestos dentro de dicho canal (7) de transporte entre dicha sección (8) de entrada y dicha bomba (11) y dispuestos para hacer girar dicho fluido de acuerdo con al menos un componente de velocidad tangencial con respecto a la rotación de dicho rodete (18).

12. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho rodete (18) comprende un cubo (24) central alineado con dicho eje (Y) de rotación y múltiples palas (19) fijadas a dicho cubo (24) central.

13. Dispositivo (1) de propulsión de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que dicho rodete (18) comprende:

- un anillo periférico que se extiende alrededor de dicho eje (Y) de rotación, restringido de manera giratoria en el canal (7) de transporte de dicho alojamiento (4) para girar alrededor de dicho eje (Y) de rotación;

- múltiples palas (19), cada una de las cuales se extiende entre un extremo interno dirigido hacia dicho eje (Y) de rotación y un extremo externo fijado a dicho anillo periférico.